半潜船推进轴系的设计与安装

半潜船推进轴系的设计与安装

1主推进系统的组成宇宙是由远东航运有限公司开发的一艘500吨半潜水船。这艘船于20日被交付。2011年1月。主推进系统采用目前国际上较为先进的电力推进,主推进系统为双轴系,左右舷对称。每一主推进系统主要设备由:推进电机、推力轴承、中间轴承、中间轴、艉轴、定螺距螺旋桨组成,另外还有液压联轴节、轴法兰液压连接螺栓、制动装置、接地装置、转轴机构等。设计航速是船舶在满载吃水、推进电机发出全功率时不小于14节。2主推动系统的设计2.1设备的主要参数主要设备参数见表1。2.2优化轴系布置在详细设计开始后,上海船舶研究设计院从DNV船级社购置了轴系计算软件。经计算后,发现基本设计的方案中,轴系的横向振动严重超标,主要表现为艉轴支点的设置不合理,见图1为此,船厂主动沟通协商,请上海船舶研究设计院在基本设计方案的基础上,对轴系布置重新进行计算和优化。经优化后的轴系布置比原基本设计有了不少的变化,见表2和图2,各参数均符合设计要求。由于基本设计的轴系布置图已送审了船级社,所以修改优化后的轴系布置图重新再送审船级社,并得到船级社的确认。2.3电力推进轴系设备的布置50000DWT半潜船虽然采用电力推进,其整个轴系的设备布置方面与一般的柴油机作为主动力的船舶区别不大,但轴系的设计也有一些特别之处。2.3.1重重式连续船舶由于是采用推进电机作为船舶的推进动力,而电动机的设计往往只考虑自身使用的要求,而且多采用了变频电动机。以柴油机作动力的常规船舶,螺旋桨产生的推力会通过轴系传递到柴油机输出端的推力轴承上,从而使船舶往前航行。但推进电机上没有设置承受轴向推力的轴承,需在轴系上单独配置推力轴承。为满足推力轴承的使用要求,还需为推力轴承配置独立的压力油润滑系统、冷却系统以及自动化控制系统等,具体见图3。2.3.2上单独配置转轴机构柴油机动力装置的船舶,考虑到柴油机自身的检修需求,一般都会在柴油机上设置盘车机构。但是当采用电动机作为推进动力时,就要在轴系上单独配置转轴机构,其功能与船用柴油机上的盘车机构相同。盘车机构主要由一个对半装配的从动大齿轮、一个驱动小齿轮和一台带手动离合机构的电动机组成。由于整个轴系在基本设计时没有考虑转轴机构,因此轴系上没有预留相应的位置和接口。为此,经多次的分析和计算,确定将转轴机构安装在推力轴承旁,机构的从动齿轮安装在推力轴承输出端的法兰上,齿轮装配时还需与轴法兰对中,以保证整个轴系的动平衡。2.3.3压力调节单元如果只考虑船舶轻载吃水7m,满载吃水9.68m的航行工况,选用常规的艉轴后密封装置就能满足使用要求。但是半潜船在下潜作业时,最大吃水为26m,这时常规的艉轴密封装置将会失效。因此,半潜船选用了环保型的、可调节密封气腔压力的艉轴后密封装置。密封装置一共设置了4道唇式密封环,把密封装置内部分隔成3个腔室,见图4。后腔室是水腔,水腔与海水相通,腔内压力就是船舶吃水与轴系中心之间的压差;前腔室是油腔,油腔充满密封油,对艉管滑油起密封分隔作用;两者之间的腔室是气腔,腔内充满经净化的压缩空气,是水和油的隔离腔。气腔是整个密封装置的工作核心。气腔的气源来自船上的柴油机起动空气系统,该气源经除杂质和干燥处理,干净的压缩空气,通过一套压力调节单元后,进入密封装置的气腔。压力调节单元内配置了压力控制阀、压力控制器、流量开关阀、泄放阀等元器件。整个单元的压力调节来自船舶的艏艉吃水压力信号。在船舶正常航行时,密封装置的可调节密封部分可以不作用,因为密封环足以承受这种工况下的压力变化。在下潜作业时,单元内的压力控制阀会根据吃水信号数据,调节单元内供给密封气腔的空气压力,同时向单元供气的压力控制器也起作用,补充气源单元内的压力降损失,以起到压力平衡作用。该型密封装置所谓“环保”,也是设置了密封气腔的缘故。密封装置的水腔、气腔、密封油腔,三者压力自高向低,相邻两者之间约有0.1bar的压差。在工作过程中,轻微泄漏的海水和油,可以通过在气腔设置的泄放管路,把泄漏的污油水泄放到舱底,不至于使泄漏的水进入油腔或把油漏到海里,这就是有别于传统密封装置的地方。2.4份螺栓孔预钻和预钻控制方案由于船体一般建造存在一定公差,为了设备安装的准确性,经研究确定推进电动机在整个轴系对中结束后进行安装。根据推进电机的图纸,其机架底座四周都布置有地脚螺栓,这种设计有异于常规的柴油机;而最特别的是底座前后内侧方向上还设置了八颗地脚螺栓,见图5。机架内侧已布置了电机主体,电机与机架之间剩余的空间狭小,不足以放置工具让结构座架面板与这8个机带地脚螺栓孔一起配钻。为此,我们与推进电机厂家的技术人员沟通,希望能取消这8颗地脚螺栓,或把它们移到机架底座的外侧。但是厂家经三维仿真模型计算复核后答复,这8颗地脚螺栓设置和布置位置是为确保设备安装的稳固和降低振动,因此既不能取消也不能移位。经过研究,确定根据设计图纸在结构座架面板上划线,预钻8个螺栓孔。由于轴系长30m,这区域各分段制装大精度就要进行有效控制。为了能消除一部分由于分段建造误差对螺栓孔位置的影响,在满足厂家要求的前提下,处理方案是:(1)螺栓孔大一些,地脚螺栓不变;(2)螺栓孔不变,地脚螺栓直径变小,强度增加。3推进电机旋转部件测量与分析在整个建造过程中,轴系的装配工作大致分为两个阶段,第一个阶段是船舶下水前,轴系上各部件的就位,主要是属于水下工程的设备,包括艉轴、螺旋桨、密封装置的安装完好;另一个阶段是在下水后,轴系的对中,以及所有主推系统设备的最终装配。根据轴系对中计算书要求,需进行负荷测量的轴承是艉轴前轴承和两个中间轴承。我们是首次建造采用电动机作为推进动力的船舶,缺少施工经验,因此参照常规柴油机动力的轴系设计,船厂也对推进电机输出端轴承的负荷作自检参考。在进行轴系对中时,施工人员按照工艺要求,对轴系上各连接位置进行偏移和圆周值调整,对各支撑轴承负荷进行初步测量。结果显示,艉轴前轴承和两个中间轴承的实测负荷值比理论值都偏小,但都在10%的误差范围内,满足计算书和船级社规范的20%公差要求范围。在对推进电机输出端轴承进行负荷测量后,发现轴承实测负荷比理论值小了约30%。技术人员对测量数据、图线进行了分析,认为根据数据所描绘的图线与理论设计存在差异,要求重新测量,并对所使用的工装工具及测量方法进行复查。再次测量结果与首次结果差别不大。为了排查出问题的原因,两个船厂技术人员决定执行以下措施:(1)采用更精准的测量工具;(2)测量推进电机的自由端轴承的负荷;(3)对2#船的推进电机进行裸机状态轴承负荷测量。又经过上述一番检测后,最终发现,推进电机自由端轴承的负荷与理论值接近;推进电机转子轴包括装在轴上的极线圈和励磁线圈的质量总和实测值,均比设计院和设备供应商所提供的理论值要小。查阅设备出厂试验对转子转动惯量的测定数据,分析其测量方法,并无发现异样。从上述结果分析,设备厂对推进电机上旋转部件,包括转子轴、极线圈、励磁线圈,是以转动惯量作为设计和测定的依据;而船厂对轴系上负荷的测量方法——负荷法,是目前船舶行业国际上公认的。这两种测量方法在数值上存在一定差异。4调整电机配轴系整体配置我们曾经建造的18000DWT半潜船推进系统是采用吊舱式舵桨装置,50000DWT半潜船推进系统由:可变频低速电动机、推力轴承、轴系和定螺距螺旋桨组成。两者比较下来后者成本低一些,但在船舶操控性、设备布置等方面均不如前者,由于系统设备占用了船上大量的空间、增加了建造难度。倘若采用推进电机配轴系是既定方案,那么在整个系统的配置方面可作一些调整。方案(1):采用普通中速电动机、减速齿轮箱和调距桨方案,推力轴承离合器与齿轮箱组成一整体。方案(2):采用变频中速电动机、减速齿轮箱和定距桨方案,推力轴承离合器与齿轮箱组成一整体。相对而言,这两种方案会比50000DWT半潜船的系统更为成熟、完善。尤其是第一个方案,能节省大量昂贵的电气设备,采用相对普通而无需量身订制的中速电动机,尤显经济性;而在操控性能方面,采用了调距桨配置,也可以实现无极变速的功能,其操控灵活性更是毋庸置疑;各配置设备在技术方面的成熟和稳定,也是用者在日后使用和维护时考虑的重要因素。5提高了企业的经营能力50000DWT半潜船的建造,