船舶柴电混合动力推进系统关键技术研究

摘要

船舶推进系统作为船舶的核心组成部分，其对船舶航行的整体性能和安全性起到了决定性作用。随着船舶的大型化以及各国船级社对推进系统的低排放要求的日趋严格，船舶动力推进系统由传统柴油机推进系统逐步向柴电混合动力推进系统发展。柴电混合动力推进系统不仅具有较多的推进型式，而且具有运行工况多样性、低碳环保型和智能化等特点，如何合理选取相应的混合动力推进系统以及提高船舶运行效率的能量管理策略研究均显得十分重要；同时由于混合动力推进系统组成结构复杂以及船舶规范对振动噪声的要求提高，因此需要对混合动力推进轴系振动进行更加深入研究。本文以某船舶四机双桨+PTO/PTI混合动力推进系统为研究对象，采用了数学推导、数值计算、仿真分析以及实船测试等手段，进行了混合动力推进系统型谱、船舶运行能量管理策略及推进轴系振动等方面的研究。 （1）对国内外实际船舶中所采用的混合动力推进系统类型的特点进行了分析与研究，建立了一套具有合理性、科学性、系统性以及实用性的混合动力推进系统评价指标体系，提出采用模糊综合评价法和层次分析法相结合模糊层次分析法进行选型计算与评价分析；同时借助Visual Basic6.0开发平台，采用模块化设计开发了一套混合动力推进系统选型计算分析软件。 （2）建立混合动力推进系统能量流图并对各工况下能量流的特点进行分析与研究，利用MATLAB/SIMULINK仿真软件采用模块化建模思想建立混合动力推进系统仿真模型，提取船舶航行工况的特征参数并建立标准航行工况，运用所建立的航行工况模糊模式识别模型识别样本所属的航行工况，提出了基于规则的能量管理控制策略对船舶混合动力推进系统能量进行统一管理和分配。 （3）对电机振动机理以及电机振动过程中进行分析，提出了电机存在阶次振动以及通过阶次振动机理和公式推导得到电磁转矩的解析计算公式；同时对冰载荷作用下的螺旋桨激励力特性进行研究。建立冰载荷下电动机模式的轴系扭转振动数学模型，在仅考虑电机阶次激励力作用和考虑电机阶次激励力与冰载荷激励力作用二种情况下，采用系统矩阵法和Newmark-?法分别对轴系的频域振动特性和时域振动特性进行研究，验证了冰载荷作用下的螺旋桨激励力和电机阶次激励力的相关理论正确性。 （4）研究线性-直链式模型、非线性-直链式模型、线性与非线性混合-直链式模型、线性-带分支式模型和线性-带分支式模型五种基本振动模型，从而建立含非线性部件的部件的混合动力推进轴系扭转振动模型；在谐波平衡法的基础之上引入摄动思想，通过数学推导得到了摄动-谐波平衡法求解非线性轴系自由振动固有特性；同时运用增量法与谐波平衡法相结合的增量谐波平衡法对推进系统进行响应振动特性分析，为开展混合动力推进轴系的振动研究奠定基础。 （5）以某船舶柴电混合动力推进轴系对试验对象，采用应变法对该船舶推进轴系的电力推进工况和柴电混合推进工况进行扭转振动数据采集，通过测试数据与理论计算数据的对比分析验证了前述相关理论的正确性。

目录

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主要符号表

第1章 绪论

1.1 目的和意义

1.2 混合动力推进系统选型研究综述

1.3 推进系统能量管理综述

1.4 船舶推进轴系振动研究综述

1.5 当前研究中存在的问题

1.6 论文的主要研究内容

第2章 混合动力推进系统选型研究

2.1 概述

2.2 混合动力推进系统型谱

2.3 混合动力推进系统技术指标评判体系

2.4 基于模糊层次分析法的选型计算

2.5 系统选型与计算分析软件开发

2.6 本章小结

第3章 混合动力推进系统能量管理控制策略研究

3.1 概述

3.2 混合动力推进系统能量流

3.3 数学模型的建立及试验验证

3.4 基于工况识别的规则能量管理策略

3.5 本章小结

第4章 冰载荷下电动机模式的轴系振动研究

4.1 概述

4.2 冰载荷作用下的螺旋桨激励力

4.3 电机振动阶次特性分析

4.4 电动机模式的轴系振动实例计算与分析

4.5 本章小结

第5章 含非线性基于非线性部件高特性弹性联轴器非线性刚度的轴系振动研究

5.1 概述

5.2 非线性扭转振动方法

5.3 含非线性特性非线性部件高弹性联轴器非线性刚度的轴系振动模型

5.4 非线性推进轴系自由振动

5.5 非线性推进轴系响应振动计算

5.6 实例计算与分析

5.7 本章小结

第6章 柴电混合动力推进系统试验研究

6.1 概述

6.1 2 测试对象及测试系统

6.2 3 测试原理及测试仪器

6.3 4 轴系测试工况与测试步骤

6.4 5 对比分析

6.5 6 本章小结

第7章 结论总结与展望

7.1 结论总结

7.2 本文的主要创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和从事科研工作