1、螺旋桨水动力对电力推进轴系校中特性的影响研究赖国军1，姜忠龙1，刘金林2a，马锐锋2b，曾凡明2a（1.中国人民解放军92116部队4分队，辽宁 葫芦岛 125003；2.海军工程大学 a.动力工程学院；b.舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033）摘要：船舶推进轴系的校中质量是影响其安全、稳定和可持续运行的主要因素之一。现阶段用于指导工程实践的轴系校中方法大多为静态校中，如按直线校中、合理校中、轴承位置双向优化校中等。而动态校中尚处于理论研究阶段，鲜有人研究在船舶运行过程中螺旋桨水动力对轴系校中状态参数的影响。本文以某电力推进轴系为对象，通过建立该艇的桨-轴-艇体及其周围水域的
2、三维模型，计算该艇在额定工况下运行时的螺旋桨水动力，并对比研究分析水动力对该轴系校中状态参数的影响。研究结果可为预测轴系运行动态参数和后续的轴系优化改型提供一定的参考。关键词：轴系校中；水动力；运行动态参数；优化改型中图分类号：U661.44文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2023.02.013Influence of propeller hydrodynamic force on alignmentcharacteristics of a motor driving shafting systemLAI Guo-jun1,JIANG Zhong-lon
3、g1,LIU Jin-lin2a,MA Rui-feng2b,ZENG Fan-ming2a(1.Branch 4 of Unit 92116 of PLA,Huludao 125003,China;2a.College of Power Engineering;b.National KeyLaboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)Abstract:The alignment quality o
4、f a ship propulsion shafting system is one of the main factors affecting itssafe,stable and sustainable operation.At present,the shafting alignment methods used to guide engineeringpractice are mostly static alignment,such as linear alignment,reasonable alignment,and bidirectional optimization align
5、ment of bearing position.However,the dynamic alignment is still in the stage of theoretical research,and few people have studied the influence of propeller hydrodynamic force on shafting alignmentstate parameters during ship operation.In this paper,a motor driving shafting system was taken as the st
6、udyobject,the three-dimensional models of propeller-shafting-hull model and its surrounding waters of the shipwere established to calculate the propeller hydrodynamic force of the ship under rated working conditions,and the influence of the force on the shafting alignment state parameters was compar
7、ed and analyzed.The research results can provide some reference for predicting the dynamic operating parameters of shafting andsubsequent shafting optimization and modification.第27卷第2期船舶力学Vol.27 No.22023年2月Journal of Ship MechanicsFeb.2023文章编号：1007-7294（2023）02-0294-8收稿日期：2022-08-06基金项目：国家自然科学基金重点项目
8、（51839005）；湖北省自然科学基金项目（2017CFB584）；海军工程大学基础研究自主立项项目（20161519）作者简介：赖国军（1991-），男，博士，工程师，E-mail:；姜忠龙（1976-），男，学士，正高级工程师；刘金林（1981-），男，博士，副教授；马锐锋（1990-），男，硕士，助理研究员，通讯作者，E-mail:；曾凡明（1962-），男，博士，博士生导师。Key words:shafting alignment;hydrodynamics;operation dynamic parameters;optimization and modification0 引言船
9、舶推进轴系1作为动力装置的重要组成部分，它的主要使命是将主机发出的功率以旋转动能的形式传递至推进器（一般为螺旋桨），再将推进器在船后流场中旋转产生的推力或拉力通过推力轴承以轴承力的形式传递至船体，从而驱动船舶的前进或者后退。无论船舶是否运行，轴系各部件都承受着十分复杂的载荷。轴系的校中特性（主要指轴系各部件承受载荷情况）是影响其能否安全、稳定和可持续运行的重要因素之一。船舶行业发展历史上，曾出现过多起因轴系校中不良而引起的轴系轴承异常磨损，甚至出现轴段断裂等事故，严重影响船舶的航行安全。图1显示了几种因轴系校中不良引起的事故。（a）轴承异常磨损（b）艉轴断裂（c）中间轴断裂图1 几种因轴系校中
10、不良引起的事故Fig.1 Several accidents caused by poor quality of shafting alignment为保证船舶推进轴系的校中质量，国内外许多研究机构和相关学者对船舶推进轴系校中方法和轴系校中计算方法开展了大量研究，积累了大量的轴系校中理论和设计规范2-4。在轴系校中方法的研究方面主要经历了直线校中、按轴承上允许负荷校中、合理校中、双向优化校中5和动态校中6-9等，这些轴系校中方法的出现在一定程度上提高了轴系校中质量，为船舶推进轴系安装提供了有利的参考。在牛顿经典力学的基础上，在轴系校中计算10方法研究方面主要经历了传递矩阵法、三弯矩法、改进三弯
11、矩法和有限元法等，这些校中计算方法各有优缺点，都在不同程度上提高了轴系校中计算的效率。目前，虽然轴系静态校中理论已较为成熟，也普遍应用于指导轴系校中安装实践，但随着船舶朝着大型化、高速化发展，静态校中已逐渐暴露出它的不足11-12（未能考虑船舶运行过程中的动态因素，且某些动态因素已无法忽略）。本文针对船舶运行过程中轴系校中特性难以监测的问题，以某电力推进轴系为例，通过建立该艇的桨-轴-艇体（采用SUBOFF缩比模型替代）模型，计算该艇在额定工况下运行时艇后螺旋桨旋转产生的水动力，采用流固耦合的方式将该水动力作用于螺旋桨，对比分析该电力推进轴系在计入该艇额定工况下螺旋桨水动力前后轴系状态参数的变
12、化。通过该研究可以预测轴系运行时的状态参数，为进一步提高轴系校中质量提供支撑。1 轴系简介电力推进轴系布置简图如图2所示。图2显示了该电力推进轴系由一个螺旋桨、一段艉轴、一段中间轴和一段推力轴、一个后艉轴承、一个前艉轴承和一个推力轴承等部件组成，其中：螺旋桨安装在艉轴上，两个艉轴承（仅承受径向载荷）用于支撑艉轴；艉轴通过半联轴节与推力轴相连；中间轴通过法兰左右依次与艉轴和推力轴相连；推力轴承不仅可承受径向载荷（用于支撑推力轴），还能承受螺旋桨在水中旋转产生的轴向推力；高弹联轴器用于联接轴系与电机，并具有补偿轴系位移差的功能。第2期赖国军等：螺旋桨水动力对电力推进轴系校中 295螺旋桨艉轴后艉轴
13、承前艉轴承半联轴节推力轴承推力轴法兰高弹联轴器图2 电力推进轴系布置简图Fig.2 Layout diagram of an electric propulsion shafting system某艇桨-轴-艇体及其周围水域的三维模型分别如图3和图4所示。图3 桨-轴-艇体三维模型Fig.3 3-D model of propeller-shafting-hull旋转内域图4 桨-轴-艇体周围水域三维模型Fig.4 3-D model of waters around propeller-shafting-hull图3显示了该电力推进轴系与SUBOFF缩比艇体模型装配情况。由于真实艇体结构极其
14、复杂，且对螺旋桨水动力产生影响的主要因素为艇体外形，因此，在此采用与真实艇体尺寸十分相近的SUBOFF缩比模型尺寸用于模拟计算。这样不仅能够较好满足螺旋桨水动力计算精度要求，又能有效降低建模的难度。图4显示了桨-轴-艇体外部水域的三维模型，该模型的建立参考了文献13-15中桨-轴-艇体周围水域模型的建立原则，其中：螺旋桨附近的旋转内域半径为螺旋桨直径的1.05倍，旋转内域的几何中心与螺旋桨的几何中心重合；艇体周围水域的外域半径是6倍艇体半径，艇体几何中心线与外域几何中心线重合；外域长度是艇体长度的4倍，外域几何中心与螺旋桨尾部顶点重合。图34建立的三维模型是舰艇运行时螺旋桨水动力计算的基础。2
15、 轴系校中计算2.1 模型简化处理图2中显示的轴系模型是开展轴系校中计算的基础，由于轴系结构繁杂，其实际受力情况十分复杂。在进行校中计算之前需要将轴系的物理模型做一些合理的简化处理，现参照文献16将其简化为合理的数学模型。该电力推进轴系简化后的三维模型（含划分网格后的模型）和简化数学模型分别如图5和图6所示。图5 某电力推进轴系简化三维模型及其计算网格Fig.5 Simplified 3-D model of an electric propulsionshafting system and its computational mesh后艉轴承前艉轴承推力轴承支反力均布载荷螺旋桨集中载荷高弹联
16、轴器图6 用于轴系校中计算的简化数学模型Fig.6 Simplified mathematical model for shaftingalignment calculation296船舶力学第27卷第2期轴系校中计算时，轴系的各轴段采用均布载荷模拟，螺旋桨采用集中载荷模拟（作用点为螺旋桨的几何中心点），各轴承采用弹簧单元模拟。轴系三维模型建立原则为：（1）以螺旋桨桨毂顶点为坐标原点，X轴为轴向（指向船艏为正），Y轴为竖直方向（重力方向为负），Z轴为水平方向（垂直纸面向外为正）；（2）三个轴承的支撑作用简化处理方法，它们均采用一个竖直方向和一个水平方向的弹簧来代替，弹簧都是一端作用于轴系，另一端固定在船体（地面），自由长度为0.6 m，刚度值由厂家提供。其中，用于模拟后艉轴承的弹簧2，作用点取为后艉轴的1/3长度处，其余两个轴承的弹簧作用点取为相应轴承的中间位置；（3）推力轴承承受轴向推力的模拟，在推力轴承的最右端面添加一个轴向弹簧，用于模拟推力轴承承受轴向推力的作用。2.2 校中计算根据该推进轴系结构可知：（1）该轴系各轴段锻造采用的主要材料是结构钢；（2）后艉轴承采用海水润滑；（3
