计入螺旋桨水动力的轴系校中计算.pdf

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1、第4l卷第2期2012年04月船海工程SHIP＆0CEANENGINEERlNGV01．4lNo．2Apr．2012DOI：10．3963／j．issn，1671—7953．2012．02．024计人螺旋桨水动力的轴系校中计算王伟吉1．吴炜2，张红岩1(1．海军装备部舰船办，北京100036；2．中国舰船研究设计中心，武汉430064)摘要：以某成品油船轴系为研究对象，运用CFD软件FLUENT进行该船的螺旋桨水动力仿真计算，以及采用有限元法进行轴系校中。结果表明，螺旋桨水动力的平均分量对轴承支反力分布有一定改善作用，交变分量对轴承支反力的

2、影响较大，其影响水平与进速系数和螺旋桨桨叶所处角度有关。关键词：螺旋桨水动力；尾轴承；轴系校中中图分类号：U644．33；TP391．9文献标志码：A文章编号：1671-7953(2012)02—0088_04传统的轴系校中一般是在静态、刚性支承情况下进行，不考虑动态冈素的影响。实践表明，动态因素会影响轴系校中的结果，如螺旋桨水动力产生的垂向推力、水平力矩的平均分量和交变分量。这种周期性激振力会使轴系的受力状况产生动态变化，影响轴系运行的安全性与可靠性¨⋯。本文以某成品油船轴系为例，运用ANSYS有限元法，将螺旋桨水动力产生的周期性力和力矩

3、等边界条件施加到轴系上，分析计算各轴承的支反力及其变化规律，并与传统轴系校中进行比较，为船舶轴系的动态校中计算提供参考。1轴系计算基本参数该成品油船轴系由螺旋桨艉轴、中间轴以及主机曲轴组成，共有4个轴承支承，l#为艉轴承，2#为中间轴承，3#和4#为柴油机曲轴主轴承。从艉轴末端至曲轴前端，轴段总长为7．339m。轴系支承位置、外部载荷见表l、2。该成品油船的螺旋桨为等螺距桨，主要参数见表3。表1轴系支承位置注：与截面序号对应的轴承序号即为轴承所在处。88收稿日期：2012—02—14修回日期：2012—02—17第一作者简介：王伟古(196

4、7一)，男，硕士，高级工程师。研究方向：船舶机电E-mail：justin96161@gmail．rdOlll表2轴系外部载荷直径D毂径比螺距比盘面比桨叶数桨重／mmd／DP／DA?k=／kN3000O．21．084根据以上轴系基本参数，假定轴承为刚性支承，建立船舶轴系校巾计算模型，见图1。乒一鸯1芒2芝34登567m加一呈j差三j要苎兰兰璧‘0图1船舶轴系校中计算模型示意2螺旋桨水动力平均分量与交变分量螺旋桨水动力的平均分量是指螺旋桨在运转过程中产生的稳定的、不随时间变化的力和力矩；交变分量是指在螺旋桨运转过程中，在桨叶上产生不定常的载荷

5、，该载荷随桨叶旋转的角度改变而发生变化"。。在轴系校中计算时，主要考虑螺旋桨水动力产生的垂直推力一和水平弯矩M：的影响。在转速一定的情况下，螺旋桨水动力的平均分量与交变分量的大小与进速系数-，有关。J=Va／nD(1)式中：E——螺旋桨进速；几——螺旋桨转速；D——螺旋桨直径。计入螺旋桨水动力的轴系校中计算——王伟吉．吴炜，张红岩借助CFD软件FLUENT，建立螺旋桨水动力模型，划分桨叶网格㈨见图2。桨叶网格节点总数为14238，面单元总数为18636。叶面压强分布(．，=O．4)见图3。I2。28⋯X1；012x10892×10660x1

6、0”黼■420×10醛l图2螺旋桨网格划分乌‘．■■r图3．，=O．4时叶面压强分布通过求解叶面桨压强，得到螺旋桨水动力平均分量与交变分量。螺旋桨水动力平均分量见表4，交变分量见图4、5。表4螺旋桨水动力平均分■桨叶旋转角度，(。)圈4不同进速系数时交变垂直推力80言60主40姜20嚣o*．20鼍．40．60-o-J=0．4—士一，=08+J=10&A凤j．妙W40120200280桨叶旋转角度，(。】图5不同进速系数时交变水平弯矩由表4可见，随进速系数的增大，螺旋桨垂直推力和水平弯矩均减小。当进速系数超过0．8时，推力与弯矩大大减小，说明

7、此时推进效率会明显降低。如图4、图5所示，螺旋桨垂直推力、水平力矩随旋转角度呈周期性变化，其周期数与叶片数相当。当进速系数_，=0．4、0．7、1．0时，垂直推力的最大值分别为58．4、44．5、18．6kN，最小值为一25．3、一15．8、一7．4kN；水平力矩最大值分别为65．5、53．5、25．9kN·in，最小值为一26．7、-21．9、一7．9kN·m，这说明在一旋转周期中，垂直推力与水平力矩出现正负值。3轴系校中比较进行不计入与计入螺旋桨水动力的轴系校中比较，探讨螺旋桨水动力平均分量与交变分量对轴系校中的影响水平。3．1不计入螺

8、旋桨水动力的轴系校中在不计入螺旋桨水动力的情况下，应用AN．SYS有限元法，建立轴系校中有限元计算模型，求解各轴承的支反力，见表5。3．2计入螺旋桨水动力的轴系校中3．2．1平均