轮机导论-第4讲-船舶轴系与动力传递方式-船舶推进装置分解

3.1概述3.2轴系3.3动力传递方式3.4动力传递过程船舶推进装置推进装置是提供船舶正常航行所需推动力的一整套设备，其中包括：（1）主机：主机是指推进船舶航行的动力机，是动力装置的最主要部分，如柴油机、蒸汽轮机、燃气轮机等。（2）船舶轴系：它用来将主机的功率传递给推进器，它包括传动轴、轴承和密封件等。3.1概述（3）传动设备：传动设备是将主机动力传递接通或断开给推进器的中间部件，主要包括起接合或断开作用的离合器、减速箱和联轴器等。（4）推进器：它是能量转换的设备，是将主机发出的能量转换成船舶推力的设备，如螺旋桨和喷水推进器等，大部分船舶使用螺旋桨。3.1概述3.2船舶轴系船舶轴系是船舶动力装置的基本组成部分，在推进装置中，从发动机的输出法兰到推进器之间，以传动轴为主的一整套设备被称为轴系。1、作用船舶轴系位于主机的输出法兰和螺旋桨之间，其作用是将主发动机发出的扭矩递给螺旋桨，同时又将螺旋桨所产生的轴向推力，通过轴系，推力轴承而传至船体以推动舰船运动。（一）轴系的作用与组成2、组成为满足各类船舶的要求，轴系的结构种类也越来越多。有螺旋桨推进装置轴系，可调螺距螺旋桨推进装置轴系，正、反转螺旋桨推进装置轴系，可回转式螺旋桨推进装置轴系。而且不同轴系之间的结构差别较大。但是，目前我国民用船舶中，广泛采用的是常规螺旋桨推进装置轴系。尾轴5又称螺旋桨轴，螺旋桨2就安装在其伸向船外的悬壁端上，并支承在尾柱上的尾轴管3内的尾轴承上，为防止海水由此进入船内，由尾轴管密封装置或填料函4一起起密封作用。与主机相连的推力轴9，通过法兰联轴节与中间轴6相连接；中间轴尾端再与尾轴连接，为保证中间轴的正常工作需要在船体基座上设置若干个中间支承轴承7。1）传动轴；2）支承件；3）密封件螺旋桨通过轴系传递将主机的带动旋转下所产生的有效推力由推力轴传给推力轴承10，再由推力轴承座传给船体，达到推动船舶前进或后退的目的。对中间支承轴承7来说只承受中间轴颈的径向负荷，而不承受轴向力，而尾轴、中间轴及推力轴在传递主机的扭转力矩给于螺旋桨同时，均承受轴向负荷。a)推力轴：通常直接与主机相连接并带有推力轴承的轴。推力传递过程：(1)将主机的扭矩传给中间轴；(2)把中间轴上螺旋桨的推力传给船体；(3)对轴系轴向定位。螺旋桨→推力环→油膜→推力块→推力轴承座→船体作用：1）传动轴b)螺旋桨轴（或推进轴）：轴上装有螺旋桨的轴。c)艉轴：在轴系穿过船体的地方装有专设的艉轴管，通过艉轴管的轴称为艉轴。有时螺旋桨位置靠近艉轴管，在此情况下，螺旋桨轴与艉轴成为一体，此时螺旋桨轴就起艉轴作用。d)中间轴：处于推力轴和螺旋桨轴之间相连的轴。2）支承件a)支承轴承，包括中间轴承，推力轴承，艉轴艉管轴承，艉轴架轴承等；b)艉轴艉管；c)艉轴架（俗称美人架）等。3)密封件a)艉轴艉管密封；b)隔舱填料箱。船舶轴系的设计工作一般从轴系布置开始。1、布置依据轴系的布置取决于船体的结构，主发动机和螺旋桨的布置，同时轴系布置必须结合整个舰船设计任务和要求以及螺旋桨，船体设计来进行的。轴系的数目是取决于船舶种类，船的航行性能，主机型式的特点，装置的生命力和可靠性以及轴系在船上布置的可能性等。（二）轴系的布置1）轴段长度与数量由于机舱位置和艉部型线的关系，较大船舶的轴系可长达数十米，中间轴有多根。艉部机舱的船上轴系很短，有时不用中间轴，而由推力轴直接和螺旋桨轴相连。2）维修空间在轴系较长的船舶上，必须装有水密的轴隧，在机舱和艉尖舱间围成水密的隔弄，以使轴系与货舱隔开。轴隧用水密门与机舱相通，供检修轴承，维护工作之用。轴隧高度应允许能搬运轴系之任何部件（高2米左右），轴隧中走道宽度应不小于500毫米，铺有花铁板和扶手。3）安全通道轴隧长度超过15米时，艉部必须开有逃生出口，直通上甲板，以备发生事故时，轮机人员可直接由轴隧逃出。轴隧艉部常留有较大空地，以供放置备用轴，轴系各种零件及油箱等物。小型舰艇上没有设置轴隧的必要。2、基本要求2．螺旋桨的布置螺旋桨位置应紧靠船体并不能露出水面及船体中部轮廓线；叶尖离开基线有一定距离。这样可以避免船舶在浅滩航行时，螺旋桨被碰坏，并能充分利用主机所发出的功率。但螺旋桨又不能与船体外板相距太近，以免造成船体的振动及不必要的附加阻力。如下图所示，螺旋桨的中心应与水面要有一定距离（即吃水深度T），[T=0.65~0.70）D]。为了螺旋桨不致和船体的外钣相距太近而造成船体的振动及不必要的附加阻力，螺旋桨叶尖与船体之间应有足够的间隙。在“船舶规范”中还建议推进器与艉柱、舵之间的最小间隙。图螺旋桨在艉部布置示意图1-横舯剖面肋骨线；2-边桨盘面处肋骨线；3-中间桨盘面处肋骨线2．轴线位置的确定理想的轴线位置最好是与船体基线（龙骨线）平行，而在多轴线时，二舷轴线最好是和纵舯剖面平行。但是这样理想的轴线布置往往是很难实现的。因为轴系的首尾位置必须依从于主机的布置和螺旋桨的安装，所以有时轴线和基线成倾斜角α或与纵剖面成偏斜角β，如下图所示。一般α限制在0°~5°之间，而β角限制在0°~3°之间。但是对于快艇动力装置来说，倾斜角α可达12°~16°，但超过16°是很少的，因为这样会大大减少推力而降低航速，并使主机润滑情况恶化。图轴线的倾斜角和偏斜角3．小艇轴系布置的特点a)小艇轴系的最大特点是具有较大的倾斜角α该角以螺旋桨直径D，主机减速箱输出法兰中心至发动机油底壳最低点距离H，发动机油底壳最低点至船底距离h以及螺旋桨叶与船体外壳间隙S等因素而定。如下图a)所示。螺旋桨叶尖与船体之间必须具有间隙以防止碰击和减少艉部振动，H值不小于100mm或不小于螺旋桨直径的15%，减速箱底部与船体之间的间隙h应考虑工作方便，一般不小于35mm。b)快艇经常采用V形传动以改善主机的布置和它的工作条件过大的倾斜角α对主机工作是不利的，而且布置也困难。因此有些快艇经常采用V形传动以改善主机的布置和它的工作条件。这样做还可以使机舱放在艉部，对船体布置及重心配置也有好处。如下图b)所示。3.3船舶动力传递方式推进装置是动力装置的主体，其技术性能直接代表动力装置的特点。由主机、传动设备和推进器三者不同形式的组合，构成多种多样具有各种不同特点的推进装置形式，其中比较常用的如表2-6所示。根据主机的功率传送到推进器的方式不同，推进装置可分为直接传动、间接传动、电力传动及特种传动等形式。表2-6常用推进装置形式直接传动是主机直接通过轴系把功率传给推进器的传动形式。如表2-6中1，2。轴系主机螺旋桨（一）直接传动1、主要优点1）传动效率高除轴系的传动功率损失外，没有其他功率损失，从而提高了整个推进装置的传动效率。2）经济性较好在直接传动的推进装置中，主机多数是大型低速柴油机，这类主机耗油率很低，并能燃用廉价的重油；部分采用中速柴油机，其耗油率也接近低速柴油机，并且解决了燃用重油的问题。这样就大大改善了推进装置的经济性。3）由于轴系转速低，螺旋桨的效率较高。4）装置简单，工作可靠，寿命长，管理维修方便。5）噪音较低。（一）直接传动2、主要缺点1）直接传动形式只能采用转速较低的发动机，如低速柴油机等，这类主机重量和尺寸指标都很高，对排水量较小，而功率较大的船舶是不利的。2）由于主机和螺旋桨是直接联接的，主机的工作直接受螺旋桨特性影响，对工况多变的船舶而言，当在部分负荷下运转时，推进装置的经济性有所下降。3）主机一般须能直接回行，这样主机的结构多了一套直接回行机构，使结构复杂化。（一）直接传动3、主要应用根据上述特点，直接传动形式特别适用于工况变化较少的航程较大的大型货船、客船、军辅船等。所以，在远洋运输船舶、沿海运输船舶中得到广泛的应用。（一）直接传动主机至推进器之间的功率传递，除需轴系外，还需通过某种传动设备（如齿轮减速器或离合器等）的传动形式称为间接传动。（如表2-6中3~7）轴系主机螺旋桨减速器/离合器轴带发电机（二）间接传动2、传动形式根据传动设备的不同，可分为以下几种：1）只带齿轮减速器的传动型式；2）只带离合器（或联轴节）的传动型式；3）既带齿轮减速器又带离合器的传动形式。根据主机和螺旋桨相互配置的数量，又可分为：1）单机单桨减速齿轮传动（如表2-6中3）。2）多机单桨（并车）齿轮传动（如表2-6中4~7）。3）单机双桨（分车）齿轮传动。1、特点：在这种传动形式中，主机转速与螺旋桨转速或者稍有差别，或者保持一定的速比。（二）间接传动3、主要优点1）由于采用齿轮减速传动，可通过选用合适的减速比，使主机转速不受螺旋桨低速转速的限制，螺旋桨可在最佳转速范围工作，有利于提高推进效率。2）由于采用重量尺寸均较小的中、高速发动机，使整个动力装置的重量尺寸相应地减小，易于在船舶上布置。3）对于航速高或大型船舶，可采用多机并车的传动方式，达到大功率输出的要求，也扩大了中、高速发动机的使用范围。（二）间接传动4）可以提高装置在部分负荷下的经济性。5）采用倒顺离合齿轮减速传动后，可选用操纵机构简单的不可反转柴油机作主机，并使船舶倒顺车的停车的操纵灵活、迅速，机动性提高，可延长柴油机使用寿命。6）在采用挠性离合器（如液力偶合器、电磁离合器、气胎离合器等）的情况下，可以吸收部分扭转振动和冲击载荷，起到保护主机和轴系的作用。（二）间接传动4、主要缺点间接传动由于增加了中间传动设备，降低了传动效率，装置也较复杂。在采用中，高速柴油机情况下，燃料及润滑油消耗率比低速柴油机大，加之难以使用重油而使燃料费用增加。（二）间接传动5、主要应用间接传动在吃水浅的内河船舶及沿海中、小型船舶上广泛应用。在以大型中速柴油机及汽轮机为主机的沿海、远洋船舶上，也普遍采用间接传动。对于军用舰艇，由于广泛采用汽轮机、燃气轮机及高、中速柴油机作推进主机，因此也普遍采用间接传动形式。（二）间接传动电力传动是由主机驱动发电机发电，供电给推进电动机，以驱动螺旋桨的一种传动形式。（如表2-6中8）特点：在这种传动形式中，主机与螺旋桨之间没有机械联系，主机和螺旋桨的转速可分别独立的选取，不管螺旋桨转速负荷如何变化，主机始终作恒速运转。当螺旋桨反转时，只需改变电动机的转向，而主机转向无须改变。主机负荷变化时，对于多机组装置，可以改变发电机组工作台数，使每一台主机都在良好状态下工作。（三）电力传动吊舱式电力推进器（Pod）将电机放在一个吊舱内，定距螺旋桨直接连接在电机轴上，可360度旋转，在任何方向上产生推力，不需要舵和侧推器。整个吊舱位于船体外侧浸泡在海水中直接向外散热，从而整个推进器不需要额外冷却。这种设计有利于减轻船体自身重量、节省空间，并且能够降低噪声和振动，使得机动性能更加良好，同时，还为推进器的制造、维护和检修提供了方便。目前，吊舱式推进装置的推进功率在1MW～20MW之间。Pod突破了传统的“柴油机加开放式的传动轴系”推进系统的设计定式，集推进和操舵装置于一体，省去了舵、轴系、轴支架等附体，能够重新优化船体尾部线型，改善阻力性能，极大地增加了船舶设计、建造和使用的灵活性。1、优点：1）机组配置和布置比较灵活、方便，可以布置在不宜装货的部位，多台机组增加了装置的生命力。2）改变电动机的电流方向即可实现螺旋桨转向的改变，便于遥控、操纵性好。3）主机不受螺旋桨的转速限制，可采用高速机，并在恒速下工作，使主机工作处于最佳状态。4）正倒车可以有相同的功率和运转性能，并有良好的拖动性能。5）所有的用电设备可共用一套动力装置。（三）电力传动2、主要缺点1）电力传动中增加了推进电动机、发电机及供电装置等，设备十分复杂，重量、尺寸大为增加。2）功率传递过程中存在二次能量转换，因而效率低（一般效率低于0.9）。3）大功率低速电动机制造困难，成本高，装置设备的修理和维护技术要求较高，因此较难推广应用。（三）电力传动3、主要应用目前多用于工程船舶和特种用途的船舶上，如布缆船、灯标船、自行浮吊、挖泥船、渔船、破冰船以及作为常规潜艇水下推进装置。（三）电力传动1．Z型传动装置（四）特种传动1）装置结构原理图2-29为Z型传动装置结构原理图。图中主柴油机1的功率，经联轴器2、离合器3