3 800車位汽車運輸船輪機(jī)設(shè)計

楊軍 高晶

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

0 前言

3 800車位汽車運輸船是上海船舶研究設(shè)計院（SDARI）為上海安盛汽車船務(wù)有限公司進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計的，由南京金陵船廠有限公司建造。該船入級中國船級社（CCS），掛中華人民共和國國旗。該船適合于裝載多種小汽車、卡車、巴士和其他車輛。

該船型的主要參數(shù)如下：

總 長 約169.10 m

垂線間長 158.40 m

型 寬 28.00 m

型 深（至5甲板） 13.02 m

（至11甲板） 28.59 m

設(shè)計吃水 7.60 m

結(jié)構(gòu)吃水 8.50 m

載 重 量（設(shè)計吃水7.6 m） 約8 000 t

（結(jié)構(gòu)吃水8.5 m） 約11 500 t

車 位 數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)車RT43－L） 約3 750個

車輛甲板面積 約31 200 m2

主機(jī) MAN B&W 6S50ME－C8.5，Tier－II，1set

SMCR 7 550 kW×120.0 r/min

CSR（70%SMCR） 5 285 kW×106.5 r/min

服務(wù)航速 約16.0 kn

船級

★ CSA，CAR CARRIER，ICE CLASS B PSPC（B），BWMP，BWMS，F(xiàn)TP，Green Ship II，In －Water Survey

★CSM，AUT－0

根據(jù)SDARI在滾裝船設(shè)計領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗，對此船型在一定程度上進(jìn)行了優(yōu)化和升級。下文從機(jī)艙布置、甲板疏排水、貨艙通風(fēng)和主機(jī)排氣閥液壓油控制系統(tǒng)等方面著手，分析該船輪機(jī)設(shè)計中的難點，并提出相應(yīng)的解決方案。

1 機(jī)艙布置

該船為汽車運輸船，為了保證最大程度的裝車量，機(jī)艙做了最大限度的壓縮，機(jī)艙布置較為緊湊。該船主機(jī)選用了MAN公司的6S50 ME－C，輔機(jī)選用的是中船動力有限公司的6L23/30H。機(jī)艙右舷5甲板處，設(shè)置了一個至4甲板車輛艙的汽車活動坡道，占據(jù)了機(jī)艙一定的高度空間。此外，2016年1月1日起生效的MSC.365（93）決議，對機(jī)器處所內(nèi)的脫險通道有了新的要求：2016年1月1日及以后建造的船舶，位于機(jī)器處所內(nèi)的機(jī)器控制室和主工作間應(yīng)設(shè)有兩條脫險通道，其中至少一條應(yīng)提供通往機(jī)器處所外部安全位置的連續(xù)防火遮蔽。這一要求無疑增加了機(jī)艙布置的難度。

該船型深13.02 m，根據(jù)總體專業(yè)對尾部線型的優(yōu)化及主機(jī)對滑油循環(huán)艙高度的要求，主機(jī)軸線高度確定為3.2 m，除去5甲板下T型梁高度0.735 m，機(jī)艙內(nèi)主機(jī)軸線以上的凈高度只有9.085 m。結(jié)合主機(jī)說明書的要求，安裝常規(guī)行車滿足不了主機(jī)的吊缸要求。因此該船選用了主機(jī)廠推薦的雙鉤吊，其要求的主機(jī)軸線至甲板梁之間的凈高度為8.25 m，這樣主機(jī)的吊缸問題就解決了。輔機(jī)初步確定布置在機(jī)艙的尾部，其吊缸高度要求為2.453 m，另外還要保證輔機(jī)平臺下一層設(shè)備布置和船員工作空間，因此機(jī)艙尾部區(qū)域只能布置一層平臺供安裝輔機(jī)用。接下來需要布置集控室、機(jī)修間、分油機(jī)間等功能區(qū)域，同時要考慮上述區(qū)域涉及的MSC.365（93）決議的新要求。為了節(jié)省空間，集控室和機(jī)修間的布置盡量能共用一條連續(xù)的防火遮蔽通道。主機(jī)右側(cè)由于前面提到了有一個汽車活動坡道占用了機(jī)艙一定的高度空間，因此機(jī)修間和集控室的位置就比較明確了，布置在主機(jī)左側(cè)，分為上下兩個平臺，上面一層布置集控室，下面一層布置機(jī)修間，并且在這兩個平臺的舷側(cè)設(shè)計一個共用的逃生通道直至露天甲板，滿足了法規(guī)對于集控室和機(jī)修間逃生通道的要求。此外，利用汽車坡道下方的空間，布置壓縮空氣設(shè)備和冷卻設(shè)備，利用輔機(jī)平臺右側(cè)的空間布置分油機(jī)間，利用輔機(jī)平臺左側(cè)的空間，布置鍋爐、焚燒爐和煙囪棚。

經(jīng)過進(jìn)一步詳細(xì)分析，機(jī)艙平臺最終采用了錯層劃分，即FR29之前左舷，設(shè)計為兩層機(jī)艙平臺，分別是7 070平臺和9 920平臺；FR29之前右舷僅設(shè)7 070平臺；FR29之后，設(shè)計為一層8 000平臺。該船機(jī)艙布置見圖1～圖2。

圖1 機(jī)艙7 070/8 000/9 920平臺布置圖

圖2 機(jī)艙側(cè)視圖

2 甲板疏排水管系布置

在設(shè)計甲板疏排水系統(tǒng)時，應(yīng)能有效地將干舷甲板及以上甲板的雨水和沖洗水排至舷外，以保障船舶正常航行。對于常規(guī)貨船的甲板疏排水系統(tǒng)，一般是每一層上建甲板設(shè)置甲板排水口，雨水或者沖洗水通過排水口流向下一層甲板，最終匯集在主甲板，通過主甲板上的排水口接舷側(cè)管排至舷外。對于汽車運輸船，因其船型特點，貨艙為封閉處所，需要設(shè)置一根排水總管，將每層的排水口都接至這根總管。

該船貨艙分為10層甲板，11甲板為露天甲板，5甲板為干舷甲板。整個貨艙分為4個氣密/水密艙室， 分別為：1～5 甲板、5～7 甲板、7～9 甲板、9～11甲板。艙室之間通過機(jī)械控制氣密/水密蓋或活動坡道進(jìn)行密性分隔。根據(jù)規(guī)范和SOLAS的要求，滾裝處所除了需要設(shè)置基本的消防栓水滅火外，還需提供固定式氣體滅火系統(tǒng)。規(guī)范同時還明確要求“如上述封閉的貨物處所 （貨船干舷甲板上封閉的貨物處所）由CO2滅火系統(tǒng)保護(hù)，則甲板泄水孔應(yīng)設(shè)有防止此類窒息性氣體泄漏的裝置”。因此，在5甲板、7甲板和9甲板的排水口接至舷側(cè)排水總管的支管上，需要設(shè)置一個隔離裝置，以保證貨艙4個氣密/水密分區(qū)的要求。因此，選擇在上述支管上安裝遙控氣動快關(guān)閥，控制箱布置在露天甲板的消防控制站內(nèi)。當(dāng)某一個氣密艙室釋放CO2前，可在消防控制站將這些快關(guān)閥關(guān)閉，從而防止CO2泄露至別處。該船甲板疏排水管系布置的典型圖見圖 3。

圖3 甲板疏排水管系典型布置圖

3 貨艙通風(fēng)

汽車滾裝船的船型特點決定了貨艙通風(fēng)設(shè)計的難點，主要有以下4個方面。

1）貨艙長度較長，最長貨艙甲板約160 m，風(fēng)機(jī)的布置位置需要考慮進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的距離。為了保證貨艙內(nèi)通風(fēng)的流暢性，通風(fēng)的進(jìn)出口不能距離太遠(yuǎn)，否則局部位置達(dá)不到通風(fēng)的效果。另一方面，為了避免通風(fēng)出現(xiàn)短路，進(jìn)出風(fēng)口的位置不能太近。因此，綜合上述情況，該船采取貨艙中部設(shè)置機(jī)械送風(fēng)機(jī)，貨艙首部和尾部設(shè)置自然出風(fēng)，這樣大大增強(qiáng)了貨艙通風(fēng)的效果。

2）貨艙容量較大，甲板層數(shù)多，導(dǎo)致貨艙風(fēng)機(jī)的風(fēng)量較大；布置風(fēng)道時還需要避開主甲板舷側(cè)的加油站、側(cè)跳等。首先對這10層貨艙甲板進(jìn)行合理分組，每組貨艙共用一組風(fēng)機(jī)。分組的時候既要保證每組的容量不能太大，也不能破壞4個氣密/水密艙室的分割。因此，決定每兩層貨艙甲板分為一組，進(jìn)行貨艙風(fēng)機(jī)的風(fēng)量計算，見式（1）：

式中：V——貨艙甲板的容積，m3；

n——規(guī)格書要求的船舶正常航行時貨艙通風(fēng)的換氣次數(shù)，次/h；

N——每組貨艙的風(fēng)機(jī)臺數(shù)，臺

表1為貨艙通風(fēng)分組情況及風(fēng)機(jī)風(fēng)量計算結(jié)果。

表1 貨艙風(fēng)機(jī)的風(fēng)量計算

表1中的Q，是對計算得到的每臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，加了一定余量的結(jié)果，即實際選取的風(fēng)機(jī)風(fēng)量。從中可以看出，該船貨艙分為5組，即每2層甲板為一組，共用一組風(fēng)機(jī)，計算得到的風(fēng)機(jī)風(fēng)量比較適中。表1中10次/h的換氣次數(shù)是船舶正常航行的要求，規(guī)格書中要求在船舶裝卸貨時，貨艙的換氣次數(shù)為20次/h，因此實際每組貨艙選取的風(fēng)機(jī)數(shù)量應(yīng)該再翻倍。該船貨艙通風(fēng)配置的一半風(fēng)機(jī)為可逆轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)，供貨艙噴CO2后抽風(fēng)之用。在正常航行工況時，運行一半數(shù)量的非可逆轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)供風(fēng)；在裝卸貨工況時，再將另一半的可逆轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)運行起來供風(fēng)。另外，1、2甲板位于貨艙最底部，考慮到自然出風(fēng)的阻力問題，以及底部可能沉積部分污染氣體，還單獨配置了2臺抽風(fēng)機(jī)。

3）貨艙風(fēng)道穿過多層甲板，阻力較大，在風(fēng)機(jī)選型時，除了選取風(fēng)機(jī)風(fēng)量，另一個就是選取合適的風(fēng)機(jī)靜壓，以保證露天甲板風(fēng)機(jī)送出的風(fēng)。在貨艙送風(fēng)口處保持一定的風(fēng)速，帶有一定壓力的送進(jìn)貨艙，并能從自然出風(fēng)口排出，這樣才能使貨艙處在一個良好的通風(fēng)環(huán)境下。壓力損失與風(fēng)量、風(fēng)速、沿程阻力和局部阻力等多方面有關(guān)系。結(jié)合該船，選取表1中分組2的DK3、4通風(fēng)風(fēng)道來做壓力損失計算，因為這條風(fēng)道的風(fēng)機(jī)風(fēng)量最大，也基本處于貨艙底層，因此具有代表性。具體計算情況見表2。

從表2可以看出初步計算的壓力損失將近500 Pa?？紤]到理論計算的局限性和實際風(fēng)道中的結(jié)構(gòu)件的局部阻力，最終選取的風(fēng)機(jī)靜壓為710 Pa。其他風(fēng)機(jī)按照相同方法計算。

4）國際海事組織（IMO）第91屆海安會（MSC91）通過了第338號關(guān)于SOLAS修正案的決議，自2014年7月1日起生效，新增了SOLAS II－1/3－12條，要求船舶構(gòu)造應(yīng)符合MSC.337（91）決議通過的《船上噪聲等級規(guī)則》，以保護(hù)人員免受噪聲的傷害。該船貨艙風(fēng)機(jī)位于船員居住區(qū)域，因此在設(shè)計貨艙通風(fēng)時應(yīng)充分考慮到此決議，并使之滿足決議的要求。貨艙風(fēng)機(jī)本身就是噪聲源，需要對其采取措施，使噪聲在源頭處得以限制。因此，采取3方面的措施：

1）貨艙風(fēng)機(jī)房本身進(jìn)行絕緣包覆；

2）百葉窗進(jìn)口處增加消音板；

3）風(fēng)機(jī)出口處增加消音器。

風(fēng)機(jī)房的具體設(shè)計方案見圖4。從圖4看出，這種型式的風(fēng)機(jī)房，能有效地減少風(fēng)機(jī)噪聲對外擴(kuò)散。根據(jù)風(fēng)機(jī)本身噪聲高低的不同，安裝的消音板和消音器的消音材料厚度也不同。經(jīng)過總體專業(yè)的噪聲計算，貨艙風(fēng)機(jī)周圍艙室噪聲值滿足《船上噪聲等級規(guī)則》的要求。

表2 DK3、4貨艙風(fēng)道阻力計算

4 主機(jī)排氣閥液壓控制系統(tǒng)

該船在詳細(xì)設(shè)計期間，船東的另一艘船2 000車位汽車滾裝船正在試航，主機(jī) （型號6S40MEB9.3）電噴系統(tǒng)液壓油路受污染致使比例閥出現(xiàn)故障，船東及時通知我方，希望我方去了解情況并針對本項目提出改進(jìn)和優(yōu)化方案，以避免再出現(xiàn)類似情況。經(jīng)查閱設(shè)計圖紙及MAN公司的相關(guān)文件，目前采用的設(shè)計為主機(jī)日用滑油和液壓控制油共用同一套系統(tǒng)，都來源于主機(jī)滑油循環(huán)艙，循環(huán)艙內(nèi)設(shè)置一個小的泄放艙，主機(jī)反沖洗油直接泄放至該艙。該艙內(nèi)設(shè)一分油機(jī)吸口，被污染的液壓油可至滑油分油機(jī)進(jìn)行分離，從而達(dá)到循環(huán)使用的目的。之后我方將此情況與MAN公司溝通，其對2 000車試航期間出現(xiàn)的比例閥故障進(jìn)行了分析：

1）每次自清液壓油濾器的反沖洗油量大概12 L，一般1次/h。由于液壓油比較昂貴，大量被污染的反沖洗油直接丟棄不太可能，一般會將其回收。

2）在自清液壓油濾器反沖洗期間，被污染的反沖洗油比循環(huán)艙中的油至少臟100倍，增加了比例閥受污染的概率。

對于ME－B型機(jī)器，排氣閥是由凸輪軸驅(qū)動，不能為液壓油控制系統(tǒng)提供獨立的滑油系統(tǒng)。鑒于船東反映此比例閥出現(xiàn)故障的頻率較高，MAN公司高度關(guān)注此事，并且正在著手研究，目前還未得到總部的反饋。

該船主機(jī)型號為6S50ME－C8.5。經(jīng)了解，對于ME－C型機(jī)器，可提供單獨系統(tǒng)，即增加1套伺服油的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，主機(jī)可以將液壓油系統(tǒng)的進(jìn)口和出口獨立出來，在主機(jī)外圍增設(shè)1套單獨的系統(tǒng)，主機(jī)內(nèi)部除管系和相關(guān)支撐件更改外，其他元器件無需變化。這樣，排氣閥液壓控制系統(tǒng)和主機(jī)滑油日用系統(tǒng)就分別獨立開來，排氣閥的液壓油將不會受主機(jī)反沖洗油的污染，解決了前面所述的2 000車試航所產(chǎn)生的問題。因此，經(jīng)過與船東、船廠和主機(jī)廠的反復(fù)溝通，最終決定采取新方案，設(shè)置獨立的液壓油控制系統(tǒng)，見圖5。

從圖5可以看出，這個系統(tǒng)設(shè)置了1套獨立的液壓油循環(huán)冷卻系統(tǒng)，包含1個獨立的主機(jī)液壓油柜、2臺主機(jī)液壓油供給泵、1臺主機(jī)液壓油冷卻器、溫控閥以及必要的傳感器等監(jiān)測元器件。設(shè)置了1套精濾器單元，可以對液壓油柜中的油進(jìn)行循環(huán)分離。另外，還將此油柜與輔機(jī)滑油分油機(jī)相連，可以在輔機(jī)分油間隙，對此油柜進(jìn)行再分離，從而保證進(jìn)主機(jī)的液壓油的清潔度。

圖5 主機(jī)液壓油控制系統(tǒng)

5 結(jié)語

隨著生活水平的提高，人民群眾對于汽車的消費量日益漸長，促進(jìn)了我國汽車工業(yè)和汽車貿(mào)易的增長，帶來了對汽車滾裝船的旺盛需求，我國滾裝船運輸面臨良好的發(fā)展機(jī)遇。3 800車汽車運輸船的設(shè)計填補(bǔ)了SDARI在該級別汽車運輸船設(shè)計領(lǐng)域的空白，為船型系列的豐富及市場的開拓起到了積極的作用。該船的設(shè)計和布置經(jīng)過多輪修改及優(yōu)化，設(shè)計團(tuán)隊不斷增強(qiáng)對滾裝船相關(guān)法規(guī)的研究和應(yīng)用，顯著提升輪機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計能力，為此類滾裝船的設(shè)計積累了寶貴的經(jīng)驗。