第二章 船舶轴系布置及设计

第二章船舶轴系布置及设计——熊振林学习目标知识目标1、正确叙述和理解船舶推进装置的型式及特点；2、正确理解和掌握船舶轴系的布置设计及结构设计；3、熟悉船舶轴系的材料及性能。能力目标1、会根据船舶用途、航区、选择推进装置的型式；2、会进行船舶轴系的布置设计；3、会正确选用船舶轴系的材料。主要内容推进装置型式及其特点船舶轴系的任务、组成、及设计要求船舶轴系的布置设计传动轴的计算及强度校核传动轴的结构设计传动轴承及尾轴管装置船舶轴系附件轴系材料推进装置的组合选择•按船舶用途、种类与要求•按主机总功率的大小•按船舶航区的吃水深度•按推进装置的经济性货船、油船客船渡船、拖船、渔船港作船挖泥船、破冰船Tips:在考虑推进装置型式时，要抓住主要矛盾，从全局的经济性出发，权衡利弊，优化方案，采用最佳的推进装置型式。推进装置的组合选择低速柴油机往复蒸汽机中速柴油机汽轮机减速齿轮箱定距桨低速柴油机汽轮机燃气轮机中、高速柴油机减速齿轮箱发电机电动机可发转减速齿轮箱水泵调距桨定距桨喷水推进器可反转式不可反转式发动机传动设备推进器推进装置的组合船舶推进装置的发动机与传动设备的组合，可分为下列五类：1、柴油机推进装置：低速柴油机直接传动式；中、高速柴油机齿轮减速器式；中、高速柴油机电传动式。2、汽轮机推进装置；汽轮机齿轮减速器式；汽轮机电传动式。3、燃气轮机推进装置：燃气轮机齿轮减速器式；燃气轮机电传动式。4、联合式推进装置：柴油机燃气轮机齿轮减速器式；燃气轮机汽轮机齿轮减速器式。5、核动力推进装置：汽轮机减速器式；汽轮机电传动式。直接传动推进装置直接传动是主机直接通过轴系把功率传给螺旋桨的传动方式，在主机与轴系中无其它传动设备，在任何工况下，螺旋桨与主机具有相同的转速与转向。结构简单；使用寿命长；燃料费用低；维修保养方便；噪声低；传动损失小；推进效率高柴油机重量与尺寸大；倒车必须利用可逆发动机，其机动性差；非设计工况下运转时经济性差；低速和微速航行受到柴油机最低稳定转速的限制间接传动间接传动是通过传动设备（机械的、电动的或液动的），使主机与轴系连接在一起的一种传动方式。*重量与尺寸小；*主机的转速不受螺旋桨要求的转速限制；*轴系布置方便；*带倒顺离合器时可选用不可逆转的主机；*有利于多机并车、单机分车与轴带发电机布置。*结构复杂；*传动损失大；*效率低柴油机减速齿轮箱主推进装置形式单机单桨刚性直接传动，定距螺旋桨，主机反转单机单桨刚性直接传动，调距桨，主机不反转单机单桨齿轮减速传动，定距螺旋桨，双转向齿轮箱，主机不反转双机单桨齿轮减速传动，定距螺旋桨，主机反转三机单桨齿轮减速传动，调距桨，主机不反转推进装置的形式柴油机—燃气轮机单桨齿轮减速联合传动，调距桨，主机不反转燃气轮机—燃气轮机单桨齿轮减速联合传动，调距桨，主机不反转双机单桨电传动，定距螺旋桨，主机不反转柴油机动力装置*可调螺距螺旋桨（调距桨）装置在部分负荷下能有较好的经济性；能适应船舶阻力的变化，充分利用主机的性能；主机或减速齿轮箱不必设换向装置，使其结构简化；可提高船舶的机动性和操纵性；有利于驱动辅助负载。•机构比较复杂，整个装置制造、安装及维修保养困难，造价高；•桨毂尺寸较大，在设计工况下效率比定距桨低优点缺点可调螺距螺旋桨（调距桨）装置电力传动推进装置电力传动是主机驱动主发电机发电，然后网，再由电网供电给电动机驱动螺旋桨的一种传动型式。主机和螺旋桨间没有机械联系，机、桨可任意距离布置。优点1、机组配置和布置比较灵活、方便，舱室利用率高；2、改变直流电动机的电流方向可使螺旋桨转向改变，便于遥控，机动性和操纵性好；3、发电机转速不受螺旋桨转速的限制；正倒车具有相同功率和运转性能，具有良好的拖动性能。缺点1、能量经过两次转换，损失大，传动效率低；2、增加了发电机和电动机，装置总的重量和尺寸较大，造价和维修费用较贵。电力传动推进装置Z型传动推进装置Z型传动推进装置特点：1、操纵性能好，螺旋桨的推力方向可以自由变化，使船舶操纵性优于其它传动型式。2、可以省掉舵尾柱和尾轴管结构，使船尾形状简单，船体阻力减小。3、可以使用重量轻、体积小的中、高速柴油机，不需要单独的齿轮减速装置，不需要主机有换向机构，可以延长柴油机的使用寿命。4、由于这种装置垂直悬挂在船尾，吊装维修方便。由于结构上的原因，传动功率受到一定限制，适用于狭窄航道的小型船舶。推进装置的组合选择•按船舶用途、种类与要求•按主机总功率的大小•按船舶航区的吃水深度•按推进装置的经济性货船、油船客船渡船、拖船、渔船港作船挖泥船、破冰船Tips:在考虑推进装置型式时，要抓住主要矛盾，从全局的经济性出发，权衡利弊，优化方案，采用最佳的推进装置型式。主机的选型论证分析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。主机选型和螺旋桨的设计密切相关，包括推进装置设备的选型等。实际上是通过船、机、桨匹配计算和分析选定螺旋桨参数和主机型号，在满足设计技术要求（如航速、桨径、转速、功率）的基础上，同时考虑重量、尺寸、油耗、造价、可靠性、可维度、使用寿命、吊缸高度、振动等前提下，从而选择一套从主机到螺旋桨的最佳的推进装置。匹配设计的两个阶段初步匹配设计–已知船舶主尺度–船体的有效功率曲线Pe(V)–船舶要求的航速Vs–螺旋桨的直径D或转速n•确定螺旋桨的效率η0•螺距比p/D•螺旋桨的最佳直径•需主机的功率，便于主机与传动设备的选型。匹配设计的两个阶段终结匹配设计–主机的功率与转速–船舶的有效功率曲线–传动设备与轴系的传送效率ηs，–桨的收到功率Pd–船身效率ηh等•计算船舶所能达到的航速•螺旋桨的最佳要素(螺旋桨直径、螺距比及螺旋桨效率)主机选型中考虑的问题重量与尺寸功率与转速燃油与滑油主机的造价、寿命及维修振动与噪声柴油机的热效率和燃油消耗率各类船舶与各类柴油机动力装置的配合要点1、大、中型货船（散货船、油船、集装箱船）的要求：安全可靠，运行经济性高。配置方案：低速机+定距桨2、中小型货船，特别是中小型集装箱船的要求：除安全可靠经济性高外，考虑主机高度、船上运装更多的集装箱。配置方案：中速机+减速箱+定距桨3、客船（车客渡船、调查船等）的要求：安全性、操纵性、设置双桨。配置方案：中速机*2+定距桨4、政务船（渔政船、海监船）的要求：具有尖峰负荷的功能。配置方案：中速机*2+调距桨功率概念描述标定功率（也称额定功率）：在规定的环境状况（不同航区有不同的规定，如无限航区环境条件：绝对大气压为0.1MPa；环境温度为45℃；相对湿度为60％；海水温度“中冷器进口处”为32℃）和转速下，柴油机可以安全持续运转的最大有效功率或净有效功率，此档功率也可称最大持续功率。其相应的转速为标定转速（习称额定功率）。国外称此功率为MCR。超负荷功率：在规定的环境状况下，允许柴油机在一定时间内超负荷使用的最大功率。通常允许的超负荷功率是标定功率的110％，允许的超负荷时间是每12h中运转1h。国外称为OR。经济功率：根据柴油机的用途和使用状况，在燃油消耗和维修方面都比较经济的持续运转功率。一般为标定功率的85％～92％。国外有一种持续服务功率，称CSR，在海上航行时，可持久运转的功率，约85％～90％MCR。第二节轴系的任务、组成及设计要求轴系—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。是船舶动力装置的基本组成部分。轴系的任务轴系的基本任务是：连接主机(机组)与螺旋桨,将主机发出的功率传给螺旋桨,同时又将螺旋桨所产生的推力通过推力轴承传给船体,以实现推进船舶的使命。1-舵2-螺旋桨3-尾轴4-尾轴管5-轴封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-主机曲轴轴系的组成1.传动轴：中间轴、推力轴、尾轴或螺旋桨轴2.支承轴承：中间轴承、推力轴承及尾管轴承3.联轴器：固定联接法兰、可拆联轴节、液压联轴节、弹性联轴节、夹壳联轴节、齿形联轴节、膜片联轴节、万向联轴节等4.轴系附体(用于连接传动轴的联轴器；制动器；隔舱填料函、尾管密封；还有中间轴承、推力轴承、尾管轴承的润滑与冷却管路等)5.减速齿轮箱6.电气接地装置轴系的组成轴系的工作条件一般位于水线以下，有一部分伸出船壳，长期浸泡在水中在运转中产生的负荷和应力十分复杂螺旋桨在水中旋转的扭应力；推进中的正倒车产生的拉、压应力；轴系自重产生的弯曲应力；轴系安装误差、船体变形、轴系振动以及螺旋桨的水动力等所产生的附加应力轴系设计的任务轴系设计的任务：根据船舶总体设计的要求，确定推进轴系的布置和各部件的尺寸及材料，以保证整个轴系能安全、平稳地完成各种工况下的推进和机动任务。船舶总体设计的要求及推进轴系的具体特点全面分析不断反复、调整的过程必须整体考虑国内螺旋桨由总体专业设计主机由厂方提供必要的数据减速齿轮箱、弹性联轴器等外购，也可成套轴系零件应尽量选用标准件轴系设计流程轴系环境与条件：船体型线、主机参数、螺旋桨参数、船体结构、主机位置、螺旋桨位置、尾管、轴支架位置、密封型式等轴系布置草图轴径、轴材料轴承间距及负荷尾轴尾管总图轴系布置图各部详图扭振计算纵振计算教中计算回旋振动计算有问题通过有问题通过轴系种类及设计要点轴系应保证在船舶横倾15°、横摇22.5°、纵倾5°、纵摇10°时以及上述几种情况同时发生时能可靠的运行。*轴系一般有单轴系和双轴系单轴系–对短轴系(如尾机舱型),应注意螺旋桨抽出方案(包括抽出所需空间位置)。一般考虑在船内抽出,船内抽出不可能时，则向船外抽出。螺旋桨轴如向船内抽出，则需考虑抽出空间，螺旋桨轴可用整锻法兰；向船外抽出时，螺旋桨轴应使用可拆式联轴节。单轴系要注意轴承间距和校中计算，尤其是尾管前后轴承的负荷分配。每一根中间轴一般只设一个中间轴承，对极短中间轴可不设中间轴承。–长轴系(如中机舱型)，则应注意轴承间距及回旋振动的计算。轴系种类及设计要点双轴系–轴承间距与轴径比l/d较大时，特别要注意回旋振动；–注意轴线与基线及纵中心线的夹角，从而考虑推进分量和主机的允许倾斜度；–螺旋桨轴大部分在船体外，应注意防腐蚀。轴系种类及设计要点调距桨轴系–由于轴不仅承受螺旋桨的推力，还要承受调距推进杆(如用推进杆调距时)的轴向力，所以轴系各部分尺寸均需考虑该力的作用；–由于调距桨在系泊时能发挥主机全功率,系泊推力大,因此，推力轴承及其他有关轴系部件均需考虑系泊推力的作用；–配油器位置应尽量靠近尾舱(对使用推拉杆调距时)，推拉杆最长不应大于20m；–在相同的功率和转速下,调距桨比定距桨重,所以对尾管后轴承的受力应予仔细考虑轴系设计要求1)有足够的强度和刚度，工作可靠并有较长的使用寿命；2)有利于制造和安装，在满足工作需要的基础上，力求简化，使制造与安装方便并便于日常的维护保养；3)传动损失小、合理选择轴承种类、数目及润滑方法；4)对船体变形的适应性好，力求避免在正常航行状态下因船体变形引起轴承超负荷；5)保证在规定的运行转速范围内不发生扭转、横向和耦合共振；6)避免海水对尾轴的腐蚀，尾管装置具有良好的密封性能；7)尽可能减小轴的长度和减轻轴的重量。轴线的确定及其布置轴线是指主机（或离合器或齿轮箱）输出法兰端面中心至螺旋桨桨毂端面中心间的连线.轴线的数目：根据船舶类型、航行性能、生命力、主机形式及特性、装置的成本及其在各种工况下的经济性和可靠性确定。轴线的长度：1-螺旋桨；2-螺旋桨轴榖；3-轴线；4-齿轮箱输出法兰；5-齿轮箱；6-主机1轴线的位置一般但轴系的轴线，布置在船舶的纵剖面上；双轴系的轴线往往对称布置在船舶两舷；而三轴系的轴线，其中一根布置在船舶的纵中剖面上，其余两根轴线则对称布置在两舷。主机（或齿轮箱）输出法兰位置较高，吃水教浅为保证螺旋桨的边缘离开船体外板有一定的间隙主机(机组)布置的原则1)对称布置：考虑到重量平衡及便于布置与方便操作，对单主机，一般布置在船舶纵中剖面上，即船舶首尾中心线上；对双主机