拖帶無動(dòng)力船舶時(shí)拖輪配置計(jì)算方法比較分析

王 千

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航海系，江蘇 南通 226010）

0 引言

在港口快速發(fā)展的過程中，拖輪協(xié)助進(jìn)出港船舶靠離泊是港口生產(chǎn)不可或缺的一部分。拖輪的作用主要有：在水域受限時(shí)，協(xié)助大船轉(zhuǎn)向；大船或惡劣天氣情況下，協(xié)助大船系、離泊；航道中航行時(shí)，協(xié)助大船控制航向。因此，船舶在進(jìn)出港靠離泊作業(yè)、移泊作業(yè)及無動(dòng)力船的拖帶等過程中需要拖輪的協(xié)助。無動(dòng)力船舶主要指舾裝船舶、半潛駁船及主機(jī)失靈船舶等。在內(nèi)河港內(nèi)或航道中如何為無動(dòng)力船舶合理配置拖輪重要性至關(guān)重要。如何合理配置拖輪馬力，確保拖輪功率配置滿足無動(dòng)力船舶安全航行的需求是需要重點(diǎn)考慮的問題。否則，若拖輪功率配置不合理，將直接影響港口水域及無動(dòng)力船舶的通航安全。本文以舾裝船舶作為研究對象，對其拖輪功率配置計(jì)算方法進(jìn)行比較分析，得出各自計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，從而為無動(dòng)力船舶拖輪功率配置提供一定的參考依據(jù)。

1 無動(dòng)力船舶拖帶操縱特點(diǎn)

第一，在拖帶過程中無動(dòng)力船舶將受到風(fēng)、水流等因素的影響，如果風(fēng)、水流作用力的方向與船舶前進(jìn)方向相反，即拖帶船舶阻力。對于正常船舶而言，船舶本身可以提供舵力克服摩擦阻力，而對于無動(dòng)力船舶而言，需要依靠拖輪提供的推力來克服摩擦阻力。對于拖輪而言，受拖航速度、風(fēng)、水流等海況影響所能提供的實(shí)時(shí)拖力是變化的。一般而言，拖航速度為“0”時(shí)，拖輪可提供的拖力最大，即為拖輪的系柱拖力。隨著航速的提高，拖輪可提供的拖力呈線性下降。

第二，由于無動(dòng)力拖帶船隊(duì)的尺度大，水線面以上受風(fēng)面積大（如舾裝船舶都為空載），所以船隊(duì)易受風(fēng)、水流等因素的影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)、漂移，船隊(duì)?wèi)?yīng)舵能力、航向穩(wěn)定性較差，船隊(duì)轉(zhuǎn)向、避讓的操作難度大。同時(shí)由于船體較大，組合船隊(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，操縱時(shí)忌用急舵。

第三，無動(dòng)力船舶（舾裝船舶）船體高大，將一定程度上影響駕駛?cè)藛T對拖帶船隊(duì)全方位的正確觀察，拖輪的導(dǎo)/助航設(shè)備的使用性能也受到一定程度的限制。

第四，拖帶無動(dòng)力船舶的船隊(duì)之間通過纜繩系固，系固強(qiáng)度較弱。系固強(qiáng)度受風(fēng)、水流及駕駛?cè)藛T操作是否正確操縱等因素的影響，存在斷纜、散隊(duì)等風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，船隊(duì)的操縱需要多艘船舶、多個(gè)部門之間相互配合，相互協(xié)調(diào)。

2 拖輪功率配置計(jì)算方法

本文就無動(dòng)力船舶中的舾裝船舶為例，利用以下五種關(guān)于拖輪功率配置的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。然后再對五種計(jì)算方法進(jìn)行比較分析，得出五種計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。本文的研究船型主要尺度如表1所示。

表1 無動(dòng)力船舶（舾裝船舶）船型尺度

2.1 根據(jù)《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算

按照《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 211-99）中關(guān)于港作拖船的規(guī)定，港作拖船的總功率，可根據(jù)進(jìn)出港船舶的載重噸位進(jìn)行計(jì)算，如式（1）所示。

BHP=kQ（1）

式中：BHP 為所需港作拖船總功率（kW）；k 為系數(shù)，DWT≤20 000t，取 0.075，20 000t〈DWT≤50 000t，取0.06，DWT〉50 000t，取 0.05；Q 為進(jìn)出港設(shè)計(jì)船型的載重噸（t）。[1]

根據(jù)規(guī)范中關(guān)于拖輪馬力配置的計(jì)算方法可以計(jì)算本文3萬噸級無動(dòng)力船舶（舾裝船舶）所需馬力為2 499匹（1 800kW）。

2.2 根據(jù)內(nèi)河拖帶實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)2中關(guān)于拖輪馬力配置的方法，可以計(jì)算出3萬噸級無動(dòng)力船舶（舾裝船舶）所需的拖輪馬力為3 333匹（2 450kW）。[2]

2.3 根據(jù)國內(nèi)學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)3中關(guān)于拖輪馬力配置的方法，拖輪一般按進(jìn)港船舶的噸位大小和船長來相應(yīng)地分配拖輪的馬力和數(shù)量，配置原則如表2所示。[3]

表2 拖帶船船長與拖輪馬力配置原則

本文3萬噸級無動(dòng)力船舶（舾裝船舶）船長為179m，為空載船舶，屬于被拖帶船船長（100-200m）范圍內(nèi)中方案一類型，因此拖輪配置方案為2艘2 600匹拖輪（1 911kW），該方案拖輪馬力最大輸出值為5 200匹（3 822kW）。

2.4 根據(jù)日本巖井聰理論模型計(jì)算

根據(jù)日本巖井聰提出的理論，船舶靠泊所需最大拖船功率滿足兩項(xiàng)要求，一是克服推船入泊時(shí)的水阻力，二是克服推船入泊時(shí)的風(fēng)力的影響，則拖船應(yīng)提供的總推力技術(shù)如式（2）所示。

式中：P 為拖船的總推力（N）；ρw為海水密度（1 025kg/m3）；ρα為空氣密度（0.125kg/m3）；Cw為水動(dòng)力系數(shù)；Aw為水線下船體正面投影面積（m2）；Bα為船體水線上側(cè)受風(fēng)面積（m2）；Vy為船舶橫移靠岸速度，根據(jù)規(guī)范取 0.15m/s；Vw為相對流速，m/s；Vα為相對風(fēng)速，m/s；Cα為風(fēng)動(dòng)力系數(shù)。

根據(jù)靠泊操作的實(shí)際情況，對船舶靠泊時(shí)的受力情況，分垂直于岸線方向和順?biāo)鞣较騼蓚€(gè)方向進(jìn)行計(jì)算。

（1）在垂直于岸線方向上，假設(shè)流壓角為5°，根據(jù)分析可知，Aw、Vw、Bα等三個(gè)參數(shù)的計(jì)算分別如式（3）、（4）、（5）所示。

式中，L為垂線間長度（m），計(jì)算時(shí)以設(shè)計(jì)船長代替；d為實(shí)際吃水（m），計(jì)算時(shí)以空載吃水代替；V為實(shí)際水流速度；D為設(shè)計(jì)船型的型深。

通過查閱水流動(dòng)力系數(shù)與風(fēng)動(dòng)力系數(shù)表可知，此時(shí)的Cw=2.25，Cα=1.20。根據(jù)船臺(tái)和碼頭前沿水流采樣點(diǎn)的流速流向資料可知，風(fēng)暴潮組合漲潮船臺(tái)和碼頭前沿采樣點(diǎn)最大流速V=0.797m/s。

根據(jù)上述公式和分析各參數(shù)取值，對于3萬噸級無動(dòng)力船舶（舾裝船舶）在垂直岸線的方向上受力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 3萬噸級無動(dòng)力船舶橫向拖力計(jì)算表

（2）在順?biāo)鞣较蛏希僭O(shè)流壓角為 5°，根據(jù)分析可知，Aw、Vw、Bα等三個(gè)參數(shù)的計(jì)算分別如式（6）、（7）、（8）所示。

式中，B為船舶型寬（m）；d為實(shí)際吃水（m），計(jì)算時(shí)以空載吃水代替；V為實(shí)際水流速度；D為設(shè)計(jì)船型的型深。

根據(jù)上述公式和分析各參數(shù)取值，對于3萬噸級舾裝船舶在順?biāo)鞣较蛏鲜芰τ?jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 3萬噸級無動(dòng)力船舶縱向拖力計(jì)算表

對于3萬噸級無動(dòng)力船舶（舾裝船舶），根據(jù)表3和表4中的計(jì)算數(shù)據(jù)，按照內(nèi)河某工程前沿水域最大流速0.797m/s計(jì)算，在橫向上需要一艘拖輪克服風(fēng)動(dòng)力、水動(dòng)力的作用，橫向上配置拖輪的總功率要達(dá)到829匹及以上；在縱向上需要一艘或兩艘拖輪以一定的航速拖帶，縱向上配置拖輪的總功率要達(dá)到1 825匹及以上。經(jīng)過綜合分析，從安全角度考慮，拖帶過程需要安全系數(shù)，確保拖帶船舶過程中突發(fā)事件的發(fā)生，考慮安全系數(shù)主要是由于拖輪的功率損耗，以及需要適當(dāng)儲(chǔ)備一定量的拖輪功率，因此安全系數(shù)取1.5，從而滿足3萬噸級無動(dòng)力船舶（舾裝船舶）在內(nèi)河中、洪水期出塢及靠泊時(shí)的安全操縱，根據(jù)上述計(jì)算，橫向上配置拖輪的總功率要達(dá)到1 244匹及以上；縱向上配置拖輪的總功率要達(dá)到2 738匹及以上。該方案拖輪馬力最大輸出值為3 982匹。

2.5 根據(jù)《海上拖航指南》計(jì)算

按照《海上拖航指南》（2011）中附錄2關(guān)于海上拖船阻力的估算方法，拖船的總功率可按照式（9）、（10）、（11）進(jìn)行計(jì)算。

式中，Rf為被拖船的摩擦阻力（kN）；RB為被拖船的剩余阻力（kN）；Rft為拖船的摩擦阻力（kN）；RBt為拖船的剩余阻力（kN）；A1為船舶或水上建筑物的水下濕表面積（m2）；V為拖航速度（m/s）；δ為方形系數(shù)；A2為浸水部分的船中橫剖面積（m2）。

根據(jù)《海上拖航指南》中關(guān)于拖船阻力計(jì)算公式及各參數(shù)取值，對于3萬噸級舾裝船舶拖帶時(shí)受力計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 3萬噸級無動(dòng)力船舶拖帶時(shí)所需拖力計(jì)算表

經(jīng)過綜合分析，拖輪拖帶無動(dòng)力船時(shí)的拖帶速度一般控制在6kn以上，考慮到大型無動(dòng)力船舶無操縱性能，從船隊(duì)航行操縱安全角度分析建議將拖帶速度控制在8kn以下。

3 五種計(jì)算方法比較分析

根據(jù)上述關(guān)于拖帶無動(dòng)力船舶時(shí)拖輪配置五種計(jì)算方法，計(jì)算得出3萬噸級舾裝船舶所需拖輪馬力情況如表6所示。

表6 拖輪配置五種計(jì)算方法所得拖輪馬力值

根據(jù)表6中關(guān)于不同計(jì)算方法得出其拖輪馬力差別較大，進(jìn)行比較分析可以得出五種方法的優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）五種計(jì)算方法當(dāng)中，按照《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》的計(jì)算方法一得出的拖輪馬力明顯小于方法二、三、四、五得出的數(shù)值。按照《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》的計(jì)算方法得出的拖輪馬力數(shù)值偏小的情況在國內(nèi)其他學(xué)者的學(xué)術(shù)論文中也有提到，希望能夠得到制定《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》主管部門的重視。

（2）方法四是根據(jù)日本巖井聰理論計(jì)算模型，拖輪拖帶過程中考慮了船舶吃水情況及風(fēng)、流等工況。方法四考慮到船舶的實(shí)際吃水，可以根據(jù)船舶空載及滿載情況下分別得出其所需拖輪總馬力，方法五也是一種根據(jù)拖帶船舶和被拖帶船舶實(shí)際吃水及航速進(jìn)行計(jì)算出拖輪所需的馬力，從而避免拖輪馬力浪費(fèi)的現(xiàn)象。通過上述計(jì)算比較，方法四與方法五計(jì)算結(jié)果較為接近，所以方法四和方法五都是比較準(zhǔn)確的計(jì)算方法。

（3）方法二與方法三都是經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠迅速得出拖輪配置方案，缺點(diǎn)就是經(jīng)驗(yàn)值可能會(huì)導(dǎo)致拖輪馬力不足或拖輪馬力浪費(fèi)的現(xiàn)象。根據(jù)表5中不難看出，方法二與方法三所得拖輪馬力值趨于方法四與方法五所得馬力值。通過比較分析可以充分說明方法四是符合實(shí)際情況的一種計(jì)算方法。

4 結(jié)束語

根據(jù)對拖帶無動(dòng)力船舶時(shí)拖輪配置五種計(jì)算方法比較分析，分析得出五種計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)。其中方法四根據(jù)船舶的實(shí)際吃水及風(fēng)、流等工況條件下計(jì)算得出拖輪總馬力，是比較準(zhǔn)確和值得推薦的一種計(jì)算方法。同時(shí)，本文也再次證明《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 211-99）中關(guān)于拖輪配置計(jì)算方法得出的拖輪馬力數(shù)值偏小，應(yīng)該引起相關(guān)主管部門的重視。

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