带轴带发电的船舶推进系统动态性能仿真研究

摘要

随着全球能源危机，石油价格不断上涨，船舶的运营费用在不断增长。船舶轴带发电机可以充分利用船舶主机的功率储备，部分或完全替代传统的柴油发电机为全船供电，达到节约运营成本的目的。为了使带轴带发电机输出的电能稳定，可选用可调螺距螺旋桨与轴带发电机的组合方式，保持船舶主机在恒转速模式下运行。船舶主机、轴带发电机和调距桨等有不同的工作特性，在配合运行时不仅要考虑单个部件的工作特性，还需要考虑整体系统的配合特性。因此，本文对带轴带发电机的船舶推进系统进行仿真建模研究，并应用于13000吨化学品船，研究整体系统的动态性能。
　　本文首先介绍了同步发电机的原理，理论推导出同步发电机的数学模型，基于ZFC6506-44E三相自励无刷同步发电机，在MATLAB/SIMULINK环境下建立仿真模型，并进行动态仿真和台架实验验证;然后基于实验数据和理论分析，建立了柴油机扭矩模型以及柴油机调速器模型;其次，研究荷兰瓦根宁B系列螺旋桨的图谱规律，并结合13000吨化学品船螺旋桨模测试数据，得到该船调距桨的敞水特性曲线;最后又综合考虑船舶阻力、伴流和推力减额等因素，通过轴系转动平衡和船体纵荡平衡建立带轴带发电机的船舶推进系统仿真模型。
　　考虑到轴带发电机的运行条件，需保证船舶主机以恒转速模式运行，本文通过控制螺旋桨的螺距来实现主机恒转速模式下的船舶调速，分析了船舶调速过程中船舶推进系统及轴带发电机的动态性能，结果表明:通过控制螺距来实现船舶调速时轴带发电机频率、端电压等性能参数的动态性能均满足船舶电力规范要求，即轴带发电机可以稳定运行。同时，对船舶电力负载突变时，研究了推进系统的动态性能，仿真结果表明:随着突变的电力负载的增加，推进系统的主要性能参数的波动范围越大，但是最大波动值在系统的调节范围之内，船速的最大波动值为0.005％，可近似认为在轴带发电机调节负荷时，对船舶航速没有影响。本论文建立的仿真模型和结果分析对轴带发电机设计和在船舶推进系统中的应用提供理论支撑。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景与意义

1．2．1船舶轴带发电系统发展概况

1．2．2轴带发电系统研究现状

1．2．3船舶推进系统的发展概况

1．2．4船舶推进系统研究现状

1．3本文主要工作

第2章轴带发电机理论及数学建模

2．1轴带发电机模块化建模

2．1．1轴带发电机的数学基本方程

2．1．2电感系数的确定

2．1．3坐标变换

2．1．4 dq0坐标系下轴带发电机的数学方程

2．1．5 dq0坐标系下轴带发电机的标幺化数学方程

2．1．6模型参数确定

2．2轴带发电机仿真模型

2．3仿真算法与精度的设置

2．4仿真初始化及仿真结果分析

2．4．1发电机的动态仿真

2．4．2发电机模型的验证

2．4．3轴带发电系统的仿真建模

2．5本章小结

第3章带轴带发电的船舶推进系统模块化建模

3．1柴油机仿真模型

3．1．1柴油机扭矩模型

3．1．2柴油机调速器模型

3．2调距桨数学模型

3．2．1调距桨的推力系数和扭矩系数

3．2．2调距桨敞水特性

3．3带轴带发电系统的船舶推进系统整体模型

3．4本章小结

第4章船舶调速时推进系统的性能仿真分析

4．1可调螺距螺旋桨仿真

4．1．1可调螺距螺旋桨仿真的研究思路

4．1．2推力系数函数表达式的确立

4．1．3扭矩系数函数表达式的确立

4．1．4可调螺距螺旋桨仿真模型的建立

4．2船舶加减速时推进系统性能分析

4．2．1船舶加速时推进系统性能分析

4．2．2船舶减速时推进系统性能分析

4．3本章小结

第5章船舶电力负载变化推进系统性能仿真

5．1船舶电力负载分类

5．2船舶电力负载变化推进系统的动态仿真分析

5．2．1电力负载突变后系统的仿真性能分析

5．2．2不同的电力负载对仿真结果的影响

5．3本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录