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(上海齊耀科技集團有限公司，上海200090)

漁業(yè)資源調(diào)查船柴電混合動力系統(tǒng)設計

陸鵬，周曉潔，孫偉，譚琨，申卿

(上海齊耀科技集團有限公司，上海200090)

針對某漁業(yè)資源調(diào)查船的作業(yè)需求，應用柴電混合動力系統(tǒng)設計軟件進行總體方案設計,完成傳動設計、初步匹配、柴電功率分配及終結匹配等設計和計算，實現(xiàn)該船的柴電功率分配及設備選型。

柴電混合；機槳匹配；功率分配；設備選型

柴電混合動力系統(tǒng)具有柴油機推進、電力推進、柴電并車混合推進等多種工作模式，可發(fā)揮柴油機推進和電力推進2種動力形式的綜合優(yōu)勢，具有節(jié)能高效、操作靈活、可靠性高等諸多優(yōu)點。柴電混合動力是由柴油機和軸帶電機(或套軸式電機)組成混合推進的新型動力型式[1]，其運行模式多樣。目前，對船舶柴電混合動力系統(tǒng)的研究集中在原理、仿真或控制策略等的介紹[5-6]，而面對系統(tǒng)總體方案設計和關鍵設備的選型則鮮有報導。本文應用自主開發(fā)的船舶柴電混合動力系統(tǒng)設計軟件，結合螺旋槳圖譜法[7-8]對某漁業(yè)資源調(diào)查船柴電混合動力系統(tǒng)進行方案設計、設備選型設計及柴電功率分配分析，其結果可為類似的船舶柴電混合動力系統(tǒng)的設計和研究提供參考和指導。

1 柴電混合動力系統(tǒng)設計軟件

軟件結構為樹狀，主要模塊關系見圖1。

圖1 柴電混合動力系統(tǒng)設計軟件結構

第一層級菜單包括文件處理、系統(tǒng)設計、數(shù)據(jù)庫管理以及幫助等。其中系統(tǒng)設計包含快速性預報、方案設計、多方案評估、設備選型及軸系相關計算等；軟件的數(shù)據(jù)庫包含：設備數(shù)據(jù)庫、設計資料庫和軟件庫。由于不同設計過程需要交叉引用相關的數(shù)據(jù)庫，所以多數(shù)據(jù)庫管理貫穿整個設計過程。數(shù)據(jù)庫采用內(nèi)部查找、引用，外部修改、增刪的管理方式，可以方便地進行各項維護。數(shù)據(jù)庫各頁有相應模板，從而保證程序引用的正確性和快速性。方案設計包括參數(shù)輸入、型式選擇、設備選型、機槳匹配計算、軸系計算、結構草圖設計等，最終出具完整的設計報告。此外，該軟件還能夠通過多種設計方案的輸入后，結合專家打分評價系統(tǒng)，進行多方案評估并出具評估結果報告，從而明確哪種方案更加合理。

綜上所述，柴電混合動力系統(tǒng)設計軟件是一個綜合軟件，涉及到人機交互、文件處理、數(shù)據(jù)庫交叉應用、動力系統(tǒng)方案設計、軸系校核計算、多方案評估、設計報告輸出等。限于篇幅，以某漁業(yè)資源調(diào)查船柴電混合動力系統(tǒng)為研究對象，對該漁業(yè)資源調(diào)查船在不同運行工況下系統(tǒng)的總體方案、推進型式、工作模式、柴電功率分配、最大航速及系統(tǒng)布置等進行設計分析，實現(xiàn)柴電混合動力系統(tǒng)方案主要設計過程。

該設計軟件在VB.net環(huán)境下編制完成，軟件啟動后界面見圖2，最上層的菜單按照圖1結構為第一層級。點擊任何一個菜單可以在界面左側(cè)彈出對應的第二層級下拉菜單。

圖2 柴電混合動力系統(tǒng)設計軟件界面

2 應用

2.1 系統(tǒng)輸入條件

某漁業(yè)資源調(diào)查船主推進動力系統(tǒng)采用單機單槳(帶PTI推進電機)形式，設置1臺主推進柴油機、1臺齒輪箱、1套軸系及可調(diào)槳、2只高彈、1套推進電機及變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)。主推進柴油機采用高速機，通過減速齒輪箱與軸系及螺旋槳相連。齒輪箱為2進1出形式，輸入側(cè)通過高彈性聯(lián)軸器分別與主推進柴油機和PTI變頻電機連接。

該設計軟件根據(jù)已知條件確定總體設計方案。設計參數(shù)越詳細，越能反映船舶真實的信息，則設計結果越精確。設計軟件需要的船舶設計參數(shù)見表1。

表1 船舶設計參數(shù)

船體主要設計參數(shù)見表2；船體有效功率見表3(也可以是阻力[9])，對應不同設計點的有效功率，一般由船模試驗獲得；該柴電混合動力系統(tǒng)輸出功率與設計航速的關系見表4。需要說明的是，航速作為柴電混合推進動力系統(tǒng)的考核指標并不全面，這里只是單純考慮達到設計航速所需功率是否小于主機能提供的功率即為滿足設計要求。實際還需考慮經(jīng)濟性指標、可靠性指標、強度指標及噪聲振動指標，等。

表2 船體主要參數(shù)

表3 船體有效功率

表4 系統(tǒng)組成及參數(shù)

2.2 混合動力系統(tǒng)設計步驟

步驟1。進行參數(shù)輸入，界面見圖3。

圖3 參數(shù)輸入界面

在圖3的參數(shù)輸入界面中，按照提示輸入表1的相關數(shù)據(jù)。其中表2的船體主要參數(shù)和表3的有效功率曲線為軟件計算中必須要求的數(shù)據(jù)，并用“*”在界面上標明。

步驟2。傳動設計選型，界面見圖4。

圖4 傳動設計選型設計界面

傳動設計選型是根據(jù)動力系統(tǒng)的配置進行選擇傳動方案及設備。首先，按照軸系的數(shù)量分單槳、雙槳、三槳及四槳4大類進行選擇。再細分成直接傳動(不帶齒輪箱)和間接傳動，間接傳動再進一步細分成是否帶PTO/PTI，是否并車,等。另外，對可能出現(xiàn)設備不在列入的模式中或需要修改已有模式中默認的設備時，還可以通過右下角的設備配置表進行靈活選型。

步驟3。工作模式設置，有基本、經(jīng)濟、助推、應急、電軸這5種常見模式供選擇，界面見圖5。

圖5 工作模式設置界面

針對該漁業(yè)資源調(diào)查船，設計要求具有基本模式(全柴推進)、柴電并車模式(booster)及電力推進模式(PTI)。對于有其他型式的可以在上圖中各模式前的復選框中勾選，并將對應的設計航速輸入其中。

步驟4。軟件內(nèi)置了初步匹配的計算流程，應用螺旋槳圖譜法，自動求出各工況下的航速對應的功率需求，點擊各工況的切換頁面顯示，見圖6。

圖6 初步匹配計算結果界面

對于圖6初步匹配結果，再根據(jù)柴電混合各工況功率需求計算，對柴油主機和PTI推進電機的功率進行推算，見圖7。

圖7 柴電功率分配推算結果界面

一旦確定各設備的功率，可在圖8所示的數(shù)據(jù)庫界面中進行設備選型。

圖8 設備選型界面

根據(jù)初步匹配的參考值，再合理運用通配符，可能選出多個合適的設備，設計者可根據(jù)一定冗量在設備數(shù)據(jù)庫中對設備進行選擇，確定后的選型結果顯示在圖9的界面中，系統(tǒng)組成的主要部件可分頁顯示。

圖9 設備選型結果界面

步驟5。終結匹配計算最大航速和螺旋槳效率，見圖10。

圖10 終結匹配界面

終結匹配是主機選定后，根據(jù)輸入主機的功率，限定螺旋槳直徑和盤面比，再根據(jù)圖譜槳的設計確定螺旋槳充分吸收主機功率后能達到的最大航速及此時螺旋槳效率和螺距比等參數(shù)。

步驟6。根據(jù)設備組成形成軸系布置圖，首先形成草圖，見圖11。

圖11 軸系布置草圖界面

由于設備按照傳動的關系連接在一起成為整套動力系統(tǒng)，故只要確定一個最邊緣的設備位置(可以是主機，也可以是螺旋槳)就可以按照其他設備之間的相對位置及設備自身尺寸來確定軸系布置圖。例如：螺旋槳位于1號肋位處，可根據(jù)相連的槳軸及其長度確定齒輪箱輸出端的位置，再根據(jù)齒輪箱尺寸以及PTI高彈和主機高彈的位置分別確定PTI位置和主機位置，如此順序連接從而實現(xiàn)整套動力系統(tǒng)的軸系形成。簡圖的繪制，可以顯示并判斷軸系各設備的位置關系是否正確。

將各設備廠商提供的設備CAD圖，用CAD的制塊命令形成相應的圖塊，按照上述草圖的連接原則調(diào)用各設備圖塊，最終構成軸系的設計總圖，見圖12。

圖12 軸系設計總圖與CAD關聯(lián)出圖

軸系中各設備是按照一定的相對位置連接而成的。根據(jù)各設備的CAD塊圖，并依據(jù)插入點(通常為連接點)位置，軟件可自動調(diào)用AutoCAD實現(xiàn)軸系設計總圖的自動拼接、顯示和保存，方便使用者對整個系統(tǒng)有直觀的認識。同時也可以在此基礎上標注尺寸和明細，實現(xiàn)工程出圖。

3 計算結果分析

由于初步匹配解決了達到設計要求的功率需求，同時也考核了初步選定的設備是可以滿足設計要求的。還需確定：①柴電混合動力系統(tǒng)中柴電功率的分配，由此確定各設備的功率，達到設備選型的目的；②需要知道在確定的功率下，該船舶螺旋槳吸收相應功率，能產(chǎn)生最大的航速和最優(yōu)化的螺旋槳設計參數(shù)。

3.1 柴電功率分配及設備選型

根據(jù)設計航速及初步匹配計算結果來考核原選擇的設備是否能滿足各工況的需求。表5的“初步匹配計算結果”均小于原選設備的功率，滿足設計要求。另外，表中的敞水效率和螺距比反映了不同設計航速下調(diào)距槳的狀態(tài)。

表5 初步匹配計算結果與初選設備的比較

結果(圖6、7)顯示各工況下柴油主機和推進電機的功率需求分別為970.4和133.73 kW。也可以通過柴電并車的功率需求(1 118.5 kW)減去柴油主機功率需求(970.4 kW)，由此結果可推算出推進電機的功率配置(148.1 kW)。兩者相差不大，都可以達到柴電功率分配的目的，從而幫助設計者在對應的設備數(shù)據(jù)庫中選擇相應合適的設備，一般應選擇其中較大者。再考慮不同工況下主機功率對應不同的航速，且此時螺旋槳的敞水效率和螺距比不同，相對于助推工況下的最大航速，敞水效率和螺距比都擴大了近1.12倍(敞水效率0.609/0.541；螺距比0.93/0.83)，折算PTI的近似功率需達到185 kW才能滿足設計要求，考慮效率和冗余因素，PTI的功率需求還需相應放大。

根據(jù)上述計算結果：主推進柴油機功率需大于970 kW；PTI功率需大于185 kW作為輸入條件，在設計軟件的數(shù)據(jù)庫中查找相應的設備，其選型界面仍為圖8。再綜合考慮頻率、轉(zhuǎn)速、電壓等技術條件和經(jīng)濟性、可靠性、安全性及可維修性等要求，達到合理選型的目的。

3.2 終結匹配

初步匹配設計的結果可以滿足各工況下設計航速要求，即達到設計航速所需功率小于實際提供的功率。同時，還需考慮在原選擇設備條件下，即柴油機單獨推進1 007 kW、柴電混合總功率1 227 kW和PTI推進電機單獨推進220 kW下，各自能達到的最大航速、敞水效率和螺距比等。這一過程即為終結匹配。

以柴油機單獨推進為例，把已知型號的柴油機從數(shù)據(jù)庫中選擇出來后，再將其功率以及螺旋槳的直徑和盤面比作為輸入條件，進行終結匹配，按照終結匹配流程，結合螺旋槳的圖譜法，軟件計算出此時的最高航速以及螺旋槳吸收相應主機功率后優(yōu)化的螺距比和敞水效率(槳效率)。

同上，分別輸入柴電混合推進功率1 227 kW及PTI功率220 kW，結果見表6。

由表6可見，終結匹配的計算結果均大于設計航速要求，誤差小于0.5 kn，且相對誤差都是正偏離，故原選擇的設備滿足設計要求。

表6 終結匹配計算結果

4 結論

漁業(yè)資源調(diào)查船柴電混合動力設計的應用分析表明，初步匹配(確定功率需求)、柴電混合功率分配以及終結匹配(確定柴電功率已知下最大航速)均能滿足設計要求，且精度較高。但同時，針對柴電混合的工況復雜性，軟件的簡化處理是誤差的主要來源。

該設計軟件結合了總體方案設計、傳動選型、機槳匹配計算、設備選型、柴電功率分配等方法或算法，使柴電混合設計從經(jīng)驗設計初步轉(zhuǎn)化成自主設計，提高了設計靈活度、減輕了工作強度，界面美觀、人機交互性強，方便相關設計人員使用，具有很好的推廣價值。考慮到該設計軟件對功率和航速的分析依賴螺旋槳圖譜法，故從提高該設計軟件的應用范圍和計算精度的目的來看，下一步的研究重點是搜集整理其他各型螺旋槳的槳譜，以充實螺旋槳槳譜數(shù)據(jù)庫。

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Design of Diesel-Electric Hybrid Propulsion System for Fishery Resources Investigation Vessel

LUPeng,ZHOUXiao-jie,SUNWei,TANGKun,SHENQing

(Shanghai Qiyao Science & Technology Group Co. Ltd, Shanghai 201108, China)

According to operational requirements of the fishery resource investigation vessel, the overall scheme of a diesel-electric hybrid propulsion system was designed, including transmission design, preliminary matching, diesel-electric power distribution and termination matching. The ship’s power distribution and equipment selection were determined.

diesel-electric hybrid propulsion; engine and propeller matching; power distribution; device selection

U664.142

A

1671-7953(2017)06-0072-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.016

2017-01-22

2017-03-07

國家科技支撐計劃課題資助(2014BAG04B02)

陸鵬(1977—)，男，博士，高工

研究方向：船舶與海洋工程