全回转对转桨推进装置轴系设计与布置

陈 勇

（福建船政交通职业学院，福建 福州 350007）

汽车渡船用来载运汽车渡过江河、湖泊、海峡。传统的汽渡船型因采用常规螺旋桨推进方式，造成航行阻力大、推进效率低、机动性能差。全回转对转桨推进装置既具有全回转推进装置所特有的优良机动性，又具有对转桨装置所特有的高效率推进、减少振动、降低噪音及空泡性能好的特点，满足了汽车渡轮对机动性及快速性的要求［1］。

1 概述

某汽车轮渡用于专线陆岛客车渡轮。全船为钢质、首尾对称、双柴油机驱动的全回转推进的陆岛车客渡轮，首尾斜坡板连接码头可使车辆上下通过；满足船级社《钢质海船入级与建造规范》、《国内航行海船法定检验技术规则》等规范要求。某汽车轮渡主要技术参数为：总长44m；设计水线长37.70m；型宽12.8m；型深4.00m；吃水深度2.50m；设计航速11节；载重数量：小轿车20辆；载客量：98人。

本船设主机2台，选用康明斯公司生产的K7A19-M600型船用柴油机，每台主机持续功率为441 kW，转速为1 800r/min，燃油耗率小于210g/kW·h；2套对转桨全回转舵桨CFCR-W-LD600及2台200kW柴油机发电机组。

机舱设在前27#～后27#肋骨间船的中部。两主机组布置在机舱左、右舷。每台主机经过联轴器、离合器，由轴系带动舵桨装置工作。遥控操纵台位于驾驶室，可操纵主机调速，离合，舵桨回转等。

2 全回转对转桨推进舵桨装置特点及性能

全回转对转桨推进装置是一种新型角传动z型推进装置，该装置与普通的舵桨装置相比加装一个反转的桨。普通的舵桨装置有一个锥齿轮传递的功率，而全回转对转桨推进装置加装一个锥齿轮，这样可实现传递功率为原单桨齿轮的一半，同时主机动力通过联轴器、离合器、万向节经水平输入一对直角齿轮带动一垂直轴齿轮，经二级传动，再带动一对正反转齿轮等部件传递给螺旋桨，该螺旋桨可以绕垂直轴做360°全回转，提供全方位的推力，可以省舵且船尾形状简单，阻力小，从而极大提高了船舶的机动性［2］。因此具有以下优良的性能：

2.1 对转舵桨双向出轴，结构简化，工艺性好。全回转舵桨装置能做360°全回转，提供全方位的推力，具有较好船舶机动性，但由于经过多级齿轮传动，降低了传递效率；而对转舵桨是在同心的内外两轴上安装两个普通螺旋，以相反等速方向旋转。因可减小尾流旋转损失，推进效率高，比单桨高约8%～10%，最佳直径小，约比单桨小10%～15%。

2.2 可原地回转，机动可靠安全。传统推进装置倒车靠机械自身完成，倒车速度一般只有正车的50%～60%。全回转对转桨推进舵桨装置依靠螺旋桨在水平内180°旋转开正车来完成倒车，其速度可达到正车的85%～90%，这样可减少由于倒车不及时造成的船舶碰撞、沉船等事故。尤其是汽车渡轮可做到横移、原地回转、顺水靠码头等多种机动操作。

2.3 减少振动、降低噪音。使用对转桨减少了螺旋桨负荷，可使推进器盘面处的伴流均匀，避免产生空泡。从而降低振动和噪音。

2.4 极好的操纵性能。操纵性是船舶航行的重要性能之一，船舶操纵性能的好坏对航运安全有非常大的影响。由于全回转对转桨推进舵桨装置在360°范围内旋转，具有全方位的推力和操船力，能实现横移、倒车、骤停和原地回转功能。

由此可见，全回转对转桨推进装置，是一种新颖、高效率、环保型推进装置，具有节约能源，提高航速和推进效率，符合生态、环保要求，能广泛适用于各种汽车渡船、游船、工作船、货船、集装箱船、港作船、拖轮等。

3 轴系设计与布置

3.1 轴系布置

由于全回转对转桨推进装置所具有的结构特点和优良的性能，本船选用CFCR-W-LD600舵桨装置，该装置上配带有液压离合器和弹性联轴器，螺旋桨可绕垂直轴做360°回转发出全方位的推力，操作船舶横向移动、原地回转、快速进退、紧急停止以及微速航行。驾控台上布置有机桨合一的遥控操纵装置，可以控制对主机的调速、回转及离合器的接脱排［3-4］。

按照船体的线型及结构，以及舵桨在全方位转动时不超过船体的船宽为准则，本船舵桨中心距基线4 600mm距船体中心线2 850mm，23#+250；离合器输出法兰布置在0#，距基线1 690mm，距船体中心线3 200mm，轴系中心线位于舵桨中心与离合器输出法兰中心的连线所构成的竖直平面内，另一轴线位于另一舷，与之呈中心对角对称布置。为了保证所连接的两轴能连续回转，可靠地传递转动和扭矩，使用万向联轴器连接轴线相交的两轴。这样舵桨与主机离合器之间通过万向节传动轴系传递功率［5］。

本船的轴线倾斜角为7°，避免倾斜角太大，影响使用寿命。轴系的详细布置见图1。

每根中间轴系长约10m，包含3根中间轴及6只中间轴承，艏艉部有万向联轴节和隔仓填料。中间轴间的法兰用尼龙柱销联接，其结构简单，维护方便。

图1 轴系布置图

1.船用主机；2.弹性联轴器；3.液压离合器；4.万向联轴节；5.中间轴1；6.中间轴2；7.中间轴3；8.轴承座；9.轴承；10.Z型推进装置

3.2 轴系计算

本船轴系设计计算按“国内航行海船建造规范”要求。主机额定功率441kW，轴的额定转速1 800r/min，轴材料抗拉强度520N/mm2，屈服强度≥260N/mm2，液压离合器额定传递扭矩3 200Nm。

3.2.1 中间轴直径d计算

本船推进装置仅有中间轴，故仅对该轴进行计算

取d=90mm

式中：d——中间轴直径，mm；

F——柴油机推进装置，取100；

C——有键联轴节，取1.1；

Ne——主机额定功率，441kW；

ne——轴的额定转速，1 800r/min；

Rm——轴材料抗拉强度，520N/mm2。

3.2.2 中间轴联轴节紧配螺栓直径计算

取 df=17mm（M16）

式中：df—螺栓直径，mm

Z—螺栓数量，8

D—螺栓节圆直径，196mm

Rmb—螺栓材料抗拉强度，560N/mm2

3.2.3 中间轴法兰厚度计算

B=0.2d=64.5×0.2=12.9

d—中间轴计算直径：64.5mm

取B≥25mm。

3.2.4 中间轴法兰根部过度圆角及倒角半径计算

R=0.08d=90×0.08=7.2mm

d—中间轴实取直径：90mm

取R≥15mm

3.2.5 万向联轴节的强度校核：

本船选用上海纳铁福生产的200.35型，单键万向联轴节的传递扭矩为17kNm。

本船轴系传递的额定扭矩为

式中：Ne—传递的额定功率kW

ne—额定功率时转速r/min

按CCS规范，安全系数取2.8，故轴系的安装扭矩M为：

M≥Me×2.8=2339.8×2.8=6.55kNm

6.55kNm＜17kNm，安全。

4 结语

常规汽渡在较大风浪条件下，靠离码头也十分困难。而采用全回转对转桨全回转推进装置以及合理轴系设计与布置，可使轮渡在较小的半径内原地回转，也可以方便地前进、后退、左右平移和回转等，从而安全可靠地靠离码头、进出港口，有效地提高推进效率及航速，达到船舶安全快速、操纵灵活的要求，取得良好的经济效益和社会效益。

［1］沈武铮.对转桨全回转Z型推进装置及其在汽车渡轮上的应用［J］.舰船科学技术，1997（S）：6-9.

［2］周勇.全回转Z型对转桨推进装置轴系设计［J］.江苏船舶，2005（3）：19-25.

［3］黄国强.船舶推进［M］.北京：国防出版社，1985.

［4］陈勇.某汽车渡船动力装置设计选型［J］.机电技术，2011（6）：9-14.

［5］郑立新.2×1470KW全回转平台工程船简介［J］.船舶，2003（5）：15-20.