作者：上海船舶研究设计院　汤瑾璟，黄鑫慧，陆利平；中国船舶重工集团第702研究所　韩用波

船舶推进轴系的主要功能，是将主机发出的功率传递给螺旋桨，同时又将螺旋桨在水中旋转时产生的轴向反推力传递给船体，以推动船舶航行。

确保推进轴系安全、平稳地运行是整个船舶设计的重中之重。

2014年8月～2015年2月，有一船东的两艘散货船先后3次发生艉轴承磨损的情况，值得设计人员去仔细分析其中原因。

，船舶推进轴系在运转过程中，承受着复杂的应力和负荷，包括螺旋桨的扭矩及其产生的扭应力、螺旋桨的推力及其产生的推应力、螺旋桨及轴系各部件的质量产生的负荷及其相应的弯曲应力。

此外，由于复杂的海洋环境和船体结构的特殊性，在海上航行时，船舶推进轴系还要承受由于主机温升产生的基座变形、船舶吃水状态不同产生的船体变形、不均衡尾流和螺旋桨转向等因素产生的螺旋桨附加应力和附加弯矩等，这些都可能改变整个推进轴系的运行状态，影响船舶航行的可靠性和安全性。

由船东的反馈得知：

三次事故发生时，船舶均处于空载加速状态，并且仅采用类似轻压载状态航行（船舶首垂线吃水4.17m，船舶尾垂线吃水7.8m），螺旋桨浸没只有约113%，而外部海况达到了蒲氏风级为9～11。

此时海上风速超过41kn～47kn，涌浪7m～10m。

通常情况下，大型船舶压载状况下遇到7～8级风时，满载船舶遇到8～9级风时，即可认为属于大风浪操船。

大风浪中，空载船舶航行干舷高，受风影响大，吃水浅，而由于此航程船舶纵倾远超1.5%船舶垂线间长（通常允许Z大吃水差为船长的1.5%），并且Z小艏吃水小于规范的限定值4.3m，在大风浪中必将出现艏部拍击现象，引发船舶剧烈纵摇。

考虑外部海况恶劣，船舶易与波浪谐振或产生骑浪现象，势必会导致螺旋桨出水，此时外部流体对桨的作用相当于在静水中流体叠加6自由度的运动后进入桨叶盘面，推力将发生脉动等明显变化，推力中心也将发生明显的改变。

针对这一共性情况，本文就螺旋桨在出水情况下对轴系的影响展开重点研究。

一、桨受力分析

螺旋桨在运转时，除了会产生轴向推力外，由于船体线型造成的不均衡尾流和螺旋桨转向等因素，会在轴向、径向和切向上形成动态的力和弯矩。

图1 桨盘面伴流分布图

根据试验或计算得到伴流场（图1）和螺旋桨的几何形状（图2），直线航行时螺旋桨上附加的力和弯矩是可以用软件进行预测的。

图2 螺旋桨受力简图

对于单机单桨的普通船型，螺旋桨在全浸没状态下，其推力偏心点一般位于象限，即在垂直方向上，将产生一个向上的弯矩。

但是，一旦螺旋桨未能浸没，露出水面时，螺旋桨运行时产生的动态力和弯矩会出现截然不同的变化。

计算结果显示，当螺旋桨三分之一的桨叶露出水面时，推力偏心点会下移，由象限移至第四象限。

以该项目螺旋桨为例，定义坐标：

从船尾向船首看，x方向为垂直方向，垂直向上为正；y方向为水平方向，水平向右（右舷）为正。

图3 螺旋桨出水现象

图3显示，螺旋桨全浸没时推力偏心点的坐标为垂直方向上x=224.9mm，水平方向上y=164.4mm。

螺旋桨三分之一桨叶出水时推力偏心的计算结果如表1所示。

螺旋桨产生的附加弯矩根据螺旋桨的角度呈周期变化，由于是5叶桨，故结果以72°为周期。

附加弯矩等于螺旋桨产生的推力乘以推力偏心的距离，而螺旋桨产生的推力与螺旋桨的负荷有关，所以在不同负荷下，螺旋桨产生的附加弯矩也是不同的。

二、轴系分析

对于推进轴系校中计算，大部分船级社仅要求对冷态和热态工况下的计算结果进行评估，两者均属于静态工况，此时螺旋桨仅对轴系施加一个稳定的悬臂负荷。

螺旋桨在水中不同的浸没程度，区别仅在于浮力的增减。

一般校中计算书都会给出?同浸没程度下的计算结果。

表2为该型散货船船级社已批准的轴系校中计算结果。

但是，校中计算书中给出的螺旋桨不