摘 要

本论文主要研究了船舶推进系统在过渡工况下的配合特性，即船、机、桨三者在船舶运动过程中各自特性的变化。首先根据船、机、桨之间力和能量的平衡公式建立系统数学模型，然后借助仿真软件MATLAB，搭建环境的系统仿真模型，根据建立的模型对船舶柴油主机驱动螺旋桨正车、停车以及大换向紧急倒车三种工况进行仿真分析。本文所做的主要工作有：

（1）研究了螺旋桨的几何特征、敞水以及装船后的工作特性；介绍船舶附加质量、船舶阻力、螺旋桨转矩和螺旋桨有效推力计算方法；分析伴流、推力减额对螺旋桨和船体运动的影响。

（2）建立船-机-桨系统数学模型并在此基础上搭建Simulink仿真模型。首先分别建立各子系统仿真模型，再根据各部分力和能量的平衡关系搭建船-机-桨系统仿真模型，并通过将仿真结果和罗宾逊图以及实船航行数据对比，验证模型的准确性。

（3）通过搭建好的Simulink仿真模型针对实船数据进行船舶过渡工况动态仿真，试验船舶柴油机驱动螺旋桨正车、停车以及大换向紧急倒车的船、机、桨工作特性。

最后，对全文所研究的内容和存在的不足作了总结，并针对问题提出了进一步改进的设想。

关键词：船-机-桨系统；动力传递；过渡工况；螺旋桨特性；Simulink

Abstract

The cooperation of the ship propulsion system under the transition condition is mainly studied in this paper, which means the change of the operating characteristics of the ship, main engine and propeller in the process of ship movement. First, the system mathematical model is established according to the formula of force and energy transmission between ship, main engine and propeller. Then, simulation model is established by MATLAB / Simulink according to the mathematical model. Finally, we analyze the ship, engine and propeller working condition under the transition condition. The main work of this paper is as follows:

1.The structural parameters and the working characteristics of the propeller are analyzed. Introduce the way of solving the relevant parameters such as the torque and the effective thrust of the propeller

2.In order to analyze the cooperation of the ship propulsion system, we need to establish the mathematical model and simulation model of ship – engine-propeller system. First, the subsystems such as velocity coefficient, thrust coefficient, torque coefficient, flow coefficient, thrust reduction coefficient, torque, thrust, speed and resistance subsystem should be established respectively. Then, it is necessary to establish the ship – engine-propeller system and verify the correctness of the model according to their relationship.

3.The simulation model is used to simulate the ship 's transition condition, and the working characteristics of the ship, engine and propeller are tested under three different working conditions.

Finally, it makes a summary of the work and the deficiencies of this paper, then propose the envisaged of future work.

Key Words：ship - engine- propeller system；Power transmission；Transitional condition；Propeller characteristics; Simulink

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

第二章 螺旋推进器特性 3

2.1 螺旋桨的几何特征 3

2.2 螺旋桨的推力和转矩 4

2.3 螺旋桨的工作特性 5

2.3.1 螺旋桨敞水性征曲线 5

2.3.2 无界形式下螺旋桨四象限工作特性 7

2.3.3 有界形式下螺旋桨四象限工作特性 8

2.4 螺旋桨与船体间相互作用 9

2.4.1 船体对螺旋桨的作用 10

2.4.2 螺旋桨对船体的作用 11

第三章 船-机-桨系统数学模型 13

3.1 螺旋桨工作特性曲线解析形式 13

3.2 船舶阻力特性 14

3.3 船舶附加质量 16

3.4 船-机-桨数学模型 17

3.5 基于MATLAB/Simulink的船-机-桨系统仿真模型 18

3.5.1 进速系数模型 18

3.5.2 推力系数和转矩系数模型 18

3.5.3 伴流系数和推力减额系数模型 20

3.5.4 螺旋桨转矩和有效推力模型 21

3.5.5 船舶航速和阻力模型 23

3.5.6 船舶滑行距离模型 24

3.5.7 船-机-桨系统仿真模型 24

3.6 模型的验证 25

第四章 典型过渡工况的仿真分析 28

4.1 正车起动工况 28

4.2 正车起动后停车工况 31

4.3 正车起动后换向倒车工况 34

第五章 总结与展望 36

5.1 研究内容总结 36

5.2 存在的不足和展望 36

参考文献 37

致谢 38

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

近年来随着造船业和航运业的发展，船舶逐渐趋于专业化、大型化、快速化。目前超大型船舶的设计受到众多船东公司的认可，正在运营的MSC Rifaya号超大型集装箱船载箱量达到了19500TEU，OOCL、CMA CGM、中远海运等企业的20000TEU甚至是21000TEU的系列船舶也呼之欲出。在大型船舶发展的同时一些船舶操纵性问题也日益突出。尤其是船舶在进出港口、狭窄航道上航行时，大型船舶的操纵存在一定的难度。这些情况主要表现为：船舶操纵水域有限、水深较浅、水面状况复杂、船舶运动速度过低^[1]等。导致船舶舵效、回转性能变差，船舶操纵性降低，往往需要借助于拖轮来控制船舶的运动。

由于以上问题的影响，船舶运动时常处于过渡工况（包括启动工况，加、减速工况、正倒车工况以及转弯工况等）。在过渡工况下，船体的阻力状况随时间发生较大的变化，船、机、桨三者之间稳定的动力平衡受到破坏，螺旋桨的进程比也将发生较大的变化。与稳定工况比较，过渡工况下船舶推进装置的工作条件更差，也更容易发生意外故障，但是过渡工况下的操作往往是船舶操纵与避碰的关键。因此，为了改善船舶的操纵性和动力装置的控制可靠性，使驾驶员准确判断船舶动态和操纵船舶运动，通过研究船、机、桨配合特性，分析船舶在过渡工况下船、机、桨特性变化规律，对船舶的操纵性与安全性具有重要的意义。