艦船推進系統仿真研究
北京神州普惠科技有限公司
摘 要：以蒸汽動力系統為例來探討船舶推進系統的仿真技術，介紹了推進系統仿真的方法、實現過程以及數學模型的創建方法。
關鍵詞：艦船 推進系統 仿真
一、引言
船舶推進系統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、機械控制規律的開發、設備監測技術發展的研究、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的仿真技術。
二、系統仿真簡介
系統仿真首要就是建立系統模型，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；數學建模，即用代數公式或微分方程描述系統的特性。與之對應，系統仿真也可大致分為“物理仿真”和“數字仿真”兩類。前者得到結果直觀、逼真感強但所需時間長，且大量數據需要人工處理才能得出結論；后者以計算機為主要工具對復雜系統的數學模型進行運算，所需時間短且數據處理簡單，但需對建模技術深入研究，以保證模型與實際的符合性。還有一種將兩者結合起來的仿真形式，即“半實物仿真”。
三、推進系統的仿真實現
1．推進系統簡介
采用蒸汽輪機的艦船推進裝置，整個系統的工作過程簡單概括就是主鍋爐產生蒸汽來驅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，它們在系統工作原理上都是相同的。
艦船在巡航、戰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節汽輪機的轉速來實現。汽輪機的轉速改變是通過調節噴嘴蒸汽流量，噴嘴蒸汽流量的改變也就是蒸汽消耗量的變化需要調節鍋爐的產汽量，它最終取決于鍋爐燃燒器的燃油噴油量的調節。
2．系統的仿真實現
艦船蒸汽輪機推進系統的仿真實現，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，按一定的比例縮小建造進行實驗，根據相似性原理，得出實際系統的特性參數。其缺點是初次費用投資大，修改系統參數復雜，仿真時間長，有大量數據需要人工處理；優點是簡單、直觀，能準確反映實際船舶系統工作狀況。
另一種就是應用廣泛的數字仿真。根據歸納總結出的數學模型，用軟件編程在計算機上運行仿真得出結果。其優點是時間短，數據處理由計算機直接完成，相對較簡單，能很快得出仿真結果；缺點在于實際工作對象工作過程很復雜，所建的數學模型大多經過了一定程度的簡化，能否真實再現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合起來的半實物仿真。對艦船推進系統規律較清楚的部分建立數學模型，而對系統規律不十分清楚、建立模型較困難的部分采用物理模型。這種針對推進系統的多種不同仿真方式構成一種相互依賴、相互驗證、相輔相成的關系。
可見，系統數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、推進系統建模方法
1．鍋爐系統動態模型
鍋爐參數和汽輪機參數之間動態過程相互關聯，存在著復雜的耦合性。以鍋爐幾個主要輸入、輸出量作為參數建立模型，研究其變化時汽輪機系統幾個關鍵基本參數的仿真結果。
蒸汽輪機系統。按照設備結構與汽水流程特點，首先將汽輪機分解成汽輪機本體系統、抽汽回熱系統、凝汽器和抽真空系統、凝結水系統、給水系統、低壓加熱器系統（LT）、除氧器系統、高壓加熱器系統（HT）、輔汽系統、軸封系統、循環水系統等子系統。對每個子系統，根據實際流程或工作機理再分成若干基本的熱力設備環節。針對熱力系統中最基本的熱力設備環節，根據質量守恒、能量守恒、傳熱方程、熱力學狀態參數方程和其它類型的方程，建立每個環節的模塊算法。再根據實際系統的情況，根據物質流或信息流完成模塊間的相互連接，完成子系統模型的建立過程。最后，各個子系統模型拼接構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的輸入輸出關系；傳動效率用來描述功率參數的輸入輸出關系。對于齒輪箱體可建立三維有限元模型進行有限元模態分析，求出齒輪系統的固有特性，研究齒輪箱體的動態特性。
軸系：通過軸系結構參數，生成扭振當量系統模型并進行軸系的扭轉振動計算。
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建立動力學系統模型。一個離合器從完全脫開到完全接合要經歷幾個不同狀態，從全接合到全脫開也有不同狀態，仿真時要區別對待。
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進行建模。
四、結語
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（或實際的輪機監控系統）相連，以實現半實物仿真，就可以考核或調試實際控制機，也可構成仿真訓練器。
