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原文传递大型船舶降速航行主机性能优化方法研究

论文题名：	大型船舶降速航行主机性能优化方法研究
关键词：	船用二冲程柴油机;节能技术;容积法模型;优化方法
摘要：	随着全球能源紧缺和日趋严格的温室气体排放法规，船舶节能技术得到了世界航运业的重视，其中，船舶降速航行策略作为直接降低航行成本的有效措施被各大航运公司所采用。基于柴油机仿真模型开展船舶柴油机在降速航行时的特性研究，揭示涡轮增压器切断对于柴油机性能的影响，对于指导船舶低负荷运行具有重要意义。　　本文以MAN B&W公司设计的大型船用二冲程柴油机7K98MC为研究对象，围绕作为柴油机特性分析基础的柴油机建模方法，柴油机在低负荷下的工作特性，涡轮增压器切断和辅助鼓风机启停对柴油机性能的影响，船舶柴油机推进系统低负荷下的瞬态特性等具体问题开展了建模与仿真研究，主要研究内容如下：　　（1）基于模块化建模的思想，对目标柴油机建立了容积法模型，模型涵盖了气缸、扫气箱、排气管、涡轮增压器（压气机和涡轮）、空冷器、辅助鼓风机、调速器等主要部件的模型。在涡轮增压器压气机特性的建模中，提出了分区域的无量纲系数拟合法，并采用修正后的相似性定律分析比较了分区域无量纲系数拟合法与BP神经网络方法的优劣。最后，通过与柴油机台架试验数据的对比，验证了船舶柴油机容积法模型的有效性与精度。　　（2）基于容积法模型，深入分析了柴油机在低负荷下的工作特性，研究了辅助鼓风机启停和涡轮增压器切断对于柴油机低负荷性能的影响，并探索了切断两台涡轮增压器的可能，结果表明涡轮增压器的切断和辅助鼓风机的开启对于柴油机燃油消耗率的改善具有积极意义。在较低负荷下，切断第二台涡轮增压器可以降低辅助鼓风机的启动条件，然而在极低负荷下，切断第二台涡轮增压器的同时辅助鼓风机必需开启。考虑辅助鼓风机和涡轮增压器切断对于柴油机各负荷下燃油消耗率的影响，提出了柴油机系统在低负荷区域的最佳运行策略。基于同型号船舶在2012年的实船数据，计算了本文所提出的柴油机系统低负荷运行策略所能带来的经济效益和环境影响。　　（3）建立了目标柴油机的平均值模型，并基于容积法模型，总结了喷油时刻与涡轮截面积变化和柴油机排气中燃油化学能量比例及燃油消耗率改变量之间的关系，通过将相关变量之间的关系正确反映到平均值模型当中，得到了改进的平均值模型。以柴油机在喷油时刻及涡轮截面积同时改变后的容积法模型仿真数据，验证了同样条件改变下的改进的平均值模型的有效性和精度，结果表明经过改进后的平均值模型能够用于装备有可变截面涡轮增压器的柴油机控制系统设计。将经过验证的改进的平均值模型用于柴油机低负荷瞬态特性的研究，分析了在辅助鼓风机开、关，以及一台涡轮增压器切断时柴油机的瞬态性能和压气机轨迹图的变化，表明在柴油机加速过程中，辅助鼓风机关闭会对柴油机系统造成极大的热负荷冲击，而涡轮增压器切断则会使系统的响应时间变快。最后，将改进的柴油机平均值模型和推进系统模型用于目标船舶推进系统的仿真，讨论了船舶推进主机在低负荷下的动态特性，以及涡轮增压器切断的影响。
作者：	管聪
专业：	轮机工程
导师：	陈辉
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文