大型油船進(jìn)出欽州港拖船功率探討

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(武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院，武漢 430063)

大型油船進(jìn)出港時，由于其航速較低、主機(jī)轉(zhuǎn)速低、舵效差，并且受風(fēng)動力和水動力的影響較大，其操縱性能受到限制，很容易發(fā)生碰撞或者觸損事故，為了保證大型船舶的安全，經(jīng)常需要拖船的協(xié)助[1]。在選擇拖船的時候，既要充分保證船舶安全又要經(jīng)濟(jì)，因此如何合理地確定拖船的功率顯得十分重要[2]。

1 目前拖船配備的計算方法

目前拖船功率配置的計算方法有很多，主要有《海港總平面設(shè)計規(guī)范》JTJ211—99中的4.9.3條規(guī)定的公式(以下簡稱《規(guī)范》)；《港口工程荷載規(guī)范》JTJ215—98中的公式；國際航海學(xué)會指南中的《港口拖輪應(yīng)用指南》()(A PRACTICAL GUIDE)提到的相關(guān)計算公式；日本商船大學(xué)《超大型船舶操縱要點》中使用拖船的估算公式；超大型船舶操縱要點實驗公式等[3]，本文主要研究《規(guī)范》中的公式和超大型船舶操縱要點實驗公式。

2 《規(guī)范》中拖船功率的計算

根據(jù)《規(guī)范》，港作拖船應(yīng)具備操縱性靈活和頂、拖性能良好，并具有回復(fù)力矩大的特性，主機(jī)應(yīng)該有足夠的功率，并能適應(yīng)前進(jìn)、后退等頻繁操作的要求。目前，使用較多的是ZP型拖船[4]。港作拖船所需的功率可以根據(jù)《規(guī)范》中的式(1)求出[5]。

BHP=kQ

(1)

式中：BHP——操作一艘船舶所需港作拖船總功率，kW；

k——系數(shù)，DWT≤ 20 000 t，取0.075；20 000 t50 000 t，取0.05；

Q——進(jìn)出港設(shè)計船型的載重噸，t。

由式(1)可見，根據(jù)《規(guī)范》計算出來的港作拖船的功率，是在理想的狀態(tài)下計算的，只單純地考慮了大船的載重噸，沒有考慮風(fēng)動力、水動力以及浪等外界條件對船舶的影響。這一公式在風(fēng)、浪、流都很小時，計算出來的港作拖船功率比較準(zhǔn)確，但是當(dāng)風(fēng)、浪、流較大時，風(fēng)、浪、流對船的影響較大，計算出來的結(jié)果就會有偏差。

3 風(fēng)動力和水動力的計算

3.1 風(fēng)動力的計算

根據(jù)大型船舶的操縱要點，采用Hughes實驗公式[6]計算風(fēng)壓力Fa。

(2)

式中：Fa——水線以上船體所受風(fēng)力的大小，kN；

ρa(bǔ)——空氣密度，一般取值為1.205 kg/m3；

Ca——風(fēng)壓系數(shù)；

va——相對風(fēng)速；

θ——相對風(fēng)向，即風(fēng)舷角；

Aa——水線上船體的正視投影面積，m2；

Ba——水線上船體的側(cè)視投影面積，m2。

ρa(bǔ)、va為已知，θ根據(jù)實際情況估算，Ca根據(jù)風(fēng)力系數(shù)與相對風(fēng)舷角θ的變化由圖1查得。

圖1 風(fēng)力系數(shù)Ca與相對風(fēng)舷角θ的變化關(guān)系

根據(jù)本船實際吃水與滿載吃水的百分比dr，并由圖2查取正面、側(cè)面受風(fēng)面積系數(shù)C1、C2，按式(3)求出Aa、Ba。

Aa=C1×B2

Ba=C2×L2

(3)

式中：L、B——船長和船寬；

圖2 大型油船受風(fēng)面積系數(shù)與滿吃水比關(guān)系

3.2 水動力的計算

船舶由于種種原因與其周圍的水存在相對運(yùn)動時，船體所受到的水的作用力稱為水動力。計算水線以下船體所受到的水動力，通常采用式(4)求出。

(4)

式中：Fw——水動力，kN；

ρw——水密度(海水密度為1 030 kg/m3，

淡水密度為1 000 kg/m3)；

Cw——水動力系數(shù)；

L——船舶兩柱間長，m；

d——船舶平均吃水，m；

Vw——相對流速,m/s。

為估算水線以下船體所受到的水動力Fw，在ρw、Cw、L、d各值已知的情況下，還需要知道水動力系數(shù)Cw。

在實際應(yīng)用中，估算水動力時，常將其區(qū)分為艏艉向分力和橫向分力加以處理，即

(5)

(6)

式中：Cxw、Cyw——船舶艏艉向、橫向水動力系數(shù)。

根據(jù)Cxw求得的艏艉向水動力在操縱中可以通過用車予以克服，因此對一般商船，計算水線以下船體收到的水動力可以不考慮艏艉向水動力。

橫向水動力系數(shù)Cyw可以通過模型試驗獲得，不同船舶可以參考較為類似船模的試驗數(shù)據(jù)作出估計。漂角β為0～180°的載重10萬t級油輪船模實驗數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 橫向水動力系數(shù)Cyw-β

由圖3可見，橫向水動力Cyw系數(shù)隨著漂角的增大而增大，漂角為90°時達(dá)到最大值；Cyw隨著水深吃水比的減小而增大。

拖船要能夠有效地協(xié)助大型油船靠離泊，則其功率必須要等于或者大于大型船舶所受到的風(fēng)動力與水動力之和，即

T≥Fa+Fw

(7)

根據(jù)前面介紹的風(fēng)動力和水動力的計算方法，估算出船舶在航行時的水動力和風(fēng)動力之和，便可確定拖船所需要提供的最小拖力，從而確定拖船的功率。

4 實例分析

廣西欽州港10萬t級碼頭有10萬t級的原油接卸泊位2個、5千t級成品油泊位1個、3千t級成品油泊位1個。自2009年9月9日至2010年5月8日期間靠泊欽州港中石油10萬t級碼頭的最大船舶為大慶88輪。下面以大慶88輪為例，對其靠離泊時拖船配備的功率進(jìn)行計算。大慶88輪的基本參數(shù)為船長250 m，船寬45 m，滿載吃水13.5 m，半載吃水為11 m。

4.1 基于《規(guī)范》的計算

根據(jù)《規(guī)范》公式，拖船的配備按照式(1)計算， 大慶88輪的載重超過50 000 t，k取0.05；

則：BHP=0.05×100 000=5 000 kW

即10萬t大型油船滿載進(jìn)出港靠離泊時，所需要的拖輪功率為5 000 kW。

4.2 基于大型油船操縱要點公式的計算

欽州港季風(fēng)氣候明顯，年受臺風(fēng)影響次數(shù)為2.4次，每年5～8月，盛行偏南風(fēng)，10月～翌年3月盛行偏北風(fēng)，常年風(fēng)級一般為3～4級。漲潮流向為320°，落潮流向為130°，常年潮流速度為0.5～1.5 kn，偶爾流速會達(dá)到2.0 kn，下面取流速為1.0～2.0 kn進(jìn)行計算。

大型油船屬于肥胖型船，體積比較龐大，因此無論水線以上的風(fēng)壓力或者水線以下的水動力，都對其操縱性能產(chǎn)生很大的影響。當(dāng)風(fēng)力低于3級時對船舶操縱性影響很小， 根據(jù)規(guī)定，欽州港風(fēng)力大于8級時，拖船停止作業(yè)，故取風(fēng)力在3級到8級之間計算所受風(fēng)壓力，各級風(fēng)取最大風(fēng)速。

根據(jù)船型參數(shù)以及式(3)，估算“大慶88”船滿載水線以上船體正視投影面積約為911.25 m2，水線以上船體橫向投影面積約為2 375 m2。根據(jù)Hughes的實驗公式，風(fēng)力3級，且Ca=0.97時的風(fēng)動力為

Fa=0.5×1.205×0.97×5.42×2 375=40 474 kN

依此類推，風(fēng)力為4、5、6、7級時的風(fēng)動壓力分別為86 626、158 913、264 331、405 865 kN。

根據(jù)欽州港航道走向碼頭分布情況，大型油船靠泊中石油碼頭時，其漂角為165°，水深吃水比為1.2時，查圖3可知其水動力系數(shù)為1.0。根據(jù)式(4)，當(dāng)相對流速為1 kn時，船體受到的水動力的值為

Fw=0.5×1 030×1.0×250×13.5×0.522=
469 989 kN

依此類推，當(dāng)流速為1.5、2.0 kn時，“大慶88”船水線以下受到的水動力分別為780 244 kN和1 808 345 kN。

理論上，ZP型全回轉(zhuǎn)拖船每74 kW可以發(fā)出的前進(jìn)拖力為15 kN，后退拖力和前進(jìn)拖力的比值為90%。根據(jù)式(2)、(4)、(7)和不同風(fēng)力等級、不同流速大小以及ZP型拖船的技術(shù)特性，計算出大慶88輪在不同條件下進(jìn)車或者倒車所需要的ZP型拖船提供的拖力見表1。

表1 超大型船舶操縱要點實驗公式所需拖船功率計算值 kW

5 對比計算結(jié)果

當(dāng)采用《規(guī)范》計算10萬t級大型油輪滿載進(jìn)出港靠離泊時，不管大型油船受到的風(fēng)動力、水動力以及其他的外力因素如何，通過式(1)求出所需要的拖船的功率為5 000 kW。當(dāng)根據(jù)大型船舶操縱要點公式，基于風(fēng)動力和水動力求出所需要的拖輪功率，則根據(jù)風(fēng)、流作用力的不同而不同。根據(jù)實際的風(fēng)流大小，估算出所需拖船的功率在2 542～12 281 kW之間。

綜上所述，當(dāng)港口的自然條件較好，風(fēng)、流、浪都比較小的時候，采用我國《規(guī)范》的公式進(jìn)行拖船總功率的配置是可行的。但是該公式不適用于復(fù)雜的水域，在自然環(huán)境惡劣的情況下，尤其是在橫風(fēng)、橫流力的作用下，受風(fēng)面積和滿載吃水較大的船舶所需要的拖輪總功率的計算，就需要根據(jù)大型船舶操縱要點計算公式?；陲L(fēng)動力和水動力的計算公式，考慮到了大型油船受到了風(fēng)動力和水動力等外力的作用，使得計算結(jié)果是比較可信、比較接近實際的。

6 結(jié)論

依據(jù)超大型船舶操縱要點實驗公式確定的大型油船進(jìn)出港所需的拖船功率，即考慮了船舶的基本參數(shù)和載態(tài)，也考慮了船舶靠離泊時港口碼頭的風(fēng)、流等外界條件，其計算結(jié)果比較可信。通過對比發(fā)現(xiàn)，依據(jù)超大型船舶操縱要點實驗公式的計算值比較接近于實際中拖船功率的配置。

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