船舶主机功率储备余量快速计算方法与流程

1.本发明涉及船舶主机功率计算领域，尤其涉及一种船舶主机功率储备余量快速计算方法。


背景技术：

2.受全球气候变暖、资源危机等因素影响，国际海事组织imo推出了船舶能效设计指数eedi，该法案的生效对于船舶主机选型产生了深远的影响，船厂纷纷选择主机降功率使用以满足eedi要求，主机在降功率使用的情况下，出现了船舶通过转速禁区时间过长等一系列问题。
3.现阶段，船舶通过转速禁区时间过长问题的研究尚处于探索阶段，没有明确的参数定义以及相对应的计算方法。在船舶需要快速通过转速禁区或在恶劣海况下，如主机没有足够的功率储备余量，将增加船舶通过转速禁区的时间并降低船舶的操控性能，给船舶运行带来极大的安全隐患。


技术实现要素：

4.本发明针对上述问题，提供一种能够快速计算主机功率储备余量的计算方法，通过对转速禁区功率储备余量的定义，同时考虑螺旋桨轻转余量、船舶系桩拉力和主机基本参数等，计算推导出船舶在转速禁区内的功率储备余量，保证了船舶的安全稳定。
5.为了达到上述目的，本发明提供了一种船舶主机功率储备余量快速计算方法，其步骤包括：
6.s1：定义船舶转速禁区内功率储备余量为：在船舶转速禁区大端，主机最大输出扭矩与船舶阻力的差值/船舶阻力，所述船舶转速禁区内功率储备余量的计算公式为：
7.y
pm
＝100％*(y
l-yb)/yb8.式中，y
l
为主机最大输出扭矩，在实际计算中表示主机限制功率输出曲线y轴量；y
pm
为转速禁区内主机功率储备余量；yb为船舶阻力，在实际计算中表示船舶系桩拉力曲线y轴量；
9.s2：根据船舶主机功率与转速的关系式推导出主机标准功率输出曲线公式，所述主机标准功率输出曲线公式为：
[0010][0011]
式中，ys为主机标准功率输出曲线y轴量，ys＝gm/g1，其中gm为主机额定功率，g1为主机瞬时功率；xs为主机标准功率输出曲线x轴量，xs＝zm/z1，其中zm为主机额定转速，z1为主机瞬时转速；
[0012]
s3：根据螺旋桨轻转余量定义构建螺旋桨轻转余量曲线x轴量与主机标准输出功率曲线x轴量的关系式为：
[0013]
x
p
＝xs/(1+p)
[0014]
式中，x
p
为螺旋桨轻转余量曲线x轴量，p为螺旋桨轻转余量百分比；
[0015]
s4：推导螺旋桨轻转余量曲线公式为：
[0016][0017]
式中，y
p
为螺旋桨轻转余量曲线y轴量；
[0018]
s5：根据船舶系桩拉力定义构建船舶系桩拉力曲线x轴量与螺旋桨轻转余量曲线x轴量的关系式为：
[0019]
xb＝x
p
/(1-b)
[0020]
式中，xb为船舶系桩拉力曲线x轴量，b为船舶系桩拉力系数百分比；
[0021]
s6：推导船舶系桩拉力曲线公式为：
[0022][0023]
式中，yb为船舶系桩拉力曲线y轴量；
[0024]
s7：将所述船舶系桩拉力曲线公式代入所述主机转速禁区内功率储备余量计算公式，推导出主机转速禁区内功率储备余量的快速计算公式为：
[0025][0026]
优选方式下，所述主机限制功率输出曲线公式由多项式拟合得到，所述多项式的具体公式为：
[0027][0028]
式中，a、b、c、d、e分别为各单项式的系数。
[0029]
优选方式下，所述船舶主机功率与转速的关系式为：
[0030]
g＝c*z3[0031]
式中，g为主机功率，c为常数，z为主机转速。
[0032]
本发明的有益效果为：本发明能够在仅仅已知螺旋桨轻转余量、船舶系桩拉力和船舶转速禁区的情况下就能计算出主机转速禁区内功率储备余量，简化了计算步骤，为设计阶段的主机选型、螺旋桨设计、轴系设计等提供了理论依据，为船舶的安全稳定运行奠定了坚实的基础。
附图说明
[0033]
图1为本发明的转速禁区主机功率储备余量计算方法流程示意图；
[0034]
图2为本发明的主机功率储备余量快速计算方法相关曲线示意图。
具体实施方式
[0035]
具体实施例：
[0036]
本发明在船舶设计阶段，根据主机基本参数可以得出主机标准功率转速曲线和主机功率转速限制曲线，然后通过螺旋桨轻转余量、船舶系桩拉力的设定参数推导船舶系桩拉力曲线，通过转速禁区功率储备余量的定义，计算分析出船舶在转速禁区内的功率储备余量，从定量的角度给出了主机功率储备余量的计算方法。如图1所示，本发明一种船舶主机功率储备余量快速计算方法，其具体步骤如下：
[0037]
一、船舶主机转速禁区内功率储备余量定义及公式
[0038]
(1)通常意义下，主机输出扭矩大于船舶阻力的数值越大，船舶的功率储备余量越大，则船舶的加速性能越好；船舶的加速性能越好，则通过转速禁区的时间越短。
[0039]
基于主机限制功率输出曲线同主机标准功率输出曲线之间的特定关系，x轴数值越大，两者差值占比越小，主机功率储备余量越低，因此选择安全裕度更高的转速禁区大端，即转速禁区内储备余量最小值更安全。
[0040]
据此分析，定义如下。
[0041]
(2)船舶转速禁区内功率储备余量定义：在船舶转速禁区大端，主机最大输出扭矩与船舶阻力的差值/船舶阻力。
[0042]
(3)在实际计算中，主机最大输出扭矩即是主机限制功率输出曲线对应的点，船舶阻力即是船舶系桩拉力曲线对应的点，据此推导出船舶转速禁区内主机功率储备余量计算理论公式：y
pm
＝100％*(y
l-yb)/yb，式中，y
pm
为转速禁区内主机功率储备余量；y
l
为主机限制功率输出曲线y轴量；yb为船舶系桩拉力曲线y轴量。
[0043]
(4)上述基本公式定义完毕后，下述内容将依据各参数实际意义及已有的理论公式完成公式推导，使其具备开展实际应用的条件。
[0044]
二、主机标准输出功率比值与主机转速比值的公式
[0045]
(5)船舶主机功率与转速的关系为：g＝c*z3，式中g为主机功率；z为主机转速；c为常数。
[0046]
(6)按上述公式推导，式中gm为主机额定功率；g1为主机瞬时功率；zm为主机额定转速；z1为主机瞬时转速；c为常数。
[0047]
(7)基于上述公式可推导出：假设主机额定功率/主机瞬时功率＝y，即gm/g1＝y；同时假设主机额定转速/主机瞬时转速＝x，即zm/z1＝x；则可以推导出y＝x3，即主机功率比值与主机转速比值成立方关系。
[0048]
(8)经过上面3步推导后，得出了主机标准功率输出曲线公式，即主机标准输出功率比值与主机转速比值的关系，ys＝x
s3
。
[0049]
三、船舶系桩拉力曲线同主机标准输出功率间的关系
[0050]
(9)螺旋桨轻转余量曲线x轴量推导：根据螺旋桨轻转余量定义，螺旋桨轻转余量曲线x轴量同主机标准输出功率曲线x轴量的关系可推导出：
[0051]
x
p
＝xs/(1+p)
[0052]
式中x
p
为螺旋桨轻转余量曲线x轴量，xs为主机标准功率输出曲线x轴量，p为螺旋桨轻转余量百分比。
[0053]
(10)螺旋桨轻转余量曲线推导：根据y
p
＝x
p3
，ys＝x
s3
，x
p
＝xs/(1+p)，可推导出：
[0054][0055]
公式中y
p
为螺旋桨轻转余量曲线y轴量，ys为主机标准输出功率曲线y轴量。至此，推导出螺旋桨轻转余量曲线y轴量同主机标准输出功率曲线x量轴的关系。
[0056]
(11)船舶系桩拉力曲线x轴量推导：根据系桩拉力曲线定义，系桩拉力曲线x轴量同螺旋桨轻转余量曲线x轴量的关系可推导出：
[0057]
xb＝x
p
/(1-b)
[0058]
式中xb为船舶系桩拉力曲线x轴量，b为船舶系桩拉力系数百分比。
[0059]
(12)船舶系桩拉力曲线推导：根据yb＝x
b3
，y
p
＝x
p3
，xb＝x
p
/(1-b)，可推导出：
[0060][0061]
公式中yb为船舶系桩拉力曲线y轴量，至此，推导出船舶系桩拉力曲线y轴量同螺旋桨轻转余量曲线x轴量的关系。
[0062]
(13)经过上面4步推导后，得出了船舶系桩拉力曲线y轴量同主机标准输出功率曲线x轴量的关系，即通过x
p
＝xs/(1+p)，等一系列公式之间的关系推导出：
[0063][0064]
四、主机限制功率输出曲线公式
[0065]
(14)主机限制功率输出曲线通常由主机厂根据主机自身的性能以及各部件的负荷承受能力来确定。
[0066]
(15)主机限制功率输出曲线大于主机标准功率输出曲线并存在一定关系，通常多项式完全可以拟合出主机限制功率输出曲线，式中y
l
为主机限制功率输出曲线y轴量，xs为主机标准输出功率曲线x轴量，a、b、c、d、e为常数。
[0067]
(16)在实际计算中，主机限制功率输出曲线通常很简单，这里为便于后期推导，简化为y
l
＝cx
s2
。如曲线为其他公式，可按下述方法类似推导即可。
[0068]
五、主机转速禁区内功率储备余量计算公式
[0069]
(17)根据步骤(3)中的推导，功率储备余量y
pm
＝100％*(y
l-yb)/yb，根据上述推导及简化，y
l
＝cx
s2
，由此可推导出主机转速禁区内功率储备余量快速计算公式：
[0070]ypm
＝100％*(c*(1+p)3*(1-b)3/x
s-1)
[0071]
(18)公式中p为螺旋桨轻转余量百分比，b为船舶系桩拉力系数百分比，xs为主机标准功率输出曲线x轴量，即转速禁区大端转速占主机额定转速比例，c为步骤(14)中的常数。
[0072]
如图1、2所示，所述计算方法的具体实施例为：
[0073]
(1)定义主机功率储备余量的物理概念，进而列出功率储备余量的基本计算公式；
[0074]
(2)根据主机基本参数在软件中绘制出主机转速同主机标准功率百分比的曲线ys，即主机标准功率输出曲线。根据螺旋桨的轻转余量p，以及主机标准功率输出曲线，绘制出螺旋桨转速同主机功率百分比的曲线，即螺旋桨轻转余量曲线y
p
；
[0075]
(3)根据船舶系桩拉力b，以及螺旋桨的轻转余量曲线，绘制出船舶系桩拉力同主机功率百分比的曲线，即船舶系桩拉力曲线；
[0076]
(4)通过主机基本参数在软件中绘制主机转速同主机限制功率百分比的曲线，即主机限制功率输出曲线；
[0077]
(5)分别用公式推导或软件拟合出船舶系桩拉力曲线yb和主机限制功率输出曲线y
l
的相关公式；
[0078]
(6)将得到的系桩拉力和限制功率曲线公式带入功率储备余量基本公式中，推导
出仅有螺旋桨轻转余量、系桩拉力和转速禁区大端相关的功率储备余量计算公式，得到了一组高效、准确的计算方法。
[0079]
更具体地，带入具体数值的计算过程为：
[0080]
(1)主机转速禁区内功率储备余量计算公式：根据上述内容推导，公式为y
pm
＝100％*(c*(1+p)3*(1-b)3/x
s-1)；
[0081]
(2)公式中各字母含义及假设参数如下：
[0082]
a)主机转速禁区内功率储备余量：y
pm
；b)假设转速禁区大端占比主机额定转速54.1％，即主机标准功率输出曲线x轴量：xs＝0.541；c)假设主机限制功率输出曲线即主机功率限制输出曲线公式常数：c＝1.032；d)假设螺旋桨轻转余量百分比：p＝5.6％；e)假设船舶系桩拉力系数百分比：b＝17.5％；
[0083]
(3)发明实施例计算结果
[0084]ypm
＝100％*(c*(1+p)3*(1-b)3/x
s-1)＝100％*(1.032*(1+5.6％)3*(1-17.5％)3/0.54-1)＝26.1％
[0085]
上述结果表明，在船舶转速禁区大端位于额定功率54.1％、螺旋桨轻转余量5.6％、船舶系桩拉力系数为17.5％时，主机转速禁区内功率储备余量为26.1％。
[0086]
本发明公开了一种船舶主机功率储备余量快速计算方法，该发明从定量的角度给出了主机功率储备余量的计算方法。对在船舶初始设计阶段的主机选型、螺旋桨设计、轴系设计等提供了理论依据，确保船舶拥有足够的功率储备余量可以快速的通过转速禁区，为船舶的安全稳定运行奠定了坚实的基础。
[0087]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。