船舶推进轴系功率传递效率仿真及试验研究

作     者：朱杰峰 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：金勇

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：功率传递效率 轴系校中 轴系振动 联合仿真 动态特性 

摘      要：随着超大型油轮、巨型油轮等大型船舶的出现,为满足传动需求船舶推进轴系也向着长轴系发展。长轴系往往长度超过百米,并具有10至30个支撑轴承,其功耗设备繁多。长轴系运转时往往伴随着大量功率损失,通过研究船舶轴系功率传递效率可以减少轴系在传动过程中的功耗损失。同时,轴功率传递效率还可以体现船舶轴系运行状态,评价轴系校中质量,对船舶有着重大意义。目前对于船舶轴系各组成部分的相关研究均在迅速的发展,但还未将轴系各个组成部分进行综合研究。为此本文提出了基于联合仿真的轴系动态校中方法。该方法计算在轴系静态校中的基础上综合考虑了船舶轴系运行下轴承润滑液膜动态状态、外部动态力与力矩和轴系轴承变位等因素。同时将轴系校中与轴系主要设备进行综合建模,讨论轴系设计、工况参数对轴系传递效率、校中和振动的综合影响规律,并通过轴系功耗台架模拟试验,以验证轴系功率传递分析方案的正确性。主要研究内容和结论如下:(1)提出了Simulation X和MATLAB联合仿真的轴系动态校中方法,基于Simulaiton X构建整个轴系的可视化模型,可以更直观地更改并检验轴系相关数据以及提高研究轴系校中问题时建模及分析效率。本方法结合了多体动力学分析计算更为精准的优点,采用基于多体动力学的方法来计算轴系各支撑处受力状态,通过联合基于MATLAB的轴承分析模块,综合考虑了轴系整体以及动态状态下轴承润滑液膜的情况,从而实现轴系动态校中仿真分析。在该方法计算下轴系各同类型的轴承负荷更为均衡,较三弯矩法计算结果更加准确,并解决了使用传递矩阵法轴系校中在面对超大型轴系时误差过大的问题,为轴系校中的研究提供新思路。(2)通过对轴系主要功耗设备(水中轴系、盘根密封)进行建模,并通过有限元分析法计算轴系主要元件在各变量因素对其功耗的影响特性。经数学归纳法将多变量因素进行耦合,推导拟合出轴系主要元件功耗公式。并基于轴系各设备功耗对轴系功率传递效率进行分析。(3)分析了各轴系因素对轴系功率传递效率及静动特性影响规律,经计算得到以下结论:艉轴轴径对轴系校中、轴系振动、轴系功率传递效率均影响较大;随着艉轴跨距改变,由于各轴承位置处的负荷发生较大改变,各轴承处动态刚度和动态阻尼发生改变,对振动响应结果产生影响,但由于其基本结构不变,因而对功耗的影响不大;1#中间轴承长径比对轴系功耗影响较大。通过以上分析,艉轴轴径、艉轴管后轴承跨距、1#中间轴承长径比为影响较大设计因素。(4)通过展开轴系功率传递效率试验,将轴系转速、轴承标高、螺旋桨模拟激励作为设计变量。通过试验部分验证了轴系机械功率传递匹配模型的正确性。