[發明專利]一種船舶動力匹配的船-機-槳功率實時匹配方法及設備

在審

• 申請號: 202210722929.X
• 申請日: 2022-06-24
• 公開（公告）號: CN114954841A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 李純金;張增鑫;李磊;馬駿;周宏根;王磊
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: B63B79/40
• 分類號: B63B79/40;B63B79/20
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李淑靜

1.一種船舶動力匹配的船-機-槳功率實時匹配方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)采集船舶實際航行工況參數，建立復雜工況下的船-機-槳匹配模型并分析匹配特性以及船舶在復雜工況下軸系負荷及性能參數；

(2)根據對船舶推進系統的分析建立船-機-槳匹配多目標優化模型，所述多目標優化模型以最小化發動機燃油消耗率、最小化燃燒排放物指標和最大化系統推進效率為目標，以槳葉數、螺距比、盤面比、螺旋槳轉速、螺旋槳直徑、船舶航速及發動機負荷率為變量；

(3)采用NSGA-II算法進行多目標優化模型求解，得到船舶主機功率和推進系統參數；

(4)根據多目標優化模型求解結果，對船舶航行阻力及螺旋槳推力進行仿真計算，建立船-機-槳多工況實時匹配數據庫，存儲仿真試驗結果及相關參數；

(5)將匹配參數和仿真結果導入船-機-槳功率實時匹配集成軟件系統，所述集成軟件系統對船-機-槳特性曲線進行擬合和船-機-槳實時匹配，輸出指定格式匹配結果；

(6)主機根據不同的工況要求，自適應調整不同燃料混合比例來切換適合的燃燒模式以達到所需功率及燃燒物排放指標要求。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(1)中，采集船舶實際航行工況參數，建立復雜工況下的船-機-槳匹配模型包括：

獲取船舶實際航行工況參數，將復雜工況下船舶總阻力分解為裸船體粘性阻力R_V、裸船體興波阻力R_W、方艉浸沒阻力R_tr、球鼻首附加阻力R_B、附體阻力R_app、船模實船修正阻力R_A，根據實際工況參數計算相應的分量阻力得到船舶總阻力；

根據航速V_s及伴流系數w隨船速變化的關系得到螺旋槳進速V_P，再根據螺旋槳轉速n、螺旋槳直徑D及螺旋槳進速V_P得到進速系數J，通過進速系數在螺旋槳的敞水特性曲線上找到對應的推力系數K_T及扭矩系數K_Q，再根據螺旋槳推力以及螺旋槳扭矩的計算公式得到螺旋槳的推力T_P及螺旋槳扭矩M_P；

分析船舶實際運行工況，基于船-機-槳之間的動力平衡關系，建立船-機-槳匹配的實時動態數學模型，模型計算公式為：其中Δm為船舶附體質量，m為船體質量，V_s為船速，R_m為船舶總阻力。

3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(1)中，分析匹配特性以及船舶在復雜工況下軸系負荷及性能參數包括：

根據船-機-槳匹配實時動態數學模型分析船舶在啟動、加速、減速、倒車、多槳復雜工況下船-機-槳的匹配特性；

分析船舶在復雜工況下軸系負荷及性能參數，包括：船體有效馬力曲線、螺旋槳特性曲線和主機外特性曲線。

4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中，船-機-槳匹配多目標優化模型的目標函數包括：

以最小化發動機燃油消耗率為目標的燃料目標函數，所述燃料目標函數以發動機負荷率為變量，通過仿真得到發動機燃油消耗率曲線，再用MATLAB進行曲線擬合得到；

以最小化燃燒排放物指標為目標的排放目標函數，所述排放目標函數以發動機負荷率為變量，通過仿真得到碳化物和氮氧化物排放曲線，再用MATLAB進行曲線擬合得到；其中，發動機負荷率表示為其中P_xq為需求功率，P_S為實際功率；

以最大化系統推進效率為目標的推進目標函數，所述推進目標函數表示為：η＝η_a·η_s·η_d·η_f，其中，η_a為軸系效率，η_s為對旋轉效率，η_f為船身效率由下式得到：η_d為螺旋槳敞水效率，由下式得到：其中，w為伴流系數，t為推力減額系數，K_T為推力系數，K_Q為扭矩系數，J為進速系數。