船舶轴系性能提升与运行安全

第1章绪论 1.1研究背景 船舶工业是现代大工业的缩影，是国防安全和国家经济发展的战略性产业，对于机电、钢铁、化工、航运、海洋工程、资源勘探、国防科技工业等上下游产业的发展具有强劲的带头作用。虽然我国是世界船舶制造**大国，但在造船技术与质量方面与世界先进国家相比，还有差距。船舶设计制造的核心技术和规范均受控于世界先进国家。为了促进我国船舶工业技术的进步，降低船舶设计与制造对国外技术的依赖性，保障我国船舶工业持续健康发展，维护我国的经济利益，保持我国在世界上的造船大国地位，实现我国由世界造船和航运大国向世界造船和航运强国的发展目标，迫切需要大力发展船舶工业先进设计、制造与管理技术。 近年来，为了提高船舶运输效率，发挥船舶规模运输的经济优势，大型/超大型船舶数量占世界远洋船舶总量的比例越来越大，船舶向大型化发展越来越迅速[1]。船舶大型化发展既是国内外海洋运输经济发展的迫切需要，也是船舶的前沿基础理论和先进建造技术支持的产物。 中国船级社（China Classification Society，CCS）2009年年报[1]统计数据显示，仅2009年一年时间就有30000载重吨（dead weight tonnage，DWT）的超大型油船（very large crude carrier，VLCC）、298000DWT的大型矿砂船、147000m3的液化天然气（liquefied natural gas，LNG）船和8530箱（twenty-feet equivalent unit，TEU）的集装箱船等不同类型大型船舶 40余艘通过船舶检验而交付使用。另外，CCS在2011年年报[2]中指出，仅在2011年中国就交付8艘308000DWT的VLCC、3艘 230000DWT的大型矿砂船、2艘205000 DWT大型散货船、17艘180000DWT散货船和147000m3LNG船等，总吨位、总功率创造了新的纪录。船舶大型化的特征不仅体现在总吨位、总功率和船舶尺寸数据不断出现新纪录上，而且体现在船舶的内在属性上。其航行性能不断提升，运输经济性显著提高。以超大型集装箱船 （ultra large container ship，ULCS）为例，单船运载集装箱的容载能力达到1000～21000TEU，船长超过300m，推进功率达到 100000kW，航行速度达25kn（1kn≈0.5144m/s）左右。大型船舶的船体和动力推进系统的多项数据超出以往同类型船舶原有数据的若干倍，但其推进效率在保持航速不下降的条件下可以提高3%～8%，甚至 10%[1]。因此，船舶大型化发展对其设计和性能提出了更高的要求。 据报道，大型/超大型船舶出现的故障及其造成的损失不可忽视。大型 /超大型船舶的船体变形引起的推进轴系对中失效，导致主机曲轴断裂、轴系振动剧烈和尾轴变形与密封破坏等恶性事故更加严重[3，4]。船体变形会加速轴系联结法兰螺栓断裂，导致推进系统失效，船舶操纵失控[5]。大型船体变形使轴系失中，有的船舶在试航几小时就出现前尾轴承与前密封失效，或后尾轴承烧熔；有的船舶仅运行6个月就出现后尾轴承损坏情况[6]。根据瑞典船舶保险公司对1998～2011年船舶理赔事故的统计结果（表1-1），船舶航行中由机械故障造成的事故占总理赔事故的45%；随着船舶逐渐向着大型化的快速发展，推进轴系的故障次数也在逐渐增加。数据显示，1998～2013年，由于整体或局部机械故障引起的船舶安全事故有明显增加的趋势[7]。其中，超过50%的故障率发生在推进系统的主机和轴系部分，且轴系所占机械故障的比例由1998～2004年的11.3%增加到 2005～2013年的17.7%，故障次数由63次增加到174次。机械故障引起的船舶安全事故统计如表1-2所示。因此，研究船舶推进系统的设计、制造和运维技术显得极其重要。 由此可见，发展大型船舶的重大技术挑战之一就是如何提升船舶的航行性能。其中大型船舶船型的合理设计，以及保证推进动力系统可靠运行是提升其航行性能的重要内容。由于船舶的大型化，推进系统与船体两者的相互耦合、相互影响问题日益突出。一方面，大型/超大型船舶由于船体主参数明显增大，推进轴系传递的扭矩、推力巨大，因此轴系振动加剧，振动激励通过轴系-轴承-船体传递，进而引起船体的强烈振动[9]。另一方面，通过增大轴系与螺旋桨的直径来保证扭矩传递[10]，导致轴系刚度增加，但船体是一薄壁腔体，其刚度不会与轴系刚度同步增长，而轴系刚性相对增大，使其对船体变形极为敏感。船体首尾基准线的相对变形分布均呈现“凸”或“凹”形曲线，使轴线也发生变形。首尾轴承轴线的*小变形为 2.2mm，满载下*大变形为6.2mm，而轴承间隙数量级为0.1mm级，轴线的变形量远大于轴承间隙，导致轴系轴承的相对位置、负荷发生剧烈变化，甚至超出保持轴系正常运转允许的范围[11，12]。研究表明，可以通过轴承负荷影响数[13]来定量描述轴系变形对轴承负荷所带来的影响。轴承负荷影响数对比表如表1-3所示。对于新型的VLCC船舶，中间轴承位置发生0.1mm位移，其尾管前轴承载荷增加21650N。对于老型号船却仅增加8070N，前者几乎是后者的3倍。如进一步计入船体变形，只要中间轴承被抬高0.28mm，尾管前轴承就会脱空[3]。这是船舶大型化必然面对的困境。 因此，水环境中大型船舶的船体变形及其船舶推进系统间的相互影响引起船舶界和各国船级社的高度重视，成为船舶与海洋工程行业及相关领域的研究热点。波浪载荷作用下，大型船舶推进系统与船体的系统动力学耦合理论、航行环境下的流体-船体耦合动力学条件下的推进轴系扭转、纵向和横向耦合振动，以及复杂海洋环境下的船舶航行性能提升优化技术等都是亟待重点研究的科学问题。这对于提高大型船舶运营中的稳定性及可靠性、保障船舶轴系的生命力、降低推进系统振动对船舶的危害具有重要意义。 1.2船舶轴系的基本构成及作用 1.2.1船舶推进系统 船舶推进系统作为船舶的重要组成部分，连接着主机和螺旋桨，传输主机产生的扭矩给螺旋桨，同时将螺旋桨产生的轴向推力传递给船体以推动船舶的运行，保障船舶的航行动力。船舶推进系统对船舶营运的经济性、机动性、可靠性等起着至关重要的作用 [14-16]。船舶推进系统主要包括主机 （船用二冲程或四冲程柴油机）、支承系统 （推进轴系、轴承和相关传动设备 ）、推进器 （各种结构形式的螺旋桨 ）和其他辅助机械设备系统。船舶推进系统布置图如图 1-1所示。推进轴系作为主机与推进器之间的连接部件，主要将主机产生扭矩及功率传递给推进器。与此同时，将推进器与水之间作用产生的轴向推力作用于推力轴承处，进而传给船体，使船舶前进或者后退，其工作稳定性和可靠性是船舶生命力的有力保证。 1.主机 船舶主机，即船舶动力装置，是为各类船舶提供动力的机械。船舶主机根据采用燃料的性质、燃烧的场所、使用的工质及其工作方式等，可分为蒸汽机、内燃机、核动力机和电动机。目前，绝大多数的船舶都在使用内燃机中的往复式柴油机作为主机，部分军舰使用核动力主机和电动主机。船舶主机主要包括主动力装置、辅助动力装置、其他辅机和设备。主动力装置为船舶提供推进动力的主机及其附属设备，是全船的心脏。主动力装置以主机类型命名。目前，主机主要有蒸汽机、汽轮机、柴油机、燃气轮机和核动力装置等五类。现代运输船舶的主机以柴油机为主，在数量上占绝对优势。辅助动力装置是为全船提供电力、照明和其他动力的装置，如发电机组、副锅炉等，其中发电机组是船上*重要的辅助动力装置。柴油机船一般有2～3台发电机组，由单独设置的中速或高速柴油机驱动。其他辅机和设备包括为主机运行提供支持的设备，如空压机、油水分离机、重油加热装置，以及各种管路系统等。 2.推进轴系 船舶推进轴系位于主机（或齿轮箱）的输出法兰和螺旋桨之间，并起着连接它们的作用。轴系一般由传递主机功率用的传动轴、支撑传动轴用的轴承及其他附件组成。船舶推进轴系的基本任务是将主机的功率传递给螺旋桨，同时将螺旋桨旋转产生的轴向推力传给船体以推动船舶运动。传动轴主要由螺旋桨轴、艉轴、推力轴和中间轴组成。这些轴段的数目和配置主要取决于船型、动力装置类型和机舱位置。一般船舶的艉轴指螺旋桨轴。艉轴（或螺旋桨轴）末端装有螺旋桨。前端穿过艉轴管与船体内的中间轴相连。中间轴安置在推力轴与艉轴之间，在传动轴中起着连接各主要轴段的作用。推力轴是为承受推力设置的，设有推力环。轴系受力情况十分复杂，包括扭应力、压缩应力、弯曲应力、安装误差引起的附加应力和其他动态附加应力等。 3.轴承 轴承可以分为推力轴承、中间轴承和艉轴承。其中，推力轴承主要传递纵向力，中间轴承和艉轴承连接轴与船体，传递径向力。轴承的结构形式可以分为滑动式和滚动式两种。滑动轴承的优点是工作可靠、维护简便、制造成本低且不需要专门设备，安装和维修较方便，大量使用在转速较低的轴系中。 4.推进器 推进器主要指各种结构形式的螺旋桨。螺旋桨是靠桨叶在水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置，可有两个或较多的叶与毂相连。叶的向后一面为螺旋面或近似于螺旋面。螺旋桨分为定 （桨）距和变距螺旋桨两大类。定距桨的桨距（或桨叶安装角）是固定的，构造简单，重量轻，只在选定的速度范围内效率较高，在其他状态下效率较低。变距螺旋桨的桨距 （或桨叶安装角）是可变的，构造复杂，造价高，通过调节桨距或桨叶角度可使螺旋桨在一定工况和环境下处于*佳工作状态。 1.2.2船舶轴系故障形式 大型船舶在航行过程中，会不可避免地遇到一些突发状况，如大风、大浪等。这会对大型船舶轴系产生影响，严重时可能导致轴系发生故障，使大型船舶无法正常工作。同时，大型船舶轴系在正常航行过程中，可能由于不平衡力、润滑不良、轴系校中、微小异物入侵等发生一系列的严重故障。从振动基本形式上看，船舶推进轴系振动可分为扭转振动、纵向振动、回旋振动。由于主机激振力的不均匀性、主机离心惯性力，以及轴系安装的不对中性、材料分布的不均匀性等原因，极易使推进轴系产生以横向和扭转为主的振动。螺旋桨在水的激励作用下，上述三种船舶推进轴系的振动形式都可能出现，并产生两向或三向的耦合振动。此外，极端海洋环境下的波浪载荷会使船体产生变形，改变原有轴系支承轴承的相对刚度和位置。尤其是，针对如大型散货船等尾机型、轴系短粗的船舶，推进轴系刚度较大，当轴承基座的垂向位置发生小幅度变化时，轴系会产生比较剧烈的横向振动[17]。剧烈的横向振动会使螺旋桨轴的锥形大端产生龟裂，导致严重的疲劳损坏事故，进而尾管后轴承产生严重的磨损及过热等现象，导致轴衬套腐蚀、密封装置损坏等故障发生。长时间、剧烈的扭转振动极易造成主机曲轴、中间轴、尾轴、螺旋桨轴的扭断。耦合作用下船舶轴系及部件的破坏如图1-2所示。纵向振动极易引起主机内曲柄销弯曲应力和拉压应力超过其允许的受力极限，使曲轴发生弯曲疲劳破坏，或者造成传动齿轮的轮齿附加负荷增大，加速齿面过度磨损，甚至损坏等。 1.3船舶轴系性能提升与安全运行研究现状 1.3.1基于流固耦合理论的流体-船舶动力学研究现状 在船舶航行过程中，波浪的压力作用会引起船体结构的刚体运动，包括在各个方向上的摇荡，同时船体结构在螺旋桨等动力装置的激励下会产生不同形式的变形。船舶在航行过程中所受外部荷载的应力分布如图 1-3所示。由于船体结构的弹性变形也会作用到流体上，影响波浪载荷的分布状态，因此需要对流体 -结构耦合作用进行系统的探究[18]。 在流体-船体耦合动力学理论分析方面，需通过流固耦合的建模基础，结合流体的水弹性理论，同时考虑船体结构的初始惯性力和流体动力的耦合作用，将流场域和固体域作为整体系统进行分析，以此来描述流体 -船体结构的相互作用，并得到不同边界条件下的船体变形量。在早期的流体研究中， Deni