作者：上海船舶研究設(shè)計(jì)院 湯瑾璟，黃鑫慧，陸利平；中國船舶重工集團(tuán)第702研究所 韓用波
船舶推進(jìn)軸系的主要功能，是將主機(jī)發(fā)出的功率傳遞給螺旋槳，同時(shí)又將螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的軸向反推力傳遞給船體，以推動(dòng)船舶航行。
確保推進(jìn)軸系安全、平穩(wěn)地運(yùn)行是整個(gè)船舶設(shè)計(jì)的重中之重。
2014年8月～2015年2月，有一船東的兩艘散貨船先后3次發(fā)生艉軸承磨損的情況，值得設(shè)計(jì)人員去仔細(xì)分析其中原因。
眾所周知，船舶推進(jìn)軸系在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，承受著復(fù)雜的應(yīng)力和負(fù)荷，包括螺旋槳的扭矩及其產(chǎn)生的扭應(yīng)力、螺旋槳的推力及其產(chǎn)生的推應(yīng)力、螺旋槳及軸系各部件的質(zhì)量產(chǎn)生的負(fù)荷及其相應(yīng)的彎曲應(yīng)力。
此外，由于復(fù)雜的海洋環(huán)境和船體結(jié)構(gòu)的特殊性，在海上航行時(shí)，船舶推進(jìn)軸系還要承受由于主機(jī)溫升產(chǎn)生的基座變形、船舶吃水狀態(tài)不同產(chǎn)生的船體變形、不均衡尾流和螺旋槳轉(zhuǎn)向等因素產(chǎn)生的螺旋槳附加應(yīng)力和附加彎矩等，這些都可能改變整個(gè)推進(jìn)軸系的運(yùn)行狀態(tài)，影響船舶航行的可靠性和安全性。
由船東的反饋得知：
三次事故發(fā)生時(shí)，船舶均處于空載加速狀態(tài)，并且僅采用類似輕壓載狀態(tài)航行（船舶首垂線吃水4.17m，船舶尾垂線吃水7.8m），螺旋槳浸沒只有約113%，而外部海況達(dá)到了蒲氏風(fēng)級(jí)為9～11。
此時(shí)海上風(fēng)速超過41kn～47kn，涌浪7m～10m。
通常情況下，大型船舶壓載狀況下遇到7～8級(jí)風(fēng)時(shí)，滿載船舶遇到8～9級(jí)風(fēng)時(shí)，即可認(rèn)為屬于大風(fēng)浪操船。
大風(fēng)浪中，空載船舶航行干舷高，受風(fēng)影響大，吃水淺，而由于此航程船舶縱傾遠(yuǎn)超1.5%船舶垂線間長(zhǎng)（通常允許Z大吃水差為船長(zhǎng)的1.5%），并且Z小艏吃水小于規(guī)范的限定值4.3m，在大風(fēng)浪中必將出現(xiàn)艏部拍擊現(xiàn)象，引發(fā)船舶劇烈縱搖。
考慮外部海況惡劣，船舶易與波浪諧振或產(chǎn)生騎浪現(xiàn)象，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致螺旋槳出水，此時(shí)外部流體對(duì)槳的作用相當(dāng)于在靜水中流體疊加6自由度的運(yùn)動(dòng)后進(jìn)入槳葉盤面，推力將發(fā)生脈動(dòng)等明顯變化，推力中心也將發(fā)生明顯的改變。
針對(duì)這一共性情況，本文就螺旋槳在出水情況下對(duì)軸系的影響展開重點(diǎn)研究。
一、槳受力分析
螺旋槳在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，除了會(huì)產(chǎn)生軸向推力外，由于船體線型造成的不均衡尾流和螺旋槳轉(zhuǎn)向等因素，會(huì)在軸向、徑向和切向上形成動(dòng)態(tài)的力和彎矩。
圖1 槳盤面伴流分布圖
根據(jù)試驗(yàn)或計(jì)算得到伴流場(chǎng)（圖1）和螺旋槳的幾何形狀（圖2），直線航行時(shí)螺旋槳上附加的力和彎矩是可以用軟件進(jìn)行預(yù)測(cè)的。
圖2 螺旋槳受力簡(jiǎn)圖
對(duì)于單機(jī)單槳的普通船型，螺旋槳在全浸沒狀態(tài)下，其推力偏心點(diǎn)一般位于象限，即在垂直方向上，將產(chǎn)生一個(gè)向上的彎矩。
但是，一旦螺旋槳未能完全浸沒，露出水面時(shí)，螺旋槳運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)力和彎矩會(huì)出現(xiàn)截然不同的變化。
計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)螺旋槳三分之一的槳葉露出水面時(shí)，推力偏心點(diǎn)會(huì)下移，由象限移至第四象限。
以該項(xiàng)目螺旋槳為例，定義坐標(biāo)：
從船尾向船首看，x方向?yàn)榇怪狈较�，垂直向上為正；y方向?yàn)樗椒较颍较蛴遥ㄓ蚁希檎?/p>
圖3 螺旋槳出水現(xiàn)象
圖3顯示，螺旋槳全浸沒時(shí)推力偏心點(diǎn)的坐標(biāo)為垂直方向上x=224.9mm，水平方向上y=164.4mm。
螺旋槳三分之一槳葉出水時(shí)推力偏心的計(jì)算結(jié)果如表1所示。
螺旋槳產(chǎn)生的附加彎矩根據(jù)螺旋槳的角度呈周期變化，由于是5葉槳，故結(jié)果以72°為周期。
附加彎矩等于螺旋槳產(chǎn)生的推力乘以推力偏心的距離，而螺旋槳產(chǎn)生的推力與螺旋槳的負(fù)荷有關(guān)，所以在不同負(fù)荷下，螺旋槳產(chǎn)生的附加彎矩也是不同的。
二、軸系分析
對(duì)于推進(jìn)軸系校中計(jì)算，大部分船級(jí)社僅要求對(duì)冷態(tài)和熱態(tài)工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，兩者均屬于靜態(tài)工況，此時(shí)螺旋槳僅對(duì)軸系施加一個(gè)穩(wěn)定的懸臂負(fù)荷。
螺旋槳在水中不同的浸沒程度，區(qū)別僅在于浮力的增減。
一般校中計(jì)算書都會(huì)給出?同浸沒程度下的計(jì)算結(jié)果。
表2為該型散貨船船級(jí)社已批準(zhǔn)的軸系校中計(jì)算結(jié)果。
但是，校中計(jì)算書中給出的螺旋槳不同浸沒狀態(tài)下的結(jié)果，并不意味著允許船舶在螺旋槳未全部浸沒的狀態(tài)下運(yùn)行，而主要是由于船廠可能會(huì)在不同吃水狀態(tài)下對(duì)軸系進(jìn)行校中，所以需要對(duì)多個(gè)工況提前進(jìn)行計(jì)算，以便對(duì)校中結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。
而螺旋槳在動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，對(duì)于軸系的影響要遠(yuǎn)比靜態(tài)工況復(fù)雜得多，尤其是在非全浸沒狀態(tài)，即出水情況下，其截然不同的受力情況會(huì)對(duì)推進(jìn)軸系產(chǎn)生相當(dāng)?shù)奈：Α?/p>
由上述分析可知，對(duì)于單機(jī)單槳的普通船型，螺旋槳在全浸沒狀態(tài)下，其推力偏心點(diǎn)一般位于象限，即在垂直方向上，將產(chǎn)生一個(gè)向上的彎矩，如圖4所示。
圖4 全浸沒狀態(tài)下螺旋槳推力彎矩圖
顯然，此彎矩可抵消部分槳本身的重力所產(chǎn)生軸承處的彎矩，此時(shí)尾管后軸承上的負(fù)荷會(huì)下降，支點(diǎn)處的相對(duì)轉(zhuǎn)角也會(huì)減小。
所以，即使不對(duì)動(dòng)態(tài)工況進(jìn)行詳?計(jì)算，在螺旋槳全浸沒狀態(tài)下，軸系的運(yùn)行也是安全的。
但是，當(dāng)螺旋槳三分之一的槳葉露出水面時(shí)，推力偏心點(diǎn)由象限移至第四象限，這也就意味著，垂直方向上的彎矩將由向上變?yōu)橄蛳�，這顯然會(huì)加重尾管后軸承上的負(fù)荷，支點(diǎn)處的相對(duì)轉(zhuǎn)角也會(huì)隨之增加，還會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷更加集中于尾管后軸承的后端，邊緣載荷增大，大大增加尾管后軸承出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)于該型散貨船，根據(jù)之前計(jì)算得到的推力偏心點(diǎn)，螺旋槳三分之一出水時(shí)，100%、85%、75%和65%負(fù)荷下垂直方向上的Z大附加彎矩分別為−182.1kNm、−163.4kNm、−150.3kNm和−136.6kNm，動(dòng)態(tài)工況下的校中計(jì)算結(jié)果如表3所示。
表3的結(jié)果顯示：
在螺旋槳三分之一露出水面時(shí)，由于螺旋槳會(huì)產(chǎn)生與全浸沒狀態(tài)完全不同的動(dòng)態(tài)力和彎矩，使得尾管后軸承的負(fù)荷增大，而尾管后軸承支點(diǎn)處的相對(duì)轉(zhuǎn)角在65%負(fù)荷以上時(shí)，均已超過了船級(jí)社允許的Z大值。
三、分析結(jié)果
相對(duì)于負(fù)荷的加大，相對(duì)轉(zhuǎn)角的加大對(duì)軸系的危害更大。
圖5 尾管后軸承比及承支點(diǎn)處相對(duì)轉(zhuǎn)角示意圖
尾管后軸承支點(diǎn)處的相對(duì)轉(zhuǎn)角表征的是螺旋槳軸與尾管后軸承之間的傾角，如圖5所示，其大幅加大意味著尾管后軸承上的負(fù)荷將更集中于軸承的后端面，局部邊緣壓力大幅增加會(huì)影響后端面的油膜建立，引發(fā)軸承的磨損。
所以，螺旋槳出水對(duì)于推進(jìn)軸系的危害是不容忽視的。
船級(jí)社也有與上述結(jié)論類似的經(jīng)驗(yàn)。
例如，NK表示，在螺旋槳未能全部浸沒時(shí)，只能以盡量低的航速航行，盡可能減小螺旋槳產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)力和彎矩；DNV也表示，螺旋槳部分浸沒狀態(tài)下運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生對(duì)軸系有重大影響的水動(dòng)力彎矩，而且對(duì)于考慮冰區(qū)航行的船舶，如果壓載工況下螺旋槳不能全部浸沒，推進(jìn)系統(tǒng)必須在設(shè)計(jì)時(shí)就給予特殊考慮。
由此可見，船級(jí)社雖然沒有在規(guī)范中對(duì)螺旋槳半浸沒狀態(tài)做出嚴(yán)格的限制，但不可否認(rèn)，這種航行工況對(duì)于軸系的可靠運(yùn)行是非常不利的。
據(jù)此，若在大風(fēng)浪下因未采用適當(dāng)?shù)娘L(fēng)暴壓載工況航行而造成螺旋槳出水，轉(zhuǎn)速劇增，軸承負(fù)荷波動(dòng)巨大，對(duì)軸系產(chǎn)生交變激勵(lì)，影響油膜的形成，進(jìn)而導(dǎo)致艉軸承磨損。
四、建議及措施
常規(guī)散貨船一般都設(shè)計(jì)有專門的風(fēng)暴壓載艙，以便海況惡劣時(shí)供船長(zhǎng)調(diào)整船舶狀態(tài)或是在港口裝卸工況凈空高度受限、航道有Z小吃水限制等情況下使用。
而實(shí)際營運(yùn)航程中，船長(zhǎng)和船員對(duì)風(fēng)暴壓載卻抱有一種消極的態(tài)度，原因有3個(gè)：
1）為迎合節(jié)能的大趨勢(shì)，避免開啟額外的發(fā)電機(jī)、壓載泵和壓載水處理裝置等設(shè)備，節(jié)省燃油，減少成本；
2）設(shè)計(jì)上一般是將某一居中貨艙設(shè)置為風(fēng)暴壓載艙，而散貨船單貨艙艙容都比較大，基本相當(dāng)于其他壓載水艙艙容之和或是更多，故礙于航行周期時(shí)間限制，船員會(huì)Z大限度避免壓載水額外的置換或處理，減少時(shí)間損耗；
3）壓載系統(tǒng)長(zhǎng)期不檢查，壓載艙壁銹破、管路爛穿、水閥失效和測(cè)深管透氣管破損等情況都可能導(dǎo)致船員主觀上不愿意采用風(fēng)暴壓載航行。
但壓載水是保證船舶在空載或少量貨物狀態(tài)下正浮和安全航行的手段，減少船舶壓載水量不能以降低船舶安全系數(shù)為代價(jià)。
基于以上分析，建議船長(zhǎng)在預(yù)見未來航線會(huì)遭遇大風(fēng)浪而又無法繞行避開的情況下，及時(shí)考慮將船舶從小吃水工況?整為風(fēng)暴壓載工況下航行，避免在大風(fēng)浪下因艏部抨擊情況嚴(yán)重、縱搖劇烈、動(dòng)穩(wěn)性余度不足或是螺旋槳出水等情況的發(fā)生。
惡劣海況和氣象條件是船舶航行的必遇課題，同時(shí)也是安全航行的潛在威脅。
空載航行時(shí)適當(dāng)壓載、調(diào)節(jié)吃水使船舶穩(wěn)性適當(dāng)，防止螺旋槳出水，增強(qiáng)舵效，對(duì)船舶航行、機(jī)艙設(shè)備安全具有重要意義。
（來源：船舶工程）
