休闲渔船环保型动力休闲渔船环保型动力装置设计装置设计

1、II休闲渔船环保型动力休闲渔船环保型动力装置设休闲渔船环保型动力休闲渔船环保型动力装置设计装置设计计装置设计III目 录摘 要 .1第一章 前言 .11.1 研究目的和意义 .11.2 国内外研究现状 .1第二章 燃料电池技术简介 .22.1 燃料电池简介 .22.2 燃料电池优越性 .22.3 燃料电池在船舶应用的动向 .32.4 燃料电池的发展前景 .4第三章 电机与螺旋桨选型设计 .63.1 电机选型 .63.2 机桨匹配设计 .8第四章 轴系设计 .104.1 轴系的任务与设计要求 .104.2 轴系的布置设计 .104.3 尾轴密封设计 .104.4 尾轴的计算 .114.5 联轴器

2、选型设计 .13第五章 结论与建议 .14IV附 录 .151第一章 前言1.1 研究目的和意义“绿色”的概念是 20 世纪 90 年代中期出现的。其核心内容是保护人体健康和人类赖以生存的环境，促进经济可持续发展。绿色船舶是综合考虑环境影响和资源效率。在保证船舶的技术性能和经济性能的基础上，从设计到建造采用各种技术手段和方法，将船舶对环境的不良影响减少到最低限度，使资源效率达到最高1。国际海事组织制定的 MARPOL 附则严格限制船舶气体排放，氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、有机悬浮化合物(VOC)和颗粒物质是主要控制对象。随后，欧盟和美国进一步加强了对船舶排放的控制，主要针对海岸附近

3、，包括内陆河流和港口的排放。预计，不久的将来，二氧化碳(CO2)也将作为限制船舶排放物质2。这些要求超过了普通柴油机甚至包括燃气涡轮机的技术能力。为满足规则所要求的排放要求，柴油机需要增加设备和技术，例如清洗技术、催化反应器等。但是某一项技术只是针对某一种污染物，若要同时降低多种不同的污染物，就要安装多种系统，技术复杂，成本高。燃料电池排放污染很少甚至可以说几乎没有，作为减少局部和区域排放的方法，引起广泛关注。新加坡是一个淡水资源紧缺的国家，其国内的日常生活用水大多取自湖泊，因此其国内的湖泊禁止柴油机船捕鱼作业，以防止污染水域。本文旨在动力装置设计中突破环保与经济利益不能兼得的矛盾，寻找实效、

4、节能、环保的平衡点，将三者有机地结合在一起，设计出集技术性能、经济性能和环保效应为一体的绿色船舶动力装置。1.2 国内外研究现状燃料电池是一种近乎零排放的动力源，它不经历热机卡诺循环过程而直接把燃料的化学能转变成电能，再通过电机来驱动车辆或船舶，其能量转换效率相当高，所以燃料电池动力装置在环保与节能两方面的优势均极其突出。上个世纪 90 年代中期以来，加拿大 Ballard 公司、德国 Sidmens 公司及 HDW 造船公司开始研究燃料电池在船舶上的应用。1997 年 8 月，德国 Sidmens 公司已将 300kW、重 8t 的 PEMFC电池用于 2003 年服役的德国海军新型 212

5、 级潜水艇上。1997 年，意大利 DeNore 公司为ANSALDO 公司开发了功率为 45kW、9 个电堆的船用 PEMFC 动力装置3。1999 年 8 月 27 日英国防务系统日刊报道，美国能源研究公司与巴赞钢铁公司进行合作，开发舰用碳酸基燃料电池能源装置，并已与美国海军签订了研制这种船用直接式燃料电池装置的合同。该系统可使直接式燃料电池装置使用船用柴油作燃料，并确保装置具有高效率和长寿命。所研制的燃料电池系统采用内部重整制氢技术，通用汽车公司已研制出用于燃料电池驱动装置的车载燃料重整器，该重整制氢技术对船用燃料也同样适用，被认为是一种新型的水面舰船发电装置，具有广阔的军用和民用市场。

6、2大连水产学院毕业论文（设计） 第二章 燃料电池技术简介 3第二章 燃料电池技术简介2.1 燃料电池简介燃料电池，是一种不经过燃烧，直接以电化学反应方式，将燃料的化学能转变为电能的发电装置。其工作原理是，从外部不断输入氧化剂和还原剂，使电池连续工作，产物主要是能量、水和 CO2等无害气体。依其工作温度，可分为低温、中温和高温等三种。依其使用电解质的不同，可分为固体氧化物燃料电池(SOFC，Sclid Oxide Fuel Cel1)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC，Molten Carbonate Fuel Cel1)、再生氢氧燃料电池(RFC，Reversible Fuel Cel1)、质子交

7、换膜燃料电池(PEMFC，Proton Exchange Membrane FuelCel1)、碱性燃料电池(AFC，Alkaline Fuel Cel1)和磷酸型燃料电池(PAFC，Phosphoric Acid Fuel Cel1)等六类。质子交换膜燃料电池(PEMFC)在低温快速启动、比功率能量转换效率等方面的优越性能使其成为运载工具的首选电源，其应用技术在国民经济及国防建设中潜在着巨大的作用，是近几年来研究最广泛、技术发展最为迅速的燃料电池。由于电解质采用高分子膜，具有构造简单、启动快、常温工作的优势，最适宜为汽车等交通工具提供无污染的动力。加拿大 Ballard 公司在1994 年研

8、制出可载 75 人的 PEMFC 型电动客车，连续行驶里程超过 400 公里。冰岛已经计划将所有的捕鱼船改装上氢燃料电池发动机，作为环境保护计划的一部分。冰岛的计划就是，利用其廉价的地热能资源和水电资源来生产氢气，然后为捕鱼船提供动力，以减少污染物的排放。固体电解质型燃料电池(SOFC)被列为第三代燃料电池，它是使用高温下成为氧离子导体的陶瓷(氧化锫系等)为电解质，因此不会出现电解质的蒸发和析出，也没有电解液引起的材料腐蚀和电极析出等问题。SOFC 用氧化钇稳定氧化锫(YSZ)那样的陶瓷给氧离子通电的电解质和由多孔质给电子通电的燃料和空气极构成。空气中的氧在空气极电解质界面被氧化，在空气燃料之

9、间氧的分差作用下，在电解质中向燃烧极侧移动，在燃料电解质界面和燃料中的氢或一氧化碳反应，生成水蒸汽或二氧化碳，放出电子。电子通过外部回路，再次返回空气极，此时产生电能。2.2 燃料电池优越性与传统内燃机相比，燃料电池优点很多。(1)高效率高效率是节能的保证。燃料电池不是通过燃料燃烧发电，因此它的理论效率并不受卡诺循环(热力学第二定律)的限制。燃料电池的转换效率(从燃料输入到电能输出)，一般可达到4O50；如果系统与发电热机同步联合使用，系统效率可达 60-704。由于燃油耗费所占船舶运营成本比例非常大，所以燃料电池用于船舶推进系统，将会大大降低燃料费用，从而大大降低船舶运营成本。传统柴油机低负

10、荷时工作效率很低，而燃料电池的效率，很大程度上取决于电池单元的特性，与电池组的大小无关。所以，可以通过载荷分配(例如 30100的电力输出)，来保持燃料电池系统的效率。这使得燃料电池适用于载荷经常变动的船舶，例如渡轮或海上供给船。大连水产学院毕业论文（设计） 第二章 燃料电池技术简介 4(2)低排放质子交换膜燃料电池(PEMFC)，在燃料提取器中去除了大部分有害成分，因此电池排放可忽略不计。固体氧化物燃料电池(SOFC)，燃料经提取后，氮氧化物的排放比传统热机小得多，而且 CO：排放也比传统热能机器小。因此，这类燃料电池可用于拖轮、海运船舶、渡轮和海上供给船等沿岸航行、频繁进出港口等对气体排放

11、要求高的船舶。(3)低噪音燃料电池本身没有运动部件，只有辅助部件或设备例如泵、风扇、增压机等发出声音。这样燃料电池组甚至可置于乘客或船员舱室附近。这个特性对于噪音要求严格的船舶如勘探船和客船相当重要。(4)布置灵活，优化船舶电力布置，优化货舱空间布置和结构燃料电池以组件形式制造，为适应载荷要求，可随意改变燃料电池组的大小。这使燃料电池布置灵活，船舶电力布置和货舱空间及结构得以优化。(5)多样化的燃料选择燃料电池可使用多种燃料，例如纯氢气、天然气、甲烷、石脑油、液态碳氢燃料、煤气等，甚至生物油。燃料电池使用多种燃料的特点，可减少对于传统热机使用的昂贵燃油的依赖。低温燃料电池(如 PEMFC)需使

12、用纯氢气，但提取困难；而高温燃料电池(如 SOFC)对燃料要求不高，可直接使用天然气，或除去 H2S 后的石油气(混合气)。(6)操作和维修成本低燃料电池几乎没有运动部件，不需要滑油，操作方便，可无人控制，工作维护费用要比柴油机少得多。此外，燃料电池作为推进动力源，必然采用电力推进，就必然兼具电力推进的优势，例如船舶操纵性能、船舶结构和空问布置等等。2.3 燃料电池在船舶应用的动向世界第一艘燃料电池潜艇于 2003 年 4 月在德国基尔港下水，到 2004 年春服役后，它就是“世界范围内最先进的常规动力潜艇” 。它采用混合动力系统，即燃料电池动力系统和柴一电动力系统混合使用。该系统的燃料电池由

13、 9 组 PEMFC 燃料电池构成，配有 14 吨液氧贮存柜和 1.7吨气态氢贮存柜。它的燃料电池尺寸小，无腐蚀，功率密度大，使用寿命长。每组燃料电池的输出功率为 34 千瓦，9 组总功率 306 千瓦。它的燃料电池动力系统相对向海水辐射的热能很少，因此它的红外特征很小。由于它基本不向艇外排放废物，尾流特征也很小，能超安静运行，其声信号特征比柴一电推进装置低。传统的柴一电动力潜艇在水下潜航 23 天就会耗尽电池能量，必须浮上水面给蓄电池充电，而燃料电池潜水艇可在水下自行充电，可在水下连续潜行 3 周。它的柴一电动力系统中有 MTU 公司的一台 16V396 型废气增压高速柴油机，功率 3.12

14、 兆瓦。系统中的蓄电池组能满足潜艇高低速航行及全艇电网供电要求。日本研制的世界第一艘采用氢氧燃料电池动力的深海科学考察巡航器已经试航。过去几年里，国外各种燃料电池的研制和应用，汽车行业首当其冲，船舶制造业紧跟其后，已研制出第三代 PEMFC 动力潜水艇，已形成了将综合电力推进系统应用于船舶的趋势。美国军队研究燃料电池在船舶应用有很多年了：大连水产学院毕业论文（设计） 第二章 燃料电池技术简介 5正在观察使用燃料电池作为辅助动力装置和主要推进装置后备力量的战船的运作状况；早在 2000 年，就决定继续发展燃料电池能源公司进行的 MC 燃料电池用于海运；已经投资海运工业，对两种燃料电池船舶应用进行

15、研究：熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)5。德国、希腊、意大利和韩国的军队，纷纷将研究焦点聚集在燃料电池在潜艇的应用上。这些现象有多种解释，其中经济因素占主要部分。美国海军的爱德华机构提供的预算表明，燃料电池因效率高、柴油燃料消耗低，每年要节约燃料 40 万美元。还有一个原因是，船用燃料电池由很多分离的单元组成，在遭遇袭击的时候，每一个单元都能产生足够的电量。燃料电池有望在 LNG(液化天然气)船上广泛应用，因为燃料电池可使用天然气作为燃料，而 LNG(液化天然气)船不需要另设燃料舱并具备储存加压天然气的所有必要条件。很多比较新的邮轮设计，推进和电力供应都使用了燃

16、料电池机组。有些业内人士认为，燃料电池在豪华邮轮上的应用，只是一个时问问题。科学勘探船经常要去地球上环境比较脆弱的地区，为了减少船舶对生态的影响，使用燃料电池技术将极有益处。瓦锡兰公司和 HDW 公司的市场调查也表明：燃料电池系统适用于港口作业船舶，因为清洁的港口对环境保护和公众形象来说相当重要；渡轮也是一个相当合适的应用对象，因为渡轮能在甲板下面为燃料电池组提供足够的空间；那些对噪音和振动要求比较高的船舶，例如邮轮和勘探船，也适合使用燃料电池。目前我国的燃料电池研发课题主要集中在电动汽车方面，当燃料电池普及到轿车时，燃料电池船用化的时间也就到了。届时，船舶电源的的选择将发生两个变化：(1)替

17、代铅酸蓄电池。尤其是在高速船上，选用燃料电池用作主机的起动电源、应急电源及无线电的专用电源；(2)替代船舶辅机。船舶电站将不再选用辅机带动发电机，船舶辅机舱将变得非常清洁而且很安静，这将是船舶电站的一次实质性的变革。总之，经济性和对环境的影响是发展一项新技术的首要问题。燃料电池的环保性和高效率将使燃料电池技术迅速发展。2.4 燃料电池的发展前景燃料电池的潜在市场是巨大的，因为它能够提供清洁高效的能量。燃料电池技术的适用性和灵活性(根据不同用途而变化功率尺寸)将会扩展其潜在的市场，这个市场包括从小型的便携式动力装置到中等规模的工业用动力装置。全世界范围内进行的产品研发活动正努力把可能变为现实。由

18、于开发商用燃料电池主要的障碍是成本和电池寿命，首批产品将会出现在便携装置、小型家用设备和不间断电源(UPS)等小型设施里。在大型的商业和工业电站里，MCFC 和 SOFC将会取代 PAFC。平面 SOFC 产品在大量生产时可以降低成本，如果能够制造出低成本的 SoFC产品，就会在 2MW 的功率范围以内改变我们发电和用电的方式。而在 5MW 功率以上，现在的燃烧技术在今后的几十年仍然占主导地位。燃料电池实用化在发达国家已经开始，由于燃料电池具有明显的优越性，各国政府和商家大连水产学院毕业论文（设计） 第二章 燃料电池技术简介 6纷纷投以巨资，用于进一步开发研制。燃料电池发展速度比人们预先估计的

19、要快得多，预计在1015 年后将成为人类能源的主要供应者，以此为动力的燃料电池动力系统正快步走向实用化。设计和开发出结构紧凑、高效轻量化的重整器，使得重整器能够类似汽车上的化油器那样，成为燃料电池的一个部件，是燃料电池在运载工具上实用化的关键技术。由于甲醇、天然气等碳氢化合物有广泛的来源，能够使运载工具摆脱对石油燃料的依赖，这点对能源的来源和开发具有深远的意义。大连水产学院毕业论文（设计） 第三章 电机与螺旋桨选型设计 7第三章 电机与螺旋桨选型设计3.1 电机选型本设计提出两套推进装置布置方案：一种是电动挂机式。即将电动挂机布置在船尾输出动力；另一种是舷内外机式。即由电动机带动传动轴，进而带

20、动螺旋桨转动输出动力。3.1.1 电动挂机式根据实际工况需要，本设计选用 3KW SUZUKI 电动挂机。它由永磁无刷直流电机、电动执行器、悬挂装置、挂机罩壳、螺旋桨、转向系统、手动起翘杆、前操纵系统、仪表显示系统九部分组成。当采用后操纵时，可以省略后两部分。本船采用的就是后操纵。电动挂机的系统组成及主要特点：（一）永磁无刷直流电机具有梯形反电动势的永磁同步电动机通常被称为无刷直流电动机，它具有体积小、重量轻、效率高、惯量小和响应快等特点。无刷直流电动机采用电子换向器替代了传统直流电动机的机械换向装置，从而克服了电刷和换向器所引起的噪声、火花、电磁干扰、寿命短等一系列弊病。由于无刷直流电动机既

21、具备交流电动机的结构简单、运行图 3-1 SUZUKI 电动挂机 可靠、维护方便等一系列优点，又具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故其在工业领域中的应用越来越广泛。（二）电动执行器当前国内生产的电动执行器多由模拟器件控制，精度差；保护措施使用继电器和机械装置，可靠性差；很多电动执行器只能接收模拟信号（420mA、15V） ，不能与计算机进行通信；系统集成度低、维护困难。这就使得现有的电动执行器不便于调试和维护，也不能根据生产的实际需要进行参数的现场调整，不便于实现数字化的分步式控制。嵌入了微控制器的智能电动执行器是最新一代的产品。智能电动执行器性能优越，占据了相当

22、的市场份额。这类电动执行器具有可靠性高、使用方便、通信功能强、诊断保护功能完善、适应性广泛等优点。可以说，智能化已经成为电动执行器发展的趋势。本设计在电动执行器控制系统中应用 DSP 技术。DSP 是一种广泛适用于各种电机控制的数字信号处理器，它具有高速处理信号的能力，同时还能把电机的输出信号的反馈给处理器进行休整，能够大大提高系统的可靠性。DSP 的执行速度很快，内部采用了哈佛结构，流水线作业，在 20MHz 的时钟频率下，指令周期仅为 50ns，且多数指令都能在一个周期内完成。系统采用直流无刷电机作为电动执行器的执行部件，驱动系统主要包括控制电路、主电路、电机等，不包括机械装置。包含有一般

23、的 DSP 芯片所没有的双 10 位模数转换器、基于 PWM 控大连水产学院毕业论文（设计） 第三章 电机与螺旋桨选型设计 8制的管理器（6 个比较单元、9 路 PWM 输出、2 路光电编码器接口的编码单元） 。其 PWM 波形生成单元包含可编程死区控制，可输出非对称 PWM 波形、对称 PWM 波形和空间矢量 PWM 波形。IPM 为智能功率模块（Intelligent PowerModule） 。IPM 不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送 CPU。即使发生负载事故或使用不当，也可保证 IPM 自身不受损坏。功率输出部分采用

24、大功率半桥输出，由于本设备采用的电机为低压直流电机，为了提高效率，因此采用大功率 MOS 管进行放大，在进行线路设计的过程中，要尽量减小线路的内阻，降低功耗提高效率。（三）挂机罩壳及悬挂装置挂机罩壳由动力箱、机身、水下体和压浪板组成，水下体内放置小功率的电机和轴或放置转动系统，动力箱箱体内布置较大功率的电机，机身截面设计成扁平流线型状（舵截面）船舶航行中尤其在停机滑行时起到方向舵的作用。电机布置在水下体内还起到了降温效果。悬挂装置使挂机方便的固定在船尾，借助手操转向系统改变挂机的推进方向，借助手动起翘杆可将电机向上翘出水面，起到保护水下部分的作用，也为维修提供了方便。（四）专用螺旋桨 图 3-

25、2(a) 螺旋桨 图 3-2(b) 螺旋桨电动挂机的螺旋桨不同于汽油挂机的桨，两者的转速不同，直径不同，因此效率也不同。电动挂机的桨是专门设计制造的，既有常规桨也有导管桨，本设计根据使用工况选用最佳匹配的 4 叶常规桨。3.1.2 舷内外机式根据本船的船型、航速等实际情况，本设计选用功率为 2.2KW 的调速电动机。具体型号及参数如下：表 3-1 RF67Y2.2-4P 电动机参数机型号输出转速（r/min）输出转矩(Nm)传动比使用系数级数RF67Y2.2-4P9022015.792.44大连水产学院毕业论文（设计） 第三章 电机与螺旋桨选型设计 93.2 机桨匹配设计6为了让船舶获得最好的

26、航行性能，所选择的螺旋桨一定要适合船主机的特性，下面就是选择螺旋桨的方法。不能仅仅用主机的功率来确定船速，还要根据换向齿轮和螺旋桨的效率来定，使用正确的螺旋桨系统不仅能提供良好的燃油利用率和更高的速度，也会带来更加舒适的驾乘体验，要考虑到船中龙骨与舵柱间的距离，在螺旋桨上方的船底要设计的非常平整，在船体的这一侧就能有效的减少由螺旋桨叶片所引起的噪音和振动，那么螺旋桨和水面所成的角度越小越好这样能提高螺旋桨的效率。这些工作的开展根据主机说明要求，安装尾机时要确保主机头部到中档的距离准确。机桨匹配的任务是通过船、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、

27、功率）和考虑油耗、造价等前提下，选择一套包括螺旋桨和主机在内的最佳推进系统。本设计所说的机桨匹配其实是减速电动机与螺旋桨的匹配。匹配设计步骤如下：已知的基本参数：船长 L=5.6m；船宽 B=1.6m；吃水 T=0.58m；排水体积 V=1.247m3；船速 VS=3kn；螺旋桨收到功率 PD=1.8kW；伴流系数；199. 0推力减额系数 t=0.100；伴流不均匀性的影响系数 i=1.0；轴系的传动效率=0.97；c现已选定螺旋桨 D=0.4m，叶数 Z=4，盘面比 AE/A0=0.40。接下来通过选取不同的螺旋桨转数进行比较，进而求得螺旋桨的最佳转速 n，螺距比 H/D 及效率p。根据已

28、知条件，采用 B4-40 组的图谱进行计算，具体步骤如下：计算螺旋桨进速 vava=（1-）VS=（1-0.199）3=2.403kn （3-1）假定 n 个转速，并列下表进行计算；大连水产学院毕业论文（设计） 第三章 电机与螺旋桨选型设计 10表 3-2 机桨匹配计算注：KB和 KB为单位转换系数，分别为 1.159 和 3.28。根据计算求得最高的效率时的螺旋桨转速为 n=90r/m，此时的效率为p=0.655，螺距为H=0.316m。图3-3 电动机功率与螺旋桨转速关系曲线A电动机外特性曲线B螺旋桨特性曲线C推荐最大运行范围A 曲线的功率是电动机功率与螺旋桨效率相等的情况，A 曲线在气候

29、条件和负载情况确定时，可以正确的选取螺旋桨。如果是由大气压引起的功率损失到达 B 曲线时，螺旋桨曲线将穿过主机在 C 时曲线，第二个性能损失是由于螺旋桨过大造成的，如螺旋桨的转数下降的话，就要更换一个更小的螺旋桨，这时电动机的功率曲线将穿过 B 曲线使之能恢复到原来的转数上来，但要付出功率损失的代价，在这个区域上，电动机最大功率曲线与螺旋桨曲线之间的距离是足够大的。序号名称单位数据1假设一组转速 nr/min8590952功率系数=BpBK122.5DanPv15.5616.4817.403直径系数BanDKv46.4149.1451.874桨效率p0.6510.6550.6525H/D0.9

30、50.790.756桨径 Dm0.40.40.47螺距 Hm0.380.3160.3大连水产学院毕业论文（设计） 第三章 电机与螺旋桨选型设计 6为达到螺旋桨的要求性能，本船选用单机单桨传动方式，螺旋桨的参数也符合了整船动力的要求，选取的型号也保证了振动和噪声最小。大连水产学院毕业论文（设计） 第四章 轴系设计 12第四章 轴系设计4.1 轴系的任务与设计要求7船舶轴系的基本任务是将主机的功率传递给螺旋桨，同时又将螺旋桨旋转产生的轴向推力传给船体，以推动船舶运动。轴系在运转中产生的负荷和应力是十分复杂的：螺旋桨的扭应力，螺旋桨推力和由它传声的压缩应力、弯曲应力，安装误差引起的附加应力和其它动态

31、附加应力等。轴系一般位于水线以下，有一部分要伸出船体外长期浸泡在水中，而在大风大浪时，螺旋桨时而冒出水面，时而浸入水中，轴的推力与扭矩是在最小和最大值之间周期的、突然的变化着。此外，螺旋桨上下运动，其惯性力作用在尾轴端部，使尾轴产生额外的弯曲负荷，负荷也是周期变化的，它往往是使尾轴断裂的主要原因之一。总之，船舶轴系工作条件十分恶劣，因而，在轴系设计时，除了满足布置上的要求外，应具有如下设计要求：有足够的强度和刚度，工作可靠并有较长的使用寿命；有利于制造及安装， ；传动损失小，要求设计时正确进行轴系布置；对船体变形的适应性好；避免海水对尾轴的腐蚀，尾管装置应具有良好的密封性能；尽可能减小轴系的长

32、度和质量。4.2 轴系的布置设计由于本船较小，因此轴系布置比较简单。本设计为一根轴线，布置在船舶的纵舯剖面上；为保证螺旋桨浸入水面下一定距离，轴线向尾部倾斜角为 3（一般限制在 05） ，以保证较高的有效推力；为了保证螺旋桨可靠而有效的工作，螺旋桨与船体的间隙如下表所示：表 4-1 螺旋桨与船体的间隙（mm）螺旋桨边缘与舵48螺旋桨边缘与船壳56螺旋桨边缘与尾柱80螺旋桨边缘与龙骨164.3 尾轴密封设计为了保持船体内部干燥，选用耐用而可靠的密封是很重要的。经过市场调研，本设计Lasdrop 生产的轴封。自 1975 年以来，Lasdrop 轴封一直在船舶无水轴封中高居榜首。由于使用了最高质量

33、的材料和先进个工程技术，该公司的产品被广泛用于各种商船和改造船（包括美国海岸卫队在内） 。独特的弯刀轴承使得螺旋桨轴持续对中，并且轴本身没有磨损。这种独一无二的特征使得即使大连水产学院毕业论文（设计） 第四章 轴系设计 13在螺旋桨轴不完全对中时也可以完好密封。本设计选用的是 Lasdrop 独创的“波纹管”表面密封，该密封主要由一个吸收振动的波纹管组成。由硅胶构成并在内部缠绕三层玻璃纤维，单元是硬化的。这种结构不仅提供了耐用性和强度，还可承受热和船舶燃油。选用 316 航海等级不锈钢无头钉来为密封表面提供压力。无头钉和密封环一起随着轴转动，并且一直固定在压力座上。双 U杯密封也和轴一起转动，

34、紧压在密封环的内侧。为了给平稳传动提供一个特殊的平衡，免维护的“独创性”以 361 等级的不锈钢和特殊的碳石墨为主要特征。由于事实上并没有与金属表面接触，省去了被电解的风险。下面对波纹管密封特征作以介绍：夹紧环组合使用两个夹子来承受最大强度和合适的平衡，防止由定位螺栓引发的对轴的擦伤和损坏。图 4-1 轴封 密封环为 316 等级不锈钢，放置在夹紧环组合的一个相对孔中以保证对中，省去了金属与金属的接触和电解的风险。为了确保“O”型环在安装时不被损坏，在组合达到其最终位置之后，他被夹在轴上以防损坏。软管倒钩为固体黄铜结构并在其上涂保护层以防腐蚀。软管夹由 316 等级不锈钢制造，凹陷而不是孔眼的

35、结构提供两倍的压力并比常规的软管夹省了摩擦。两个软管夹互为对方提供联接点。综上所述，本设计选用的“波纹管”轴封无论在技术上，还是在实用性上都符合本船需要。4.4 尾轴的计算本设计按 2006 年钢质海船规范计算查机械工程材料8选用 35 钢 315530sbMPaMPa1尾轴直径计算 （mm） （4-1）3608100176.5ebPdCn式中：P轴传递的额定功率（kW） P=1.8kW 轴传递额定功率时的转数（r/min） =90r/minenen 轴材料的抗拉强度（MPa） =530MPabb C为轴直径部分系数 C 取 1.26计算得：大连水产学院毕业论文（设计） 第四章 轴系设计 14

36、31.8608100 1.2690530 176.5d =34.02mm考虑轴的使用寿命，工作条件以及安全系数等问题，实取轴径 d=40mm。2尾轴的强度校核：螺旋桨轴由于受螺旋桨悬臂动负荷的作用，且又与海水接触，故其受力比较复杂严重。（1）电动机扭转引起的剪应力， (10kPa2) （4-2KCMW） 式中：尾轴的抗扭截面模数（cm2） ；CW 电动机最大功率时的扭矩（N cm） 。 =22000 N cmKMKM （4-316CdW3）= 33.14 416=cm212.56计算得：KCMW=2200012.56=1751.6 （10kPa2）（2）螺旋桨推力引起的压缩应力， （10kPa

37、2） yyCTF（4-4） 式中：T螺旋桨推力 N 尾轴的截面积（cm2）CF螺旋桨推力 T， （4-1945.2PSPTV5）式中：P传递的最大功率（kW） ； VS船的航速 (kn) 螺旋桨效率， 取 0.5；PP计算得：21945.20.53T =648.4N尾轴的截面积，CF大连水产学院毕业论文（设计） 第四章 轴系设计 15 （4-2( )2CdF6） =243.14 ( )2=12.56（cm2）所以yCTF=648.412.56=51.62 （10kPa2）（3）， （4-H223Hy 7）式中：弯曲应力影响系数，取 1.05；计算得： 223Hy =221.0551.623 1

38、751.6 =3094.98（10kPa2） (4)安全系数= （4-SH8）=10.18=1.05所以，满足条件。4.5 联轴器选型设计9（1）选择类型 为了缓和冲击和减轻振动，选用弹性联轴器。（2）转矩计算T=9550 （4-pn9）=2.2955090=233.44 N M由机械设计基础查得，工作机为船舶推进装置时工况系数 =1.9，故计算转矩AK = （4-1CTAK T10） =1.9 233.44 =433.54 N M大连水产学院毕业论文（设计） 第四章 轴系设计 16（3）确定型号由机械设计基础选取伏尔肯型弹性联轴节（FZ241） ，它的公称扭矩（即许用扭矩）为490 N M，许用转速为 375r/min，允许的轴孔直径在 3242mm 之间。以上数据均能满足本设计要求，故适用。 大连水产学院毕业论文（设计） 第五章 结论与建议 17第五章 结论与建议（一）结论本文按照 2006 年钢质海船规范对休闲型渔船动力装置进行设计。从前期的市场调研，到中期的方案确定，以及后期的设计计算，我从中学到了很多知