专利名称：船舶推进动力系统试验平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种船舶试验台，具体涉及一种船舶推进动力系统试验平台。
背景技术：
随着造船业的不断发展，对动力系统的经济性和可靠性要求越来越高，不断朝大 型化、智能化方向发展。随着船舶科技的不断发展，船舶推进动力系统也不断推出新的动力 型式。 而目前，针对综合性的船舶推进动力系统的试验平台比较少。现有的试验平台大 多局限于单个或部分动力设备，且大多建设在二十世纪八、九十年代，功能比较单一，动力 型式比较陈旧，不能满足当前船舶对动力系统集成技术指标的要求。
现有的船舶推进动力系统试验平台存在以下各方面的缺陷
1、在轴带电机的试验研究方面； 轴带电机(PT0)是目前普遍应用的一种动力型式。随着技术的发展，从可靠性的 角度出发，在主机故障或主机推进功率不足时，轴带电机可兼作电动机(PTI)运行。
而现有的试验平台没有兼顾到轴带电机的PT0/PTI两种运行模式，对轴带电机在 PTI模式下的启动和系统匹配的试验研究尚处于空白。
2、在螺旋桨的试验研究方面； 现有的试验平台只是针对主动力和传动系统的推进特性进行试验研究，不能很好 地模拟螺旋桨全工况的特性，比如倒航特性、加速特性、减速特性等。
3、在动力系统减振降噪的试验研究方面； 随着舰船对舒适性和隐身性要求的提高，动力系统的减振降噪越来越重要。现有 的试验平台对于减振降噪的试验大多局限在单个设备，对整系统的减振降噪主要是根据经 验进行设计，缺乏对整系统的减振降噪方案进行必要的验证和试验研究，而且现有的减振 降噪方案往往都局限在单一方案，缺乏刚性、单层隔振、双层隔振和浮筏隔振的多方案冗余 设计。 并且现有的减振降噪方案一般对齿轮箱不作处理，一般采用的是主推进柴油机双 层隔振、齿轮箱硬弹性隔振技术。在该隔振方案下，主推进柴油机与齿轮箱间的联接传动元 件需要满足更大的径向、轴向位移和角度补偿功能，同时具有较好的隔声功能，并能调整轴 系扭转振动特性。目前一般采用高弹性联轴器和万向轴的方案，但其结构复杂、尺寸及重量 大。 此外，随着传动技术的发展，碳纤维弹性轴技术逐渐被采用，但现有的试验平台对 该技术缺乏必要的试验验证手段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种船舶推进动力系统试验平台，它能够满足 当前船舶对动力系统集成技术指标的要求。
3
为解决上述技术问题，本发明船舶推进动力系统试验平台的技术解决方案为
包括两台高速柴油机、两进两出型式的并车齿轮箱、带有PTO/PTI两种运行模式 的轴带电机、常规柴油发电机组、螺旋桨模拟装置、耗功装置、控制装置；两台高速柴油机通 过并车齿轮箱分别与轴带电机和螺旋桨模拟装置连接；高速柴油机、轴带电机、常规柴油发 电机组、螺旋桨模拟装置、耗功装置分别连接控制装置。 所述第一高速柴油机通过第一传动连接件与并车齿轮箱的第一输入端连接，第二 高速柴油机通过第二传动连接件与并车齿轮箱的第二输入端连接；所述第一、第二传动连 接件为柔性传动装置。所述并车齿轮箱的第二输出端通过第三传动连接件与轴带电机相连 接；所述第三传动连接件为液粘调速离合器。所述并车齿轮箱的第一输出端通过第四传动 连接件与螺旋桨模拟装置连接；所述第四传动连接件为低速大转矩弹性联轴装置。
所述第一、第二传动连接件分别包括两个联轴器、传动轴，第一联轴器通过传动轴 与第二联轴器连接；所述传动轴为碳纤维复合材料传动轴或万向联轴器；和/或所述第一 联轴器为自支承高弹性联轴器或金属挠性联轴器；和/或所述第二联轴器为隔声联轴器。
所述高速柴油机通过多个上层隔振器或刚性垫块设置于筏体上；筏体通过多个下 层隔振器或刚性垫块设置于基座上；所述并车齿轮箱通过多个硬弹性隔振器或刚性垫块设 置于齿轮箱底座上；齿轮箱底座通过多个刚性垫块或下层隔振器设置于基座上。所述两个 高速柴油机的筏体之间通过联接横梁连接；或所述两个高速柴油机的筏体及齿轮箱底座通 过联接横梁连接为一体。 所述轴带电机包括两个转子交流励磁无刷电机，所述两个电机同轴连接，两个电 机的转子绕组直接相连， 一台电机的定子绕组作为主绕组，另一台电机的定子绕组作为控 制绕组。 所述螺旋桨模拟装置包括四象限运行的晶闸管变流器、他励直流发电机；所述晶 闸管变流器连接他励直流发电机，他励直流发电机上设有力矩、转速、电流及电压传感器。
本发明可以达到的技术效果是 本发明是一种综合性的多功能船舶推进动力系统试验平台，可以进行船舶推进动 力系统集成关键技术的试验研究和轴带可逆电机、柴油机及装置、电站及能源管理、系统减 振降噪、传动元件、电力推进、自动控制等方面的试验验证。
具体来说，本发明能够进行以下方向的试验研究 1、能够开展舰船柴油机推进动力系统船机浆匹配试验研究，可以模拟定距浆和调
距浆的特性，包括推进、加速、倒航等动态特性的试验研究； 2、能够开展双(多)机并车推进装置(CODAD)工作特性的试验研究； 3、能够开展轴带电机的试验研究，包括PT0/PTI两种模式下的匹配、PTI模式下的
启动、两种模式下的控制策略等方面的试验研究； 4、能够开展动力系统能量管理的试验研究； 5、能够开展多台柴油发电机组并联运行的试验研究； 6、能够开展柴油机双层隔振、齿轮箱硬弹性安装条件下柔性传动元件的试验研
究，包括低速大扭矩高弹性联轴器、碳纤维柔性传动装置、液粘调速离合器等； 7、能够开展动力系统减振降噪多方案的试验研究，包括单层隔振、双层隔振、浮筏
隔振和刚性安装等。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明 图1是本发明船舶推进动力系统试验平台的布局图； 图2是本发明的结构示意图； 图3是图2的俯视图； 图4是本发明的立体图； 图5是并车齿轮箱的结构示意图； 图6是动力系统的结构示意图。 图中，1、2高速柴油机，3并车齿轮箱，4轴带电机，5螺旋桨模拟装置，6控制装置， 7常规柴油发电机组，8耗功装置，9推力轴承，10基座，11、 12传动连接件，13传动连接件， 14传动连接件，17柴油机之间的联接横梁，18、 19柴油机与并车齿轮箱之间的联接横梁，21 上层隔振器，22筏体，23下层隔振器，24硬弹性隔振器，25刚性垫块，26齿轮箱底座，Al并 车齿轮箱的输入端，A2输入端，Ll液力偶合器，L2液力偶合器，Bl输出端，B2输出端，C12 正车离合器，C34倒车离合器，C5齿轮，C6齿轮，C7齿轮，C8齿轮，C9齿轮，C10齿轮，Zl输 入轴，Z2输入轴，轴Z3，输出轴Z4，轴Z5，输出轴Z6。
具体实施例方式
如图l至图4所示，本发明船舶推进动力系统试验平台，包括主推进柴油机、并车
齿轮箱3、带有PT0/PTI两种运行模式的轴带电机4、螺旋桨模拟装置5、控制装置6、常规柴
油发电机组7、耗功装置8。 主推进柴油机为两台高速柴油机1、2。 并车齿轮箱3为两进两出型式，即设有两个动力输入端、两个动力输出端。用于将 两台高速柴油机1、2双机并车。 两台高速柴油机1、2通过并车齿轮箱3实现并联运行后的功率输出。 如图5所示，高速柴油机1通过传动连接件11与并车齿轮箱3的输入端Al连接，
高速柴油机2通过传动连接件12与并车齿轮箱3的输入端A2连接；并车齿轮箱3的输出
端Bl通过传动连接件14与螺旋桨模拟装置5联接，并车齿轮箱3的输出端B2通过传动连
接件13与轴带电机4相连接。 传动连接件11、12为柔性传动装置，具有大位移和角度补偿的功能。包括两个联 轴器、传动轴，第一联轴器通过传动轴与第二联轴器连接。传动轴为弹性传动轴，如碳纤维 复合材料传动轴或万向联轴器。第一联轴器可以是自支承高弹性联轴器或金属挠性联轴 器。第二联轴器可以是隔声联轴器。自支承高弹性联轴器用于对传动轴系扭转振动进行调 频调幅，碳纤维复合材料传动轴满足各向位移补偿功能，隔声联轴器满足轴系隔声的要求。
柴油机1、2与并车齿轮箱3、并车齿轮箱3与轴带电机4以及并车齿轮箱3与螺旋 桨模拟装置5之间预留安装空间。 传动连接件13为高弹性联轴器，如液粘调速离合器。液粘调速离合器可以使柴油 机在恒速和一定变速范围内实现轴带电机的恒速发电。液粘调速离合器依靠液体粘性和油 膜剪切作用传递动力、转矩和调节转速，理论上具备在0 100%输入转速范围内无级调速
5的能力，能长期带滑差工作，也可高效率无滑差运行；能作为功率分配器(PT0)使用，将主 机部分功率分配轴带电机。液粘调速离合器采用电液闭环反馈控制技术后，具有调速响应 迅速、调速精度高等优良的性能。 本发明在轴带电机4前端加装液粘调速离合器，可保证轴带电机4(电动机)以恒 定的转速运行。 传动连接件14为低速大转矩弹性联轴装置。 输入端Al通过液力偶合器Ll连接输入轴Zl，输入轴Zl通过正车离合器C12及 倒车离合器C34与轴Z3连接，轴Z3通过齿轮C6与齿轮C5之间的啮合与输出轴Z6连接， 输出轴Z6连接输出端Bl。输入端A2通过液力偶合器L2连接输入轴Z2，输入轴Z2通过齿 轮C9与齿轮C10之间的啮合与输出轴Z4连接，输出轴Z4连接输出端B2 ;同时轴Z2通过 齿轮C9与齿轮C8之间的啮合与轴Z5连接，轴Z5通过齿轮C7与齿轮C5之间的啮合连接 输出轴Z6。 本发明采用液力偶合器L1、L2作为并车离合元件，两输入端A1、A2分别带液力偶 合器L1、 L2，与高速柴油机1连接的输入轴Z1带两套离合器C12和C34，通过控制离合器 C12、 C34的接排/脱排可以实现并车齿轮箱3输出轴系的正车和倒车；通过控制两套液力 偶合器L1、L2和轴带电机4端的液粘调速离合器13的接排/脱排，可以实现不同的传动方 案。因此并车齿轮箱3可实现多种工况，如单机工作、双机并车、倒车、PT0、PTI等。本发明 可保证可靠的负荷分配和并车稳定性。 本发明通过并车齿轮箱3中的液力偶合器Ll、 L2、正倒车离合器C12、 C34和轴带 电机4的液粘调速离合器的接排和脱排可以实现如下动力方案 1、液力偶合器Ll和液力偶合器L2充油，正车离合器C12接合，液粘调速离合器接 合，双机并车动力输出，同时轴带电机4发电； 2、液力偶合器Ll和液力偶合器L2充油，正车离合器C12接合，液粘调速离合器不 接合，双机并车动力输出，轴带电机4不发电； 3、液力偶合器Ll充油，液力偶合器L2不充油，正车离合器C12接合，液粘调速离 合器接合，单机动力输出，同时轴带电机4发电； 4、液力偶合器Ll充油，液力偶合器L2不充油，正车离合器C12接合，液粘调速离 合器不接合，单机动力输出，轴带电机4不发电； 5、液力偶合器L1充油，液力偶合器L2不充油，正车离合器C12脱开，倒车离合器 C34接合，液粘调速离合器不接合，单机倒车功率输出，轴带电机4不发电；
6、液力偶合器L1和液力偶合器L2不充油，液粘调速离合器接合，轴带电机4电动 机(PTI)动力输入。 轴带电机4兼顾轴带发电机(PT0)和电动机(PTI)的功能，可实现可逆交流发电。 轴带电机4包括两个转子交流励磁无刷电机，两个电机同轴连接，两个电机的转
子绕组直接相连， 一台定子绕组作为主绕组；另一台定子绕组作为控制绕组。 为实现轴带电机4在作为电动机运行(PTI)时的自启动，本发明的轴带电机4采
用转子交流励磁无刷电机，其主机转子与励磁机转子绕组不经过整理元件而直接连接，在
电动运行自启动时可以很方便地将主励磁绕组通过合适的电阻器短接，很好地解决了轴带
电机在异步起动时转子主励磁绕组产生反向制动力矩以及起动时主励磁绕组容易被高电压击穿损坏的问题，本发明的主机转子为阻尼绕组，既可以实现电机的轻载自起动，又可以 保证轴带电机的可靠运行。 由于绕线转子感应电机具有良好的启动和运行性能，并可实现异步、同步和双馈 调速等多种运行方式，同时去消了有刷结构。这样不仅提高了运行可靠性，而且降低了维护费用。 轴带电机4与变频器连接，可实现轴带电机4在PTI模式下进行变速运行，该变频 器的容量大小与电动机的调速范围相符合。 螺旋桨模拟装置5为直流发电机测功器，包括四象限运行的晶闸管变流器、他励
直流发电机和力矩、转速、电流及电压传感器。 传动连接件14通过推力轴承9连接晶闸管变流器。 本发明的螺旋桨模拟装置5能够模拟螺旋桨特性，兼顾调距浆和定距浆的推进特 性，能够进行螺旋桨推进、倒退、变螺距等工况下螺旋桨特性的模拟；螺旋桨模拟装置5具 有四象限运行的特性，可以实现电力回馈到电网。 如图2、图6所示，两台高速柴油机1、2分别通过4只上层隔振器21设置于各自独 立的筏体22上，筏体22通过6只下层隔振器23安装在基座10上。两台高速柴油机3的 筏体22之间通过联接横梁17连接。两台高速柴油机的筏体22与齿轮箱底座26之间通过 联接横梁18、19连接。 并车齿轮箱3通过6只硬弹性隔振器24安装在独立的齿轮箱底座26上，齿轮箱 底座26通过6只刚性垫块25安装在基座上。 本发明的并车齿轮箱3采用了硬弹性的隔振方案，并车齿轮箱3与螺旋桨模拟装 置5的轴系之间的联接采用低速大转矩弹性联轴装置，能够实现大位移补偿功能。
本发明的并车齿轮箱3和高速柴油机1、2为双层隔振，并且隔振方式为冗余性，通 过用相同接口尺寸的刚性垫块代替隔振器还可以实现柴油机1、2的刚性、单层和双层隔振 等多种方案。通过用联接横梁连接两台高速柴油机的筏体22及齿轮箱底座26可实现小浮 筏和大浮筏隔振方案。 1、采用相同接口尺寸的刚性垫块代替高速柴油机1、2的下层隔振器23，即高速柴 油机的筏体22通过6只刚性垫块安装在基座上，可以实现两台高速柴油机1、2单层隔振、 并车齿轮箱3硬弹性安装的隔振方案。 2、采用相同接口尺寸的刚性垫块代替并车齿轮箱3的硬弹性隔振器24，即并车齿 轮箱3通过6只刚性垫块安装在齿轮箱底座26上，可以实现两台高速柴油机1、2双层隔振、 并车齿轮箱3刚性安装的隔振方案。 3、采用相同接口尺寸的刚性垫块代替高速柴油机1、2的下层隔振器23，相同接口 尺寸的刚性垫块代替并车齿轮箱3的硬弹性隔振器24，即高速柴油机1、2的筏体22通过6 只刚性垫块安装在基座上，并车齿轮箱3通过6只刚性垫块安装在齿轮箱底座26上，可以 实现两台高速柴油机1、2单层隔振、并车齿轮箱3刚性安装的隔振方案。
4、通过联接横梁17将两台高速柴油机1、2的筏体22连接成一个小浮筏，每台高 速柴油机1、2根据需要刚性或弹性安装在筏体22上，筏体22通过下层隔振器23安装在基 座上。并车齿轮箱3根据需要可以硬弹性或刚性安装在齿轮箱底座26上。可以实现两台 柴油机小浮筏隔振、齿轮箱刚性或硬弹性安装。
5、通过联接横梁17、 18、 19将两台高速柴油机1、2的筏体22及齿轮箱底座26联 接成一个大浮筏，并车齿轮箱3通过刚性垫块安装在齿轮箱底座26上，齿轮箱底座26通过 下层隔振器安装在基座上，可以实现两台高速柴油机与并车齿轮箱3大浮筏隔振。
本发明的两台高速柴油机1、2采用双层隔振，并车齿轮箱3采用硬弹性隔振，轴带 电机4为刚性安装，通过以上措施起到减振降噪的效果。 高速柴油机1、2、常规柴油发电机组7、及螺旋桨模拟装置5分别通过控制电缆连 接到控制装置6。通过控制装置6实现系统的集中监测和控制。 控制装置6为集中控制台，根据驱动电动机的转速、船机浆模型的运动情况计算 出螺旋桨轴上的转矩并送给晶闸管变流器。晶闸管变流器控制发电机产生这个转矩并把所 发出的电能利用有源逆变的工作方式回馈到交流电网中。如果不需要电能回馈电网，可以 另外利用电阻负载消耗。 本发明设置一套常规柴油发电机组7，轴带电机4和柴油发电机组7可以并网运 行，并能够通过能源管理系统进行负荷分配；柴油发电机组7发电通过电力电缆供给轴带 电机(PTI模式)，通过并车齿轮箱3带动螺旋桨模拟装置5，实现电力推进的功能。
本发明的配电系统包括轴带电机控制屏40、常规柴油发电机控制屏70、负载屏 80、并车及母联屏20、螺旋桨模拟装置控制屏50等，将轴发系统、发电机组、螺旋桨模拟装 置5与各类负载(电阻、电抗、电容等)联系起来。由于动力系统演示验证平台采用了轴带 电机4，它具有发电机和电动机两种不同的工作模式，为此在轴带电机控制屏40设计了两 种模式的转换开关，并且具有联锁功能。 如图1所示，两台高速柴油机1、2通过电力电缆连接并车及母联屏20，常规柴油发 电机组7通过电力电缆连接常规柴油发电机组控制屏70，轴带电机4通过电力电缆连接轴 带电机控制屏40，螺旋桨模拟装置5通过电力电缆连接螺旋桨模拟装置控制屏50，耗功装 置8通过电力电缆连接负载屏80。各控制屏通过配电屏相连。 本发明的监控系统包括柴油机双机并车装置监控、发电机组(柴油、轴带)监控、 负载监控等部分，每部分均由控制、监测及安全系统组成，其中控制、安全系统互为独立工 作。 上层的主干网络为工业以太网，它以集控室为网络中心，连接本地和集控室的各
个监控终端(标显台、网关等)，形成双环冗余或单环冗余的高速以太网网络，示意图采用
单环形式，根据实际需求可采用双环方案，实现网络的综合管理和数据的共享，把设备状态
参数监测与传输、设备运行控制、安全保护等功能集成在一个整体网络框架内。 下层网络为冗余(可单可双)的CAN现场总线网络。由于双机并车装置和发电机
组并网控制对可靠性和实时性的要求很高，因此本方案将其分别组成两个独立的冗余现场
总线网络，再各自通过网关与上层网络相连。 实验室的电能管理由PMS(电能管理系统)来完成，PMS的运用，可实现实验室在 各种试验工况下电能的灵活组织和经济运行。PMS由以下功能模块组成数据采集模块、智 能决策模块、控制模块、显示和配置模块。
权利要求
一种船舶推进动力系统试验平台，其特征在于，包括两台高速柴油机、两进两出型式的并车齿轮箱、带有PTO/PTI两种运行模式的轴带电机、常规柴油发电机组、螺旋桨模拟装置、耗功装置、控制装置；两台高速柴油机通过并车齿轮箱分别与轴带电机和螺旋桨模拟装置连接；高速柴油机、轴带电机、常规柴油发电机组、螺旋桨模拟装置、耗功装置分别连接控制装置。
2. 根据权利要求1所述的船舶推进动力系统试验平台，其特征在于，所述第一高速柴 油机通过第一传动连接件与并车齿轮箱的第一输入端连接，第二高速柴油机通过第二传动 连接件与并车齿轮箱的第二输入端连接；所述第一、第二传动连接件为柔性传动装置。
3. 根据权利要求2所述的船舶推进动力系统试验平台，其特征在于，所述第一、第二传 动连接件分别包括两个联轴器、传动轴，第一联轴器通过传动轴与第二联轴器连接；所述传 动轴为碳纤维复合材料传动轴或万向联轴器；和/或所述第一联轴器为自支承高弹性联轴 器或金属挠性联轴器；和/或所述第二联轴器为隔声联轴器。
4. 根据权利要求2所述的船舶推进动力系统试验平台，其特征在于，所述并车齿轮箱的两个输入端分别通过液力偶合器连接两个输入轴；所述并车齿轮箱的第一输入轴带正车 离合器和倒车离合器。
5. 根据权利要求1所述的船舶推进动力系统试验平台，其特征在于，所述高速柴油机 通过多个上层隔振器或刚性垫块设置于筏体上；筏体通过多个下层隔振器或刚性垫块设置 于基座上；所述并车齿轮箱通过多个硬弹性隔振器或刚性垫块设置于齿轮箱底座上；齿轮 箱底座通过多个刚性垫块或下层隔振器设置于基座上。
6. 根据权利要求5所述的船舶推进动力系统试验平台，其特征在于，所述两个高速柴 油机的筏体之间通过联接横梁连接；或所述两个高速柴油机的筏体及齿轮箱底座通过联接 横梁连接为一体。
7. 根据权利要求1所述的船舶推进动力系统试验平台，其特征在于，所述并车齿轮箱 的第二输出端通过第三传动连接件与轴带电机相连接；所述第三传动连接件为液粘调速离合為。
8. 根据权利要求1或7所述的船舶推进动力系统试验平台，其特征在于，所述并车齿轮 箱的第一输出端通过第四传动连接件与螺旋桨模拟装置连接；所述第四传动连接件为低速 大转矩弹性联轴装置。
9. 根据权利要求1所述的船舶推进动力系统试验平台，其特征在于，所述轴带电机包 括两个转子交流励磁无刷电机，所述两个电机同轴连接，两个电机的转子绕组直接相连，一 台电机的定子绕组作为主绕组，另一台电机的定子绕组作为控制绕组。
10. 根据权利要求1所述的船舶推进动力系统试验平台，其特征在于，所述螺旋桨模拟 装置包括四象限运行的晶闸管变流器、他励直流发电机；所述晶闸管变流器连接他励直流 发电机，他励直流发电机上设有力矩、转速、电流及电压传感器。
全文摘要
本发明公开了一种船舶推进动力系统试验平台，包括两台高速柴油机、两进两出型式的并车齿轮箱、带有PTO/PTI两种运行模式的轴带电机、常规柴油发电机组、螺旋桨模拟装置、耗功装置、控制装置；两台高速柴油机通过并车齿轮箱分别与轴带电机和螺旋桨模拟装置连接；两台高速柴油机分别通过柔性传动装置与并车齿轮箱连接；并车齿轮箱分别通过液粘调速离合器和低速大转矩弹性联轴装置与轴带电机和螺旋桨模拟装置连接。本发明是一种综合性的多功能船舶推进动力系统试验平台，可以进行船舶推进动力系统集成关键技术的试验研究和轴带可逆电机、柴油机及装置、电站及能源管理、系统减振降噪、传动元件、电力推进、自动控制等方面的试验验证。
文档编号B63B9/00GK101767632SQ20081020824
公开日2010年7月7日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者孔曼军, 徐卫忠, 曾宪友, 王丽杰, 益斌, 童宗鹏, 艾钢, 葛新涛, 赵同宾, 马善伟 申请人:中国船舶重工集团公司第七一一研究所