喷水推进装置轴系设计技术探讨*

张 岩 刘建国 王立祥

(七〇八研究所 上海 200011)

喷水推进装置轴系设计技术探讨*

张 岩 刘建国 王立祥

(七〇八研究所 上海 200011)

喷水推进;轴系设计;密封;轴承

针对三种典型的喷水推进装置轴系结构形式,从轴承、密封、润滑等主要方面的技术特点进行分析,结合工程实际应用,从可靠性、维修性及适用性角度指出了它们的优缺点,对相关设计人员具有较好参考价值。

刘建国(1970.02-),男,汉族,上海人,研究员,从事喷水推进研发工作。

王立祥(1940.09-),男,汉族,湖北人,研究员,从事喷水推进研发工作。

0 引 言

喷水推进作为一种特殊的船舶推进方式,以其良好的抗空泡能力、优良的浅吃水性能、极强的变工况能力、低噪声振动及高推进效率,使其在高性能船艇、内河浅吃水船和高速渡轮等船舶上占据重要的地位。

喷水推进作为一门新兴的边缘学科,涉及船舶工程、流体机械工程、机械工程、液压传动与控制工程及新型材料等多领域的专业技术,而其中船舶工程与流体机械工程是喷水推进工程的主体。

喷水推进装置通常由进口流道、喷水推进泵、操舵倒航机构、液压系统和控制系统五大部分组成,喷水推进泵是该装置的核心和关键(见图1),直接影响到船舶的快速性。

图1 喷水推进组成

喷水推进与其他船用推进器的不同之处在于推力不是直接由推进器产生,而是由推进泵将水从载体底部吸入,通过喷口以高速水流向载体后面喷出,利用出流和进流动量变化产生的推力来推动载体前进。它与喷气式飞机的推进原理基本相同,只不过喷气式推进的介质是空气,而喷水推进的介质是水。与螺旋桨推进相比,喷水推进动叶轮上的力只是内力,而螺旋桨是靠叶片上的力直接推动载体运动。

自上世纪90年代以来,喷水推进技术获得了巨大的发展,在各类船舶上大量应用。国外大型的喷水推进公司有KaMeWa(现已被Rolls-Royce收购)、Lips(现已被wärtsilä收购)、MJP和Hamilton等。国内喷水推进产品主要以七〇八研究所为代表。

发展至今,现役最大功率和口径的喷水推进装置应用于MEKO A 200护卫舰。它由一台额定最大功率20 000 kW GE-LM2500燃气轮机,驱动LJ210E喷水推进装置,其进口流道进口直径高达2.1m,搭载的混流式推进泵转子(叶轮)出口边直径达2.8m。此外,在研或拟建的最大功率将突破50 000 kW,进水管径高达3.25m。

1 喷水推进的轴系结构形式

受船舶布置空间的限制,同时为降低制造成本,受限于船体、装拆工艺及线路等方面的因素,喷水推进装置必须紧凑,这就要求喷水推进泵轴向和径向尺寸均要尽可能的小,而推进泵轮毂内又需布置复杂的轴系附件,这是喷水推进泵与常规工业泵轴系设计要求的不同之处。因此必须对喷水推进泵轴系结构进行优化设计。

根据喷水推进装置的装船形式,喷水推进装置主要有两种型式:外悬式和内置式,相应的有不同的轴系形式。

外悬式喷水推进装置是上世纪80年代由七〇八研究所研制出的一种新颖的、集推进和操纵为一体的喷水推进节能组合体,它适用于重载荷大中型运输船和工作船,也适用于大型登陆舰等军用舰艇。该装置布置在舷外,采用轴流式推进泵轴系结构较简单,类似于导管桨。内置式喷水推进装置、喷水推进泵本体及流道布置在船内,主要适用于高性能船、高速军用舰艇、浅吃水内河船及两栖车辆。一般为混流式和轴流式推进泵。

研究了发酵原油的氨基酸组成，根据不同氨基酸的呈味特性和呈味强度对新菌株进行了氨基酸呈味方面的对比分析，结果见下表；对发酵原油进行了感官鉴评，结果见图5。

内置式喷水推进装置有两种具有代表性的轴系形式:推力轴与扭力轴分开的分体式轴系和传统的螺旋桨式轴系。推力轴与扭力轴分开的分体式轴系,其传动设计精巧合理,推力轴承布置在推进泵导叶体轮毂内,有利于冷却,但轴承的布置空间受限制,由于对泵轴轴系采取了专门设计,可允许有一定的轴线偏转和安装误差。其中的代表分别为KAMEWA、MJP。而传统的螺旋桨式轴系,推力轴承布置在进水流道轴承座处,全部的推力最终主要通过进流管道传到船体,因此对进流管道及船体的刚度强度要求更严格。对轴系的安装对中精度要求较高。其中的代表为Lips。

图2 喷水推进型式

以下就三种典型的喷水推进轴系设计的主要技术特点展开分析。

2 外悬式喷水推进轴系主要技术特点

七〇八研究所的喷水推进组合体(图3)轴系布置与常规螺旋桨的轴系布置基本相同。在航行过程中,主机通过齿轮箱带动叶轮轴转动,叶轮是进行能量转换的主要部件,它将机械能转化为水流动能,经导叶体由喷口喷出,喷射出的水流对叶轮的反作用力通过叶轮轴传递到机舱内的齿轮箱,从而推动船舶运动。

轴系的前后支撑为滑动轴承。两者跨距不能过大,避免产生轴系异常振动。为了保证叶轮与壳体的间隙,滑动轴承与轴的配合间隙不能过大,否则会引起叶轮与壳体的下部间隙过小并可能导致刮擦。通常滑动轴承长度取轴径2倍,当然前提是必须单位负荷及线速度值满足要求(见图4)。

轴系润滑方式通常采用油润滑。由于喷水推进组合体主要用于低速船,故推进泵的扬程较低,所以流道内压力较低。通常采用重力油箱布置,油箱高于吃水1m以上,有一定的静压,避免水侵入油润滑系统。

由于轴系采用滑动轴承,故动叶轮产生的轴向力通过轴传递至舱内推力轴承。通常在动力轴系的齿轮箱输出轴上设置推力轴承,此外也可以单独设置推力轴承座将叶轮轴向力传递至船体。

图3 七〇八研究所的喷水推进组合体

图4 七〇八研究所的喷水推进组合体轴系

整个轴系为封闭式结构。通过设置一对前后轴密封,在轴外布置轴包管,形成一个封闭整体,使轴系与外界进行有效隔绝。这样的好处是叶轮前的轴与外界水是隔绝的,能有效避免轴运转所引起的进流扰动影响内流场,从而影响推进性能。此外,由于轴不与海水接触,也可有效避免轴腐蚀。

3 内置式喷水推进装置的分体式轴系主要技术特点

整个轴系中,扭矩和推力是分离的,推进泵装置之前的传动轴上不传递推力,只传递扭矩。叶轮的轴向力产生以后,沿轴颈到径向轴承和轴向轴承,再传递到导叶体,最后从尾板法兰传递到船体。径向轴承和轴向轴承组成对轴颈的径向支承,但二者均为调心,且结构上使二者调心的圆心交于一点,这样即使运转造成变形也不影响叶轮运转。这也是与常规轴系的一个不同之处(参见图5和图6)。

轴系采用两点支撑形式。其中前支撑为泵舱内的支撑轴承(图5),后支撑则是安装在推进泵内部的径向轴承(图6)。相比外悬式喷水推进装置,这两者的跨距要小得多,可以避免产生轴系异常振动;叶轮轴在轴保护管内运转,该保护管用一流线形导流罩固定在进流管道上,可以有效避免因轴的运转引起的进流扰动。

图5 KAMEWA喷水推进装置轴系布置图

图6 KAMEWA推进泵装置结构

喷水推进泵叶轮与叶轮壳体之间的间隙对推进性能的影响很大。间隙小了,叶轮和叶轮壳体可能在运转时产生刮擦;如果大了,推进效率会下降。为了保证喷水推进装置装船后的正常运行,喷水推进装置在装船后需对叶轮与叶轮壳体的间隙进行调整,使其满足运转要求。通常是微调舱内支撑轴承的位置(左右和上下)来满足安装要求。

叶轮与传动轴的连接通常有两种形式。其一为螺栓连接形式:叶轮轴后端轴法兰与叶轮止口径向定位,两者再用销轴连接传递扭矩,最后用螺钉连接,保持轴向定位;其二为花键连接形式:叶轮轴与叶轮间通过花键传递扭矩并径向到位,两者再通过中间短轴螺栓连接,保持轴向定位。

叶轮轴与中间轴之间采用齿型联轴器传动。齿型联轴器与中间轴是通过法兰连接,与叶轮轴则是靠锥形套过盈配合(无键)连接,即齿型联轴器和叶轮轴之间靠摩擦力来传递扭矩。由于叶轮轴较长而且它是一根扭力轴,使用这种齿型联轴器结构,使得叶轮轴系允许有相对较小的轴向窜动和偏心。这样带来的好处是既有利于整个动力轴系的安装对中,降低轴系振动,又能适应高速船轻型船体结构的变形;此外,还可减小叶轮轴的轴径。

尾轴密封是隔绝舷外水进入舱内的关键件。由于喷水推进装置的转速较高,故轴系线速度较高,通常采用经特殊设计的机械密封(图7)。密封装置中相对转动表面是相互摩擦的。相互摩擦表面的材料一边是碳化硅,另一边是碳化硅或石墨。冷却水是从推进泵装置或舱内其他管路中引来的,以保证密封座中经常充满水,在密封座内的水连接的后部有一唇形密封。采用这种机械密封形式,推进泵装置不工作时,保护套内的静压压住唇形密封圈以防止水进入;但当推进泵装置运转时保护套内是负压,为了避免空气进入而引发空泡,采取从主机水冷系统引来高压水进行水封(导叶体处引流作为备用)。具有相互摩擦面的机械密封即为防水封,此时即便有少量水从唇形密封圈内渗入,也不会吸入空气。该密封不但能防止吸入空气,而且水封中的水流还可以起散热的作用。

图7 尾轴密封

4 内置式喷水推进传统式轴系主要技术特点

图8 wärtsilä公司喷水推进装置推力轴承安装位置图

内置式喷水推进传统式轴系与内推力扭矩分体式轴系的最大区别是将径向轴承(推力轴承)从推进泵体内移到叶轮轴密封前(图8),将推进泵叶轮产生的轴向推力通过叶轮轴传到轴承座再传递至船体。这样的好处是即使推力轴承故障,可直接在舱内进行维修而无需上排;缺点是由于叶轮轴既承受推力又承受扭矩,振动和噪声相应也大。

喷水推进装置的后支撑采用水润滑轴承。(图9)水润滑轴承的设计应充分考虑轴承的水涨性及轴承与轴配合间隙对轴系的影响。较小的水涨性及轴承与轴配合间隙是保证叶轮与壳体间隙的关键。如果水涨性过大,不易保证叶轮与壳体的间隙;轴承与轴配合间隙过大,带来静态时叶轮与壳体下部间隙过小,影响设备的起动。它相对于传统的油润滑轴承有如下优点:独立设置在轴密封之外,不会被轴系的润滑油污染;检查或者更换不需要船舶上排或者拆卸推进器;比油润滑轴承具有更长的使用寿命;只需要水润滑,方便环保。

叶轮与轴连接通常采用液压无键连接形式:叶轮轴与叶轮间通过锥形套确保两者过盈量适当连接,以此传递扭矩并径向和轴向定位。

图9 喷水推进装置内的水润滑轴承

叶轮与壳体间隙的调整也是通过舱内轴承来实现的。需要注意的是,由于后轴承采用滑动轴承,必须保证叶轮与壳体间隙均匀。若轴系倾斜过大,会影响滑动轴承的运转。因此,为了轴系的可靠性,通常要适当放大叶轮与壳体的间隙,即牺牲一部分推进效率。轴密封的形式与分体式基本相同。

表1 轴系技术特点分析表

5 结 语

针对上述3种典型的喷水推进装置轴系,从可靠性、维修性及适用性作一小结。见表1。

上述3种典型的喷水推进装置形式,由于功率不同、推进泵泵型不同与使用环境不同等因素,在细节上尚有其他不同的处理方式。在此不一一赘述了。

On Water-jet Shafting Design

Zhang Yan Liu Jianguo Wang Lixiang

water-jet;shafting design;sealing;bearing

Aiming at three shafting structures of typical water-jet,this paper analyses the technical characteristics of the bearing,sealing,lubricating and so on,and presents the advantages and disadvantages from the reliability,maintainability and adaptability based on engineering practice.It provides a reference value to relevant designers.

U 664.2

A

1001-9855(2010)06-0005-05

2010-07-25

张 岩(1982.02-),男,汉族,辽宁人,工程师,在读硕士研究生,从事喷水推进研发工作。