液化天然气船舶动力系统加速性能优化策略研究

针对船舶天然气发动机匹配定距桨(FPP)的直接推进动力系统存在加速速率慢、动态性能差的缺陷,提出了一种系统级优化方案,设计并联型式气电混合动力系统,通过轴带电机辅助推进优化系统的加速性能。建立船舶气电混合动力系统仿真模型,根据试验数据对天然气发动机的加速性能进行数据标定,保证模型动态精度,以仿真手段分别验证混合动力系统使用变频器(VFD)动态切换策略和变频器超前控制策略的加速优化效果。综合考虑实际工程控制难度和加速过程优化效果,变频器动态切换策略优于变频器超前控制策略。气电混合动力系统轴带电机辅助推进(PTI)模式使用变频器切换控制策略可达到较好的加速性能,在降低主机机械负荷和热力负荷的同时船舶快速性最大提升16%。气电混合动力系统轴带电机辅助发电(PTO)模式加速时轴带发电机负载转移至船舶辅机,稳定一段时间后切换至电动模式助推,加速性能可达到PTI模式加速水平。

并联式船舶气电混合动力系统动态加速性能仿真

为提高并联式船舶气电混合动力系统的动态加速性能,设计新的变频器控制策略,充分利用电机的快速响应性。仿真结果表明,采用新的变频器控制策略使电机更早地投入加速过程,从而降低气体主机在加速过程中的功率负荷,有效提升系统的动态响应性能。应用变频器切换控制策略的气电混合动力系统较纯气体机动力系统在加速过程中有着更好的动态性能,主机加速到额定转速的时间最多可缩短32.81%,热力负荷可降低4.28%。

某渔业资源调查船柴电混合动力系统设计及应用

基于船舶动力系统设计平台,根据某渔业资源调查船运行工况,从柴电混合动力系统运行模式分析、设备选型分析、推进轴系回转振动分析等方面着手,开展柴电混合动力系统设计。设计的柴电混合动力系统与传统柴油机动力系统相比,装机功率降低了17.9%,油耗降低了6.5%。经实船应用,各项性能指标均满足技术要求。

船舶动力智能运维服务系统研究

船舶动力系统是船舶系统的重要组成部分,其安全可靠运行对船舶航行起着关键的作用。针对船舶动力系统运维服务的信息化和智能化发展需求,研究了船舶动力智能运维服务系统架构设计和系统组成。船舶动力数据采集系统用于全船动力系统数据感知、查询、存储和传输;岸端大数据运维服务系统用于基于大数据的健康管理、能效分析、账户管理、基础数据维护;网络传输系统连接船端和岸端运维服务系统,构建船-云-岸通信网络,最终提供船端和岸端双端船舶动力智能运维服务。

Ⅰ型镁基混合式船舶烟气脱硫系统试验

针对国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)船舶硫氧化物(SOx)排放限值要求,结合陆用镁法脱硫技术和实船应用环境,开展Ⅰ型镁基混合式船舶烟气脱硫系统设计和试验研究。采用台架试验方法分析关键设计参数对脱硫系统性能的影响。结果表明,在一定范围内,增大脱硫系统的液气比、气速,或增加喷淋层数量,均可提高脱硫效率,但会造成脱硫系统的压损增大。根据试验结果优化脱硫系统的设计参数之后,在自动运行模式下,开式脱硫系统和闭式脱硫系统的SOx排放均能达到等效0.1%硫含量燃油的限值,洗涤水排放满足IMO法规的要求,可为脱硫系统的实船应用提供指导。

基于迁移学习的船用低速机燃油喷射系统故障诊断方法研究

针对低速机故障模拟试验成本高和故障样本数据获取难度大的问题,通过建立船用低速机喷油系统模型和一维工作过程模型,采用仿真的方法获取了喷油器喷孔磨损、喷油量减少及喷油正时变化等故障样本,分析了低速机燃油喷射系统故障时的参数变化规律。基于故障参数的变化规律提取了7个故障特征参数,用主元分析法检验了所提取的特征参数对故障诊断的有效性和故障可分类性。针对传统的机器学习故障诊断算法要求数据独立同分布等问题,提出了基于TrAdaBoost迁移学习算法的低速机燃油喷射系统诊断模型,通过3560个仿真故障样本的验证结果表明其诊断准确率在85%以上,诊断模型可在低速机不同负荷之间实现诊断知识的迁移。

船用燃气轮机动力涡轮气动设计及优化研究

船用燃气轮机动力涡轮在大范围变工况下性能衰减严重,为满足动力涡轮宽工况气动设计的技术要求,本文基于某型船用燃气轮机热力循环参数,开展动力涡轮气动设计。通过正交实验法研究了涡轮效率对载荷系数等七个关键设计参数的敏感性;集成NREC软件内部模块,开展了一维优化设计;分别利用自由涡设计方法、可控涡设计与后加载叶型相结合方法进行了三维气动设计与优化。结果表明:涡轮效率对七个设计参数敏感性由高到低依次为平均流量系数、平均载荷系数、稠度、尾缘厚度与喉部宽度比值、反动度、叶顶间隙与叶高比值、展弦比;通过一维与两版三维气动方案结果对比与校核,涡轮在设计与低速工况下都具有良好的气动性能,说明形成的一维优化设计方法行之有效;采用可控涡设计和后加载叶型后,设计工况下总效率提高了0.62%,压比为2和6的低速工况下,总效率分别提高了0.764%和1.979%。可控涡设计相比自由涡设计而言,主要是对动叶降低损失,对径高比为5.1~7.8的涡轮级仍有一定的优化效果,在低速工况更明显。如配合静叶载荷形式的优化,效果更好。

混合动力船舶超级电容制动能量回馈装置

针对混合动力船舶采用制动电阻吸收制动能量不可避免造成能量浪费的问题,借鉴直流推进系统,采用超级电容储能装置作为能量回馈装置,研究混合动力船舶在典型工况下的制动过程,并对超级电容在制动过程中的控制方法、控制效果进行分析。结果表明:与制动电阻相比,超级电容制动能量回馈装置不仅能够提升直流母线电压的稳定性,还能有效吸收和储存在螺旋桨制动及减速过程中产生的制动能量,提升船舶能效。

基于无人机的船舶尾气监测系统设计

为快速且方便地在无电信运营商信号区域实现船舶气态污染物排放的快速遥测,根据船舶气态污染物排放特点,设计了基于电化学传感器的船舶气态污染物排放监测系统,且使用无人机搭载监测系统近距离监测了目标船舶气态污染物的排放,同时系统使用无线LoRa数据传递技术,解决了在无信号区域不能传递数据的问题,经试验测试:监测系统在气态污染物浓度大于20×10^(-9)时有较高的准确度,能够满足海事部门对船舶气态污染物高精度快速监测的需求。

甲醇供给系统氮气吹扫过程的数值研究

氮气吹扫是甲醇供给系统工作流程中的重要环节,为探究不同氮气压力条件下的氮气吹扫时间(即排净时间)和氮气消耗量,结合均相流模型、标准k-ε湍流模型和VOF(Volume Of Fluid)多相流模型对0.7 MPa、0.9 MPa和1.1 MPa等3种氮气压力工况进行数值研究。通过计算稳态氮气单相工况验证网格无关性,确定网格节点数量为822万个。研究结果表明:排净时间与氮气压力呈线性关系,且随氮气压力的增大而缩短;氮气消耗量与氮气压力呈非线性关系,且随氮气压力的增大而增加。通过函数拟合得到排净时间和氮气消耗量的计算公式,并对比0.8 MPa和1.0 MPa 2种氮气压力工况下的数值计算结果与公式预测结果,发现排净时间的误差均小于0.5%,氮气消耗量的误差均小于2.0%,说明该计算公式是准确的。

某船柴-柴联合动力装置主推进系统集成设计

按照某船的柴-柴联合动力装置(combined diesel and diesel,CODAD)主推进系统集成项目总体要求开展主推进系统集成设计。针对主推进系统非直线传动、破舱水密和并车控制要求,采用液力耦合器配合单调速器并车控制方案,相较于常见的液压多片式摩擦离合器配合主从调速器并车控制方案,具有并车解列过程平稳、可靠、双机负荷分配均匀等优点。所设计的主推进系统实际应用情况良好。

电液复合调速器中比例电磁铁的多参数优化

比例电磁铁是柴油机电液复合调速系统的电磁驱动元件,其电磁力特性影响到整个调速系统的精确度与稳定性。首先利用Ansys Maxwell软件搭建比例电磁铁的仿真模型,并通过电磁阀测试平台验证模型的准确性。随后对电磁铁各结构尺寸进行参数化分析,得到影响比例电磁铁电磁力特性的关键参数组合。最后使用响应面法建立平均电磁力、电磁力均方差与上隔磁角、隔磁环位置、衔铁半径3个因素的二次回归模型,并结合遗传算法进行多目标优化。结果表明,相较于原方案,遗传算法优化得到的结构参数组合方案使比例电磁铁的电磁力特性得到明显改善,平均电磁力提高了8.56%,电磁力均方差下降了59.63%。

燃料喷射控制压电阀的驱动控制策略研究

压电式喷射器中压电阀的响应速度决定了内燃机燃料喷射控制的性能和精度。为提高压电阀响应速度,针对自主研制的压电阀及其基于脉宽调制(PWM)控制方式的驱动电路,利用MATLAB/Simulink建立两者的联合仿真模型,并搭建压电阀性能测试试验台,通过仿真与试验结合的方式探究喷射控制信号PWM脉宽、脉冲数对压电阀响应时间的影响。结果表明:对自研驱动电路,喷射控制信号PWM脉宽存在最优值,且最优脉宽在03~042 ms内;多脉冲控制策略下,压电阀开启和关闭响应时间分别为0525、0725 ms;单脉冲控制策略下,压电阀开启和关闭响应时间分别为05、06 ms,均满足内燃机一个循环内实现多次喷射的控制要求;相较于多脉冲控制策略,单脉冲控制策略开启响应时间缩短4762%,关闭响应时间缩短172%。

5500kW级双机并车推进公务船动力系统集成研制

我国是一个海洋和渔业大国,拥有绵长的海岸线、广阔的海洋活动空间和丰富的海洋及渔业资源.为确保海洋和渔业经济持续、快速、有序发展,有效的海洋和渔业执法和管理已迫在眉睫.公务船主要用于对领海、毗连区的巡航执法;对违法使用海域、损害海洋环境与资源、违法捕捞等违法行为进行取证、调查和处理,保护海洋环境;对专属经济区和大陆架巡航监视.

基于概率神经网络的船用柴油机共轨系统限流阀故障诊断研究

基于船用柴油机高压共轨系统工作原理分析限流阀失效模式,利用AMESim液力仿真平台搭建共轨系统模型,通过仿真分析得出限流阀在3种典型故障模式下的故障特征。建立概率神经网络对限流阀故障进行诊断,结合试验与仿真数据完成网络训练和验证。结果表明:采用概率神经网络可有效地实现限流阀故障诊断。

基于高速机的船舶低振动推进机组设计及试验

针对船舶的高速性、高机动性和低振动要求,选用高速柴油机作为原动机,配置减速齿轮箱、高弹性联轴器、双层隔振装置,组成低振动推进机组。讨论分析机组配置中的技术要求、总体方案设计、关键设备主要技术参数确定、隔振性能计算等关键技术问题,开展机组成套和试验研究,分析试验中出现的齿轮箱振动超标、基座响应指标评价不合理等现象及其原因,验证隔振效果试验与计算结果的符合性,可以为该类型特殊推进机组设计提供了工程方法。

支板型线对压气机中介机匣性能影响的试验研究

为了明确支板对中介机匣气动性能的影响,本文针对某一舰船燃气轮机压气机中介机匣的2种不同支板开展了对比试验研究。试验结果显示:在0.2、0.3和0.4Ma工况下,改型支板较原型支板中介机匣的出口总压损失系数分别降低37%、79%和77%,原型支板尾迹损失远大于改型支板,但主流区域油流和气动测量结果相似。这说明主流区域轴向压力变化不受支板型线影响,但相较于原型支板,改型支板能够有效降低中介机匣的气动损失。

倒车涡轮叶片反转鼓风损失影响因素研究

为探究倒车涡轮叶片在反转条件下的鼓风损失影响因素,本文以某型可倒车涡轮双层涡轮叶片为研究对象,在正车运行工况下,使用有限元仿真计算方法,分析倒车涡轮叶片在反转条件下鼓风损失产生机制,并且在不同转速、不同气体压力、不同气体温度、不同叶片高度、不同挡板参数下,开展了倒车涡轮叶片反转鼓风损失计算,掌握鼓风损失影响因素,提炼了关键参数与鼓风损失的关系式。计算结果表明:倒车涡轮叶片反转产生的鼓风损失随转速的增加而增加、随气体压力的增加而增加、随气体温度的增加而降低、随叶片高度的增加而增加,在叶片附近增加挡板后,鼓风损失明显降低,并且随着叶片与挡板之间距离的减小而降低,随挡板与内通流壁板之间间隙的增加,鼓风损失先减小后增加。结论可用于指导倒车涡轮鼓风损失控制装置的设计。

高压共轨柴油机缸压闭环控制系统开发及试验

针对高压共轨柴油机各缸工作不均匀的问题,以CA4DLD18E5高压共轨柴油机为对象,采用缸压闭环控制技术开发了一套由基础控制器(BC)和缸压闭环快速原型控制器(PRPC)组成的缸压闭环控制系统。PRPC采集各缸的缸压,计算燃烧特征参数IMEP和CA50,按缸压闭环控制策略将各缸修正后的喷油正时和喷油脉宽发送给BC,实现缸压闭环控制。PRPC最大运行时间小于200 ms,在BC完成一次喷油控制时间范围之内,满足实时性要求。台架实机验证结果表明:开发的缸压闭环控制系统能有效减小各缸燃烧特征参数变异系数17.8%,达到降低各缸工作不均匀性的目的。

面向控制的船用高压共轨系统实时仿真模型开发

为给船用柴油机电控系统软件提供受控对象,本文以船用柴油机高压共轨燃油系统作为仿真对象,建立高压共轨燃油系统的性能仿真模型,计算得到共轨各部件的特性数据,再利用性能仿真计算数据和计算公式建立实时仿真模型,实时仿真模型包括高压油泵子模型、共轨管子模型、喷油器子模型和质量转换子模型等。实时仿真模型可根据电控系统发出的燃油喷射控制和轨压调节信号,实时计算高压共轨燃油系统的压力波动、喷油量和喷油率等特性参数。对开发的高压共轨燃油系统实时仿真模型进行了稳态工况下的喷油量精度对比,以及闭环控制下共轨压力波动的试验,其误差都在5%以内,建立的高压共轨燃油系统实时仿真模型可作为电控系统喷油控制策略的开发和功能验证的受控仿真对象。