計入螺旋槳水動力的軸系校中計算

， ，

(1. 海軍裝備部艦船辦，北京 100036；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

傳統(tǒng)的軸系校中一般是在靜態(tài)、剛性支承情況下進行，不考慮動態(tài)因素的影響。實踐表明，動態(tài)因素會影響軸系校中的結(jié)果，如螺旋槳水動力產(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使軸系的受力狀況產(chǎn)生動態(tài)變化，影響軸系運行的安全性與可靠性[1-2]。

本文以某成品油船軸系為例，運用ANSYS有限元法，將螺旋槳水動力產(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)軸系校中進行比較，為船舶軸系的動態(tài)校中計算提供參考。

1 軸系計算基本參數(shù)

該成品油船軸系由螺旋槳艉軸、中間軸以及主機曲軸組成，共有4個軸承支承，1#為艉軸承，2#為中間軸承，3#和4#為柴油機曲軸主軸承。從艉軸末端至曲軸前端，軸段總長為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：與截面序號對應的軸承序號即為軸承所在處。

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算模型，見圖1。

圖1 船舶軸系校中計算模型示意

2 螺旋槳水動力平均分量與交變分量

螺旋槳水動力的平均分量是指螺旋槳在運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的穩(wěn)定的、不隨時間變化的力和力矩；交變分量是指在螺旋槳運轉(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]。在軸系校中計算時，主要考慮螺旋槳水動力產(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，螺旋槳水動力的平均分量與交變分量的大小與進速系數(shù)J有關(guān)。

J=Va/nD

(1)

式中：Va——螺旋槳進速；

n——螺旋槳轉(zhuǎn)速；

D——螺旋槳直徑。

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

圖2 螺旋槳網(wǎng)格劃分

圖3 J=0.4時葉面壓強分布

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

表4 螺旋槳水動力平均分量

圖4 不同進速系數(shù)時交變垂直推力

圖5 不同進速系數(shù)時交變水平彎矩

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

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。當進速系數(shù)J=0.4、0.7、1.0時，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)正負值。

3 軸系校中比較

進行不計入與計入螺旋槳水動力的軸系校中比較，探討螺旋槳水動力平均分量與交變分量對軸系校中的影響水平。

3.1 不計入螺旋槳水動力的軸系校中

在不計入螺旋槳水動力的情況下，應用ANSYS有限元法，建立軸系校中有限元計算模型，求解各軸承的支反力，見表5。

3.2 計入螺旋槳水動力的軸系校中

3.2.1 平均分量對軸系校中的影響

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

圖6 軸承支反力-進速系數(shù)

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

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

表5 計入水動力平均分量與不計入平均分量時支承反力比較 kN

由表5可見，艉軸承負荷有所減小，中間軸承負荷有一定增大，未出現(xiàn)“騰空”現(xiàn)象，受力狀況得到改善；兩個主機軸承上的負荷差值有所減小，但4#主機軸承負荷依然為負值，出現(xiàn)“騰空”現(xiàn)象。這說明螺旋槳水動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 交變分量對軸系校中的影響

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

圖7 交變分量對艉軸承負荷的影響

圖8 交變分量對中間軸承負荷的影響

圖9 交變分量對3#軸承負荷的影響

圖10 交變分量對4#軸承負荷的影響

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，各軸承負荷分布相對合理，艉軸承負荷較小且為正值，軸系校中質(zhì)量較好；在其他角度時，艉軸承負荷偏大或為負，各軸承負荷相差較大，軸系校中質(zhì)量較差。

2)當進速系數(shù)J=0.4、螺旋槳槳葉轉(zhuǎn)至180°時，艉軸承上的負荷最大(134.82 kN)，約為不計水動力時負荷的2倍。此時，中間軸承(-76.232 kN)出現(xiàn) “騰空”。當螺旋槳槳葉轉(zhuǎn)至120°時，艉軸承負荷出現(xiàn)最大負值(-76.232 kN)，約為不計水動力時負荷的20倍；中間軸承受力最大(94.59 kN)；主機兩軸承受力較均勻。

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

4 結(jié)論

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

2)軸系校中考慮螺旋槳水動力交變分量作用時，各軸承的支反力與進速系數(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，2007.

[2] 耿厚才．船舶軸系的動態(tài)校中計算[J]．中國造船，2006，47(3)：51-56．

[3] 何友聲，王國強．螺旋槳激振力[M]．上海：上海交通大學出版社，1984．

[4] 王福軍．計算流體動力學分析[M]．北京：清華大學出版社，2005．