摘 要

豪华游船作为载客运输工具对安全性的要求很高，而船舶推进系统的好坏对船舶安全性起决定性作用，因此推进系统的设计尤为重要。本设计根据船舶的一些基本参数，参考我国的船级社规定、《钢质海船入级规范》和《船舶设计实用手册》等来对船舶的推进系统包括轴系、主机安装、联轴器、联接螺栓和轴承间距等进行设计，最后根据计算设计的结果利用CAD软件画出设计图纸包括联轴器图、主机安装图、轴系布置图、尾轴图、尾轴管装置图，完成了推进系统的设计任务。

关键词：推进系统；轴系强度；主机安装；

Abstract

As a passenger transport ship, a luxury cruise ship requires high safety, and the propulsion system of the ship plays a decisive role in the safety of the ship. Therefore, the design of the propulsion system is particularly important. According to some basic parameters of the ship, this design refers to the regulations of China's classification society, 《The Rules for Classification of Sea-going Steel Ships》, and 《The Shipbuilding Design Handbook》. The propulsion system for ships includes the shafting, main engine set installation, and couplings. coupling bolts and bearing spacing are designed.Finally, according to the results of the calculation and design, the design drawings including the coupling diagram, the main engine set installation diagram, the shafting layout diagram, the tail shaft diagram, and the tail shaft tube diagram were drawn using the CAD software, and the design task of the propulsion system was completed.

Key words: Propulsion system; Shafting strength; Main engine set installation;

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 柴油机研究现状 2

1.2.2 轴系研究现状 4

1.3 设计的主要内容 5

1.4 本章小结 6

第2章 推进系统设计说明书 7

2.1 规范和规则 8

2.2 轴线与中间轴承的设置 8

2.2.1 轴线 8

2.2.2 中间轴承的设置 8

2.3 轴的直径 8

2.4 轴套 9

2.5 尾管及其轴承 9

2.6 联轴器 10

2.6.1 联轴器要求 10

2.6.2 联轴器键剪切有效面积 10

2.6.3 联轴器螺栓 10

2.7 轴承间距 10

2.8 轴的防护 11

2.9 轴干与轴颈 11

2.10 螺旋桨锥形部分设计 11

2.10.1 锥形部分 12

2.10.2 螺纹部分 12

2.10.3 键的主要尺寸 12

2.10.4 螺旋桨键强度校核 13

2.11 螺旋桨首尾端密封 13

2.12 尾轴密封 14

2.13 轴系防腐蚀 14

2.13.1 轴接地装置的位置 15

2.13.2 轴接地装置的保养 15

2.14 螺旋桨布置 15

第3章 轴系强度计算书 17

3.1 螺旋桨轴基本轴径计算 18

3.2 螺旋桨轴及零件强度校核 19

3.2.1 联轴器安装的键强度校核。 19

3.2.2 螺旋桨轴安装的键强度校核。 19

3.3 齿轮输出法兰联结螺栓直径的计算。 20

3.4 螺旋桨轴在轴承挡处的铜套厚度 20

3.5 轴承长度的选择 21

3.6 轴承间距计算 21

3.7 联轴器计算 22

第4章 主机安装说明书 24

4.1 主机安装的设计要求 25

4.2 主机安装设计的内容 25

4.3 主机安装的前提条件 25

4.4 主机的最终定位 25

4.5 主机安装方法 26

4.6 主机机座安装 26

4.6.1 机座定位 26

4.6.2 对基座的要求 26

4.6.3 机座垫块的选择 27

4.7 金属垫片的主机固定 28

4.7.1 垫片的材料和尺寸 29

4.7.2 垫片安装方式 29

4.7.3 垫片的加工要求和固定方式 30

4.7.4 固定螺栓配置 30

4.7.5 轴向止推，侧向止推 30

第5章 设计图纸 31

5.1 轴系布置图 31

5.2 尾轴尾管总图 32

5.3 尾轴图 33

5.4 可拆联轴器图 34

5.5 主机安装图 35

第6章 结论 36

6.1 本文总结 36

6.2 展望 36

参考文献 38

致 谢 40

第1章 绪论

1.1研究的背景及意义

游船旅游作为一个旅游项目，长久以来它在旅游市场上具有发展潜力巨大、增长速度快等优点^[1]。在最近几年，豪华游船的增幅一直持续着比较高的水平为8%～9%，远远超过国际旅游业整体的增长速度，后者只能望其项背。在2006年，据统计豪华游船在一年内的总接客量达到1500万人次，其中世界游客总量的70%来自于北美地区。相比于北美地区欧洲地区的游船旅游业虽然不及北美地区但是增长速度也一直保持着较高的水平，欧洲豪华游船协会的报道称，在2006年期间，欧洲有340万人次体验了海上旅游，同比增长9%。据统计世界豪华游船（1000GT以上）的保有量截止到2007年有326艘、334.72万客位、1315万GT^[2]。在我国，据不完全统计，2017年三峡豪华游轮接待游客约61万人，载客人数、载客率、船票收入比2016年同比增长15%以上，有的指标高达30%以上^[3]。而我国海域辽阔、景色优美、有着巨大的旅游客源市场，并且我国在海上运输和旅游娱乐业有一定的产业基础，这为我国的游船市场奠定了良好的基础，使其具有巨大的发展潜力和机遇^[1]。而且近年来，海上旅游业一直保持着持续增长的状态，我国应抓紧时机趁着海上旅游业处于高速发展的黄金时期大力发展我国的豪华游船产业，带动我国经济增长。

船舶推进系统作为船舶中最至关重要的部分，其主要由主机、船舶轴系和船舶推进装置等组成，和造船总成本相比，单单推进系统的费用就占三分之一以上，由此可见其重要程度之高。现如今无论国内外，船舶的推进系统类型主要两种：一种为柴油机动力推进系统，另一种为电力推进系统。柴油机动力推进系统相比较于电力推进系统，它具有许多优点，比如：安全可靠、负荷运转性能较好、技术比电力推进系统更加成熟、启动迅速、效率高等等^[4]，柴油机动力系统的地位之所以不能替代是因为其是船舶最早使用的动力系统。现如今的豪华游船无论是已经造成还是正在建造，其动力系统80%都为柴油机动力推进系统，作为船舶推进动力的主要动力来源。豪华游船的柴油机主要以高速机为主，其中发动机及涡轮机联盟弗里德希哈芬股份有限公司、卡特彼勒公司的高速柴油机使用较多。柴油机在最近10年期间有巨大的改善，其中主要是在可靠性和排放量方面进步比较大^[5]。柴油机动力推进系统有两个部分组成，其中一个是主推进系统，另外一个是辅助动力系统。船舶正常航行时推动力的提供者为主推进系统，它的组成有主机、螺旋桨、轴系、联轴器、齿轮箱等。船舶人员生活娱乐等所需的电力以及主推进系统所需要的动力都有辅助动力系统来提供，其主要组成为辅助柴油机发电机组^[6]。由此可见随着国内外游船行业的迅速发展，竞争也越来越大，对游船推进系统的设计要求也越来越高。为满足日益激烈的竞争需要和游船日渐增长的动力性能要求，改进游船推进系统的设计已迫在眉睫。

1.2国内外研究现状

1.2.1柴油机研究现状

现如今，全球较为出名的柴油机厂商是德国曼集团和瓦锡兰公司，这两家公司占据了全球柴油机制造市场的大部分份额。在2014年德国曼公司在全球船用低速和中速柴油机市场的份额为99%，瓦锡兰公司为77%。近年来德国曼公司发展迅速，因为其向中国、韩国等国家的柴油机生产厂商转让生产许可证。除此之外，这两家公司有很强的系统集成设计能力，能够整个一体提供齿轮箱、螺旋桨、轴系和主机，因此，他们具有很好的市场竞争优势^[7]。

德国发动机及涡轮机联盟弗里德希哈芬股份有限公司在1990年研究共轨喷油技术^[8]，并且在1996年在MTUd0000中正式投入使用。2006年该公司在MTU4000采用第二代共轨喷油技术，第二代喷油技术可以在柴油机的整个功率范围内使喷油压力稳定在180MPa。同时该公司还研发了两代的电控系统，分别为第一代MDEC和第二代ADEC。MDEC的主要任务就是不间断对柴油机进行监测，同时还可以对柴油机进行优化控制。ADEC则是以电子控制方式进行喷油过程的优化。在改进型的MTU4000中，第二代电控技术和第二代共轨喷油技术的配合使用能够免去柴油机的废气再处理操作，同时使其满足欧IV的标准。瓦锡兰准备研发的64中速机，其具有640mm的缸径，900mm冲程，单缸功率2010KW，最高爆压Pmax= 190 巴，油耗166~168g/kWh，完全可以与低速机相较量。马克公司的M43机，最高爆压24.4巴，单缸功率900KW。现在客船、高速货船等大部分都使用中速机，因为中速机单机功率大、油耗低，并且其尺寸小，重量小。

近年来国际海事组织对废气排放要求越来越严格，世界各大船用发动机厂商都聚焦在双燃料发动机^[9]上，新型燃料天然气备受关注。在2003年，瓦锡兰推出双燃料发动机50DF，为了抢占市场先机，韩国现代重工和瓦锡兰合资成立公司，专门生产50DF（如图1.1）

图1.1 50DF双燃料发动机

我国在发动机研发方面虽然薄弱但是一直在船机制造领域努力求知探索。在第18届中国国际海事会展上，首次发布经过三年时间打造的我国新一代小缸径船用发动机-6EX340EF^[10]（如图1.2），该发动机绿色环保，经济低碳，采用的系统为电控和燃油共轨系统，增压器高效率、高压比，赶超世界最新水平，同时该机还具有输出功率高、燃油消耗低优点，满足国际海事组织的TIERLL排放标准，6EX340EF是由我国完全自主研发的一款发动机，标志着我国在二冲程低速柴油机自主研发方面取得了巨大的进步，填补了这方面的空白。

图1.2 6EX340EF发动机

12MV390^[11]（如图1.3）是另一款我国自主研发的10000KW级中速机，经过五年时间打造，该机采用电控和燃油共轨系统，优点有可靠性强、维修方便、适用范围广等。它的研发标志着我国大功率中速柴油机自主研发之路的开始。12MV390功率范围为10200KW～17000KW，满足豪华游船、大型船舶电站等重大设备的动力需求。

图1.3 12MV390发动机

自从2001年以来，随着科技的不断发展，柴油机也得到了快速发展。现在柴油机推进系统的主要发展方向如以下几点：（1），提高柴油机的经济性能，使产品的性能指标大幅提升。（2），使柴油机的单缸功率大幅增大，提高柴油机的可靠性。实现该目标主要是要改善柴油机工作过程，再一个就是改进增压技术。（3），降低柴油机的排放量，使柴油机尽可能的绿色环保^[12]。瓦锡兰公司采取的主要措施是增高柴油机压缩比、延后喷油燃烧和提高喷油的压力等，在保证燃油消耗不会增加的情况下降低NOX的含量，实现近似等压燃烧。德国曼公司主要采取偏心轮控制的供油正时系统来降低NOX的排放量。目前国际上柴油机使用的新技术有双凸轮结构^[13]、先进增压系统、共轨式高压电控系统^[14]等。

1.2.2轴系研究现状

船舶轴系主要是由中间轴、尾轴、轴承支撑部件、密封装置等其他附件组成，其工作原理是首先船舶主机发出的功率通过轴系传递给螺旋桨，其次螺旋桨在转动时产生的返推力再作用于船体，以此来使船舶前进或者后退。船舶的性能如何主要是由轴系的好坏来决定，这也是为什么在造船时对轴系的建造异常严格的原因。经过了长时间的发展以后，在轴系的安装和校中方面已经形成了成熟的技术。

轴系校中主要有两种方法：第一种是静态校中，第二种是动态校中。校中主要就是为了使轴承的负荷分布均匀，静态校中就是轴系处于静止状态，计算静止状态时轴系上各种静载荷。这种方法实际是简化轴系，再按照经典力学中的计算方法求出轴的受力情况和变形值^[16]。静态校中法发展到至今一共有三个阶段：第一阶段，直线校中原理。随着现在船舶体积越来越大，螺旋桨也越来越大，按此方法校中会导致尾管轴承符合不均，使其磨损加快，使用寿命减短。第二阶段，轴系负荷校中原理。此方法优点是校中后各轴承负荷都在允许范围内，因为按照此方法校中后轴系为曲线状态。缺点是校中结果不精确，计算结果存在较大的估算性，适用于长轴系船舶。第三阶段，轴系合理校中^[15]。此方法在校中过程中可对轴承位置进行变动，最后轴系为不规则曲线，轴承负荷可以达到最优，轴系的运转可以得到更好的维持。

轴系安装中轴系理论中心线的确定主要有两种方法：第一种是拉钢丝法，这种方法仅适用于短轴系。第二种是激光法（如图1.4）。这种方法首先是通过不断调节准直仪的位置使激光通过光靶的中心点，然后再把准直仪固定，这样此时光线就是轴系的理论轴线。轴系安装可分为粗安装和精准定位两个阶段。粗安装就是将轴系安装到相对应的大概位置，然后再进行人工精准定位。这种方法会是安装进程缓慢，耗费时间和大量人力，会大大延长船舶的建造周期。近年来人们拟采用新工艺：框架式安装方法来代替旧安装方法。此方法需要先设计出移动装置、导轨、支撑装置等。首先龙门吊车把动力轴放置在安装车上，安装车再把轴系运输到位。此方法可以极大的减少人员数量，节省时间，降低人员工作强度，大大缩短轴系安装周期^[17]。

图1.4 激光法确定轴系理论中心线

1.3设计的主要内容

1. 本课题主要是设计一艘400客位的尾机型沿海第三类客船的推进系统，本船为双机、双桨、双舵、柴油机驱动的钢质海船，高速柴油机通过倒顺离合减速齿轮箱间接传动，客船总长为49.8米，水线长44.5米，垂线间长43米，型宽8.6米，型深3,3米，设计吃水1.8米。在设计吃水，主机输出常用功率CSR（90%最大持续功率MCR）时，且在船体清洁、深水、无风浪的情况下，航速大于15.5kn，续航力为12h。具体设计内容如下：
2. 对轴系进行强度计算，包括联轴器、螺旋桨的联接计算、联接螺栓计算等，并制作强度计算书，参考我国《钢质海船入级规范》^[18]和《船舶设计实用手册》^[19]。
3. 对主机安装进行设计^[21]和相关计算，制作主机安装说明书。
4. 绘制图纸。利用AutoCAD^[22]软件绘制轴系布置图、主机安装图、尾轴图、可拆联轴器图和尾轴管装置图。
5. 制作推进系统说明书。对设计中需要用到的参数的选择以及零件材料的选择应参考船级社规定^{[23] [24]}等相关资料来进行选择。

1.4本章小结

本章主要介绍了400客位豪华客船推进系统设计的目的和意义，以及游船现在的发展研究现状，从而说明对游船推进系统设计的必要性。其次，本章还介绍推进系统的组成、柴油机的国内外研究现状，轴系安装的方法和轴系理论中心线确定的方法。最后对本次设计的主要内容进行说明，给后续的设计工作以正确的指引。

第2章 推进系统设计说明书

2.1 规范和规则

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