朱 彬，侯毅男

(1.江蘇大津重工有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江212221；2.32381部隊(duì)，北京 100071)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，運(yùn)輸船舶的數(shù)量也在不斷增多，這無(wú)疑給港口的引航工作帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)和難度。作為全世界最繁忙的港口之一的上海港，其所需引航的船舶數(shù)量近年來(lái)快速攀升，年引航船舶持續(xù)保持在7萬(wàn)艘次以上[1-2]。

引航船肩負(fù)著國(guó)際船舶進(jìn)港的水上交通運(yùn)輸安全責(zé)任。引航母船配備4艘高速噴水推進(jìn)引航艇，并在駕駛甲板后部設(shè)直升機(jī)懸停區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)惡劣天氣下?？找惑w的引航員接送模式。在時(shí)間、空間有限的情況下，能否快速引航服務(wù)，很大程度上取決于引航船舶的性能。

目前上海港比較大的引航船有“滬港引1”輪[3]、“滬港引2”輪和“滬港引11”輪，其中“滬港引11”輪是2011年前后交付的船舶。該船船齡最短，在布置、外形等方面相對(duì)先進(jìn)，但是存在橫搖幅度過(guò)大、耐波性相對(duì)較差的問(wèn)題。當(dāng)前針對(duì)引航船總體設(shè)計(jì)的研究文獻(xiàn)和資料較少，總體設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)交流不充分，不利于該類船型的有序發(fā)展研究。

本文重點(diǎn)論述引航船的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)以及設(shè)計(jì)改進(jìn)建議，包括采用LNG燃?xì)獍l(fā)電機(jī)、應(yīng)用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)[4]等綠色創(chuàng)新技術(shù)，旨在對(duì)后續(xù)此類船舶的總體設(shè)計(jì)方面提供技術(shù)參考。

1 主要技術(shù)性能參數(shù)及布置

1.1 航區(qū)和用途

118 m引航船為上海港引航站的專用引航母船，是引航工作海上基地，主要工作于長(zhǎng)江口南、北槽引航交接區(qū)，全年晝夜為進(jìn)出上海港及長(zhǎng)江沿岸港口的中外船舶提供交送引航員服務(wù)，其作業(yè)方式為錨泊狀態(tài)下接送引航員乘坐引航艇進(jìn)出上海港及長(zhǎng)江沿江各港的船舶領(lǐng)航，同時(shí)也是引航員的短期居住的海上驛站和引航工作的海上基地。

1.2 主要參數(shù)

總長(zhǎng)118.0 m，船寬19.0 m，型深(至主甲板)7.8 m，吃水4.5 m，航速15 kn，續(xù)航力不小于2 500 n mile；載客量100人，船員54人。

1.3 船型及總布置

(1)本船為艉機(jī)型、雙襟翼舵的引航母船，由2臺(tái)中速船用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)固定螺距螺旋槳。

(2)船體為鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)。全船設(shè)3層縱通甲板和4層甲板室；艏艉型式采用艏柱前傾、方艉式。本船設(shè)有直升機(jī)懸停平臺(tái)，艏部設(shè)有1臺(tái)艏側(cè)推。本船外形設(shè)計(jì)思想符合外形莊嚴(yán)威武、剛毅穩(wěn)重、整體協(xié)調(diào)、流暢的要求，充分體現(xiàn)我國(guó)公務(wù)船舶威嚴(yán)的特征和強(qiáng)烈的時(shí)代感，兼具客船的靈動(dòng)。

(3)全船分為前后2個(gè)主豎區(qū)。前主豎區(qū)為居住區(qū)域，布置船員、引航員的居住房間。后主豎區(qū)主要為工作區(qū)域，設(shè)置機(jī)艙、引航工作區(qū)、甲板部和輪機(jī)部辦公室、餐廳和廚房等功能性艙室。

(4)按照工作性質(zhì)和特點(diǎn)要求，本船有6層甲板用于居住，從上至下依次為：駕駛甲板、B甲板、A甲板、上甲板、主甲板和二甲板，其中引航員房間布置在位置最好的B甲板和A甲板，船員房間布置在上甲板和主甲板。而20個(gè)備用雙人引航員房間布置在二甲板。

(5)上甲板首尾部露天區(qū)域設(shè)有錨系泊設(shè)備。本船在駕駛甲板尾端設(shè)置直升機(jī)懸停平臺(tái)，以滿足直升機(jī)接送引航員及相關(guān)人員用途。

(6)小型籃球場(chǎng)(木地板)、健身房、活動(dòng)室和閱覽室等休閑和娛樂(lè)活動(dòng)場(chǎng)所布置在二甲板和雙層底中后部。

2 主要設(shè)備和系統(tǒng)

2.1 推進(jìn)系統(tǒng)

主推進(jìn)裝置采用2臺(tái)船用中速柴油機(jī)，通過(guò)齒輪箱、傳動(dòng)軸系驅(qū)動(dòng)定距螺旋槳。主機(jī)選用MAN 6L27/38船用中速柴油機(jī)，主機(jī)功率2 190 kW，轉(zhuǎn)速800 r/min；齒輪箱型號(hào)GWS52/59，減速比3。

主機(jī)擬采用環(huán)氧樹脂支撐墊塊安裝，根據(jù)降噪需要基座涂裝阻尼材料。主機(jī)推進(jìn)曲線與設(shè)計(jì)固定螺距螺旋槳匹配，由帶倒順離合功能的減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)推進(jìn)軸系。主機(jī)額定功率選取時(shí)，預(yù)留15%的裕度。齒輪箱與主機(jī)采用橡膠高彈聯(lián)軸器連接，齒輪箱采用環(huán)氧樹脂支撐墊塊安裝。

2.2 發(fā)電設(shè)備

由于本船經(jīng)常使用工況為錨泊和短線航行，負(fù)載率變化較大，因而電站選型時(shí)需兼顧最大負(fù)載需求。本船電站由3臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組(型號(hào)MAN B&W 7L16/24，單臺(tái)功率660 kW)和1臺(tái)應(yīng)急兼停泊柴油發(fā)電機(jī)組(400 kW×1 000 r/min)組成。發(fā)電機(jī)組均采用減振器彈性安裝，根據(jù)降噪需要基座涂裝阻尼材料。

2.3 系統(tǒng)

本船共有柴油、滑油、冷卻海水系統(tǒng)在內(nèi)的18個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)和船舶系統(tǒng)，為船舶正常運(yùn)行提供保障。

2.4 管系設(shè)計(jì)

輪機(jī)管系在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮所用材質(zhì)的安全可靠、綠色環(huán)保等因素。在可靠性方面，考慮到管路的防腐蝕性，高壓高溫管路采用耐壓和耐溫材質(zhì)，并在此基礎(chǔ)上增加余量，以保證系統(tǒng)可靠性。在綠色環(huán)保方面，設(shè)備和管路選型時(shí)采用無(wú)石棉材質(zhì)。對(duì)大氣有影響的設(shè)備采用滿足法規(guī)要求的設(shè)備?？照{(diào)制冷劑采用環(huán)保型制冷劑。冷卻水系統(tǒng)添加劑采用可降解或可中和的產(chǎn)品。

3 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 主尺度

3.1.1 船長(zhǎng)的確定

船長(zhǎng)L(水線長(zhǎng))是決定船舶性能最主要的因素，選擇合適的船長(zhǎng)是主尺度確定的首要前提。對(duì)于本船型而言，選擇船舶總長(zhǎng)Loa=118 m的依據(jù)主要有：耐波性指標(biāo)、救生艇架布置、船員/引航員艙室布置和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

本船停泊作業(yè)、航行區(qū)域所轄東海沿海水域，該水域最大的特點(diǎn)是長(zhǎng)期存在50～80 m的長(zhǎng)涌浪。為提升船舶的適用海況、保證引航員登乘作業(yè)時(shí)的安全性和提高作業(yè)人員的舒適性，針對(duì)本海域長(zhǎng)涌浪的特點(diǎn)，需把船舶的耐波性(縱搖和升沉)作為船舶性能重點(diǎn)考慮的因素，而船舶耐波性的關(guān)鍵因素是船長(zhǎng)(水線長(zhǎng)度)。

從耐波性理論可知，增加船長(zhǎng)可以改善波浪中的縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)。其主要影響參數(shù)是波長(zhǎng)λ與船長(zhǎng)L(水線長(zhǎng))的比值λ/L。通常，λ/L≤0.75時(shí)，運(yùn)動(dòng)幅度不大；最大的縱搖發(fā)生在λ/L=1.0～1.5范圍內(nèi)；λ/L>1.0時(shí)，不可避免將發(fā)生較大的縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)。

考慮涌浪情況的性能，波高2.5 m時(shí)，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)約83 m，滿足λ/L≤0.75的條件是：船長(zhǎng)L(水線長(zhǎng))約111.4 m。

3.1.2 方型系數(shù)的確定

方形系數(shù)Cp是一個(gè)反映船體水下部分肥瘦程度的系數(shù)，它應(yīng)綜合考慮空船重量、載重量和航速等因素后確定。本船服務(wù)航速約為15.0 kn，對(duì)應(yīng)弗勞德數(shù)Fr為0.249。根據(jù)圖1，船舶的方型系數(shù)Cp取0.6左右。為體現(xiàn)引航船舶的經(jīng)濟(jì)性，本船方型系數(shù)取0.605[5]。

圖1 方型系數(shù)Cp的選擇

3.2 布置原則和特點(diǎn)說(shuō)明

本船的總布置以工作安全、生活舒適、整體布局合理為原則，綜合考慮船舶的各類功能艙室布置、通道便捷性、引航艇架與引航艇的布置，以及船舶耐波性、穩(wěn)性和航速等要求。其布置有以下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

(1)功能明確，布置合理。為了保證本船所有居住艙室均能采到自然光，所有船員艙室及單人引航員房間均采用大方窗。引航員居住在船舶的最高兩層居住甲板，噪聲影響小，空間獨(dú)立。按照工作性質(zhì)和特點(diǎn)要求，本船有6層甲板用于居住，從上至下依次為：駕駛甲板、B甲板、A甲板、上甲板、主甲板和二甲板。通過(guò)合理劃分工作區(qū)與居住區(qū)、引航員居住區(qū)與船員居住區(qū)，船員和引航員的工作和居住環(huán)境得到改善。

(2)使用方便，安全可靠。本船設(shè)兩主機(jī)艙和輔機(jī)艙，主要設(shè)備分區(qū)布置，方便船員操作。每個(gè)機(jī)艙設(shè)備安裝位置處設(shè)花鋼板層，便于工作人員檢修。另外，設(shè)有直升機(jī)平臺(tái)，為特殊天氣下的特殊任務(wù)提供快速響應(yīng)。

(3)造型威武，特點(diǎn)突出。本船首部線型借鑒了主力巡洋艦外飄線型，上層建筑外形則借鑒了豪華游輪的布置。該設(shè)計(jì)有利于船型性能的發(fā)揮，使船舶美觀與性能完美結(jié)合。本船大量采用折線和直線條體現(xiàn)出剛硬而又威武的一面，局部采用圓弧柔滑處理，使之不顯僵硬，煙囪在船舶尾部，配以標(biāo)志，使整船造型具有威武、大方、大氣特點(diǎn)。

3.3 船舶性能優(yōu)化

為了保證引航船良好的耐波性、快速性、舒適性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在線型優(yōu)化和艙室布置上采取相應(yīng)的措施。

(1)改善船舶的橫搖性能，提高耐波性。

?線型優(yōu)化增加橫搖阻尼，橫剖面線型采用U型，較V型具有更好的減搖性能。

?舭龍骨是最簡(jiǎn)便而有效的減搖裝置，加大舭龍骨面積，通過(guò)增加漩渦阻尼產(chǎn)生穩(wěn)定力矩達(dá)到減緩橫搖和縱搖目的，從而減小橫搖角。特別是對(duì)于方形系數(shù)偏小的船舶，其作用尤為明顯。100%、50%油水裝載工況舭龍骨方案減搖效果比較見(jiàn)圖2、圖3。雖然增大舭龍骨會(huì)略微增大船舶阻力，影響快速性，但是考慮到本船的主要工作狀態(tài)是錨泊，因此，增大舭龍骨面積對(duì)本船的綜合性能是有利的。

圖2 100%油水裝載工況舭龍骨比較方案

?配備減搖水艙。

(2)為了優(yōu)化快速性，基于NAPA軟件和SHIPFLOW軟件，對(duì)船型進(jìn)行優(yōu)化，選擇出最優(yōu)型線。本船船首線型采用反曲線型V型剖面，舭部升高；首部水線近似直線，水線進(jìn)水角小；后體線型收縮緩。此線型兼顧靜水阻力性能、推進(jìn)性能和風(fēng)浪中的失速等問(wèn)題，使其快速性最優(yōu)。

圖3 50%油水裝載工況舭龍骨比較方案

(3)為了提高艙室舒適性，本船進(jìn)行總體布局時(shí)對(duì)艙室面積、層高、自然采光和通道設(shè)置作全面優(yōu)化設(shè)計(jì)。所有居住艙室、餐廳和公共服務(wù)艙室均能提供自然采光，并且所有房間盡量采用大方窗，以增加艙室光照度。船舶內(nèi)裝設(shè)計(jì)運(yùn)用新科技、新材料等綠色環(huán)保技術(shù)來(lái)滿足人體環(huán)境學(xué)要求。本船的噪聲和振動(dòng)控制，采用噪聲源與其他公共服務(wù)區(qū)相鄰限界面增設(shè)阻尼材料的方法。特別是通過(guò)有限元分析，對(duì)振動(dòng)、噪聲進(jìn)行分析預(yù)報(bào)。通過(guò)以上多種手段措施協(xié)同，船舶舒適性達(dá)到較高的水平。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本船航行于沿海航區(qū)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度按近海航區(qū)設(shè)計(jì)。但是考慮到本船工作特點(diǎn)，對(duì)外板及甲板進(jìn)行加厚以滿足無(wú)限航區(qū)的要求。針對(duì)艉部及舷側(cè)頂推作業(yè)位置、主要設(shè)備特殊設(shè)計(jì)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，保證其工作安全性；采用有限元方法對(duì)船體的整體及局部振動(dòng)進(jìn)行分析，保證結(jié)構(gòu)的剛性，控制振動(dòng)，提高舒適性。

3.5 主要設(shè)備選型

由于頻繁往返于港口與錨地之間，并且航行作業(yè)海域往來(lái)及停泊船只較多，因此引航船的動(dòng)力系統(tǒng)需要具備快速備航、快速起動(dòng)、靈活機(jī)動(dòng)、高可靠性等優(yōu)良性能，這對(duì)主機(jī)及推進(jìn)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組、艏側(cè)推等主要?jiǎng)恿υO(shè)備的性能、運(yùn)行穩(wěn)定性、可維護(hù)性等指標(biāo)提出了較高的要求。

(1)主機(jī)選型從以下方面考慮：進(jìn)出港頻繁，主機(jī)高速和低速轉(zhuǎn)換頻繁，主機(jī)操縱性能及可靠性要高；居住人員多，舒適性要高，主機(jī)引起的振動(dòng)要??；綠色環(huán)保，經(jīng)濟(jì)性好；機(jī)艙空間有限，設(shè)備尺寸限制，設(shè)備維護(hù)空間有限；排氣質(zhì)量要高；基于航速下的主機(jī)功率，主機(jī)的選型按可以15 kn航速選擇。

(2)發(fā)電機(jī)選型從以下方面考慮：進(jìn)出港頻繁，發(fā)電機(jī)需要頻繁啟動(dòng)，可靠性要高；錨泊工況時(shí)發(fā)電機(jī)負(fù)荷需要不斷變化，負(fù)載適應(yīng)性要強(qiáng)；功率匹配合適，電站負(fù)荷率合理，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性要好；系統(tǒng)配套設(shè)備少，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便；實(shí)例中綜合幾種機(jī)型的參數(shù)對(duì)比，MAN B&W 7L16/24發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)環(huán)保，滿足使用要求，最適合本船。機(jī)組輸出功率630 kW×1 000 r/min。

(3)艏側(cè)推選型從以下方面考慮：艏側(cè)推在船舶使用過(guò)程中可提高船舶的操縱性，尤其在船舶低速航行和靠離碼頭時(shí)，可快速方便地調(diào)整船舶方向；在海上避讓時(shí)要求快速調(diào)整船舶方向；本船的艏側(cè)推需要推力約為70 kN，推進(jìn)電機(jī)的功率約為500 kW；從維護(hù)成本、安裝方便性、維修空間等因素綜合出發(fā)，本船的艏側(cè)推采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)固定螺距螺旋槳的組合形式。

3.6 空調(diào)系統(tǒng)原則設(shè)計(jì)

舒適可靠的空調(diào)系統(tǒng)是保障引航員和自身船員正常作業(yè)、生活的必要設(shè)施。本船采用舒適、人性化、節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)，目的是改善引航員和船員的生活水平，提高工作效率。

(1)結(jié)合本船技術(shù)特點(diǎn)和特殊需求，引入郵輪空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，提供舒適的生活和工作環(huán)境。

(2)由于居住人員多，舒適性要求高，同時(shí)噪聲振動(dòng)要小，因此采用彈性安裝，選用靜音型布風(fēng)器。

(3)工作和生活區(qū)合理分區(qū)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

(4)采用多裕度配置以提高舒適性。

(5)采用統(tǒng)一新風(fēng)風(fēng)管，進(jìn)風(fēng)口布置除鹽除霧風(fēng)柵，空調(diào)單元布置除菌裝置。

本船空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備配置3臺(tái)冷水機(jī)組，兩用一備。每臺(tái)制冷量為總需要負(fù)荷的50%。多功能會(huì)議室、餐廳采用“雨降”出風(fēng)系統(tǒng)。

3.7 環(huán)保綠色技術(shù)應(yīng)用

本船配置LNG燃料備用停泊發(fā)電機(jī)，布置太陽(yáng)能光伏設(shè)備。使用LNG和太陽(yáng)能光伏，可有效降低氮氧化物和硫氧化物的排放，減少大氣環(huán)境污染。

(1)本船配置的2臺(tái)350 kW LNG燃?xì)馔２窗l(fā)電機(jī)既可用于輔助引航，也可滿足春秋兩季錨泊工況的用電需求。2臺(tái)燃?xì)馔２窗l(fā)電機(jī)還可互為備用，便于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的維護(hù)和保養(yǎng)。

(2)在春秋兩季天氣晴朗的港泊工況下，使用太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備可滿足全船實(shí)際用電需求，不需要使用岸電，從而大大節(jié)省運(yùn)行成本。

3.8 船舶物聯(lián)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引航船物聯(lián)通信系統(tǒng)包含船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控管理、視頻監(jiān)控、船舶工況監(jiān)控、能耗管理、手機(jī)APP、視頻會(huì)議和船岸通信等方面內(nèi)容。船舶的物聯(lián)通信系統(tǒng)可結(jié)合船舶導(dǎo)航系統(tǒng)、船舶監(jiān)控系統(tǒng)以及岸基的支持，對(duì)船舶各種數(shù)據(jù)進(jìn)行積累和多維度分析，并在此基礎(chǔ)上為船舶各種工況提供更安全、有效、經(jīng)濟(jì)的解決方案，同時(shí)隨著時(shí)間的推移，可對(duì)整體船舶進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估，不斷提高船舶安全管理水平。

4 結(jié)論

引航船作為港口服務(wù)必不可少的交通工具，既具有普通船型的特點(diǎn)，也有符合其特殊工作要求的獨(dú)到之處。本文結(jié)合該類船型的整個(gè)設(shè)計(jì)思路和過(guò)程，對(duì)設(shè)計(jì)重要參數(shù)和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行了論述，形成以下研究結(jié)果：

(1)歸納出相應(yīng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，以便可以系統(tǒng)研究該船型。

(2)對(duì)于重要關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的確定提出選擇措施和評(píng)估方法，以便更有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

(3)為后續(xù)船型的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供相應(yīng)參考，促進(jìn)該船型的設(shè)計(jì)研究和發(fā)展，以利于通過(guò)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成實(shí)船，并進(jìn)而借助實(shí)船的運(yùn)行驗(yàn)證設(shè)計(jì)的各方面綜合性能。