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船舶推进装置的组成及传动方式

已有 12462 次阅读 2019-10-25 16:50 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 船舶, 动力装置, 柴油机, 推进装置, 电力推进

船舶推进装置的组成及传动方式

伍赛特

 

1 船舶推进装置的组成

推进装置也称主动力装置,是船舶动力装置中最重要的组成部分。它包括主机、传动设备、轴系和推进器等。其作用是由主机发出功率,通过传动设备和轴系传给推进器,以完成推进船舶的使命。图1为典型的船舶推进装置。

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1 典型的船舶推进装置

 

2 船舶推进装置的传动方式

按传动功率方式不同,船舶推进装置的型式可分为直接传动、间接传动和特殊传动三大类。

 

2.1 直接传动

直接传动是主机动力直接通过轴系传给螺旋桨的传动方式,如图1a)所示。在这种传动方式中,主机和螺旋桨之间除了传动轴系外,没有减速和离合设备,运转中螺旋桨和主机始终具有相同的转向和转速。

直接传动方式的主要优点是:结构简单,维护管理方便;经济性好,传动损失少,传动效率高;工作可靠,寿命长。

直接传动方式的缺点是:整个动力装置的重量、尺寸大,要求主机有可反转性能,非设计工况下运转时经济性差,船舶微速航行速度受到主机最低稳定转速的限制。

直接传动方式的应用:由于直接传动方式具有结构简单、经济性好、工作可靠等优点,所以广泛应用于以大功率低速柴油机为主机、采用定距桨推进的大中型商船。

 

2.2 间接传动

间接传动是主机和螺旋桨之间的动力传递除经过轴系外,还经过某些特设的中间环节(离合器、减速器等)的一种传动方式,如图1b)所示。

根据中间传动设备的不同,间接传动可分为只带齿轮减速器、只带滑差离合器、同时带有齿轮减速器和离合器三种形式。

间接传动方式的优点是:主机转速可以不受螺旋桨要求低转速的限制;轴系布置比较自由,主机曲轴和螺旋桨轴可以同心布置也可以不同心布置;在带有倒顺车离合器的装置中,主机不用换向,使主机结构简单,工作可靠,管理方便,机动性提高:有利于多机并车运行及设置轴带发电机。

间接传动方式的主要缺点是:轴系结构复杂,传动效率较低。

间接结构方式的应用:间接传动多用于中小型船舶,以大功率中速柴油机、蒸汽轮机和燃气轮机为主机的大型船舶。

近年来,于动力装置节能的需要,提高螺旋桨的推进效率越来越被人们重视,而采用大直径低转速螺旋桨是有效途径之一。在20世纪70年代初,低速柴油机利用直接传动方式带动的螺旋桨转速多在100 r/min以上,中速柴油机通过减速箱减速一般也不低于90 r/min

随着节能型船舶的现,减速齿轮装置已扩大到低速柴油机的领域,甚至有的船舶低速柴油机经减速后,螺旋桨转速仅为43 r/min,螺旋桨直径可达11 m。以中速柴油机为主机的船舶,为了进一步降低螺旋桨转速,减速齿轮箱的减速比也相应加大,螺旋桨转速有的已降至60 r/min,随着动力装置节能技术的进一步发展,间接传动方式的应用范围将会进一步扩大。

 

2.3 特殊传动

特殊传动是指与直接和间接传动不同的一种传动方式。它通常指可调螺距螺旋桨传动,Z形传动,电力传动,吊舱式推进器、喷水推进器传动,液压马达传动和同轴对转螺旋桨传动等。可调螺距螺旋桨传动在第六章第一节专门说明,喷水推进器传动、液压马达传动和同轴对转螺旋桨传动在一般商船和工程船舶中应用较少,本文只介绍Z形传动、电力传动和吊舱式三类。

 

2.3.1 Z形传动

Z形传动装置又称悬挂式螺旋桨装置。图2Z形传动装置的结构原理图。主机1的功率经联轴器2、离合器3、带有万向节的传动轴4、上水平轴8、上部螺旋锥齿轮9、垂直轴12、下部螺旋锥齿轮14及下水平轴15传递给螺旋桨13,从而推动船舶前进。

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2 Z形传动装置结构原理图

1一主机;2一联轴器;3一离合器;4带有万向节的传动轴;5一滑动轴承:6一弹性联轴节:7―滚动轴承;8一上水平轴;9一上部螺旋锥齿轮:10―蜗轮蜗杆装置:11一齿式联轴器:12―垂直轴;13-螺旋桨;14—下部螺旋锥齿轮;15一下水平轴:16―旋转套筒;17一支架

 

Z形传动方式最显著的特点是螺旋桨可绕垂直轴做360°回转。当启动一个电动机带动蜗轮蜗杆装置10运动时,蜗轮带动旋转套筒16在支架17中回转,同时使螺旋桨13绕垂直轴12360°范围内做平面旋转运动。由于螺旋桨可绕垂直轴做360°回转,因此它具有以下优点:

1)操纵性能好。螺旋桨的推力方向可以自由变化,使船舶操纵性能优于其他传动方式,特用两台主机,而每台分别带动一个Z形传动装置时,可以使船舶原地回转、向移

动、快速进退以及微速航行等。

2)可以省掉舵、艉柱和艉轴管等结构,使船尾形状简单,船体阻力减少。

3)可以使用重量轻、体积小的中、高速柴油机,而不需要单独的减速齿轮装置,不需要主机有换向机构,可以延长柴油机使用寿命。

4)由于这种传动装置是垂直悬挂在船尾,可由船尾部甲板开口处吊装,检修不用进坞, 可大大缩短修理时间

尽管如此,由于结构上的原因,传递功率会受到一定限制,因而仅适用于小型船舶,特别适用于港作船和在狭窄航道中航行的船舶。

 

2.3.2 电力传动

电力传动是主机驱动主发电机将发出的电供到主配电板,再由主配电板供电给主电动机从而驱动螺旋桨运转的一种传动方式。采用电力传动方式的船舶被称为电力推进船舶。电力传动装置的布置如图3所示。

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电力传动装置布置图

 

1)电力传动的优点

主机和螺旋桨之间没有机械联系,可省去中间轴及轴承,机舱布置灵活;主机转速不受螺旋桨转速的限制,可选用中、高速柴油机,并可在柴油机恒定转速下调节电动机转速,使螺旋桨转速得到均匀、大范围的调节;螺旋桨反转是靠改变主电动机(直流)电流方向来完成的,倒车功率大,操纵容易,反转迅速,船舶机动性能提高;主电动机对外界负荷的变化适应性好,甚至可以短时间堵转。

 

2)电力传动的缺点

需要经过机械能变电能、电能变机械能两次能量转换,传动效率低;增加了主发电机及主电动机,使动力装置总的重量和尺寸都增加,造价和维护费用都提高。

 

3)电力传动的应用

基于上述特点,电力传动主要用于对机动性能要求很高的船舶,需要从事特殊作业的船舶,以及具有大容量辅助机械的船舶;也适用于军用舰船。

1)起重船。在自航式起重船上,可利用起重机械的电力作为推进动力。如我国自行设计建造的50 t起重船,装有两台55 kW柴油发电机组,起重作业时,电网向起重机械供电;航行时,电网向两台推进电动机供电,维持3 kn左右的航速

2)消防船、救捞船。消防船在驶向火场的过程中,主发电机的功率全部用于船舶推进;到达火场后,需要用少量的电能维持低速推进,而把大部分的电能供给消防泵。电力推进不仅可以减少消防船上原动机的数量,而且便于实现驾驶台遥控,以获得良好的机动性和操纵性。救捞船与消防船类似,在到达救捞地点后,就可将主发电机组产生的电能大部分用于救捞设备如空压机、绞车等。

3)布缆船、航标作业船。在铺设电缆时,需要船舶保持精确的航向和较低的航速。采用电力推进后,可在达到上述要求的同时,将主发电机组的功率主要用于布缆作业。航标作业船与布缆船情况类似。

4)调查船、测量船。这类船上一般配备有大功率的甲板机械或科研设备,它们可与电力推进装置一起从主电网获得电能。电力推进船舶的机动性、低速航行性能较高,这对于航行状态多变、航区复杂的调查船和测量船十分有利。

5)挖泥船。采用电力推进的耙吸式挖泥船,其大功率的泥浆泵不必由专用的原动机带动,主发电机组的功率可以随意地分配给泥浆泵和推进装置。在挖泥时,船舶低速航行,大部分电能供给泥浆泵:航行时,电能全部供给推进装置,船舶保持高速航行。这样,既减少了原动机的数量,又提高了动力装置的经济性。

6)破冰船。电力推进的破冰船在低速时能发出较大推力,适合完成破冰任务。电动机的堵转特性使机组不会超载,并在螺旋桨被冰块卡住时不致损坏。电力推进装詈的机动性和恒功率自动调节性能,也改善了破冰船的工作效率。

7)拖船。电力推进装置的调速范围广,可保证拖船从自由航行状态到拖带状态都发出全功率,从而获得拖航工作的最佳效率。此外,在拖带过重时,电动机还可实现堵转,避免事故的发生。

8)渡轮。电力推进设备易于实现集中控制,除船尾设置主推进器外,还可方便地在船首及左右两舷设置侧推器,以便于渡轮在港口要道和狭窄水道中快速、灵活和安全地航行,并快速、准确地靠离码头。“烟大”号是国内首次采用全电丿推进系统的客滚船,由上海船舶研究设计院设计,天津新港船厂建造,2006年投人营运,长182.6 m,宽24.8 m,满载排水量16 299 t,服务航速18 kn,抗风能力8级,采用了ABB公司的 Azipod电力推进装置(2×4 088kW)。

9)大型邮轮。采用电力推进的大型邮轮,布詈方便、紧凑,增加了乘客房间,减少噪声,提高了舒适性。美国的“幻想”号、日本的“ Crustal harmony”号等邮轮,都采用了电力推进方式。

 

2.3.3吊舱式推进器

吊舱式推进器的结构与Z形传动装置类似,但工作原理不同,属于电力传动范畴,即柴油机或燃气轮机驱动发电发电,电力通过电缆输送给安装在水下吊舱中的电动机,带动螺旋桨旋转。图4为吊舱式推进器的结构原理图。

采用吊舱式推进器的船舶,其推进电动机直接受到周围海水的冷却,冷却效果好,尺寸紧凑,效率高,操纵方便,功率范围较大。单台吊舱式推进器的功率范围为5 00025 000 kW,四台推进器总功率可达100 000 kW以上。近年来,其在超大型豪华旅游船和大型客滚船上应用逐渐增多。

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吊舱式推进器结构原理图

1一回转电机;2―回转轴承;:3一辅助设备:4―船体线;5一后桨:6―转子联轴节;7一后污水井:8―轴承;9一散热翅片:10励磁机;:11一前污水井:12―桨帽;13前桨;14―桨轴;15―外壳:16一污水泵:17一工作通道:18―电液操纵系统:19―滑环装置

 

3 船舶推进装置选型分析

发动机、传动设备、传动方式及推进器的类型很多,因此,它们可组合成多种推进装置。传动方式不同,装置的性能也将不同,并且有各自的优缺点和适用条件,在进行传动方式的选型时要综合分析,杈衡利弊,最后做决策。

选择传动方案时要考虑的因素,主要有船舶的大小、用途和航区,发动机的形式和发展,传动设备的形式和发展,经济性能、安全可靠性能和运转管理性能等。船舶动力装置常见的选型方案如下:

1)一般远洋和沿海航行的货船、油船多采用直接传动,以提高装置的经济性。

2)由于机舱空间有限,客船、滚装船多采用中速柴油机作为主机,通过减速齿轮箱驱动

定距桨或调距桨。

3)在冰区航行的船舶,为了使主机和轴系不致因螺旋桨被冰块卡住而损坏,在采用低速柴油机时还加上液力耦合器。

4)对于破冰船,由于希望在破冰时获得较大的机动性及螺旋桨被卡住时有较大的扭矩多采用电力传动。

5)内河船舶由于受吃水的限制,常采用中、高速柴油机和齿轮减速传动。此时在主机和齿轮减速器之间一般设弹性联轴器,以吸收扭矩的冲击和减轻因轴线对中偏差造成的影响。

6)对于工况多变的渔船和推、拖船,则采用调距桨装置更为适宜。

7)双机单桨推进装置因并车和航行中检修主机的需要,必须加装离合器,如摩擦离合器、液力耦合器等。

在考虑经济性时,不但要看传动轴系本身的效率,还要将传动设备的效率、主机效率以及螺旋桨效率联系起来一块考虑。例如,就传动方式本身而言,直接传动的效率比齿轮减速间接传动的效率要高。但采用齿轮减速传动后,螺旋桨转速可以降低,直径可以增加,螺旋桨效率将会提高,因此整个推进装置的效率可能提高。图5所示为船舶推进装置的部分组合方案。

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5 传统推进装置选型方案

 

参考文献

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[2] 伍赛特.基于潜艇AIP动力装置的热力发动机闭式循环特征研究[J].内燃机,2018(06):54-57+62.

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[5] 伍赛特.船舶电力推进系统的技术特点及发展趋势研究[J].机电信息,2019(15):159-160.

[6] 黄连忠,赵俊豪. 船舶动力装置与特种装备[M]. 大连:大连海事大学出版社, 2016.01.




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