[发明专利]螺旋桨及轴系起动过程状态模拟系统及方法

说明书

技术领域

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

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ω时，使负载电机轴上形成所需的负载转矩M_L。此外，针对监测的轴系转速ω，可以通过控制负载电机的电压和电流，使负载转矩M_L按预先设定的M_L-ω曲线(螺旋桨特性曲线)进行，从而实现对螺旋桨负载的模拟。 

一般来说，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： 

(1)无法模拟螺旋桨及轴系起动过程的负载(转矩) 

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ω，才有对应的负载转矩M_L，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。 

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PTO/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。 

(2)无法模拟动态过程中的螺旋桨及轴系的惯量加速转矩 

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： 

Md-ML=Jdωdt]]>

其中：M_d为主动转矩，即原动机(直接带动)或离合器摩擦片被动副(原动机通过离合器带动)的转矩； 

M_L为负载转矩，对于图2所示的螺旋桨及轴系来说，M_L＝M_P+M_f；其中M_P是螺旋桨的附水转矩，M_P与螺旋桨及轴系的转速ω有关，在螺旋桨几何形状、进速系数一定的情况下，M_p∝ω²；M_f是螺旋桨及轴系的摩擦力扭矩，M_f取决于摩擦力的大小，在轴系轴承润滑良好的情况下可认为是定值或分区间定值(转速不同，润滑性能可能有所差别，摩擦系数不同)。 为惯量加速转矩，其中J是螺旋桨及轴系的转动惯量，是螺旋桨转动惯量和轴系转动惯量之和。 

上述中，摩擦力扭矩M_f是定值，螺旋桨的附水转矩M_P是螺旋桨和轴系转速ω的函数，在螺旋桨特性明确的情况下，都是可以模拟出的。但对于原动机通过离合器软接排带动螺旋桨及轴系的起动过程来说，由于起动过程中螺旋桨和轴系转速ω(与原动机转速不同)的变化是未知的，无法通过负载电机这种方式来进行模拟。 

(3)负载电机起动过程的转矩模拟本身很难实现 

由于发电机在起动过程中(特别是低转速)特性并不是很稳定，因此即使采用原动机直接带动(螺旋桨及轴系转速ω与原动机转速相同)，在起动过程中也是很难通过控制电压和电流实现对螺旋桨负载(转矩)M_L的模拟。 

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种螺旋桨及轴系起动过程状态模拟系统，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。 

所述螺旋桨及轴系起动过程状态模拟系统包括模拟桨、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。