作者：上海船舶研究設計院 湯瑾璟，黃鑫慧，陸利平；中國船舶重工集團第702研究所 韓用波
船舶推進軸系的主要功能，是將主機發出的功率傳遞給螺旋槳，同時又將螺旋槳在水中旋轉時產生的軸向反推力傳遞給船體，以推動船舶航行。
確保推進軸系安全、平穩地運行是整個船舶設計的重中之重。
2014年8月～2015年2月，有一船東的兩艘散貨船先后3次發生艉軸承磨損的情況，值得設計人員去仔細分析其中原因。
眾所周知，船舶推進軸系在運轉過程中，承受著復雜的應力和負荷，包括螺旋槳的扭矩及其產生的扭應力、螺旋槳的推力及其產生的推應力、螺旋槳及軸系各部件的質量產生的負荷及其相應的彎曲應力。
此外，由于復雜的海洋環境和船體結構的特殊性，在海上航行時，船舶推進軸系還要承受由于主機溫升產生的基座變形、船舶吃水狀態不同產生的船體變形、不均衡尾流和螺旋槳轉向等因素產生的螺旋槳附加應力和附加彎矩等，這些都可能改變整個推進軸系的運行狀態，影響船舶航行的可靠性和安全性。
由船東的反饋得知：
三次事故發生時，船舶均處于空載加速狀態，并且僅采用類似輕壓載狀態航行（船舶首垂線吃水4.17m，船舶尾垂線吃水7.8m），螺旋槳浸沒只有約113%，而外部海況達到了蒲氏風級為9～11。
此時海上風速超過41kn～47kn，涌浪7m～10m。
通常情況下，大型船舶壓載狀況下遇到7～8級風時，滿載船舶遇到8～9級風時，即可認為屬于大風浪操船。
大風浪中，空載船舶航行干舷高，受風影響大，吃水淺，而由于此航程船舶縱傾遠超1.5%船舶垂線間長（通常允許Z大吃水差為船長的1.5%），并且Z小艏吃水小于規范的限定值4.3m，在大風浪中必將出現艏部拍擊現象，引發船舶劇烈縱搖。
考慮外部海況惡劣，船舶易與波浪諧振或產生騎浪現象，勢必會導致螺旋槳出水，此時外部流體對槳的作用相當于在靜水中流體疊加6自由度的運動后進入槳葉盤面，推力將發生脈動等明顯變化，推力中心也將發生明顯的改變。
針對這一共性情況，本文就螺旋槳在出水情況下對軸系的影響展開重點研究。
一、槳受力分析
螺旋槳在運轉時，除了會產生軸向推力外，由于船體線型造成的不均衡尾流和螺旋槳轉向等因素，會在軸向、徑向和切向上形成動態的力和彎矩。
圖1 槳盤面伴流分布圖
根據試驗或計算得到伴流場（圖1）和螺旋槳的幾何形狀（圖2），直線航行時螺旋槳上附加的力和彎矩是可以用軟件進行預測的。
圖2 螺旋槳受力簡圖
對于單機單槳的普通船型，螺旋槳在全浸沒狀態下，其推力偏心點一般位于象限，即在垂直方向上，將產生一個向上的彎矩。
但是，一旦螺旋槳未能完全浸沒，露出水面時，螺旋槳運行時產生的動態力和彎矩會出現截然不同的變化。
計算結果顯示，當螺旋槳三分之一的槳葉露出水面時，推力偏心點會下移，由象限移至第四象限。
以該項目螺旋槳為例，定義坐標：
從船尾向船首看，x方向為垂直方向，垂直向上為正；y方向為水平方向，水平向右（右舷）為正。
圖3 螺旋槳出水現象
圖3顯示，螺旋槳全浸沒時推力偏心點的坐標為垂直方向上x=224.9mm，水平方向上y=164.4mm。
螺旋槳三分之一槳葉出水時推力偏心的計算結果如表1所示。
螺旋槳產生的附加彎矩根據螺旋槳的角度呈周期變化，由于是5葉槳，故結果以72°為周期。
附加彎矩等于螺旋槳產生的推力乘以推力偏心的距離，而螺旋槳產生的推力與螺旋槳的負荷有關，所以在不同負荷下，螺旋槳產生的附加彎矩也是不同的。
二、軸系分析
對于推進軸系校中計算，大部分船級社僅要求對冷態和熱態工況下的計算結果進行評估，兩者均屬于靜態工況，此時螺旋槳僅對軸系施加一個穩定的懸臂負荷。
螺旋槳在水中不同的浸沒程度，區別僅在于浮力的增減。
一般校中計算書都會給出?同浸沒程度下的計算結果。
表2為該型散貨船船級社已批準的軸系校中計算結果。
但是，校中計算書中給出的螺旋槳不同浸沒狀態下的結果，并不意味著允許船舶在螺旋槳未全部浸沒的狀態下運行，而主要是由于船廠可能會在不同吃水狀態下對軸系進行校中，所以需要對多個工況提前進行計算，以便對校中結果進行檢驗。
而螺旋槳在動態運轉工況下，對于軸系的影響要遠比靜態工況復雜得多，尤其是在非全浸沒狀態，即出水情況下，其截然不同的受力情況會對推進軸系產生相當的危害。
由上述分析可知，對于單機單槳的普通船型，螺旋槳在全浸沒狀態下，其推力偏心點一般位于象限，即在垂直方向上，將產生一個向上的彎矩，如圖4所示。
圖4 全浸沒狀態下螺旋槳推力彎矩圖
顯然，此彎矩可抵消部分槳本身的重力所產生軸承處的彎矩，此時尾管后軸承上的負荷會下降，支點處的相對轉角也會減小。
所以，即使不對動態工況進行詳?計算，在螺旋槳全浸沒狀態下，軸系的運行也是安全的。
但是，當螺旋槳三分之一的槳葉露出水面時，推力偏心點由象限移至第四象限，這也就意味著，垂直方向上的彎矩將由向上變為向下，這顯然會加重尾管后軸承上的負荷，支點處的相對轉角也會隨之增加，還會導致負荷更加集中于尾管后軸承的后端，邊緣載荷增大，大大增加尾管后軸承出現故障的風險。
對于該型散貨船，根據之前計算得到的推力偏心點，螺旋槳三分之一出水時，100%、85%、75%和65%負荷下垂直方向上的Z大附加彎矩分別為−182.1kNm、−163.4kNm、−150.3kNm和−136.6kNm，動態工況下的校中計算結果如表3所示。
表3的結果顯示：
在螺旋槳三分之一露出水面時，由于螺旋槳會產生與全浸沒狀態完全不同的動態力和彎矩，使得尾管后軸承的負荷增大，而尾管后軸承支點處的相對轉角在65%負荷以上時，均已超過了船級社允許的Z大值。
三、分析結果
相對于負荷的加大，相對轉角的加大對軸系的危害更大。
圖5 尾管后軸承比及承支點處相對轉角示意圖
尾管后軸承支點處的相對轉角表征的是螺旋槳軸與尾管后軸承之間的傾角，如圖5所示，其大幅加大意味著尾管后軸承上的負荷將更集中于軸承的后端面，局部邊緣壓力大幅增加會影響后端面的油膜建立，引發軸承的磨損。
所以，螺旋槳出水對于推進軸系的危害是不容忽視的。
船級社也有與上述結論類似的經驗。
例如，NK表示，在螺旋槳未能全部浸沒時，只能以盡量低的航速航行，盡可能減小螺旋槳產生的動態力和彎矩；DNV也表示，螺旋槳部分浸沒狀態下運行，會產生對軸系有重大影響的水動力彎矩，而且對于考慮冰區航行的船舶，如果壓載工況下螺旋槳不能全部浸沒，推進系統必須在設計時就給予特殊考慮。
由此可見，船級社雖然沒有在規范中對螺旋槳半浸沒狀態做出嚴格的限制，但不可否認，這種航行工況對于軸系的可靠運行是非常不利的。
據此，若在大風浪下因未采用適當的風暴壓載工況航行而造成螺旋槳出水，轉速劇增，軸承負荷波動巨大，對軸系產生交變激勵，影響油膜的形成，進而導致艉軸承磨損。
四、建議及措施
常規散貨船一般都設計有專門的風暴壓載艙，以便海況惡劣時供船長調整船舶狀態或是在港口裝卸工況凈空高度受限、航道有Z小吃水限制等情況下使用。
而實際營運航程中，船長和船員對風暴壓載卻抱有一種消極的態度，原因有3個：
1）為迎合節能的大趨勢，避免開啟額外的發電機、壓載泵和壓載水處理裝置等設備，節省燃油，減少成本；
2）設計上一般是將某一居中貨艙設置為風暴壓載艙，而散貨船單貨艙艙容都比較大，基本相當于其他壓載水艙艙容之和或是更多，故礙于航行周期時間限制，船員會Z大限度避免壓載水額外的置換或處理，減少時間損耗；
3）壓載系統長期不檢查，壓載艙壁銹破、管路爛穿、水閥失效和測深管透氣管破損等情況都可能導致船員主觀上不愿意采用風暴壓載航行。
但壓載水是保證船舶在空載或少量貨物狀態下正浮和安全航行的手段，減少船舶壓載水量不能以降低船舶安全系數為代價。
基于以上分析，建議船長在預見未來航線會遭遇大風浪而又無法繞行避開的情況下，及時考慮將船舶從小吃水工況?整為風暴壓載工況下航行，避免在大風浪下因艏部抨擊情況嚴重、縱搖劇烈、動穩性余度不足或是螺旋槳出水等情況的發生。
惡劣海況和氣象條件是船舶航行的必遇課題，同時也是安全航行的潛在威脅。
空載航行時適當壓載、調節吃水使船舶穩性適當，防止螺旋槳出水，增強舵效，對船舶航行、機艙設備安全具有重要意義。
（來源：船舶工程）
