中小型耙吸挖泥船動(dòng)力配置

易 輝，安 超，全向宏

（1. 深圳華威近海船舶運(yùn)輸股份有限公司，廣東 深圳 518067；2. 上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306）

0 引 言

近年來，疏浚業(yè)在全球經(jīng)濟(jì)逐漸復(fù)蘇、資源開采范圍逐步擴(kuò)大、環(huán)境變化日益復(fù)雜和旅游需求快速增長(zhǎng)等等因素的影響下得到快速發(fā)展，在國(guó)防建設(shè)、環(huán)保建設(shè)和水利建設(shè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在此背景下，隨著國(guó)際港口間的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，從我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)大型港口的迫切需求和建設(shè)集裝箱樞紐港的需求等角度出發(fā)，研究港口和航道的疏浚業(yè)務(wù)，對(duì)于推進(jìn)我國(guó)的國(guó)際航運(yùn)中心建設(shè)顯得尤為重要[1]。

盡管當(dāng)前我國(guó)正在大力發(fā)展船舶疏浚行業(yè)，但國(guó)內(nèi)中小型耙吸挖泥船的動(dòng)力配置與國(guó)外相比仍存在著一定的差距。國(guó)內(nèi)疏浚船舶的年作業(yè)土方量低于國(guó)外同等技術(shù)水平，作業(yè)成本和燃油消耗量高于國(guó)外，成本回收速度明顯慢于國(guó)外船舶[2]。疏浚船舶的動(dòng)力裝置是影響工程運(yùn)營(yíng)成本的最主要因素，因此對(duì)中小型疏浚船舶的動(dòng)力配置進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，有助于降低船舶的運(yùn)營(yíng)成本，提高我國(guó)疏浚船舶的自主研發(fā)水平，補(bǔ)充相關(guān)技術(shù)貯備，提高我國(guó)疏浚業(yè)的國(guó)際影響力。

1 動(dòng)力配置類型

1.1 獨(dú)立配置

獨(dú)立配置（見圖1）是指利用單臺(tái)柴油機(jī)對(duì)船舶推進(jìn)器、疏浚用的泥泵和沖水泵等大功率設(shè)備進(jìn)行一對(duì)一的單獨(dú)拖動(dòng)，船上其他設(shè)備由柴油發(fā)電機(jī)組統(tǒng)一供電[3]。

圖1 獨(dú)立配置

對(duì)于獨(dú)立配置而言，設(shè)備間的相互依賴性較弱，各控制單元完全獨(dú)立，能避免設(shè)備間的相互影響和相互制約，不易受單機(jī)故障的影響，能提高船舶整體的可靠性。獨(dú)立配置不存在船舶電站、電力系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等能量形式轉(zhuǎn)換造成的二次能量損失，有較高的傳動(dòng)效率。但是，隨著獨(dú)立配置的設(shè)備不斷增多，會(huì)損失大量機(jī)艙空間，泥艙空間受到嚴(yán)重?cái)D壓變形，空間利用率大幅下降，船舶后期的維護(hù)保養(yǎng)工作量和維護(hù)保養(yǎng)成本不斷增長(zhǎng)。

1.2 復(fù)合配置

復(fù)合配置是指讓柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)軸帶設(shè)備同時(shí)或分時(shí)工作。該配置方案能充分利用柴油機(jī)功率，在不同工況下合理分配以滿足不同設(shè)備的功率需求，“一拖二”和“一拖三”是耙吸船上最具代表性的 2種復(fù)合配置方式[4]。

1.2.1 “一拖二”復(fù)合配置

“一拖二”復(fù)合配置（見圖2）的推進(jìn)裝置、軸帶發(fā)電機(jī)或疏浚泥泵的原動(dòng)力來自于主機(jī)。當(dāng)柴油機(jī)飛輪端和自由端分別拖動(dòng)推進(jìn)器和疏浚泥泵時(shí)，沖水泵、液壓泵站、艏部推進(jìn)器和輔助設(shè)備等都由柴油發(fā)電機(jī)組供電；當(dāng)主機(jī)飛輪端和自由端分別拖動(dòng)推進(jìn)裝置和軸帶發(fā)電機(jī)時(shí)，這些設(shè)備由軸帶發(fā)電機(jī)供電[5]。柴油機(jī)通常恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，推進(jìn)器對(duì)主機(jī)的沖擊較小，工況較為平穩(wěn)。但是，當(dāng)泥泵和沖水泵頻繁啟動(dòng)時(shí)，對(duì)船舶電網(wǎng)的抗沖擊性要求較高。

圖2 “一拖二”復(fù)合配置

1.2.2 “一拖三”復(fù)合配置

“一拖三”復(fù)合配置（見圖3）將柴油機(jī)作為源動(dòng)機(jī)，在自由端通過一個(gè)彈性聯(lián)軸器和一臺(tái)自帶內(nèi)置多盤離合聯(lián)軸節(jié)的減速箱拖動(dòng)變距螺旋槳和主交流軸帶發(fā)電機(jī)[6]。疏浚泵、船首側(cè)推器和其他輔助設(shè)備由該主交流軸帶發(fā)電機(jī)供電。在飛輪端通過一個(gè)彈性離合聯(lián)軸節(jié)和一臺(tái)雙速增速齒輪箱驅(qū)動(dòng)高壓沖水泵。耙吸挖泥船的作業(yè)工況復(fù)雜多變，對(duì)于“一拖三”復(fù)合配置方案而言，在多變的工況下，主機(jī)、減速箱、泥泵、沖水泵、軸帶發(fā)電機(jī)和螺旋槳等需頻繁地進(jìn)行脫排和換擋，這些部件多為機(jī)械直接傳動(dòng)，機(jī)械磨損明顯，在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢修保養(yǎng)時(shí)，需更換的零件較多。疏浚泥泵排岸時(shí)主機(jī)負(fù)載突變明顯，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊力，易對(duì)主機(jī)造成不良影響。

圖3 “一拖三”復(fù)合配置

2 耙吸挖泥船混合動(dòng)力配置試驗(yàn)

由上述分析可知，對(duì)于耙吸挖泥船而言，獨(dú)立配置有著明顯的缺點(diǎn)，“一拖二”復(fù)合配置和“一拖三”復(fù)合配置也有一定的局限性。因此，本文以某公司建造的6500m3耙吸挖泥船為研究對(duì)象（該船的左舷和右舷主柴油機(jī)型號(hào)分別為MAN 6L32 44CR和9L32 44CR，最大持續(xù)功率分別為3600kW和4590kW），提出“一拖三”和“一拖二”混合動(dòng)力配置方案（見圖4和圖5），其中：“一拖三”是指左舷柴油機(jī)飛輪端經(jīng)由一進(jìn)雙出減速箱拖動(dòng)變距螺旋槳和軸帶發(fā)電機(jī)，自由端經(jīng)由雙速減速齒輪箱拖動(dòng)高壓沖水泵；“一拖二”是指右舷柴油機(jī)飛輪端經(jīng)由減速箱拖動(dòng)變距螺旋槳，自由端通過一臺(tái)雙速減速齒輪箱拖動(dòng)泥泵。6500m3耙吸挖泥船主要工況下的最大負(fù)載分配見表1。

圖4 左舷“一拖三”動(dòng)力配置

圖5 右舷“一拖二”動(dòng)力配置

表1 6500m3耗吸挖泥船主要工況下的最大負(fù)載分配 單位：kW

3 結(jié)果分析

3.1 航行工況功率需求分析

當(dāng)目標(biāo)船的設(shè)計(jì)要求為新油漆的船體、平均型吃水7.00m、平靜的深海水域、無限航道寬度、風(fēng)力不超過蒲氏2級(jí)、每根艉軸的推進(jìn)功率（即螺旋槳接收的功率）為2400kW時(shí)，船舶試航航速為12.9kn。螺旋槳推力功率驗(yàn)算步驟如下。

式(1)中：SP為艉軸管前軸端的輸入功率；eP為主機(jī)功率；cη為傳動(dòng)設(shè)備、推力軸承和中間軸承等的總傳動(dòng)效率，取值為0.95～0.97。

式(2)中：PD為螺旋槳前端的軸功率；sη為艉管內(nèi)軸承和密封裝置的總傳動(dòng)效率，取值為0.985～0.990。

由上述計(jì)算可知：左舷動(dòng)力裝置能提供給螺旋槳的最大功率為 3368.7kW，右舷動(dòng)力裝置能提供給螺旋槳的最大功率為4295.1kW，能滿足目標(biāo)船航速的設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，在實(shí)際航行過程中可適當(dāng)提高航速，利于開展主機(jī)保養(yǎng)工作。

3.2 挖泥裝載工況功率需求分析

目標(biāo)船在疏浚深度為30m時(shí)的航速為6kn，在航行狀態(tài)下使用耙管挖泥并裝艙至滿載，每根艉軸的推進(jìn)功率為 1300kW。在挖泥裝載工況下，左舷機(jī)械設(shè)備需要的功率為3589.3kW，右舷機(jī)械設(shè)備需要的功率為2863.0kW，目標(biāo)船左舷主機(jī)MAN 6L32 44CR在100%MCR時(shí)能提供的功率為3600kW，右舷主機(jī)MAN 9L32 44CR在100%MCR時(shí)能提供的功率為4590kW，故滿足該工況的功率需求。

3.3 排岸工況功率需求分析

當(dāng)目標(biāo)船處于排岸工況時(shí)，泥泵抽出艙內(nèi)的泥沙，通過吹岸的形式排空，此時(shí)通過錨泊或動(dòng)力定位來保持船舶的位置，螺旋槳不工作。在該工況下，左舷柴油機(jī)的功率在100%負(fù)載時(shí)維持在1600kW，主要拖動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)和沖水泵，滿足船首側(cè)推器動(dòng)力定位和船上其他設(shè)備的電力需求，沖水泵最大工作負(fù)載為890kW。右舷主柴油機(jī)只驅(qū)動(dòng)泥泵進(jìn)行大功率的排岸工作，此時(shí)泥泵的最大工作功率為4030kW。考慮到軸系和齒輪箱的傳動(dòng)效率，在該工況下目標(biāo)船左舷機(jī)械設(shè)備需要的功率為2621kW，右舷機(jī)械設(shè)備需要的功率為4263kW。因此，目標(biāo)船左舷柴油機(jī)和右舷柴油機(jī)能滿足目標(biāo)船在排岸工況下各機(jī)械設(shè)備的功率需求。

4 結(jié) 語

本文提出了“一拖三”和“一拖二”混合動(dòng)力配置方案，相對(duì)于“一拖三”復(fù)合配置方案減少了機(jī)械零件的數(shù)量；相對(duì)“一拖二”復(fù)合配置方案減少了電氣設(shè)備的使用，降低了對(duì)電網(wǎng)的要求，同時(shí)能改善機(jī)艙的利用率。本文分別在航行工況、挖泥裝載工況和排岸工況下進(jìn)行了功率校核計(jì)算，結(jié)果表明，該動(dòng)力配置方案滿足目標(biāo)船在各工況下的機(jī)械設(shè)備功率需求，能為我國(guó)中小型耙吸挖泥船的動(dòng)力配置優(yōu)化提供參考。