螺旋桨及轴系起动过程状态模拟系统及方法
【专利摘要】本发明公开一种螺旋桨及轴系起动过程状态模拟系统及方法，属于船舶动力系统【技术领域】。该模拟系统包括模拟桨、与模拟桨相连的模拟轴系、以及设置在模拟轴系上的惯性元件和摩擦力转矩施加机构。其中螺距调节机构用于调节模拟桨的螺距，惯性元件用于调节模拟桨及模拟轴系的转动惯量，使其与待模拟的螺旋桨及轴系的转动惯量一致；所述摩擦力转矩施加机构用于调节模拟桨及模拟轴系的摩擦力转矩，使其与待模拟的螺旋桨及轴系的摩擦力转矩一致。采用该系统能够实现螺旋桨及轴系起动过程状态(包括负载和转速)的模拟；同时通过改变装置参数，能够实现不同功率级别螺旋桨及轴系的起动过程负载模拟。
【专利说明】螺旋桨及轴系起动过程状态模拟系统及方法
【技术领域】
[0001] 发明涉及一种模拟系统，具体涉及一种螺旋桨及轴系起动过程状态模拟系统，属 于船舶动力系统【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 目前常见的螺旋桨模拟装置通常是用负载电机作为主体来进行的，其原理如图1 所示。通过控制负载电机（通常是直流发电机）的电枢电压和电流（通常是给定电压而控 制电流），在轴系转速为《时，使负载电机轴上形成所需的负载转矩A。此外，针对监测的 轴系转速《，可以通过控制负载电机的电压和电流，使负载转矩I按预先设定的MfW曲 线（螺旋桨特性曲线）进行，从而实现对螺旋桨负载的模拟。
[0003] -般来说，在已有明确的螺旋桨特性参数的情况下，这种模拟装置可以模拟船舶 正常航行、紧急倒航、停船等工况中螺旋桨的负载特性。但该种模拟装置存在以下缺点或不 足：
[0004] (1)无法模拟螺旋桨及轴系起动过程的负载（转矩）
[0005] 用电机模拟螺旋桨负载的本质是通过控制电压和电流使电机形成与当前转速下 所模拟螺旋桨相同的转矩。也就是说，是先有转速《，才有对应的负载转矩I，这与实际过 程是相反的。实际上，在一定的输入扭矩下，是螺旋桨的负载决定了转速的变化。对于静态 过程来说，上述模拟可行；但对于动态过程来说，特别是对于某些转速未知的工况，上述模 拟装置由于无法预知转速变化，从而无法给出相应的扭矩。
[0006] 在如图2所示的螺旋桨推进系统中，原动机（主机或推进电机）起动后通过离合 器接排带动螺旋桨及轴系起动，如果离合器滑摩时间较长（软接排，软接排时，离合器的主 动端和从动端同步时间较长；通常会用在PT0/PTI柴电混合动力推进系统设计中），则螺旋 桨和轴系侧的转速是未知的，前述的负载电机无法模拟这种工况下螺旋桨及轴系的负载。
[0007] (2)无法模拟动态过程中的螺旋桨及轴系的惯量加速转矩
[0008] 在原动机带动或通过离合器带动螺旋桨及轴系起动过程中，有以下关系式：
【权利要求】
1. 一种螺旋桨及轴系起动过程状态模拟系统，其特征在于，包括模拟桨、模拟轴系、螺 距调节机构、推力轴承、惯性元件和摩擦力转矩施加机构；外围设备为离合器和推进电机； 所述模拟桨为螺距可调的螺旋桨；所述模拟轴系包括一个以上同轴相连的连接轴；模 拟轴系的一端与模拟桨相连，另一端与离合器相连；所述离合器通过联轴器与推进电机相 连，其中推进电机用于模拟原动机； 在所述模拟轴系上，模拟桨与离合器之间依次设置有螺距调节机构、推力轴承、惯性元 件和摩擦力转矩施加机构；其中螺距调节机构用于调节模拟桨的螺距，推力轴承用于承受 模拟桨的系柱推力，惯性元件用于调节模拟桨及模拟轴系的转动惯量，使其与待模拟的螺 旋桨及轴系的转动惯量一致；所述摩擦力转矩施加机构用于调节模拟桨及模拟轴系的摩擦 力转矩，使其与待模拟的螺旋桨及轴系的摩擦力转矩一致； 当待模拟的螺旋桨及轴系为原动机直接带动时，所述离合器接排，由推进电机直接带 动模拟桨和模拟轴系；当待模拟的螺旋桨及轴系为通过离合器软接排时，先将推进电机起 动至额定转速后再进行高速接排。
2. 如权利要求1所述的螺旋桨及轴系起动过程状态模拟系统，其特征在于，所述螺距 调节机构为轴式配油器。
3. 如权利要求1所述的螺旋桨及轴系起动过程状态模拟系统，其特征在于，所述惯性 单元为设置在模拟轴系上的圆盘，通过调整圆盘上连接的惯性块的个数、质量及旋转半径 调节模拟桨及模拟轴系的转动惯量；所述摩擦力转矩施加机构为与所述圆盘压紧的挠性压 板，通过调整挠性压板对圆盘的压紧力调节模拟桨及模拟轴系的摩擦力转矩。
4. 螺旋桨及轴系起动过程状态模拟方法，其特征在于：该方法所采用的模拟系统包括 模拟桨、与模拟桨相连的模拟轴系、以及设置在模拟轴系上的惯性元件和摩擦力转矩施加 机构； 视待模拟的螺旋桨及轴系为实际系统，所述螺旋桨及轴系起动过程状态模拟指对实际 系统负载和转速的模拟，所述负载包括螺旋桨的附水转矩MP、螺旋桨及轴系的摩擦力转矩 Mf和螺旋桨及轴系的惯量加速转矩； 步骤一：计算实际系统中螺旋桨及轴系的附水转矩参数As、惯量加速转矩参数Bs和摩 擦力转矩参数Cs ; 其中：附水转矩参数As= n"KQsPsDs5，为实际系统中螺旋桨的相对旋转效率，K Qs 为实际系统中螺旋桨的转矩系数，P s为实际系统中螺旋桨所在敞水环境中水的密度，Ds为 实际系统中螺旋桨的直径；惯量加速转矩参数B s = Js，Js为实际系统中螺旋桨及轴系的转 动惯量；摩擦力转矩参数Cs为实际系统中螺旋桨及轴系的摩擦力转矩； 步骤二：将模拟桨置于敞水环境中，通过推进电机带动模拟轴系和模拟桨起动，按设定 转速稳定运行模拟桨和模拟轴系，此时模拟桨及模拟轴系的惯量加速转矩参数Bm为0，计算 模拟桨及模拟轴系的附水转矩参数Α π和摩擦力转矩参数，其中An = η P J)/，η M为 模拟桨的相对旋转效率，KQm为模拟桨的转矩系数，P m为模拟桨所在敞水环境中水的密度， Dm为模拟桨的直径；Cm为模拟桨及模拟轴系的摩擦力转矩； 步骤三：调整模拟桨的螺距，从而改变模拟桨的转矩系数KQm，使Am = As ;通过摩擦力转 矩施加机构调节调节模拟桨及模拟轴系的摩擦力，使Cm = Cs ; 步骤四：离合器接排，用推进电机直接带动模拟桨及模拟轴系起动，控制推进电机按设 定规律升速，从而计算模拟桨及模拟轴系的惯量加速转矩参数Bs，Bs = Js，Js为模拟桨及模 拟轴系的转动惯量； 步骤五：通过惯性单元调节模拟螺旋桨及模拟轴系的惯量，使Bm = Bs ; 步骤六：用调整好的模拟系统模拟实际螺旋桨及轴系的起动状态。
5. 如权利要求4所述的螺旋桨及轴系起动过程状态模拟方法，其特征在于：通过设置 在模拟轴系上的轴式配油器调节模拟桨的螺距。
6. 如权利要求4所述的螺旋桨及轴系起动过程状态模拟方法，其特征在于，所述惯性 单元为设置在模拟轴系上的圆盘，通过调整圆盘上连接的惯性块的个数、质量及旋转半径 调节模拟桨及模拟轴系的转动惯量；所述摩擦力转矩施加机构为与所述圆盘压紧的挠性压 板，通过调整挠性压板对圆盘的压紧力调节模拟桨及模拟轴系的摩擦力转矩。
【文档编号】B63B9/00GK104276258SQ201410373890
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】郭丰泽, 赵同宾, 曾宪友, 董新宇, 苏晓明, 顾爱中 申请人:中国船舶重工集团公司第七一一研究所, 上海齐耀系统工程有限公司