船舶综合全电力推进系统的动态仿真

为了优化船舶综合全电力推进系统的控制性能,建立了由船舶电站、永磁同步电机和船桨组成的系统数学模型。给出了多台柴油发电机组并联运行的仿真计算方法。在螺旋桨特性计算中,提出了推力系数和扭矩系数的计算方法。针对永磁同步电机常规直接转矩控制存在负载角不稳定问题,提出了基于负载角限制的直接转矩控制算法。以中铁渤海1号船为例,实现船舶全电力推进系统的动态过程仿真,结果验证了数学模型和方法的有效性。     

推力鳍对吊舱推进器水动力性能的影响

考虑利用螺旋桨旋转尾流能量以及提高航向稳定性,提出一种带推力鳍的吊舱推进器,采用CFD方法计算其不同进速下的推力系数、转矩系数以及侧向力,并与常规吊舱推进器水动力性能进行了比较。结果表明,加推力鳍后推进效率最大提高达1.6%,航向稳定性也明显改善,鳍的存在有效分割了螺旋桨旋转尾流,引起诱导速度及舱体压力的变化。     

无轴轮缘推进器流热耦合研究

无轴轮缘推进器将永磁电机与螺旋桨集成一体，螺旋桨旋转时对电机电磁损耗与流场换热特性产生影响，进而改变各部分的温度分布。采用有限元法（FEM）计算推进电机的电磁损耗，采用有限体积法（FVM）建立流体场和温度场仿真模型，对推进器的电磁-流-热耦合问题进行仿真分析。通过对比仿真和试验结果，验证了流热耦合仿真方法的有效性。在此基础上，推导了螺旋桨转速与集成电机的损耗关系，并利用仿真模型分析了在不同进速系数、不同转速、不同间隙下推进器电磁损耗及流体场对推进器散热的耦合影响。结果表明，外域水流对推进器的温升影响较小，当间隙流速达到一定程度时散热减缓；推进器螺旋桨转速与集成电机电磁损耗存在幂次方关系；推进器主要靠间隙流体的流动带走热量，间隙大小会影响推进器散热，应合理选择推进器间隙尺寸。     

船用螺旋桨负载动态实验仿真装置研究

介绍了动态仿真船用螺旋桨负载的总全方案并给出了一种仿装置。该装置能仿螺旋桨在各种工况下的静、动态特性,为推进电机提供逼真的轴负载。装置的主体为转矩随动系统,其反馈转矩的测量采用了转矩传感器。文章针对某深潜救生艇的螺旋桨负载进行了仿真研究,仿真结果与实际响应接近。     

大功率全回转推进器水动力学性能研究

大功率全回转推进器是大型海洋装备在复杂海况下确保精确定位的关键推进系统,其水动力学特性将直接影响到整个推进系统的服役性能。基于计算流体力学(CFD)基础理论,建立某型全回转推进器水动力学数值仿真模型,获得其水动力学特性。在此基础上,采用准定常计算方法分析不同回转角度下推进器产生的推力和扭矩,获得其在全回转过程中的水动力学性能变化规律。计算结果表明,当进速比为0.55时该推进器效率达到最大值0.704;在全回转过程中推力系数呈现M型曲线,分别在120°和240°回转角时推力达到最大值。在回转角为120°时,桨叶吸力面与推力面之间压差最大,此时会造成桨叶上产生较大的应力。本文所开展的大功率全回转推进器水动力学特性研究为综合评价其疲劳寿命及服役性能提供了参考依据。     

导管螺旋桨的推力、进速与诱导速度沿盘面的分布特征

运用计算流体力学方法对在不同工况中导管螺旋螺旋桨的推力、转矩以及螺旋桨周围的流场特性进行观察,对导管螺旋桨盘面处的进速、诱导速度的沿盘面的分布以及螺旋桨所发出的推力与周围速度场之间的关系进行分析。计算结果表明,由于导管出口处激发出的下游尾涡作用,螺旋桨推力、转矩、盘面的进速以及诱导速度分量的时域过程表现出了一种多次峰谷值振荡变化的动力学特征;轴向进速是影响螺旋桨推力、转矩变化的主要因素。     

海洋工程船推力分配策略

阐述一种处理全回转推进器之间水动力干扰问题的方法。推力分配策略以能量消耗低、首向最优、推力误差小、最小化推进器最大推等为目标建立优化函数,综合考虑到推进器物理条件限制而设置动态推力区域,考虑到全回转推进之间水动力干扰而采用在推力禁区内限制推进器最大推力的方法。最后使用序列二次规划解决以上问题。仿真结果表明,限制推进器禁区内最大推力的方法降低了能量消耗,减少了推进器机械磨损,对于推力分配策略选取是一种合理有效的选择。     

船用螺旋桨负载动态实验仿真装置研究

介绍了动态仿真船用螺旋桨负载的总体方案并给出了一种仿真装置。该装置能仿真螺旋桨在各种工况下的静、动态特性，为推进电机提供逼真的轴负载。装置的主体为转矩随动系统，其反馈转矩的测量采用了转矩传感器，文章以某深潜救生艇的螺旋桨负载为研究对象，建立了系统的数学模型，设计了转矩随动系统，利用设计的装置进行了综合仿真，仿真结果与负载实际响应接近。     

空泡下双向冰级桨水动力性能试验研究

针对空泡效应对双向冰级螺旋桨的正车性能和倒车性能的影响,本文采用螺旋桨模型空泡水筒试验方法,探讨均流环境中空泡数和进速系数对螺旋桨正车和倒车水动力影响,以及在冰阻塞环境中空泡数、进速系数和冰-桨距离对螺旋桨正车和倒车水动力性能影响。研究结果表明：均匀流环境中定水速变转速,严重的空化现象对推力和扭矩的削减大于由螺旋桨转速增加而增加的推力和扭矩;冰阻塞环境中定转速变水速,螺旋桨推力和扭矩受到冰阻塞和空泡共同作用,当空化严重时,推力和扭矩不再随阻塞距离的减小而增加;本双向螺旋桨的倒车性能要比正车性能差,进速系数越大,性能差越大,均匀流中进速系数为0.7时,推力系数的差值在80%左右;冰阻塞中随着冰-桨距离的增加,水动力差值随之增加,但增加幅值较小;空泡不断地在桨叶生成,并在与桨叶分离时快速溃灭,随着冰-桨距离的减小,近冰桨叶表面空化现象越严重,空泡发生面积越大,且空泡形状越不规则。     

导管螺旋桨水动力响应特性的初步分析

本文用数值方法研究了19A/Ka4-50导管螺旋桨输入转速随时间变化情况下的水动力响应特性,对比了转速波动幅值、频率对响应特性的影响,发现导管桨推力系数、扭矩系数和效率相对于敞水实验结果均发生了迟滞效应。分析导管桨性能的变化幅度、相对于敞水实验结果的相位差,结果表明：推力系数、扭矩系数和效率的变化规律均一致,即随着转速频率的降低,同一进速系数范围内对应的导管桨性能变化幅度均减小,相位差先增后减;增大转速的波动幅值,导管桨性能变化幅度均增大,但相位差基本保持不变;此外,导管桨在较高进速系数越的情况下,性能变化幅度越小,且相位差也基本呈减小的趋势。总体来说,导管桨在较低的转速频率、波动幅值和较的进速系数时,其性能变化幅度和相位差较小,此时导管桨的响应较及时,并且效率的响应要比推力和扭矩更及时。     

基于笼型异步电机的螺旋桨负载模拟研究

将笼型异步电机作为螺旋桨负载的模拟电机,通过建立旋转坐标系下的笼型异步电动机数学模型实现了电流在磁场方向和转矩方向的解耦,采用转矩矢量控制策略实现了机械负载模拟电机的转矩闭环控制。在MATLAB/Simulink仿真环境下构建了基于转矩矢量控制的机械负载模拟控制系统的仿真模型,并结合综合考虑船桨相互影响的螺旋桨负载模型进行了某船舶的螺旋桨起动和反转过程仿真研究。正确的模拟了船舶螺旋桨负载的反转特性,并确定所设计系统可以实现了机械负载转矩的四象限模拟,能够应用于螺旋桨等具有可逆性质的机械负载模拟的场合。     

水下航行器对转螺旋桨用双转子永磁推进电机研究

为实现水下航行器高效稳定运行,将对转永磁同步电动机应用到对转螺旋桨推进系统中,不仅能够简化推进系统结构、减小体积、降低重量和成本,而且没有电刷滑环,运行更加安全可靠.本文模拟双转子在推进器不同扰动情况,观察电流、转速和转矩响应.针对双转子永磁电机的转速控制精度不高和解决两边转子带不平衡负载时转矩扰动问题,设计一种积分型滑模变结构控制器.该仿真结果表明,控制器使系统具有快速性和精确性且对负载扰动具有较强的鲁棒性.     

水下航行器对转螺旋桨用双转子永磁推进电机研究

为实现水下航行器高效稳定运行,将对转永磁同步电动机应用到对转螺旋桨推进系统中,不仅能够简化推进系统结构、减小体积、降低重量和成本,而且没有电刷滑环,运行更加安全可靠。本文模拟双转子在推进器不同扰动情况,观察电流、转速和转矩响应。针对双转子永磁电机的转速控制精度不高和解决两边转子带不平衡负载时转矩扰动问题,设计一种积分型滑模变结构控制器。该仿真结果表明,控制器使系统具有快速性和精确性且对负载扰动具有较强的鲁棒性。     

船舶电力推进系统建模与仿真研究

本文对两台同步电机驱动的双推进器船舶的电力推进系统进行了研究.通过搭建模型来分析电力推进系统中的影响因素.本模型基于Matlab/Simulink仿真平台,旨在分析船舶的运行特性.因此,通过电力推进系统效率和船舶速度的仿真曲线,了解了双螺旋桨船舶电力推进系统的相关特性.同时对不同的参量(功率和推进转矩,电机转速,船舶速度等)进行了分析,为了提高船舶推进功率和推进器特性,采用了功率评估系统(PPP)和螺旋桨优化系统(POP).     

基于扩展卡尔曼滤波的船舶电力推进系统仿真

针对船舶电力推进系统中采用传统直接转矩控制存在磁链和转矩脉动较大,以及速度传感器的使用降低了系统可靠性,增加了系统成本等问题.提出采用扩展卡尔曼滤波器精确估计电机的定子磁链和电机转速,间接估计转矩,从而实现永磁同步电机的无速度传感器直接转矩控制.保持了直接转矩控制的转矩快速响应和系统鲁棒性强的优点,降低磁链和转矩脉动,减小了系统因电机参数的变化和负载扰动带来的影响.仿真结果表明,基于扩展卡尔曼滤波的船舶电力推进系统具有良好的转速和转矩控制性能.     

摆线推进器水动力特性三维模拟

摆线推进器在旋转过程中，叶片的迎流角实时变化以产生推力。文章将使用FLUENT软件，研究摆线推进器在不同工作参数下的水动力性能。根据摆线推进器的运动规律，编写相应的用户自定义函数（User Defined Function, UDF）控制叶片做摆线运动。在仿真中使用非结构网格、滑移网格方法来分析推进器叶片在不同转轴比、进速系数、转速以及偏心点时对摆线推进器水动力性能的影响。研究结果表明，在50%左右的转轴比、中高进速、较低转速以及小偏心点时，推进器的水动力参数波动较小，有助于维持推力以及叶片稳定性。     

基于滑移网格的螺旋桨性能分析

为计算螺旋桨定常与非定常水动力性能,采用多重参考系模型,利用Reliable k-ε湍流模型计算定常水动力性能,仿真不同进速下螺旋桨的推力系数、转矩系数与敞水效率,将仿真结果与试验值对比,结果表明,采用多重参考系模型计算的推力系数、转矩系数与敞水效率与试验值吻合较好;以定常计算结果为初始值,采用滑移网格模型计算螺旋桨的非定常水动力性能。相比于定常结果非定常结果,与试验值更加吻合,表明滑移网格模型计算的结果精准度更高,更适合于计算螺旋桨的水动力性能。     

电力推进船的螺旋桨负载特性仿真与模拟试验

针对电力推进船舶在风浪中航行的各种工况,考虑船舶运动和风浪作用,建立带有风浪扰动的电推船桨模型。采用永磁同步电动机对螺旋桨负载特性进行仿真模拟,通过矢量控制使永磁同步电机的电磁转矩特性与螺旋桨各种工况的负载转矩特性一致。在MATLAB/Simulink软件平台上进行全数字建模与仿真,并进行半实物的模拟试验,验证系统的可行性。     

无轴轮缘推进器电机与水力部件耦合优化设计研究

针对目前无轴推进器电机与水力部件设计时多未考虑两者耦合的问题,本文提出两者耦合的优化设计方法.采用多参数非线性优化方法,基于电机和导管螺旋桨设计理论公式,并考虑无轴推进器电机转子的直径等同于螺旋桨内径加上叶梢间隙,以及螺旋桨输出转矩加上间隙的摩擦转矩值作为电机输入转矩的关系,建立了一种新型优化设计模型,通过优化方法进行迭代分析,利用5.5 kW无轴推进器进行方法验证.研究结果表明,所提出的优化方法有效地考虑了无轴推进器电机与水力部件的耦合关系,可对推进器效率进行综合优化.     

动力定位船舶全回转推进器工作区优化

[目的]为使动力定位全回转推进器及时响应外界环境力,避免推进器产生大范围旋转,实现动力定位控制的高精度,开展全回转推进器最佳工作区间研究。[方法]以安装有两个全回转推进器和一个侧向推进器的动力定位自航模型为研究对象,首先,分析当前推力分配奇异性优化指标存在的问题,在此基础上考虑推进器的推力限制,并采用遍历推进器推力及方位角的方法,建立轴向最大能力矩阵;然后,根据外界环境力大小及变化,计算得到各轴向的最低性能要求,结合禁止角,确定推进器在不同外界环境下的最佳工作区间,获得新的推力分配逻辑框架;最后,基于传统奇异性指标与最佳工作区间的动力定位船模,分别开展定点定位试验。[结果]结果表明,所提方法能够克服奇异性指标存在的不足,实现推进器方位角在50°范围内变化,定点定位达到0.1 m半径位置和0.5°艏向的控制精度。[结论]所述方法可替代奇异性指标,满足船模动力定位试验要求,具备一定的工程实用价值。