CN109591995A - 基于柴柴并车联合推进带pto轴带发电机的动力装置及并车方法 - Google Patents
基于柴柴并车联合推进带pto轴带发电机的动力装置及并车方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于柴柴并车联合推进带PTO轴带发电机的动力装置，包括第一柴油机、第二柴油机、第一柴油机电控系统、第二柴油机电控系统、齿轮箱、齿轮箱控制机构、PTO轴带发电机和并车控制装置。第一和第二柴油机的输出端分别与齿轮箱的第一和第二输入轴连接，PTO轴带发电机的输出端与齿轮箱的第一输出轴连接，齿轮箱的第二输出轴与船舶的螺旋桨轴连接；并车控制装置分别与第一柴油机电控系统、第二柴油机电控系统、齿轮箱控制机构通信连接。本发明还公开了带PTO轴带发电机的柴油机实现自动并车的方法。本发明可以实现自动控制带PTO轴带发电机的柴油机完成并车，从而实现双柴油机并车推动螺旋桨航行。
Description
技术领域
本发明涉及船舶动力装置技术。
背景技术
柴柴并车联合推进动力装置诞生于20世纪60年代后期，由于当时控制技术相对落后而发展缓慢，随着自动控制技术不断发展，柴柴并车联合推进动力装置才得到广泛应用。柴柴并车联合推进动力装置涉及发动机、自动化控制、电气、液压、机械传动等多个技术领域，控制比较复杂。国内柴柴并车联合推进动力装置的研究起步较晚，而基于柴柴并车联合推进带PTO轴带发电机的动力装置还处于初步探索阶段，实船验证相对较少。其中，如何实现双柴油机并车推动螺旋桨航行带PTO轴带发电机更是其中的难点，目前还没有见到有相应的实船应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于柴柴并车联合推进带PTO轴带发电机的动力装置，其可以自动控制带PTO轴带发电机的柴油机完成并车，从而实现双柴油机并车推动螺旋桨航行。
本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种带PTO轴带发电机的柴油机实现自动并车的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
一种基于柴柴并车联合推进带PTO轴带发电机的动力装置，包括第一柴油机、第二柴油机、第一柴油机电控系统、第二柴油机电控系统、齿轮箱、用于控制齿轮箱的接排及脱排的齿轮箱控制机构、PTO轴带发电机和并车控制装置；第一柴油机的输出端与齿轮箱的第一输入轴连接，第二柴油机的输出端与齿轮箱的第二输入轴连接，PTO轴带发电机的输出端与齿轮箱的第一输出轴连接，齿轮箱的第二输出轴与船舶的螺旋桨轴连接；并车控制装置分别与第一柴油机电控系统、第二柴油机电控系统、齿轮箱控制机构通信连接，用于通过第一柴油机电控系统控制第一柴油机的转速、通过第二柴油机电控系统控制第二柴油机的转速、通过齿轮箱控制机构控制齿轮箱的接排和脱排，并接收第一柴油机电控系统反馈的第一柴油机的转速信号和输出功率信号、第二柴油机电控系统反馈的第二柴油机的转速信号和输出功率信号、齿轮箱控制机构反馈的接排脱排状态。
本发明还公开了带PTO轴带发电机的柴油机实现自动并车的方法，包括以下步骤：
并车控制装置在接收到外部输入的并车控制指令后，根据接收的第一柴油机的转速信号和第二柴油机的转速信号，判断第二柴油机的转速与第一柴油机的转速是否同步；其中，第一柴油机驱动螺旋桨轴旋转，并带动PTO轴带发电机运行在PTO模式；
如果第二柴油机的转速与第一柴油机的转速未同步，并车控制装置通过第二柴油机电控系统控制第二柴油机的转速和/或通过第一柴油机电控系统控制第一柴油机的转速，直至第二柴油机的转速与第一柴油机的转速达到同步；
在第二柴油机的转速与第一柴油机的转速达到同步后，并车控制装置通过齿轮箱控制机构控制齿轮箱的第二柴油机离合器接排，使第二柴油机输出的扭矩被传递到螺旋桨轴；
并车控制装置根据第一柴油机的额定功率X1、第二柴油机的额定功率X2、螺旋桨的额定收到功率负荷X3、PTO轴带发电机的额定功率负荷X4、螺旋桨轴系传动效率η1、PTO轴带发电机的效率η2、第一柴油机的额定转速下油耗最低功率X5和第二柴油机的额定转速下油耗最低功率X6确定功率分配方式，其中，若X1≤X3/η1+X4/η2≤X1+X2，且X3/η1+X4/η2≥X5+X6，则确定采用按比例分配功率的方式，即在齿轮箱的第二柴油机离合器接排成功后，使第一柴油机的输出功率X1当前达到并使第二柴油机的输出功率X2当前达到若X1≤X3/η1+X4/η2≤X1+X2，且X3/η1+X4/η2＜X5+X6，则确定采用使第二柴油机工作在额定转速下油耗最低功率的功率分配方式，即在齿轮箱的第二柴油机离合器接排成功后，使第一柴油机的输出功率X1当前达到X3/η1+X4/η2—X6，并使第二柴油机的输出功率X2当前达到X6；
并车控制装置基于接收的第一柴油机电控系统反馈的第一柴油机的输出功率信号以及第二柴油机电控系统反馈的第二柴油机的输出功率信号，按照上述的确定的功率分配方式控制第一柴油机的输出功率X1当前和第二柴油机的输出功率X2当前。
采用上述技术方案后，本发明具有以下优点：
1、本发明的基于柴柴并车联合推进带PTO轴带发电机的动力装置可以自动控制带PTO轴带发电机的柴油机完成并车，使两台柴油机主机并联运行，共同驱动同一轴系螺旋桨，提升了驱动轴系的输出功率，进而提高了船舶动力系统的机动性；
2、本发明充分考虑了柴油机、PTO轴带发电机的技术特点、性能参数，设置了合适的功率分配方式。在X3/η1+X4/η2≥X5+X6时，说明X3/η1+X4/η2较大，螺旋桨和PTO轴带发电机的实际消耗效率是接近X1+X2的，此时采用了按比例分配功率的方式，使第一柴油机和第二柴油机都接近最佳工况点工作，能够提高动力装置的工作效率；在X3/η1+X4/η2＜X5+X6时，说明X3/η1+X4/η2较小，螺旋桨和PTO轴带发电机的实际消耗效率小，此时采用使第二柴油机工作在额定转速下油耗最低功率的功率分配方式，使功率小的柴油机主机优先达到最佳工况点，而第一柴油机也不至于功率太小，进而影响工作效率。
附图说明
图1是根据本发明基于柴柴并车联合推进带PTO轴带发电机的动力装置一个实施例的示意图。
图2是根据本发明基于柴柴并车联合推进带PTO轴带发电机的动力装置一实施例的齿轮箱的示意图。
图3为根据本发明基于柴柴并车联合推进带PTO轴带发电机的动力装置一实施例的并车控制装置的原理示意图。
图4示出了根据本发明一实施例的带PTO轴带发电机的柴油机实现自动并车的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步说明。
请参见图1。根据本发明一实施例的基于柴柴并车联合推进带PTO轴带发电机的动力装置包括第一柴油机11、第二柴油机12、第一柴油机电控系统13、第二柴油机电控系统14、齿轮箱21、用于控制齿轮箱21的接排及脱排的齿轮箱控制机构22、PTO轴带发电机3和并车控制装置5。
第一柴油机11的输出端与齿轮箱21的第一输入轴211连接，第二柴油机12的输出端与齿轮箱21的第二输入轴212连接，PTO轴带发电机3的输出端与齿轮箱21的第一输出轴213连接，齿轮箱21的第二输出轴214与船舶的螺旋桨轴6连接。
齿轮箱21的内部结构如图2所示。其包括第一输入轴211、第二输入轴212、第一输出轴213、第二输出轴214、第一柴油机离合器215、第二柴油机离合器216、PTO离合器217。在并车前，第一柴油机离合器215接排、第二柴油机离合器216脱排、PTO离合器217接排，第一柴油机11驱动螺旋桨轴6旋转，PTO轴带发电机3处于PTO工作模式；在并车后，第一柴油机离合器215接排、第二柴油机离合器216接排、PTO离合器217接排，第一柴油机11和第二柴油机12共同驱动螺旋桨轴6旋转，PTO轴带发电机3处于PTO工作模式。
第一柴油机离合器215、第二柴油机离合器216和PTO离合器217优选采用液力驱动离合器，齿轮箱控制机构22可控制第一柴油机离合器215、第二柴油机离合器216、PTO离合器217的接排及脱排。
并车控制装置5分别与第一柴油机电控系统13、第二柴油机电控系统14、齿轮箱控制机构22通信连接，用于通过第一柴油机电控系统13控制第一柴油机11的转速、通过第二柴油机电控系统14控制第二柴油机12的转速、通过齿轮箱控制机构22控制齿轮箱21的接排和脱排，并接收第一柴油机电控系统13反馈的第一柴油机11的转速信号及输出功率信号、第二柴油机电控系统14反馈的第二柴油机12的转速信号及输出功率信号、齿轮箱控制机构22反馈的接排脱排状态。并车控制装置5可采用单片机。
请参考图3。在本实施例中，第一柴油机11的额定功率大于等于第二柴油机12的额定功率；并车控制装置5包括接排控制模块51、功率分配模式确定模块52、第一功率分配模块53和第二功率分配模块54。
接排控制模块51用于根据外部输入的并车控制指令，基于接收的第一柴油机11的转速信号和第二柴油机12的转速信号，通过第二柴油机电控系统14控制第二柴油机12的转速和/或通过第一柴油机电控系统13控制第一柴油机11的转速，使第二柴油机12的转速与第一柴油机11的转速达到同步，在第二柴油机12的转速与第一柴油机11的转速达到同步后，通过齿轮箱控制机构22控制齿轮箱21的第二柴油机离合器216接排，使第二柴油机12输出的扭矩被传递到螺旋桨轴6。在第一柴油机11的转速与第二柴油机12的转速不同步时，具体是调节第一柴油机11的转速还是第二柴油机12的转速以使二者达到同步是基于事先的设定，为了使两者的转速达到同步，可以调节第一柴油机11的转速或者是第二柴油机12的转速，也可能同时调节第一柴油机11的转速和第二柴油机12的转速。
功率分配模式确定模块52用于根据第一柴油机11的额定功率X1、第二柴油机12的额定功率X2、螺旋桨的额定收到功率负荷X3、PTO轴带发电机3的额定功率负荷X4、螺旋桨轴系传动效率η1、PTO轴带发电机3的效率η2、第一柴油机11的额定转速下油耗最低功率X5和第二柴油机12的额定转速下油耗最低功率X6确定功率分配方式，其中，若X1≤X3/η1+X4/η2≤X1+X2，且X3/η1+X4/η2≥X5+X6，则确定由第一功率分配单元53对第一柴油机11和第二柴油机12的输出功率进行分配调节，若X1≤X3/η1+X4/η2≤X1+X2，且X3/η1+X4/η2＜X5+X6，则确定由第二功率分配单元54对第一柴油机11和第二柴油机12的输出功率进行分配调节。第一柴油机11和第二柴油机12以额定转速下油耗最低功率工作，柴油机的燃烧效率是最佳的，能够节约燃油，超出该功率，燃烧效率就下降了。
第一功率分配模块53用于在齿轮箱的第二柴油机离合器接排成功后，使第一柴油机的输出功率X1当前达到并使第二柴油机的输出功率X2当前达到在本实施例中，第一功率分配模块53用于通过PID算法控制第一柴油机的输出功率X1当前和第二柴油机的输出功率X2当前的分配，如果在预设的时间t1内实现了∣X1/X2－X1当前/X2当前∣≤S1，则第一功率分配模块53向外部输出并车成功状态信号，如果在预设的时间t1内不能实现∣X1/X2－X1当前/X2当前∣≤S1，则第一功率分配模块53向外部输出报警信号。3％≤S1≤8％，优选地，S1＝5％。
第二功率分配模块54用于在齿轮箱的第二柴油机离合器接排成功后，使第一柴油机的输出功率X1当前达到X3/η1+X4/η2—X6，并使第二柴油机的输出功率X2当前达到X6。在本实施例中，第二功率分配模块54用于通过PID算法控制第一柴油机的输出功率X1当前和第二柴油机的输出功率X2当前的分配，如果在预设的时间t2内实现了∣X1当前－X2当前∣/X2当前≤S2，则第二功率分配模块54向外部输出并车成功状态信号，如果在预设的时间t2内不能实现∣X1当前－X2当前∣/X2当前≤S2，则第二功率分配模块54向外部输出报警信号。3％≤S2≤8％，优选地，S2＝5％。
设定t1、t2的长短与第一柴油机、第二柴油机的动态响应能力有关，一般可将t1及t2设为2～4秒，t1与t2可以相等也可以不等。
请参考图4。根据本发明一实施例的带PTO轴带发电机的柴油机实现自动并车的方法，包括以下步骤：
并车控制装置5在接收到外部输入的并车控制指令后，根据接收的第一柴油机11的转速信号和第二柴油机12的转速信号，判断第二柴油机12的转速与第一柴油机的转速是否同步；其中，第一柴油机11驱动螺旋桨轴6旋转，并带动PTO轴带发电机3运行在PTO模式；第一柴油机11的额定功率大于等于第二柴油机12的额定功率；
如果第二柴油机12的转速与第一柴油机11的转速未同步，并车控制装置5通过第二柴油机电控系统14控制第二柴油机12的转速和/或通过第一柴油机电控系统13控制第一柴油机11的转速，直至第二柴油机12的转速与第一柴油机11的转速达到同步；
在第二柴油机12的转速与第一柴油机11的转速达到同步后，并车控制装置5通过齿轮箱控制机构22控制齿轮箱21的第二柴油机离合器216接排，使第二柴油机12输出的扭矩被传递到螺旋桨轴6；
并车控制装置5根据第一柴油机11的额定功率X1、第二柴油机12的额定功率X2、螺旋桨的额定收到功率负荷X3、PTO轴带发电机3的额定功率负荷X4、螺旋桨轴系传动效率η1、PTO轴带发电机3的效率η2、第一柴油机11的额定转速下油耗最低功率X5和第二柴油机12的额定转速下油耗最低功率X6确定功率分配方式，其中，若X1≤X3/η1+X4/η2≤X1+X2，且X3/η1+X4/η2≥X5+X6，则确定采用按比例分配功率的方式，即在齿轮箱21的第二柴油机离合器126接排成功后，使第一柴油机11的输出功率X1当前达到并使第二柴油机12的输出功率X2当前达到若X1≤X3/η1+X4/η2≤X1+X2，且X3/η1+X4/η2＜X5+X6，则确定采用使第二柴油机工作在额定转速下油耗最低功率的功率分配方式，即在齿轮箱21的第二柴油机离合器126接排成功后，使第一柴油机11的输出功率X1当前达到X3/η1+X4/η2—X6，并使第二柴油机12的输出功率X2当前达到X6；
并车控制装置5基于接收的第一柴油机电控系统13反馈的第一柴油机11的输出功率信号以及第二柴油机电控系统14反馈的第二柴油机12的输出功率信号，按照上述的确定的功率分配方式控制第一柴油机11的输出功率X1当前和第二柴油机12的输出功率X2当前。
优选地，并车控制装置5通过PID算法控制第一柴油机11的输出功率X1当前和第二柴油机12的输出功率X2当前按比例分配功率的方式进行分配，如果在预设的时间t1内实现了∣X1/X2－X1当前/X2当前∣≤S1，则并车控制装置5向外部输出并车成功状态信号，如果在预设的时间t1内不能实现∣X1/X2－X1当前/X2当前∣≤S1，则并车控制装置5向外部输出报警信号；3％≤S1≤8％。优选地，S1＝5％。
优选地，并车控制装置5通过PID算法控制第一柴油机11的输出功率X1当前和第二柴油机12的输出功率X2当前按照使第二柴油机工作在额定转速下油耗最低功率的方式进行分配，如果在预设的时间t2内实现了∣X1当前－X2当前∣/X2当前≤S2，则并车控制装置5向外部输出并车成功状态信号，如果在预设的时间t2内不能实现∣X1当前－X2当前∣/X2当前≤S2，则并车控制装置5向外部输出报警信号；3％≤S2≤8％。优选地，S2＝5％。
并车控制装置5通过PID算法控制第一柴油机11的输出功率X1当前和第二柴油机12的输出功率X2当前时，是通过给出调节对象设定转速值,通过调节转速来控制功率分配。
本发明的基于柴柴并车联合推进带PTO轴带发电机的动力装置可应用在科考船、海洋工作船等多种船舶上。
Claims (8)
1.一种基于柴柴并车联合推进带PTO轴带发电机的动力装置，其特征在于，包括第一柴油机、第二柴油机、第一柴油机电控系统、第二柴油机电控系统、齿轮箱、用于控制所述齿轮箱的接排及脱排的齿轮箱控制机构、PTO轴带发电机和并车控制装置；
所述第一柴油机的输出端与所述齿轮箱的第一输入轴连接，所述第二柴油机的输出端与所述齿轮箱的第二输入轴连接，所述PTO轴带发电机的输出端与所述齿轮箱的第一输出轴连接，所述齿轮箱的第二输出轴与船舶的螺旋桨轴连接；
所述的并车控制装置分别与所述的第一柴油机电控系统、第二柴油机电控系统、齿轮箱控制机构通信连接，用于通过第一柴油机电控系统控制第一柴油机的转速、通过第二柴油机电控系统控制第二柴油机的转速、通过齿轮箱控制机构控制齿轮箱的接排和脱排，并接收第一柴油机电控系统反馈的第一柴油机的转速信号和输出功率信号、第二柴油机电控系统反馈的第二柴油机的转速信号和输出功率信号、齿轮箱控制机构反馈的接排脱排状态。
2.如权利要求1所述的基于柴柴并车联合推进带PTO轴带发电机的动力装置，其特征在于，所述第一柴油机的额定功率大于等于所述第二柴油机的额定功率；所述的并车控制装置包括接排控制模块、功率分配模式确定模块、第一功率分配模块和第二功率分配模块；
接排控制模块，用于根据外部输入的并车控制指令，基于接收的第一柴油机的转速信号和第二柴油机的转速信号，通过第二柴油机电控系统控制第二柴油机的转速和/或通过第一柴油机电控系统控制第一柴油机的转速，使第二柴油机的转速与第一柴油机的转速达到同步，在第二柴油机的转速与第一柴油机的转速达到同步后，通过齿轮箱控制机构控制齿轮箱的第二柴油机离合器接排，使第二柴油机输出的扭矩被传递到螺旋桨轴；
功率分配模式确定模块，用于根据第一柴油机的额定功率X1、第二柴油机的额定功率X2、螺旋桨的额定收到功率负荷X3、PTO轴带发电机的额定功率负荷X4、螺旋桨轴系传动效率η1、PTO轴带发电机的效率η2、第一柴油机的额定转速下油耗最低功率X5和第二柴油机的额定转速下油耗最低功率X6确定功率分配方式，其中，若X1≤X3/η1+X4/η2≤X1+X2，且X3/η1+X4/η2≥X5+X6，则确定由第一功率分配单元对第一柴油机和第二柴油机的输出功率进行分配调节，若X1≤X3/η1+X4/η2≤X1+X2，且X3/η1+X4/η2＜X5+X6，则确定由第二功率分配单元对第一柴油机和第二柴油机的输出功率进行分配调节；
第一功率分配模块，用于在齿轮箱的第二柴油机离合器接排成功后，使第一柴油机的输出功率X1当前达到并使第二柴油机的输出功率X2当前达到
第二功率分配模块，用于在齿轮箱的第二柴油机离合器接排成功后，使第一柴油机的输出功率X1当前达到X3/η1+X4/η2—X6，并使第二柴油机的输出功率X2当前达到X6。
3.如权利要求2所述的基于柴柴并车联合推进带PTO轴带发电机的动力装置，其特征在于，所述的第一功率分配模块用于通过PID算法控制第一柴油机的输出功率X1当前和第二柴油机的输出功率X2当前的分配，如果在预设的时间t1内实现了∣X1/X2－X1当前/X2当前∣≤S1，则第一功率分配模块向外部输出并车成功状态信号，如果在预设的时间t1内不能实现∣X1/X2－X1当前/X2当前∣≤S1，则第一功率分配模块向外部输出报警信号；3％≤S1≤8％。
4.如权利要求2或3所述的基于柴柴并车联合推进带PTO轴带发电机的动力装置，其特征在于，所述的第二功率分配模块用于通过PID算法控制第一柴油机的输出功率X1当前和第二柴油机的输出功率X2当前的分配，如果在预设的时间t2内实现了∣X1当前－X2当前∣/X2当前≤S2，则第二功率分配模块向外部输出并车成功状态信号，如果在预设的时间t2内不能实现∣X1当前－X2当前∣/X2当前≤S2，则第二功率分配模块向外部输出报警信号；3％≤S2≤8％。
5.如权利要求1所述的基于柴柴并车联合推进带PTO轴带发电机的动力装置，其特征在于，所述的并车控制装置为单片机。
6.带PTO轴带发电机的柴油机实现自动并车的方法，其特征在于，包括以下步骤：
并车控制装置在接收到外部输入的并车控制指令后，根据接收的第一柴油机的转速信号和第二柴油机的转速信号，判断第二柴油机的转速与第一柴油机的转速是否同步；其中，第一柴油机驱动螺旋桨轴旋转，并带动PTO轴带发电机运行在PTO模式；第一柴油机的额定功率大于等于第二柴油机的额定功率；
如果第二柴油机的转速与第一柴油机的转速未同步，并车控制装置通过第二柴油机电控系统控制第二柴油机的转速和/或通过第一柴油机电控系统控制第一柴油机的转速，直至第二柴油机的转速与第一柴油机的转速达到同步；
在第二柴油机的转速与第一柴油机的转速达到同步后，并车控制装置通过齿轮箱控制机构控制齿轮箱的第二柴油机离合器接排，使第二柴油机输出的扭矩被传递到螺旋桨轴；
并车控制装置根据第一柴油机的额定功率X1、第二柴油机的额定功率X2、螺旋桨的额定收到功率负荷X3、PTO轴带发电机的额定功率负荷X4、螺旋桨轴系传动效率η1、PTO轴带发电机的效率η2、第一柴油机的额定转速下油耗最低功率X5和第二柴油机的额定转速下油耗最低功率X6确定功率分配方式，其中，若X1≤X3/η1+X4/η2≤X1+X2，且X3/η1+X4/η2≥X5+X6，则确定采用按比例分配功率的方式，即在齿轮箱的第二柴油机离合器接排成功后，使第一柴油机的输出功率X1当前达到并使第二柴油机的输出功率X2当前达到若X1≤X3/η1+X4/η2≤X1+X2，且X3/η1+X4/η2＜X5+X6，则确定采用使第二柴油机工作在额定转速下油耗最低功率的功率分配方式，即在齿轮箱的第二柴油机离合器接排成功后，使第一柴油机的输出功率X1当前达到X3/η1+X4/η2—X6，并使第二柴油机的输出功率X2当前达到X6；
并车控制装置基于接收的第一柴油机电控系统反馈的第一柴油机的输出功率信号以及第二柴油机电控系统反馈的第二柴油机的输出功率信号，按照上述的确定的功率分配方式控制第一柴油机的输出功率X1当前和第二柴油机的输出功率X2当前。
7.如权利要求6所述的带PTO轴带发电机的柴油机实现自动并车的方法，其特征在于，所述的并车控制装置通过PID算法控制第一柴油机的输出功率X1当前和第二柴油机的输出功率X2当前按比例分配功率的方式进行分配，如果在预设的时间t1内实现了∣X1/X2－X1当前/X2当前∣≤S1，则并车控制装置向外部输出并车成功状态信号，如果在预设的时间t1内不能实现∣X1/X2－X1当前/X2当前∣≤S1，则并车控制装置向外部输出报警信号；3％≤S1≤8％。
8.如权利要求6所述的带PTO轴带发电机的柴油机实现自动并车的方法，其特征在于，所述的并车控制装置通过PID算法控制第一柴油机的输出功率X1当前和第二柴油机的输出功率X2当前按照使第二柴油机工作在额定转速下油耗最低功率的方式进行分配，如果在预设的时间t2内实现了∣X1当前－X2当前∣/X2当前≤S2，则并车控制装置向外部输出并车成功状态信号，如果在预设的时间t2内不能实现∣X1当前－X2当前∣/X2当前≤S2，则并车控制装置向外部输出报警信号；3％≤S2≤8％。
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