第二章推进装置设计.

第二章推进装置设计•能力目标：掌握推进装置总体设计的基本原则；掌握图谱法主机选型设计的方法。掌握传动设备的选型方法。•知识目标：掌握各种传动型式的特点；掌握传动设备的工作原理；掌握轴系校中计算的基本方法第一节概述•推进装置是船舶动力装置的重要组成部分，它包括主机、传动设备、轴系和推进器等。其作用是由主机发出功率，并通过传动设备和轴系将功率传递给推进器，以推进船舶。•推进装置的设计是根据船舶设计任务书的要求，设计出一套经济、可靠、机动性及操纵性好的推进装置。具体的内容一般包括推进装置的型式确定，主机的选型，轴系的设计以及传动设备的计算与选型。图2-1某船推进装置简图1-主机；2-高弹性离合器；3-减速齿轮箱；4-中间轴；5-轴承座；6-螺旋桨轴；7-定距螺旋桨第二节推进装置型式的确定与选型分析2.1推进装置的传动方式与组合选择1.直接传动推进装置主机直接通过轴系把功率传给螺旋桨，在主机与轴系中间无其它传动设备在任何工况下，螺旋桨与主机具有相同的转速与转向。轴系主机螺旋桨直接传动推进装置多用于：大型商船，单机单桨；客船，多为双机双桨。优点：1.结构简单，维护管理方便，只要安装定位正确，平时管理只要注意轴系的润滑和冷却；2.经济性好；传动效率高；可采用劣质油；螺旋桨效率高3.主机多为大型低速柴油机，因此噪声小，振动小（因低速）；4.工作可靠，寿命长。缺点：1.重量尺寸大；不适用于要求机舱小的特种船舶2.倒车及机动性能差，要求主机可逆转3.非设计工况下经济性差（因耗油率增大）4.微速受限于主机的最低稳定转速（耗油率增大，转速不稳）2间接传动推进装置通过传动设备将主机与轴系连接在一起的一种传动方式。主机转速与螺旋桨转速有差别或保持一定的速比。轴系主机螺旋桨减速器/离合器轴带发电机(Shaftgenerator)特点：(1)主机功率经轴系、传动设备传给螺旋桨;(2)机桨不同转速；(3)机桨可同轴，也可不同轴。分类:（按中间传动设备型式）:(1)带齿轮减速器（一级或多级）；(2)只带离合器；(3)带减速器和离合器。间接传动推进装置多用于中小型船舶主机；采用大功率中速机、汽轮机、燃气轮机船主机或联合主机之一。优点：1.主机转速不受螺旋桨低速要求的限制，只要减速比适当，螺旋桨效率可达最佳；2.轴系布置比较自由，可、同心布置，也可不同心布置，改善螺旋桨工作条件；3.带正倒车离合器时主机不必换向，从而使主机结构简单，工作可靠，管理方便，同时操纵性和机动性得到提高；4.有利于采用多机并联运行及设置轴带发电机。缺点：1.轴系结构复杂；2.传动效率低。3.特殊传动推进装置电力传动；可调螺距螺旋桨传动；液压马达传动；Z型推进和同轴对转螺旋桨传动等。1）可调螺距螺旋桨推进装置•通过改变螺旋桨螺距来改变船舶航速和正倒航向。•特点：在部分负荷下能有较好的经济性；能适应船舶阻力的变化，充分利用主机的功率；机构比较复杂、造价高。2）电力传动推进装置是主机驱动发电机组发电，然后并网，再由电网供电给电动机驱动螺旋桨的一种传动型式。电力传动推进装置主要应用：工程船和特种船（如拖轮、渡轮、挖泥船、渔船、破冰船）优点:1.机桨无机械联系,不设中间传动轴，轴系短2.主机布置自由3.主机可恒速运转，不用换向4.操纵性能好且迅速因螺旋桨的反转是依靠电动机电流方向的改变而实现的同时倒车功率等于正车功率。5.便于实现遥控6.停航时，主机发出的电力可作其它用途缺点：1.需要经过机械能变电能、电能变机械能的两次能量转换，传动效率低；2.增加了主发电机和主电动机，使动力装置总重量和尺寸都增大，造价和维护费用提高。3）Z型传动推进装置主机经万向轴和轴系带动螺旋桨、螺旋桨轴可360回转，船舶不设舵。1-主机2-联轴器3-离合器4-万向轴5-滑动轴承6-弹性联轴节7-滚动轴承8-上水平轴9-上部螺旋锥齿轮10-涡轮蜗杆装置11-齿式联轴器12-垂直轴13-螺旋桨14-下部螺旋锥齿轮15-下水平轴16-旋转套筒17-支架[14]优点：省舵、尾轴管，船尾状简单，阻力小操纵性能好，可原地回转与中高速机连用，且不设单独的减速装置主机不用换向，寿命延长3）同轴对转螺旋桨传动装置4.选择传动方式的四个原则1）按船舶用途、种类与要求•航行工况稳定的船舶，推进装置大多数是单机单桨直接传动，螺旋桨使用定距桨，在设计工况下推进效率较高。•客船要求较高的航速，吃水相对较浅，同时考虑其安全性能、机动性和操纵性要求较高，因此，其推进装置多采用双机双桨。如果主机采用中、高速机，则必须采用间接传动。•工况变化频繁的船舶，机动性要求高，而且机舱尺寸有限，故采用中、高速机，多机多桨，并采用间接传动或调距桨。对于特殊的工程船可采用电力传动装置。4.选择传动方式的四个原则2）按主机总功率的大小：主机总功率若要求过大，则采用多机多桨，多机单桨等形3）按船舶航区的吃水深度：吃水深度影响螺旋桨的直径。4）按推进装置的经济性：初始投资、运输成本等等。2.2主机的选型分析•主机选型是根据设计任务书中的技术要求以及船体设计所提供的资料来进行的，与螺旋桨的设计密切相关。•推进装置的选型是通过船、机、桨匹配计算和分析选定螺旋桨参数和主机功率、转速等参数，在满足设计的技术要求基础上，同时考虑重量和尺寸、油耗、造价、可靠性、可维度、使用寿命、等因素，选择一套从主机到螺旋桨的最佳方案。•机桨匹配计算可分为初步匹配和终结匹配两阶段。⒈初步匹配设计•已知船体主尺度、船体的有效功率曲线、船舶要求的航速，螺旋桨的直径D或转速n、确定螺旋桨的效率、螺距比p/D、螺旋桨的最佳直径及所需主机的功率，便于主机与传动设备的选型。•初步匹配设计有两种方案:1）已知螺旋桨直径D求转速n；2）已知螺旋桨转速n求直径D。0sV相对旋转效率—散水效率；—轴系传递效率；—航速；—伴流分数；—推力减额分数；—注：0aVt•由图2－3和图2－4可以得出螺旋桨的效率、螺距比p/D、螺旋桨的最佳直径（或转速）及所需主机的功率和转速等参数，我们可以根据这些数据来选定主机。在选择主机时还要考虑其它一些因素，如：功率储备问题；传动型式是直接还是间接传动或特殊传动；是否需要减速，速比为多少等。⒉终结匹配设计•按照初步匹配设计所确定的主机功率与转速所选用的主机与传动设备，其功率与转速与初步匹配设计时不完全相同，还需要进行终结匹配设计。终结匹配设计即是根据选定主机的功率和转速、传动设备与轴系的传送效率，算得桨的收到功率、桨的功率、船身效率等，计算船船舶所能达到的航速和螺旋桨的最佳要素。终结匹配设计由表2－3所列步骤计算，结果由作图2－5确定。•以上是针对某一盘面比的桨进行计算的，在实际匹配设计中还要选择若干盘面比的梁来进行比较，得出不同盘面比所能达到的航速和螺旋桨要素，然后进行螺旋桨的空泡计算校核，得出其不发生空泡的最小盘面比的螺旋桨及所对应的最大航速和螺旋桨参数。⒊主机选型中考虑的问题•通过匹配设计，得出为达到船舶所要求的航速而需要的主机功率与最佳转速。然后在现有的主机中选取最合适的主机。还有一些具体的要求需要考虑：•⑴重量与尺寸•⑵功率与转速•⑶燃油与滑油•⑷主机的造价、寿命及维修•⑸振动与噪声•⑹柴油机的热效率与燃油消耗率3.1轴系的任务；3.2轴系的组成；3.3对轴系的要求第三节轴系的任务、组成与设计要求3.1轴系的任务•船舶轴系是船舶动力装置中的重要组成部分，承担着将主机发出的功率传递给螺旋桨，再将螺旋桨产生的轴向推力传递给船体实现推船航行的目的。•船舶轴系的结构较为简单，但作用十分重大，维护管理好轴系，对保证船舶的安全航行至关重要。3.2轴系的组成船舶轴系主要包括：传动轴（中间轴、推力轴、尾轴或螺旋桨轴等）轴承（中间轴承、推力轴承及尾轴承）轴系附件（刚性联轴节、轴系制动器、隔舱填料函）图2-6单桨推进装置轴系简图1-舵；2-螺旋桨；3-尾轴；4-尾轴管；5-轴管；6-中间轴；7-中间轴承；8-隔舱填料函；9-推力轴；10-推力轴承；11-主机曲轴3.3轴系的设计要求1.工作可靠且有较长的使用寿命。2.尽量采用标准化结构。3.传动损失小，以提高推进效率。4.良好的抗振性能。5.对船体变形的敏感性小。6.良好的密封性。7.质量、尺寸要小，提高船舶运行的经济性。第四节轴系布置设计1.确定轴线的数目、位置和长度；2.初步选定轴承位置和间距等，绘制相关草图（包括滑油、冷却水系统）；3.选用或设计轴系部件，进行轴系的强度计算和振动计算；4.进行修改，绘制轴系布置图及安装总图等。步骤：1.轴线的数目取决于船型、航行性能、生命力、主机型式和数量、经济性、可靠性等因素。大型货船、油船——单轴线；客船、拖船、集装箱船、有特殊要求的船舶——两根轴线；军用船舶——三根甚至四根轴线。4.1轴线的数目、长度、位置及布置轴线定义：主机（或推进机组）输出法兰中心与螺旋桨中心的连线称为轴线，也称轴系理论中心线。2.轴线及轴段长度的确定轴线是一根线段，它的长度与位置决定于两个端点。前端点为主机（或推进机组）的输出法兰中心，后端点为螺旋桨的桨毂中心。1）对称布置;2）轴线布置应尽量与船体基线平行；3）主机应尽量靠近机舱壁布置，以缩短轴线长度；4）应考虑主机左、右、前、底与上部是否满足船舶规范，拆装与维修要求以及吊缸的高度是否足够等因素。3.主机位置布置原则：1）螺旋桨应有一定得浸没深度；2）螺旋桨不应超出船体中部轮廓之外；3）叶梢应尽量高于船体基数以避免螺旋桨在浅水区域航行时被碰坏；4）叶梢与尾柱距离d不能太小，否则受叶梢处的高速水流冲刷，尾柱易被浸蚀。5）桨和舵叶之间也要留有一定的间隙；6）螺旋桨和船体歪板间距c不应太小，避免造成船体的振动及不必要的附加阻力。4.螺旋桨的布置原则：1.轴承数量1）每根中间轴一般只设一道轴承2）螺旋桨轴一般设两道轴承2.轴承的间距4.2轴承的设置)(9.2432mincmdl中间轴承最小间距•式中：d—轴径，cm•在轴系布置时，应使轴承的间距l不小于lmin）（中间轴承最大间距cm5.778maxl•轴承长度为08d；•允许比压[p]；•轴承安装误差不超过±0.25mm；•轴承附加负荷所产生的比压不大于0.34MPa加大中间轴承间距可以减小轴承的附加负荷，但轴承间距要受到下列因素的限制：1）轴系临界转速的限制。2）比压和挠度的限制。3）工艺条件的限制。3.尾轴承的间距通过计算和实船调查，l/D值推荐采用以下数据：D–尾轴基本直径40~16/mm230~80D25~14/mm400~230D12/mm650~400DDlDlDl时当时当时当1）中间轴承应安装在靠近法兰处，即轴承中心到连接法兰的距离等于中间轴全长的0.2倍；如图2-11所示。2）中间轴承应安装在船体结构较强、变形相对较小的部位；3）通过计算，调节各中间轴承高低位置，将轴系布置成曲线状态。4.3轴承的位置图2-11中间轴承支座4.4轴承负荷1）轴承负荷的大小用轴承比压p表示：)/(2mNLDRp式中：R—轴承负荷，N；D—轴颈直径，m；L—轴承长度，m。2）轴承负荷的调整：轴承负荷比压过大或过小都是不适宜的，理想的状态是使各道轴承比压值大致相等。《钢制海船建造与入级规范》(2001)规定：“每个轴承应为正压力。且应不小于相邻两跨轴质量的20%。”3）轴承负荷计算中支点位置的确定第五节传动轴设计传动轴组成：螺旋桨轴、尾轴、中间轴和推力轴5.1螺旋桨轴和尾轴（图2-17）•螺旋桨轴位于轴系的最后端，尾部安装螺旋桨，首部通过联轴节与中间轴或推进机组输出法兰相连。•一般情况下螺旋桨轴即尾轴，只有当螺旋桨轴伸出船体过长时，才分为两段，装螺旋桨的一段轴称为螺旋桨轴，通过尾轴管的一段轴称为尾轴。图2-17尾轴和螺旋桨轴1-螺旋桨；2-人字架；螺旋桨轴；4-夹壳联轴器；5-尾轴；6-尾管螺旋桨的基本结构：图中a可拆卸法兰的螺旋桨轴（可在船外进行拆装）b整体式法兰的螺旋轴（必须在船内进行拆装）一、螺旋桨轴的尾部结构•螺旋桨轴的尾部是供安装螺旋桨之用，制成锥体，主要为了便于拆装。主机的转矩靠螺旋桨