1、調距槳作為船舶主推進動力裝置的重要組成部分，在實船中得到了廣泛的應用。STCW7895公約1978年海員培訓、發證和值班標準國際公約(1995年修正)已將調距槳船舶動力裝置列為高級輪機員的必需培訓項目。然而，國內船員對于調距槳的操縱與管理還不熟悉。從整體上看，國內調距槳的研究，無論是控制技術還是硬件方面都與先進國家有較大的差距。文章就國內外幾種主要調距槳推進系統的結構特點、工作原理、控制方式和特性進行分析比較，并具體介紹了目前調距槳發展狀況及發展方向。考慮到調距槳應用范圍的廣泛性、推進系統的復雜性、控制方式的多樣性，結合實船操縱管理，本文首先具體分析了船舶調距槳推進系統的工作原理以及遙控系統的

2、一些特點，然后針對聯合控制模式這種應用廣泛的調距槳遙控方式進行研究。研究了以減少耗油量為目標的機槳匹配問題，其中包括以“圖譜法"確定螺旋槳的最高效率曲線，結合主機推進特性曲線分析耗油率對耗油量的影響。通過對自動負荷控制方式的分析，解決聯合控制模式中負荷調定以及如何消除和降低由于隨機干擾(如海浪等導致船舶阻力狀態的瞬變)可能導致的機槳失配的問題。第1章緒論11課題背景隨著船舶動力裝置的大型化、自動化、復雜化程度不斷提高，對船舶推進裝置的性能提出了更高的要求。首先從常規能源角度來看，石油作為一種不可再生能源，伴隨著人類近兩百年的使用，已經日趨短缺，原油價格不斷上漲，極大地影響到船舶營運者

3、的利益，客觀上要求我們提高推進性能；其次，一些特種船舶，包括軍艦，因其操縱性能及節能等特殊要求，也對船舶推進型式提出了更高的要求。所有這些，都要求對傳統的船舶推進裝置進行革新。螺旋槳推進已成為船舶推進的主要形式。大多數商船都配置一個螺旋槳位子船尾部中心平面上。螺旋槳的最大效率可達70左右，損失的30可分成三部分t約lO是由于動量損失，10是由于摩擦，其余10是由于螺旋槳尾流轉動。改變推進器的形式可以減少多種不同的損失。例如，使用固定槳葉螺旋槳不可能在所有螺旋槳載荷狀態下利用全部功率。而使用可調螺距螺旋槳時，這個闖題即可消除。用這種型式螺旋槳，任憑改變螺旋槳載荷(例如，沒有拖曳自由航行狀態、拖曳

4、、重拖曳、破冰狀態或船體、氣候或水深條件的變化)，主機功率總是可以被全部吸收。因此，使用調距槳的船舶可以提高船舶整個營運期間的經濟效益，同時滿足一些船舶(在自由航行條件下想要有高速度和在拖曳或系泊試驗條件下想要有大的拉力的船舶)的特殊要求.12國內外的研究現狀121國外的研究現狀調距槳作為一種特殊的螺旋槳在國外出現已經有幾十年的歷史了，隨著船舶制造技術以及其它相關技術的發展，其生產技術隨之不斷發展進步。但調距槳及軸系由于要安裝螺距調節機構及遙控系統，因此其構造及毅部結構較復雜，相應的設計制造工藝也受到液壓等相關行業發展情況的制約，因而在各國的發展不太均衡。歐洲一些國家在這方面的研究工作開展得較

5、早，不少大公司都有較為成熟的調距槳遙控系統及其配套產品，如KAMEWA、SCHOTEIL、WARTSILA、MAN-B&W等都有多年生產調距槳及其遙控系統的歷史，其產品在航運市場上占有較大的份額，他們在機械、液壓機構結構方面的特點基本相同，但具體的遙控系統卻各具特點。現今比較有名的生產廠家及其產品有：德國MAN-B&W公司研制的Alphatronic遙控系統，用于控制與二沖程或四沖程柴油機相連的調距槳推進系統；瑞典Berg公司的ERC3000調距槳控制系統，基于PLC微處理器技術，適用于各種船型的調距槳；丹麥倫索(Lyngso)公司的PCS2100推進控制系統，用于對連接到二沖

6、程低速柴油機或四沖程中速柴油機的調距槳推進系統進行遙控；荷蘭John Crane-Lips公司的LIPSTRONICR系列遙控系統，用于遙控裝備調距槳的側推器、方位角推進器以及主推進裝置；挪威Kongsberg(即原來的Norcontr01)公司的AutoChief'型遙控系統，用于對與低速柴油機相連的調距槳系統進行遙控M。122國內的研究現狀我國于八十年代中期開始引進國外的調距槳生產技術：蘇州船用機械廠引進了KAMEWA(現已被ROLLS ROYCE公司并購)公司的調距槳技術，生產的系列產品如KL403。ST調距槳電液遙控系統取得了船級社的認可，并經過了實船運行的考驗。SCHOTTE

7、L公司也在我國成立了肖特爾推進器有限公司，專門從事調距槳的研制生產。但國內從事調距槳研究的科研機構及人員較少：八十年代中期，大連海事大學的郭晨教授曾經做過基于單片機的調距槳遙控系統的仿真研究；九十年代中期，上海交通大學曾在建立三軸燃氣輪機及調距槳推進裝置的實時仿真模型的基礎上，采用MIRAGE并行數字仿真工作站進行了全數字實時仿真71；九十年代末期，華東船舶工業學院的科研人員采用MC68705R3單片機開發出了調距槳螺距控制系統，并進行了實時仿真，但離實船的推廣應用還有一定的距離。總體上來講，由于起步較晚，加上我國在此方面的工作開展得較少，調距槳生產技術基本上都是引進國外的專利，配套的控制系統

8、則基本上是從國外引進技術生產或干脆直接采用國外產品，因此相對于國外特別是北歐等先進國家而言顯得較為落后：現有的調距槳控制系統大多采用非CPU的芯片甚至分立元器件構成，僅相當于國外60、70年代的水平；個別工程船采用計算機及PLC控制技術，在控制結構、功能、性能等方面接近或達到國外90年代先進水平；采用計算機控制技術實現調距槳螺距閉環控制也已取得一定進展陸11】。隨著現代船舶向高速化、大型化、高度自動化方向發展，采用調距槳的優點顯得更為突出，在其使用范圍日益廣泛的今天，我國調距槳的發展現狀顯然與此不相稱。123教學實習船“育鯤"隨著可調距槳推進裝置的廣泛應用，第一艘由我國自行開發設計、

9、目前世界上最先進的專用遠洋教學實習船一大連海事大學新建教學實習船“育鯤"輪就采用了MAN公司的VBS系列調距槳，控制系統是MAN的Alphatronic2000。實習船對于培養學生如何管理和操縱可調距槳推進系統建立了一個實踐平臺。13課題的提出調距槳具有如此多的優點，以至其使用越來越為廣泛。其使用的范圍已經從最初的軍艦擴展到商船、民用船舶，使用的船型包括集裝箱船、游艇、班輪、拖輪以及消防船、破冰船、挖泥船等各式各樣的工程船舶。僅以渤海地區黃金水道為例：往返于大連煙臺的客輪中有多艘采用調距槳推進裝置，如“棒槌島"、“海洋島等建造于九十年代的船舶都是如此；煙臺救撈局的多艘拖輪也

10、裝備了John-Crane LipS(已于2002年被Wartsila公司并購)生產的LIPSTRONIC調距槳遙控系統。但是由于我國的調距槳生產使用以及維護保養的整體水平不高，加之船員素質參差不齊以及對其不太熟悉，采用調距槳的推進系統經常出現各種故障。通過對大連地區部分修船廠的調研也證明了這一點：裝備調距槳的主推進動力裝置是船上較容易出現故障的部分，而很多故障的出現都是由于不熟悉及操作不當造成的。“育鯤”實際航行過程中，由于可調螺旋槳復雜的結構和液壓系統，在可調距槳多種操作模式中，管理人員更多的使用定速模式，并沒有完全將調距槳的優點發揮出來。與此相對照的是：現階段的輪機工程專業教學中，并沒有

11、對配備調距槳的推進裝置及其遙控系統予以足夠的重視，其相關的知識介紹時有疏漏之處，而且對其近期技術上的發展動態也沒有涉及，由此造成船員對之不太熟悉，繼而造成此類推進裝置維護保養的整體水平不高。國際海事組織IMO在海員培訓、發證和值班標準公約中明確規定輪機員必須經過仿真模擬器的培訓，但現有的模擬器對船舶主機、輔機、電站等重要船舶部分強調較多，而對用途廣泛的調距槳遙控系統卻涉及很少.鑒于以上諸多因素，本論文在對國內外所采用的主要幾種調距槳推進系統的結構特點、工作原理、控制方式和特性進行認真研究、分析比較，并把握其最新發展動態的基礎上，結合實地調研獲取的資料，加上專用實習船“育鯤"輪豐富的軟

12、、硬件資源，提出如下課題：結合搜集到的實船資料，在對調距槳推進系統進行總體研究的基礎上，重點對船舶機動航行時調距槳聯合控制系統進行分析研究，以期將研究結果用于大連海事大學教學實習船“育鯤輪"航行操作管理與實際的培訓教學。14論文的主要內容本文以可調距槳聯合控制系統為研究對象，結合大連海事大學教學實習船“育鯤"輪，重點介紹了機一槳聯合控制模式的原理。分析和計算了在聯合控制模式下，以減少耗油量為目標的機槳匹配問題。其中包括以“圖譜法確定螺旋槳的最高效率曲線，結合主機推進特性曲線分析耗油率對耗油量的影響。通過對自動負荷控制方式的分析，解決聯合控制模式中負荷調定以及在如何消除和降低

13、由于隨機干擾(如海浪等導致船舶阻力狀態的瞬變)可能導致的機槳失配的問題。論文最終針對“育鯤"輪可調距槳聯合控制系統進行實訓項目設計。15論文的結構第l章簡述了調距槳廣泛應用和進一步發展的必然性并就當前可調距槳在國內外研究的現狀進行總體分析，在此基礎上提出了本論文的選題。第2章分析了調距槳推進系統的主要構成、主要控制方式、基本的運行特征，強調調距槳控制系統的重要作用。第3章分析了以減少耗油量為目的的聯合控制模式的原理，從理論上研究了聯合控制系統中的機槳匹配問題。第4章分析了調距槳聯合控制系統在實習船“育鯤”上的具體應用。針對“育鯤”輪的調距槳推進系統進行實訓項目設計。第5章結合實際以及

14、大量的參考文獻，指出了論文所做的工作以及進一步需要研究的方向和任務。第2章調距槳推進系統分析調距槳船舶推進系統與定距槳船舶推進系統具有相同的動力裝置組成，包括發動機設備、后傳動裝置、螺旋槳、船體等部分，不同在于調距槳船舶擁有可調距槳和其特殊的控制系統。21調距槳工作原理在理想螺旋槳的理論中【1141，忽略離心力及尾流收縮的影響，可得到水流相對于葉元體的速度三角形和葉元體上的作用力，如圖21所示。在正常的情況下，葉元體進速為匕，轉速為1"，半徑r處葉切面的螺距角為秒，水動力角為夕。根據機翼理論，流體的合速度與弦線成口角流人葉元體時，葉元體將產生垂直于合速度形的升力三，同時，也將產生翼型

15、阻力D。其合力可分解為平行于螺旋槳軸線的推力丁，推動船舶前進，以及垂直于螺旋槳軸線的旋轉阻力F。I，卅知確圖21葉元體速度三角形Fig21 Velocity triangle of blade clement bedy當船舶由于某種原因而減速時，葉元體上進速變為吃，若保持主機轉速不變，葉切面的螺距角不變，來流攻角則加大為口，旋轉阻力亦隨之增加，因而只能降低轉速來增加水動力角，從而達到新的平衡，此時螺旋槳處于重載狀態，如圖22所示。22調距槳推進系統221調距槳系統的組成及結構調距槳系統一般包括五個基本組成部分：調距槳、傳動軸、調距機構、液壓系統及操縱系統。各部分功能技術如下：1帶轉葉機構的調距

16、槳它包括可活動的槳葉、槳毅及槳毅內轉動槳葉的旋轉機構；2軸系調距槳與軸系相連，軸的某些部分(一般是尾軸和配油軸)包含在調距槳裝置中；另外，當伺服動力油缸位于槳后部時，為了引進和排出液壓油將軸做成中空。首端通過聯軸器與中間軸和主機動力相連；3調距傳動機構通過產生轉動槳葉所需力的伺服動力油缸，輸送液壓油給油缸的配油裝置、槳葉定位和槳葉位置的反饋裝置及其附屬設備等，用來調節螺距、穩距，以及對螺距進行反饋和指示；4液壓系統液壓系統是將船上已有的動力改變為伺服油缸所需的液壓油來傳動。系統中主要有帶傳動裝置的油泵、分配轉向閥等閥件、油箱和管路組成；結構圖24如示：l-槳葉；2-轉盤：3圓柱銷；4-活塞；5

17、、6螺母；7-滑板；8支承盤；9-支承座；lO軸承；11彈簧；12配油軸承；13一銷止閥；14_反饋機構；15一拉桿；16油泵；17-轉向閥；18溢流閥：19流量控制閥；20-單向閥；21過濾器；22油箱圖24液壓調距槳裝置組成和結構Fig24 Compositionand structureofhydraulicCPP5操縱系統包括操縱臺和控制系統。在聯合控制時，轉動遙控操縱手柄時，能同時改變螺距和主機轉速，系統中有附屬于此系統的遙控伺服機構、信號發送、接收和指示機構等。Alphatronic的調距槳遙控系統組成如圖25所示：7第2章調距槳推進系統分析l，駕駛臺操縱面板；2集控室操縱面板；3

18、駕駛臺、集控室控制轉換面板；4。控制接口轉換單元；5負荷程序單元(可根據實際要求選用)；6主機調速器；7液壓機構；8調距槳。圖25 Alphatronic的系統結構圖Fig25 Alphatronicremote control structure222調距槳推進系統的幾種主要配置方式1單機單槳方式16-17此種方式分為使用二沖程低速或四沖程中速的主柴油機兩種情況。若使用二沖程低速機，則直接帶調距槳；若使用四沖程中速機，則先經過減速齒輪箱，再通過離合器或不帶離合器連接到調距槳；選用離合器是為了驅動軸帶負荷，例如軸帶發電機時二者之間操作切換方便。由于單機單槳的可靠性不是太高，這種推調距槳推進系統

19、機槳匹配優化研究進方式較為少見【18】。2雙機雙槳方式此種方式也分為使用二沖程低速或四沖程中速柴油主機兩種情況。同樣地，對于二沖程低速機，通常直接與調距槳相連；四沖程中速機則先經減速齒輪箱再通過離合器或不帶離合器與調距槳相連。離合器的作用與單機單槳方式下相同。由于采用了雙機雙槳，這種推進系統的可靠性要遠遠高于單機單槳，因此它也使用得最為普遍，大連至煙臺航線的多數客輪都是采用此種方式。3側推器(首側推、尾側推)調距槳作為側推器使用時，通常采用電機驅動方式，即由異步電機通過減速裝置帶動調距槳。其原理是：在電機及螺旋槳的轉速保持固定不變的前提下，僅通過調節螺距即可改變螺旋槳推力的大小和方向。在交流電

20、機變頻調速技術發展起來之前，這種方式曾被較多的采用。但隨著交流變頻調速技術的成熟，交流電機帶定距槳時的調速問題隨之得到了較好的解決，這種推進方式在未來市場上的份額會受到很大沖擊。實船上，作為主推進裝置的調距槳推進系統，通常都會帶上一臺軸帶發電機，這樣能夠起到節約能源、降低造船和營運成本(使用軸帶發電機則可以減少一臺柴油發電機組)、減小運行時機艙內的噪音等作用。223調距槳運行特征對于定距槳船舶(FPP)，主要是根據主機的額定功率和額定轉速來設計的，如圖2-6所示的定距槳特性曲線與主機速度特性曲線之間的關系【191。圖中，l、2、3曲線分別表示主機在超負荷、全負荷、低負荷下運行的速度特性曲線。可

21、以看到：1當船舶在穩定的設計滿載工況下航行，主機能發出全部功率，即額定扭矩、額定轉速，船舶達到額定航速；2當船舶轉入超載工況下航行，主機達不到額定轉速，也就發不出額定功率；3當船舶轉入輕載工況下航行，主機不能發出額定扭矩，所以也就發不出額定功率。這些現象說明，定距槳船舶推迸系統在偏離設計工況時，都不能發出主機的全部功率。9第2章調距槳推進系統分析囂嘲nt嗣nzno圖26定距槳特性曲線Fig26Characteristic 0111Nc ofFPP圖27調距槳特性曲線Fig27Characteristic curvo ofCPP而對于調距槳推進系統來說，除了與定距槳相同，主機轉速的改變會同時影響

22、主機功率高低以及航速快慢等情況。還可以通過系統螺距的變化，使航行工況調節得更為合理，更趨于最佳的運行狀態，因而可得到更好的經濟效益。在螺距調節過程中，每一個螺距變化就相當于換了一只螺旋槳。而不同的螺旋槳有各自的特性曲線。圖27給出了兩組特性曲線，表示轉速、螺距、功率以及航速之間的相互關系，這些特性曲線是在航行條件相同的情況下得出來的。圖27中，1、2、3、48是一組從大到小不同螺距情況下的螺旋槳特性曲線(有時也可以用螺距槳葉直徑之比來標志)。圖中的虛線表示最佳轉速和螺距的關系。A、B、C、D、E是一組不同航速的速度特性曲線。圖中表明：如果要求航速保持不變，那么加大螺距會要求轉速降低，減小螺距則

23、要求轉速增加。如果主機轉速維持一定，那么加大螺距將使航速和功率都得到提高，反之就都有降低。理論和實踐都表明：同時改變螺距和主機的轉速，實行聯合控制，比僅改變螺距在節油方面具有更明顯的經濟效益。224調距槳基本工作特性調距槳具有如下三個基本工作特性20-21】：1船舶在任何工況下均能保持主機的最佳工況。當螺旋槳的轉速以。和直徑D確定下來，要在任何阻力下保持航速一定，只要配以一定的螺距比nD，就可保持扭轉系數j乙不變，從而使l=常數，保持主機在額定工況下運行。2不同的轉速以。和螺距比HD相配合，可得到所需要的船舶航速。通過合理的搭配刀。和HID都能得到給定航速的推力。如圖2-8所示，調距槳在柴油機

24、f上限曲線l、最大轉速線2、最低穩定轉速線3和最低負荷曲線4所屬的區域內任何一點工作。在該區域內任意搭配一，和HD都能得到給定航速的推力。3在保持螺旋槳轉速玎。不變的情況下，改變螺距比nD，船舶可從正車最大航速到倒車最大航速。當槳葉處在零螺距位置時，主機以一定轉速運轉，槳的推力為零，船舶不動。當槳葉轉到負螺距位置時，主機不改變轉速和轉向，船舶實現倒航。堿轉，分，圖28某調距槳船航行曲線Fig28 Navigaton CUI"Ve of a ship第2章調距槳推進系統分析23調距槳推進系統控制方式231調距槳推進系統的主要控制方式1獨立控制方式主機轉速和螺旋槳螺距通過各自的操縱手柄分

25、別進行獨立的控制，也稱為隨動控制。雖然其控制系統比較簡單，但要求駕駛臺操縱人員非常了解螺旋槳的性能，因而操縱比較復雜，而且有可能以不適合于螺旋槳(出現空泡、效率低)和主機(出現超載、失速)的轉速和螺距組合來控制螺旋槳運轉。除了在較早建造的船舶上以外，現在采用這種控制方式的已不多見。2組合控制方式組合控制是保持主機轉速和調距槳螺距角按預定不變的程序運行，通過單一控制桿同時控制轉速和調距槳的螺距角。選擇這種方式時，操縱是根據預先設定的聯合曲線迸行的，這樣可以保證設定工況下最佳的操縱性能以及經濟性，因為聯合曲線的設定是綜合考慮了螺旋槳的效率、船舶的操縱性以及主機的負荷、最低燃油消耗率等因素；同時它還

26、可以保證主機在各種不同工況下不會超負荷運行。但采用這種控制方式時，只是在設計工況下才能保證螺距角和主機轉速的最佳匹配，一旦船舶航行狀態改變后，就很難保證它們之間的最佳匹配關系。尤其在高負荷下，隨著船舶航行狀態的改變，螺旋槳吸收的功率變化也很大，其控制狀態在某些特殊的工況下可能比單獨控制方式還要糟糕，此時不適合采用這種控制方式，因此它適用于航行工況比較單一的船舶如定點班輪等。在現今船上調距槳大多采用的是組合方式的一種改進自動負荷控制方式。自動負荷控制方式是用單一操縱手柄來設定主機的負荷和轉速，其基本原理是將實際負荷與設定負荷相比較，根據負荷偏差自動控制調距槳的螺距角，直到實際負荷與設定負荷相等。

27、自動負荷控制的負荷設定原則是使推進系統(主機和螺旋槳)的綜合效率最高，這樣在額定工況下其推力也最大。在這種控制系統中，在低負荷范圍內可將其自動轉為恒定轉速控制。這種控制方式在主機的所有工況下都能獲得較高的效率和良好的操縱性能。3定速控制方式也稱為軸帶發電機方式、螺距控制或跟蹤控制。選用這種操縱方式時，保持主機轉速恒定，僅通過調節螺距角來改變船速。這種方式下由于主機轉速保持12調距槳推進系統機槳匹配優化研究恒定，通常由它來驅動軸帶發電機等輔機。4非跟蹤控制方式這是應急操作時的控制方式。當螺距控制系統出現故障時，而電源和螺距液壓驅動系統仍能正常工作，可利用駕駛臺上的應急操縱按鈕通過這種控制方式直接

28、控制調距槳的螺距；或者是將調距槳的螺距固定在正車某一位置，將它作為定距槳來使用。它通常作為上面其它控制方式的備用控制方式。232調距槳控制方式的要求由于我國的調距槳生產使用以及維護保養的整體水平不高，加之船員素質參差不齊以及對其不太熟悉，采用調距槳的推進系統經常出現各種故障。通過對大連地區部分修船廠的調研也證明了這一點：裝備調距槳的主推進動力裝置是船上較容易出現故障的部分，而很多故障的出現都是由于不熟悉及操作不當造成的。在“育鯤"實際航行過程中，我們發現由于可調距螺旋槳復雜的結構和液壓系統，在可調距槳多種操作模式中，管理人員更多的使用定速模式，不能將調距槳的優點充分發揮出來。所以，我

29、們要求船舶管理人員熟悉調距槳的多種控制方式，充分體現可調距槳船舶推進裝置的優越性。調距槳控制方式的具體控制要求有：1基本控制要求調距槳控制過程中要求以較快的控制速度，平穩、無超調地逼近指定螺距，并且工作穩定、可靠。2特殊航行工況要求在大、中型船舶通過復雜航道或進出港時，既需要超低速航行，又要有良好的機動性和操縱性。調距槳可以采用恒定轉速方式，在良好的發動機轉速下把推力從最大值減小到任何值，因而使船舶超低速航行。必要時還可使調距槳交替正車或倒車，以保證舵效。在船舶通過大型運河時，由于航行工況比較穩定，可以采用同時調節轉速與螺距的聯合控制模式。3經濟性要求選取合理的方式控制航速使燃油量為最小，從而

30、改善了船舶的經濟性，增加了船舶續航能力。第2章調距槳推進系統分析2。4調距槳的優缺點及應用傳統意義上，對于采用主柴油機動力的可調螺距螺旋槳作為推進裝置的船舶，人們將其在海上各種航行狀態時的基本工況歸結為2類：一類為穩定工況，包括前進工況，后退工況，系泊工況，拖、頂工況；另一類為變(機動)-r況，包括變速、變載工況，機動(過渡)如轉彎、緊急換向工況。緊急換向工況是海上前進航行船舶為避免可能發生的海難事故，而盡快將可調槳的正螺距變為負螺距，迅速將船舶前進改為后退的應急工況，它要求推進裝置響應的快速性和可靠性。241調距槳的優缺點螺旋槳作為船舶推進裝置的重要組成部分，其性能對推進裝置的整體效率有很大

31、的影響。普通的定距槳螺距固定，一旦制造好后就不再改變，因此只有一組工作特性曲線；而調距槳的槳葉螺旋面與槳轂可作相對轉動，通過轉動槳葉可以改變螺距，進而改變其工作特性曲線，因此一只調距槳相當于無窮多個相同外徑不同螺距的定距槳嘲。調距槳在運行時既能調節螺距，又能調節主機轉速，因而對比定距槳只能調節主機轉速而言，它能夠在更大的范圍內更好的與主機配合工作【231。調距槳對比定距槳而言具有以下優點：。1對船舶航行條件的適應性強：不論船舶航行的阻力因素如何變化，只要適當調節其螺距，可使調距槳的轉矩不變，這樣主機可以持續發出額定功率，并維持在額定轉速下運轉。2動力裝置的經濟性好：調距槳每改變一次螺距就會有一

32、條效率曲線，每條效率曲線都有一最高效率值，沿著各條效率曲線最高值的包絡線運行時，其效率比偏離設計工況的定距槳效率要高，因此采用調距槳對于不能總是運行在設計工況下的船舶而言是切實有效的推進措施。3船舶的機動性高：船舶采用調距槳時，船速的調節可通過改變主機轉速和槳的螺距兩個參數來完成；船舶的進、退可通過螺距角的正、負變化來完成。這樣在三個方面提高了船舶的機動性：(1)螺距角的正、負轉換比主機換向迅速，尤其在船速較高時。(2)調距槳船能比定距槳船提供更大的反向推力。(3)船舶可進行無級調速。主機保持在高轉速時也可通過降低螺距以獲得極慢的航速，完全不受主機最低穩定轉速的限制。這在船舶航行中的操縱避碰方

33、面是一個極大的優勢。14調距槳推進系統機槳匹配優化研究4有利于主機驅動輔助負荷：調距槳船可通過調節螺距使主機以恒速運轉，這有利于主機驅動軸帶負荷如軸帶發電機等。例如，某些工程船如挖泥船、消防船等在滿載航行或奔赴火區時，主機功率全部供給螺旋槳以全速前進，而達到工作區后主機的大部分功率則用于驅動消防水泵等輔助設備。5延長了發動機的壽命：調距槳船可通過改變螺距的正負來改變螺旋槳的推力方向，使主機轉速可以固定在最適當的位置，從而減少主機起、停次數，使得運動部件的磨損及受熱部件的熱疲勞損壞程度降低。對兩艘完全相同僅螺旋槳不同的姊妹船的統計表明：在完全相同的航次、航程中，定距槳的主機起動次數為2500次以

34、上，而調距槳的主機起動次數為102次，相差了近25倍，過頻的起動次數大大降低了船舶主機的使用壽命。6便于實現遙控：柴油機的起動遙控機構比調距槳機構的轉速遙控和螺距遙控部分要復雜得多，而調距槳可在柴油機不停機的情況下進行各種調整，因此船舶操縱系統在采用調距槳時更容易實現集控和遙控。對于多槳船舶，由駕駛臺直接操縱螺距，不僅可以達到各槳動作的同步，更提高了機動性能。隨著現代化船舶自動化程度越來越高，采用調距槳便于集控和遙控，很好地順應了這一發展趨勢嗍。當然，調距槳也有一些其固有的缺點。例如：造價和初裝費用較高、可靠性不及定距槳、額定工況下的效率稍低、槳葉根部易發生空泡等，但從總體上來講，調距槳與定距

35、槳相比，具有航行條件適應性強和動力裝置的綜合經濟性好的優點圈o242調距槳應用從上述調距槳的工作原理及所具有的諸多優越性來看，一般而言，下列幾種類型的船舶宜采用調距槳推進系統：1對靈敏度要求較高，需要經常靈活地前進、停止及倒退的船舶，如港作的拖輪，車客渡船、海洋調查船等；2對航程較遠、具有多種工況的船舶。如拖網漁船、捕鯨船等；3對一些專用的工程船舶，加布纜船、消防船等；4對水域情況變化較大，航道復雜、橋孔較多的內河運輸船舶，如長江、運河的船舶及船隊。15第2章調距槳推進系統分析然而，由于調距槳具有的優越性，現己不僅僅只限于上述幾種類型的船舶采用調距槳。國際、國內己有許多大型的散裝貨船、集裝箱船

36、、滾裝船、油輪及大型頂推船隊也都采用調距槳推進系統。因此，調距槳推進系統具有很大的發展前景。國際航運界已有幾十年的使用經驗，調距槳推進系統的技術己日臻完善，海洋、江河、湖泊里的各種運輸船舶常常采用此種推進系統。如美國的密西西比河、歐洲的萊茵河、俄羅斯的伏爾加河及北非的尼羅河均有采用此種推進系統的運輸船舶和推拖船隊。裝有調距槳推進系統的船舶，特別是推拖船隊，在停靠碼頭、過橋孔、過船閘以及經過復雜的航道等情況下，更顯示出操縱性好，安全可靠的特性。25本章小結本章簡要介紹了調距槳推進系統的主要構成，重點分析了其主要配置方式和主要控制方式：通過分析可調距槳的運行特征、基本工作特性以及優缺點，說明了調距

37、槳的控制系統的重要作用。第三章將重點研究采用聯合控制方式時，變距槳系統中的機槳匹配問題。16調距槳推進系統機槳匹配優化研究第3章調距槳聯合控制系統機槳匹配優化采用調距槳的船舶推進裝置可以在一定范圍內選取轉速和螺距的組合，產生不同的推力，以滿足船舶各種工況和作業的需要。在船舶操作中，這一過程是通過聯合控制系統來完成的。國內船員對于調距槳聯合控制系統還不是很熟悉，包括實習船“育鯤"在內，航行過程中對于調距槳推進裝置操作模式過于單一，不能充分發揮調距槳的優越性。本章將重點研究聯合控制系統中機一槳的“最佳"匹配，便于廣大船員深入了解調距槳聯合控制系統。31機槳聯合控制原理對于裝有定

38、距槳推進裝置的船舶，改變船速的唯一辦法是改變螺旋槳的轉速。而對于裝有調距槳的船舶，船舶航速的改變，是由推進裝置的轉速和調距槳的螺距這二個因素來決定的。調距槳子系統和柴油機子系統交叉偶合，如圖31所示，在某一船舶阻力狀態下，調節螺距會使槳的水阻力矩發生變化，進而影響柴油機的油門大小并導致柴油機的輸出扭矩發生變化；同樣調節柴油機的轉速也影響調距槳的水阻力矩并使油門變化26-28。油門FPS圖3，l機槳耦合模型Fig31 Coupling model ofengine-propeller17第3章調距槳聯合控制系統機槳匹配優化本章主要研究調距槳與柴油機的優化匹配控制問題，亦即使調距槳的水阻力矩趨于柴

39、油機的輸出扭矩而保持機槳的匹配。對裝有調距槳推進裝置的船舶，要獲得一定的航速，可有很多種轉速與螺距的組合。如果我們把調距槳推進裝置的轉速與螺距，運用一只手把來進行遙控，同時調整轉速與螺距，并且使得這一組轉速與螺距的配合是“最佳"的，我們把這樣的控制稱主桐廣調距槳聯合控制系統。32機槳聯合控制的關鍵問題321機槳聯合控制的目標機槳聯合控制是指用單操縱手柄同時操縱調距槳的螺距日和主機的轉速，聯合控制的意義在于機槳的良好匹配。由于船舶的種類繁多，各有各的使命，所最求的(最佳)目標并不完全相同。若僅從推進的有效性角度出發，那么，按船舶種類和作業要求，大致可歸納成兩種目標：1推進裝置單位時間的

40、耗油量G最小，即minq作為最佳匹配的目標函數。2推進裝置在任何航速下推力最大，即maxP作為最佳匹配的目標函數。對于拖網漁船常常最求極小化的裝置耗油量。因為拖網漁船，據統計，拖網作業時間占出海時間的40以上，往返漁場和轉移漁場時間占23至33。拖網作業，主機以較大功率運行，若能在滿足拖網力的前提下，最可能地減小裝置的耗油量，那么，在整個作業時間就能減少燃油費用，求得極高的經濟效益。貨駁拖輪或頂推輪也往往以此作為目標。港作拖輪則往往以極大化推力作為最優化目標，這是由它們作業性質決定的。救助拖輪也是如此。這類工作船拖曳作業的時間短，但要求提供大的拖力。而且大的拖力也擴展了工作范圍。大連海事大學“

41、育鯤”輪是以教學為目的的實習船，不適合以推力最大作為優化目標，所以本章以耗油量最小作為機槳聯合控制的優化目標。調距槳推進系統機槳匹配優化研究基于機槳優化匹配的目標，機槳聯合控制的關鍵問題可歸結為三個方面：首先是如何獲取優化后的機槳匹配關系，以降低甚至消除主機的剩余功率；其次是如何在保持機槳匹配的條件下保護主機免受損害，即盡量縮短主機的過載時間或避免過載發生；最后是如何降低和消除由于隨機干擾(如海浪等導致船舶阻力狀態的瞬變)可能導致的機槳失配12惻。322機槳聯合控制的方法分析為了獲取相互匹配且優化的螺距調節軌線和轉速調節軌線，我們必須要對船舶定常工況下的主機調距槳船體的綜合穩態特性進行分析。它

42、們之間的關系可用下面一組方程來表示【31-33：根據牛頓定理，船舶推進系統在無偏轉作用時的動力學方程和運動學方程可以用下面方程來描述：動力學關系：卜辱圳魯2以專_扣吩一埤(31)講。7f，2 1l運動學關系：=·f=(1一co)·匕在上列式中：P可調螺旋槳有效推力(N)；辟船體的運動阻力(N)；W船舶的質量(包含水)(kg)；-螺旋槳的進速(咖)；匕船舶的航速(咖)；I攤進軸上總轉動慣量；螺旋槳轉速(，mm)；19(32)第3章調距槳聯合控制系統機槳匹配優化勃主機轉速(rmin)：主機的輸出轉矩(N·M)；吩軸系的摩擦力矩(N·M)；坼螺旋槳的阻力矩(N

43、·M)；f后傳動裝置的減速比，j=咋；其中，推進軸上總轉動慣量I包括以主機旋轉的轉動慣量Il以及以螺旋槳旋轉的轉動慣量12，即，=·i2+厶。根據柴油機原理，我們知道，柴油機有效耗油率&指每有效馬力小時的耗油量，它可以通過對柴油機有效功率Pc，每小時燃油消耗量Gf的測量而求得。G=虧(33)式中：&柴油機有效耗油率，(餾加·h)；柴油機有效功率，(ks,)；q每d,Uq燃油消耗量，(kgh)同樣的，P釧卅瑪(苦，乃腳4磚(3-4)嗚=(石H，冬咖。諺(35)=石(墨，K，孫，魄)(36)2 A(eo，名，e，磊)(37)吩=五()(33)乃2D(3

44、9)式中，巧螺旋槳的推力系數K螺旋槳的扭矩系數p水的質量密度，本文討論的是育鯤輪航行環境是在近海區域，故使用海水的密度。20調距槳推進系統機槳匹配優化研究螺旋槳轉速cqmm)；D螺旋槳的直徑，螺旋槳的直徑為3800m巧=珞(1一動螺旋槳進速D伴流系數t隹力減額系數厶螺旋槳進速系數日螺距馴D一螺距比螺旋槳效率船體影響系數只主機平均有效壓力主機排氣壓力名主機入口處的空氣壓力寫主機入口處的空氣溫度我們知道，在上述表達式中包含了很多的、以圖表形式給定的、復雜的非線性關系，這樣就不能夠運用一般的數學形式來求得“最佳"程序，而必須要用圖解法數字計算兩者綜合的方法【j¨51。33機槳聯合

45、控制的機一槳匹配優化在確定了機槳聯合控制的目標和分析方法后，下面結合“育鯤船、機、槳的設計資料來確定最低耗油量Gf的機一槳匹配關系及操作程序。331機槳匹配優化目標的影響因素推進裝置耗油量的大小，主要取決于兩個性能參數：一個是螺旋槳的效率；另一是主發動機的有效效率，或者說有效耗油率，即所需的主發動機的輸出功率。兩者的綜合決定了推進裝置的效率，換句話說，就是推進裝置的單位時間耗油量。螺旋槳的有效推功率亞驢=e。仇。仇仇。(310)21第3章調距槳聯合控制系統機槳匹配優化軸系傳遞效率仇相對旋轉效率仇船身效率螺旋槳效率當螺旋槳的有效推功率THP等于船體有效功率EHP時，則船舶就以一個確定的航速圪航行

46、，于是THP=EHP=。仉r,。(311)或者當船舶以K速度航行時，推進裝置的耗油量為：q=忍·=(冊(K)(rb。仇)(312)在航速變化不大的情況下，軸系傳遞效率仇、相對旋轉效率珥、船身效率變化很小，故忽略不計。因此上式可寫成q=c-E卯(圪)(M，以)(馴D，乃)(313)因此推進裝置耗油量主要由圪航行時的船體有效功率EHP(V,)，螺旋槳的敞水效率和主機的有效耗油率決定。當航速一定時Gf=c。(M，刀)(HID，乃)(314)即對每一個給定的航速，推進裝置耗油量僅是和鞏的函數。或者說是主機扭矩材和轉速胛，螺旋槳迸速系數屯和螺距比馴D的復合函數，可寫為：G，=f(g，以，馴D，

47、乃)(315)332機槳匹配優化中螺旋槳效率的確定1螺旋槳MAU圖譜法介紹螺旋槳圖譜是根據螺旋槳模型敞水系列試驗繪制成的。目前各國已經發表的螺旋槳設計圖譜很多，有的只是表達形式不同而實驗資料相同；有的則是螺旋槳形式不同。因此，在進行圖譜法計算時，必須針對船舶特點，現有螺旋槳特點，選用合適螺旋槳圖譜。目前，在商船螺旋槳設計中，以荷蘭楚思德召型螺旋槳和日本AU型螺旋槳應用最為廣泛。調距槳推進系統機槳匹配優化研究(1)AU型圖譜AU型螺旋槳是日本運輸技術研究所發展的螺旋槳系列，屬于占一萬型圖譜。近年來日本有關部門又對切面形狀等作了改進，擴大了盤面比和螺距比范圍，進行了3一_6葉螺旋槳模型的系列試驗，

48、并作出了設計圖譜。荷蘭瓦根寧根據在船模試驗池對B型系列螺旋槳的試驗，設計出了力一萬型圖譜。圖譜也經過幾次的改動，此類螺旋槳在商船上應用很廣，具有相當長的歷史。通常所指AU型螺旋槳包括下列幾種類型：AU型螺旋槳：這是初始階段發展的螺旋槳模型，一般為5葉和6葉螺旋槳所用。改進AU型，用MAU表示：這種型式是對原型AU螺旋槳在葉梢部分切面前緣形狀進行局部修正。AU型4葉槳系列采用這種形式。實踐證明：AU型原螺旋槳面的空泡裕度過大，因此少量減小葉切面前緣的高度，適當降低面空泡的裕度，可以增加葉背的抗空泡性能。這種改動反應在切面的拱線(或稱中線)上表現為增大了拱度而減小攻角，經計算比較，MAU型和AU原

49、型的水動力性能是接近的。因此，AU型5葉及6葉螺旋槳的設計圖譜能完全用于設計MAU型5葉及6葉螺旋槳。彳型：AU型槳葉切面的后緣具有一定翹度(對于改善槳葉根部葉間干擾有一定效果)，在6葉槳上采用這種型式，稱彳己0型。對于MAU型的葉切面后緣具有一定翹度(即刎)的設計，應用彳型圖譜也具有相當的精度f3刀。(2)口型螺旋槳和AU型螺旋槳圖譜區別在圖譜型式上二者除了橫坐標(召型螺旋槳為毋，4u型螺旋槳圖譜為辟)略有差別外，其余基本相同。但在實際使用時有很大的差別。AU型螺旋槳圖譜：a設計時采用的計算系數毋和萬中參數均為公制單位。b圖譜已經轉換至海水情況。c圖譜查出的最佳直徑就是船后采用的螺旋槳最佳直

50、徑。召型螺旋槳圖譜：第3章調距槳聯合控制系統機槳匹配優化a設計時所采用的均為英制單位。b圖譜是工作于淡水時的螺旋槳性能，故在計算海船螺旋槳時尚需考慮水的密度不同引起的影響。c根據丑型螺旋槳的實驗研究表明，對于1969年以前發表的丑型圖譜，從圖譜查的最佳直徑用于船后時應減小(2-4)，對于單槳和雙槳、不同材料的螺旋槳的影響也不相同。對于1969年及其以后發表的圖譜，其最佳直徑比原圖譜有所減小，故一般可以把圖譜所得的直徑直接用于船后【38I。2確定螺旋槳的最高效率我們分析螺旋槳的效率，7。，在前面我們已經講到裝定距槳的船舶航速在船的阻力已定的情況下，僅與螺旋槳的轉速有關。因此螺旋槳特性曲線上的一點

51、便對應于一個確定的航速，如圖3-2所示。而對于裝調距槳的船的航速，在船舶工況已定的情況下，由二個參數來確定。一個是轉速，一個是螺距。因此在一甩坐標上與每一航速相應的不是一個點，而是一條曲線，如圖33所示。在乃=const的曲線上的每一個點，便決定了螺旋槳的螺距與轉速的數值，即在此螺距與轉速的配合下，便能夠得到給定的航速。圖32定距槳推進曲線Fig32FPPpropulsion curVc調距槳推進系統機槳匹配優化研究圖33調距槳推進曲線Fig33CPPpropulsion cllrvoH，>HI為了分析各種因素對保證一定航速所必需的主機有效馬力的影響，我們研冤將主機功率直接傳遞給調距槳的

52、單軸動力裝置的情況。的大小是由螺旋槳所需的功率DHP以及克服軸系傳動所消耗的摩擦功率之和來確定的。e=DHP+尸，式中DHP：盟75rlerls(316)刪2只一班m從式316中，我們可以看出當=const時，影響D船的主要是反映阻力R變化的一些因素。如海面風浪、船體阻力改變、拖曳載荷的阻力改變、吃水深淺等等；另外影響DHP的因素是調距槳工作狀態的參數，也就是螺距與轉速。由于螺距與轉速的改變，使鞏和rl,的數值也會改變。17,是船體影響系數。lrrl,2Fi(318)在式318中，國是伴流系數，它主要是決定于船舶的速度狀態，是推力減第3章調距槳聯合控制系統機槳匹配優化額，它對于給定的船尾線型和

53、螺旋槳相對于船體的布置情況，基本上是由通過槳盤的水流來確定的，隨著阻力R的改變，螺旋槳的推力也將發生改變，這將導致通過槳盤的水流的改變，并由此導致推力減額的改變。在=cortst，辟=const時，調距槳的螺距和轉速對螺旋槳所需的功率DHP影響是同義的。那么，我們可以認為推進裝置的工作狀態對DHP的影響僅與轉速行有關。船舶作勻速直線運動時，可調螺旋槳的有效推力和船舶阻力相等，即(1-t)巧川D4=耳=c號筇曙(319)或(1-t)硨一D4一c丟筇曙=0其中c2c，。k+AcI+嚷+(320)c，摩擦阻力系數血，船體表面粗糙度引入的附加系數乞璇渦阻力系數cm興波阻力系數P船體周圍流體的密度(培腳

54、3)S船體的浸水面積(坍2)k由船體表面彎曲引入的修正系數整理后島一刊鍘=。(321)令2F而cS麗，并代入乃2弩后得硨一嚷=0(322)對于調距槳，根據巧=鬈，有很多不同的進速系數乃和馴D組合，使槳調距槳推進系統機槳匹配優化研究產生等于烙航速時船體阻力的有效推力。其中也必然有一對使螺旋槳最高的最優組合，下面分兩種情況討論。當船舶航行工況一定時，其阻力特性是已知的，因此式弓一嚷雒=o的系數口是一個確定的值。將局=名畫在弓=f(n，HD)的圖譜上，對于每一個給定的刀D，可以從零與寫曲線相交點得出乃(因為馴D給定后，蜀曲線也確定了)，從而屹和也確定了·根據P-K：4D5=廠()(323)就可算出等螺距比時螺旋槳推進特性，同時也可算出相應的圪K=緲()選取“育鯤”輪進行實例分析，“育鯤"的主要技術參數如下：第3章調距槳聯合控制系統機槳匹配優化表3I“育鯤”基本參數表總載重量t 6000船總長m 116oo型寬m 18型深m 835設計吃水m 540設計航速h18調距槳類型颶，980咖3lO螺旋槳葉數目4螺旋槳直徑姍3800螺距控制系統類型AIpbalrordc2000在“育鯤”輪對應的Md