船舶动力装置课程设计.doc

船舶动力装置课程设计一、设计目的1、进一步掌握舰船动力装置的基本概念和基本理论；2、掌握船机浆设计工况选择的理论和方法；3、掌握工况船舶采用双速比齿轮箱速比优先选计算方法；4、掌握主机选型的基本步骤方法；5、初步掌握船机浆工况配合特性的综合分析方法。二、基本要求1、独立思考，独立完成本设计；2、方法合适，步骤清晰，计算正确；3、书写端正，图线清晰。三、 已知条件1、 船型及主要尺寸(1) 船型：单机单桨拖网渔船(2) 主尺度序号尺度单位数值1水线长M41.02型宽M7.83型深M3.64平均吃水M3.05排水量T400.06浆心至水面距离M2.5(3) 系数名称方形系数Cb菱形系数Cp舯刻面系数数值0.510.600.895(4) 海水密度 =1.024T/M32、设计航速状态单位数值自航KN10.4拖航KN3.83、 柴油机型号及主要参数序号型号标定功率(KW)标定转速(r/min)柴油消耗率（g/kw·h）重量（kg）外形尺寸（L×A×H）mm16E150C-116375023825002012×998×132526E150C-122075023832902553×856×144038E150C-A217100022827002065×1069×140548E150C-A289100022835002591×957×140556160A-13164100023839003380×880×15556X6160ZC220100021837003069×960×151276160A-116075023837003380×880×15558N-855-M195100017511769NT-855-M267100017912581989×930×151110TBD234V832010002124、 齿轮箱主要技术参数序号型号额定传递能力kw/(r/min)额定输入转速（r/min）额定扭矩N*m额定推力KN速比13000.184-0.257750-15001756.2-2459.849.02.04,2.5,3,3.53,4.12D3000.184-0.2571000-25001193.64-2459.849.04,4.48,5.05,5.5,5.9,7.633240B0.1841500175630-501.5,2.34SCG30010.16-0.22750-230030-501.5,2.3,2.5,3.55SCG35010.257750-23001.3,2.3,2.5,3.5,46SCG35030.2571000-23004.5,5,5.5,6,6.5,77SCG25030.1841000-23004,4.5,5,6,6.5,78GWC32350.45-1.35 -18004283-12858112.72.06,2.54,3.02,3.57,4.05,4.955、 双速比齿轮箱主要技术参数序号型号额定传递能力kw/(r/min)额定输入转速（r/min）额定推力KN速比1GWT36.390.42-1.23400-100098.072-62GWT32.350.52-1.32 -1800112.782-63MCG4100.74-1.84400-1200147.01-4.54S3000.18-0.26750-250049.032.23,2.36，2.52,2.565SD3000.18-0.24750-250049.03,4,4.48,4.6,4.95四、 计算与分析内容1、 船体有效功率，并绘制曲线2、 确定推进系数3、 主机选型论证4、 单速比齿轮箱速比优选，桨工况特性分析5、 双速比齿轮箱速比6、 综合评判分析五、 参考书目1、 渔船设计2、 船舶推进3、 船舶概论4、 船舶设计实用手册（设计分册）六、 设计计算过程与分析1、 计算船体有效功率(1) 经验公式：EHP=(E0+E)L 式中：EHP-船体有效马力,-排水量（T），L-船长（M）。在式中船长为41.0M时，E的修正量极微，可忽略不计。所以式可简化为EHP=E0L。根据查渔船设计5、 可知E0计算如下：船速v=10.4×1.852÷3.6=5.35M/S，L=41.0,Cp=0.60;V/(L/10)3=(400.0÷1.024)/(41÷10)3=5.67;v/gl=5.35/(9.8×41)=0.27;通过查渔船设计可得E0=0.072。(2) 结果：EHP=E0××L =184.412、 不确定推进系数（1）公式P×C=PE/PS=c×s×p×r式中PE：有效马力；PS：主机发出功率；c：传动功率；s：船射效率；p：散水效率；r：相对旋转效率。（2） 参数估算伴流分数：w=0.77Cp0.28=0.182推力减额分数：由渔船设计得t=0.77Cp0.3=0.162s=（1t）/（1w）=（10.162）/（10.182）=1.02取c=0.96；p=0.6；r=1.0（3） 结果P×C=c×s×p×r=0.96×1.02×0.6×1.0=0.5753、主机选型论证（1）根据EHP和P×C选主机主机所需最小功率Psmin=PE/(P×C)=184.41/0.575=320.7马力=235.7KW参数10%功率储备：Ps=Psmin×(1+10%)=259.27KW查柴油机型号及主要参数表选择NT-855-M型柴油机参数：额定转速：1000r/min 额定功率：267KW 燃油消耗率：179g/kw.h（2） 设计工况点初选a、取浆径为1.9M，叶数Z=4，盘面比为0.40和0.55b、确定浆转速范围 225r/min左右4、 单速比齿轮速比优选，桨工况点配合特性分析（1） 设计思想：按自航工况下设计（2） 设计参数及计算： a、螺旋桨收到的马力DHP：DHP=EHP/(s×p×r)=184.41/(1.02×0.6×1.0)=301.3马力b、P=（DHP/）=（301.3/1.024）=17.15c、桨径D:D=1.6d、自航航速vs=10.4KN 拖航航速vs=3.8KNe、进速 va=vs（1-w）=10.4×（1-0.182）=8.51f、估计桨转速：225r/min根据图谱计算（3） 具体计算根据桨径D=1.9M,用B4-40和B4-55图谱计算转速为200r/min，225r/min,250r/min,275r/min,300r/min,航速为10.4KN时桨的螺距比H/D，敞水效率p，并绘制图谱求得最佳p和H/D。（4）列表计算：序号计算项目1桨径D(M)1.91.91.91.91.92桨转速n(r/min)2002252502753003航速VS(kn)10.410.410.410.410.44进速VA(rw)8.518.518.518.518.515直径系数=3.28nD/VA146.5164.8183.1201.4219.76功率系数Bp=np/VA2.516.218.320.322.324.4查B4-40图谱7p0.6080.6260.6150.5990.5818H/D1.070.990.810.760.649H(M)2.031.881.541.441.22查B4-55图谱10p0.6050.6210.6090.5910.5711H/D1.050.910.870.730.7012H(M)2.001.731.651.391.33（5） 作图确定桨各项最佳参数：（6）通过作图确定桨的各相应参数：项目B4-40B4-55桨速r/min230225p0.6230.621H/D0.970.91H(M)1.841.84D(M)1.91.9通过作图确定出此船在自航状态下即航速VS=10.4KN时，桨的最佳转速，从而准确得出自航状态下的减速比。（7） 选择单速比齿轮箱参数：a、主机输出扭矩 Ne=9550·PN/nN=267/1000×9550=2550N·M b、主机转速 n=1000 r·p·m c、减速比 i=4.5根据以上参数选择：齿轮箱型号：SCG3503外形尺寸：854×880×1312传递能力：0.257kw/r/min（8） 分析自航状态下的机桨配合特性 p p1p c（%）CDBAPe Pp100（%）图中A点为船自航状态下的设计配合点，即额定工况点，此时主机在设计负荷下工作，主机可发出额定功率，螺旋桨亦可发出设计推力，使船在自航设计航速即10.4KN航行。（9） 双速比齿轮箱速比优选、桨工况配合分析设计思想： 根据拖航工况选择减速比，由上面自航时的两种盘面比对应的参数求出拖网时再吸收全部主机功率情况下具有的最大推力的螺旋桨的转速及减速比。设计参数： 拖航航速：vs=3.8kn 进速：va=0.515vs（1-w）=1.71m/s具体计算（查船舶原理与推进P186）序号计算项目1桨径D(M)1.91.91.91.91.92桨转速2002252502753003航速VS(kn)10.410.410.410.410.44进速VA(rw)1.711.711.711.711.7150.270.240.220.200.1861079.5959.6863.6785.1720.170.03830.02690.01950.01470.0114查B4-40图谱8H/D0.870.720.630.530.4349KT0.2950.240.1960.1650.0910p0.3360.3380.3410.3450.35114376450645684638452312Te=T(1-t)36673776382838873700查B4-55图谱13H/D0.850.700.620.5250.4314KT0.2930.2360.1920.1630.08915p0.3330.3350.3380.340.346164346443145414582447317Te=T(1-t)36423713380538403659作图确定最佳参数0.90.70.50.30.40.30.10.20.40.30.20.10.30.50.70.9（10） 通过两种盘面比的螺距比确定桨的转速、敞水效率项目B4-40B4-55D(m)1.91.9H/D0.720.80p0.3380.334n(r/min)225220相应减速比4.444.54（11） 空泡校核项目B4-40B4-55VS(kn)3.83.8va=0.515vs（1-w）1.61.6D(m)1.91.9H/D0.720.80p0.3380.334246.5241249.4243.90.5v20.71276912689P-PV16511165811.291.32待添加的隐藏文字内容20.250.258T(kg)450644141.411.371.031.38按表中的数据绘制成曲线图APMIN根据上图可得出螺旋桨设计参数自航与拖航的减速比:盘面比0.62螺距比 0.7自航航速10.4kn螺旋桨直径1.9m自航p 0.622拖航p0.336自航时减速比4.4拖网时减速比 4.49 （12） 选择双速比齿轮箱 型号：GTW32.35额定输入转速： -1800(r/min)速比范围：2-6额定传递能力：0.52-1.32Kw/r/min拖航(13) 机桨配合工况分析VSnN/i1nN/i2i1MPNi2MPNIBAC自航Pe Pp 如上图所示，曲线I为自航对桨推进特性曲线为拖网时推进特性曲线，A点为设计工况点，即MCR点。自航时，机桨在设计工况下工作，即在A点工作，此时主机发足功率，桨吸收全部功率，船以设计航速前行。拖网时，船阻力较大，p减小，桨推进曲线上移，此时若还用第一级传动比传动，主机必须发出超出额定功率的功率，这样将不利于主机的工作和机桨的配合。若用第二级传动比传动，可是机桨配合点在B点，这样主机能发足功率，桨可以吸收全部扭矩来运转，使船在拖航时仍在设计航速下顺利航行，此时主机转速仍未额定转速，因而船、机、桨均在设计工况（拖航）下运行。（14） 综合评价分析： 用单速比齿轮箱传动时，拖航时主机功率不足，油耗大，经济性差，同时主机功率有大量剩余，而桨又吸收不到全部扭矩，航速将降低，在运行工况恶化时甚至造成主机热负荷大大增加，使主机不能正常工作。用双速比齿轮箱传动时，可以使主机在拖航和自航中都发出全部功率，使主机在两种工况下都能按额定转速运转，使主机处于最佳状态，提高了经济性。渔船在拖网时，螺旋桨的效率相对自由航行时要低的多，但考虑与直接传动定距桨相比，由于桨速可以选配，自由航行时效率可提高，对于高增压中速柴油机更好适宜，同时配合特性曲线图可以看出桨的最低稳定转速。另一方面，用了减速齿轮箱，由于传动比效率，主机发出功率将被消耗掉一部分，同时齿轮箱也占据了一部分空间，使机舱中布置更为紧凑。轴系设计与校核一、 设计任务书（一） 已知条件1、 船舶基本参数船型：单机单桨拖网渔船船速：自航10.4kn，拖航3.8水线长：41.0型宽：7.8型深：3.6吨位：400.02、 主要技术参数型号：NT-855-M型柴油机额定转速：1000r/min额定功率：267KW燃油消耗率：179g/kw.h3、螺旋桨参数直径：1.9m重量：1050kg材料：铸钢4、轴线长度11004100主机输出法兰RA30003500 （二）、完成任务 1、轴径估算，强度初步校核； 2、确定各轴段，各部分结构尺寸； 3、选择合适的传动装置，支承部件； 4、进行轴系布置，并绘制轴系布置图； 5、轴系较中计算；6、尾轴管置结构设计，并绘制尾轴管总图；7、绘制机舱轴承传动部分的装备图。 二、轴径估算，强度校核初步： （一）轴系轴径计算序号名称符号单位公式及来源数值1中间轴螺旋桨轴材料35#钢2中间轴螺旋桨轴标定校核强度下限bN/mm2按航规225.43轴传递额定功率PnKm按主机说明书2674额定功率相应转速nNr/min按主机说明书10005中间轴直径部分系数C按船规1.06螺旋桨直径部分系数C2按船规1.227中间轴最小直径d2mm94.78螺旋桨轴最小直径dkmm116.59选用中间轴基本直径dZmm15010选用螺旋桨轴基本直径dKmm180（二） 轴系强度计算1、中间轴强度计算序号名称符号单位公式及来源数值1中间轴基本轴径dZcm152中间轴转速nnr·p·m2253中间轴传递最大功率Pnkw2674中间轴的截面模数wZcm33662.35中间轴传递最大扭矩MnN·cm8158956扭矩引起的剪应力N/cm2= Mn / wZ1353.77螺旋桨效率pp=0.6-0.780.6228螺旋桨推力TN31030.39螺旋桨推力引起的压应力yN/cm2175.710中间轴材料密度g/cm2机械零件设计手册7.6911单位长度负荷qN/cm13.312整锻法兰(D=4M,b=2.8M)G0N54113两轴承间距lcm41014a段距离acm11015b段距离bcm29016轴承反作用力RAN2593.117轴承引起弯矩MwN·cm23926618轴承曲模数Wcm3=3/233119轴重引起弯曲应力wN/cm2361.320合成应力HN/cm2改146221由安装误差引起弯曲应力w1N/cm2200022安装系数nN/cm26.8623许用安全系数n船舶设计手册2.5-5.824结论n>n 中间轴安全2、螺旋桨强度计算序号名称符号单位公式及来源数值1螺旋桨轴最大扭矩MnN·cm9550*Pnn*i 10992692螺旋桨轴径dtcm183螺旋桨轴截面系数wccm3312414螺旋桨轴截面面积Fccm2326.75由扭矩引起的剪应力N/cm28846螺旋桨推力TN31030.37由螺旋桨推力引起的剪应力yN/cm21298系数1.049合成应力HN/cm2179210材料屈服极限sN/cm2按船规2246011安全系数nn=s/H12.512许用安全系数n按船舶设计使用手册2.8-5.813结论n>n，安全满足强度要求三、 轴段各部分尺寸280（一） 桨轴1501851901951301204001509501550650660尺寸来源：取锥度k=1:15则有Lk=（1.3-3.3）Dk=（1.3-3.3）×185=476mmdk=Dk-k·Lk=185-1/15×476=153mmd0=（0.75-0.9）dk=（0.75-0.9）×150=125mm 取L0=125mm螺旋桨从里往外装取后尾管径190前尾轴颈为195后尾轴长L2=（4-5.5）Dk=930mm取轴颈长为950前尾轴长L0=（3-4）Dk=610mm取轴颈长为650（二） 中间轴1502500（三） 整段法兰由D=150得D1=300mm D2=230mmb1=40mmd1=38mm 螺纹直径为M36（四） 传动装置与支撑部件1、 传动装置 主机是高速柴油机，因此采用齿轮箱传动2、 支承部件 采用两个尾轴承支承，因中间轴较长故也需设一个中间轴承，轴承材料选用铁梨木，需用压力为0.29MPa前尾轴承 ds=190mm Ls=610mm后尾轴承 ds=195mm Ls=930mm四、 轴系较中计算QP=10690（一） 计算过程1000HGDEFCBA500200011003202550500267315361939.5FDEGCBAH1、 建立计算模型（1） 各轴段载荷计算a、 qAC=/4dk2r=2025N/M查表得=1.34qAC=·qAC=2673N/Mb、qDF=/4dz2r=1436N/M查表得=1.08qDF=·qDF=1536N/MC、qCD=（ qAC·lCG+ qDF·lGD）/lCD=1939.5N/M（2）各段截面惯性矩 IBC=/64·dZ4=/64×0.1854=5.7×10-5m4 IEF=IDE=/64·dE4=/64×0.1504=2.5×10-5m4ICD= (IBC×lCG+IDE×lDG)/lCD=3.65×10-5m4 （3）各轴段相对刚度 KBC=IBC/LBC=5.7×10-5/2550=2.28×10-8 KCD=ICD/LCD=3.65×10-5/3100=1.17×10-8 KDE=IDE/LDE=2.5×10-5/900=2.8×10-8 KEF=IEF/LEF=2.5×10-5/500=5×10-8 (4)各节点两侧分配系数BC=1CB=KBC/(KBC+KCD)=0.66CD=1-CB=0.34DC=KCD/(KCD+KDE)=0.29DE=1-DC=0.71ED=KDE/(KDE+KEF)=0.33 EF=1-ED=0.67FE=02、 用力矩分配法列表计算各节点弯矩总和(1)求各节点初始固定弯矩MAB=-QP×LAB-0.5qACLHB2=-7700N·MMBC=qBC×LBC2/12=1292N·MMCD=qCD×LCD2/12=1553N·MMDE=-MED=qDE×LDE2/12=104N·MMEF=qEF×LEF2/12=32N·M3、列表计算支点 B C D E F分配系数 1 0.660.34 0.290.71 0.3330.667 0固定弯矩 -77001292 -12921553 -1553104 -10432 0第一次分配及传递（6408）6408 -172-86 3204（-261）-89 420210 -44（1449）1029 2512 514（76）51 00 25第二次分配及传递（86） 86 -2253-1126 43 （-3414） -1161 94 -580（32） 23 -171-85 11（-514） -343 00 -171第三次分配及传递（1126）1126 -31-15 563（-47） -16 19381 -8（665） 472 -4-2 236（-11） -7 00 -3第四次分配及传递（15）15 -425-212 7(-644) -219 31 -108（10） 7 -79-39 3（-236） -157 00 -78第五次分配及传递（212） 212 -5-2 106 （-8） -3 3517 -1(147) 84 -10 41（-3） -2 00 -1第六次分配及传递（2） 2 -81-40 1 （-123）-42 00 -21 （1）1 -14 -7 0 （-41）-27 0 0 -13第七次分配及传递（40） 40 -10 20 （-1）0 84 0（28） 20 00 10 （0） 0 00 0第八次分配及传递（0） 0 -16-8 0（-24） -8 00 -4（0） 0 0 0 0（0） 0 00 0第九次分配及传递（8） 8 00 4（0）0 10 0 （4） 3 00 1 （0） 0 00 0第十次分配及传递（0） 0 -3 -1 0 （-4）-1 00 0（0） 0 00 0 （-1） -1 00 0第十一次分配及传递（1） 1 00 0（0） 0 00 0（0） 0 0 0 0（0） 0 00 0弯矩总和 -77007700 -336336 -16491649 454-454 -234(2) 求各结点支反力：10690RC1RB3367700由MC1=0得:2.5×RB-7700-336-10690×3-0.5×2673×3.322=0 求得：RB=25535N由MB=0得：-2.5×RC1+0.5×2673×2.52-0.5×0.822×2673-10690-336=0 求得：RC1=-1428N-336-1649RD1RC2由MD1=0得:RC2×3.1+336+1536-0.5×1940×3.12=0 求得：RC2=2403N由MC2=0得:-RD1×3.1+336+1536+0.5×1940×3.12=0 求得：RD1=3611N4541649RD2RE1由ME1=0得:RD2×1-1536-454-0.5×12×1536=0 求得：RD2=2758N由MD2=0得:-RE1×1-1536-454+0.5×12×1536=0 求得：RE1=-1222NRE2RF-454-234由MF=0得:RE2×0.5+454+234-0.5×1536×0.52=0 求得：RE2=-992N由ME2=0得:-RF×0.5+454+234+0.5×1536×0.52=0 求得：RF=1760N各支点反力为：RB=25535N RC=975N RD=6369N RE=-2214N RF=1760N3、 校核（1） 支反力总和R=RB+RC+RD+RE+RF=25535+975+6369-2214+1760=32425N（2） 轴系载荷总和为10690+2673×3.37+1940×2.9+1536×1.5=31628N由以上可知支反力总和与载荷总和相等，故计算合格二、 轴承负荷的调整1、 支承B抬高0.1mm时，各结点弯矩总和（1） B抬高0.1mm时，产生弯矩 =6×2.04×1010×2.28×10-8/2.5 =1116N·M（2） 列表计算支点 B C D E F分配系数 1 0.660.34 0.290.71 0.3330.667 0固定弯矩1116 1116第一次分配及传递-1116 -737-368 -558-379 -189第二次分配及传递368 368184 184190 6432 95125 62第三次分配及传递-184 -162-81 -92-84 -28-14 -42-67 -11-5 -33-21 -10第四次分配及传递81 7035 4036 147 1833 115 1622 11第五次分配及传递-35 -31-15 -17-16 -7-3 -8-16 -5-2 -8-11 -5第六次分配及传递15 73 713 31 67 31 35 2第七次分配及传递-3 -5-2 -1-3 -2-1 -1-5 -2-1 -2-1 0第八次分配及传递2 21 10 00 02 00 12 1第九次分配及传递-1 -10 00 00 00 00 01 0弯矩总和1 191-191 -1616 3-3 -1（3） 求各结点支反力1911BC1RC1RB 由MC1=0得RB×2.5-191-1=0 RB=76.8N由MB=0得RC1×2.5-191-1=0 RC1=-76.8N-191-16RD1C2D1RC2由MD1=0得RC2×3.1+191+16=0 RC2=-66.8N由MC2=0得-RD1×3.1+191+16=0 RD1=66.8N16