舰船推进系统仿真研究

摘 要：以蒸汽动力系统为例来探讨船舶推进系统的仿真技术，介绍了推进系统仿真的方法、实现过程以及数学模型的创建方法。
关键词：舰船 推进系统 仿真
一、引言
船舶推进系统仿真有着广泛的用途，如机械的性能分析、振动分析、操纵性和适航性分析、机械控制规律的开发、设备监测技术发展的研究、机械操作训练器和驾驶训练器等。目前舰船推进系统的动力来源主要有柴油机、蒸汽轮机、燃气轮机和核动力等，本文以蒸汽轮机动力装置为例来探讨船舶推进系统的仿真技术。
二、系统仿真简介
系统仿真首要就是建立系统模型，建模又分为两类：物理建模，即用相似原理建立实体物理模型；数学建模，即用代数公式或微分方程描述系统的特性。与之对应，系统仿真也可大致分为“物理仿真”和“数字仿真”两类。前者得到结果直观、逼真感强但所需时间长，且大量数据需要人工处理才能得出结论；后者以计算机为主要工具对复杂系统的数学模型进行运算，所需时间短且数据处理简单，但需对建模技术深入研究，以保证模型与实际的符合性。还有一种将两者结合起来的仿真形式，即“半实物仿真”。
三、推进系统的仿真实现
1．推进系统简介
采用蒸汽轮机的舰船推进装置，整个系统的工作过程简单概括就是主锅炉产生蒸汽来驱动蒸汽轮机带动螺旋桨推动舰船运动。实际舰船蒸汽动力装置远比此图复杂，根据船舶吨位不同，锅炉、汽轮机有一台或是多台。但不论是一台还是多台，它们在系统工作原理上都是相同的。

舰船在巡航、战斗等不同的工况下需要以不同的航速运行，船速的变化依赖于螺旋桨转速的变化。螺旋桨是通过齿轮箱减速装置连到汽轮机的输出轴，所以船速的变化最终是靠调节汽轮机的转速来实现。汽轮机的转速改变是通过调节喷嘴蒸汽流量，喷嘴蒸汽流量的改变也就是蒸汽消耗量的变化需要调节锅炉的产汽量，它最终取决于锅炉燃烧器的燃油喷油量的调节。
2．系统的仿真实现
舰船蒸汽轮机推进系统的仿真实现，对应仿真类型的分类可有三种方法。
一种就是小比例实物的物理仿真。对实际设计的系统，按一定的比例缩小建造进行实验，根据相似性原理，得出实际系统的特性参数。其缺点是初次费用投资大，修改系统参数复杂，仿真时间长，有大量数据需要人工处理；优点是简单、直观，能准确反映实际船舶系统工作状况。
另一种就是应用广泛的数字仿真。根据归纳总结出的数学模型，用软件编程在计算机上运行仿真得出结果。其优点是时间短，数据处理由计算机直接完成，相对较简单，能很快得出仿真结果；缺点在于实际工作对象工作过程很复杂，所建的数学模型大多经过了一定程度的简化，能否真实再现实际工作过程有待更进一步的试验检验。
还有一种就是将两者联合起来的半实物仿真。对舰船推进系统规律较清楚的部分建立数学模型，而对系统规律不十分清楚、建立模型较困难的部分采用物理模型。这种针对推进系统的多种不同仿真方式构成一种相互依赖、相互验证、相辅相成的关系。
可见，系统数学模型的建立及其准确性是整个仿真的基础和关键所在。
三、推进系统建模方法
1．锅炉系统动态模型


锅炉参数和汽轮机参数之间动态过程相互关联，存在着复杂的耦合性。以锅炉几个主要输入、输出量作为参数建立模型，研究其变化时汽轮机系统几个关键基本参数的仿真结果。

蒸汽轮机系统。按照设备结构与汽水流程特点，首先将汽轮机分解成汽轮机本体系统、抽汽回热系统、凝汽器和抽真空系统、凝结水系统、给水系统、低压加热器系统（LT）、除氧器系统、高压加热器系统（HT）、辅汽系统、轴封系统、循环水系统等子系统。对每个子系统，根据实际流程或工作机理再分成若干基本的热力设备环节。针对热力系统中最基本的热力设备环节，根据质量守恒、能量守恒、传热方程、热力学状态参数方程和其它类型的方程，建立每个环节的模块算法。再根据实际系统的情况，根据物质流或信息流完成模块间的相互连接，完成子系统模型的建立过程。最后，各个子系统模型拼接构成完整的汽轮机大模型。
3．传动设备模型
齿轮箱：船用减速齿轮箱的数学模型一般简化成由减速比和传动效率两部分组成。减速比用来描述运动参数的输入输出关系；传动效率用来描述功率参数的输入输出关系。对于齿轮箱体可建立三维有限元模型进行有限元模态分析，求出齿轮系统的固有特性，研究齿轮箱体的动态特性。
轴系：通过轴系结构参数，生成扭振当量系统模型并进行轴系的扭转振动计算。
离合器：传动设备中摩擦离合器是常见的，它们靠一对摩擦副摩擦力矩传递运动和功率。用力学分析的方法，以摩擦力矩作为控制参数建立动力学系统模型。一个离合器从完全脱开到完全接合要经历几个不同状态，从全接合到全脱开也有不同状态，仿真时要区别对待。
4．螺旋桨及舰船本体模型
螺旋桨模型是汽轮机与船体配合的连接点，在研究推进装置过程中，必须研究舰体和螺旋桨的配合、螺旋桨和汽轮机的配合这两部分。在建立螺旋桨模型前，首先应根据舰船的阻力和汽轮机的功率，大体选择合适的螺旋桨系列，然后确定螺旋桨的主要参数进行建模。
四、结语
舰船推进装置中使用计算机仿真技术，时间短、投资少、改变实验方案容易、安全、重复性好，而且得到的仿真结果可以为台架试验提供参考或指导。另外，如果实行实时仿真，把仿真机（其中只保留被控对象模型）与实际控制机（或实际的轮机监控系统）相连，以实现半实物仿真，就可以考核或调试实际控制机，也可构成仿真训练器。