淺析黑龍江流域內(nèi)河執(zhí)法船輪機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

魯寒坤 楊曉威 黃森華 張恭

摘 ? ?要：本文主要以我院為黑龍江流域設(shè)計(jì)的幾型公務(wù)執(zhí)法船為依托，針對該流域吃水淺、極寒等特點(diǎn)，從輪機(jī)主要設(shè)備選用、系統(tǒng)優(yōu)化等方面，淺析黑龍江流域內(nèi)河執(zhí)法船輪機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：執(zhí)法船;淺吃水;低溫;推進(jìn)裝置;齒輪箱

中圖分類號：U664.121?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Based on several types of official ship designed by our institute for Heilongjiang river basin， this paper describes the main equipment selection and system optimization design of the engine system in order to adapt to the characteristics of shallow draft and extremely cold at high latitude.

Key words： Official ship; Shallow draft; Low temperature; Propulsion unit; Gear box

1 ? ? 前言

我院近幾年來先后為黑龍江海關(guān)、邊防等單位設(shè)計(jì)開發(fā)了90 t（見圖1）、180 t（見圖2）等多型執(zhí)法船。其中某型90 t海關(guān)船已交付使用近5年，業(yè)主反饋該船執(zhí)勤率高、主要設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好，較好地適應(yīng)了黑龍江流域環(huán)境特點(diǎn)。

2 ? ?航道環(huán)境特點(diǎn)

經(jīng)對黑龍江水系相關(guān)氣象水文資料和實(shí)地考察：其大氣溫度范圍為-40 ℃～35 ℃;執(zhí)法船通常在每年5月中旬至10月中上旬正常執(zhí)勤，大氣溫度為-2 ℃～35 ℃、江水溫度為0 ℃～20 ℃;10月下旬至次年5月上旬臥港;該水域冰封期長，每年開江、收江時，江面會有大量的流冰。

該水域航道水深隨季節(jié)變化較大，其中：4月末至5月中旬，受冰雪融化和降水增加的影響，水位較高，主航道水位在2 m以上;6月下旬至7月初，水位最低，主要航道水深約1.2 m。

為保證船舶使用壽命，提高執(zhí)法船的在航率、執(zhí)勤能力及環(huán)境適應(yīng)性，該船設(shè)備選型和系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮冬季臥港需要：甲板外設(shè)備工作溫度為-15 ℃～40 ℃;所有設(shè)備存放溫度為-40 ℃～35 ℃;最大吃水不超過1.2 m;另外，因開江、收江時江內(nèi)有流冰，需適當(dāng)考慮冰區(qū)加強(qiáng)。

3 ? ?主要技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)實(shí)地調(diào)研及分析論證，受制于該流域吃水淺、航道復(fù)雜等客觀條件，航行于該流域的執(zhí)法船總長一般不超過45 m、吃水不大于1.2 m。

為滿足上述主要技術(shù)指標(biāo)要求并具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，輪機(jī)主要設(shè)備選型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞該指標(biāo)進(jìn)行。下面主要以我院開發(fā)的180 t執(zhí)法船為依托，分析如何滿足主要技術(shù)指標(biāo)和對該流域環(huán)境的適應(yīng)性。

4 ? ?主要設(shè)備選型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 ? 主推進(jìn)裝置數(shù)量論證分析

本船在最大航速時所需最大功率約為3 000 kW，在方案設(shè)計(jì)時考慮了雙機(jī)或多機(jī)等多個主推進(jìn)方案。

（1）如采用雙機(jī)推進(jìn)，則單機(jī)功率約1 500 kW、螺旋槳直徑約1.3～1.4 m。根據(jù)船舶原理，在主機(jī)功率較大時，螺旋槳的葉片要達(dá)到較大尺度，才能完全吸收功率，轉(zhuǎn)化為推力。在本船限制吃水為1.2 m、且螺旋槳與船底板之間應(yīng)留有間隙，故螺旋槳直徑應(yīng)限制在1.1 m左右，功率太大將導(dǎo)致螺旋槳效率較低，主機(jī)功率不能充分吸收。所以應(yīng)重點(diǎn)考慮三機(jī)或四機(jī)方案。

（2）相比三機(jī)方案，四機(jī)方案的附體阻力較大、推進(jìn)系統(tǒng)復(fù)雜、綜合成本高;同時，四機(jī)方案重量重，對船舶吃水不利;另外，四機(jī)方案需要設(shè)置前后機(jī)艙，造成日后管理不便。

綜上所述，本船采用三臺主機(jī)方案比較適宜，每臺主機(jī)功率約1 000 kW。采用三機(jī)方案，螺旋槳直徑可控制在1.1 m以內(nèi)，機(jī)艙布置簡單、系統(tǒng)設(shè)計(jì)也較簡單，所以本船采用了三機(jī)方案。

4.2 ? 主機(jī)適應(yīng)性改進(jìn)

從技術(shù)的先進(jìn)性、可靠性、使用維修方便性、售后服務(wù)便捷性等方面考慮，對可供本船使用的國內(nèi)柴油機(jī)進(jìn)行比較和篩選，最終選用了河南柴油機(jī)廠生產(chǎn)的CHD316BV16柴油機(jī)作為本船主機(jī)。該型主機(jī)額定功率為1 107 kW、額定轉(zhuǎn)速為2 165 r/min、重量約3.5 t;該型機(jī)具有體積小、功率重量比大的特點(diǎn)，適合作為本船主機(jī)使用。

該型柴油機(jī)原產(chǎn)于德國，主要在海船上使用，考慮海水雜質(zhì)少，海水泵一般位于水線以下。該型機(jī)為減輕整體重量及減少成本，原海水泵為橡膠葉輪的離心泵，沒有自吸能力;本船為內(nèi)河船，航道吃水淺，橡膠葉輪容易損壞，船過淺灘時海底門易進(jìn)空氣導(dǎo)致海水泵抽空，一旦海水泵抽空將無法提供冷卻水，從而導(dǎo)致主機(jī)水溫高停機(jī)。

經(jīng)與主機(jī)廠家協(xié)商，確定在主機(jī)自由端增加海水冷卻泵，通過皮帶輪與主機(jī)連接。該種型式具有結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜等特點(diǎn);但考慮該種型式水泵需要占用一定機(jī)艙空間，且皮帶傳動長、壽命及安全性較差，最終確定將泵集成在主機(jī)上，通過齒輪傳動與柴油機(jī)曲軸自由端連接，泵的型式改為金屬葉輪的旋渦泵。經(jīng)驗(yàn)證，該泵自吸能力較好、自吸高度不小于5 m，能較好適應(yīng)本船航行區(qū)域。修改后的海水泵，如圖3所示：

4.3 ? 齒輪箱適應(yīng)性改進(jìn)

本船常用雙機(jī)巡航，中間主機(jī)作為加速機(jī)組。巡航狀態(tài)時中間螺旋槳受水流沖擊會處于跟轉(zhuǎn)狀態(tài)，帶動軸系一起轉(zhuǎn)動;中間軸跟轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速約200 r/min，軸系長時間跟轉(zhuǎn)會導(dǎo)致齒輪箱輸出端也長期處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，由于跟轉(zhuǎn)狀態(tài)下齒輪箱潤滑油泵沒有工作，齒輪箱摩擦片容易磨損。對比，常用的辦法是采用鎖軸裝置將中間軸鎖住不使其跟轉(zhuǎn)，但這樣會明顯加大船舶附體阻力，船舶使用經(jīng)濟(jì)性差。

經(jīng)對該型齒輪箱潤滑系統(tǒng)分析后，在齒輪箱輸出端增加柱塞泵作為拖曳潤滑泵，可在跟轉(zhuǎn)狀態(tài)對齒輪箱潤滑，從而解決了跟轉(zhuǎn)對齒輪箱的不利影響。新增拖曳泵潤滑原理圖，如圖4所示。

4.4 ? 動力系統(tǒng)適應(yīng)性改進(jìn)

4.4.1 海底門適應(yīng)性改進(jìn)

黑龍江流域流經(jīng)大興安嶺，水質(zhì)清澈，但在7、8月雨水季節(jié)或4、5月冰雪融化時期由于雨水等沖刷，兩岸樹枝、樹葉等雜質(zhì)易流入江面導(dǎo)致水面枝葉較多，船舶航行時海底門容易堵塞、海底門箱體易大量進(jìn)雜質(zhì)。

一般船舶海底門均設(shè)在水線以下，并設(shè)置固定壓縮空氣管對海底門進(jìn)行沖洗。但采用壓縮空氣僅能解決海底門堵塞問題，對箱體內(nèi)雜質(zhì)無法清理，箱體內(nèi)雜質(zhì)過多易堵塞總管濾器，導(dǎo)致主機(jī)等冷卻水不足，影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

本船因吃水較淺，可將海底門頂部設(shè)于水線以上300 mm左右，并在頂部設(shè)置300 mm*600 mm手孔，當(dāng)水面樹枝較多時可將手孔打開。由于手孔高于水線，江水不會直接溢流至機(jī)艙，船員能及時清理海底門及箱體內(nèi)雜物，保證海底門暢通性，從而保證冷卻水量供應(yīng)充足;改進(jìn)后的海底門無需增加壓縮空氣系統(tǒng)，減少對空壓機(jī)的使用。

4.4.2 ?消音器適應(yīng)性改進(jìn)

本船機(jī)艙布置6臺機(jī)組，其中3臺主機(jī)組、3臺發(fā)電機(jī)組。由于機(jī)電設(shè)備較多，為控制總重量船型深僅2.9 m，導(dǎo)致機(jī)艙高度空間較小。經(jīng)綜合考慮后，僅在機(jī)艙頂部增加了400 mm高度的機(jī)艙蓬，但外側(cè)兩臺主機(jī)仍無法單獨(dú)布置消音器，航行時噪音會通過排氣管直接傳播到岸邊，對兩岸居民產(chǎn)生一定的影響。

為此，經(jīng)對機(jī)艙布置圖仔細(xì)研究，開發(fā)了一款集成式消音器，外側(cè)兩臺主機(jī)公用一個消音器，消音器布置在船中位置。該消音器采用長方體形狀，其高度方向較普通消音器高度小，從而較好地解決了普通消音器無法布置的問題。主機(jī)排氣系統(tǒng)布置圖，見圖5。

4.5 ? 輔助系統(tǒng)設(shè)備適應(yīng)性改進(jìn)

4.5.1淡水系統(tǒng)適應(yīng)性改進(jìn)

船舶淡水分飲用淡水和洗滌淡水，一般小型船舶自帶淡水較少，攜帶淡水均為飲用淡水。本船在最大自持力期間需要消耗的淡水量約8 t，若采用一次性補(bǔ)給會增加船舶重量，使用也不經(jīng)濟(jì)?？紤]黑龍江中上游整體水質(zhì)較好，經(jīng)過濾凈化處理后可作為洗滌水使用，因此本船在機(jī)艙設(shè)一臺江水凈化裝置，凈化后的江水作為洗滌淡水使用，從而減少了淡水裝載量。

4.5.2 空調(diào)系統(tǒng)選型

（1）一般執(zhí)法船大多采用冷水機(jī)組與風(fēng)機(jī)盤管結(jié)合的間接式空調(diào)型式，相比風(fēng)冷分體式空調(diào)，該種型式空調(diào)集成度高;壓縮機(jī)布置在機(jī)艙，不會影響船舶外觀;為滿足低溫儲存要求，可在冷媒水中添加防凍劑。本船在方案設(shè)計(jì)初期曾考慮過該種型式，但在經(jīng)仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)：采用這種型式，為滿足低溫儲存要求，冷媒水中需要添加較多的防凍劑，維護(hù)成本較高;冷水機(jī)組在較低溫度存儲其密封件容易老化，其維修周期長、成本高。

（2）分體式空調(diào)采用直接冷卻型式，制冷劑直接參與熱交換，其低溫適應(yīng)性較好，空調(diào)更換簡單。

因此，本船最終采用了4臺室外機(jī)與14臺室內(nèi)機(jī)組合的型式：室外機(jī)布置在駕駛室后面，并設(shè)置簡單遮擋圍壁，對整船外觀未造成明顯的影響;系統(tǒng)設(shè)計(jì)時通過合理分區(qū)，空調(diào)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)25%、50%、75%、100%四擋調(diào)節(jié)功能，能大大降低空調(diào)總使用量，提高本船節(jié)能指標(biāo)。

4.6 ?其它適應(yīng)性改進(jìn)

（1）本船在開江、收江時，螺旋槳會受到浮冰沖擊，在軸系設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮流冰影響。參照CCS關(guān)于內(nèi)河船冰區(qū)加強(qiáng)的要求，對槳轂前端至尾軸后軸承處該段軸系軸徑直徑加大，以更好適應(yīng)開江、收江時流冰對軸系的影響。

（2）本船需滿足-40 ℃的低溫存放要求：在船舶臥冬前，需對管系中的冷卻水、燃油等泄放干凈，以防止管系中的冷卻水等結(jié)冰破壞管子及閥門;在系統(tǒng)管系最低點(diǎn)增設(shè)放水旋塞，船舶臥冬前將管系中的水、油等泄放干凈;所選機(jī)械設(shè)備應(yīng)具有低溫適應(yīng)性。如：主機(jī)組選用耐油性能的MVQ2-60（脆性溫度為-50 ℃）橡膠代替丁腈橡膠和氟橡膠;采用夾布橡膠軟管（脆性溫度為-50 ℃）代替常用的硅膠管和氟膠管等措施;另外，對無法滿足低溫存放要求的電器（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）

設(shè)備，通過合理設(shè)計(jì)做到易拆卸式，在船舶臥冬前拆回內(nèi)場存放。

5 ? ? 結(jié)束語

本文以我院近年來為黑龍江省海事、邊防等單位設(shè)計(jì)開發(fā)的公務(wù)執(zhí)法船為依托，分析了黑龍江流域內(nèi)河執(zhí)法船輪機(jī)設(shè)備選型及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，希望對同類型船舶設(shè)計(jì)的工作者有一定的幫助。

參考文獻(xiàn)

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