船舶动力装置原理与设计_第2章1_图文

1、 船舶动力装置原理与设计讲义船舶动力装置原理与设计讲义第2章主推进装置设计主讲:周瑞平樊红2006年03月主要内容主推进装置设计目的与内容主推进装置型式的确定主机的选型论证分析轴系设计轴系的合理校中设计P123456 2007年1月7日星期日2 2007年1月7日星期日 3作用是由主机发出功率,通过传动设备和轴系传给推进器,以实现推进船舶的使命推进装置的型式确定;主机的选型;轴系的设计;传动设备的计算与选型。 2007年1月7日星期日 4 主推进装置组成推进装置的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

2、,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2007年1月7日星期日5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 单桨 双桨 三桨 四桨 2007年1月7日星期日 6 主推进装置型式的确定 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

3、 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 柴油机 2007年1月7日星期日 7 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 减速 齿轮 箱 主机 2007年1月7日星期日 8 *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

4、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 2007年1月7日星期日 9 Controllable Pitch Propellers 2007年1月7日星期日 10 2007年1月7日星期日 11电力传动推进装置机组配置和布置比较灵活、方便,舱室利用率高;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;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。能量经过两

5、次转换,损失大,传动效率低;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。电力传动是主机驱动主发电机发电,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。主机和螺旋桨间没有机械联系,机、桨可任意距离布置。2007年1月7日星期日12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。货船、油船客船渡船、拖船、渔船港作船挖泥船、破冰船 2007年1月7日星期日 13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

6、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。2007年1月7日星期日14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0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。9101112134006008

7、001000120014001600180020002200压载状态设计吃水结构吃水P e (k w Vs (k n 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s,桨的收到功率Pd船身效率h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2007年1月7日星期日15 2007年1月7日星期日 16机桨初步匹配计算(直径D 给定 2007年1月7日星期日 17机桨初步匹配计算(转速n 给定 2007年1月7日星期日 18 终结匹配设计 2007年1月7日星期日 19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、

8、寿命及维修振动与噪声柴油机的热效率和燃油消 耗率2007年1月7日星期日 20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

9、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。轴系的任务轴系:在推进装置中,从发动机(机组输出法兰到推进器之间以传动轴为主的一整套设备轴系的基本任务是: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2007年1月7日星期日21轴系的组成1.传动轴:中间轴、推力轴、尾轴或螺

10、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10000吨级江海直达船2007年1月7日星期日22 2007年1月7日星期日 23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

11、加应力 2007年1月7日星期日 24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2007年1月7日星期日25 2007年1月7日星期日 26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

12、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。 2007年1月7日星期日 27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

13、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。 2007年1月7日星期日 28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 2007年1月7日星期日 29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,

14、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。 2007年1月7日星期日 30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: 2007年1月

15、7日星期日31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;对双主机一般对称布置于船舶纵中剖面两侧,即对称于机舱中心线两侧。2轴线布置尽量与船体龙骨线(基线平行。有时为保证螺旋桨浸入水中有一定的深度,而主机位置又不能放低,只能使轴线向尾部有一倾斜角,轴线与基线的夹角,一般限制在0一5°之间,双轴线时除角外,其与船舶纵中垂面偏角,一般限制在0-3 °。从而保证轴系有较高的推力,不会因、角太大而使推力损失过多。对于小艇或高速快艇等由于吃水与线型的关系,一般限制可达12-16 °。3主机尽量靠

16、近尾舱壁布置,使轴系长度缩短(要考虑有无传动设备、隔舱密封部件的拆装、更换位置,同时要兼顾机舱开口的位置。4考虑主机左、右、前、底部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。cos cos '=e e T T 2007年1月7日星期日 32螺旋桨的布置与定位1螺旋桨应浸入水中有一定的深度(单桨船e=(0.25-0.30D;双桨船e=(0.4-0.5D;隧道船例外。其中e为水线至桨上叶梢距离,D为螺旋桨的直径。2螺旋桨边缘般不超过船中部轮廓之外。3螺旋桨的叶梢与船体间的最小间隙保持一定范围 之内 2007年1月7日星期日 33中间轴承的设置尾管无前轴承者,则中间轴承尽量靠近尾

17、管前密封;中间轴承应设在轴系上集中质量处附近,如调距桨轴系的配油箱附近热源附件避免设中间轴承,如滑油循环舱顶上每根中间轴一般只设一个中间轴承(极短中间 轴不设中间轴承的位置与间距轴承间距的大小及其数目,对轴的弯曲变形、柔性和应力均有很大的影响。间距适当增加使轴系柔性增加,工作更为可靠,对变形牵制小,使额外负荷反而减小。推荐公式:最小跨距:dl125dl14232min9.24zdl2007年1月7日星期日34轴承的负荷在进行轴系布置时,应尽量使轴系各轴承的负荷比较均匀,并使其比压在允许的范围内,这样,即可延长轴承的使用寿命,是最佳的设计布置。负荷过重:负荷很小或为零:轴承负荷是负值:Tips:

18、轴承负荷过大或过小都是不合理的,一般地说,轴承负荷至少要求不得小于两旁跨距轴重量之和的20%。2007年1月7日星期日35 2007年1月7日星期日 36尾轴承的布置尾轴承的间距:由于螺旋桨的重量较大,使其回旋和横向振动的临界转速会有所降低,加之桨在运行时悬臂动载荷的影响,故尾轴承的间距不宜增加太大d >400mm l 12dd =300400mm l = (1425d d <300mm l =(1640 d2007年1月7日星期日37尾轴承支点位置对于尾轴承或靠近螺旋桨的最后一道轴承,由于受到较重的螺旋桨的悬臂力矩,其受力情况是不均匀的,常是倾侧的,不能假设支承点为轴承的中点。如

19、果木质或橡皮轴承长度为l,那么其支点到轴承后端的距离u常假定为:u=(1/4-1/3l 有限元法进行分析计算(A ns y s ,M a r c ,N a s tr an 支点位置时常发生变化,局部区域比压过载!最佳校中斜镗孔如果白合金轴承传动轴的组成传动轴通常由螺旋桨轴、中间轴和推力轴,以及连接这些轴段的联轴器所组成。中机舱型船舶的轴系,一般采用多根中间轴;尾机舱型船舶轴系,传动轴往往只由一根中间轴和一根螺旋桨轴组成。螺旋桨轴伸出船体过长的多轴线船舶的轴系,通常又增设尾管轴(通过尾管但不安装螺旋桨的轴段。主机滑油循环舱2007年1月7日星期日38螺旋桨轴a为不带轴包覆的整体式法兰螺旋桨轴;b

20、为不带轴包覆的可拆式法兰螺旋桨轴;c为带轴包覆和轴套的整体式法兰螺旋桨轴;d为带轴包覆和轴套的可拆式法兰螺旋桨轴;e为连接有尾管轴的组合式螺旋桨轴1-尾螺纹;2-键槽;3-尾锥体;4-后轴颈;5-轴;6-前轴颈;7-前锥体;8-前螺纹;9-整体式法兰;10-轴包覆;11-轴套;12-可拆联轴器2007年1月7日星期日39尾管装置实例2007年1月7日星期日40 2007年1月7日星期日 41尾端结构螺旋桨轴的尾部是供安装螺旋桨所用,并传递和承受以下的负荷:¾锥形部分用来承受正车推力;¾倒车推力出固定螺母来承受;¾主机的转矩则靠其键槽中所装的键或者液压安装螺旋桨过盈

21、配合锥面的摩擦 力传给螺旋桨 2007年1月7日星期日 42尾端结构锥体部分的长度L=(1.6-3.3d tz锥度K一般取:1:15/1:12等小端直径:大端直径:尾螺纹直径与长度: 键和键槽:键和键槽尾端锥体的键槽是引起局部应力集中的原因之一,最危险部分在锥体大端附近,大多数的疲劳裂纹是从键槽的锐角上开始。为了减小局部应力,键槽的棱角应做成圆角,键槽底也应有R=l一3mm圆角,首端应制成雪橇形,当轴颈500mm时应制成匙式雪橇形,如图所示。2007年1月7日星期日43螺旋桨与螺旋桨轴联接型式螺旋桨有键机械联接1-锁紧螺母;2-尾螺母;3-后锥体;4-螺旋桨;5-键;6-横销;7-导流帽;8-

22、尾螺母止动块;9-螺栓;10-螺塞;11-锁紧螺栓;12-弹簧垫圈;13-尾螺帽;14-尾螺纹2007年1月7日星期日44螺旋桨油压无键套合联接1-油压千斤顶;2-螺旋桨;3-千分表;4-螺旋桨轴;5-接头;6-油泵;7-螺塞;8-压力表;9-液压螺母2007年1月7日星期日45 2007年1月7日星期日 46压入准备螺旋桨轴锥体与桨锥孔进行研制配合,其间的实际接触面积应不小于70%的理论接触面积(着色进行检查。将桨锥孔和轴锥体用洗涤液充分洗净,配合表面应清洁,无油脂,并确认无伤痕。应使螺旋桨与轴锥体的温度相等。如图3-10所示将油压千斤顶和液压螺母安装好,将螺母旋紧。油压千斤顶的柱塞行程应与轴向推入量相适应。将管接头旋入桨毂扩大用的注入孔中。用软管