高速船螺旋桨油压安装规范公式合理性分析

2020-04-30吴放明

船海工程 2020年1期

吴放明

(1.武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉 430063；2.武汉易华船舶设计有限公司，武汉 430063)

某型海上高速船舶设计中，定螺距整体式螺旋桨拟采用油压无键安装形式[1]，入级中国船级社。按中国船级社《海上高速船入级与建造规范》(2015)(以下简称《海高规》)规定公式[1]计算螺旋桨油压无键安装最小推入量和最大推入量，计算结果显示最小推入量值大于最大推入量值，不符合最小推入量值应小于最大推入量值的基本原则[2]。

该型船舶总长约为50.0 m，型宽约为7.5 m，型深约为3.5 m，双机双桨推进，由高速柴油机通过减速、离合、倒顺齿轮箱和轴系驱动螺旋桨，属于小型船舶，考虑到螺旋桨油压安装技术一般应用于大中型船舶[3]，在小型船舶上应用时，出现过一些经验参数不适应的现象，因此，基于中国国家标准推荐的公式[4]对该船进行核算。计算结果显示，最小推入量值小于最大推入量值，即计算结果合理。

鉴于推入量计算影响因素的复杂性，各船级社总结的规范公式有差异，并在不断进行修订[5]，该船依据中国船级社《钢质海船入级规范》(2018)(以下简称《海规》)[6]及国际船级社协会其他船级社规范规定公式[7-8]进行了类比核算，计算结果基本合理。

为此，拟通过对《海高规》公式中各影响因素对计算结果的影响趋势分析，以及对各相关规范公式体系和中国国家标准公式体系各要素进行对比分析，总结各影响因素和各要素对计算结果的影响程度，判断《海高规》公式的合理性，寻求针对性的解决方案，并提出修订建议。

1 规范公式影响因素分析

相对于中国船级社其他类型船舶的规范公式，《海高规》规定的公式较为简捷，其最小推入量S1和最大推入量S2计算公式为：

(α2-α1)(35-t)d1+0.03]

(1)

(α2-α1)d1t]

(2)

式中：K为螺旋桨轴端锥度，应不大于1/15；Ne为传递到螺旋桨轴的额定功率，kW；ne为传递Ne时的转速，r/min；A为螺旋桨毂与螺旋桨轴的理论接触面积，mm2；d1为套合接触长度范围内轴的平均直径，mm；E1为轴材料的弹性模数，对于钢质材料一般取为206 GPa；E2为螺旋桨材料的弹性模数，对于铜质材料一般可取为117.7 GPa；α1为轴材料的线膨胀系数，对钢质一般可取为11×10-6℃-1；α2为螺旋桨材料的线膨胀系数，对铜质一般可取为18×1-6℃-1；t为螺旋桨套合时的温度，℃；σs为螺旋桨材料的屈服强度，MPa；C1、C2和K1、K2由如下公式计算。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:d0为轴中孔直径，mm，对于实心轴为0；d2为螺旋桨毂的平均外径，mm；μ1为轴材料的泊松比，对钢质一般取0.30；μ2为螺旋桨材料的泊松比，对铜质一般取0.34。

确定轴和螺旋桨材料后，d1、d2及A是推入量计算的基础变量，根据螺旋桨轴直径计算而得[9-10]。

以实心轴和整体式螺旋桨为例，设螺旋桨轴锥体大端的计算直径为d，螺旋桨毂与螺旋桨轴套合接触理论长度为l，mm，考虑轴的工艺尺寸，锥体大端直径即为此处轴干实际直径，如无特别要求，一般按d适当加大0～10 mm，使其个位圆整为5或0。按d加8 mm构造公式进行计算分析，可得

(7)

d2=hd1

(8)

l=max(2.5d1，d2+100)

(9)

A=πd1l

(10)

式中：h为包容件直径比，对于整体式螺旋桨，一般取1.8～2.1。

由式(4)和(8)可以看出，h即为K2。

式(7)和式(9)彼此相关，先求得一个变量的值，再求另一个变量的值。

分别将按式(9)中的2种算式代入式(7)计算，从而推导出直接计算d1的公式。

将l=2.5d1代入式(7)，得

(11)

将l=d2+100和式(8)代入式(7)，得

(12)

d1应取式(11)和(12)计算结果较大值。

按《海高规》规定，对于无键套合的螺旋桨实心轴，d为

(14)

式中：Rm为轴材料的最小抗拉强度，MPa，对于碳钢和碳锰钢螺旋桨轴，当Rm大于600 MPa时取600 MPa；对于合金钢和不锈钢螺旋桨轴，当Rm大于800 MPa时取800 MPa，且螺旋桨轴锥体大端的计算直径取0.9d。

高速船舶的变量Ne和ne决定了螺旋桨的直径、船舶线型和航速等主要参数，能够改变的可行性有限，并且可供选择的螺旋桨材料也不多，高速船一般多采用3级镍铝青铜(Cu3)材料[11]，所以，影响S1和S2的主要因素集中在h(即K2)、K和Rm这几个变量。

1.1 包容件直径比h(即K2)

以表1基本变量值为例，S1和S2随变量h(即K2)变化的趋势见图1。

表1 示例船舶基本变量值

图1 S1和S2随变量h(即K2)的变化

为了减小螺旋桨轴的直径，从而减小轴的重量和船舶附体力，轴材料选择35CrMo合金钢。

由式(8)、(9)和(10)可知，h(即K2)增大，则螺旋桨毂厚度及螺旋桨毂与螺旋桨轴的理论接触面积将增大。如图1所示，随h(即K2)的增大，S1和S2均呈减小趋势，但S2的趋势较微弱，而S1的趋势较明显，所以，S1和S2的逻辑关系趋向合理，但示例船舶仍未达到合理的程度。

1.2 锥度K

依然以合金钢35CrMo作为轴的材料,以表2基本变量值为例，其余变量按表1，S1和S2随变量K变化的趋势见图2。

表2 示例船舶基本变量值

图2 S1和S2随变量K的变化

如图2所示，随着K值的减小，S1和S2均增大，且从S1和S2的差值变化趋势可以看出，二者的逻辑关系更趋不合理。按照无键油压安装原则要求，K以尽量小为宜，因此，以增大K值，使变化趋势向合理的方向转化不可行的。

1.3 轴材料最小抗拉强度Rm

以表3基本变量值为例，其余变量按表1，S1和S2随变量Rm变化的趋势见图3。在表3中，分别以碳钢35、碳锰钢35Mn和合金钢35CrMo作为轴的材料。为便于比较，统一其他参数，35CrMo不计0.9的折减系数。

表3 示例船舶基本变量值

图3 S1和S2随变量Rm的变化趋势

如图3所示，随着Rm值的减小，S1减小，S2增大，且趋势较明显，二者的逻辑关系趋向合理。

1.4 综合分析

综合分析图1、图2和图3中各因素的影响趋势，减小Rm值是解决规范公式计算结果不合理的最有效办法。然而，由式(13)可知，增大Rm的值，即选择最小抗拉强度更大的轴材料，可以减小螺旋桨轴锥体大端的计算直径，特别是选择不锈钢材料或合金钢材料，螺旋桨轴的计算直径还可以乘以0.9的折减系数，这对于海上高速船舶而言极其重要。所以，上述分析所得到的有效解决办法，在工程实际中不具备合理性。

2 规范公式体系要素分析

《海高规》规定的公式体系较为简捷，其要素易于理解和应用，能够更快捷地指导设计和检验。以下分别对照中国船级社《钢质海船入级规范》(2018)和中国国家标准《圆锥过盈配合的计算和选用》(GB/T 15755—1995)(以下简称《标准》)规定的公式体系进行要素分析。

为便于比较，对上述各规范和《标准》中公式的变量代号采用统一的表达形式。

2.1 中国船级社《钢质海船入级规范》公式

当螺旋桨套合时的温度0 ℃

(14)

(15)

式中：p35为t=35 ℃时的最小表面压力，MPa；S35为t=35 ℃时的最小推入量，mm；pmax为t=0 ℃时的最大许用表面压力，MPa。按《海高规》变量对公式统一后，计算公式为

(16)

(17)

(18)

式中：SF为在35 ℃时防止滑移的摩擦安全系数，应不小于2.8；T为自由航行时船舶发出的持续推力，为结合面上的轴向力，N；μ为结合面摩擦系数，油压安装方法，青铜、黄铜和钢质桨毂，取0.13；B为系数；Fv为结合面上的切向力，N。B、T和Fv由如下公式计算得出。

(19)

(20)

(21)

式中：V为功率为Ne时的航速，kn；C为常数，对于齿轮传动的柴油机，取1；Me为对应于Ne和ne的额定转矩，N·m。

由式(14)-(18)推导得出与《海高规》相似的计算公式。

(22)

(α2-α1)d1t]

(23)

对比式(2)和式(23)，当其他变量取值相同时，2种规范计算所得S2值相同。

对比式(1)和式(22)，虽然其要素相似，但结果的区别也较明显。

一般轴传递的转矩为

(24)

将式(24)代入式(1)，推导可得

(α2-α1)(35-t)d1+0.03]

(25)

由式(21)推导可得

(26)

将式(26)代入式(25)，推导可得

(α2-α1)(35-t)d1+0.03]

(27)

式(22)显示，《海规》S1的计算公式与Fv和T均相关；而式(27)显示，海高规S1的计算公式仅与Fv有关。因为相同的功率Ne，高速船舶比常规船舶的航速V高，由式(20)可知，高速船舶T的影响相对常规船舶要小，因此，轴向负荷对套合联结的影响采用常数0.03进行修正。以表1的数据为例，《海高规》S1值(S1海高规)、海规S1值(S1海规)、二者的差值(ΔS1)及S2值随变量h(即K2)的变化趋势见图4。