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内河多工况船机桨匹配优化设计

孙林 陈辉 管聪

孙林, 陈辉, 管聪. 内河多工况船机桨匹配优化设计[J]. 中国舰船研究, 2022, 17(1): 187–195 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02282
引用本文: 孙林, 陈辉, 管聪. 内河多工况船机桨匹配优化设计[J]. 中国舰船研究, 2022, 17(1): 187–195 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02282
SUN L, CHEN H, GUAN C. Optimal design of ship-engine-propeller matching for inland ships under multiple operation conditions[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2022, 17(1): 187–195 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02282
Citation: SUN L, CHEN H, GUAN C. Optimal design of ship-engine-propeller matching for inland ships under multiple operation conditions[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2022, 17(1): 187–195 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02282

内河多工况船机桨匹配优化设计

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02282
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51909200);绿色智能内河船舶创新专项资助(工业和信息化部[2019]358号)
详细信息
    作者简介:

    孙林,男,1998年生,硕士生。研究方向:船舶动力系统设计与优化。E-mail:1120795496@qq.com

    陈辉,男,1962年生,博士,教授。研究方向:船舶动力系统建模、控制与智能化技术。E-mail:hchen@whut.edu.cn

    管聪,男,1987年生,博士,副教授。研究方向:船舶动力系统建模、仿真与控制技术。E-mail:guancong2008@126.com

    通信作者:

    陈辉

  • 中图分类号: U664.33

Optimal design of ship-engine-propeller matching for inland ships under multiple operation conditions

知识共享许可协议
内河多工况船机桨匹配优化设计孙林,等创作,采用知识共享署名4.0国际许可协议进行许可。
  • 摘要:   目的  内河船舶在航行时存在顺水、逆水和急流等多种工况,传统的内河船舶船−机−桨匹配设计方法仅对船舶在逆水上行时进行了匹配设计,而在顺水下行工况,因船舶推进效率低、主机利用率低,造成油耗成本高、经济性较差等,因此需进行多工况内河船舶船−机−桨匹配优化设计。  方法  首先,在不同工况下对内河船舶推进系统的各参数进行设计,并将结果进行对比得出各设计参数对整体推进系统的影响;然后,对船舶推进系统的设计过程进行分析,以航行成本和推进系统效率为目标函数,以螺旋桨设计参数、主机功率、船舶上水航速和下水航速为变量,建立数学模型;最后,应用NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化,得到兼顾经济性和推进效率的船舶主机功率和推进系统设计参数。  结果  结果显示,使用所提方法得到的设计参数能够更好地适配内河的通航环境,船舶的经济性更高。  结论  研究成果可为内河船舶推进系统的选型与匹配优化提供设计工具,从而为船舶的实际运行提供理论依据。
  • 图  船−机−桨匹配框图

    Figure  1.  Framework of ship-engine-propeller matching

    图  有效功率曲线图

    Figure  2.  Curve of effective power

    图  螺旋桨敞水特性曲线示意图

    Figure  3.  Curves of the propeller open water efficiency

    图  长江航道图

    Figure  4.  Inland waterway chart of Yangtze river

    图  主机额定功率、螺旋桨设计直径和水流速度三者间关系

    Figure  5.  Relationship between rated power of main engine, propeller design diameter and water flow speed

    图  敞水效率、螺旋桨设计直径和水流速度三者间关系

    Figure  6.  Relationship between open water efficiency, propeller design diameter and water flow speed

    图  螺旋桨直径不变时的功率需求图

    Figure  7.  Power demand diagram of propeller when the diameter of propeller is constant

    图  螺旋桨直径不变时的效率对比图

    Figure  8.  Efficiency comparison diagram when the diameter of propeller is constant

    图  螺旋桨直径变化时的功率需求图

    Figure  9.  Power demand diagram of propeller when the diameter of propeller is changed

    图  10  螺旋桨直径变化时的效率对比图

    Figure  10.  Efficiency comparison diagram of propeller when the diameter of propeller is changed

    图  11  内河多工况下船−机−桨匹配优化设计框图

    Figure  11.  Framework of optimization design for ship-engine-propeller matching under multiple conditions in inland water

    图  12  船舶推进系统功率传递示意图

    Figure  12.  Schematic diagram of power transfer of ship propulsion system

    图  13  燃油消耗率与柴油机负荷率之间的函数关系

    Figure  13.  Functional relationship of SFOC-diesel load percentage

    图  14  NSGA-Ⅱ算法流程图

    Figure  14.  NSGA -Ⅱ algorithm flow chart

    图  15  初始方案与优化方案的敞水特性曲线

    Figure  15.  The open water performance curves of the initial and optimization scheme

    表  长江航道水流速度及里程

    Table  1.  Water flow rate and range of Yangtze waterway

    航区水流速度/(km·h−1)里程/km
    上游(宜宾—宜昌)8~5648
    中游(宜昌—武汉)5~4626
    下游(武汉—上海)4~11125
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    表  NSGA-II算法参数

    Table  2.  Parameters of NSGA-II algorithm

    参数数值
    最大遗传代数800
    种群规模500
    突变率0.3
    变异类型Random
    重组率0.7
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    表  原始值与优化结果的对比(Pareto前沿解)

    Table  3.  Comparison of initial values and optimal solutions (Pareto front)

    参数原始值优化结果
    第1次第2次第3次第4次第5次
    P/D0.660.680.640.840.870.40
    AE/AO0.450.490.760.850.700.55
    n1 /(r·min−1)315.84321.6260.4280.7350.4250.8
    n2 /(r·min−1)315.84215.6172.2204.6220.6167.2
    D/m2.01.852.182.392.142.75
    V1 /(km·h−1)1815.7216.316.715.7816.15
    V2 /(km·h−1)1612.2910.3013.614.313.0
    Ps /kW604.91517.41515.79581.61550.48586.95
    ηT0.580.620.60.620.600.66
    f1 /万元5.834.944.775.085.485.63
    f2 /万元725.89620.9618.94697.8660.58704.34
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-26
  • 修回日期:  2021-05-25
  • 网络出版日期:  2022-02-22
  • 刊出日期:  2022-03-02

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