关于我们 · 2022年11月8日 0

-船的尾轴是怎样密封不进水的「舰船技术-船舶的尾轴是如何穿出船体的又是如何防止水进入的」

船的尾轴是怎样密封不进水的「舰船技术|船舶的尾轴是如何穿出船体的又是如何防止水进入的」

从船体结构来看,船舶是由骨架和蒙皮(外板)构建起来的巨大空间体,这个空间体水线以下的部分排开水以获得浮力,使其能漂浮在水面上。除了能浮在水面上的特性外,绝大多数船舶还需能够航行,这就需要船舶装备推进系统。现代船舶的推进系统,普遍是主机经传动轴驱动螺旋桨的形式。在这种形式中,螺旋桨布置在船外的水中,主机则布置在船内的机舱中,这样传动轴就需要从水密的船体穿出,去驱动螺旋桨。

船舶螺旋桨在船外的水中工作

然而,尾轴穿出船体绝非易事。首先,船舶螺旋桨和尾轴是悬臂梁形式,大型船舶的螺旋桨重达几十吨甚至上百吨,这样尾轴穿出的位置需要承受较重的螺旋桨悬臂力矩。其次,螺旋桨受不均匀伴流的影响会产生振动;轴系作为一个弹性系统,在实际运转中受到各种冲击和周期激振力,以及自身扰度的影响,也会产生振动,而这些振动都会直接作用在尾轴穿出的位置。还有,尾轴穿出船体的位置处于水线以下,而这个位置为了保证尾轴能旋转不能“封死”,这样穿出位置还需要面临密封的问题。

推进系统的多自由度振动系统

船舶的尾轴是如何穿出船体的?

船舶的尾轴如何穿出船体,和其艉部结构有直接关系,因此我们想要解开这个问题还要从船舶的艉部结构谈起。

船舶的艉部结构

从适应船舶航行的角度来看,船体向船艉端应当逐渐越来越尖瘦才好。而为了支承尾轴和螺旋桨的重量,以及应对螺旋桨工作时的振动和水的冲击力,艉部结构需要加强,为此引入一个特殊的强构件——艉柱,让船艉部逐渐缩小,最后并拢在艉柱上(一种典型的形式)。此外,艉尖舱每个肋位设肋板,且肋板在尾轴处都伸至一定高度,进一步保证强度。当然,单单这样做还不够,因为艉部的轴承和密封装置无法安装,轴承的润滑和冷却也无法实现。为此,船舶的艉部还需要引入一个重要的部件——艉轴管。

船舶的艉部结构

艉轴管是保证船舶尾轴穿出的关键

艉轴管(艉管)一般是用铸钢、铸铁或球墨铸铁制造的空心长管,它借助法兰或螺纹,后端固定在船艉的艉柱上,前端固定在水密隔舱壁上。在艉轴管内设置前后轴承(有些船舶无前轴承),让尾轴从艉轴管中穿出,由艉轴管中的轴承支承,这样螺旋桨和螺旋桨轴的重量以及转动时的震动,就通过轴承➔艉轴管➔艉柱(横舱壁)等分散传递到船舶上,保证不会破坏船舶结构。至于轴承的润滑和冷却,则可用密封装置封住艉轴管的首尾端,让艉轴管中充满滑油(油润滑式),或者仅封住艉轴管的首端,让海水从尾端进入,充满艉轴管来实现(水润滑式)。

从剖面图能清楚的看出尾轴穿出原理

从发动机活塞如何在运动中密封,找寻船舶尾轴密封的思路

关于尾轴的密封原理,笔者想借用发动机活塞的密封原理来给大家提供思路。下图是发动机的运行原理,我们可以看出气缸盖、气缸还有活塞构建起一个密闭的空间,燃油在这个密闭的空间里剧烈燃烧膨胀推动活塞做功,把内能转化为机械能。活塞在做功时,活塞在高压燃气的推动下往下运动,在这个过程中高压燃气不能泄露,这是不是和船舶尾轴既要转动又要防止水进入有一定相似之处呢?那么它是如何做到密封的呢?

发动机工作原理

下图是笔者绘制的活塞密封的原理图,通过图片我们可以发现活塞的直径小于气缸的内径的,而活塞环槽也比压缩环(活塞环)要大一些,这样高压燃气就可以从缝隙进入到压缩环和活塞环槽的间隙中去。这时燃气的压力直接作用在压缩环上,其向下的作用力使压缩环紧紧压在活塞环槽的下壁上;而径向的作用力使压缩环紧紧的压在气缸壁上。当活塞上下运动时,活塞环和气缸壁发生摩擦运动,由于气缸壁表面较为光洁,活塞环表面也较为光洁,在径向力的作用下两者在运动中也能紧密贴合形成密封面,保证运动中的活塞密封。

发动机活塞的密封原理

实际船舶尾轴密封装置及原理

通过发动机活塞的密封原理,我们得到了一个密封思路:紧密贴合的摩擦面是可以起到密封作用的。基于这个思路也得到了最简单的尾轴密封方式——填料密封(又称:填料函密封)。该密封的原理是:在填料函中塞入填料(船舶一般用油浸石棉绳预制条状缠绕在艉轴),然后用压盖压紧让它产生对轴的压紧力。当轴转动时,填料与轴发生摩擦运动,由于压紧力作用使填料和轴紧密贴合,因此轴在转动中能保证密封。当然,这样带来的问题也显而易见:轴系的摩擦损耗大、容易发热、磨损轴颈等,因此现代大型船舶已经基本不用这种简易的密封装置,而是采用皮碗密封或端面密封。

填料密封

皮碗密封

皮碗密封现在最常使用的是辛泼莱克司密封装置(Simplex)。辛泼莱克司密封装置的密封元件为特殊结构的橡胶密封圈,其截面形似“J”型,这样的好处是能让艉管中的油压或水压产生一定的径向力,以及弹性和跟随性较好,能抵御一定的轴向、径向跳动。该密封装置的密封原理是:密封环借助弹簧、油或水的压力紧压在轴衬套上,由于密封环唇口与轴衬套接触宽度很小,形成线接触状态,使接触压力较集中,所以唇口接触处的压力很容易达到润滑油压或水压的几十倍,从而能完全阻挡油或水从唇口处沿轴表面浸润流动。

辛泼莱克司密封装置节点图

端面密封

端面密封装置又称轴向机械密封式密封装置,它是由静摩擦盘,动摩擦盘以及橡皮筒或伸缩弹簧等部件组成。它的工作原理是:静摩擦盘固定在艉轴管上,只能轴向移动;它对动摩擦盘的压紧力靠橡皮筒或伸缩弹簧来保证。动摩擦盘与螺旋桨或尾轴连接在一起。由于橡皮筒或伸缩弹簧产生的轴向作用力使静摩擦盘和动摩擦盘两个端面紧密接触,从而实现对水或油的密封。端面密封的优点是当密封面磨损后可以不用停航进坞维修,只需要把尾轴与中间轴承法兰间的垫片去掉几片,使尾轴前移增加压缩量即可,因此在军用舰艇上有很好的应用价值。同时又因为这种装置结构复杂,制造安装工艺要求高,近年来在民用船舶应用越来越少。

端面密封装置的节点图

参考资料:《船体结构与制图》《船舶动力装置原理与设计》《船舶轴舵系装置及安装》《船舶动力装置安装工艺》《舰船技术与设计概论》《船舶设计实用手册》

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作者:小船人的梦想 2020年4月29号

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