船舶动力系统5-2

轴系30.925m =四段中间轴6、10、11、15+艉轴2 4个中间轴承支承、艉轴管装置1（前端密封）、穿过前舱壁处设隔舱填料函14）
轴系穿过货舱处，设有轴隧（近尾部开设水密井通甲板，逃生用），前舱壁装水密 门（进出轴隧
客船双轴系布置
推力轴9+中间轴3、5、6、10+艉轴7 中间轴承支承，推力轴承
不同安装情况 的轴承负荷
3-6轴承安装高度 降低，轴线曲线 安装，螺旋桨轴 后轴承负荷下降， 前轴承负荷变正， 齿轮箱大齿轮两 轴承负荷均匀
轴承的数量
中间轴承：每根中间轴一般只设一道中间 支承 削弱船体变形牵制，减小额外负荷。很短 的中间轴可以不设中间轴承
小船，如主机到螺旋桨的距离<=20-25轴径， 可取消中间轴承
螺旋桨轴承：一般两道；轴线非常短的单 机单桨尾机型船舶，可取消螺旋桨前端轴 承，一道
轴承间距
中间轴承
船体结构比较弱、轴系较长、船的装载 分布变化较多的船（如内河货船）
船体变形大，变形状态多样 要求轴系的适应力强中间轴轴承间距宜
大 船体刚性较大轴系适应船体变形的要
求低中间轴轴承间距可小一些 轴承间距按照规范推荐公式确定
船舶动力系统
船舶推进轴系和传动设备 （2）
船舶推进轴系
轴系，位于主机输出法兰至螺旋桨之 间的所有传动设备、传动轴及辅助设 备和系统的总称
基本任务，连接主机和螺旋桨，将主 机发出的功率传递给螺旋桨，同时又 将螺旋桨产生的轴向推力通过轴系传 给船体，推动船舶运动
轴系的组成：
传动轴（中间轴、推力轴、尾轴/螺旋桨 轴）
P141
轴系的振动计算
振动：机械系统运动或位置的量值， 相对与某平均值或大或小交替地随时 间变化的现象
船舶振动的激励源有原发性的，也有 继发性的，会引起局部or整体振动
原发性激励主要有：主机、辅机、泵、 电动机、螺旋桨、紊流
继发性激励主要有：轴系纵向、回旋、 扭转振动，柴油机机架横向、纵向振动
轴系有三种振动形式：
一般，民用船舶<=3
大型远洋商船（油船、货船）：单轴线 航速较快，经常进出港口（客船、拖船、集装箱船）： 两根轴线 航速高、操纵灵活、机动性好、工作可靠，吃水受限
军用舰船：三轴/四轴 提高生命力、航速、机动性
轴线是直线，其长度和位置取决于两个 端点（前：主机输出法兰，后：螺旋桨 桨毂中心）
主机位置：高度，使主机（or齿轮箱）的 油底壳不碰到船的双层底或肋骨，并留有间 隙。留出 油底壳放油所需的操作高度
与变形量成正比
与l 3成反比
扩大轴承间距对减小附加负荷R具有决定意义
轴承的高低
➢中小型船：通过轴承将轴系布置成直线 状态（常采用拉钢丝或光学方法确定各 轴承中心位置）
➢大型艉部机舱、短轴系船舶：轴系曲线 安装
轴承间距不等、外力作用不同、轴承衬长度不 一，作用在轴承上负荷不同
大型船舶螺旋桨重量使艉管艉部轴承负荷大， 超过轴承材料许用比压；而艉馆艏部轴承负荷 过小，甚至负值；各轴承负荷分配严重不均匀
传动轴的计算
基本直径计算： 严格依据相关规范确定 强度校核： 计算静载荷下的合成应力，再引用实际经验
所确定的安全系数来考虑动载荷的作用 振动计算
传动轴轴径估算
规范计算，规范公式考虑了轴的正常 载荷及可能的额外因素，具有恰当的 安全系数
民船，先估算中间轴直径，再根据中 间轴直径计算其他轴 军用舰船，我国先估算艉轴直径，再 根据计算得到的艉轴直径计算其他轴
键槽修正：增大 径向孔的修正：增大 航区修正：仅在港口航行的船，减小
强度校核
轴系结构尺寸确定后进行强度校核
以中间轴为例 1. 计算剪应力（主机扭矩引起） 2. 计算弯曲应力（中间轴自重产生） 3. 计算压缩应力（螺旋桨推理产生） 4. 计算弯曲应力（安装误差引起） 5. 合成应力 6. 计算安全系数，考察是否超过规定
例，中间轴轴承间距
24.93 d zh 2 lm 142 d zh
lm : 最大允许轴承跨距，cm
d
：中间
zh
轴直径
，c
m
实际设计中，中间轴承采用较大的跨距受到多 方限制
轴系临界转速限制：轴系跨度大，易产生横向振 动横向振动固有频率下降，当临界转速进入主 机转速区内，产生横向振动共振破坏
高转速轴系尤其需要注意。规范规定轴系回旋振 动的一次临界转速应高于额定转速40%以上
轴系的要求
轴系位于水线以下，部分轴系长期在水中， 工作条件恶劣，受力复杂，受到船体变形、 装载的影响
工作可靠、寿命长：符合规范，有足够刚度、强度
尽可能采用标准化结构：安装维护容易，缩短修
船周期，提高可靠性
传动损失小：正确选择轴承数目、型式、布置位置、
润滑方式
良好抗震性能：在运营转速范围内不产生扭转共振、
轴系的长短视主机位置而定 主机布置靠近艉部，轴系短； 主机布置在船前部，轴系长 一般主机布置在舯部偏艉 轴系布置需满足船舶规范、拆装、
维修要求和吊缸高度
轴承设置
机舱布置在舯部的大型船舶，轴系长度100米 左右轴系由若干“中间轴+法兰”组成，每 根中间轴均由（一道）中间轴承支持。轴承底座 通过螺栓和船体刚性连接
Mi－柴油机输出变动扭矩幅值； M0－柴油机平均扭矩
“船规” 规定，220kw以上船舶都要申 报扭振计算书。如计算发现扭振应力、 临界转速范围不符合规范
减振避振措施，改进轴系型式、参数等
回旋振动
旋转轴绕其静平衡曲线产生进动的振动 模态
推进轴系的横向振动是悬臂梁的多点支 承转轴的进动运动
轴承的位置
中间轴承应安装在船体结构强度较强、变 形相对较小的部位，如舱壁附近、实肋板 附近
尽量不使两轴的连接法兰位置处于二轴承 间距的中部，以免产生过大的挠曲，使安 装困难。中间轴承
应安装在靠近法兰处，
尽可能使轴承中心到
连接法兰中心线距离
=0.2l
轴承负荷
采用比压表示，P135 大型船舶各道轴承负荷分布不均， 常采用曲线安装的形式，根据计算 结果，调整各道中间轴承的高低位 置（合理校中设计）
4. 螺旋桨边缘到基线 >=150mm
CCS钢质船规范
轴线布置的原则
对称布置：设备质量的平衡、布置和操作 的便利
单主机：纵舯剖面（机舱首尾中心线） 双轴系 三轴系：
理想的轴线位置与船体基线（船体龙骨线）水 平
轴线尽可能与船体基线（龙骨线）平行： 推进效率高 螺旋桨有效推力为
Te Tj cos cos
1.扭转振动 2.回旋振动 3.纵向振动 当振动的干扰频率=自振频率时，产生共振， 破坏轴系；引起共振的转速被称为共振转 速
要求：在轴系的常用转速区域中不发 生共振
扭转振动：轴系周向交变运动及其相 应变形
产生原因：柴油机、螺旋桨等周期性激 振力矩
当外力矩变化的频率=自由振动频率， 轴系发生共振，振幅达到最大值
11-主机曲轴
单轴系布置
1－后尾管轴承；2－前尾管轴承；3－螺旋桨轴；4－可拆联轴节； 5－隔舱；6－隔舱填料函；7－推力轴；
8－推力环；9－减速齿轮；10－联接法兰；11－轴颈；12－尾管前密封； 13－尾管；14－水密舱壁；15－螺旋桨
新船设计中轴系部分的设计工作一般从 轴系布置开始
当机舱、主机、螺旋桨位置初步决定， 并对轴系的结构有充分了解和考虑后， 首先确定轴线数目、位置、长度，初步 选定轴承的位置和间距等，然后选用和 设计轴系部件，进行轴系强度计算和振 动验算，最后绘制轴系布置及安装总图， 完成轴系的设计工作
间距过大，挠度增加，造成轴承负荷不均匀
受到安转工艺限制，过长的跨度造成安装不便， 一般中间轴长度<=9米
艉轴承：由于螺旋桨重量较大回旋和横 向振动的临界转速会降低，且运行时悬臂 动载荷的影响艉轴承间距不宜增加太大
一般
尾机型的油船or货船，受到地位限制，间距 有时只有8-9d或更小
双轴系的船，艉轴往往较长，艉轴承间距比 单轴系大，必要时可用三个艉轴承支持一 根螺旋桨轴
由于Z型装置输入轴法兰一般比主机曲 轴输出法兰高采用万向联轴节，使 主机和z型装置间布置自由，简化安装
ห้องสมุดไป่ตู้
V型传动的轴系布置
轴系以V型传动齿轮箱连接，主机水平布置， 螺旋桨轴倾斜角=8。40’
传动轴
传动轴主要由螺旋桨轴、尾轴、中间 轴、推力轴组成
推力轴：一端和发动机or齿轮箱相连， 另一端与中间轴or尾轴相连。轴径略 大于中间轴，长度较短，只需与推力 轴承匹配即可
if轴承位置安排不当，当船体变形时，轴承负 荷增加数倍，甚至十几倍，造成发热，加速磨 损
轴承的位置和间距需布置合适，才能提高轴 系运转的安全可靠性
船壳受水压、装载等影响产生变形 中间的轴承产生径向位移，其轴承负荷增加 图中，两侧的轴承靠近隔舱壁，变形较小，附加负载较小
中间轴承附加负荷：
R
K
EI l3
螺旋桨位置：
螺旋桨的位置：一般由船 体设计决定，尽可能 靠近船体，留有一定 距离充分利用主机 发出的功率，保证螺 旋桨可靠、有效工作， 避免造成船体振动
1. 保证足够的浸入深度
单桨船e=(0.25-0.30)D
双桨船e=(0.4-0.5)D
2. 螺旋桨边缘一般不 超过船中部轮廓
3. 与船体间的最小间 隙保证在规定范围 内
1. 确定轴线长度，轴段配置 2. 轴承位置、间距 3. 确定基本轴径，强度校核 4. 必要的振动计算、合理校中计算 5. 轴系部件结构设计及选型 6. 图纸
轴线的数目、长度、位置及布置
轴线：也称轴系理论中心，主机（推进 机组）输出法兰中心和螺旋桨中心的连 线
轴线的数目：取决于船舶类型、航行性能、 生命力、主机型式及数量、装置在多种情况 下的最大经济性、工作可靠性等因素
高速快艇轴系布置图 1-连接法兰；2-螺旋桨轴；3-轴承；4-尾管密封装置；5-尾轴管；
6-尾管前人字架；7-尾管后人字架；8-螺旋桨
Z型推进装置
Z型推进装置轴系布置图 1－柴油机；2－弹性联轴器；3－离合器；4－万向联轴器； 5－中间轴承；6－中间轴；7－Z型减速齿轮箱；8－螺旋桨
主机和螺旋桨不在一个水平线上，柴油 机通过弹性联轴节、摩擦离合器、两 个万向联轴节、两个中间轴把动力传 递给螺旋桨
轴系布置实例
远洋万吨级货船单轴系布置
低速大功率柴油机，直接传动
柴油机自带推力轴承
轴系30.925m =四段中间轴6、10、11、15+艉轴 2
4个中间轴承支承、艉轴管装置1（前端密封）、 穿过前舱壁处设隔舱填料函14
轴系穿过货舱处，设有轴隧（近尾部开设水密井 通甲板，逃生用），前舱壁装水密门（进出轴 隧）
艉轴管7（首、尾密封）
人字架（艉轴伸出艉管还有相当距离，为 支承螺旋桨重量、保护外伸部分的艉轴。 人字架轴承水润滑）
1000t级沿海货船轴系布置 艉机舱单轴系，轴系短，简单 主机6350ZC-1中速机 中间短轴1根+推力轴1根+艉轴1根 弹性联轴器 推力轴承单独设置
高速小艇，主机功率大、舰体狭小吃水 浅轴线倾角大
例：钢质海船
1、轴的最小直径为
轴传递的额定功率， kW
d 100C 3 Pe ( 608 )
ne b 170.5
(mm)
中间轴 C＝1.0 ； 推力轴 C＝1.1；
…… P54
轴的额定转速 轴材料抗拉强度的下限值, N/mm2 r/m
2、修正
空心修正：为减轻质量，可用空心轴，当 中空直径d0>0.4d时，修正
But ➢主机输出法兰位置较高，船舶吃水浅，为
保证螺旋桨的浸没深度倾斜角α ➢双轴系、多轴系船舶，为保证螺旋桨桨叶
边缘距离船壳有一定间隙or机桨布置要求， 轴线可向外/向内偏斜
实际布置时允许一定倾斜角α和偏斜角β， 一般α ＝0～7°，β＝0～3° 高速快艇α=12～16°
轴线的纵倾角和偏斜角
扫雷艇、气垫船吃水很浅，如按常规 布置α很大，可用折角传动、Z型传动
横振共振，即设计阶段进行临界转速计算
对船体变形敏感性小：船体变形会引起 轴承位置变化，导致附加应力和负荷， 设计考虑
密封良好：选择可靠的密封装置，防止 海水进入船舱、防止滑油外泄
质量、尺寸小
轴系的布置
船舶总体设计（主尺寸、线型、总布置、 结构设计）完成机舱、主机、螺旋桨位 置初步确定
进行轴系布置设计
轴承（中间轴承、推力轴承、尾轴承） 轴系附件（各轴联轴节、轴系制动器、
隔舱填料涵、密封装置等）
船舶大小、船型、船体线型、机舱位 置、动力装置型式等不同，传动轴的 数目、组成、轴承、轴系附件的配置 不同
1-舵；2-螺旋桨；3-艉轴；4-艉轴管；5-轴封；6-中间轴； 7-中间轴承；8-舱壁轴封；9-推力轴；10-推力轴承；