計(jì)入螺旋槳水動(dòng)力的軸系校中計(jì)算

， ，

(1. 海軍裝備部艦船辦，北京 100036；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

傳統(tǒng)的軸系校中一般是在靜態(tài)、剛性支承情況下進(jìn)行，不考慮動(dòng)態(tài)因素的影響。實(shí)踐表明，動(dòng)態(tài)因素會(huì)影響軸系校中的結(jié)果，如螺旋槳水動(dòng)力產(chǎn)生的垂向推力、水平力矩的平均分量和交變分量。這種周期性激振力會(huì)使軸系的受力狀況產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化，影響軸系運(yùn)行的安全性與可靠性[1-2]。

本文以某成品油船軸系為例，運(yùn)用ANSYS有限元法，將螺旋槳水動(dòng)力產(chǎn)生的周期性力和力矩等邊界條件施加到軸系上，分析計(jì)算各軸承的支反力及其變化規(guī)律，并與傳統(tǒng)軸系校中進(jìn)行比較，為船舶軸系的動(dòng)態(tài)校中計(jì)算提供參考。

1 軸系計(jì)算基本參數(shù)

該成品油船軸系由螺旋槳艉軸、中間軸以及主機(jī)曲軸組成，共有4個(gè)軸承支承，1#為艉軸承，2#為中間軸承，3#和4#為柴油機(jī)曲軸主軸承。從艉軸末端至曲軸前端，軸段總長(zhǎng)為7.339 m。軸系支承位置、外部載荷見表1、2。該成品油船的螺旋槳為等螺距槳，主要參數(shù)見表3。

表1 軸系支承位置

注：與截面序號(hào)對(duì)應(yīng)的軸承序號(hào)即為軸承所在處。

表2 軸系外部載荷

表3 螺旋槳參數(shù)

根據(jù)以上軸系基本參數(shù)，假定軸承為剛性支承，建立船舶軸系校中計(jì)算模型，見圖1。

圖1 船舶軸系校中計(jì)算模型示意

2 螺旋槳水動(dòng)力平均分量與交變分量

螺旋槳水動(dòng)力的平均分量是指螺旋槳在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的穩(wěn)定的、不隨時(shí)間變化的力和力矩；交變分量是指在螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，在槳葉上產(chǎn)生不定常的載荷，該載荷隨槳葉旋轉(zhuǎn)的角度改變而發(fā)生變化[3]。在軸系校中計(jì)算時(shí)，主要考慮螺旋槳水動(dòng)力產(chǎn)生的垂直推力Fy和水平彎矩Mz的影響。在轉(zhuǎn)速一定的情況下，螺旋槳水動(dòng)力的平均分量與交變分量的大小與進(jìn)速系數(shù)J有關(guān)。

J=Va/nD

(1)

式中：Va——螺旋槳進(jìn)速；

n——螺旋槳轉(zhuǎn)速；

D——螺旋槳直徑。

借助CFD軟件FLUENT，建立螺旋槳水動(dòng)力模型，劃分槳葉網(wǎng)格[4]見圖2。槳葉網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為14 238，面單元總數(shù)為18 636。葉面壓強(qiáng)分布(J=0.4)見圖3。

圖2 螺旋槳網(wǎng)格劃分

圖3 J=0.4時(shí)葉面壓強(qiáng)分布

通過求解葉面槳壓強(qiáng)，得到螺旋槳水動(dòng)力平均分量與交變分量。螺旋槳水動(dòng)力平均分量見表4，交變分量見圖4、5。

表4 螺旋槳水動(dòng)力平均分量

圖4 不同進(jìn)速系數(shù)時(shí)交變垂直推力

圖5 不同進(jìn)速系數(shù)時(shí)交變水平彎矩

由表4可見，隨進(jìn)速系數(shù)的增大，螺旋槳垂直推力和水平彎矩均減小。當(dāng)進(jìn)速系數(shù)超過0.8時(shí)，推力與彎矩大大減小，說明此時(shí)推進(jìn)效率會(huì)明顯降低。

如圖4、圖5所示，螺旋槳垂直推力、水平力矩隨旋轉(zhuǎn)角度呈周期性變化，其周期數(shù)與葉片數(shù)相當(dāng)。當(dāng)進(jìn)速系數(shù)J=0.4、0.7、1.0時(shí)，垂直推力的最大值分別為58.4、44.5、18.6 kN，最小值為-25.3、-15.8、-7.4 kN；水平力矩最大值分別為65.5、53.5、25.9 kN·m，最小值為-26.7、-21.9、-7.9 kN·m，這說明在一旋轉(zhuǎn)周期中，垂直推力與水平力矩出現(xiàn)正負(fù)值。

3 軸系校中比較

進(jìn)行不計(jì)入與計(jì)入螺旋槳水動(dòng)力的軸系校中比較，探討螺旋槳水動(dòng)力平均分量與交變分量對(duì)軸系校中的影響水平。

3.1 不計(jì)入螺旋槳水動(dòng)力的軸系校中

在不計(jì)入螺旋槳水動(dòng)力的情況下，應(yīng)用ANSYS有限元法，建立軸系校中有限元計(jì)算模型，求解各軸承的支反力，見表5。

3.2 計(jì)入螺旋槳水動(dòng)力的軸系校中

3.2.1 平均分量對(duì)軸系校中的影響

分別將進(jìn)速系數(shù)為0.4～1.1時(shí)，y方向上的垂直推力Fy和z方向上的水平彎矩Mz計(jì)入軸系校中，求得軸系各軸承支反力，見圖6。

圖6 軸承支反力-進(jìn)速系數(shù)

由圖6可見，隨進(jìn)速系數(shù)的增大，1#艉軸承和3#主軸承負(fù)荷增大，2#中間軸承和4#主軸承負(fù)荷減小。

與傳統(tǒng)軸系校中相比，當(dāng)J=0.4和J=1.1時(shí)，在螺旋槳垂直推力和水平彎矩平均分量的作用下，各軸承負(fù)荷見表5。

表5 計(jì)入水動(dòng)力平均分量與不計(jì)入平均分量時(shí)支承反力比較 kN

由表5可見，艉軸承負(fù)荷有所減小，中間軸承負(fù)荷有一定增大，未出現(xiàn)“騰空”現(xiàn)象，受力狀況得到改善；兩個(gè)主機(jī)軸承上的負(fù)荷差值有所減小，但4#主機(jī)軸承負(fù)荷依然為負(fù)值，出現(xiàn)“騰空”現(xiàn)象。這說明螺旋槳水動(dòng)力的平均分量能在一定程度上減小 “懸臂作用”的影響，有利于軸系校中質(zhì)量的改善。

3.2.2 交變分量對(duì)軸系校中的影響

當(dāng)進(jìn)速系數(shù)J=0.4、0.8、1.0時(shí)，將交變垂向推力、水平力矩當(dāng)作外加載荷施于軸系上，經(jīng)軸系校中計(jì)算，求得各軸承負(fù)荷隨葉片旋轉(zhuǎn)角度的變化情況，見圖7～10。

圖7 交變分量對(duì)艉軸承負(fù)荷的影響

圖8 交變分量對(duì)中間軸承負(fù)荷的影響

圖9 交變分量對(duì)3#軸承負(fù)荷的影響

圖10 交變分量對(duì)4#軸承負(fù)荷的影響

從圖7～10可以得出如下結(jié)論。

1)槳葉旋轉(zhuǎn)一周，軸承負(fù)荷變化周期數(shù)約為3，與槳葉數(shù)目相同。在槳葉角度為40、100、200、280、340°時(shí)，各軸承負(fù)荷分布相對(duì)合理，艉軸承負(fù)荷較小且為正值，軸系校中質(zhì)量較好；在其他角度時(shí)，艉軸承負(fù)荷偏大或?yàn)樨?fù)，各軸承負(fù)荷相差較大，軸系校中質(zhì)量較差。

2)當(dāng)進(jìn)速系數(shù)J=0.4、螺旋槳槳葉轉(zhuǎn)至180°時(shí)，艉軸承上的負(fù)荷最大(134.82 kN)，約為不計(jì)水動(dòng)力時(shí)負(fù)荷的2倍。此時(shí)，中間軸承(-76.232 kN)出現(xiàn) “騰空”。當(dāng)螺旋槳槳葉轉(zhuǎn)至120°時(shí)，艉軸承負(fù)荷出現(xiàn)最大負(fù)值(-76.232 kN)，約為不計(jì)水動(dòng)力時(shí)負(fù)荷的20倍；中間軸承受力最大(94.59 kN)；主機(jī)兩軸承受力較均勻。

3)當(dāng)進(jìn)速系數(shù)J=1.0時(shí)，艉軸承負(fù)荷波動(dòng)范圍在17.96～84.22 kN之間，沒有負(fù)值出現(xiàn)，其負(fù)荷狀況明顯好于進(jìn)速系數(shù)J=4.0時(shí)，中間軸承和3#主機(jī)軸承亦是如此；4#主機(jī)軸承負(fù)荷在槳葉旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期內(nèi)呈正負(fù)交替變化，但隨進(jìn)速系數(shù)的增大，波動(dòng)范圍減小。由此可見，隨進(jìn)速系數(shù)的增大，一個(gè)周期內(nèi)各軸承負(fù)荷的波動(dòng)趨于平緩，水動(dòng)力交變分量對(duì)軸系校中的影響作用減小。

4 結(jié)論

1)與傳統(tǒng)軸系校中對(duì)比，在不同進(jìn)速系數(shù)(0.4～1.1)條件下，并計(jì)入螺旋槳水動(dòng)力平均分量(垂向推力和水平力矩)時(shí)，軸系的受力狀況有所改善。

2)軸系校中考慮螺旋槳水動(dòng)力交變分量作用時(shí)，各軸承的支反力與進(jìn)速系數(shù)和螺旋槳槳葉所處角度有關(guān)。在某些角度，各軸承支反力分布比較合理，某些角度則不理想，該校中結(jié)果與傳統(tǒng)

校中結(jié)果有所差異。

[1] 溫玉奎．57300DWT散貨船軸系校中研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2007.

[2] 耿厚才．船舶軸系的動(dòng)態(tài)校中計(jì)算[J]．中國(guó)造船，2006，47(3)：51-56．

[3] 何友聲，王國(guó)強(qiáng)．螺旋槳激振力[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社，1984．

[4] 王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005．