新型2×2210kW全回轉(zhuǎn)拖船總體設(shè)計(jì)

巫建華，肖啟龍

(1.江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團(tuán))有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212005；2.揚(yáng)州科進(jìn)船業(yè)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225211)

新型2×2210kW全回轉(zhuǎn)拖船總體設(shè)計(jì)

巫建華1，肖啟龍2

(1.江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團(tuán))有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212005；2.揚(yáng)州科進(jìn)船業(yè)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225211)

為滿足船東對(duì)大功率拖船的節(jié)能減排以及船型優(yōu)化的要求，對(duì)照原船型主尺度偏大，總噸位一般均在500以上，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差的現(xiàn)象，從技術(shù)任務(wù)書出發(fā)，從主尺度、空船重量重心、滿載排水量、穩(wěn)性、總噸位以及航速拖力等方面入手，對(duì)2×2 210 kW全回轉(zhuǎn)拖船進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此型船目前已投入使用，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過設(shè)計(jì)要求，得到用戶的一致好評(píng)。

全回轉(zhuǎn)拖船；排水量；主尺度；總體設(shè)計(jì)

0 引言

拖船的主尺度對(duì)船舶的運(yùn)載能力、航行性能、作業(yè)能力和經(jīng)濟(jì)性等有著重要影響。原2×2 210 kW(雙機(jī)帶消防)大功率全回轉(zhuǎn)拖船的主尺度偏大，總噸位均在500以上。船舶本身尺度大，不利于節(jié)能減排，使運(yùn)營成本有所增加，因此，在保證船舶各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)上，對(duì)此型大功率全回轉(zhuǎn)拖船的主尺度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 技術(shù)任務(wù)要求

1.1任務(wù)

2×2 210 kW全回轉(zhuǎn)拖船必須滿足沿海航區(qū)自由航行和拖帶、消防，以及港內(nèi)協(xié)助最新型集裝箱船的頂推和拖帶要求。

1.2主機(jī)及舵槳

本船主機(jī)選用2臺(tái)8EY26型柴油機(jī)，每臺(tái)功率為2 210 kW，轉(zhuǎn)速為750 r/min；舵槳選用SRP 1515CP 四葉定螺距螺旋槳，帶導(dǎo)流管，可調(diào)螺距。

1.3航速及拖力

設(shè)計(jì)滿載吃水狀態(tài)下，船舶試航速度不小于13.5 kn。主機(jī)100%持續(xù)功率時(shí)，靜系柱拖力向前不小于764 kN，向后不小于686 kN。

1.4續(xù)航力

續(xù)航力按服務(wù)航速計(jì)算，不小于1 000 n mile。

1.5穩(wěn)性

本船滿足中國船級(jí)社CCS穩(wěn)性法規(guī)對(duì)沿海航區(qū)拖船的要求，航行要求滿足近海航區(qū)穩(wěn)性的要求。在蒲氏九級(jí)風(fēng)時(shí)能安全航行，蒲氏六級(jí)風(fēng)時(shí)能安全進(jìn)行拖航、頂推、橫移等作業(yè)；船舶在滿載狀態(tài)時(shí)無任何艏傾現(xiàn)象。

1.6結(jié)構(gòu)形式

本船設(shè)艏升高平臺(tái)，上層建筑為兩層半結(jié)構(gòu)，其中駕駛室為半升高型。

1.7主尺度的初步確定

船長L

36.00 m

型寬B

11.00 m

型深D

～4.90 m(根據(jù)設(shè)計(jì)需要確定)

吃水T

≤4.10 m

定員

12名

總噸位

<500

淡水艙

≥40 m3

泡沫艙

～10 m3

壓載水艙

按需要設(shè)置

主甲板舷弧

有艏舷弧和艉舷弧

2 主尺度優(yōu)化分析

2.1載重量估算

2.1.1燃油質(zhì)量

燃油儲(chǔ)備=(續(xù)航力/航速)×單位油耗×主機(jī)總功率

式中：續(xù)航力=1 000 n mile，航速=13.0 kn(按服務(wù)航速計(jì)算)，單位油耗=0.19 kg/(kW·h)，主機(jī)總功率=4 420 kW。

經(jīng)計(jì)算，燃油儲(chǔ)備=64.6 t,取65 t。

2.1.2滑油質(zhì)量

根據(jù)主機(jī)資料要求，滑油質(zhì)量為8 t。

2.1.3淡水儲(chǔ)備

以每人每天80 kg、12人，自持力40 d計(jì)算，淡水儲(chǔ)備為40 t。

2.1.4泡沫艙質(zhì)量

根據(jù)技術(shù)任務(wù)書要求，泡沫艙內(nèi)消防泡沫液的質(zhì)量為10 t。

2.1.5壓載水艙質(zhì)量

按浮態(tài)調(diào)節(jié)需要設(shè)置。考慮艏艉浮態(tài)的調(diào)節(jié)，壓載水艙實(shí)際質(zhì)量約35 t。

2.1.6食品儲(chǔ)備

以每人每天5 kg、12人，自持力40 d計(jì)算,食品儲(chǔ)備實(shí)取為3 t。

2.1.7人員及行李質(zhì)量

以每人120 kg、12人計(jì)算，人員及行李質(zhì)量實(shí)取為1.5 t。

2.1.8備品及供應(yīng)品質(zhì)量

參考同類型全回轉(zhuǎn)拖船的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，備品及供應(yīng)品質(zhì)量取為3 t。

以上共計(jì)載重量為165.5 t,即本船的載重噸為165.5 t。

2.2船長L分析

船長根據(jù)船體總布置進(jìn)行分析。

(1) 機(jī)艙長度：本船采用的主機(jī)尺度為長6.5 m×寬2.1 m×高3.0 m。2臺(tái)主機(jī)均帶消防功能，長度應(yīng)包含消防泵的長度。機(jī)艙布置2臺(tái)發(fā)電機(jī)，長2.5 m；監(jiān)視室長3.3 m。綜合機(jī)艙的初步布置情況，考慮走道及管系布置，結(jié)合同類船，機(jī)艙長度暫取15 m。

(2)舵槳艙長度：考慮到舵槳的結(jié)構(gòu)井筒直徑為4.1 m，結(jié)合舵槳艙的布置需求，取為7.5 m。

(3)船員住艙長度：考慮到人員的布置需求，甲板下船員艙有船長室和輪機(jī)長室以及8人船員室，約需長度7.1 m。

(4)艏部長度：考慮到錨鏈艙、帆纜艙及艏尖艙布置的要求以及與艏部橡膠靠的協(xié)調(diào)，暫定7.2 m。

綜上所述，船長應(yīng)包括機(jī)艙、舵槳艙、船員住艙、錨鏈艙/帆纜艙和艏尖艙的長度在內(nèi)，取36.8 m。根據(jù)實(shí)際線形圖的肋位及布置，實(shí)取36.50 m(較規(guī)格書略長)。該取值主要考慮到本船為兩層半上建形式，港內(nèi)協(xié)助最新型集裝箱船的頂推和拖帶要求，根據(jù)新型集裝箱船型的特殊要求，此類型船艏至駕駛室前壁的距離要求在15.0 m以上，船長應(yīng)適當(dāng)加長。另外，考慮到此船航速相對(duì)較高，本船的功率又大，故船長也應(yīng)適當(dāng)取大些。但此船總噸又要求在500總噸以下，故船長不宜過長，且必須滿足以上布置的需求。

2.3吃水T分析

根據(jù)艉部舵槳與艉部型線的匹配形式，本船艉吃水采用如下同類型船經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

Ta=1.3×導(dǎo)流管直徑

式中：根據(jù)設(shè)備資料，導(dǎo)流管直徑=3.3 m。

經(jīng)計(jì)算，Ta=4.29 m。

考慮到本船型深及總噸位的限制，并結(jié)合艉部舵槳艙的布置，艉部設(shè)艉升高甲板，舵槳適當(dāng)下降，部分導(dǎo)流管布置在基線以下約350 mm處。本船采用傾斜龍骨，以分水踵保護(hù)艉部舵槳裝置，基線吃水取為4.0 m。

2.4型深D

參考同類型船舶，此型拖船的干舷F在1.0～1.2 m范圍內(nèi)，本船干舷F取1.0 m?？紤]此船船東對(duì)總噸位的要求，型深不宜大，故：

型深D=吃水T+干舷F=5.0 m

2.5型寬B

暫取此型拖船船寬B與吃水T比值的平均值：B/T=2.5，則：B=10.0 m。

由于此船在大風(fēng)浪中進(jìn)行航行及作業(yè)，所以應(yīng)充分考慮船舶的抗風(fēng)浪性，故：本船型寬為11.0 m。

主尺度最終確定：船長36.5 m,吃水4.0 m,型深5.0 m，滿載吃水3.98 m，型寬11.0 m。根據(jù)確定的主尺度可以初步繪制總布置圖和型線圖。新型2×2 210 kW全回轉(zhuǎn)拖船總布置圖如圖1所示。

3 空船質(zhì)量及重心估算

3.1船體質(zhì)量Wh及重心高度Zgh估算

3.1.1船體質(zhì)量Wh估算

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，可得：

船體質(zhì)量Wh=ChLBD

式中：Ch為船體質(zhì)量系數(shù)，其值小于原船系數(shù)，Ch=0.16；L為船長，L=36.5 m；B為船寬，B=11.0 m；D為型深，D=5.0 m。

經(jīng)計(jì)算，Wh=321.2 t，取321 t。

3.1.2重心高度Zgh估算

重心高度Zgh=EhD

式中：Eh為重心高度系數(shù)，其值與原船系數(shù)相同，Eh=0.78。

經(jīng)計(jì)算，Zgh=3.9 m。

3.2舾裝質(zhì)量Wf及重心高度Zgf估算

3.2.1舾裝質(zhì)量Wf估算

舾裝質(zhì)量Wf根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，可得：

Wf=CfLBD

式中：Cf為舾裝質(zhì)量系數(shù)，其值與原船系數(shù)相同，Cf=0.105。

經(jīng)計(jì)算，Wf= 210.8 t，取211 t。

3.2.2重心高度Zgf估算

重心高度Zgf=EfD

式中：Ef為重心高度系數(shù)，其值與原船系數(shù)相同，Ef=1.15。

經(jīng)計(jì)算，Zgf=5.75 m。

3.3主機(jī)質(zhì)量Wm及重心高度Zgm估算

3.3.1主機(jī)質(zhì)量Wm估算

主機(jī)質(zhì)量64 t，加上消防泵座及軸系質(zhì)量5 t，?。篧m=69 t。

3.3.2重心高度Zgm估算

考慮到本船主機(jī)尺度較大，重心相對(duì)較高，重心高度Zgm=0.6D=3.0 m。

3.4裕度估算

按照全回轉(zhuǎn)拖船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，裕度系數(shù)取0.06。

裕度=0.06(Wh+Wf+Wm)=36.06 t，取39 t。

3.5空船質(zhì)量Wl及重心高度Zgl估算

3.5.1空船質(zhì)量Wl估算

空船質(zhì)量Wl=裕度+Wh+Wf+Wm=640 t，取640 t。

3.5.2重心高度Zgl估算

重心高度Zgl為各部分重量對(duì)基線求矩之和與總重量之比：

Zgl= (WhZgh+WfZgf+WmZgm)/(Wh+Wf+Wm)= 4.45 m，取4.50 m。

4 滿載排水量Δ估算

滿載排水量Δ=空船重量Wl+載重噸=640 t+165.5 t=805.5 t。

根據(jù)滿載排水量估算結(jié)果，查靜水力曲線得到相應(yīng)吃水T=3.98 m。

由此可見，對(duì)吃水T的分析基本正確。

5 穩(wěn)性核算

按照中華人民共和國海事局《國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(2011)及其修改通報(bào)的要求核算全回轉(zhuǎn)拖船在沿海拖帶作業(yè)和港區(qū)作業(yè)的各種狀態(tài)下的穩(wěn)性。

根據(jù)估算，得到空船數(shù)據(jù)，其值見表1。表中：Wl為空船重量，Zgl為空船重心垂向高度，Mz為空船垂向力矩，Xgl為空船重心距船中縱向距離，Mx為空船縱向力矩。

表1 空船數(shù)據(jù)

各裝載狀態(tài)穩(wěn)性總結(jié)表見表2。表中，01狀態(tài)為滿載出港狀態(tài)，02狀態(tài)為空載到港狀態(tài)，03狀態(tài)為滿載出港+壓載狀態(tài)。

從表2得知，本船穩(wěn)性滿足近海航行、消防、沿海海上拖帶作業(yè)和港內(nèi)作業(yè)的規(guī)范要求。

6 噸位核算

因本船設(shè)計(jì)任務(wù)書要求總噸位在500以下，而同類型具備雙機(jī)帶消防功能的大功率全回轉(zhuǎn)拖船通常機(jī)艙布置空間和船型尺度較大，總噸位一般在500以上，故本船的主尺度確認(rèn)后，有必要對(duì)總噸位進(jìn)行核算。

表2 各裝載狀態(tài)穩(wěn)性總結(jié)表

總噸位計(jì)算根據(jù)容積計(jì)算，即

總噸位GT=K(V1+V2)

式中：K為總噸位系數(shù)，從《國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》查表得到K=0.265；V1為主甲板以下部分容積之和，V1=1 339.4 m3；V2為主甲板以上部分容積之和，V2=474.19 m3。

經(jīng)計(jì)算，GT=480，控制在設(shè)計(jì)任務(wù)書要求的500以下，在實(shí)際布置方面還有一定的裕度。

7 系柱拖力Pt及航速估算

7.1系柱拖力Pt

根據(jù)全回轉(zhuǎn)拖船舵槳與線形的匹配，拖力Pt的經(jīng)驗(yàn)公式為：

Pt=(1.7～1.76) ×9.81P/100

式中：P為功率，P=4 420 kW。

經(jīng)計(jì)算，Pt=737～763 kN。

按照設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，該船拖力指標(biāo)為764 kN，該值也是舵槳拖力指標(biāo)的上限值。經(jīng)計(jì)算，本船系柱拖力為737～763 kN，接近拖力指標(biāo)764 kN，該值在同類型拖船中偏高。拖力指標(biāo)值越高，對(duì)拖船的性能要求越高。這就要求艉部線型與舵槳的外形要充分匹配，為此應(yīng)保證艉部舵槳浸沒在吃水以下且艉部線型與艉部導(dǎo)流罩布置角度相吻合。為達(dá)到這些要求，通常狀態(tài)下，要保證船舶有一定的艉傾。

7.2航速估算

本船型其他船的航速要求為13.0 kn，本船則要求為13.5 kn?？紤]到2×2 210 kW全回轉(zhuǎn)拖船對(duì)拖力和航速這2項(xiàng)性能指標(biāo)的要求較高，所以型線設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮舵槳的舵效發(fā)揮、艏艉浮態(tài)、穩(wěn)性要求以及航速對(duì)艏部流線型的要求。初步線型設(shè)計(jì)后，經(jīng)航速估算為13.6 kn，滿足技術(shù)任務(wù)書的要求。

8 結(jié)語

新型2×2 210 kW全回轉(zhuǎn)拖船總體設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)用戶技術(shù)任務(wù)要求，確定主尺度，然后繪制總布置圖、型線圖、艙容圖、橫剖面圖后，并結(jié)合圖紙進(jìn)一步仔細(xì)核算，最終根據(jù)計(jì)算結(jié)果修正總體方案。2×2 210 kW全回轉(zhuǎn)拖船改型設(shè)計(jì)后，經(jīng)過實(shí)船試航和試驗(yàn)，得到正拖力779 kN，倒拖力700 kN，航速13.90 kn，各方面的技術(shù)指標(biāo)均超過技術(shù)任務(wù)書的要求，獲得了船東的認(rèn)可。但是,該拖船的船員房間的布置和舒適度方面還有待提高，需要進(jìn)一步加以研究。

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U662.2

A

2016-08-05

巫建華(1974—)，男，工程師，主要從事船體設(shè)計(jì)工作；肖啟龍(1976—)，男，工程師，從事船舶與海洋工程建造維護(hù)工作。