Методи розрахунку і оптимізації маневрених режимів гребних енергетичних установок електроходів

Размещено на http://www.allbest.ru

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

ЯРОВЕНКО Володимир Олексійович

УДК 629.12-8:629.12.037

МЕТОДИ РОЗРАХУНКУ І ОПТИМІЗАЦІЇ МАНЕВРЕНИХ РЕЖИМІВ ГРЕБНИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК ЕЛЕКТРОХОДІВ

Спеціальність 05.08.05 - Суднові енергетичні установки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Одеса - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському державному морському університеті Міністерства освіти і науки України, м. Одеса

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор Власенко Анатолій Онісимович, Одеська державна морська академія, завідувач кафедри електрообладнання і автоматики суден

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Олійников Олександр Михайлович, Севастопольський інститут ядерної енергії та промисловості, перший проректор

- доктор технічних наук, професор Суворов Петро Семенович, ВАТ “Українське Дунайське пароплавство”, президент

- доктор технічних наук, професор Ханмамедов Серго Альбертович, Одеська державна морська академія, завідувач кафедри суднових дизельних енергетичних установок і технічної експлуатації

Провідна установа - Украінський державний морський технічний університет ім. адмірала С.О. Макарова Міністерства освіти і науки України, м. Миколаїв

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської державної морської академії (65029, Одеса, вул. Дідріхсона, 8)

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

д.т.н., професор І.В. Капітонов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

В останні десятиріччя у світовому суднобудуванні зріс інтерес до використання електроруху на сучасних судах. Традиційно переважними галузями його застосування є криголами, судна льодового плавання, дослідницькі, технічного і допоміжного флоту, промислові, пасажирські, пороми тощо. Разом з тим, проектні розробки показують, що суднові енергетичні установки (СЕУ) з електрорухом є перспективними і для ряду інших суден. Саме такими, починаючи з 90-х років, виявилися пасажирські, круїзні і військово-морські судна.

Відмітною особливістю перерахованих типів суден є те, що маневрені режими - розгін, гальмування, реверс, вихід на циркуляцію - виявляються для них одними з основних. Тому питанням надійності і безпеці виконання маневрених операцій приділяється особлива увага.

Висока маневреність електроходів є однією з основних якостей, що обумовили причину високого інтересу до застосування сучасних систем електроруху на суднах і бойових кораблях. Результати порівняльного аналізу показують, що у електроходів маневрені характеристики істотно ліпші ніж у суден з іншими типами СЕУ. Для більшості суден, що мають енергетичні установки з безпосередньою передачею обертаючого моменту первинних двигунів на гребні гвинти, процес реверсу носить затяжний характер і триває одну - дві хвилини. Тривалість же реверсу гребних електродвигунів (ГЕД) рідко перевищує 15 - 20 секунд (у самого потужного електрохода - “Арктика” - тривалість реверсу з повного ходу “уперед” на повний “назад” при положенні обмежувача потужності на 100 % становить 30 секунд). Процедура реверсу ДВС - припинення подачі палива, гальмування контрповітрям (небажаний процес), перестановка розподілвалів, пуск в зворотну сторону - несумірно складніша в порівнянні з реверсом ГЕД. Крім того, не кожний такий реверс може бути успішним, а саме через запізніле маневрування, що веде до додаткового вибігу судна, відбувається до 40% зіткнень суден. Таким чином, проведене коротке порівняння показує, що СЕУ з електрорухом забезпечують більш високу надійність і безпеку виконання маневрених операцій.

Для побудови сучасних високоманеврених, надійних і економічних електроходів необхідно розв'язати важливу проблему, що полягає в створюванні методів розрахунку маневрених режимів гребних енергетичних установок, методів параметричної оптимізації і пошуку оптимальних законів управління гребними установками на маневрах. Їй і присвячена ця робота.

Розв'язання проблеми можливе тільки на основі системного принципу, відповідно до якого, порівняльні оцінки якості маневрених режимів енергетичної установки електрохода повинні проводитися насамперед за критеріями судна, для забезпечення руху якого СЕУ призначена. Отже, енергетична установка повинна розглядатися в єдності з іншими елементами пропульсивного комплексу електрохода.

Суднова енергетична установка електрохода - це комплекс, що складається з первинних двигунів, генераторів електричної енергії, перетворювачів електроенергії, гребних електродвигунів, агрегатів збудження електричних машин, гребних гвинтів, апаратури управління, сигналізації, захисту і блокування. Складові частини комплексу можуть мати декілька варіантів виконання. У результаті з'являється велике число можливих варіантів компонування систем електроруху. Все це, представляючи з одного боку сприятливий чинник, що дозволяє виконати розрахунки і оптимізацію СЕУ гнучко, з урахуванням задоволення різних вимог, з іншого - створює істотні труднощі у виборі типу СЕУ, в порівняльній оцінці достоїнств і недоліків тієї або іншої системи. Необхідні уніфіковані методи, що забезпечують єдиний підхід до аналізу можливих варіантів і виробленню раціональних розв'язувань.

Аналіз існуючих методів дослідження маневрених режимів СЕУ електроходів виявив ряд істотних недоліків. Найбільш значущі з них такі:

- у переважному числі розробок під системою електроруху мають на увазі тільки електричну частину ГЕУ без первинних двигунів і гребних гвинтів; дослідження виконані при грубому допущенні про постійність швидкості руху судна; цим гребна установка відокремлюється від інших елементів комплексу, порушується системний принцип підходу, виключається можливість оптимізації параметрів і маневрених режимів за “кінцевим результатом”;

- результати досліджень стосуються конкретних типів гребних установок, тому вони прийнятні тільки до об'єктів, що розглядаються, тобто носять незагальний характер; ускладнюється порівняльний аналіз різних конструкторських варіантів і вибір оптимальних розв'язувань рішень.

Актуальність теми. Для побудови ефективних і економічних електроходів (з сучасними і перспективними СЕУ) необхідно створити методи розрахунку і оптимізації маневрених режимів роботи їх гребних енергетичних установок у складі суднових пропульсивних комплексів. Розв'язання цієї проблеми може і повинне бути здійснене на принципах системного підходу. При різноманітних можливих варіантах компонування гребних енергетичних установок отримання оптимального розв'язування можливе тільки за наявністю уніфікованих методів розрахунку і оптимізації. Досягнення поставленої мети буде сприяти побудові надійних і економічних суден із електрорухом з маневреними властивостями, що прогнозуються.

У такій постановці проблема є актуальною і своєчасною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Необхідність удосконалення методів розрахунку і оптимізації маневрених режимів енергетичних установок електроходів витікає з Розділу 2 “Програми стабілізації і розвитку морського і річкового транспорту України до 2005 року” (Морський транспорт) - “Здійснення заходів щодо створення в судноплавних компаніях і на суднах транспортного флоту систем управління безпекою у відповідності з положеннями МКУБ” і “Концепції створення та функціонування Державної системи безпеки судноплавства України”. Вона також входить у розділ 13.11 “Проведення дослідницьких робіт; розробка технологій по скороченню енерговитрат й впровадженню альтернативних джерел енергопостачання; створення нормативної бази і методологічного забезпечення впровадження” програми “Національна програма розвитку та вдосконалення транспортно-дорожнього комплексу України на 1997-2005 роки” (Морський транспорт). Вибраний напрям досліджень входить у плани науково-дослідних робіт ОДМУ - розділом “Розробка методів аналізу динаміки складних електромеханічних систем” теми “Вдосконалення деяких видів суднового і портового електроустаткування” (раніше ця тема була зареєстрована у ВІНІТІ за номером 01860017370). Проведені у цьому напрямі дослідження і отримані результати повністю належать автору цієї роботи.

Мета і задачі дослідження.

Об'єктом дослідження є процеси, що протікають в енергетичних установках суден з електрорухом під час їх маневрування.

Предметом дослідження є методи розрахунку і оптимізації маневрених режимів гребних енергетичних установок електроходів.

Метою роботи є створення теоретичних основ і методів розрахунку й оптимізації маневрених режимів роботи гребних енергетичних установок сучасних і перспективних електроходів, як складових частин їх пропульсивних комплексів.

Для її досягнення необхідно розв'язати наступні задачі:

- створити узагальнені математичні методи досліджень маневрених режимів роботи гребних енергетичних установок у складі суднових пропульсивних комплексів, справедливі для всіх існуючих і перспективних електроходів з різною комплектацією гребної установки;

- визначити єдині узагальнені показники якості виконання маневрів, дати метод їх розрахунку та виявити можливості підвищення ефективності і економічності експлуатації пропульсивних комплексів електроходів на маневрених режимах;

- стосовно до запропонованих критеріїв оптимальності створити методи пошуку оптимальних розв'язок щодо задач проектування гребних енергетичних установок і формування законів управління ними на маневрах;

- розробити конкретні практичні рекомендації для судноплавних компаній з оптимального управління гребними установками на маневрах; запропонувати проектним організаціям напрям поліпшення маневрених властивостей електроходів за рахунок параметричної оптимізації їх енергетичних установок.

Методи дослідження.

1. У основі побудови узагальненої математичної моделі маневрених режимів роботи пропульсивних комплексів електроходів було закладено індуктивно-дедуктивний метод. Він дозволив отримати єдиний математичний опис перехідних процесів для існуючих і перспективних гребних енергетичних установок електроходів. З його ж допомогою перехідні процеси в кожній конкретній СЕУ можуть бути уявлені, як окремі випадки цієї моделі. Використання теорії динамічної подібності дозволяє розповсюдити отримані в роботі результати на широкий клас суден з електрорухом.

2. Відсіваючими експериментами з сукупності критеріїв динамічної подібності виділені ті, які істотно впливають на показники якості виконання маневрів. Метод випадкового балансу, що використовується при цьому, в поєднанні з регресійним і дисперсійним аналізами дозволили виявити істотно значущі параметри і ефекти взаємодій параметрів.

3. Розрахунки перехідних режимів роботи виконані чисельними розв'язуваннями на ЕОМ системи диференціальних і алгебраїчних рівнянь. Для цього розроблений EXACT - метод, який дозволяє отримати результати з необхідною точністю за мінімальний час.

4. За допомогою методу повного факторного експерименту розроблений аналітичний EXPRESS - метод досліджень маневрених властивостей електроходів та побудовані поліноміальні моделі основних показників якості роботи енергетичних установок у пропульсивних комплексах на маневрах.

5. У основі створеного в дисертації методу оптимізації, що використовується для розв'язування задач проектування пропульсивних комплексів електроходів і управління їхніми гребними установками, використані наступні методи: пошуки глобальних оптимумів мультимодальних богатокритеріальних цільових функцій зі складною топографією (якими є функції мети задач, що розв'язуваються) здійснювалися на основі комбінацій методів пасивних покриттів з модифікованим методом тунельного алгоритму; локальні мінімуми відшукувалися на базі комбінації методів локальних спусків, що не використовують похідних (Пауелла і Нелдера-Міда), і способів пошуку ярів; метод штрафних функцій дозволив звести задачу нелінійного програмування з обмеженнями до еквівалентної послідовності задач без обмежень.

Наукова новизна одержаних результатів.

Створений і науково обґрунтований новий підхід до аналізу маневрених режимів гребних енергетичних установок суден з електрорухом, що базується на системному принципі. Уперше оцінка маневрених властивостей гребних енергетичних установок здійснена за показниками судна, як старшої системи, для забезпечення роботи якого енергетична установка призначена.

Уперше розроблені теоретичні основи методів розрахунку і методів оптимізації маневрених режимів роботи гребних енергетичних установок сучасних і перспективних електроходів як складових частин суднового пропульсивного комплексу. Відмітною їх особливістю є спільність математичного опису, методів аналізу і результатів, що отримуються.

Уперше розроблено метод обліку впливу маневрених властивостей електроходів і економічних показників їх роботи на вибір оптимального розв'язування при проектуванні енергетичних установок суден з електрорухом. Він дозволяє у ході параметричної оптимізації гребних енергетичних установок оцінювати ефективність виконання електроходами маневрених операцій і вживати заходи до її підвищення.

Встановлено новий принцип формування законів управління гребними енергетичними установками електроходів на маневрах. Відмітною його особливістю є те, що він дозволяє відшукувати оптимальні закони управління за самими різними функціями мети. Результати, що отримуються за його допомогою, дозволяють підвищити безпеку і надійність виконання маневрених операцій, поліпшити економічні показники роботи електроходів на маневрах.

Створені методи розрахунку і оптимізації маневрених режимів роботи гребних енергетичних установок електроходів з перспективним типом гребного електродвигуна - асинхронним частотно-керованим. Отримані результати охоплюють всі судна класу, що розглядається, і сприяють створенню ефективних і економічних суден з електрорухом.

Практичне значення одержаних результатів. Створені методи і рекомендації призначені для аналізу та розрахунку маневрених режимів роботи гребних енергетичних установок у складі пропульсивних комплексів суден з електрорухом. маневрений гребний енергетичний електрохід

Методи розрахунку призначені для використання науково-дослідними і проектними організаціями для розробок сучасних і перспективних енергетичних установок електроходів. На початкових стадіях розробок доцільно користуватися EXPRESS - методом. На останніх стадіях потрібно користуватися уточненим EXACT - методом розрахунку за допомогою ЕОМ.

Рекомендації по управлінню гребними енергетичними установками можуть бути використані на суднах при виборі законів управління гребними установками, що забезпечують безпеку й надійність виконання маневрених операцій і економічність електроходів на маневрах.

При розв'язуванні задач параметричної оптимізації і в ході пошуків оптимальних законів управління гребними установками рекомендується користуватися запропонованими серіями таблиць і діаграм, що дозволяють оцінювати максимально можливу ефективність гребних енергетичних установок, проводити порівняльний їх аналіз за різними функціями мети і відшукувати при цьому найкращі розв'язування. Для отримання більш точних результатів можна безпосередньо скористатися розробленими методами оптимізації.

Отримані практичні результати впровадженні в практику конструкторських розробок:

- у Казенному дослідницькому проектному центрі кораблебудування Міністерства промислової політики України (м. Миколаїв) використовуються рекомендації по оцінці маневрених характеристик суднових комплексів і рекомендації по оптимальному проектуванню та пошуку оптимальних законів управління;

- у ВАТ “Чорноморсудопроект” (м. Миколаїв) впроваджені і використовуються методи порівняльної оцінки маневрених якостей і рекомендації до пошуків оптимальних законів управління гребними енергетичними установками електроходів;

- у Південному науково-дослідному проектно-конструкторському інституті морського флоту з дослідницьким виробництвом Міністерства транспорту України (м. Одеса) при розробці чотирьох проектів використані алгоритми і рекомендації з оптимального проектування;

- рекомендації з оптимізації параметрів гребних установок впроваджені в ВАТ “Миколаївське підприємство “ЕРА” (м. Миколаїв).

Копії відповідних актів і довідок про впровадження представлені у додатку до дисертації.

Особистий внесок здобувача. Наукові і практичні результати, які наведені в дисертації, отримані особисто автором.

У спільних роботах [2, 3, 5] автору належать постановка і математичне формулювання задач, отримання основних результатів, їх аналіз і наукові висновки. У роботі [7] автору належить ідея і постановка задачі; аналіз отриманих результатів було виконано спільно. У роботі [25] автору належить постановка експериментів і висновки; підготовка експериментів, їх проведення і обробка результатів виконані спільно.

Випробування результатів дисертації. Основні наукові положення і результати дисертації доповідалися і обговорювалися на: науково-технічному семінарі з управління суден (м. Горький, 1984 р.); науково-технічній конференції “Чергові задачі річкового суднобудування" (м. Горький, 1985 р.); науково-технічній конференції “Проблеми створення нової техніки для освоєння шельфу" (м. Горький, 1986 р.); науково-практичній конференції “Механіка машин і систем машин водного транспорту" (м. Одеса, 1990 р.); науково-технічній конференції “Алфєрєвські читання" (м. Н. Новгород, 1990 р.); Міжнародній конференції з морських електротехнологій (м. Шанхай, Китай, 1991 р.); другій Міжнародній конференції з морських електротехнологій (м. Шанхай, Китай, 1994 р.); міжрегіональній науково-технічній конференції “Нєбєсновські читання" (м. Одеса, 1995 р.); першій міжнародній конференції “Наука і освіта `98" (Дніпропетровськ - Одеса - Кривий Ріг - Київ - Харків - Дніпродзержинськ, 1998 р.); Міжнародній морській технічній конференції у Даляні (Далянь, Китай, 1998 р.); другій міжнародній конференції “Наука і освіта `99” (Дніпропетровськ - Одеса - Кривий Ріг - Київ - Харків - Дніпродзержинськ, 1999 р.); Міжнародній конференції “Контроль і управління в складних системах (КУСС-99)” (м. Вінниця, 1999 р.); Міжгалузевій науково-технічній конференції, присвяченій 55-чю Українського Дунайського пароплавства (м. Ізмаїл, 1999 р.); на наукових конференціях ОДМУ (1984 - 2000 р).

Публікації. Основний зміст роботи відображений в одній монографії, одному навчальному посібнику, восьми статтях в наукових фахових журналах, в дев'ятнадцяти збірниках (фахових) наукових праць, у працях чотирьох міжнародних наукових конференцій, в тезах доповідей і матеріалах семи науково-технічних конференцій, в шести депонованих статтях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з переліку умовних позначень, вступу, семи розділів, висновків, списку використаних літературних джерел, додатків. Викладена на 338 сторінках, в тому числі 273 сторінки основного тексту, 37 сторінок рисунків і таблиць (113 рис., 61 табл.), 53 сторінки додатків (9 додатків), 25 сторінок списку використаних літературних джерел (265 найменувань).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі розкрито стан наукової проблеми, обґрунтована необхідність проведення досліджень в даній галузі і поставлені задачі розв'язання цієї проблеми. Встановлено, що застосування електроруху на сучасних і перспективних суднах і кораблях, і зростання замовлень на будову електроходів викликав необхідність удосконалення методів розрахунку та оптимізації маневрених режимів гребних енергетичних установок.

З'ясовано, що існуючі методи розрахунку і оптимізації характеризуються відсутністю системного підходу до оптимальних розв'язань, оскільки гребна установка розглядається окремо від інших елементів енергетичної установки і корпусу судна. У зв'язку з цим, аналіз маневрених режимів здійснювався за показниками якості тільки гребної електроустановки без урахування показників роботи всього пропульсивного комплексу. Методи розрахунку і оптимізації гребних установок суден з електрорухом були розроблені стосовно до окремих типів енергетичних установок. Відсутність єдності в підході до аналізу і оцінки якості роботи ускладнює порівняльний аналіз і пошуки оптимальних розв'язань у процесі проектування і оптимізації енергетичних установок.

Обґрунтовано те, що розрахунок і оптимізація маневрених режимів гребних енергетичних установок електроходів повинні здійснюватися з принципів системного підходу до розв'язування задач, які виникають. Необхідні єдині методи аналізу, єдині математичні моделі досліджень, єдині показники і критерії оцінки якості роботи енергетичної установки і інших елементів суднового пропульсивного комплексу. Важливо мати можливість як при експлуатації суден, так і при їх проектуванні, прогнозувати найважливіші експлуатаційні показники якості роботи і передбачати можливі шляхи їх поліпшення. Результати, що отримуються, повинні бути придатні для широкого класу перспективних електроходів.

У другому розділі розроблені узагальнена математична модель маневрених режимів гребних енергетичних установок пропульсивних комплексів електроходів і методи їх розрахунку на ЕОМ.

Структурна схема комплексу наведена на рис. 1 і включає в себе: D - первинні двигуни (дизелі, парові, газові турбіни), G - джерела електроенергії (електромашинні генератори постійного або змінного струму, безпосередні перетворювачі енергії), SE - перетворювачі електроенергії (некеровані або керовані випрямлячі, інвертори напруги або струму, безпосередні перетворювачі частоти, перетворювачі частоти інверторного типу), M - гребні електродвигуни (постійного струму, асинхронні, синхронні при частотному управлінні, вентильні), Р - гребні гвинти, CS - систему управління, DR - регулятори первинних двигунів, GE і ME - пристрої збудження генератора і гребного електродвигуна, Н - стерно і корпус електроходу. До неї також входять давачі потужності - P_D і швидкості обертання - _D первинних двигунів, напруги -U_G і струму - I_G генераторів, напруги - U_M , струму - I_M,, обертаючого моменту - M_M і швидкості обертання - _M ГЕД.

Узагальнена математична модель маневрених режимів гребних енергетичних установок, що створена на основі наведеної структурної схеми, представлена нижче в скороченому вигляді (опускаючи всі проміжні викладки) у безрозмірних одиницях.

Рівняння руху первинного двигуна

, (1)

де і - швидкість обертання і обертаючий момент первинного двигуна; - момент опору генератора; N_D, K_D1, K_DT - безрозмірні параметри комплексу; - безрозмірний час.

Обертаючий момент первинного двигуна

де і - відносні подача палива і міра затягування пружини регулятора; - швидкість обертання, на яку настроєний регулятор; _D - нахил зовнішньої характеристики двигуна; c_DP - коефіцієнт міри нерівномірності регулятора.

Рівняння руху регулятора первинного двигуна

, (2)

де C_RD1, C-_RD2- безрозмірні параметри.

Математичний опис законів зміни режимних показників електродвигунів доцільно записати окремо для кожного їх типу. Це поліпшує сприйняття математичного апарату, не порушуючи при цьому його спільності.

Для ГЕД постійного струму і вентильних двигунів обертаючий момент M_M, магнітний потік _M і струм двигуна I_M описуються рівняннями

; (10)

; (12)

де , , cos_M - коефіцієнт інвертування, сумарний кут комутації, коефіцієнт потужності на вході двигуна; C_M1 - C_M13 - безрозмірні параметри;

;

; .

Для асинхронних гребних електродвигунів

; (13)

; (14)

,

де R _f (, ⁰_М) - допоміжна функція

C_M16 - C_M24 - безрозмірні параметри.

Для синхронного гребного електродвигуна

; (15)

; (16)

. (17)

Кут навантаження _M знаходиться з розв'язування рівняння

,

де і - е.р.с. і струм збудження; С_M26 - C_M31 - безрозмірні параметри.

Рівняння процесів в пристрої збудження гребного електродвигуна аналогічні відповідним рівнянням в пристрої збудження генератора.

Рівняння системи управління зв'язують сигнали U_Ui, що подаються на входи системи управління, з напругами на виході відповідного каналу регулювання. В загальному випадку цей зв'язок має такий вигляд:

,

де K - об'єкт управління; r - керований параметр; A_Kr(t) - функціональна залежність керуючих пристроїв регуляторів від часу, включаючи похідну; (U_вих)_Kr - керуючий сигнал на вході K -го об'єкту по r -му параметру; K_Kr^CS - коефіцієнт підсилення по r -му параметру управління K -го об'єкту; U_Ui - напруга сигналів управління і коректуючих зв'язків; U_Зi - напруга порівняння (що відсікає); K_i^CS - коефіцієнт підсилення по i -му керуючому сигналу.

Гідродинамічну реверсивну характеристику гребного гвинта, з урахуванням його взаємодії з корпусом судна і з урахуванням руху судна по криволінійній траєкторії, представимо параболічним поліномом. Тоді, відносні момент опору M⁰_P і упор P⁰_P гвинта можуть бути записані як

; (18)

-, (19)

де _P - кутова швидкість обертання гвинта; v - швидкість руху судна; v_e - швидкість натікання води на гвинт; _CK - кут скосу потоку води; a₂₁, b₂₁, c₂₁, a_M, a₁₁, b₁₁, c₁₁, a_P - постійні коефіцієнти.

Рух судна по вільній поверхні води в пов'язаній з ним системі координат представлений з урахуванням загальноприйнятих допущень

; (20)

; (21)

(22)

де v_X і v_Y - складові швидкості руху судна вздовж осі X та осі Y; _Z - кутова швидкість обертання навколо осі Z; - сумарний корисний упор гребних гвинтів вздовж осі X; _jz, h_Pj, - конструктивні параметри судна; і - гідродинамічні сили опору руху судна; і - позіційний і демпфіруючий моменти опору; _RP - кут атаки стерна; N_X, C₂, C_RX, C_RY, N, C₂₁ - безрозмірні параметри пропульсивного комплексу.

Рух судна в нерухомій системі координат описується згідно з загальноприйнятою методикою.

У процесі перетворення рівнянь у безрозмірну форму запису було отримано критерії динамічної подібності - безрозмірні параметри пропульсивних комплексів. Саме ними визначаються закони зміни під час режимних показників комплексів. Щоб знайти чисельні значення цих критеріїв для кожного конкретного електроходу, досить підставити значення відповідних параметрів комплексу в наведені в роботі співвідношення.

Створена модель універсальна. Вона дозволяє здійснювати кількісну оцінку поведінки кожного елемента пропульсивного комплексу при будь-якому варіанті комплектації його гребної установки. Для аналізу маневрених режимів роботи енергетичних установок у складі пропульсивних комплексів електроходів створено метод розрахунку (було названо EXACT методом) з використанням сучасної обчислювальної техніки. Запропоновані модель, методи розрахунку, алгоритми і програми - це завершений математичний апарат, призначений для дослідження маневрених режимів суден з електрорухом.

Як приклад, на рис. 2 наведені результати розрахунку законів зміни режимних показників енергетичної установки пропульсивного комплексу проектного варіанту електрохода з частотно-керованими ГЕД (далі - “Проект”), при виконанні ним маневрів, що чергуються: розгону - реверсу з переднього ходу на задній - реверсу із заднього ходу на передній.

Рис. 2. Зміни режимних показників: розгон (0<t111) - реверс з переднього ходу на задній (111 t148) - реверс із заднього ходу на передній (t>148).

Відносній одиниці по осі ординат на рис. 2 відповідають:

_D = 78,5 с^-1; U_G = 400 В; I_M = 1206 А; M_P = 10840 Нм; v = 7 м/c; W = 30 (відносних одиниць); P_D = 1100 кВт; I_G = 1800 А; M_M = 10840 Нм; _M = 25,12 c-¹; X1 = 517 м.

Розроблені модель і методи розрахунку на ЕОМ служать також основою для подальшого аналізу маневрених режимів электроходів, з метою виявлення можливостей створення ефективних суден з електрорухом.

У третьому розділі наведені результати дослідження впливу параметрів пропульсивних комплексів електроходів на показники якості виконання маневрів - інерційно-гальмові і керованість. У якості показників вибрані відносні:

а) для прямолінійного руху

- тривалість маневру - Т та витрати енергії на його виконання - W;

- нерівномірність (відхилення) кутової швидкості обертання первинних двигунів ;

- максимальна потужність первинних двигунів P_Dm =P_Dmax /P_{D ст.};

- кидки струму генераторів при розгоні - (I_G )_Pm і при реверсі - (I_G)_Tm;

(I_G)_Pm = (I_G)_Pmax /(I_G)_{P ст.} , (I_G)_Tm =(I_G )_Tmax / (I_G)_{T ст.} ;

- постійні значення струму генераторів при розгоні (I_G)_{P ст.} і реверсi (I_G )_{T ст.} ;

- перепад вихідної напруги генераторів - ;

- тривалість розгону Т_{ГЕД розг.} та реверсу Т_{ГЕД рев.} ГЕД і гребних гвинтів;

- кидки струму ГЕД при розгоні (I_M )_Pm i при реверсі (I_M)_Tm;

(I_M )_{P m} = (I_M )_{P max} / (I_M )_{P ст.}, (I_M )_{T m} =(I_M)_{T max} /(I_M )_{T ст.} ;

- кидки обертаючого моменту ГЕД при розгоні (М_M)_{Р m} і при реверсі (M_M)_Tm

M_M)_{P m} = (M_M )_{P max} / (M_M )_{P ст.} , (M_M )_{T m} = (M_M )_{T max} / (M_M )_{T ст.} ;

- постійні значення обертаючого моменту ГЕД при розгоні (М_M)_Рст. і при реверсі (М_M)_{Т ст.};

- постійні значення кутової швидкості обертання ГЕД і гребних гвинтів при розгоні (?_М)_{Р ст.} і при реверсі (?_М)_{T ст.};

- тривалість протікання перехідних процесів в енергетичній установці при розгоні (Т_СУ)_розг. i при реверсі (Т_CУ)-_рев.;

- максимальна швидкість руху судна у кінці розгону - v _max;

- тривалість розгону до заданого значення швидкості (Т)_{v=v зад.} ;

- пройдений судном шлях по закінченню маневру - (Х1)_розг. і (Х1)_гальм.,

б) при циркуляційному русі

- тривалість повного оберту - Т_Ц і його еволюційний період - Т_ЕВ.

- витрати енергії на виконання маневру - W_Ц;

- зміна потужності первинних двигунів, при виході на циркуляцію

(?P_D )₁ = P_{D лів.} / P_{D поч.} , (?P_D )₂ = P_{D прав.} / P_{D поч.};

- зміна струму статора ГЕД - (?I_M )₁ = I_{M лів.} / I_{M поч.} і (?I_M )₂ = I_{M прав.} / I_{M поч.};

- зміна обертаючого моменту ГЕД (?М_М )₁ = М_{М лів.}/ М_{М поч} і (?М_М )₂ = М_{М прав.}/ М_{М поч.}

- зміна кутової швидкості обертання ГЕД і гребних гвинтів

(??_М )₁ = ??_{М лів.} / ??_{М поч.} ; (??_М )₂ = ??_{М прав.} /??_{М поч.} ;

- зниження швидкості судна на постійній циркуляції - (?v)_Ц = v_Ц / v_поч. ;

- кутова швидкість обертання судна на постійній циркуляції - _Ц;

- діаметр циркуляції - D_Ц і тактичний діаметр - D_Т;

- висунення - L₁ і пряме зміщення - L₂ судна;

- кут курсу судна по закінченню заданого проміжку часу - _С;

Індекс “1” відповідає зовнішньому (лівому), а “2” - внутрішньому (правому), по відношенню до центра циркуляції, силовим контурам, а індекс “поч” - початковому значенню відповідного показника.

Сукупність перерахованих показників дає можливість комплексно оцінювати поведінку кожного елемента пропульсивного комплексу електроходу і судна загалом на основних маневрених режимах роботи.

Велика кількість параметрів, що впливають на показники якості, ускладнює розрахунок і оптимізацію енергетичних установок. Необхідно виявити параметри, що значуще впливають на показники. Іншими словами, з безлічі чинників q_i, i=1,..., n виділити підмножину q_j, j= 1,..., р (р<n), відхилення яких q_j від розрахункових значень визначає основну частину приросту показника.

Розв'язання задачі пропонується здійснити відсіваючими експериментами. Було використано метод випадкового балансу, що дозволяє проаналізувати міру впливу на показники якості всіх параметрів і ефектів взаємодій.

Кількісна оцінка міри впливу параметрів і ефектів взаємодій здійснюється аналітичними моделями типу

, (23)

де b_i - коефіцієнти моделі, що відображають вплив параметрів (при i=0,1,..., l) і ефектів взаємодій (при ); q_i - параметри та ефекти їх взаємодій.

Результати досліджень, проведених із залученням методів дисперсійного і регресійного аналізів, дозволили з кожного показника якості виявити значущі параметри і значущі ефекти взаємодій, віднісши інші - до шумового поля. Дані представлені в аналітичному (залежності показників від параметрів і ефектів) і графічному (гістограми з внесками в процентах) виглядах.

Як приклад, нижче показано (аналітичною моделлю (24) і рис. 3) вплив значущих параметрів і ефектів взаємодій на такий найважливіший показник, як тривалість розгону электроходу Т_розг.

T_розг.= 22,2-3,093N_X -1,227C_M16 -1,103N_M + 0,815N_XC_M21+0,821C_M23 +0,582N_N N_X . (24)

Рис. 3. Внески параметрів і ефектів взаємодій в показник Т_розг (чинники: 1 - N_X ; 2 - C_M36 ; 3 - N_M ; 4 - C_M23 N_X ; 5 - C_M23; 6 - N_M N_X)

Аналогічні моделі і гістограми розраховані і побудовані для всіх 42 -х показників якості виконання маневрів.

Виявлення значущих параметрів і ефектів взаємодій дозволяє у декілька десятків разів скоротити кількість чисельних експериментів. Неістотні параметри і ефекти можна зафіксувати, і весь подальший аналіз будувати стосовно до значущих.

У четвертому розділі було розроблено аналітичний EXPRESS метод розрахунку показників якості маневрених режимів енергетичних установок пропульсивних комплексів електроходів. Запропоновано представляти показники J у вигляді поліномів J^*=J^*(q₁, q₂, ..., q_n), де q_i - значущі параметри комплексів, що адекватно відображають залежності показників J=J(q₁, q₂, ..., q_n) від значущих параметрів і ефектів взаємодій. При побудові аналітичних моделей використане багаточленне наближення J^*(B, q), де В - вектор коефіцієнтів наближеного полінома. Коефіцієнти В визначаються методом найменших квадратів

Результати досліджень показали, що для комплексів, що розглядаються, досить представляти маневрені показники поліномами першого і другого порядку

Для побудови аналітичних моделей вказаного типу було використовано метод повного факторного експерименту. Чисельні експерименти проводилися на узагальненій математичній моделі (1) - (22) за спеціально розробленими матрицями планування. Оцінка адекватності аналітичних моделей проводилася шляхом зіставлення значень коефіцієнтів b₀ поліномів J^*(В, q) зі значеннями показників J, які були знайдені для середніх значень параметрів комплексів.

У результаті проведених досліджень було розроблено наближені аналітичні моделі J^*= J^* (q₁, q₁, ..., q_n) основних показників якості виконання маневрів.

Зокрема, при розгоні електроходу до постійного значення швидкості, тривалість маневра - Т_розг., відносні витрати палива - W_розг. на його виконання, постійне значення швидкості руху - v_ст. і вибіг - X1_розг. електроходу можуть бути розраховані відповідно до залежностей

T _розг.=27,2 -14,68N_X +1,97C_M23 +1,72C_M23C_M24 -1,69C_M20 -1,59C_M24 -1,06C_M24ґ

ґC_M20-0,94C_M20C_M23 -0,88N_XC_M23 +0,84N_XC_M20 -0,69C_M24C_M17; (25)

W_розг.=55,07- 29,09N_X -10,17C_M20 +8,56C_M23 -4,99C_M17 -3,48N_XC_M23 +2,87ґ

ґC_M24C_M17 + 2,76N_XC_M17 + 2,61C_M20C_M23 - 2,31C_M24C_M20 ; (26)

v _сг. =0,652- 0,053C_M23 +0,051C_M24 - 0,04C_M24C_M23 - 0,039C_M20 +0,037C_M23ґ

ґC_M17+0,033C_M17 +0,033C_M24C_M17 + 0,031C_M20C_M23 ; (27)

Х1_розг.=11,67- 6,21N_X - 1,39C_M20 + 0,56N_XC_M20 + 0,55C_M17 + 0,54N_XC_M23 +

+0,49C_M24C_M17 +0,47C_M23C_M17 -0,43C_M24C_M20 -0,4C_M23 +0,31C_M24C_M23 (28)

Перевірка адекватності представлення показників якості, що досліджуються, моделями (25) - (28) дала такі результати: для показника T_розг. - 17 %, для W_розг - 12,4 %, для v_сг. - 8,3 %, для Х1_розг - 9,8 %. Така точність у визначенні динамічних показників в першому наближенні вважається прийнятною.

Іншою, зручною для користування, формою представлення отриманих результатів є графічна. На рис. 4 представлені отримані за допомогою моделей (25) - (28) залежності показників якості W_розг (рис. 4а), Т_розг (рис. 4б), v_сг (рис. 4в) і Х1_розг (рис. 4г) від значущих параметрів комплексів.

Рис. 4. Залежності показників якості від параметрів комплексу

Аналогічним чином було розроблено аналітичні моделі і діаграми для оцінки показників якості виконання

а) гальмування

- тривалості гальмування ГЕД - (Т_гальм.)_ГЕД;

- тривалості перехідних процесів в енергетичній установці - (Т_гальм.)_СУ;

- нерівномірності швидкості обертання первинних двигунів - (_D) _гальм.;

- тривалості гальмування пропульсивного комплексу - (Т_гальм.);

- відносних витрат енергії на гальмування - (W_гальм.);

- вибігу електроходу до кінця гальмування - (Х1_гальм.),

б) реверсу

- тривалості реверсу - Т _рев..

- відносних витрат енергії на виконання маневру - W _рев.;

- максимальної потужності первинних двигунів на маневрі - (P_Dmax)_рев.;

Маневрені якості пропульсивних комплексів електроходів при циркуляції запропоновано оцінювати за допомогою наступних аналітичних моделей:

- тривалість еволюційного періоду Т_ЕВ і всього маневру Т_ман.

Т_ЕВ =14,578 -5,875N_X -2,469C_M16 -0,782C₆₁+1,141N_XC_M16 -1,106C₂₂;

Т_ман.= 36,672 +13,094N_X -7,375C_M16 +3,484C₆₅ + 4,563C₆₁ - 4,344C_?21 -1,891N_XC_M16 +

+2,281N_XC₆₅ + 3,953N_XC₆₁ -3,234N_XC_?21 - 3,265C_RY +1,867C_M16C_?21;

- відносні витрати енергії на виконання маневру

W_ман.=43,141+11,019N_X -6,725C_M16+3,533C₆₅+4,693C₆₁ -4,636C_?21 -3,251ґ

ґC_RY -2,848N_XC_M16+2,3N_XC₆₅+4,038N_XC₆₁ -3,138N_XC_?21 ;

- відносна зміна кутової швидкості обертання зовнішнього гребного гвинта

??_M1=0,0763-0,0512N_X -0,0289C_M16-0,0039C₆₁+0,006C_?21+0,004C_RY +0,016N_XC_M16 ;

- відносна зміна потужності первинного двигуна зовнішнього контуру

?P_D1=0,227-0,129N_X+0,131C_M16 -0,026C₂₂ -0,118N_XC_M16--0,026C_M16C₆₅-0,02C_M16C₆₁+

+0,014C₂₁C₆₅+0,015C₂₁C₆₁ -0,015C₂₁C_?21+0,016C₆₅C-₆₁ -0,014C₆₅C_?21 -0,014C₆₁C_?21;

- відносна зміна струму статора ГЕД зовнішнього контуру

?I_M1=0,205-0,138N_X+0,116C_M16 -0,012C₆₅ -0,011C-₆₁ -0,013C_{?21 -}-0,09N_XC_M16-0,011C₂₂ ;

- відносна зміна обертаючого моменту ГЕД зовнішнього контуру

?M_M1=0,147-0,097N_X +0,121C_M16-0,01C₆₅ -0,008C₆₁+0,009C_?21-0,01C₂₂ -0,088N_XC_M16 ;

- кутова швидкість обертання судна навколо осі Z

?_Z =0,210-0,067N_X +0,046C_M16 -0,013C₆₅ -0,017C₆₁ +0,021C_?21 -0,019N_XC-_M16;

- відносне зниження значення швидкості руху судна

?v_Ц = 0,375 - 0,296N_X -0,019C₆₅ -0,021C₆₁ - 0,03C_?21 ;

- відносний діаметр циркуляції, висування і пряме зміщення судна

D_Ц =6,81+4,909N_X+0,885C₆₅+1,224C₆₁ -1,21C_?21 -0,806C_RY +