第五章 船舶推进装置
第一节 船舶推进装置的传动方式
船舶推进装置按传递到螺旋桨功率方式不同可分为以下几种。 一、直接传动
直接传动是主机动力直接通过轴系传给螺旋桨的传动方式。在这种传动方式中，主机和螺旋桨之间除了传动轴系外，没有减速和离合设备，运转中螺旋桨和主机始终具有相同的转向和转速。它的主要优点是：（1）结构简单，维护管理方便。只要安装时定位正确，平时管理中注意润滑冷却，一般不会出现大问题。（2）经济性好，传动损失少，传动效率高。主机多为耗油率低的大型低速柴油机。螺旋桨转速较低，推进效率较高。（3）工作可靠，寿命长。因此普遍应用于大、中功率的民用船上。其缺点是：整个动力装置的重量尺寸大，要求主机有可反转性能，非设计工况下运转时经济性差，船舶微速航行速度受到主机最低稳定转速的限制。
二、间接传动
间接传动是主机和螺旋桨之间的动力传递除经过轴系外，还经过某些特设的中间环节（离合器、减速器等）的一种传动方式。根据中间传动设备的不同，又可分为只带齿轮减速器；只带滑差离合器和同时具有齿轮减速器和离合器三种。它的主要优点是：（1）主机转速可以不受螺旋桨要求低转速的限制。只要适当选择减速比，就可使主机的转速适应螺旋桨的转速要求。（2）轴系布置比较自由。主机曲轴和螺旋桨轴可以同心布置也可以不同心布置，以改善螺旋桨的工作条件。（3）在带有倒顺车离合器的装置中，主机不用换向，使主机结构简单，工作可靠，管理方便，机动性提高。（4）有利于多机并车运行及设置轴带发电机。间接传动的主要缺点是轴系结构复杂，传动效率较低。这种传动方式多用于中小型船舶以及以大功率中速柴油机、汽轮机和燃气轮机为主机的大型船舶。
近年来由于动力装置节能的需要，提高螺旋桨的推进效率越来越被人们重视，而采用大直径低转速螺旋桨是有效途径。在70年代初，低速柴油机利用直接传动方式带动的螺旋桨转速多在100r/min以上，中速机通过减速箱减速一般也不低于90r/min。以后随着节能型船舶的出现，减速齿轮装置已扩大到低速柴油机的领域，直到有的船舶低速机经减速后，螺旋桨转速仅为43r/min，螺旋桨直径竟达11m。以中速机为主机的船舶，为了进一步降低螺旋桨转速，减速齿轮箱的减速比也相应加大，螺旋桨转速有的已降至60r/min。随着动力装置节能技术的进一步发展，间接传动方式的应用范围将会进一步扩大。
三、Z型传动
Z型传动装置又称悬挂式螺旋桨装置。图5-1为Z型传动装置的结构原理图。主机1的 功率经联轴器2、离合器3、带有万向节的传动轴4、上水平轴8、上部螺旋锥齿轮9、垂直轴12、下部螺旋锥齿轮14及下水平轴15传递给螺旋桨13，从而推动船舶前进。
1
Z型传动方式最显著的特点是螺旋桨可绕垂直轴作360?回转。当起动一个电动机带动蜗轮蜗杆装置10运动时，蜗轮带动旋转套筒16在支架17中回转，同时使螺旋桨13绕垂直轴12在360?范围内作平面旋转运动。由于螺旋桨可绕
垂直轴作360?回转，因此它具有以下优点：（1）操纵性能好。螺旋桨推力方向可以自由变化，使船舶操纵性能优于其他传动方式，特别是采用两台主机，而每台分别带动一个Z型传动装置时，可以使船舶原地回转、横向移动、快速进退以及微速航行等。（2）可以省掉航、尾柱和尾轴管等结构，使船尾形状简单，船体阻力减少。（3）可以使用重量轻体积小中、高速柴油机，而不需要单独的减速齿轮装置，不需要主机有换向机构，可以延长柴油机使用寿命。（4）另外，由于这种传动装置是垂直悬挂在船尾，可由船尾部甲板开口处吊装，检修不用进坞，可大大缩短修理时间。但因传递功率受到一定的限制，仅适用于小型船舶，如港作船等。
四、电力传动
电力传动是主机驱动主发电机，将发出的电供到主配电板，再由主配电板供电给主电动机，从而驱动螺旋运转的一种传动方式。这种传动方式的优点是：（1）主机和螺旋桨之间没有机械联系，可省去中间轴及轴承，机舱布置灵活；（2）主机转速不受螺旋桨转速的限制，可选用中、高速柴油机，并可在柴油机恒定转速下调节电动机转速，使螺旋桨转速得到均匀、大范围的调节；（3）螺旋桨反转是靠改变主电动机（直流）电流方向来完成的，倒车功率大，操纵容易，反转迅速，船舶机动性能提高；（4）主电动机对外界负荷的变化适应性好，甚至可以短时间堵转。其缺点是：（1）需要经过机械能变电能、电能变机械能两次能量转换，传动效率低；（2）增加了主发电机及主电动机，使动力装置总的重量和尺寸都增加，造价和维护费用提高。
电力传动主要用于破冰船、拖船、渡船等。
除以上四种传动方式外，尚有调距桨装置、喷水推进器传动装置等。由于发动机、传动设备、传动方式及推进器的类型很多，因此它们可组合成多种推进装置。
2
第二节 传动轴系
一、传动轴系的组成、作用和工作条件
从曲轴动力输出端法兰到螺旋桨间的轴及其轴承称为传动轴系，简称轴系。 1. 轴系的组成
(1) 传动轴 包括推力轴（有的柴油机把推力轴和曲轴造为一体）、中间轴和尾轴。 (2) 轴承 推力轴承（有的柴油机推力轴承设在柴油机机座内）、中间轴承和尾轴承。 (3) 传递设备 主要有联轴器、减速器、离合器等。 (4) 轴系附件 主要是润滑、冷却、密封设备等。
图5-2示出一大型低速柴油机直接传动轴系的组成简图。机舱18位于船舶的中后部, 柴 油机1通过推力轴、调整短轴3和中间轴5、8、10以及尾轴11驱动螺旋桨13。推力轴承2给整个轴系轴向定位, 推力轴由推力轴承内的径向轴承支承，中间轴由中间轴承4、7、9支承。轴承12是最后一道位于轴隧内的中间轴承，但其作用是和尾轴管中的尾轴承一起支承尾轴，也称为尾轴前轴承。尾轴从尾轴管14伸出船尾，曲轴、推力轴、中间轴和尾轴之间通过法兰用螺栓连接。螺旋桨用键和螺母固定到尾轴上。
为了维护和管理轴系，设有轴隧16，轴隧的顶部设有窗口15以吊运轴系。此窗口平时用铁板封死，用以把轴系和货舱隔开。轴隧与机舱的隔壁上装有水密门17和中间轴的隔舱填料箱6。
2. 轴系的作用
轴系的作用是把柴油机曲轴的动力矩传给螺旋桨，以克服螺旋桨在水中转动的阻力矩，同时又把螺旋桨产生的推力传给推力轴承，以克服船舶航行中的阻力。轴系所传递的扭矩可从它传递的功率和轴的转速算出。轴上的扭矩M为
M?9.55p?103nN?m（5-1）
式中：P——轴传递的功率，kW；
n——轴的转速，r/min。
轴系所传递的推力，可以根据螺旋桨所吸收的功率、螺旋桨的效率和船舶航速算出，轴系所传递的推力T为
T?1.94Pp??pkN （5-2）
3
式中：Pp——螺旋桨吸收的功率，kW；
?——船舶航速，kn；
?p——螺旋桨的效率。
3. 轴系的工作条件
从轴系的作用可知，轴系承受着很大的扭矩和推力。例如，在大型低速机直接传动的情况下，不考虑轴系摩擦损失，若主机的有效功率为10 000kW，转速为100 r/min，由式（5-1）可算得轴系所受到的扭矩为9.55×105N·m。在航速为15kn，螺旋桨效率为0.5时，可由式（5-2）算得受到的推力式为646.7kN。
由公式（5-2）还可看出，螺旋桨的推力与它吸收的功率和效率成正比，与船的航速成反比。如果柴油机发出的功率不变，螺旋桨的效率不变，若船舶的航速降低，螺旋桨推力则增大。因此，船舶在重载、逆风、污底、斜水流航行时，轴系会受到较大的推力。轴系承受的扭矩在轴系中产生扭应力，而推力将会产生压变力。除此之外，轴系和螺旋桨本身的重量以及其它附件的作用，使轴系产生弯曲应力；安装误差、船体变形、轴系的扭转振动、横向振动、纵向振动以及螺旋桨的不均匀水动力作用等都会在轴系中产生附加应力。风浪天螺旋桨上下运动的惯性力，使尾轴产生额外的弯曲应力。上述诸力和力矩往往还是周期变化的，这就更增加了它们的危险性。还有，轴系在工作中，轴颈与轴承发生摩擦，当用海水做尾轴承润滑剂时，尾轴管和轴颈还要受到腐蚀作用。
由上述分析可见，轴系的工作条件很差，往往会出现损伤，严重时甚至断裂，修理时又往往要使船舶进坞，从而造成较大的经济损失，因此对轴系的要求也相当严格，其主要要求有：足够的强度和刚度；传动损失少；对船体变形适应性好；工作中不发生轴的扭转共振和横向、纵向共振；具有良好的密封、润滑和冷却；维护管理方便等。
二、传动轴系的结构
1. 中间轴、推力轴、中间轴承和推力轴承
1) 中间轴和推力轴 中间轴和推力轴(推力轴承置于减速齿轮箱及主机曲轴箱中时无推力轴)的两端都是整锻法兰，法兰之间为轴干，都由径向轴承支撑，轴的支撑处为轴颈，轴颈的位置和长度由径向轴承的位置和宽度确定(轴颈长度稍大于轴承宽度)，轴颈的直径比轴干大些，一般大5—20mm，以便磨损后有足够的光车裕量。轴上不同直径断面的连接处都是圆滑过渡，以减少应力集中。法兰的连接螺栓受到固紧时产生的拉应力和传递扭矩时产生的剪应力的联合作用。船舶倒航时由于螺栓受拉，致使拉应力大大增加，安装不正和轴系扭振等还可使螺栓受到较大的附加应力。所以对连接螺栓的加工、安装都有较严格要求。为了使连接螺栓在螺栓孔中不致松动，连接螺栓中应有50%以上是紧配螺栓，对中小型船舶也不少于四只，并要求紧配螺栓和其它螺栓相间排列。推力环两侧面与推力块相配，两侧面应平行且都与轴线垂直。推力轴上有推力环和甩油环，而中间轴上没有。
2) 中间轴承 中间轴承是为了减少轴系挠度而设置的支撑点，它承受着中间轴的重量以及因轴系变形和各种形式的运动造成的附加径向负荷。
中间轴承的结构形式很多，按摩擦形式不同可分为滚动式和滑动式两大类，商船上多采用滑动式。
3) 推力轴承 螺旋桨产生的推力(或拉力)通过尾轴、中间轴和推力轴作用到推力轴承
4