风翼助航系统对船舶柴油机动力扰动特性研究

摘要

随着世界经济的飞速发展,石油资源短缺的问题日益凸显。由于石油资源短缺,供需关系失衡,油价飙升,致使船舶营运成本大幅提高。与此同时,环境问题日益引起人们的关注和重视,如何提高燃油燃烧效率和降低污染排放已引起国际海事组织IMO的高度重视。随着新规范的出台,世界航运业日益受到高油价以及环保的挑战,面临极大的节能减排压力。作为船舶原动力的柴油机其节能减排的空间所剩无几,进一步的船舶节能只能依赖于技术进步和新技术开发。
　　 在上述背景下,风翼作为辅助动力在船舶上的应用重新引起人们的重视,但是由于自然界中的风场是不断变化的,风场的变化会使风翼产生的推力的大小、方向产生波动,从而会对柴油机动力装置产生扰动,在某些特定情况下这种扰动对柴油机动力装置的影响可能是致命的,因此风翼动力波动对柴油机的扰动特性研究是必要的。
　　 本文首先选取典型航线上的典型工况作为出发点,建立风翼推力波动图谱,然后分别对船舶螺旋桨特性、船舶阻力特性和柴油机特性进行介绍,在此基础上建立船机桨翼系统数学模型；其次,利用MATLAB／Simulink仿真软件结合船机桨翼系统数学模型建立了船机桨翼系统动态仿真模型；再次,以风翼推力波动图谱为基础确定仿真输入信号,对船机桨翼系统进行多种工况下的动态计算,得出柴油机动力输出扰动曲线；最后,通过对不同工况下的柴油机动力输出扰动曲线进行对比分析,得出结论。
　　 本文主要侧重于对风翼推力波动对柴油机动力扰动特性的研究,研究过程中建立了船机桨翼系统数学模型和Simulink动态仿真模型,最终得出部分工况下柴油机的动力扰动特性曲线,是风翼-船舶柴油机混合动力装置耦合特性研究的基础,对于提高风翼助航船的可靠性和寿命具有重要的意义。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 背景

1.1.1 石油资源短缺

1.1.2 节能减排与环保要求

1.1.3 新规范的出台

1.2 相关领域研究现状

1.2.1 风帆助航船研究现状

1.2.2 船机桨匹配和动力装置仿真研究现状

1.3 论文的提出及意义

1.4 本论文研究内容及论文结构

第2章 目标船及典型航线风翼推力概述

2.1 目标船概况

2.2 目标船风翼参数及布置情况

2.3 目标船典型航线风力分布分析

2.3.1 典型航线基本数据

2.3.2 典型航线各航段风翼动力计算结果

第3章 风翼动力波动对螺旋桨及船舶阻力特性影响分析

3.1 螺旋桨特性概述

3.1.1 螺旋桨敞水特性

3.1.2 船后螺旋桨水动力特性

3.2 螺旋桨推进特性数学模型的建立

3.3 船舶运动数学模型及阻力特性

3.3.1 船体附加质量

3.3.2 船体阻力概述

3.3.3 船舶阻力估算

3.3.4 加装风翼对目标船船体阻力的影响

第4章 目标船柴油机动力装置耦合特性研究

4.1 船机桨配合概述

4.1.1 船桨关系

4.1.2 机桨关系

4.1.3 加装风翼后船机桨配合关系的变化

4.2 柴油机特性

4.3 柴油机动力输出准稳态数学模型

4.3.1 调速器模型

4.3.2 柴油机转矩模型

4.3.3 燃油泵模型

第5章 目标船船机桨翼系统仿真计算与柴油机扰动特性研究

5.1 MATLAB/Simulink简介

5.2 船机桨翼数学模型的建立

5.3 船机桨翼仿真模型

5.3.1 进程系数子系统

5.3.2 螺旋桨有效推力子系统

5.3.3 螺旋桨旋转力矩子系统

5.3.4 柴油机子系统

5.3.5 船速计算子系统

5.3.6 柴油机转速计算子系统

5.3.7 船机桨翼Simulink仿真模型

5.4 船机桨翼模型动态仿真计算及柴油机扰动特性分析

5.4.1 典型航线船机桨翼稳态特性分析

5.4.2 初始条件设定

5.4.3 输入信号确定

5.4.4 仿真计算结果及分析

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢