1、本科毕业论文（20 届）吊舱式船舶推进器的设计所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文I摘 要吊舱式船舶推进器在船舶推进中所占的比重越来越大。本文首先简述了吊舱式船舶推进器进行发展历史，阐述国内外吊舱式推进器的发展状况，归纳吊舱式推进器的优缺点。再对船舶电力系统进行分析，介绍了船舶电力系统的发展，并将传统的船舶电力系统与现代船舶的综合电力系统进行比较，比较出现代船舶电力系统的优点。对船舶电子推进系统进行功率分配分析，并采用三类负荷法对全船电力负荷进行计算，确定吊舱推进船舶的功率分配。简单介绍了螺旋桨的基本概念、工作的基本原理及其
2、主要的参数，并对它的主要参数进行了简单的描述。根据船的参数和动力装置，采用经验设计法对螺旋桨进行了简单的设计。为以后的吊舱螺旋桨的设计提供了算法的基础。建立了POD推进器定常水动力性能的理论计算方法，并进行了实例计算，其结果与试验相比具有较高的精度。应用升力面理论涡格法和面元法探索了POD推进器的定常水动力性能预报理论方法。对吊舱推进器与传统螺旋桨由于几何形状上的差异以及参数的不同引起的螺旋桨性能的变化进行分析，几个主要几何要素是螺旋桨与吊舱的间隙、桨毂锥度和吊舱前后体的锥度，它们对实验的结果影响比较大。最后根据前面的分析，对吊舱螺旋桨进行简单的理论设计。本次设计只是理论的设计，并没有太多的实
3、际经验，具体应根据实际的情况再进行具体的设计。关键词： 电力推进 ； 螺旋桨设计；吊舱式推进器本科生毕业论文IIAbstractThe Podded ship propulsion in ship propulsion in increasing the proportion of. This paper first briefly podded ship thrusters for development history, elaborated domestic， foreign podded thrusters, the development situation, the advanta
4、ges and disadvantages of inductive podded thrusters.Then analysing the marine electric systems,and introducing the development of the marine electric systems.And comparing the traditional ship power systems with modern marine integrated power system,then knowing the advantages of modern marine integ
5、rated power system.Using of three types of load to calculating the whole boat load, and the power distribution is determined.Briefly introducing the basic concepts, the basic principle and the main parameters of the propeller,and and simply descriping its main parameters. According to the parameters
6、 and powered of the ship,using the propeller design experience to design a propellers simply. It can offer the base algorithm of the designing of podded propeller.The corresponding numerical programs have been developed and t he open-waterperformance of a propeller wit hout pod was calculated to ver
7、ify t he accuracy of t he present met hod.The numerical result s agreed wit h t he experimental data.Eddy-case method of rising2face2theory and face elementwere used to find a t heoretical way to predict t he hydrodynamic performance of t he POD propulsion.Analysing the changes of the propeller by t
8、he differences in the geometric shape and the different parameters of the propeller in pod propulsion and the traditional propeller. The main element is the clearance of the propeller and the pod, paddle wheel taper and the taper before and after the pod.They have more impacting on the the results o
9、f the experiment. Finally, according to the analysis in front,it can simply design the propeller pod in theory. The design is only the theory of design,there is no much practical experience, concrete should be based on the actual situation to carry out specific design.Key Words: electric propulsion；
10、power distribution；propeller design本科生毕业论文III目 录绪 论 .1第一章 吊舱式船舶电力推进器 .11.1 吊舱式推进器概述 .11.2 吊舱式船舶推进器的结构 .21.3 吊舱推进的优缺点分析 .3第二章 船舶电力推进系统分析 .42.1 船舶电力推进的发展 .42.2 电力推进的特点 .52.3 POD 推进器的特点 .62.4 船舶电力系统的组成 .72.5 船舶的电力系统功率分配分析 .8第三章 吊舱式推进器水动力性能计算及实验 .93.1 数值计算方法 .93.1.1 螺旋桨计算采用升力面理论涡格法 .93.1.2 吊舱计算采用面元法 .10
11、3.2 分析计算 .11第四章 螺旋桨 .134.1 螺旋桨的基本工作原理 .134.2 螺旋桨的主要参数 .174.3 螺旋桨的简化设计 .17第五章 吊舱螺旋桨的分析 .20第六章 关于敞水性能实验的研究 .226.1 敞水性能试验研究 .22第七章 吊舱式推进器的具体设计 .257.1 电动机的选择 .257.2 联轴器的选择 .257.3 电动机轴的校核 .267.4 联轴器上花键的选择及强度计算 .267.5 桨尾上平键的强度计算 .27本科生毕业论文IV7.6 螺旋桨的计算 .27小 结 .30致 谢 .30【参 考 文 献】 .31本科生毕业论文1绪 论船舶采用电力推进方式己有近
12、80年的历史，在这段时间里电力推进系统越来越完善。吊舱推进装置是电力推进装置中的主流产品。它的出现给电力推进注入了新的活力。吊舱式推进器的应用将使电力推进的优越性得到更充分的体现和发展。吊舱推进器能够代替完整的传统轴系，尽管它的体积不大。它与传统模式相比，吊舱式推进器省去了舵、轴系等构件，结构更为紧凑。与传统推进方式比较，吊舱式电力推进具有以下优点：吊舱式电力推进油耗低，噪音低及振动平缓，排放的废气少，长时间航行性能好，运行可靠，充分利用机舱舱容，以此节省了机舱的空间。从更本上减少了经济投入、环境污染及加大了运行可靠性。驱动螺旋浆的推进装置可以采用的同步推进电机没有减速装置，所以噪音大大的减少
13、了。采用吊舱电力推进装置的船舶能使装船的复杂机械装置数量减少，从而使得其可靠性得到极很大的提高。在 360 度范围内吊舱式电力推进装置可自由旋转，船舶的操纵性和机动性极大地得到了提高。配合船舶艏侧推器，吊舱推进器可使船舶完成横向平移、原地回转、精确定位。这些操作的常规推方式难以完成的。目前的吊舱式电力推进还有难以克服的问题存在，还有待研发改进，但这不是一朝一夕的事，所以总结经验对小功率 10MVA 以下技术已经较为成熟，采用吊舱，对更大功率的采用吊舱和常规结合的方式，性能更稳定可靠。POD 推进器的出现是舰船全电力推进技术中的亮点。它弥补了传统电力推进系统效率不高的缺陷，提高了推进器的水动力性
14、能。它集推进系统和掌舵装置于一体，极大地增加了船舶设计、构建及使用的灵活性。第一章 吊舱式船舶电力推进器1.1 吊舱式推进器概述1989年芬兰ABB和Kvaerner Masa-Yard公司生产的破冰船率先提出吊舱式推进器的设计概念，随后这种推进系统日益流行，各国家相继投入了研究。它的出现逐步取代了传统的机械推进和柴油机电力推进系统，在各类船舶相继上得到了广泛的运用。在360度范围内吊舱式推进装置可自由旋转，在任意方向产生推进力，省去了传统推进器的舵和侧推装置，船舶的操纵性和机动性极大地得到了提高。吊舱推进器能够代替完整的传统轴系，尽管它的体积不大。它与传统模式相比，吊舱式推进器省去了舵、轴系
15、等构件，结构更为紧凑。正是由于上述的诸多优点，一些船型如油船，渡轮，破冰船，补给船，半潜船、钻井平台等对吊舱式推进系统运用越来越多。随着吊舱推进系统的运用越来越广泛，一些问题也逐步的出现。要完善这些缺陷，还需要进行广泛的研究。研究包括热变形对轴密封的破坏，吊舱的水动力性能，更加舒适和优良操纵性等方面。吊舱式推进装置具有安装容易，结构紧凑，维护费用低等原因，回报远远大于投入。我国对吊舱式推进器的研究还是刚刚起步，但是已经取得一定的研究成果，来随着对现代船舰不断发展的需求，需要我们加大研究力度，研究出更加完善的吊舱推进系统，以本科生毕业论文2适应需求。1.2 吊舱式船舶推进器的结构吊舱式船舶推进器
16、的主要部分是悬挂在船下位于流线型水下吊舱。舱内安装一台电动机带动旋桨上轴以此驱动螺旋桨旋转。舱体是有钢和铸钢焊接和用法兰相配合而成。推进电机位于舱体内，发电机位于船舱内，发电机的相关的控制数据及电力通过电缆和滑环装置传送到推进电机。图1.1是一种吊舱式推进器结构的示意图。 后 轴 承 装 置 推 进 电 机 前 轴 承 、轴 封 桨 叶冷 却 装 置 滑 环 装 置转 舵 装 置 安 装 固 定 装 置图1.1 吊舱式推进器结构示意图目前世界上主要有芬兰的ABB工业公司的Azipod, Compact Azipod, CR.P,法国Alstom的Mermaid，德国Schottel公司的SEP
17、,SSP，德国SRNATLAS公司和荷兰John Crane-Lips公司联合开发的Dolphin吊舱推进系统。图1.2 ABB公司推出的Azipod推进器下面有芬兰ABB公司推出的Azipod为例来介绍吊舱式推进器的结构及其特点。Azipod是ABB工业公司吊舱式电力推进的第一代产品，整个系统由冷却模块、能量传输控制装置、滑环装置、操舵装置及吊舱模块组成。其结构图如图1.3所示。本科生毕业论文3图1.3 Azipod结构图冷却模块:冷却模块包括热交换器和换气扇，舱体内的空气循环流动、冷却，温度保持在电动机运行的最优水平。操纵和传送模块:操纵装置包括液压电机、驱动齿轮、可旋转的轴承等。动力由液
18、压泵提供。吊舱内装置所需的能量和数据的传输需通过安装在装置顶部的滑环进行；吊舱模块:Azipod模块中包括同步或异步电机。轴系包括螺旋桨推力轴承，轴承及轴封系统，运用流体力学对吊舱进行设计，以此获得较高的水动力效率。1.3 吊舱推进的优缺点分析吊舱式推进有如下优点：（1）吊舱推进器采用中高速柴油发动机，省去了舵、轴系等构件，结构更为紧凑，设备重量大大减轻了；（2）吊舱推进器可以安装在船体的任何位置，给予了船舶的整体设计更大的空间。为了得到更高的推进效率，一般吧推进器装配在船尾的位置上；（3）推进器安置在船尾，优异的性能减少了制动距离，增加了船舶的安全性能；（4）在360度范围内吊舱式电力推进装
19、置可自由旋转，船舶的操纵性和机动性极大地得到了提高。配合船舶艏侧推器，吊舱推进器可使船舶完成横向平移、原地回转、精确定位。这些操作的常规推方式难以完成的；（5）工作效率高，吊舱推进器的应用使船舶后体型线和结构简化，减少了设计上的费用和时间；吊舱推进器的模块设计采用标准化，从而使安装快速简便.吊舱式推进也有一些缺点：安装了吊舱式推进器，船体尾部形状发生变化，后体长度减小，在船舶保持直线航行时，会受到一定的影响，需要在操作设备上进行额外的补偿；船舶的回转性能降低，因船后体减小，操舵力增加，船体可能会出现大幅度的摇摆。增大船尾鳍侧面积，这一问题可以得到缓解。 随着吊舱推进装置得应用，会得到更多的对运
20、转性能有用的数据，为将来的设计工作提供依据。可以相信，不远的将来，吊舱式推进将和传统的推进方式一样，成为标准的推进方本科生毕业论文4式。由于轴系式推进器需要较长的轴系及偶合器，传动效率低于吊舱式推进器。对于一半民船而言，在相同的船体振动水平、航速和排水量要求的前提下，吊舱式推进器所需的螺旋桨功率比常规轴系推进器低14%左右，因此燃油量可降低14%左右，对于长期运行的船舶而言运行费用降低了，全寿命周期可大幅度降低。根据经济测算，吊舱式推进器增加的购置费用可在几年内收回，这也是吊舱式推进器在民用船舶上推广应用的主要原因。吊舱式推进器将桨、舵、推进电机合而为一，取消了轴系，无需对中等复杂工序，可在船
21、舶建造后期进行整体吊装。简便的安装可缩短船舶建造周期，节省建造费用。影响船舶低噪声性能的因素主要包括空泡、脉动压力、屏蔽措施等。由于吊舱式推进器的特殊设计，使其空泡减少，脉动压力降低，船舶舱室内的噪声较低，在水中的噪声尚需要进一步研究。表 1.1 三种不同推进方式的操纵性能比较第二章 船舶电力推进系统分析2.1 船舶电力推进的发展最早在船上使用的电气设备仅仅是电气照明设备。早期船舶，为照明及少量其他电气设备，仅设有容量为几千伏安的小电源。由于电能从产生、分配、传输到使用，具有经济、可靠、方便控制灵活等一系列优点，船上各种工作机械也逐渐普遍的以电力拖动代替了其他拖动形式，船用电动辅机随着船舶本身
22、大型化、专用化、高速化自动化的发展，容量也有了极大的增长。另外，各种导航设备，对内外通信设备、新型设备、自动化设备等的大量采用，使整个船舶电流容量急剧增长。现在，一艘普通的万吨或几十万吨的油船或货船，电站功率小则为一千至几千千瓦，大到一万至几万千瓦。一艘航空母舰电站功率可达23000kW，几乎相当于一个中型城市的电站容量。现代船舶的特点之一是船舶电气化程度大大提高，电子技术深入到船电的各个领域，各种电气设备在船上广泛使用，船舶向自动化方面的发展。自20世纪60年代以来，电子技术已成为所有科技中发展最为迅速的方面，同样对船电技术的发展有着深远的影响，目前，一艘大型测量船上，光是通信、测量、导航的
23、电子成套设备就有几十套之多。另外，在电力的各个方面，如发电机的调压装置，电力拖动的自动控制设备、自动操舵仪、主机遥控等，都广泛采用电子技术，某些领域还广泛应用计算机技术。由于电子设备在船上广泛应用，使电气项目 机械推进 常规传统电力 推进 吊舱式电 力推进回转直径 120% 100% 75%零航速回转 所需时间180118% 100% 41%全航速回转 所需时间 145% 100% 42%全航速到停止所需时间 280% 100% 42%零航速到全速所需时间 210% 100% 90%本科生毕业论文5和电子设备的费用由以前占全船总费用的610增加到1522。2.2 电力推进的特点船舶电力推进就是
24、采用电动机驱动螺旋桨来推进船舶运行的一种推进方式。船舶电力推进系统的主要组成部分是螺旋桨、电动机、供电装置（发电机、蓄电池）、原动机及其控制调节装置。电力推进按其用途不同采用原动机种类不同及其控制方式不同，可以有不同的分法。但从电气的概念划分，可分为：直流电力推进、交流电力推进及交直流电力推进三类。（一）电力推进的主要优点:1.对发电机及其电动机可以很方便地实现远距离的电气控制（起动、停止、调速）。2.选择不同的功率、不同种类的发电机、电动机及其附属设备，可以组成各种形式的主电路结构。从而获得效率较高的大功率输出，而原动机的种类可以只限于几种规格。3.原动机不必反转，依靠电动机反转就可以实现船
25、舶的进退。4.用高速原动机直接驱动发电机，供给电动机。省去了中间的机械转速装置。避免了原动机的冲击、振动传到螺旋桨。原动机可以在船舶的不同位置上布置。5.合理选择推进电动机的组合方式，可最大限度地发挥原动机的功率输出能力，作为船舶的推进功率及船舶电气负载的功率。有时，又可使船舶电网的发电机与推进的发电机之间进行转换，这就大大提高了船舶动力的生命力。6.推进电动机可以在其二倍额定转矩下，过载快速起动，增加了船舶的机动性。如果采用自动调节系统，可以控制电动机的转矩或使推进轴上具有最有利的转矩与转速关系。例如，降低转速时，可获得最大转矩。而螺旋桨阻力小时，可获得最大的转速。也可以在调速范围内维持恒转
26、矩输出。（二）电力推进的缺点1.由于能量的多次转换，需要设备多，动力装置的总重量增加，因而投资也就增大。2.电力推进的控制系统一般比较复杂，需要较高水平的电气技术人员维护。3.与直接由原动机推动螺旋桨相比，电力推进的能量损耗增加，总的推进效率减低。这是电力推进不能被大量采用的根本原因。船舶电力推进系统由推进电动机带动推进器（螺旋桨），也有和其他动力装置交替或联合带动推进器（螺旋桨）的。由此可见，推进用的电动机的功率是相当大的，一般从几百千瓦到十几万千瓦。供电给推进电动机的发电机组要单独组成一个电站，和船舶的主电站分开供电，且属于推进系统的一部分，需按推进系统的要求进行设计、制造。但是推进系统的
27、控制部分的用电仍由主电站提供。由于其他推进系统也在不断完善，采用电力推进系统就要考虑其优点是否突出。如对一般运输船舶，其操纵性能要求不高，电站容量也不大，采用电力推进的好处就不突出；如对于有冷藏加工的拖网渔船，船舶电网容量大，在拖网、 冷藏加工等工况相互交替时可进行平衡，而船舶的尺度较小，不允许多装动力机组，此时选用电力推进就比较合适。水下航行的船只因在水下无空气来源，采用其他动力装置有困难，电力推进系统就成为最理想的方案。因此，电力推进系统目前只在水下航行船舶、港作工程船舶等一些有条件的船上应用，如潜艇、渡船、挖泥船、起重船、渔船、拖船、调查船、测量船、救生打捞船、布缆船、航标船等。当然，随着可调螺距推进系统的不断完善和推广，上述很多种类的船上同样可采用
