轮机导论-第4讲-船舶轴系与动力传递方式-船舶推进装置

1、3.1 概述概述3.2 轴系轴系3.3 动力传递方式动力传递方式3.4 动力传递过程动力传递过程船舶推进装置船舶推进装置 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

2、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轴系。1 1、作用、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 2、组成、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

3、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

4、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：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：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：作用： 1 1）传动）传动轴轴 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 2）支承件支承

5、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。

6、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、基本要求 2螺旋桨的布置螺旋桨的布置 螺旋桨位

7、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=0.650.70）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轴线位置的确定轴线位置的确定 理想

8、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或与纵剖面成偏斜角，如下图所示。 一般限制在05之间，而角限制在03之间。但是对于快艇动力装置来说，倾斜角可达1216，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 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

9、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

10、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

11、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

12、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37）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47）。

13、 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、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

14、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

15、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（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

16、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1MW20MW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，

17、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

18、 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1Z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、带有万向节的传动轴4、上水平轴8、上部螺旋锥齿轮9、垂直轴12、下部螺旋锥齿轮14及下水平轴15、传递给螺旋桨13，从而推动船舶航行。 Z型传动是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。 另外，该传动装置可使螺旋桨作回转运动,首先由电动机驱动蜗杆、蜗轮装置10, 使旋转套筒16在支架17中回转，同时使螺旋桨13垂

19、直轴12在360范围内作平面旋转运动，用以控制船舶转向。 2）装置的特点 a) 操纵性能好，螺旋桨可绕垂直轴作回转。特别是采用两台主机，更能显示其优越性。可使船舶原地回转、紧急停止、急速转弯、快速进退、横向移动及微速航行等。 b) 装置所发出的倒车推力较大，其倒车推力约为正车推力的8595%。 c) 安装和维修方便，主机、传动系统和Z型装置形成一个独立的联合整体，它们的主要零部件制造、安装、调试都可在车间里进行，因而简化了安装工艺。 d) 整个装置可与船体并行建造，缩短了船建造周期。 e) 整个Z型装置（包括螺旋桨）可以从船舶尾部甲板开口处吊装，检修时不必进坞或上船台，可大大缩短修船时间。1Z

20、型传动装置 3）装置的应用 该推进装置由于具有以上特点，所以最适宜于港内作业船和航行于狭窄航道的小型运输船舶。1Z型传动装置1）装置结构原理 对于内河和沿海小型民间运输船舶或工作艇、救生艇等，为了便于装拆、操纵方便及一机多用，且不占或少占机舱，常装有挂机的挂桨装置，图2-30即为一种舷外挂机装置。它将发动机连同传动轴和螺旋桨直接挂在船的尾部舷外。图 2-30舷外挂机装置1-油箱；2-飞轮及起动盘；3-发动机；4-舵柄；5-托架支承；6-托架衬套；7-尾管；8-承推支承；9-承推支架；10-倒车挂钩；11-挡水板；12-螺旋桨，13-船体 2舷外挂机与挂桨装置 2）装置的特点及应用 由于发动机、

21、传动轴及螺旋桨等装置挂在舷外，就可省去像Z型传动装置上的水平传动轴及一对螺旋锥齿轮等。整机和螺旋桨可绕托架衬套的中线回转，并可起到舵的作用。扳起舵柄还能使螺旋桨上翘而露出水面，对桨起到保护作用。必要时，还可将整套挂机装置拆下检修或更换。至于挂桨装置，与挂机装置相似，所不同的是将柴油机放在船内，其动力是靠皮带或链条去驱动挂桨的。后者在民间运输的小型船舶上被广泛应用。 2舷外挂机与挂桨装置 1）装置结构原理 喷水推进器是一种特殊的传动型式。它是由布置在船内的水泵装置和吸水管、喷射管组成的一种水力反作用式推进器，喷射口的布置有水上、水下和半水下几种型式。 图2-31是装在某水翼船上的喷水推进装置。

22、新型新型UJ525型高效喷水推进器型高效喷水推进器 3喷水推进器传动喷水推进器传动 2）装置的特点及应用 它结构简单、工作可靠，排除了螺旋桨推进器易遭水中浮物冲击损坏的危险；消除了由于螺旋桨的运动导致船尾部产生的振动和引起的机械噪音；同时使传动轴系的长度大为缩短。喷水推进可使发动机的转速保持稳定、通过水泵或喷嘴出口面积的变化对船舶航行速度进行调节，并可用改变喷水方向的办法使船舶回转或倒航。 喷水推进装置适用于小型内河或沿海船舶，同时可作大型顶推船或货船的首部助舵装置。 3喷水推进器传动喷水推进器传动3.4 船舶动力传递过程 由船舶原理可知，要使螺旋桨转动而产生推力，需要提供转动力矩以克服螺旋桨

23、的阻力矩。转动力矩是主机提供的，因此，螺旋桨与主机之间存在着动力平衡和互相配合问题。 这里只讨论动力平衡，即动力传递问题。图2-19 柴油机推进装置简图 舰船推进装置功率传递过程见图2-19。 主机发出的功率，因传递过程有功率损失，所以，传到螺旋桨上的功率比主机发出的功率要小。 由主机输出端测定的功率，通常以MHP表示。船用主机类型较多，测量功率的方法也有差异通常使用的主机功率，其性质是不同的。下面以主柴油机为例来说明各功率的名称、含义和表达式。 1. 指示功率（ Ni） 以示功图计算的机器功率称为机器的指示功率。用IHP表示。由下式决定： Ni=Gi Hu i/3600（KW）式中 Gi主机

24、每小时燃料消耗量（kg/h） Hu燃油低发热量（Hu1000kJ/kg） i 柴油机的指示效率。 （一）主机功率 2. 轴功率（Ns）或制动功率（Ne） 船用主柴油机都是通过主轴（曲轴）来输出功率的，因此，机器的实际功率就是由曲轴输出端测得的功率，称为轴功率，以SHP（图2-19中的Ps）表示。也就是主机功率（MHP ）。由于轴上的负荷有使主机（动力机械）制动的趋势，故轴功率又称制动功率，用BHP（图2-19中的Pb）表示。 注： 轴功率的大小与测量的部位有关，必须加以说明。 （一）主机功率 由于功率通过活塞，连杆和曲轴机构传递过程中有各种机械损失，因此曲轴所输出的实际功率要比指示功率小。前者

25、与后者之比称为机器的机械效率，用m表示。所以轴功率或制动功率可写为： Ne=Ni m 式中 : m 柴油机的机械效率。 3. 船用主柴油机功率名称及其定义 主机功率，即船用主柴油机功率根据其用途特点，动力特性，经济性以及寿命等分为额定功率，常用功率，过载功率及倒车功率等，每一种功率必须同时标定其相应转速。 作为船用主机，相应于各种功率的转速，应以满载状态下航行的转速作为基准。即符合 三次方曲线的变化规律。3CnNe （一）主机功率 （1）额定功率 额定功率是指发动机在机械强度，热负荷允许的范围内，能长期连续运转不小于12h的最大功率，也称全功率，通常属于最大持续功率。是发动机制造厂标称的名义功

26、率。3. 船用主柴油机功率名称及其定义船用主柴油机功率名称及其定义 （2）常用功率 常用功率是指为达到所需的船舶航速，经常持久使用的功率。 在这种功率下运转，发动机性能（如寿命、可靠性及效率等）较好，运转最经济。 常用功率的大小约为额定功率的8590%，作为主机使用时，相应转速为额定转速的95%97%。 常用功率又称持续功率或持久功率，它是船舶营运期间时间最多的功率，也是船舶续航力，燃油贮存量及其他各种航行参数计算的基准，也是作为机桨匹配的功率。 （3）过载功率 过载功率是指发动机在超过额定功率的情况下，作短时期使用的功率，它通常用于需要有一定的功率储备以克服突然增加负荷的情况（如船用主机在顶

27、风浪航行时），或当船舶需要作最高航速试验的场合。 过载功率又称超负荷功率，其大小约为额定功率的110%，作为主机时，相应转速约为额定转速的103%，连续运转时间不大于1h。 3. 船用主柴油机功率名称及其定义船用主柴油机功率名称及其定义 （4）倒车功率 只有主机才有倒车功率。所谓倒车功率是指船舶倒航时的最大功率。 一般商船虽无特定的倒航速度的要求，但在进出港时，在通过狭小航道时以及要求船舶作紧急倒航时，均需使用倒车功率，因此对船舶的营运性能极为重要。 对于军舰来说，则要求有优良的机动性及一定的最大倒航速度，故应该保证有足够的倒车功率。3. 船用主柴油机功率名称及其定义船用主柴油机功率名称及其定义 倒车功率的大小与船舶种类，艉部形状及主机性能有很大关系。通常对发动机制造厂要求的是台架试车时的倒车功率，其大小约为额定功率的75%85%，相应的转速为额定转速的91%95%。实船试航时倒车功率一般发不到那么大，通常为额定功率的60%70%，相应的转速约为额定转速的84%89%。 在军用舰艇中，除以上几种功率外，尚有所谓巡航功率，也称经济功率。它是舰艇经常使用的功率。其大小按舰艇级别、任务等约为额定功率4080%，相应的转速约为额定转速的7493%。 1、定义及表达式在艉轴尾端与螺旋桨连接