CN109018197A - 极地冰级船舶主推进系统设计方法 - Google Patents

极地冰级船舶主推进系统设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种极地冰级船舶主推进系统设计方法，具体步骤为：1）明确航行水域的气象、冰况、法规对船舶主推进系统的要求，2）计算冰区航道中的船舶阻力，确定原动机最小推进功率，3）选用合适的原动机，进行推进器的设计和选型，获取推进器参数，4）冰冲击载荷计算，推进器的强度和疲劳分析，推进轴系强度和疲劳计算，5）计算推力轴承的性能要求，确定齿轮箱的布置型式和内部机构设计，6）轴系校中计算，轴系回旋振动计算，主推进系统的频域扭转振动计算和时域模式下的扭转振动计算，确定冰冲击下主推进系统的峰值扭矩和推力，7）推进器和轴系的冰载荷疲劳强度计算，主推进齿轮传动装置的冰载荷疲劳计算，8）轴系附件设备的选型设计。

Description

极地冰级船舶主推进系统设计方法
技术领域
本发明涉及一种极地冰级船舶主推进系统，具体涉及具有极地冰区水域航行需求的船舶的主推进系统设计方法。
背景技术
随着全球变暖，北极冰层逐渐融化，开发利用极地丰富的资源成为可能，极地航道的通航时间也不断增加，北极航道的通航可大大缩短欧洲至太平洋的距离，且可以避开索马里等敏感水域，因而具有重要的战略价值。随之而来的是极地冰级船舶设计相关规范、规则的发展，以及IACS对极地运行船舶统一要求的提出，有效促进了极地冰级船舶的发展。
极地冰级船舶的设计和建造技术是伴随着对极地冰区海洋环境、气候、冰况特性的研究而产生并发展的，对高纬度地区的海洋环境、气候条件等的研究和掌握，对极地冰级航行船舶的钢板材料强度、焊接工艺、动力系统型式、推进轴系、推进器的材料、设计、加工等的研究都是极地冰级船舶的关键技术。 而极地冰级船舶主推进系统的设计则必须对极地航行水域的冰块形态进行假定，对冰块作用于推进器和主推进系统的扭矩载荷、推力载荷、弯矩载荷等进行定量化模拟,从而对主推进系统主要部件在冰载荷冲击下的强度、疲劳等性能进行设计、分析和评估，其中涉及到各动力传递部件的设计和材料的选择。如果对冰载荷冲击作用下的载荷考虑不充分或者评估不恰当，则可能导致在设计冰况下航行时船舶主推进系统的损坏或故障，严重的还会导致船体受损或污染极地水域的情况。
发明内容
本发明的目的旨在解决极地冰区航行船舶在特定冰冲击载荷情况下主推进系统的设计问题和各设备的选型和冰载荷下的强度、疲劳等评估问题，而提供一种极地冰级船舶主推进系统设计方法，通过常规船舶主推进系统设计为考虑船体-主机-推进器之间的匹配设计，优化推进效率，满足船舶航行的快速性、机动性、振动、噪声等指标。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种极地冰级船舶主推进系统设计方法，具体步骤为：
（1）根据船舶运营任务的要求确定船舶航行的水域和季节性海洋环境条件（大气温度、冰层状况、冰类型），并明确沿线国家的水域通航管理规定中关于主推进系统的要求；
（2）根据冰级船舶的船体设计方案，分析船体高位冰载水线和低位冰载水线的位置、船艏、船艉的线型参数，通过计算或模型试验获得船舶航行在冰区航道中的阻力，确定船舶在冰区航道中航行或者破冰航行的最小推进功率需求；
（3）根据船舶不同工况下的航速和机动性需求以及船体线型、阻力等数据，确定船舶主推进原动机的选用功率，并进行推进器的初步设计和选型，确定桨叶直径、桨叶数量、螺距比、盘面比、转速的基本参数。
（4）根据船舶入级规范的要求选取设计假定的进入推进器的冰块厚度，结合推进器设计的基本参数，进行冰冲击载荷计算，分析获取在冰冲击载荷下推进器叶片承受的推力、转叶扭矩、冰冲击扭矩载荷、叶片失效载荷的数据；
（5）对推进器及内部的各部件进行强度分析和疲劳分析，判断推进器本体机构和叶片的设计，并进行推进器型值设计和材料选型的优化；
（6）根据推进器设计情况，结合冰载荷对轴系进行初步设计，确定轴系的设计尺寸和材料选择；
（7）根据冰载荷下推进器和轴系设计情况，确定推进器推力在船体上的承载情况，提出推力轴承选型设计的性能要求，确定齿轮箱的布置型式和内部机构的设计；
（8）对系统进行校中计算确定轴系各截面的弯矩、应力、挠度数据，进行回旋振动计算分析系统的横向振动特性、固有频率和临界转速，进行扭转振动计算分析系统在开阔水域工况下运行时主推进系统的振动特性；
（9）对主推进系统进行冰载荷时域模式下的振动特性分析，确定不同工况下主推进系统的峰值冲击扭矩和推力；
（10）考虑冰载荷下的最大冲击扭矩、桨叶失效载荷和轴系截面应力、弯矩的情况对主推进系统的传动轴系各截面进行强度和疲劳计算评估，包括低周疲劳衡准、高周疲劳衡准和瞬态振动衡准，确定轴系的设计；
（11）主推进系统设备辅助系统的抗冰设计和保温设计；
（12）通过冰池试验测试设计冰况下的船舶阻力、破冰性能和推进器在冰载荷下的水动力和抗冰性能，对设计结果进行验证。
步骤（5）中，对推进器及内部的各部件进行强度分析和疲劳分析：首先，建立推进器的物理模型，将冰冲击载荷施加在推进器上，进行推进器壳体和各部件的强度计算，采用Weibull分布理论和线性累积损伤理论对冰冲击载荷下的桨叶以及推进器各部件进行疲劳强度计算，满足疲劳衡准指标。
步骤（6）中，轴系的设计尺寸和材料选择通过对轴系进行基本强度计算，确定轴系材料物理特性和各轴段的直径。
步骤（7）中，推力轴承选型设计是根据冰冲击载荷计算结果确定推进器在冰冲击载荷下产生的最大推力，并确定齿轮箱布置型式和推力轴承的选型。
步骤（10）中，确定轴系的设计：首先，根据峰值扭矩和推力数据对轴系进行强度计算，计算考虑峰值扭矩、轴系各截面的峰值扭转应力和峰值弯矩，采用Weibull分布理论和线性累积损伤理论对冰冲击载荷下的轴系部件进行疲劳强度计算，满足疲劳衡准指标；然后，对主推进系统的齿轮传动机构进行冰冲击载荷下的疲劳强度计算；再对主推进轴系的附件进行选型设计，包括密封、径向轴承、推力轴承；满足冰冲击载荷下的峰值载荷，低水温环境和可靠性要求。
若在强度计算或疲劳分析中发现推进器、轴系、传动齿轮箱的设计需要优化，则与此相关的计算和评估需重新计算以保证最终各计算设计中的输入是一致的。
本发明的有益效果是：
本发明立足于冰级船舶主推进系统设计的主要难点问题的解决，通过对冰区环境的分析获取进行主推进系统设计所需要的冰载荷参数；通过对极地冰级船舶航行工况的分析和对国外大量研究报告的汇总以及对规范的总结，确定了主推进系统各设备主要部件的设计和计算工作内容；通过对系统设计、计算、分析和评估工作的开展，开发了冰级船舶运营冰载荷下主推进系统设备主要部件的设计和评估方法。通过对主推进系统设计方法的研究和各设备在冰载荷下的响应情况分析，确定了冰级船舶主推进系统的设计流程、设计和计算之间的迭代计算关系和设计方法。
本发明已经运用于大型拖网加工船的主推进系统设计，过程中对该项目冰区相关设计和计算进行了充分的分析和论证，设计图纸和计算书均满足CCS船级社关于冰区航行船舶的主推进系统设计要求，通过了审图。
附图说明
图1 是冰级船舶主推进系统示意图；
图2 是极地冰级船舶主推进系统的冰级设计主要工作框图；
图3 是冰冲击响应载荷计算和设备强度衡准流程图；
图4是轴系疲劳强度计算流程图；
图5 是推进器桨叶冰载荷强度设计流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的极地冰级船舶主推进系统，包括原动机1、高弹性联轴器2、齿轮箱装置3、联轴器4、轴系5、艏密封装置6、艉管装置7、艉密封装置8、推进器9、导流罩10。
如图2到图5所示，本发明的极地冰级船舶主推进系统设计方法，着重从系统角度考虑，结合法规、规范等要求进行设计和计算，给出船舶主推进系统的设计和设备选型方法，其主要步骤如下：
(1)确定冰级符号要求：根据船舶任务书的要求，确定船舶航行海域范围和季节性要求，结合海域冰况、气候等条件和海域管理方的有关规定确定船舶入级的冰级符号和对主推进系统的基本要求。
（2）选择原动机功率：根据船体线型的设计方案，进行公式计算或者进行船舶的冰池试验确定船舶在冰区航道中的阻力，计算船舶在冰区航道航行所需要的最小功率，并选择合适的主推进系统布置型式和主推进系统原动机额定功率。
（3）推进器设计目标和基本参数：结合主推进系统的配置和布置型式进行推进器的选型，根据推进器的运转条件（包括所处的伴流场）提出推进器水动力性能的具体要求，采用环流理论设计方法进行桨叶的设计工作，减小桨叶产生的空泡和船体振动问题，并获取桨叶设计的直径、桨叶数量、螺距比、盘面比、转速等基本参数。
（4）计算冰冲击载荷：结合规范要求进行推进器选取设计假定的进入推进器的冰块厚度，进行冰冲击载荷计算，分析获取在冰冲击载荷下推进器叶片承受的推力、转叶扭矩、冰冲击扭矩载荷、叶片失效载荷等数据。
（5）推进器的强度和疲劳计算：建立推进器的物理模型，将冰冲击载荷施加在推进器上，进行推进器壳体和各部件的强度计算。采用Weibull分布理论和线性累积损伤理论对冰冲击载荷下的桨叶以及推进器各部件进行疲劳强度计算，满足疲劳衡准指标。
（6）轴系的设计和计算：对轴系进行基本强度计算，确定轴系材料物理特性和各轴段的直径。
（7）冰载荷下的轴系推力计算和推力轴承选型：根据冰冲击载荷计算结果确定推进器在冰冲击载荷下产生的最大推力，确定齿轮箱布置型式和推力轴承的选型。
（8）轴系校中计算：对轴系进行校中计算，确定冷态、热态各工况下轴系各截面的弯矩、应力、挠度情况。
（9）轴系回旋振动计算：分析轴系的横向振动特性、固有频率和临界转速范围。如出现共振现象，需调整轴系设计。
（10）轴系扭转振动计算：采用频域方法对主推进系统进行敞水扭转振动计算，分析各工况下的推进系统振动特性。采用时域方法对主推进系统进行冰块冲击工况下的扭转振动计算，确定在冰块冲击过程中产生的最大峰值扭矩和峰值推力。结合序（6）、序（7）的设计进行修正。
（11）轴系冰载荷强度计算和疲劳计算：根据峰值扭矩和推力数据对轴系进行强度计算，计算考虑峰值扭矩、轴系各截面的峰值扭转应力和峰值弯矩。采用Weibull分布理论和线性累积损伤理论对冰冲击载荷下的轴系部件进行疲劳强度计算，满足疲劳衡准指标。
（12）对主推进系统的齿轮传动机构进行冰冲击载荷下的疲劳强度计算。
（13）对主推进轴系的附件进行选型设计，包括密封、径向轴承、推力轴承等。满足冰冲击载荷下的峰值载荷，低水温环境和可靠性要求。
（14）抗冰设计和保温设计：根据机舱内的环境条件对主推进系统各设备的辅助系统进行保温设计，对设备润滑油路的温度和粘度特性进行分析。对外部设备进行防冰块冲击的防护设计，暴漏在海水或低温环境内的材料应经过低温冲击试验，满足强度要求。
（15）试验验证：根据所航行水域的冰块特性，在冰池环境下调整冰块盐分和冰块强度，模拟设计冰况的冰层材料和厚度，必要时对冰块进行尺寸加工以模拟航道的真实情况，通过观察船舶在冰池中的航行情况、冰块作用于推进器产生的载荷和振动、推进器桨叶产生的水动力特性和空泡、脉动压力等特性，对主推进系统的设计进行试验验证。

Claims (6)

1.一种极地冰级船舶主推进系统设计方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）根据船舶运营任务的要求确定船舶航行的水域和季节性海洋环境条件（大气温度、冰层状况、冰类型），并明确沿线国家的水域通航管理规定中关于主推进系统的要求；
（2）根据冰级船舶的船体设计方案，分析船体高位冰载水线和低位冰载水线的位置、船艏、船艉的线型参数，通过计算或模型试验获得船舶航行在冰区航道中的阻力，确定船舶在冰区航道中航行或者破冰航行的最小推进功率需求；
（3）根据船舶不同工况下的航速和机动性需求以及船体线型、阻力等数据，确定船舶主推进原动机的选用功率，并进行推进器的初步设计和选型，确定桨叶直径、桨叶数量、螺距比、盘面比、转速的基本参数；
（4）根据船舶入级规范的要求选取设计假定的进入推进器的冰块厚度，结合推进器设计的基本参数，进行冰冲击载荷计算，分析获取在冰冲击载荷下推进器叶片承受的推力、转叶扭矩、冰冲击扭矩载荷、叶片失效载荷的数据；
（5）对推进器及内部的各部件进行强度分析和疲劳分析，判断推进器本体机构和叶片的设计，并进行推进器型值设计和材料选型的优化；
（6）根据推进器设计情况，结合冰载荷对轴系进行初步设计，确定轴系的设计尺寸和材料选择；
（7）根据冰载荷下推进器和轴系设计情况，确定推进器推力在船体上的承载情况，提出推力轴承选型设计的性能要求，确定齿轮箱的布置型式和内部机构的设计；
（8）对系统进行校中计算确定轴系各截面的弯矩、应力、挠度数据，进行回旋振动计算分析系统的横向振动特性、固有频率和临界转速，进行扭转振动计算分析系统在开阔水域工况下运行时主推进系统的振动特性；
（9）对主推进系统进行冰载荷时域模式下的振动特性分析，确定不同工况下主推进系统的峰值冲击扭矩和推力；
（10）考虑冰载荷下的最大冲击扭矩、桨叶失效载荷和轴系截面应力、弯矩的情况对主推进系统的传动轴系各截面进行强度和疲劳计算评估，包括低周疲劳衡准、高周疲劳衡准和瞬态振动衡准，确定轴系的设计；
（11）主推进系统设备辅助系统的抗冰设计和保温设计；
（12）通过冰池试验测试设计冰况下的船舶阻力、破冰性能和推进器在冰载荷下的水动力和抗冰性能，对设计结果进行验证。
2.根据权利要求1所述的极地冰级船舶主推进系统设计方法，其特征在于：步骤（5）中，对推进器及内部的各部件进行强度分析和疲劳分析：首先，建立推进器的物理模型，将冰冲击载荷施加在推进器上，进行推进器壳体和各部件的强度计算，采用Weibull分布理论和线性累积损伤理论对冰冲击载荷下的桨叶以及推进器各部件进行疲劳强度计算，满足疲劳衡准指标。
3.根据权利要求1所述的极地冰级船舶主推进系统设计方法，其特征在于：步骤（6）中，轴系的设计尺寸和材料选择通过对轴系进行基本强度计算，确定轴系材料物理特性和各轴段的直径。
4.根据权利要求1所述的极地冰级船舶主推进系统设计方法，其特征在于：步骤（7）中，推力轴承选型设计是根据冰冲击载荷计算结果确定推进器在冰冲击载荷下产生的最大推力，并确定齿轮箱布置型式和推力轴承的选型。
5.根据权利要求1所述的极地冰级船舶主推进系统设计方法，其特征在于：步骤（10）中，确定轴系的设计：首先，根据峰值扭矩和推力数据对轴系进行强度计算，计算考虑峰值扭矩、轴系各截面的峰值扭转应力和峰值弯矩，采用Weibull分布理论和线性累积损伤理论对冰冲击载荷下的轴系部件进行疲劳强度计算，满足疲劳衡准指标；然后，对主推进系统的齿轮传动机构进行冰冲击载荷下的疲劳强度计算；再对主推进轴系的附件进行选型设计，包括密封、径向轴承、推力轴承；满足冰冲击载荷下的峰值载荷，低水温环境和可靠性要求。
6.根据权利要求1所述的极地冰级船舶主推进系统设计方法，其特征在于：若在强度计算或疲劳分析中发现推进器、轴系、传动齿轮箱的设计需要优化，则与此相关的计算和评估需重新计算以保证最终各计算设计中的输入是一致的。
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