作者：上海船舶研究設計院（yuàn）　湯瑾璟，黃鑫慧（huì），陸利平；中國船舶重工集團第（dì）702研究所　韓用波

船舶推進軸係的主要功（gōng）能（néng），是將主機發出的功率（lǜ）傳遞給螺旋槳，同時又（yòu）將螺旋槳在（zài）水中旋（xuán）轉時（shí）產生的軸向反推力傳遞給船（chuán）體，以推動船舶航行。

確保推進軸係安全、平穩地運行是整個船舶（bó）設計的重中之重（chóng）。

2014年8月～2015年2月，有一船東的兩艘散貨船先後3次發（fā）生艉軸承（chéng）磨損的情況，值得設計人員去仔細分析其中（zhōng）原因。

眾所周知，船舶推進軸係在運轉過程中（zhōng），承受（shòu）著複雜的（de）應（yīng）力和負荷，包括螺旋槳的扭矩及其產（chǎn）生的扭應力、螺旋槳的推力及（jí）其產生的推應力、螺旋（xuán）槳及（jí）軸係各部件的質量產生的（de）負荷及其相應的彎（wān）曲應力（lì）。

此（cǐ）外，由於複雜的海洋環境和（hé）船體結構的（de）特殊（shū）性，在海上航行（háng）時，船舶推進軸係（xì）還要承受由於主機溫（wēn）升產生的（de）基座變形、船舶吃水狀態不同產生的船體變形、不均衡尾流和螺旋槳轉（zhuǎn）向等因素產生的螺旋槳附加應（yīng）力和附加彎矩等，這些都可能改變（biàn）整個推進軸係的運（yùn）行狀態，影（yǐng）響船舶航行的可靠性和安全性。

由船東的反饋得知：

三（sān）次事故發生時，船舶均處於（yú）空載加速狀態（tài），並且僅采用類似輕壓載（zǎi）狀（zhuàng）態航行（船舶首（shǒu）垂線吃水（shuǐ）4.17m，船舶尾（wěi）垂線吃水7.8m），螺旋槳浸沒隻有約113%，而外部海況達到了蒲氏風級為9～11。

此（cǐ）時海上風速超過41kn～47kn，湧浪7m～10m。

通常情況下，大型船舶壓載狀況（kuàng）下遇到7～8級風時，滿載船舶（bó）遇到8～9級風時，即可認為（wéi）屬於大風浪操船。

大風浪中，空載船舶航行幹舷高，受風影響大，吃水（shuǐ）淺，而由於此航（háng）程船舶縱傾遠超1.5%船（chuán）舶垂線間長（通常（cháng）允（yǔn）許Z大吃水差為船長的1.5%），並且Z小艏（shǒu）吃水小（xiǎo）於規範（fàn）的限定值4.3m，在大風浪中必將出現艏部拍擊現象，引發船舶劇烈縱搖。

考慮外部海況惡劣，船舶易與（yǔ）波浪諧（xié）振或產生騎浪現象，勢必會導致螺（luó）旋（xuán）槳出水，此時外部流體對槳的作用相當於在靜水中流體疊加6自由度的運動後進入槳葉盤麵，推力（lì）將發生脈動等明顯變化，推力中心也將發（fā）生明（míng）顯的改變。

針對這（zhè）一共性情況，本文就螺旋槳在出水情況下（xià）對軸係的影響展開重點研究（jiū）。

一、槳（jiǎng）受力分析

螺旋槳在運轉時，除了會產生軸向推力外，由於船體線型造成的不均衡尾流和螺旋槳轉向等因素，會在軸向、徑（jìng）向和切向上形成（chéng）動態的力和彎矩。

圖1 槳盤麵伴流分布圖

根（gēn）據試驗或計算（suàn）得到伴（bàn）流場（圖1）和（hé）螺旋槳的（de）幾何形狀（圖2），直線航行時螺旋（xuán）槳上附加的力和彎（wān）矩是可以用軟件進行預測的。

圖2 螺旋槳受力簡圖

對於單機單槳的普通船型（xíng），螺旋槳在全浸沒狀態下（xià），其推力偏心點一般位於象限，即在垂直方向上，將產生一個向上的彎矩。

但是，一（yī）旦螺旋槳未能完全（quán）浸沒，露出水麵時，螺（luó）旋槳運（yùn）行時產生的動態力和彎矩會出現截然（rán）不同的變化。

計算結果（guǒ）顯示，當螺旋槳三分之一的槳葉露出水麵（miàn）時，推力偏心點會下移，由象限移至（zhì）第四象限。

以該項目螺旋槳為例，定義坐（zuò）標：

從船尾向（xiàng）船首看，x方向為垂直方（fāng）向，垂直向（xiàng）上（shàng）為正；y方向為水平方向，水平向右（右舷）為正。

圖（tú）3 螺（luó）旋槳出水現象

圖3顯示，螺旋槳全浸沒時推（tuī）力偏心點的坐標為垂直方向上x=224.9mm，水平（píng）方向上y=164.4mm。

螺旋槳三分之一槳葉（yè）出水時推力偏心的計算（suàn）結果如表1所示。

螺旋槳產（chǎn）生的附（fù）加（jiā）彎矩（jǔ）根（gēn）據（jù）螺旋槳的角（jiǎo）度呈周期變化，由於是5葉槳（jiǎng），故結果（guǒ）以72°為周期。

附加（jiā）彎矩等於螺旋槳產生的推力乘以推力偏心的距離，而螺旋槳產生的推力與螺旋槳的負荷有關，所以在不同負荷下，螺旋槳產生的附加彎（wān）矩也是不同的。

二、軸係分（fèn）析

對於推進軸係（xì）校中計算，大部分船級社僅要求對冷態和熱（rè）態工況下的計算結果進行評估，兩者均屬於靜態工況，此時螺旋槳僅對軸係（xì）施加一個穩定的懸臂（bì）負荷。

螺旋槳（jiǎng）在水中不同的浸沒程度（dù），區別僅在於浮力的（de）增減。

一般校中計算（suàn）書都會給出?同浸沒程度下的計算（suàn）結果。

表2為該型散貨船船級社已批準的軸係校中計算結（jié）果。

但是，校中計算書（shū）中給出的螺旋槳不同浸（jìn）沒狀態（tài）下的結果，並不意味著允許船（chuán）舶在螺（luó）旋槳未全部浸沒的狀態下運（yùn）行，而主要是由於船廠可能會在不同吃（chī）水狀態下對軸係進行校中，所以需要對（duì）多個工況提前進行計算，以便對校中結果進行檢驗。

而螺旋槳（jiǎng）在動態運轉工況下，對於軸係的影響要遠比靜態工況複（fù）雜（zá）得多，尤其是在非全浸沒狀態，即（jí）出（chū）水情況下，其截然不同的受力情（qíng）況會對推進軸係產生相當的危害。

由上述分析可知，對於單機單槳的（de）普通船型，螺旋槳在全（quán）浸沒狀態下，其推力偏心點一般位於象限，即在垂直方向上（shàng），將（jiāng）產生一個向上的彎矩，如圖4所示。

圖（tú）4 全浸沒狀態下螺旋槳推力彎矩圖

顯然，此彎（wān）矩可抵消部分槳本身的重力所產生軸承處的彎矩，此時尾管後軸承上的負荷會下降，支點處的（de）相對轉角也會減小。

所以，即使不對動態工況進行詳?計（jì）算，在螺（luó）旋（xuán）槳全浸沒狀態下（xià），軸係的運行也是安全的。

但（dàn）是（shì），當螺旋槳三分之（zhī）一的槳葉露出水麵時，推力偏心點由象限移至第四象限，這也就意味著，垂直方向上（shàng）的彎矩將由向上變為向（xiàng）下（xià），這顯然會加重尾管後軸承上的（de）負（fù）荷，支點處的相對轉（zhuǎn）角也會隨之增加，還會導致負荷更（gèng）加集中於尾管後軸承的後端，邊緣載荷增（zēng）大，大大增加尾管後軸承出現故障（zhàng）的風險。

對於該型（xíng）散貨船，根據之（zhī）前計算得到的推力偏心點，螺旋槳三分之一出水時，100%、85%、75%和65%負荷下垂直方向上的Z大附加彎矩分別為−182.1kNm、−163.4kNm、−150.3kNm和−136.6kNm，動態工況下（xià）的校中計算結果（guǒ）如表3所示。

表3的結果顯（xiǎn）示：

在螺旋（xuán）槳（jiǎng）三分之一露出水麵時，由於螺（luó）旋槳會產生與全浸沒狀態（tài）完全不同的動態力和彎矩，使得尾管後軸（zhóu）承（chéng）的負荷增大，而尾管後軸承支點處的相對轉角在65%負荷以上（shàng）時，均（jun1）已超過了船（chuán）級社允許的Z大值。

三、分析結果

相對於（yú）負荷的加大，相對轉角的加大對軸係的危害更大。

圖5 尾管後軸承比及承支點處相對轉（zhuǎn）角示意圖

尾管後軸承支點處的相對轉角表征的是螺旋槳軸與尾管後軸承之間的傾角（jiǎo），如圖5所示，其大幅（fú）加大意味著（zhe）尾管後軸（zhóu）承上的負（fù）荷將更集中於軸承的後端麵，局部邊緣壓力大幅增加會影（yǐng）響後端麵的油膜建立，引發軸承的磨損。

所以，螺旋槳（jiǎng）出水對於推進（jìn）軸係的（de）危害是不容忽視的。

船級社也（yě）有（yǒu）與上（shàng）述結論類似的經驗。

例如，NK表示（shì），在螺旋槳未（wèi）能全部浸沒時，隻能以盡量低的航速航行，盡可能減小螺旋槳產生的動態力和彎（wān）矩；DNV也表示，螺旋槳部分浸沒狀態下運行，會產生對軸係有重（chóng）大影響的水動力彎矩，而且對於考慮冰區（qū）航（háng）行的船舶，如果壓（yā）載（zǎi）工況下螺旋槳不能全（quán）部浸沒（méi），推進係統必須在設計時就給予特（tè）殊考（kǎo）慮（lǜ）。

由此（cǐ）可見，船級社（shè）雖然沒有在規範中對螺旋槳半浸沒狀態做出嚴格的限製，但不可否認，這種航行工況對於軸係的可靠運行是非常不利的。

據此，若在大風浪下因未采用（yòng）適當的風暴壓載（zǎi）工況航（háng）行而造成螺旋槳出水，轉速劇增，軸承負荷波動巨大，對軸係產生交變激勵，影響油膜的（de）形成（chéng），進（jìn）而導致艉軸承磨損。

四、建議及措施

常規散貨船一般（bān）都設計有專門（mén）的（de）風（fēng）暴（bào）壓載艙，以便海況惡劣時供船長調整船舶（bó）狀態或是在港口裝卸工況淨空（kōng）高度受限、航道有Z小吃水限製等情況下使用。

而實際營運航（háng）程中，船長和船員對風暴（bào）壓載卻（què）抱有一種消極的態度，原（yuán）因有3個：

1）為迎合節能的大趨勢，避免開啟額外的發電機、壓載泵和壓載水處理裝置（zhì）等（děng）設（shè）備（bèi），節省燃油，減少成本；

2）設計上（shàng）一般是將某一居中貨艙設置為風暴壓載艙，而散貨（huò）船單貨艙艙容都比較大，基本相當於其他壓載水艙艙容之和或是更多，故礙（ài）於航行周期時間（jiān）限製，船員（yuán）會Z大限度避免（miǎn）壓（yā）載水額外的置換或處理，減少時間損耗；

3）壓（yā）載（zǎi）係統（tǒng）長期不檢查，壓載艙（cāng）壁（bì）鏽破、管路爛穿、水閥失效和測深（shēn）管透氣管破損等情況都可能導致船（chuán）員主觀上不願意采用風暴壓載航行。

但壓載（zǎi）水是（shì）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（dī）船舶安全（quán）係數為代價。

基於以上分析，建議船長在預見未來航線會遭遇大風浪而又無法繞行避開（kāi）的情況下，及時考慮將船舶從小吃（chī）水工況?整為風（fēng）暴壓載工況下航行，避免在大風浪下（xià）因艏部抨擊情況嚴（yán）重、縱搖劇烈、動（dòng）穩性餘度不足或是螺旋槳出（chū）水等情況的發生。

惡（è）劣海況和（hé）氣象條件是船舶航行的必遇課題，同時也是安全航行的潛在威脅。

空載航行時適當壓載、調節吃水使船舶穩性適當，防止螺旋槳出水，增強舵（duò）效，對船舶航行、機艙設備安（ān）全（quán）具有重要意義。

（來（lái）源：船舶工程）