适应大型船舶靠离码头的全回转拖轮的研制.pdf

船舶研究设计 适应大型船舶靠离码头的全回转拖轮的研制 姜 伟 陈学琳 摘 要 为使大型集装箱船舶安全快速地靠离码头 本课题开发研制了3 676 kW 5000马力 新型全回转 拖轮 通过对总体布置和线型的优化设计 合理地选配设备和新工艺的应用 使新型拖轮能安全地进入大型集装箱 船舶的艏部和艉部区域 有效地实施顶推作业 提高了作业效率和安全系数 具有显著的经济效益和社会效益 实 船已投入使用 关键词 新型 拖轮 研究 开发 实船 Research of azi muth thruster tugboat for large vessels pulling in dock JiangW ei Chen Xuelin Abstract This article discusses 3 676 kW about 5 000 HP new type azimuth thruster tugboat for the use of pulling in large container vessels By optim izing tugboat s general arrangement and line reasonably selecting equipments and adopting new techniques this new type tugboat can close w ith large container vessel fore and aft area safely and push it So this tugboat w ill improve the work efficiency and safety factor and bring econom ic and social benefit Keywords new type tugboat investigation exploitation 1 前 言 近年来港口事业的发展日新月异 集装箱吞吐 量逐年增长 到港的货轮也以大型船舶为主 尤其是 第5代 第6代集装箱船舶日趋增多 并有逐步加大 趋势 从现有的船舶资料了解到 这些大型船舶尤其 是第5代 第6代集装箱船舶的艏部和艉部线型的 曲率变化很大 而目前现有的港作拖轮在船型及拖 力方面均难以适应现代化大型船舶安全靠离码头的 作业要求 依据上海港在国际集装箱运输航线上的重要地 理位置和正在建设中的大 小洋山深水港和外高桥 港区的水深条件 其靠离的船舶绝大多数将是现代 化大型船舶 因此必须有相应现代化新型拖轮协助 其靠离码头 尤其2005年洋山港一期建成投产后 急需与之配套的大功率 能满足其安全靠离码头的 全回转拖轮 目前 我国在现代化大型货运船舶的建造方面 发展迅速 其建造水平都已接近世界先进行列 但在 适应现代化大型船舶靠离码头的新型拖轮的开发 研制 方面却存在一定的空白 为了使这些大型船舶能安全快速地靠离码头 要求港作拖轮能尽可能地进入大型船舶的艏 艉部 实施顶推作业 目的在于增大拖轮顶推时的顶推力 提高作业效率 因此 通过前期的开发 研究 我们复兴船务公 司建造了新型3 676 kW 5 000马力 全回转拖轮 其线型是按能顺应目前以及今后相当长一段时间内 进出港口的大型船舶船型发展特点而进行的 具有 相当的针对性和一定的先进性 对于提高船舶拖带 效率 增强安全控制性以及推动技术革新均有着极 44 第1期 总第111期 2005年6月 船舶设计通讯 JOURNAL OF SH IP DESIGN NO 1 SerialNO 111 June 2005 收稿日期 2005年4月 大的促进作用 2 船舶主要参数与性能 图1 新型3 676 kW 5 000马力 全回转拖轮的船体 结构为全电焊 单甲板 单底 局部双底 横骨架式 具有连续甲板 二层半甲板室 外飘船艏 方艉 船舶主要参数为 总 长37 6 m 两柱间长32 0 m 型 宽10 5 m 型 深4 8 m 设计吃水3 7 m 定 员15人 满载排水量784 78 t 拖轮的推进装置为双机双桨 主机功率 1 838 kW 2 配置全回转舵桨装置 电站为柴油机发电 机组 电站功率 120 kW 2 拖轮设组合式液压锚机2台 液压铰缆机1台 气控拖钩1台 船艏 艉设双十字带缆桩 驾驶室配备复视磁罗经 雷达 中高频 甚高频 电台 程控电话 气象仪 GPS及测深仪等先进的通 讯导航设备 机舱设监控室 配置机舱报警板 计算机监视控 制系统 本船的航区为近海航行 沿海拖带 经实船试航 得到下列船舶性能数据 系柱拖力65 3 t 正拖拖力 59 2 t 倒拖拖力 自由航速14 08 kN 3 主推进装置及船舶主要设备 3 1 主推进装置的选择与布置 本船主推进装置由主机 舵桨 中间轴 高弹及 万向节等组成 1 本船主机选日本洋马 YANMAR 公司 6N 28M2EV船用中速柴油机 主机主要参数 型号6N 280M2EV 型式 直列不可逆转 4冲程单作用 中冷 增 压船用柴油机 缸径 冲程280 380 mm 缸数6 功率 转数1 838 kW 750 r m in 油耗194 g kW h 起动方式压缩空气 冷却方式闭式水冷却 冷却淡水泵 滑油泵和燃油泵由主机直接驱动 冷却海水泵由电机驱动 每台主机配有消音器 膨胀节 热交换器和空气 瓶等附件 6N 28 M2EV机的主要特点 a 油耗低 排温低 在常用功率时 保持良好的 燃油经济性 b 重量轻 结构紧凑 便于机舱布置 c 可靠性程度高 保证长时间作业无故障 d 使用和维护方便 所有机带泵和滤器均安装 在发动机安装面上部 机身两则设有大检测窗 便于 对主轴承和连杆的维修 2 本 船 的 舵 桨 装 置 选 用 日 本 川 崎 重 工 KAWA SA K I 全迥转螺旋桨 其主要特点是振动 小 桨径大 保证顶推拖力 主要参数如下 型号KST2200ZF A 型式360 全回转舵桨装置 功率1 838 kW 输入转数720 r m in 螺旋桨直径2 350 mm 螺旋桨型式4叶定距 每180 转舵时间约10 S 舵桨控制手柄单柄 转舵控制方式电 液压控制 应急操舵速度180 30 s 3 轴系布置 详见图 2 通过高弹联轴节 中间轴 万向节等组成的轴系 驱动全迥转螺旋桨 3 2 设备布置及其它 为适应港作拖轮的工作状况 要求选用的辅助 54 姜 伟 陈学琳 适应大型船舶靠离码头的全回转拖轮的研制 机械设备必须要工作可靠 有时需配置备用设备 以 便在动力装置持续工作的情况下进行检修 本船所 配置的设备均选用国内成熟的和有CCS证书的专 业厂的定型产品 泵组设备的配置详见表1 其它辅助的配置详见表2 图2 表1 名 称型 式参数 排量 扬程 功率 数量 消防总用泵电动离心式 自吸 36 m 3 h 42 m 11 kW1 舱底压载泵电动离心式 自吸 100m 3 h 21 m 11 kW1 主机海水泵电动离心式80 m 3 h 18 m 7 5 kW2 主机备用滑油泵电动齿轮泵30m 3 h 5 kg cm 2 11 kW 1 主机淡水备用泵电动离心式60 m 3 h 20 m 7 5 kW1 生活海淡水泵及备用泵电动漩涡泵3 m 3 h 40 m 2 2 kW3 燃油输送泵及备用泵电动齿轮泵5 m 3 h 33 m 3 0 kW2 空调冷却泵电动离心式 自吸 12 m 3 h 30 m 3 kW1 污油泵 燃油输送泵手动活塞泵48 L m in 24 5 m2 喷射泵喷射式5 m 3 h 30 m1 表2 名 称型 式规 格数量 空压机空冷 飞溅润滑 自控20 4 m 3 h 3M Pa 5 5 kW2 主空气瓶3 0M Pa200升2 杂用空气瓶1 0M Pa160升1 舱底水分离器压力式0 5 m 3 h 0 75 kW1 生活污水处理装置消毒法处理500 l1 空调机集中式 单冷型28 000 kcal h1 机舱风机可逆转21 000m 3 h 4 kW2 舵桨舱风机可逆转4 500m 3 h 1 1 kW2 热水炉燃油自动水量90L1 砂轮机S2ST2150 0 5 kW1 海淡水压力柜组合式各200L1 64 第1期 总第111期 2005年6月 船舶设计通讯 JOURNAL OF SH IP DESIGN NO 1 SerialNO 111 June 2005 本船设备布置时 充分考虑其合理 安全 方便 机舱内设有监视室 极大地改善了操作人员的工作 环境 并保证作业的安全可靠 本船主要设备均布置在机舱和舵桨舱 主机 柴 油发电机组 各种泵冷却器及其它辅设备布置在机 舱 舵桨装置及其附件布置在舵桨舱 配电板 报警 板等布置在机舱监视室 在机舱右前方设钳工工作 台 台钻 砂轮机等 以方便设备小维修 3 3 电站设备及其它 本船设有发电机组二台 根据电力负荷计算 均 选用120 kW发电机组 每台发电机组的容量满足 本船在各种作业时的要求 正常情况下使用一台 另 一台仅作为备用 二台发电机组间可进行负荷转移 停泊时 可以接用岸电供电 发电机组和岸电互相连 锁 不能同时供电 柴油发电机组主要数据 柴油机 型式 立式 四冲程 6缸 直接喷射式 不可逆 转的船用高速柴油机 型号6135ZLCaf 额定功率158 9 kW 额定转速1 500 r m in 起动方式压缩空气起动 冷却方式闭式冷却 发电机 型号M P2H212024 型式 自激恒压 相复励磁AC 400V 50HZ三 相 功率120 kW 3 4 本船无线电设备 本船无线电设备按 GMDSS A 1海区以外要求 配置 1 无线电台 M F HF 设一台中高频无线电话 该装置由船舶主电源 及低压电源供电 发信机频率范围 1 605 2 750 Hz 额定输出功率为150W 2 甚高频无线电话 VHF 设一台甚高频无线电话 该装置能在单频信道 或在单频信道和双频信道上使用话音和DSC进行 工作 频率范围156 0 174 0M Hz 能在70频道 上进行连续守听的数字选择呼叫专用值班设施 3 应急无线电示位标 设一只应急无线电示位标 能对地球同步卫星 发射遇险警报信号 有手动启动和手动关闭装置 装 有防止意外启动的装置 并具有指示正在发射信号 的指示装置 4 救生艇筏双向甚高频无线电话 设二只救生艇筏双向甚高频无线电话 能用于 救生艇筏之间 救生艇筏与船舶之间 以及救生艇筏 与救助单位之间的现场通信 5 搜救雷达应答器 设一只搜救雷达应答器 能通过一系列平均间 隔的点 在救援单位的雷达上显示出遇险单位的位 置 装有防止意外启动装置 视觉或听觉装置 或视 听觉装置等来指示正确的操作 并提醒幸存者 搜救 雷达应答器也可被搜救雷达触发 频率范围 9 200 9 500M Hz 6 磁罗经 驾驶室顶设标准罗经一台 驾驶室内装罗经复 示器一台 磁罗经电源采用DC24V 刻度盘直径 165 mm 指向误差不大于0 5 7 雷达 设船用雷达一台 显示屏不小于25 mm 有效 距 离不少于48海里 电源 AC220V 50 Hz和 DC24V 配齐电源装置和备件 8 风速风向仪 风速风向仪采用电动式 装于驾驶室 传感器采 用组合体式 外形似飞机 装于桅杆上 测量范围 风 速不少于60 m s 风向 全方位360度 电源 AC220V 50 Hz及DC24V 9 奈伏泰斯接收机 NAV TEX 驾驶室装奈伏泰斯接收机一台 能自动接收 选 择和存储并打印出所需海岸电台播发的有关信息 由船舶主电源供电 技术特性和电文格式符合 CC IR540号建议案等有关规定 接收频率 518 KHz 4 主要研究工作内容 4 1 船舶总体布置的优化研究 为了使新型的拖轮能适应大型船舶作业 首先 我们对国内外同类型的拖轮的进行了资料检索 并 对国内的主要港口拖轮情况作了调研 以往由于全回转拖轮船形小 且一般配员在15 人左右 为有利于船员室的布置 全回转拖轮的上层 建筑通常采用三层甲板室 三层甲板室其优点是 舱 室布置比较方便 同时 驾驶室位置比较高视野相对 74 姜 伟 陈学琳 适应大型船舶靠离码头的全回转拖轮的研制 良好 其缺点是桅杆和重心的位置相对较高 并增加 了船舶的受风面积 有损于船舶作业时的安全系数 和稳性 部分拖轮采用二层甲板室的布置形式 其优点 是 桅杆的位置相对较低 故拖轮能够进入大型船舶 的艏部和艉部区域安全的作业 并且降低了重心高 度 减少了船舶的受风面积 船舶稳性得到较大改 善 缺点是船舶总体布置比较困难 船员舱生活区域 相对较小 驾驶室视野不理想 针对以上情况 在本船总体布置设计时 我们进 行了大量的方案论证 充分考虑到驾驶室既要有良 好的视野 同时船舶总体高度满足灵活顶推大型船 舶艏 艉部的要求 通过将大型船舶及本拖轮的设计 方案以三维动画形式对顶推作业的各种状况进行电 脑模拟比较 并总结了各种方案的优缺点后 最终决 定本船的上层建筑采用二层半结构形式 上层建筑采用二层半结构形式 即在船舶的救 生甲板和驾驶甲板之间设一个1 200 mm高度的甲 板舱 相对抬高了驾驶室高度 避免了二层甲板拖轮 的鄙病 同时通过并增大驾驶室四周玻璃窗的尺寸 等措施 从而改善了视野 在舱室布置设计上 我们将高级船员舱和普通 船员舱均设置在主甲板以下 根据以人为本的设计 思想 生活区域都配置了中央空调进行气温调节 所 有的舱室家具布置的紧凑合理 浴室 盥洗室 厕所 采用卫生单元形式 餐厅设有沙发 电视 DVD等生 活设施 全船的生活区域设计的简洁 明快 舒适 改 善了船员的生活和休息环境 解决了生活区域过小 的矛盾 在船舶的通道 楼梯布置时 由于新型拖轮将高 级船员舱和普通船员舱均设置在主甲板以下 按常 规设计 船上的轮机人员就得爬楼梯至主甲板上 然 后再通过机舱楼梯进入机舱 耗时且废力 一旦机舱 有紧急情况 不利于轮机人员及时处理 因此 为解 决这一问题 我们在机舱监控室与主甲板下的船员 舱之间设一个便捷通道 轮机人员可以快捷进入机 舱 节时省力 在便捷通道处设一扇快速启闭式水密 门 平时常开 应急时可以快速关闭 达到船检的船 舶水密隔离要求 同时还设一扇防火隔音门 能有效 起到防火及降低噪声功能 为了使拖轮能安全地进入大型船舶的艏部和艉 部区域作业 我们在降低桅杆高度后 又将驾驶室位 置后移 同时 船舶的艏部线型尽可能增大外飘幅 度 从而使本船的驾驶室前壁与艏部橡胶护舷之间 的距离达到16 m 桅杆顶端和船艏部橡胶护舷的连 线与水平线的夹角为31 桅杆顶端和船舷的连线 与桅杆垂线的夹角为21 而目前的国内外拖轮的 上述三个数据一般在12米 35 17 左右 因此 上述三个数据直观的显示 新型拖轮外形 能有效地避免了驾驶室顶部及桅杆与大型船舶碰擦 情况的发生 提高了拖轮作业的安全性 并能够很好 的适应大型船舶顶推作业地需要 4 2 船舶线型开发研究 拖轮有二大技术指标 自由航速和系柱拖力 根 据拖轮的用途区别对待 例如救助拖轮 消防拖轮应 以自由航速为主 系柱拖力是第二位的 又如港作拖 轮 沿海拖轮 则反之 本船是一艘典型的港作拖轮 所以系柱拖力为主 自由航速次之 在新线型设计时必须尽量减小拖轮阻力 影响 拖轮本身阻力的主要因素是长宽比 L B 方形系 数 Cb 和棱形系数 Cp L B越大 阻力越小 Cb 越小 阻力越小 拖轮Cw在0 8 0 88范围 尽量取大值 对甲 板面积 耐波性和稳性均有利 浮心纵向位置总是在 船舯附近为宜 拖轮侧面投影都采用初始设计纵倾 除了对大尺度舵桨安装需要外 因初始设计纵倾 导 致回转中心向艉部移动 有利船之操纵 艏部线型要按顶推要求进行设计 甲板面采用 平头型设计 这样可增加主甲板作业面积 艏部用局 部升高 0 5 m 0 7 m 抬高了顶推大轮时的高度 位置 使拖轮在顶推大型船舶更加安全 同时顶推位 置的提高也增加了拖轮顶推大船的作用力 艉部线型设计 涉及拖曳效率和操纵性能 考虑 到本拖轮舵桨尺寸比较大 所以使满载水线的后体 尽量丰满 最大可能地对舵桨掩盖与保护 满载水线 以下的后体型线则变削且顺畅 以使水流平稳且充 足供应给桨叶 尽可能使艉部的舵桨发出最大拖力 如果舵桨得不到充分的供水 它就会从上面吸入空 气 在总结了各类拖轮线型基础上 在船舶线形设 计时 对国内外现有各类港作拖轮的船体线形 稳 性 航速 拖力及抗风能力进行了充分的分析研究 应用计算机线型设计软件 初步开发出了新型拖轮 的线型 为了验证该线型优越性我们对它进行了船 模试验 使拖轮的稳性 拖曳效率 抗风能力及操作 性能均能满足实际使用要求 84 第1期 总第111期 2005年6月 船舶设计通讯 JOURNAL OF SH IP DESIGN NO 1 SerialNO 111 June 2005 4 3 计算机监测系统应用于拖轮的关键设备管理 为了进一步对机舱设备加强管理和控制 及时 发现船舶机电设备故障 提高设备的完好率 本拖轮 配置了机舱计算机监控系统 该系统能对主机 舵桨 和发电机组运行状态 液柜的容量进行动态监测 船 舶的运行管理 功能如下 1 监测主机运行过程中各监测点的运行工况 提供报警功能 记录故障发生时各监控点的运行数 据 同时对主机转速 淡水压力 海水压力 滑油压 力 起动空气压力 燃油进口压力 增压器空气压力 等进行模拟显示 也能对主机各缸排气温度及总排 温进行显示 还能将主机运转时间进行记录 2 监测舵桨运行过程中各监测点的运行工况 提供报警功能 记录故障发生时各监控点的运行数 据 显示舵桨控制状态 离合器离合状态 舵桨泵运 行状态 用模拟量形式显示螺旋桨转速 舵桨滑油压 力 舵桨滑油温度 中间轴滑油压力 中间轴滑油温 度数据 3 发电机组运行状态的监测 显示发电机组的 滑油压力 滑油温度 淡水温度 汇流排电压 频率 并当压力低 温度高时发出报警信号 4 本监测系统与船公司调度 机务 海监已开 发的船舶动态管理系统相连 使船公司的调度 海监 能及时掌握船舶的运行位置状况 及时 准确地发出 调度指令 而机务则可掌握该船主要设备的运行工 况 更合理使用船舶中主要设备 5 在机舱设置7处巡回检测记录点 每个记录 点设一个确认按钮 检测人员到检测点检查完后 摁 下按钮 系统就自动记录巡检时间 加强机舱运行管 理实施细则的落实 有利于设备的正常使用 延长设 备的使用寿命 6 船舶管理 建立主要机电设备卡片 提供船 舶主要设备的技术参数 图纸 生产厂商 故障维修 记录 船存备件情况等 制定船舶日保养计划 提醒 日保养工作 记录日保养工作完成情况 记录设备故 障原因 故障现象及故障排除情况等 对船舶备件清 册 备件领用记录进行登记存档 提高备件的实用价 值 7 系统管理 设定用户密码 权限分配 权限管 理 具有各报警点报警值的设定与修改 报警点报警 优先级设定功能