柴—燃联合动力装置（CODAG）仿真与实验研究

论文摘要

柴-燃联合动力推进模式是大中型水面舰船的主要推进模式之一，共同工作的CODAG装置继承了交替工作的CODOG装置巡航时柴油机良好的经济性，而且在高速时还能将柴油机并入动力系统，而不是让柴油机“闲置”。近年来的相继增压技术的应用使得柴油机低工况的性能大幅度改善，结果是用于联合动力装置的柴油机功率大大提高，与燃气轮机功率的比值已从原来的1:5提高到1:1.64左右，在全速航行时可获得的航速收益达到了17％。它的投资费用约为交替使用的CODOG装置的79％-83％，燃油经济性是后者的80％，维护费用是后者的35％-75％，最高航速可达32节左右。鉴于共同工作的CODAG装置的突出特点，有必要对其进行先期研究，掌握其关键技术。本文从试验和仿真两方面入手研究共同工作的CODAG系统的工作特性、控制算法与策略。首先对原有的交替工作的CODOG实验台进行改造使其能满足柴-燃联合动力装置不同模式（CODOG或CODAG）的实验研究需要。其次以此试验台为对象建立了相应的数学模型，并进行了相关运行工况的仿真计算研究。主要工作如下：1．对共同工作的CODAG装置的运行方式进行了系统分析，对共同工作的CODAG装置试验台测控系统的硬件与软件进行了设计制造及安装调试；进行了共同工作的CODAG系统多方案的实验研究：在国内首次成功进行了两台主机的单独稳定运行及切换和共同工作运行，完成了两主机共同工作时的加减负荷试验、调速和转速阶跃响应实验，得到了柴油机和燃气轮机的转速、功率和各自的SSS离合器中间滑移件的位移曲线。2．将共同工作的CODAG装置推进系统按其功能进行了模块化分解，建立了用于控制系统分析的非线性模型，并应用计算机数字仿真的方法，研究了该试验台的稳态和动态特性。本文运用MATLAB／Simulink仿真工具对共同工作的CODAG装置物理模拟实验台进行了建模与仿真，建模采用自顶向下和模块化的设计方法，整个系统包括柴油机及电子调速器模型、液力偶合器模型、燃气轮机控制系统模型、SSS离合器模型、并车齿轮箱模型及负荷模型。各个子系统间通过输入输出接口而构成一个相互作用的有机整体，对系统的动态特性进行了综合仿真研究，将仿真结果与实验结果进行了对比，为控制系统的设计提供了一定的参考依据。经过大量的实验研究，证明了整个测控系统的设计是可行的，能够完成预定的要求，对进一步研究提高共同工作的CODAG系统的可靠性和机动性提供了重要的理论及实验基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 舰船联合推进装置组成与应用
• 1.2 CODAG动力装置
• 1.3 CODAG国内外应用与研究状况
• 1.4 CODAG推进装置的动态特性及控制策略研究意义
• 1.5 动力装置仿真国内外研究进展
• 1.5.1 燃气轮机建模
• 1.5.2 柴油机建模
• 1.5.3 负载建模
• 1.6 推进装置控制策略研究进展
• 1.7 自动控制研究进展
• 1.8 本文的主要研究工作
• 第2章 CODAG实验台组成
• 2.1 CODAG实验台总体结构
• 2.2 CODAG实验台的运行方式
• 2.3 CODAG实验台各组成部分
• 2.3.1 N6135柴油机及其电子调速器
• 2.3.2 S1A-02燃气轮机
• 2.3.3 液力偶合器
• 2.3.4 SSS离合器
• 2.3.5 并车齿轮箱
• 2.3.6 SG880水力测功器
• 2.4 CODAG实验台测控系统硬件设计
• 2.4.1 测控系统总体结构
• 2.4.2 CODAG实验台测控参数
• 2.4.3 转速测量
• 2.4.4 扭矩测量
• 2.4.5 SSS离合器中间滑移件位移的测量
• 2.5 测控系统软件设计
• 2.5.1 上位机软件设计
• 2.5.2 下位机测控软件设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 CODAG控制规律研究
• 3.1 简单动力负载系统控制
• 3.1.1 简单动力系统控制模式
• 3.1.2 控制算法
• 3.2 典型CODAG装置运行及控制方式
• 3.2.1 典型CODAG装置运行方式
• 3.2.2 动力转换过程
• 3.2.3 调速特性对负荷分配的影响
• 3.2.4 并车后的调载与调速
• 3.3 CODAG试验台并车控制方案
• 3.3.1 S1A-02燃机控制
• 3.3.2 N6135柴油机控制
• 3.4 本章小结
• 第4章 CODAG实验台建模研究
• 4.1 S1A-02燃气轮机模型
• 4.1.1 进气道
• 4.1.2 压气机
• 4.1.3 燃烧室
• 4.1.4 涡轮
• 4.1.5 排气管
• 4.1.6 燃气轮机各部件的共同工作
• 4.1.7 S1A-02燃气轮机转速控制器
• 4.1.8 燃气轮机仿真的实现
• 4.2 N6135增压柴油机模型
• 4.2.1 中冷器模型
• 4.2.2 发动机模型
• 4.2.3 电子调速器模型
• 4.2.4 柴油机仿真的实现
• 4.3 液力偶合器模型
• 4.4 并车齿轮箱和SSS离合器模型
• 4.5 测功器模型
• 4.6 并车控制模型
• 4.7 CODAG系统总体模型
• 4.8 本章小结
• 第5章 CODAG试验与仿真研究
• 5.1 CODAG切换过程的试验研究
• 5.1.1 柴油机主动变转速实现切换
• 5.1.2 燃气轮机主动变转速实现切换
• 5.2 CODAG切换过程仿真研究
• 5.3 CODAG并车试验研究
• 5.3.1 并车试验
• 5.3.2 解列试验
• 5.3.3 并车加载试验
• 5.3.4 并车变功率分配试验
• 5.3.5 并车变转速试验
• 5.4 CODAG并车仿真研究
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历