30.7萬t VLCC配備軸帶發(fā)電機(jī)軸系綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)

王鵬印 沈會(huì)宇 王海波 王運(yùn)才 安 樂

（大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院 大連 116021）

0 引 言

在經(jīng)濟(jì)全球化背景下，受全球氣候變暖、能源危機(jī)、金融危機(jī)等多重因素影響，航運(yùn)業(yè)競爭日趨激烈，各國政府及相關(guān)組織對船舶溫室氣體排放日趨嚴(yán)格。隨著IMO 于2013年1月1日頒布的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（energy efficiency design index,EEDI）正式生效，各大造船企業(yè)、航運(yùn)公司和船級社等部門均積極尋求新技術(shù)來建造綠色、節(jié)能、環(huán)保的全新船舶[2]。軸帶發(fā)電機(jī)因具有降低船舶油耗、減少維護(hù)成本、安全高效靜音和減少船員數(shù)量等諸多優(yōu)勢，已逐步應(yīng)用于大型集裝箱船。然而，軸帶發(fā)電機(jī)由于固有屬性影響，導(dǎo)致其占用空間較大。超大型油輪（very large crude carrier,VLCC）等短軸系大型船舶因機(jī)艙空間有限，故布置極為困難，且增加軸帶發(fā)電機(jī)將對船舶軸系產(chǎn)生不利影響。軸系作為船舶動(dòng)力輸出的重要系統(tǒng)，是保證船舶安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提。VLCC 發(fā)生軸承高溫甚至軸系斷裂等重大安全事故主要是由于軸承負(fù)荷不均、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力超標(biāo)等因素導(dǎo)致。因此，若VLCC 等短軸系船舶配備軸帶發(fā)電機(jī)，便需要對軸系進(jìn)行全新優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文基于全球首艘配備軸帶發(fā)電機(jī)的VLCC實(shí)船，從基本軸系布置、軸系扭振計(jì)算和軸系校中計(jì)算這3 方面開展軸系優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 船舶主要參數(shù)及軸系系統(tǒng)組成

VLCC 通常載重量約30 萬t。本文以某配備軸帶發(fā)電機(jī)的30.8 萬t VLCC 實(shí)船為例，對其軸系開展優(yōu)化研究，主要參數(shù)見表1。

表1 某30.8 萬t VLCC 主要參數(shù)

該船采用短軸系設(shè)計(jì)，軸系主要由1 個(gè)軸帶發(fā)電機(jī)、1 個(gè)螺旋槳軸、兩個(gè)中間軸、1 個(gè)艏軸承、1 個(gè)艉軸承和1 個(gè)中間軸承組成。其艏側(cè)連接船舶主機(jī)，艉軸連接四葉定距螺旋槳，艉管為常規(guī)焊接式艉管。為滿足已經(jīng)生效的船用通用許可證（vessel general permit,VGP）需求，艉管密封采用氣密封 型式。

該船采用MAN 的七缸二沖程主機(jī)，型號為MAN 當(dāng)時(shí)最新的7G80ME-C10.5，主機(jī)降功率使用，MCR 為21 000 kW×58 r/min。軸帶發(fā)電機(jī)采用 W rtsil SAM 的PWM 抱軸式軸帶發(fā)電機(jī)，在37.2～60.9 r/min 轉(zhuǎn)速下可持續(xù)發(fā)電，最大發(fā)電功率 1 450 kW，輸出電壓450 V。

2 軸系布置設(shè)計(jì)

VLCC 主機(jī)設(shè)計(jì)在船尾部并采用短軸系設(shè)計(jì)，因此軸系通常采用1 個(gè)螺旋槳軸和1 個(gè)中間軸的布置方式。該船軸系總長22 335 mm、艉管總長7 653 mm、主機(jī)曲軸后端面到艉管前端面長度 12 175 mm。

2.1 螺旋槳軸布置設(shè)計(jì)

螺旋槳軸上需要安裝液壓螺母、螺旋槳、艉密封及艏密封等設(shè)備，同時(shí)需要預(yù)留涵蓋的艉管長度等信息，各設(shè)備相關(guān)尺寸如下頁表2所示。

表2 螺旋槳軸上各設(shè)備長度

在滿足設(shè)備安裝的同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮螺旋槳軸安裝、測量、拆卸等步驟的需求及影響，具體注意事項(xiàng)如下：

（1）艉管和艏軸承測量時(shí)需要預(yù)留約150 mm測量空間；

（2）根據(jù)船級社規(guī)范要求，軸徑過渡段到法蘭需預(yù)留約400 mm 的長度；

（3）螺旋槳軸出艙是船舶運(yùn)營維護(hù)的重大節(jié)點(diǎn)，為保證螺旋槳軸順利出艙，通常設(shè)計(jì)長度不得大于機(jī)艙可用空間長度。

經(jīng)上述計(jì)算及諸多限制條件得出，該船螺旋槳軸設(shè)計(jì)長度為11 260 mm。

2.2 中間軸布置設(shè)計(jì)

常規(guī)VLCC 設(shè)計(jì)為1 個(gè)中間軸，該船在狹窄的機(jī)艙內(nèi)配備了軸帶發(fā)電機(jī)。為便于軸帶發(fā)電機(jī)的安裝、拆卸以及螺旋槳軸抽出的便利性，該船創(chuàng)新性的將1 個(gè)中間軸拆分成2 個(gè)中間軸。搭載軸帶發(fā)電機(jī)的中間軸1 長為7 275 mm，用于拆卸的中間軸2長為3 800 mm。

2.3 軸帶發(fā)電機(jī)布置設(shè)計(jì)

在采用短軸系的VLCC 上尚無軸帶機(jī)應(yīng)用的先例，為滿足EEDI 第三階段要求，該船采用了W rtsil SAM 的軸帶發(fā)電機(jī)。該軸帶發(fā)電機(jī)長 2 510 mm、寬2 550 mm、高3 400 mm，巨大的尺寸給狹窄的機(jī)艙布置帶來了走臺過窄、主滑油泵干涉和中間軸承干涉等諸多難題。

（1）調(diào)整船體結(jié)構(gòu)，保證船級社規(guī)范要求的最小走臺800 mm 寬度；

（2）選取合適位置布置軸帶發(fā)電機(jī)避免同中間軸承和主滑油泵干涉；

（3）頂部變頻器冷卻水管改為側(cè)開式，保證施工可行性。

通過上述船體結(jié)構(gòu)調(diào)整、設(shè)備調(diào)整和位置優(yōu)化，成功解決了軸帶發(fā)電機(jī)在短軸系VLCC 上的布置 難題。

圖1 配備軸帶發(fā)電機(jī)的VLCC 軸系布置圖

圖2 軸帶發(fā)電機(jī)布置示意圖

上述軸系布置優(yōu)化從軸帶發(fā)電機(jī)拆卸、螺旋槳軸抽出和中間軸承干涉等多種因素考慮，將螺旋槳軸長度設(shè)定為11 260 mm、中間軸創(chuàng)新地分成2 個(gè)軸帶發(fā)電機(jī)的優(yōu)化布置，成功解決了因增加軸帶機(jī)布置而帶來的諸多難題。

3 軸系直徑確定

本船入級CCS 船級社，因此本文采用CCS 規(guī)范對中間軸和螺旋槳軸的軸徑及強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核，軸系計(jì)算公式見式（1）[3]：

式中：F為推進(jìn)裝置型式系數(shù)，取100；C為不同軸的設(shè)計(jì)特性系數(shù)，該船螺旋槳軸取1.22，中間軸取1.0；Ne為軸傳遞的額定功率，取22 500 kW；ne為軸傳遞Ne的額定轉(zhuǎn)速，取58 r/min；Rm為軸材料的抗拉強(qiáng)度。

3.1 中間軸直徑確定

為減少軸徑并滿足船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速功率儲備余量的要求，中間軸材料采用800 MPa 的合金鋼材料，較普通的鍛鋼材料相比提升200 MPa。根據(jù)上述CCS 船級社規(guī)范公式計(jì)算，采用合金鋼材料后，中間軸直徑理論計(jì)算值為595.5 mm，參考各影響因素后實(shí)際取值650 mm，優(yōu)化后的中間軸優(yōu)勢如下：

（1）采用800 MPa 合金鋼材質(zhì)后，可有效降低理論計(jì)算軸徑約50 mm，軸系減輕約4 t，可降低軸系的采購成本；

（2）降低中間軸軸徑50 mm 后，扭振禁區(qū)轉(zhuǎn)速隨之降低，有利于提高船舶加速性能，使其能快速通過轉(zhuǎn)速禁區(qū)。

3.2 螺旋槳軸直徑確定

螺旋槳軸通過艉管前后2 個(gè)軸承承受螺旋槳和部分軸系的重量。隨著船舶大型化螺旋槳也趨于大型化，通常VLCC 船型螺旋槳重達(dá)60 t，同時(shí)受惡劣海況及船舶吃水變化影響，艉軸斜度變化巨大，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，在船舶運(yùn)營過程中極易發(fā)生艉軸高溫的重大安全事故。

通過上述CCS 船級社規(guī)范公式的計(jì)算，采用600 MPa 的鍛鋼，螺旋槳軸直徑理論計(jì)算值為 790 mm，再綜合船級社規(guī)范要求以及多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場的實(shí)際加工能力等因素，螺旋槳軸直徑最終設(shè)定為920 mm。優(yōu)化后的螺旋槳軸優(yōu)勢如下：

（1）增加螺旋槳軸直徑將增大軸系剛度，降低螺旋槳軸在船舶不同吃水、不同海況下給軸系帶來的不利影響；

（2）優(yōu)化后的軸系斜度由0.48 mm/m 降至 0.37 mm/m，使得軸承單斜度即可滿足船級社規(guī)范要求，降低加工和安裝難度；

（3）增大軸系剛度、降低軸承斜度，可以有效降低船舶軸承發(fā)生高溫事故的風(fēng)險(xiǎn)，為船舶安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

上述軸系直徑優(yōu)化從轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量、軸系斜度限制、軸承高溫事故規(guī)避等多重因素考慮，將中間軸材質(zhì)設(shè)定為800 MPa 合金鋼、中間軸直徑選取為660 mm，并將螺旋槳軸直徑增加至920 mm等優(yōu)化后，成功解決了上述難題。

4 軸系扭振設(shè)計(jì)

軸系是船舶的核心系統(tǒng)，是船舶安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。軸系扭振問題是軸系設(shè)計(jì)中的核心問題之一，鑒于其重要性，各船東、船廠、主機(jī)廠和船級社均高度重視軸系扭振問題，采用扭振減振器降低軸系扭振應(yīng)力，目前幾乎已成為大型船舶解決扭振問題的通用手段。本船采用了軸帶發(fā)電機(jī)，中間軸同軸帶發(fā)電機(jī)匹配的位置，增加相應(yīng)的軸徑，同時(shí)中間軸上安裝了軸帶發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，如此設(shè)計(jì)極大地增加了軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而給軸系扭振問題解決帶來更大難度。

不可否認(rèn)，扭振減振器可解決95%以上的軸系扭振問題。但扭振減振器占用機(jī)艙空間大，后期維護(hù)不便，且價(jià)格昂貴。因此，在船舶市場日益嚴(yán)峻、船價(jià)持續(xù)走低的今天，對軸系扭振優(yōu)化措施開展可行性研究具有十分重要的意義。

圖3 扭振計(jì)算模型

4.1 扭振計(jì)算3種狀態(tài)

本船在常規(guī)VLCC 的基礎(chǔ)上增加了軸帶發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加，因此軸系扭振計(jì)算結(jié)果將發(fā)生一定變化。根據(jù)在常規(guī)VLCC 上積累的扭振經(jīng)驗(yàn)，本文將從中間軸直徑尺寸、中間軸強(qiáng)度以及是否采用扭振減震器等3 種方案（參見圖4、表2）來進(jìn)行軸系扭振計(jì)算。

圖4 扭振計(jì)算3 種方案

表2 扭振計(jì)算3 種方案主要參數(shù)

下文將基于上述3 種方案，從軸系扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和船舶轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量兩個(gè)方案來計(jì)算分析方案可行性。

4.2 軸系扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算分析

軸系扭轉(zhuǎn)應(yīng)力是扭振計(jì)算分析的重要參數(shù)，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力持續(xù)限定線和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力瞬時(shí)限定線是扭轉(zhuǎn)應(yīng)力判定的重要依據(jù)。若扭轉(zhuǎn)應(yīng)力大于持續(xù)限定線，則需要設(shè)置船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速禁區(qū)；若扭轉(zhuǎn)應(yīng)力大于瞬時(shí)限定線的85%（即安全余量低于15%），則扭振計(jì)算不滿足要求。

中間軸和螺旋槳軸是軸系扭振問題的薄弱環(huán)節(jié)。我們選擇主機(jī)軸系工況最惡劣的EGR-TC cutout matching,Tier2 T/C Cut-out,PTO Active Mode 進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)分別計(jì)算主機(jī)正常狀態(tài)和一缸熄火狀態(tài)下的各項(xiàng)參數(shù)[4]。

正常狀態(tài)下，中間軸和螺旋槳軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算分別參見圖5和圖6。

圖5 中間軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算（正常狀態(tài)）

圖6 螺旋槳軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算（正常狀態(tài)）

一缸熄火狀態(tài)下，中間軸和螺旋槳軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算分別參見圖7和圖8。

圖7 中間軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算（一缸熄火狀態(tài)）

圖8 螺旋槳軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算（一缸熄火狀態(tài)）

3 種方案扭振計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 3 種方案扭振計(jì)算結(jié)果

續(xù)表3

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出：采用扭振減震器的方案1 和方案2，中間軸和螺旋槳軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力安全余量均很大，但方案2 因?yàn)橹虚g軸直徑相差 10 mm，故結(jié)果更好。采用合金鋼軸的方案3 也可以滿足15%的安全余量要求。

現(xiàn)階段國內(nèi)大型船舶采用的彈簧式軸系扭振減震器均為國外進(jìn)口，VLCC 上采用的扭振減震器單臺價(jià)格為300 萬元人民幣，故方案1 和方案2 價(jià)格昂貴；而方案3 所用到的800 MPa 合金鋼材質(zhì)中間軸，僅增加單船成本10 余萬元。

從而得出結(jié)論：方案1 價(jià)格昂貴且結(jié)果略差故淘汰；方案2 價(jià)格較高但結(jié)果較好；方案3 成本優(yōu)勢明顯，但結(jié)果稍差。

4.3 轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量計(jì)算分析

隨著船舶能效指數(shù)EEDI 的生效，船舶制造企業(yè)和船舶運(yùn)營企業(yè)均降低主機(jī)功率以滿足日益嚴(yán)苛的排放要求。主機(jī)在降功率使用的情況下，加速性能顯著降低，如無法快速通過轉(zhuǎn)速禁區(qū)引起扭振、共振問題，將會(huì)給船舶軸系的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大安全隱患。

4.3.1 轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量基本公式

轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量直接影響船舶的加速性能，進(jìn)而決定了船舶轉(zhuǎn)速禁區(qū)的通過時(shí)間。因此，是否能快速通過轉(zhuǎn)速禁區(qū)，取決于轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量（參見圖9）。經(jīng)過長時(shí)間的案例分析和積累，現(xiàn)已有了一套基本定義公式，見式（2）[5]。

圖9 轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量計(jì)算曲線

式中：BSRPM為轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量；PP為船舶系樁拉力曲線功率點(diǎn)；PL為主機(jī)輸出功率點(diǎn)。

4.3.2 轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量快速計(jì)算方法

根據(jù)船舶轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率裕度的物理意義，在轉(zhuǎn)速禁區(qū)大端計(jì)算功率儲備余量具有更高的靈活性和便捷性；同時(shí)，DNV 船級社最新規(guī)范也推薦此方法。因此，下文將基于此定義對轉(zhuǎn)速禁區(qū)快速計(jì)算方法進(jìn)行分析。

經(jīng)推導(dǎo)，轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量BSRPM與螺旋槳輕轉(zhuǎn)余量P(%)、船舶系樁拉力參數(shù)B(%)、轉(zhuǎn)速禁區(qū)高點(diǎn)轉(zhuǎn)速NBSRH和主機(jī)最大轉(zhuǎn)速NMCR有關(guān)，由此得出轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量簡化計(jì)算公式如下[6]：

式中：L=1+P；H=1-B。

4.3.3 轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量方案對比

由上述公式可知，船舶轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量與以下參數(shù)有關(guān)：

（1）螺旋槳輕轉(zhuǎn)余量；

（2）船舶系樁拉力參數(shù)；

（3）轉(zhuǎn)速禁區(qū)高點(diǎn)轉(zhuǎn)速。

本船螺旋槳輕轉(zhuǎn)余量5.6%，船舶系樁拉力17.5%，轉(zhuǎn)速禁區(qū)高點(diǎn)轉(zhuǎn)速方案2 為33 r/min，方案3 為32 r/min。經(jīng)計(jì)算，方案2 的轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量為19.9%，方案3 的轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量為23.7%，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量計(jì)算結(jié)果對比

根據(jù)計(jì)算可得出結(jié)論：方案3 比方案2 的轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量更高，且以合金鋼代替扭振減震器，每艘船節(jié)約近300 萬元，價(jià)格優(yōu)勢明顯。

根據(jù)上述軸系扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量計(jì)算分析，本船選用800 MPa 合金鋼中間軸（中間軸直徑650 mm）的方案3，該方案替代昂貴的扭振減震器，每條船軸系節(jié)約建造成本約300 萬元，且船舶在轉(zhuǎn)速禁區(qū)范圍加速性能優(yōu)異，功率儲備余量能滿足船級社規(guī)范要求。

5 軸系校中優(yōu)化

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，船舶建造逐漸向大噸位、深吃水、低剛度的方向發(fā)展，而VLCC 因其短軸系設(shè)計(jì)造成軸系負(fù)荷相應(yīng)系數(shù)更加敏感。因此，為避免軸承發(fā)生高溫而開展的軸系校中工作對于配備軸帶發(fā)電機(jī)的VLCC 來說顯得更為重要。

軸系校中是為確保在船舶各種運(yùn)行狀態(tài)下，艉管后軸承同螺旋槳軸的相對斜度滿足船級社規(guī)范要求，同時(shí)保證軸系各軸承的負(fù)荷及主機(jī)曲軸法蘭的彎矩和剪力均在允許范圍內(nèi)。

本文基于上述扭振計(jì)算結(jié)果對軸系開展校中計(jì)算，分別從軸承負(fù)荷、主機(jī)高度、軸承斜度和主機(jī)曲軸法蘭彎矩剪力等方面開展計(jì)算，并同常規(guī)未配備軸帶發(fā)電機(jī)的VLCC 進(jìn)行對比分析并優(yōu)化，得出一套可保證軸系安全穩(wěn)定運(yùn)行的軸系校中方案，計(jì)算模型見圖10。

5.1 軸承負(fù)荷對比分析

軸系校中最主要的目的就是保證船舶在各運(yùn)行狀態(tài)下所有軸承均有負(fù)荷，本文采用DNV SHAFT ALIGNMENT 軟件對常規(guī)VLCC 和帶有軸帶發(fā)電機(jī)的VLCC 進(jìn)行校中計(jì)算并對比分析。軸帶機(jī)VLCC軸承負(fù)荷難點(diǎn)如下：

（1）主機(jī)9#軸承負(fù)荷調(diào)整：對于短軸系VLCC，在軸系校中時(shí)，通常將主機(jī)9#軸承負(fù)荷調(diào)整接近于0，為后續(xù)不同載況下船體變形導(dǎo)致的負(fù)荷轉(zhuǎn)移預(yù)留空間。但該船因配備軸帶機(jī)轉(zhuǎn)子和局部軸徑加粗，導(dǎo)致重量增加200 kN 且集中在主機(jī)側(cè)，因此必須通過合理的軸系校中使主機(jī)9#軸承負(fù)荷滿足要求。

（2）中間軸承負(fù)荷調(diào)整：中間軸承承受了中間軸的絕大部分重量，而帶有軸帶機(jī)VLCC 的中間軸承還需要承受額外增加軸和轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，而普通材質(zhì)中間軸承可承受比壓為1.2 MPa，故可能無法滿足 要求。

對于軸系校中，我們計(jì)算了冷態(tài)船塢校中、螺旋槳50%、75%、100%；熱態(tài)螺旋槳50%、75%、100%；運(yùn)行漂浮以及螺旋槳水動(dòng)力向上、向下共計(jì)10 種狀態(tài)，主要從貼合實(shí)際校中的冷態(tài)螺旋槳75%來對比分析。兩艘船計(jì)算結(jié)果如下：

考慮到短軸系VLCC 主機(jī)從壓載狀態(tài)到滿載狀態(tài)，9 號軸承負(fù)荷增加較大。為保證9 號軸承預(yù)留足夠安全余量且防止8 號軸承脫空，我們通過調(diào)整中間軸承和主機(jī)高度，得出軸帶機(jī)VLCC 主機(jī)9 號軸承負(fù)荷134.4 kN，比常規(guī)VLCC 僅增加 87.6 kN，為不同船舶載況狀態(tài)下軸承負(fù)荷轉(zhuǎn)移預(yù)留了足夠的安全余量。

圖11 軸帶機(jī)VLCC 和常規(guī)VLCC 冷態(tài)軸承負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

表5 兩型VLCC 冷態(tài)螺旋槳75%浸沒下軸承負(fù)荷和軸承比壓計(jì)算結(jié)果

由上述結(jié)果可知，軸帶機(jī)VLCC 中間軸承負(fù)荷為316.9 kN，較常規(guī)VLCC 僅增加111.9 kN，中間軸承比壓增加到1 MPa。通過調(diào)整中間軸承材質(zhì)將允許比壓升高到2 MPa 即可滿足要求。

5.2 主機(jī)和中間軸承高度對比分析

軸系校中是通過調(diào)整主機(jī)和中間軸承高度來調(diào)整各軸承負(fù)荷分配。軸帶發(fā)電機(jī)VLCC 因軸系質(zhì)量增加200 kN，因此主機(jī)和中間軸承高度需重新調(diào)整，兩型VLCC 調(diào)整和計(jì)算結(jié)果如圖12和表6所示。

圖12 軸帶機(jī)VLCC 和常規(guī)VLCC 主機(jī)高度計(jì)算結(jié)果

表6 兩型VLCC 主機(jī)和中間軸承高度計(jì)算結(jié)果

經(jīng)多輪計(jì)算和調(diào)整后，得到上述負(fù)荷軸系負(fù)荷要求的軸承高度，即軸帶機(jī)VLCC 較常規(guī)VLCC主機(jī)高度進(jìn)一步下降2.1 mm，中間軸承高度下降 0.9 mm。

5.3 軸承斜度對比分析

圖13 軸帶機(jī)VLCC 軸系校中示意圖

大型船舶螺旋槳軸艉端連接螺旋槳后將發(fā)生彎曲，因此艉管軸承需要帶有斜度來匹配適應(yīng)，否則極易發(fā)生螺旋槳軸高溫等重大安全事故。世界主流船級社ABS、DNV、LR 等規(guī)范要求螺旋槳軸和軸承的相對斜度不大于0.30 mm/m[7-9]。

該船為配備軸帶發(fā)電機(jī)研發(fā)了全新的螺旋槳，螺旋槳的重要參數(shù)均發(fā)生變化，同時(shí)軸系經(jīng)過全新設(shè)計(jì)。因此，各個(gè)狀態(tài)下螺旋槳軸的斜度均發(fā)生較大變化。從以下表格可以看出，各個(gè)狀態(tài)下螺旋槳軸斜度均增加0.03 mm/m。

表7 兩型VLCC 不同狀態(tài)下螺旋槳軸斜度計(jì)算結(jié)果

經(jīng)上述計(jì)算結(jié)果對比分析后，為使螺旋槳軸和軸承的相對斜度滿足船級社規(guī)范要求，軸帶機(jī)VLCC 的艉管后軸承斜度設(shè)計(jì)為0.38 mm/m，比常規(guī)VLCC 增加0.03 mm/m。

上述軸系校中計(jì)算分別從軸承負(fù)荷、軸承高度和軸承斜度3 個(gè)方面對軸帶機(jī)VLCC 和常規(guī)VLCC 的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析對比。在考慮多方面影響因素后，采取兩項(xiàng)重要措施，即主機(jī)高度下降 2.1 mm 且軸承斜度增加0.03 mm/m，調(diào)整后各軸承負(fù)荷均可滿足船級社規(guī)范要求和實(shí)船運(yùn)行要求，提高了軸系運(yùn)行的穩(wěn)定性。

6 結(jié) 論

本文闡述綠色船舶配備軸帶發(fā)電機(jī)的必要性，剖析配備軸帶發(fā)電機(jī)對短軸系VLCC 的不利影響，同時(shí)研究軸帶發(fā)電機(jī)影響的深層次含義，進(jìn)而從軸系布置、軸徑選取、軸系扭振和軸系校中4 個(gè)方面對軸系開展計(jì)算分析。

圖14 軸帶機(jī)VLCC 和常規(guī)VLCC 軸承斜度計(jì)算結(jié)果

通過研究發(fā)現(xiàn)，增加中間軸數(shù)量、調(diào)整螺旋槳軸和中間軸直徑對軸系布置以及扭振計(jì)算有積極影響；同時(shí)，為增加計(jì)算分析的說服力，本文引入常規(guī)VLCC，并同軸帶發(fā)電機(jī)VLCC 的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。主要優(yōu)化內(nèi)容如下：

（1）將短軸系VLCC的1根中間軸調(diào)整為2根，便于軸帶機(jī)安裝拆卸；

（2）螺旋槳軸直徑由820 mm 優(yōu)化到920 mm，提升軸系強(qiáng)度；

（3）中間軸直徑由660 mm 降低到650 mm，提升主機(jī)轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率儲備余量；

（4）采用合金鋼中間軸代替昂貴的扭振減震器，每船節(jié)約300 余萬元；

（5）降低主機(jī)高度、增加軸承斜度，以滿足船級社軸系校中規(guī)范要求。

綜上所述，本文對配備軸帶發(fā)電機(jī)VLCC 的軸系從理論計(jì)算、安裝拆卸、建造成本以及規(guī)則規(guī)范等不同角度出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過調(diào)整軸系數(shù)量、軸系材質(zhì)、軸系直徑和主機(jī)高度等措施，在滿足船級社規(guī)范的前提下，得到一套具有前瞻性、可行性和高效性的低成本軸系設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。