可调螺距螺旋桨舰船船机桨优化匹配

１ 研究思路
１）调距桨舰船船一机一桨的优化匹配，可定义为： 在任意情况下，主机均工作在标定功率外特性曲线上 （柴油机），或涡轮进口燃气温度为一设定值时输出 功率一转速曲线上，螺旋桨则工作于优化螺距比的最 大效率值，桨输出的有效功率等于船体所需的推进功 率。
．
２）调距桨舰船的船一机一桨最佳匹配的实际适 用，可归结为：
第２９卷第６期 ２００７年１２月
舰船科学技术
ＳＨＩＰ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖ０１．２９．Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．，２００７
可调螺距螺旋桨舰船船一机一桨优化匹配
肖 冰，石爱国，余 力，万 林 （海军大连舰艇学院，辽宁大连１１６０１８）
摘 要： 近年来，我国装备调距桨的舰船越来越多，但在调距桨的实际使用过程中还存在着船一机一桨难以全
收稿日期：２００６一０９一１３ 作者简介：肖冰（１９８２一），男，博士研究生，主要从事舰船操纵与避碰方面的研究。
万方数据
第６期
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
肖冰，等：可调螺距螺旋桨舰船船一机一桨优化匹配
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定，求解任意船体负载（包括风、流、浪、浅水影响）下 的最大航速、最小耗油等具体运用问题。
本文针对以上不足进行了研究。采用本文的研 究方法，可以使舰船在任何运行情况下，都能得到优 化的船一机一桨匹配，提高使用效率。
近年来，我军采用柴一燃、燃一燃等联合动力装置 的主战舰艇逐渐增多，为保证这类舰艇使用不同主机 时都能保持船一机一桨的良好匹配，均配置了调距桨。 现在围绕调距桨的研究，已成为国内外造船界和航海 界的热点之一。
在实际运用中调距桨存在以下问题： １）实船调距桨的船一机一桨匹配，设计制造单位 往往不是根据具体舰船设定的，而是根据一般原则确
应的螺距比Ｐ／Ｄ，亦可用拟合的多项式表示：
Ｐ／Ｄ＝ｄ２．，２＋ｄ。＿，＋成。
（３）
Ｆｉｇ．２
图２该舰螺旋桨敞水效率曲线 Ｅ蠡ｆ呈ｃｉｅｎｃｙ ｃｕｒ咒ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌｅｆ ｉｎ ｏｐｅｎ ｗａｔｅｒ
４）速度一阻力曲线
该舰的速度阻力曲线，可用三次多项式拟合：
冠＝ｃ３］旷＋ｃ２俨＋ｃｌ ｙ＋ｃｏ。
（４）
后＝后＋ｌ。
计算妒（Ａ川），转步骤２）。 一般计算４步即可。
２．３．３值域和指标函数 １）值域 以计算最大航速中的螺距比为初值，采用前后扩
大或缩小Ｏ．５—１．５倍的方法获取。 ２）指标函数 每次优化过程中Ａ；和盹所对应的实船航速Ｅ即
为指标值，取其大者。 最小油耗值的优化方法需用０．６１８法中的双因
素法，调节因素为螺距和主机转速，指标函数为实船 的耗油指示，方法与上述方法类似，但略为复杂，这里 就不再叙述了。
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第６期
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设置初始试探点Ａ。和ｐ。：
ｆＡ－＝口ｔ＋ｏ·３８２（６－一口－），
（６）
Ｌｐｌ＝口ｌ＋０．６１８（６ｌ一口１）。
计算妒（Ａ，）和９（肛。），令矗＝ｌ。
２）比较目标函数值。若妒（Ａ。）＞妒（弘。），转步
骤３）；否则转步骤４）。
３）若磊＝４，则停止计算，输出肛。；否则，令
ｏ“ｌ＝ＡＩ，６▲＋ｌ＝ｋ，Ａ“ｌ ２ ｐＩ，
妒（‰）２妒（地）， （７） ｐ“ｌ＝口。＋ｌ＋０．６１８（６Ｉ一８＾），
后＝后＋ｌ。
计算妒（肛Ｍ），转步骤２）。
４）若忌＝４，则停止计算，输出Ａ。；否则，令
口“ｌ＝ｄＩ，６Ｉ＋ｌ ２ ｐＩ，ｐＩ＋ｌ＝ＡＩ，
妒（‰）２妒（砒 （８） ＡＩ＋Ｉ＝口Ｉ＋ｌ＋０．３８２（６Ｉ一口Ｉ），
①主机输出功率、转速一定时，如何通过调节螺 距，获得在船体任意负载下的可持续的最大航速。
②在航速已定时，如何通过调节螺距和主机转 速，达到最小油耗的目的。
２ 计算方法
２．１ 主机输出功率已定。求最大航速
试以某舰为例，说明本文提出的计算方法。 主机输出功率Ｐ。（转速ｎ）已定，通过调节螺距 （螺距角ｐ或螺距比Ｐ／Ｄ），可获得在船体任意负载 下可持续的最大航速。 ２．１．１基本思路
因Ｐ，＝尺·ｙ，由此可得该舰Ｐ，一ｙ曲线。
２．１。３ 计算步骤
１）已知转速ｎ求主机功率Ｐ。或已知主机功率
Ｂ求转速ｎ 转速疗和主机功率Ｐｓ，作为已知条件只需要知
道其中一项，即可通过外特性曲线，确定另外一项。 ２）取若干组ｙ 根据船型不同，将不同的航速范围分为３５０份，
万方数据
．３６．
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第２９卷
２．２．２数学模型
也可用曲线拟合的方法，与求解最大航速不同的
是需要给出耗油率Ｍ１计算公式。
图３是该舰柴油主机的输出功率一转速一耗油量
（率）曲线。
分别对５条耗油率曲线进行拟合，曲线间值，经
内插求取。
２．２．３计算步骤
１）求阻力Ｒ和推进功率Ｐ，
根据既定航速和环境因素，得到阻力Ｒ，进而得
到推进功率Ｐ，。
２）根据船型不同，将不同的转速范围分为３５０
定的，难以达到在实践中船一机一桨优化匹配的目的。 ２）即便是考虑了船一机具体情况，现有的调距桨
控制系统，也不能适应舰船负载多变的的现实，不能 反映舰船性能随时间推移而发生的变化。按舰船现 行的操作规程操作，其结果是：
①在舰船各种负载情况下，给定主机功率和转 速不能获得最大航速；
②给定航速时。不能获得最佳的节油效果。 在调距桨运行研究方面，从国内外发表的文献 看，比较偏重于如何改进桨的控制系统，至于船机桨 的动态最佳匹配，则较少研究。在这方面数量不多的 文献中，国外如ＴＯｕＭＩＹＡ、ＳＡＫＡＫＩＢＡＲＡ、ＳＵＺＵＫＩ等 的研究成果；国内如上海交通大学张佰年、翁史烈，哈 尔滨工程大学的李殿璞、曹成钰口。５１等的研究成果， 都提出或涉及了调距桨运用中船一机一桨的最佳匹 配，取得了一些成果。 但通观上述文献，均未能涉及或解决主机转速已
２．２。ｌ基本思路
在保持既定航速ｙ的前提下，给出优化的螺距
Ｐ／Ｄ和主机转速ｎ。，得到计算最小耗油率ｇ训。或计
算最小耗油量Ｇ。。。。 理论和实践表明，为保持一定航速ｙ，可以有若
干组主机输出功率＾和转速厅。组合满足需求，但各
组小时耗油量Ｇ，（或耗油率ｇ。）不同，要想耗油最
小，必须通过精确调节Ｐ／Ｄ和‰才能达到目的。其 计算必须满足前述三项条件。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｏｎｔｒ０１ｌａｂｌｅ ｐｉｔｃｈ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ；ｈｕＵ－ｅｎｇｉｎｅ－ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ；ｏｐｔｉｍａｌ ｍａｔｃｈｉｎｇ
０引 言
调距桨…，其桨叶可绕桨的纵轴回转，从而改变 桨的几何螺距。调距桨具有多方面的优点：通过改变 螺距，即可达到推进变速和换向的目的；在主机负载 大幅变化和一船多种主机的条件下，仍能得到船一机 一桨的优化匹配。调距桨的不足之处是：桨毂粗大等 结构上的需求，影响了螺旋桨效率；系统组成复杂，造 价高，维修难。
间隔０．１ ｋｎ，取Ｈ，圪，Ｋ，…，Ｅ灿该型舰的航速范 围为５—４０ ｋｎ。
３）根据Ｋ求叼。。 已知Ｋ便可以得到一组进速系数Ｊ；，根据事先 拟合好的最大效率曲线ｍａｘ‰＝八，），可得一组，７。。 ４）根据叼。求以 由公式
耻熹赢 ＇７ｓ＇７Ｒ刀口刀。
㈣
可得若干组户戢值，即得到％一ｙ曲线。
５）根据Ｋ求Ｒ；
图１该舰主机外特性曲线 Ｅｘｔｅｍａｌ ｃｈａｍｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｄｉｅＢｅｌ ｅｎｇｉｎｅ
２）螺旋桨最大效率曲线
将该舰可调桨敞水特性曲线中各螺距比效率曲
线的最大效率点连线、拟合，得到最大效率曲线（见
图２），其公式如下：
田ｏ。。＝６２，＋６１．，＋６０。
（２）
３）最大效率对应的螺距比
一个进速系数．，对应的最大效率，同时也对应相
用Ｋ连同环境因素，求得ｌ组Ｒ；，即得到Ｒ—ｙ曲 线，进而得到Ｐ，一ｙ曲线。
６）求交点
将尹。．ｙ和Ｐ，一ｙ两条曲线求交点，所对应的ｙ即
最大航速初值Ｋ。。。 ７）求最佳螺距比初值
已知最大航速初值，根据所对应的进速系数Ｊ，
代入式（３），即可得最佳螺距比Ｐ／Ｄ的初值，其对应
的螺距角初值为吼。
２．２航速已定，求最小油耗
Ａｂｓｔｒａｃｌ： Ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｖｅｓ８ｅｌｓ ａｒｅ ｅｑｕｉｐｐｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｎｔｒ０１ｌａｂｌｅ ｐｉｔｃｈ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｇ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａ璐． Ｂｕｔ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｐｐｅａｒ ｔｈａｔ ｍｏｓｔ ｖｅｓｓｅｌｓ ｃａｎ’ｔ ａｔｔａｉｎ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｍａｔｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕｌｌ·ｅｎｇｉｎｅ—ｐｍｐｅｌｌｅｒ． Ｓｏ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｏｐｔｉｍａｌ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕＵ—ｅｎｇｉｎｅ－ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｘ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｅａｓｔ ｕｓａｇｅ ｏｆ ｏｉｌ，ｗｈｉｃｈ ｔａｋｅ８ ａｄｖ８ｎｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔＩＤＵａｂｌｅ ｐｉｔｃｈ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ．
据只＝—＿二ｐ Ｌ，可得１组Ｐ舻 １ｌｓｌｌＲ。ｌｌＨｌ『Ｉｏ
５）求耗油率 将各组Ｐ．。和ｎｉ代入油耗曲线，在满足外特性曲 线的条件下，得到１组耗油率ｇ和 ６）计算最小耗油率歌或计算最小耗油量Ｇ， 取ｍｉｎ｛ｇ“）或ｍｉｎ｛ｇ“·Ｐ５），即得最小耗油率 （量）计算值。 ７）求计算最佳螺距比 已知最小耗油率（量），根据所对应的转速厅。，得 到进速系数－，，代入式（３）即可得计算最小耗油所对 应的计算最优螺距比Ｐ／Ｄ。 ２．３优化 用公式求得的船体阻力、螺旋桨水动力系数等， 只能是随时空变化的实船性能的近似值。要得到符 合实船当前状况的螺距和主机转速值，必须进行优化 处理。 ２．３．１基本思路 由于计算所得的初值有一定精度，优化的值域可 以以初值为中心，取较小的范畴，然后以实船为对象， 以实船的航速仪、油耗计、主机转速表、螺距调节指示 为指标函数，实施优化调节。为使优化过程既可自动 实现，又可以手动实现，适宜采用Ｏ．６１８法，即黄金分 割法。 ２．３．２数学模型 仅以求解最大航速为例说明。 １）选取初始数据。确定初始搜索区间【口，，６，】，
面实现优化匹配的情况，从而不能发挥调距桨的优势。基于船一机一桨的关系，结合调距桨的特点，提出了调距桨舰船 任意负载下的最大允许航速以及减小油耗的计算方法，为该类舰船实现船一机一桨的优化匹配提供了参考。
关键词：调距桨；船一机一桨；优化匹配
中图分类号： Ｕ６６４
文献标识码： Ａ
文章编号： １６７２—７６４９（２００７）０６—００３４—０４ ＤｏＩ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７６４９．２００７．０６．００４
为便于计算机计算，可将描述船、机、桨性能的主 机外特性曲线、螺旋桨敞水性征衄线、舰船阻力一速
度曲线，视情拟合成不同次的多项式。 １）主机外特性曲线 该舰主柴油机全功率外特性曲线如图１所示，曲
线可由二次拟合多项式表示：
尸ｓ＝口２乃。＋口ｌ，Ｉ＋ｎｏ ｏ
（１）
／
／ ／
￡
Ｚ… ∥
∥
／ ／
，讲ｒ·ｎｎ
Ｆｉｇ．１
３验 证
以该型调距桨舰为例，优化后计算结果见表１和 表２。
衰ｌ 优化匹配后最大航速 Ｔ８ｂ．１ Ｍ缸ｓｐｅｅｄ ８ｆｔｅｒ ｏｐｔｉｍａｌ ｍａｔｃｈ
表２优化匹配后耗油率
Ｔａｂ．２ ０ｉｌ ｃｏｎ８ｕｍｐｔｉｏｎ随ｔｅ ａｆｌｅｒ ｏｐｔｉｍａｌ ｍａｔｃｈ
Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕＵ－ｅｎｇｉｎｅ—ｐｒｏｐｅＵｅｒ ｆｂｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｐｉｔｃｈ ｐｒｏｐｅＵｅｒ ｓｈｉｐ ＸＩＡＯ Ｂｉｎｇ，ＳＨＩ Ａｉ—ｇｕｏ，ＹＵ Ｌｉ，ＷＡＮ Ｌｉｎ
（Ｄａｌｉａｎ Ｎａｖａｌ Ａｃａｄｅｍｙ，Ｄａｌｉａｎ １１６０１８，Ｃｈｉｎａ）
份，取ｎ。，砧：，珏，，…，ｎ，如。该舰柴油机的转速范围为：
图３该型舰柴油机输出功率一转速一耗油量（率）曲线 Ｆｉｇ．３ ０ｉｌ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ强ｔｅ ｏｆ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ
７５９一ｌ ４５５ ｒ／ｍｉｎ。
３）根据ｎｊ求’７。； 已知ｎ；便可以得到１组进速系数，¨根据事先拟 合好的最大效率龉线铂＝厶（歹），可得ｌ组嘞；。 ４）求只
在ｎ或只已定的情况下，要想达到最大航速，需
要满足３个条件：柴油机主机必须工作在标定功率外 特性曲线（又称全功率或最大允许持续功率）上；螺 旋桨必须工作在优化螺距的最大效率点上；螺旋桨输
出功率一速度曲线（Ｐ。一ｙ曲线）必须和舰体推进功率 一速度曲线（Ｐ，．ｙ曲线）相匹配。
满足上述３个条件，即达到计算最大航速所对应 的螺距，即计算最优螺距。 ２．１．２数学模型