船舶動(dòng)力裝置控制技術(shù)發(fā)展.ppt

船舶動(dòng)力裝置控制技術(shù)發(fā)展,1現(xiàn)代民用船舶概述1.1船舶類型1.2船舶推進(jìn)方式,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型2.1推進(jìn)裝置2.2輔助裝置,3柴油機(jī)推進(jìn)基本原理和控制技術(shù)3.1固定螺距槳3.2可調(diào)螺距槳3.3主機(jī)遙控,4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)4.1智能化柴油機(jī)4.2柴油機(jī)電控技術(shù)4.3電子注油技術(shù)4.4電子調(diào)速技術(shù)4.5可調(diào)螺距控制技術(shù)4.6船舶減搖控制技術(shù),1現(xiàn)代民用船舶概述,1.1船舶類型,（1）客渡船：洲際郵輪車客渡輪內(nèi)河客輪、游輪,美國(guó)皇家加勒比公司海洋自由號(hào)、海洋解放號(hào)、海洋獨(dú)立號(hào)船長(zhǎng)339米，船高72米，1817間客房、排水量16萬(wàn)噸，可搭載4370名客人和1000名船務(wù)人員。,1現(xiàn)代民用船舶概述,煙大輪渡公司渤海1號(hào)、渤海2號(hào)、渤海3號(hào)、渤海4號(hào)船長(zhǎng)182.6米、寬24.8米，總噸位22700噸，有5條火車車道，車道總長(zhǎng)度768米。單航次可載運(yùn)一列50節(jié)80噸重的貨運(yùn)列車、50輛20噸載重汽車、25輛小汽車和480名旅客。,1現(xiàn)代民用船舶概述,“中遠(yuǎn)亞洲”號(hào)，11萬(wàn)噸，長(zhǎng)349米，寬45.6米，可裝載10062個(gè)集裝箱。,“中海高速”號(hào)，3萬(wàn)噸，長(zhǎng)176米，寬28米，十層甲板艙，最大運(yùn)力3290車位。,“新埔洋”號(hào)，30.8萬(wàn)噸，滿載總排水量35萬(wàn)多噸，甲板長(zhǎng)333米。,“蘭梅”號(hào)，20.6萬(wàn)噸，長(zhǎng)299.92米，寬50米，航速為15節(jié)。v,（2）貨船：集裝箱輪滾裝輪油輪雜散貨輪液化氣輪,大鵬昊，14.7萬(wàn)立方米裝載量，長(zhǎng)292米，寬43.35米，型深26.25米，航速19.5節(jié)。,1現(xiàn)代民用船舶概述,（3）工程船：起重船運(yùn)架船疏浚船敷管船破冰船,“藍(lán)鯨”7500噸全回轉(zhuǎn)起重船，長(zhǎng)241米，寬50米，深20.4米，航速11節(jié)。,“天一”3000噸海上運(yùn)架船，長(zhǎng)90米，寬40米。,“泰安口”18000噸半潛船，長(zhǎng)156米，寬32.2米，深10米，下潛深度19米，航速14節(jié)。,“DLS-4200”鋪管船，長(zhǎng)197米，寬43.4米，深19.6米。作業(yè)水深300米，甲板堆管7000噸，鋪管能力25公里/天。,“新海龍”自航耙吸式疏浚船，長(zhǎng)153米，寬27米，型深11米，最大挖深35米，艙容12888立方米。,“雪龍”，破冰船，長(zhǎng)167米，寬22米，型深13.5米，排水量21000噸，航速18節(jié)，能以1.5節(jié)航速連續(xù)破冰1.2米前行。,（4）特種船：科考船環(huán)境監(jiān)測(cè)船保潔船,1現(xiàn)代民用船舶概述,1現(xiàn)代民用船舶概述,1.2船舶推進(jìn)方式,（1）螺旋槳推進(jìn),吊艙推進(jìn),艉軸推進(jìn),Z型推進(jìn),螺旋槳形式：固定螺距槳（FPP）可變螺距槳（CPP）,螺旋槳推進(jìn)的最高航速約40kn,1現(xiàn)代民用船舶概述,（2）噴射推進(jìn),噴射推進(jìn)有著螺旋槳推進(jìn)不具備的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于高速、高性能、淺吃水船。目前的最高航速可達(dá)到70kn。,水流噴射形式:間歇式噴水推進(jìn)；底板式噴水推進(jìn)；尾板式噴水推進(jìn)；舷外噴水推進(jìn)。,1現(xiàn)代民用船舶概述,“海騰01”號(hào)智能高速無(wú)人水面艇重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的“海騰01”號(hào)智能高速無(wú)人水面艇，艇長(zhǎng)10.5米，寬3.6米，滿載排水量8.5噸，吃水0.8米。噴水推進(jìn)，最大航速40節(jié)，巡航速度30節(jié)。由艇體、推進(jìn)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和任務(wù)系統(tǒng)等組成。,1現(xiàn)代民用船舶概述,利用高壓空氣在船底和水面間形成氣墊，使船體全部或部分墊升而實(shí)現(xiàn)船舶高速航行,又稱氣墊船。,氣墊船型式：全墊升氣墊船側(cè)壁式氣墊船,（3）氣墊,ZUBR級(jí)氣墊船能夠搭載三輛坦克、十輛裝甲運(yùn)兵車，或在時(shí)速超過(guò)63節(jié)的情況下搭載500名士兵。,（4）磁流體推進(jìn),電磁流體推進(jìn)是一種新型船舶推進(jìn)方式。其原理是，在相互垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁力，其反作用推動(dòng)船舶前進(jìn)。它改變了傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)方式，使船舶成為真正“安靜”型船舶。,1現(xiàn)代民用船舶概述,1現(xiàn)代民用船舶概述,磁流體推進(jìn)分類外磁式：直流推進(jìn)交流推進(jìn),內(nèi)磁式（封閉的磁場(chǎng)）：直管式（矩形或環(huán)形）螺旋管式,從感應(yīng)電流看：電磁力推動(dòng)水流,從感應(yīng)磁場(chǎng)看：類似被展開(kāi)的異步電動(dòng)機(jī),水流看作是異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子,1現(xiàn)代民用船舶概述,日本于1991年秋建成了“大和1號(hào)”試驗(yàn)船（排水量185噸，海水通電功率3420kw）；中科院電工所在國(guó)家863計(jì)劃資助下,1998年建成一艘超導(dǎo)螺旋式電磁流體推進(jìn)試驗(yàn)船（HEMS-1）。,關(guān)鍵技術(shù)：高溫超導(dǎo)技術(shù)磁體技術(shù),2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,船舶動(dòng)力裝置組成：推進(jìn)動(dòng)力裝置（主機(jī)+傳動(dòng)設(shè)備+推進(jìn)器）；輔助動(dòng)力裝置（發(fā)電機(jī)組/輔助鍋爐/壓縮空氣）；機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)。,2.1推進(jìn)動(dòng)力裝置,（1）蒸汽機(jī)推進(jìn)：蒸汽發(fā)生器+汽輪機(jī)+螺旋槳（2）內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)：低速柴油機(jī)+螺旋槳（主要生產(chǎn)商MANB&W，SULZER，Wartsila）（3）電力推進(jìn)：電動(dòng)機(jī)+螺旋槳（4）混合動(dòng)力推進(jìn)：內(nèi)燃機(jī)+電動(dòng)機(jī)+螺旋槳汽輪機(jī)+電動(dòng)機(jī)+螺旋槳,船舶推進(jìn)與航向控制,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,艉軸推進(jìn)：推進(jìn)控制與航向控制不相關(guān),2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,Z型推進(jìn)或吊艙推進(jìn)：推進(jìn)控制與航向控制相關(guān),2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,（1）主要用于軍船：核動(dòng)力航母、艦艇（2）核動(dòng)力破冰船（3）論證中的新一代民用船舶,主要問(wèn)題：（1）安全性（2）低速工況下的效率提升,汽輪機(jī)推進(jìn),2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,二沖程低速大功率柴油機(jī),掃排氣系統(tǒng),燃油系統(tǒng),滑油系統(tǒng),冷卻水系統(tǒng),空氣系統(tǒng),內(nèi)燃機(jī)推進(jìn),四沖程中速柴油機(jī),2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,二沖程低速大功率柴油機(jī)的工作循環(huán),2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,2.2輔助動(dòng)力裝置,（1）汽輪發(fā)電機(jī)組（2）柴油發(fā)電機(jī)組（3）軸帶發(fā)電機(jī)組（4）輔助鍋爐,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,發(fā)電機(jī)組調(diào)頻調(diào)壓,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,頻率與有功功率調(diào)整,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,電壓與無(wú)功功率調(diào)整,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,柴油發(fā)電機(jī)組,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,軸帶發(fā)電機(jī)組,對(duì)于FPP，解決恒頻恒壓?jiǎn)栴}：（1）采用旋轉(zhuǎn)換流機(jī)組（2）采用電力電子變流,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,軸帶發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)頻穩(wěn)壓,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,輔助鍋爐,2船舶動(dòng)力裝置組成、類型,鍋爐蒸汽壓力與水位調(diào)節(jié),3柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù),3.1主機(jī)+固定螺距槳（FPP）,主機(jī)起動(dòng)：壓縮空氣，發(fā)火點(diǎn)（約30%額定轉(zhuǎn)速）主機(jī)制動(dòng)：壓縮空氣主機(jī)換向：時(shí)序轉(zhuǎn)換180度主機(jī)調(diào)速：調(diào)節(jié)油門開(kāi)度（調(diào)速器）,3柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù),3.2主機(jī)+可調(diào)螺距槳（CPP）,主機(jī)起動(dòng)：壓縮空氣，發(fā)火點(diǎn)（約30%額定轉(zhuǎn)速）主機(jī)制動(dòng)：壓縮空氣換向：負(fù)螺距調(diào)速：調(diào)節(jié)油門開(kāi)度或調(diào)節(jié)螺距,3柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù),3.3主機(jī)遙控系統(tǒng),船舶主機(jī)遙控（Marinemainengineremotecontrol）是離開(kāi)機(jī)旁在駕駛臺(tái)或集中控制室對(duì)主機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱的一種方式。是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)艙的必備條件之一。,在操縱部位（駕駛臺(tái)或集中控制室）發(fā)出的操車信號(hào)與主機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間設(shè)置一套綜合的邏輯與控制回路：組合邏輯回路；時(shí)序邏輯回路；反饋控制回路；安全保護(hù)回路。,氣動(dòng)遙控系統(tǒng)：在集中控制室遙控主機(jī)，利用氣動(dòng)閥件所組成的各種邏輯回路和控制回路實(shí)現(xiàn)。,電動(dòng)遙控系統(tǒng)：在駕駛臺(tái)遙控主機(jī)，發(fā)送的是電信號(hào)，經(jīng)電動(dòng)邏輯回路處理后，再經(jīng)電氣轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成氣壓信號(hào)并由集中控制室的氣動(dòng)邏輯回路來(lái)操縱主機(jī)。,3柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù),以SIEMENS-33系列機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)為例,3柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù),3柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù),起動(dòng)控制,3柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù),3柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù),停車控制,3柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù),3柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù),換向控制,3柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù),4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),由中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司和中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司牽頭的“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“船舶關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)”課題，包括了五個(gè)子課題。研究目標(biāo)：通過(guò)引進(jìn)、消化吸收與創(chuàng)新，掌握智能船用低速機(jī)整機(jī)制造技術(shù)和電子控制技術(shù)等。,（1）課題一“大功率智能型船用柴油機(jī)研制”柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)；柴油機(jī)電子調(diào)速系統(tǒng)；電子控制注油器系統(tǒng)；電控柴油機(jī)液壓執(zhí)行模塊；設(shè)計(jì)技術(shù)研究。,（2）課題三“船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)”低速和中高速主機(jī)遙控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究；全船監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究；閥門遙控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究；機(jī)艙自動(dòng)化數(shù)字平臺(tái)綜合管理系統(tǒng)。,4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),4.1智能化柴油機(jī),柴油機(jī)智能化體現(xiàn)在對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)與控制。圖示為MANB&W智能化柴油機(jī)的“智能化”構(gòu)成。,4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),（1）運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)于不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和排放的要求，控制系統(tǒng)給出最優(yōu)的運(yùn)行方式。根據(jù)柴油機(jī)工況監(jiān)視來(lái)決定其運(yùn)行。,提高主機(jī)效率確保主機(jī)安全控制主機(jī)排放,4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),（2）工況監(jiān)測(cè)報(bào)告不良狀況及故障診斷，提供對(duì)策，推薦柴油機(jī)的操作，直到重新達(dá)到正常工況或進(jìn)行維修。增加柴油機(jī)可靠性，在線監(jiān)測(cè)，保證各缸負(fù)荷均勻分配，防止熱負(fù)荷過(guò)高，故障早期預(yù)報(bào)，并采取相應(yīng)對(duì)策。,掃排氣監(jiān)視,4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),（3）運(yùn)行控制包括：燃油噴油、排氣閥，氣缸潤(rùn)滑油和增壓。其中有的控制功能是預(yù)先選擇的，有的控制功能則由工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇。提高排放控制靈活性，滿足不同排放控制的要求，以適應(yīng)更嚴(yán)格的環(huán)保要求以及今后改進(jìn)的可能性；降低燃油和滑油消耗，在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)油耗最佳，保持優(yōu)良性能。,注油器,包括應(yīng)急鼓風(fēng)機(jī)控制,4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),4.2柴油機(jī)電控技術(shù),（1）電子控制主要功能：控制噴油控制排氣,柴油機(jī)控制單元（EU）：設(shè)定值控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速；保護(hù)柴油機(jī)(過(guò)載和故障保護(hù))；優(yōu)化燃燒，與運(yùn)行工況匹配；柴油機(jī)的起、停、反轉(zhuǎn)程序；液壓伺服供油（潤(rùn)滑油）；輔助鼓風(fēng)機(jī)和增壓。,4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),（2）共軌控制智能化柴油機(jī)的燃油噴射、排氣、起動(dòng)、氣缸潤(rùn)滑等都使用電子控制。傳統(tǒng)的用于直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳的曲柄連桿機(jī)構(gòu)將繼續(xù)保持，但是整個(gè)凸輪軸及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、換向伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、排氣門的驅(qū)動(dòng)裝置和燃油泵都被取消。燃油共軌；滑油共軌；排氣共軌；起動(dòng)空氣共軌。,4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),在傳統(tǒng)的燃油噴射系統(tǒng)中，將噴油壓力、噴油定時(shí)、噴油量的控制集成一體。而在共軌系統(tǒng)中，將這三部分獨(dú)立，分別控制。各缸有一個(gè)控制裝置（CU），控制系統(tǒng)集中控制（EU）。各個(gè)噴油嘴可以不同的形式組合，使得噴油形式多樣化，可實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射，3次噴射和順序噴射。共軌系統(tǒng)能夠有選擇性地切斷某單個(gè)噴油器，在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)噴射所需的油量很少且霧化較好。在這種狀況下，共軌系統(tǒng)能有序地使用3個(gè)噴油器，最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速達(dá)12rpm，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)無(wú)煙，并且在其他負(fù)荷時(shí)對(duì)NOx排放沒(méi)有影響。,燃油共軌,4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),燃油消耗率下降結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量減輕平衡各缸排氣溫度低速航行時(shí)無(wú)煙運(yùn)行極低的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,常規(guī)二沖程低速柴油機(jī)燃油共軌柴油機(jī),4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),4.3電子注油技術(shù),柴油機(jī)氣缸潤(rùn)滑是整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。氣缸滑油消耗是柴油機(jī)運(yùn)行的一大筆花費(fèi)，特別對(duì)于大缸徑柴油機(jī)。所以氣缸潤(rùn)滑研究的目的是降低氣缸滑油的消耗量，而又要保持滿意的活塞環(huán)/缸套的磨損率和維持或改進(jìn)檢修期限。,（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制氣缸油必須在正確的位置和時(shí)間注入氣缸，以求效果最佳。這對(duì)于傳統(tǒng)的注油器是不可能的，所以開(kāi)發(fā)新的電子注油器。,（2）氣缸油注油噴射量和噴油定時(shí)各缸注油量由在一定轉(zhuǎn)速下調(diào)節(jié)注油次數(shù)來(lái)控制。所謂間斷潤(rùn)滑是指每次注入相對(duì)大的油量，保證在整個(gè)氣缸周圍有最佳分布。精確的定時(shí)可保證所有氣缸油直接送到活塞環(huán)所需之處。涉及到噴油頻率的確定等一系列控制策略細(xì)節(jié)。,4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),4.4電子調(diào)速技術(shù),柴油機(jī)調(diào)速控制經(jīng)過(guò)了機(jī)械式調(diào)速器、全制式液壓調(diào)速器、電子調(diào)速器、具備噴油定時(shí)的電子調(diào)速器四個(gè)階段。目前，數(shù)字式電子調(diào)速系統(tǒng)的功能已不僅僅是完成柴油機(jī)調(diào)速這一功能。諸如工況限制、安全保護(hù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警和診斷、增壓控制、冷卻水溫控制、配氣定時(shí)控制、變速齒輪箱控制、調(diào)距槳控制、負(fù)荷分配控制、噴油正時(shí)控制、燃油/空氣比例控制等。調(diào)速技術(shù)向智能化方向發(fā)展。,4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),（1）電子調(diào)速器原理框圖,4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),直接油門調(diào)節(jié)比例-積分調(diào)節(jié)微分調(diào)節(jié),4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),（2）死區(qū)控制,4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),（3）執(zhí)行器位置伺服控制,4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),（4）調(diào)速器安全保護(hù)限制,4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),4.5可調(diào)螺距控制技術(shù),可調(diào)螺距槳在實(shí)際應(yīng)用中存在以下問(wèn)題：實(shí)船調(diào)距槳的船-機(jī)-槳匹配，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)一般原則確定的，難以達(dá)到在實(shí)際船-機(jī)-槳優(yōu)化匹配的目的。不能適應(yīng)船舶負(fù)載多變的現(xiàn)實(shí)，其結(jié)果是：在船舶不同工況下，給定主機(jī)功率和轉(zhuǎn)速不能獲得最大航速；給定航速時(shí)，不能獲得最佳的節(jié)油效果。,4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),（1）給定功率（恒功率）下的最大航速控制,滿足以下條件：主機(jī)必須工作在標(biāo)定功率外特性曲線上；螺旋槳必須工作在優(yōu)化螺距的最大效率點(diǎn)上；螺旋槳功率-速度曲線必須和船舶推進(jìn)功率-速度曲線相匹配。計(jì)算最大航速所對(duì)應(yīng)的螺距，即計(jì)算最優(yōu)螺距：,柴油機(jī)功率-轉(zhuǎn)速特性螺旋槳效率-進(jìn)速特性船舶速度-阻力特性由此求得相應(yīng)的螺距比。,4柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù),（2）給定航速（恒速）下的最小油耗控制,為保持一定航速