极地冰级船舶主推进调距桨装置设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种极地冰级船舶主推进调距桨装置设计方法，具体步骤为：1)确定冰级符号；2)确定桨叶直径、桨叶数量、螺距比、盘面比、转速基本参数；3)模拟冰冲击载荷计算；4)分析获取在冰冲击载荷下推进器叶片承受的推力、转叶扭矩、冰冲击扭矩载荷、叶片失效载荷数据；5)对调距桨装置的桨叶进行冰载荷计算和分析；6)对桨叶进行冰载荷疲劳分析；7)分析冰载荷通过叶根轴承部分产生的弯矩和冰载荷通过叶根轴承部分进行径向转化产生的力；8)进行调距桨调距机构设计；9)调距机构零部件静强度和疲劳强度分析。本发明专利技术通过对系统设计、计算、分析和评估工作的开展，开发了冰级船舶运营冰载荷下主推进调距桨装置的设计和评估方法。

Design Method of Main Propulsion Controlled Pitch Propeller for Polar Ice Class Ships

The invention relates to a design method of the main propulsion pitch-adjusting propeller device for polar ice-grade ships. The specific steps are as follows: 1) determining the ice-grade symbols; 2) determining the basic parameters of blade diameter, number of blades, pitch ratio, disk ratio and rotational speed; 3) simulating the calculation of ice impact load; 4) analyzing and obtaining the thrust, rotor torque, ice impact torque load and blade of the propeller blade under ice impact load. Failure load data; 5) Calculate and analyze the ice load on the blade of the pitch control propeller device; 6) Fatigue analysis of the ice load on the blade; 7) Analysis of the bending moment of the ice load through the blade root bearing part and the force generated by the radial transformation of the ice load through the blade root bearing part; 8) Design of the pitch control mechanism of the pitch control propeller; 9) Static strength and fatigue strength analysis of the parts of the pitch control mechanism. Through the development of system design, calculation, analysis and evaluation, the design and evaluation method of the main propulsion pitch-adjusting propeller device for ice-grade ships under ice load is developed.

【技术实现步骤摘要】
极地冰级船舶主推进调距桨装置设计方法
本专利技术涉及一种极地冰级船舶主推进系统调距桨装置，具体涉及一种具有极地冰区水域航行需求的船舶的主推进可调螺距螺旋桨装置的设计方法。
技术介绍
极地冰级船舶推进器的设计和制造技术是伴随着多年来对极地冰区海洋环境、气候、冰况特性的研究而产生并发展的，对高纬度地区的海洋环境、气候条件等的研究和掌握，对极地冰级航行船舶的主推进装置型式、推进轴系、推进器的材料、设计、加工等的研究都是极地冰级船舶推进器设计技术发展的影响因素和重要技术。极地冰级船舶经过一个世纪的发展，出现了核动力推进系统、燃气轮机主推进系统、柴油机推进系统、柴油机电力推进系统等多种型式，而主推进调距桨装置是目前冰级船舶推进器的重要型式。极地冰级船舶主推进调距桨装置的设计必须对极地航行水域的冰块形态、物理特性进行假定，对冰块作用于调距桨装置的冲击载荷进行合理假设和充分评估。对冰级船舶主推进调距桨装置的设计和主推进系统的扭矩载荷、推力载荷、弯矩载荷等进行量化模拟,从而对推进器主要部件在冰载荷冲击下的强度、疲劳等性能进行设计、分析和评估，其中涉及到冰载荷传递至调距桨装置调距机构零部件的强度和疲劳评估。如果对冰载荷冲击作用下调距桨装置各部件的载荷考虑不充分或者评估不恰当，则可能导致在设计冰况下航行时船舶主推进调距桨装置的操纵失效或产生机械泄漏问题，严重的还会导致船体受损或污染极地水域的情况。
技术实现思路
本专利技术是要提供一种极地冰级船舶主推进调距桨装置设计方法，该方法采用考虑船体-主机-推进器之间的匹配设计，优化桨叶设计效率，满足船舶航行的快速性、机动性、振动、噪声等指标，其目的旨在解决极地冰区航行船舶的调距桨装置在特定冰冲击载荷情况下的调距桨装置机构设计和零部件的强度、疲劳等评估问题。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种极地冰级船舶主推进调距桨装置设计方法，具体步骤为：(1)根据船舶航行水域和季节性海洋环境条件、法规要求确定冰级符号；(2)根据船舶主推进布置情况和主推进原动机选型进行推进器的初步设计和选型，确定桨叶直径、桨叶数量、螺距比、盘面比、转速基本参数；(3)选取设计冰块厚度，结合推进器设计的基本参数，进行模拟冰冲击载荷计算；(4)分析获取在冰冲击载荷下推进器叶片承受的推力、转叶扭矩、冰冲击扭矩载荷、叶片失效载荷数据；(5)对调距桨装置的桨叶进行冰载荷计算，分析桨叶的应力分布情况，对叶根、叶梢重点部位的强度进行分析；(6)根据桨叶应力计算结果，计算冰载荷循环次数，按照weibull分布理论和线性累积损伤理论对桨叶进行冰载荷疲劳分析；(7)分析冰载荷通过叶根轴承部分产生的弯矩和冰载荷通过叶根轴承部分进行径向转化产生的力，并考虑桨叶转叶扭矩传递至调距机构的转叶扭矩；(8)进行调距桨调距机构设计：包括冰载荷对调距桨调距机构的载荷传递计算、调距桨调距机构设计以及调距机构零部件的静强度和疲劳强度校核；(9)调距机构零部件静强度和疲劳强度分析。进一步，所述模拟冰冲击载荷计算的具体方法为：根据船舶主推进布置情况和主推进原动机选型进行推进器的初步设计和选型，确定桨叶直径、桨叶数量、螺距比、盘面比、转速等基本参数；根据冰级要求模拟进入螺旋桨的冰块尺寸，结合推进器设计的基本参数，进行模拟冰冲击载荷计算。进一步，其特征在于：所述桨叶进行冰载荷计算的具体方法为：根据船舶航速要求进行调距桨桨叶的水动力设计；建立调距桨桨叶的物理模型；确定合适的单元类型和网格密度，建立桨叶有限元模型；对桨叶施加约束和冰冲击载荷；进行有限元计算确定桨叶各区域的vonMises应力情况。进一步，所述调距桨调距机构设计包括叶根轴承、伺服油缸、叶根螺栓、叶根销、曲柄销、滑块、导架滑槽等的尺寸设计；所述调距机构零部件静强度和疲劳强度校核包括叶根轴承、伺服油缸、叶根螺栓、叶根销、曲柄销、滑块、导架滑槽的静强度和疲劳强度校核。本专利技术的有益效果是：本专利技术立足于冰级船舶主推进调距桨装置设计的主要难点问题的解决，通过对冰区环境的分析获取进行主推进调距桨装置设计所需要的冰载荷参数；通过对极地冰级船舶航行工况的分析和对国外大量研究报告的汇总以及对规范的总结，确定了主推进调距桨装置各零部件的设计和计算工作内容；通过对系统设计、计算、分析和评估工作的开展，开发了冰级船舶运营冰载荷下主推进调距桨装置的设计和评估方法。附图说明图1是桨叶应力分析有限元模型和应力云图；其中：(a)有限元模型图，(b)应力云图；图2是典型的调距桨装置示意图；图3是极地冰级船舶调距桨装置的设计流程；图4是载荷传递分析流程图；图5是叶根轴承校核流程图；图6是伺服油缸及螺栓校核流程图；图7是叶根螺栓及接触面分离校核流程图；图8是曲柄销设计与校核流程图；图9是滑块强度校核流程图；图10是导架滑槽强度校核流程图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。本专利技术的冰级船舶主推进调距桨装置设计方法，从满足冰载荷环境下的强度和疲劳分析要求出发，结合法规、规范等要求进行设计和计算，给出极地冰区航行船舶主推进调距桨装置的设计方法和零部件的强度、疲劳校核办法，其主要设计流程，如图3至图10所示，该设计流程包括如下步骤：(1)确定冰级符号要求：根据船舶任务书，确定对船舶航行海域范围和季节性要求，结合海域冰况、气候等条件和海域管理方的有关规定确定船舶入级的冰级符号。根据用户对船舶破冰方式、冰区航行能力的要求确定对主推进调距桨装置的基本要求。(2)调距桨的基本选型和桨叶设计：根据船舶不同工况下的航速和机动性需求以及船体线型、阻力等数据，结合冰级船舶的符号要求，确定船舶主推进调距桨装置的驱动功率，并进行主推进调距桨装置的初步设计和选型。根据推进器的运转条件(包括所处的水域环境)提出推进器水动力性能的具体要求，采用环流理论设计方法进行桨叶的设计工作，减小桨叶在无冰水域航行时产生的空泡和船体振动问题，并获取桨叶设计的直径、桨叶数量、螺距比、盘面比、转速等基本参数。对碎冰航道内航行和破冰航行时推进器的转速、螺距比和螺旋桨水动力性能进行校核。(3)冰载荷的模拟计算：根据船舶入级规范的要求选取设计假定的进入推进器的最大冰块厚度Hice、冰级强度系数Sice、冰级载荷次数Nclass值，结合推进器设计的基本参数，进行冰冲击载荷计算，分析获取在冰冲击载荷下推进器叶片承受的推力、转叶扭矩、冰冲击扭矩载荷、叶片失效载荷等数据。(4)桨叶应力分析：按照特定的载荷施加方法对调距桨装置的桨叶进行加载，分析桨叶的应力分布情况。首先建立调距桨桨叶的物理模型，确定合适的单元类型和网格密度，建立桨叶有限元模型，如图1(a)所示，对桨叶施加约束和冰冲击载荷；进行有限元计算确定桨叶各区域的vonMises应力情况，如图1(b)所示，然后对叶根、叶面局部、叶梢等重点部位的强度进行分析；(5)桨叶疲劳分析：根据桨叶应力计算结果，计算冰载荷循环次数，按照weibull分布理论(如下式)和线性累积损伤理论对桨叶进行冰载荷疲劳分析。其中，k是载荷谱的形状参数，Nice是载荷谱中的载荷循环次数，Fice是冰载随机变量，0≤Fice≤(Fice)max。对敞水桨，k＝0.75，对导管桨，k＝1.0。桨叶应力幅值分布简化为其中，对于敞开式桨，Weibull形状因子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种极地冰级船舶主推进调距桨装置设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据船舶航行水域和季节性海洋环境条件、法规要求确定冰级符号；(2)根据船舶主推进布置情况和主推进原动机选型进行推进器的初步设计和选型，确定桨叶直径、桨叶数量、螺距比、盘面比、转速基本参数；(3)选取设计冰块厚度，结合推进器设计的基本参数，进行模拟冰冲击载荷计算；(4)分析获取在冰冲击载荷下推进器叶片承受的推力、转叶扭矩、冰冲击扭矩载荷、叶片失效载荷数据；(5)对调距桨装置的桨叶进行冰载荷计算，分析桨叶的应力分布情况，对叶根、叶梢重点部位的强度进行分析；(6)根据桨叶应力计算结果，计算冰载荷循环次数，按照weibull分布理论和线性累积损伤理论对桨叶进行冰载荷疲劳分析；(7)分析冰载荷通过叶根轴承部分产生的弯矩和冰载荷通过叶根轴承部分进行径向转化产生的力，并考虑桨叶转叶扭矩传递至调距机构的转叶扭矩；(8)进行调距桨调距机构设计：包括冰载荷对调距桨调距机构的载荷传递计算、调距桨调距机构设计以及调距机构零部件的静强度和疲劳强度校核；(9)调距机构零部件静强度和疲劳强度分析。

【技术特征摘要】
1.一种极地冰级船舶主推进调距桨装置设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据船舶航行水域和季节性海洋环境条件、法规要求确定冰级符号；(2)根据船舶主推进布置情况和主推进原动机选型进行推进器的初步设计和选型，确定桨叶直径、桨叶数量、螺距比、盘面比、转速基本参数；(3)选取设计冰块厚度，结合推进器设计的基本参数，进行模拟冰冲击载荷计算；(4)分析获取在冰冲击载荷下推进器叶片承受的推力、转叶扭矩、冰冲击扭矩载荷、叶片失效载荷数据；(5)对调距桨装置的桨叶进行冰载荷计算，分析桨叶的应力分布情况，对叶根、叶梢重点部位的强度进行分析；(6)根据桨叶应力计算结果，计算冰载荷循环次数，按照weibull分布理论和线性累积损伤理论对桨叶进行冰载荷疲劳分析；(7)分析冰载荷通过叶根轴承部分产生的弯矩和冰载荷通过叶根轴承部分进行径向转化产生的力，并考虑桨叶转叶扭矩传递至调距机构的转叶扭矩；(8)进行调距桨调距机构设计：包括冰载荷对调距桨调距机构的载荷传递计算、调距桨调距机构设计以及调距机构零部件的静强度和疲劳强度校核；(9)调距机构零部件静强度和疲...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊武，施睿贇，李梓，周林慧，邹义，倪卫国，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零四研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31