船舶侧推器及其控制系统的研究与仿真

0 引言

伴随世界经济发展与各国贸易的频繁发生，使得海上交通愈加频繁，为船舶的大型化发展提供了必要保障。特别是船舶总吨位的增加，一般的港口通航的密度也会变大，进而导致航道与港口愈加拥挤。通过对船舶侧推器的应用，可以进一步优化船舶的操作性能，因此得到了广泛应用。在这种情况下，有必要深入研究并分析船舶侧推器及其控制系统，并进行仿真，为系统推广应用提供必要保障。

1 船舶侧推器控制系统概述

1.1 基本工作原理

所谓的侧推器，具体指的就是在导管内的一种推进装置，被安装于连接船体艏部或是艉部导管之内。一般情况下，导管和船舶的舯剖面相互垂直，并且将螺旋桨装设在导管的内部。通过对螺旋桨使用所产生的射流即可形成推力，以保证船舶可以向着不同于射流的方向移动。只要对螺旋桨旋转方向或是浆叶螺距进行适当的转变，即可使推力方向得以转变，科学合理地操控船舶。

在船舶处于静止状态的时候，船舶尾部侧推所形成的转向力矩大致相同。而在船舶行驶过程中，船舶尾部侧推所形成的转向力矩远远超过首部侧推转向力矩。

在侧推器螺旋桨处于转动状态的时候，水流能够在船体的一侧向导管流入，以特定流速通过另一侧流出并形成推力。结合动量定理，水流所受的侧推器作用力与水流动量成正比，而且侧推器所形成的推力与导管单位时间流量存在紧密联系。也就是说，单位时间流量越大，实际的推力也越大。

在设计侧推器的过程中，需对以下假定条件作出适当考虑：

1）侧推器内部水流会在假想封闭流管内部流动，且流速特定；

2）假设侧推器内部水流是理想流体，螺旋桨盘面位置的压力分布均匀；

3）假设船体侧线和舯剖面相互平行，同时侧推导管和舯剖面互相垂直。

1.2 力学模型

图1是船舶侧推器内部水流力学模型。

图1 理想条件下船舶侧推器力学模型

船舶侧推器水动力性能和导管周边流场存在紧密联系，所以能够利用侧推器前后流场改变，对侧推器水动力性能加以真实反映。在船速为0的情况下，在侧推器导管入口的位置，水流会垂直经过半球形的控制面顺利进入到导管中，在出口位置射流并不会受船速影响偏离，偏离量如图2所示。结合动量定理，在侧推器处于工作状态下，在t时间范围内，流经导管流体的动量表示为：

mV=tρQV

图2 偏离量

而导管内部的流体在侧推器的作用力之下，可以表示为：

F=mV/t=ρQV

也就是说，流体相对于侧推器反向作用力可以表示为：

T=ρQV_j=ρAV²_j

式中：Q为导管单位时间流量；A为导管截面积；Vj为导管出口位置射流法向的速度。

结合伯努利方程，即可将导管两端动压差表示为：

ΔP=1/2ρV²_j

而侧推器做的功可以表示为：

W_N=ΔPQ=1/2ρAV³_j

侧推器推力比可以表示为：

C=T/W_N=2/V_j

1.3 航行速度对船舶侧推器影响表现

通过上述对侧推器力学模型的研究，主要是将船舶零航速作为重要基础，特别是在中航速与低航速的情况下，侧推器实际工作效能会下降，且噪声与振动也很大。受航速影响，使得导管的进口位置水流出现扰动情况，对螺旋桨前方轴向流动的速度产生了直接的影响。在这种情况下，航速也会使导管出口的射流出现偏离。

导管进口位置水流并不会影响侧推器的推力大小，只是使船舶航行状态下船体阻力增加，且航行速度不会对侧推导管内部的水流的流动速度产生影响。然而需要注意的是，若在导管出口位置，受航速射流影响而出现偏离，逐渐趋向船体，同时在与出口位置相临近的位置产生低压区。

导管出口位置周边区域存在低压区，在这种情况下，导管进口区就可以当作高压区，所以水流会从高压流向低压，而此力与侧推器推力方向相反，直接影响了船舶侧推器的使用效果。伴随航行速度的加快，侧推器使用的效能也会随之下降。

下面简单对侧推器在航行时受到的干扰进行建模，由于船舶两侧的侧推器受到的干扰基本是对称分布的，假设其干扰时延是相同的，可用d^c_i(λ_x，λ_y)表示为：

2 舰船侧推器控制系统仿真

为了对上文中研究的船舶侧推器控制系统性能与应用可行性进行验证，以下将某船舶作为主要研究对象，针对其侧推器控制系统进行必要的仿真实验。

当船舶的初始速度控制在8kn的情况下，主机的转动速度是120r/min，而水深和吃水比是1.3，为了保证仿真的准确度，必须通过调制参数使得误差控制在一定的范围内，轨迹的误差分布如图3所示。可以说明，通过该系统模型能够对船舶侧推器进行模拟，为船舶海上运动操纵提供有价值的参考依据。

图3 轨迹的误差

当船舶初始速度是2kn的情况下，船舶尾部侧推器的转动速度是1500r/min，对船舶操控方式的应用确定旋回轨迹。根据仿真结果可以了解到，船舶首部与尾部的侧推器应用，能够使船舶操纵的性能得以优化，且实际作用的效果可观，优化后的误差分布如图4所示，整体控制在1以内。

图4 优化后的误差分布

当船速是1kn的情况下，船舶首部与尾部侧的作用的效果并不明显。而在船舶航行速度为4kn的情况下，两者的效果就会出现显著性差异。在仿真中发现，船舶首部侧推器的侧向力会伴随船舶速度的增加而不断减小，但船舶尾部侧推器的侧向力会伴随船舶速度加快而不断提高，并且满足船舶航速为0情况下的倍数。

除此之外，当船舶比较拥挤时，船舶周边的水流变化非常大，此时的模型又要通过不断修正，才能准确模拟出各种受力情况。

3 结语

船舶侧推器是重要的辅助推进装置，能够使船舶操纵性能与安全性能不断优化。而在侧推器设计工况条件下，作为设计工作人员，必须要高度重视水动力性能，只有这样，才能够使船舶操纵性能得以增强。本文通过对船舶侧推器控制系统的研究，取得了较为理想的结果。

（来源：互联网作者：莫年发梁红）

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