艦船推進系統(tǒng)仿真研究
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摘 要：以蒸汽動力系統(tǒng)為例來探討船舶推進系統(tǒng)的仿真技術，介紹了推進系統(tǒng)仿真的方法、實現(xiàn)過程以及數(shù)學模型的創(chuàng)建方法。
關鍵詞：艦船 推進系統(tǒng) 仿真
一、引言
船舶推進系統(tǒng)仿真有著廣泛的用途，如機械的性能分析、振動分析、操縱性和適航性分析、機械控制規(guī)律的開發(fā)、設備監(jiān)測技術發(fā)展的研究、機械操作訓練器和駕駛訓練器等。目前艦船推進系統(tǒng)的動力來源主要有柴油機、蒸汽輪機、燃氣輪機和核動力等，本文以蒸汽輪機動力裝置為例來探討船舶推進系統(tǒng)的仿真技術。
二、系統(tǒng)仿真簡介
系統(tǒng)仿真首要就是建立系統(tǒng)模型，建模又分為兩類：物理建模，即用相似原理建立實體物理模型；數(shù)學建模，即用代數(shù)公式或微分方程描述系統(tǒng)的特性。與之對應，系統(tǒng)仿真也可大致分為“物理仿真”和“數(shù)字仿真”兩類。前者得到結(jié)果直觀、逼真感強但所需時間長，且大量數(shù)據(jù)需要人工處理才能得出結(jié)論；后者以計算機為主要工具對復雜系統(tǒng)的數(shù)學模型進行運算，所需時間短且數(shù)據(jù)處理簡單，但需對建模技術深入研究，以保證模型與實際的符合性。還有一種將兩者結(jié)合起來的仿真形式，即“半實物仿真”。
三、推進系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)
1．推進系統(tǒng)簡介
采用蒸汽輪機的艦船推進裝置，整個系統(tǒng)的工作過程簡單概括就是主鍋爐產(chǎn)生蒸汽來驅(qū)動蒸汽輪機帶動螺旋槳推動艦船運動。實際艦船蒸汽動力裝置遠比此圖復雜，根據(jù)船舶噸位不同，鍋爐、汽輪機有一臺或是多臺。但不論是一臺還是多臺，它們在系統(tǒng)工作原理上都是相同的。
艦船在巡航、戰(zhàn)斗等不同的工況下需要以不同的航速運行，船速的變化依賴于螺旋槳轉(zhuǎn)速的變化。螺旋槳是通過齒輪箱減速裝置連到汽輪機的輸出軸，所以船速的變化最終是靠調(diào)節(jié)汽輪機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。汽輪機的轉(zhuǎn)速改變是通過調(diào)節(jié)噴嘴蒸汽流量，噴嘴蒸汽流量的改變也就是蒸汽消耗量的變化需要調(diào)節(jié)鍋爐的產(chǎn)汽量，它最終取決于鍋爐燃燒器的燃油噴油量的調(diào)節(jié)。
2．系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)
艦船蒸汽輪機推進系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)，對應仿真類型的分類可有三種方法。
一種就是小比例實物的物理仿真。對實際設計的系統(tǒng)，按一定的比例縮小建造進行實驗，根據(jù)相似性原理，得出實際系統(tǒng)的特性參數(shù)。其缺點是初次費用投資大，修改系統(tǒng)參數(shù)復雜，仿真時間長，有大量數(shù)據(jù)需要人工處理；優(yōu)點是簡單、直觀，能準確反映實際船舶系統(tǒng)工作狀況。
另一種就是應用廣泛的數(shù)字仿真。根據(jù)歸納總結(jié)出的數(shù)學模型，用軟件編程在計算機上運行仿真得出結(jié)果。其優(yōu)點是時間短，數(shù)據(jù)處理由計算機直接完成，相對較簡單，能很快得出仿真結(jié)果；缺點在于實際工作對象工作過程很復雜，所建的數(shù)學模型大多經(jīng)過了一定程度的簡化，能否真實再現(xiàn)實際工作過程有待更進一步的試驗檢驗。
還有一種就是將兩者聯(lián)合起來的半實物仿真。對艦船推進系統(tǒng)規(guī)律較清楚的部分建立數(shù)學模型，而對系統(tǒng)規(guī)律不十分清楚、建立模型較困難的部分采用物理模型。這種針對推進系統(tǒng)的多種不同仿真方式構(gòu)成一種相互依賴、相互驗證、相輔相成的關系。
可見，系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及其準確性是整個仿真的基礎和關鍵所在。
三、推進系統(tǒng)建模方法
1．鍋爐系統(tǒng)動態(tài)模型
鍋爐參數(shù)和汽輪機參數(shù)之間動態(tài)過程相互關聯(lián)，存在著復雜的耦合性。以鍋爐幾個主要輸入、輸出量作為參數(shù)建立模型，研究其變化時汽輪機系統(tǒng)幾個關鍵基本參數(shù)的仿真結(jié)果。
蒸汽輪機系統(tǒng)。按照設備結(jié)構(gòu)與汽水流程特點，首先將汽輪機分解成汽輪機本體系統(tǒng)、抽汽回熱系統(tǒng)、凝汽器和抽真空系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、低壓加熱器系統(tǒng)（LT）、除氧器系統(tǒng)、高壓加熱器系統(tǒng)（HT）、輔汽系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)等子系統(tǒng)。對每個子系統(tǒng)，根據(jù)實際流程或工作機理再分成若干基本的熱力設備環(huán)節(jié)。針對熱力系統(tǒng)中最基本的熱力設備環(huán)節(jié)，根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒、傳熱方程、熱力學狀態(tài)參數(shù)方程和其它類型的方程，建立每個環(huán)節(jié)的模塊算法。再根據(jù)實際系統(tǒng)的情況，根據(jù)物質(zhì)流或信息流完成模塊間的相互連接，完成子系統(tǒng)模型的建立過程。最后，各個子系統(tǒng)模型拼接構(gòu)成完整的汽輪機大模型。
3．傳動設備模型
齒輪箱：船用減速齒輪箱的數(shù)學模型一般簡化成由減速比和傳動效率兩部分組成。減速比用來描述運動參數(shù)的輸入輸出關系；傳動效率用來描述功率參數(shù)的輸入輸出關系。對于齒輪箱體可建立三維有限元模型進行有限元模態(tài)分析，求出齒輪系統(tǒng)的固有特性，研究齒輪箱體的動態(tài)特性。
軸系：通過軸系結(jié)構(gòu)參數(shù)，生成扭振當量系統(tǒng)模型并進行軸系的扭轉(zhuǎn)振動計算。
離合器：傳動設備中摩擦離合器是常見的，它們靠一對摩擦副摩擦力矩傳遞運動和功率。用力學分析的方法，以摩擦力矩作為控制參數(shù)建立動力學系統(tǒng)模型。一個離合器從完全脫開到完全接合要經(jīng)歷幾個不同狀態(tài)，從全接合到全脫開也有不同狀態(tài)，仿真時要區(qū)別對待。
4．螺旋槳及艦船本體模型
螺旋槳模型是汽輪機與船體配合的連接點，在研究推進裝置過程中，必須研究艦體和螺旋槳的配合、螺旋槳和汽輪機的配合這兩部分。在建立螺旋槳模型前，首先應根據(jù)艦船的阻力和汽輪機的功率，大體選擇合適的螺旋槳系列，然后確定螺旋槳的主要參數(shù)進行建模。
四、結(jié)語
艦船推進裝置中使用計算機仿真技術，時間短、投資少、改變實驗方案容易、安全、重復性好，而且得到的仿真結(jié)果可以為臺架試驗提供參考或指導。另外，如果實行實時仿真，把仿真機（其中只保留被控對象模型）與實際控制機（或?qū)嶋H的輪機監(jiān)控系統(tǒng)）相連，以實現(xiàn)半實物仿真，就可以考核或調(diào)試實際控制機，也可構(gòu)成仿真訓練器。
