程婷菲
(中交四航局江門航通船業(yè)有限公司,廣東 江門529145)
在碼頭施工作業(yè)中,常常會用到小型工程船舶,這些小型工程船舶結(jié)構(gòu)簡單、造價較低,但在風浪較大的海邊碼頭施工作業(yè)中,存在安全隱患。在這些小型船舶上,機艙往往位于船體水線之下,采用傳統(tǒng)的推進軸系,即發(fā)動機通過齒輪箱和軸來驅(qū)動螺旋槳,通過甲板上的舵機來驅(qū)動舵板,舵系和軸系是分開設(shè)置的。這些小型船舶,軸穿出機艙的位置有進水的危險,機艙內(nèi)需要有足夠的空間以便人員進去檢修設(shè)備;為了動力設(shè)備的散熱,機艙頂部往往有較大的開敞口,在風浪較大時,容易導致機艙進水,導致設(shè)備損壞。如果機艙頂部不設(shè)置開敞口,就需要設(shè)置機械通風,來帶走動力艙的多余熱量,保持設(shè)備的正常運行和人員檢修所需的環(huán)境。如果能有一種輪機設(shè)計方案,既能消除機艙進水隱患,又不需要通風設(shè)施,那將會在一些碼頭施工作業(yè)的船舶建造中被廣泛應(yīng)用。
某施工單位,已在別的船廠建造過多艘50立方的自航式開體拋石船,然而某項目施工現(xiàn)場,風浪很大,以前建造的自航式開體拋石船不能滿足安全要求。因此,需設(shè)計一種滿足較大風浪要求的小型開體拋石船,需要遙控駕駛功能,并且造價要盡可能低。
船東給出的船舶基本參數(shù)見表1。
表1 船舶基本參數(shù)
船東要求新設(shè)計的開體拋石船不僅滿足安全要求,在主尺度保持原船基本不變的情況下,要盡可能多裝貨,造價盡可能低,需要增加遙控駕駛功能,航速可以稍低于原船。
船體專業(yè)在進行了船舶主尺度的核算、船舶線型設(shè)計后,對船東給出的船舶主尺度進行了修正,最后確定船舶參數(shù),如表2所示。
表2 核算后的船舶基本參數(shù)
根據(jù)船體結(jié)構(gòu),采用艉機艙布置形式,輪機專業(yè)初步擬采用傳統(tǒng)的柴油機驅(qū)動螺旋槳作為推進系統(tǒng),采用簡易式手動液壓操作轉(zhuǎn)舵的操舵系統(tǒng)。采用單機單槳單平板舵。增加遙控功能來滿足安全需求。
根據(jù)船體核算后修正的參數(shù),采用艾亞法進行有效功率估算,7 kn時船的有效功率21.4 kW,需要主機輸出功率56.7 kW??紤]到遙控要求和主機自帶冷卻泵等的需求,初步選用玉柴80 kW的直列、水冷、立式、四沖程、直噴式發(fā)動機組。
根據(jù)《船舶原理》中的螺旋槳圖譜設(shè)計,螺旋槳直徑選用0.75 m,選用四葉槳。
根據(jù)CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2021版,對軸系進行了計算,根據(jù)計算確定軸系主要參數(shù)。螺旋槳直徑為0.8 m,槳數(shù)為4,螺旋槳材料為鎳鋁青銅,軸材料為35#鍛鋼,軸徑DN70,數(shù)量為1套/船。
根據(jù)《CB/T3772-1996柴油機船舶機艙通風設(shè)計條件和計算基準》對該船機艙通風設(shè)計進行了計算,又通過柴油機廠家給定的參數(shù)和溫升要求,核算了機艙通風量。根據(jù)計算結(jié)果,如果采用自然通風,進風口或排風口的面積需至少達到0.50277 m2,若采用菌型通風筒,直徑需達到DN800 mm。根據(jù)船體結(jié)構(gòu),機艙不易開口和布置如此大的風口。若采用機械通風,風口面積可適當減小,但是船東為了節(jié)約成本,并不打算為該船配備發(fā)電機組,以致本船設(shè)計者不容易為機械通風找到合適的動力來源。
如果按傳統(tǒng)推進軸系布置在機艙的方案進行設(shè)計,軸系零部件鍛打定制周期較長,材料費用也較高,而且因施工碼頭海浪較高,機艙要求水密,通風問題不容易解決。因此,設(shè)想是否能將機艙上移,或者有其它更合適的輪機設(shè)計方案。
在為機艙機械通風尋求合適的動力源的過程中,發(fā)現(xiàn)了一種集成式動力艙,可以放置于甲板,為船舶提供動力,不需要機械通風,還可以節(jié)省造船周期,使船舶遙控更容易實現(xiàn)。
柴油機連接齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)、驅(qū)動軸來驅(qū)動全回轉(zhuǎn)舵槳裝置;柴油機同時可驅(qū)動1臺液壓油泵,這臺液壓油泵既給轉(zhuǎn)舵機構(gòu)提供動力,同時可給船舶開體液壓油缸提供動力;柴油機通過皮帶輪驅(qū)動1臺5.5 kW左右的軸帶發(fā)電機。柴油機及其冷卻器、冷卻水泵,齒輪箱,聯(lián)軸節(jié),5.5 kW軸帶發(fā)電機,液壓油泵,柴油日用柜,液壓油柜等全部可布置于動力艙內(nèi)。這樣,所有輪機設(shè)備均可布置于動力艙內(nèi),動力艙兩邊設(shè)計可開閉的百葉門,用于設(shè)備散熱和便于設(shè)備檢修。這種去機艙化設(shè)計,主甲板以下船體結(jié)構(gòu)可設(shè)計成密閉浮體結(jié)構(gòu),船舶安全性又多了一層保障。
經(jīng)過輪機專業(yè)計算,最終選用一臺濰柴(WP4C120-18) 88 kW的四沖程水冷式柴油機作為主機。主機經(jīng)高彈性聯(lián)軸器、液壓離合器、萬向軸,將動力傳遞到舵槳輸入軸,通過舵槳內(nèi)2對螺旋圓錐齒輪、傳動軸,驅(qū)動槳葉旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生推力,使船舶航行。舵槳水下部分可以在360°范圍內(nèi)自由旋轉(zhuǎn),提供全方位推力,改變船舶航向,螺旋槳為固定螺距螺旋槳。離合器為液壓離合器,通過高彈連接主機飛輪。停船不需要停主機,通過離合器的合排、脫排,控制推力的有無。
5.5 kW的軸帶發(fā)電機用于為電控設(shè)備和船上無線遙控設(shè)備提供電源。
雖然該船的控制設(shè)計為在岸基遙控,但考慮到風浪不大時或者遙控功能出現(xiàn)問題時可以在船上駕駛,于是設(shè)計在動力艙前面用鋼板隔離1個駕駛艙,駕駛艙內(nèi)布置駕控臺等電氣設(shè)備。動力艙和駕駛艙共用一道鋼質(zhì)艙壁,共用艙壁的上部只屬于駕駛艙,動力艙低于駕駛艙,共用艙壁只屬于駕駛艙的部分采用鋼化玻璃,增加駕駛艙的視線范圍。駕駛艙的前艙壁的上半部和側(cè)艙壁的上半部分,均安裝鋼化玻璃艙,且在玻璃艙外側(cè)安裝雨刮。駕駛艙的前外側(cè)安裝大汽車用后視鏡,增加駕駛的視線范圍。
經(jīng)過輪機設(shè)備計算選型和動力艙艙內(nèi)設(shè)備布置,最終確定動力艙的尺寸為:長×寬×高=3000 mm×1600 mm×1450 mm;前面駕駛艙尺寸為:長×寬×高=1800 mm×1800 mm×2200 mm。動力艙和駕駛艙的布置如圖1所示。
圖1 動力艙和駕駛艙布置圖
固定螺距螺旋槳在設(shè)計時應(yīng)有推進特性下足夠的裕度。設(shè)計時還應(yīng)考慮經(jīng)濟性,盡量選用廠家已有的系列全回轉(zhuǎn)舵槳機,無需定做,設(shè)計成熟,生產(chǎn)周期更快。
根據(jù)廠家提供的螺旋槳參數(shù)和螺旋槳敞水特性數(shù)據(jù)以及船型,選定伴流分數(shù),計算推力減額分數(shù),在相對旋轉(zhuǎn)效率為1的條件下,進行螺旋槳推進性能計算預(yù)報。根據(jù)船體阻力和螺旋槳推進性能計算預(yù)報數(shù)據(jù),最終預(yù)估該船靜水航速約為6 kn。具體參數(shù)詳見表3~ 5。
表3 螺旋槳基本參數(shù)
表4 螺旋槳敞水特性數(shù)據(jù)
假設(shè)伴流分數(shù) 0.18,推力減額分數(shù) 0.20,相對旋轉(zhuǎn)效率為1 的條件下,推進器推進性能預(yù)報。
表5 推進器性能預(yù)報
航速/kn 伴流分數(shù)推力減額分數(shù)轉(zhuǎn)效率 主機功率 主機轉(zhuǎn)速/r·min-1推力/kN 4 0.159 0.196 1 72.2 1726 9.2 5 0.18 0.2 1 73.6 1760 9 6 0.18 0.2 1 75.2 1800 8.8 7 0.18 0.2 1 71.1 1800 8.1 8 0.18 0.2 1 66.7 1800 7.3 9 0.18 0.2 1 62 1800 6.6 7 0.18 0.2 1 71.1 1800 8.1 8 0.18 0.2 1 66.7 1800 7.3 9 0.18 0.2 1 62 1800 6.6相對旋
根據(jù)船體專業(yè)計算的船舶阻力和以上推進器性能預(yù)報數(shù)據(jù),預(yù)計靜水航速在6 kn左右。
船舶開體形式主要有雙開體和四開體[1]。
雙開體形式:整個船由縱向大致對稱的2個半體組成,在主甲板面設(shè)連接鉸鏈,在艏艉油缸艙設(shè)開體油缸鉸鏈。船體半體在液壓油缸的作用下進行開合運動,船體2個半體繞主甲板鉸鏈軸轉(zhuǎn)動。
四開體形式:船體首部和尾部各自為一個整體,中間石艙部分分為左右2個半體,這樣將船體分為了4個部分。鉸鏈分別設(shè)置在首部片體和石艙處、尾部片體和石艙處,用于連接首尾片體和石艙。開體時,只有石艙左右片體進行開合運動。
四開體形式相對于雙開體形式更復(fù)雜,更加適用于首尾有上建或機艙的較大船舶。該船較小,改為采用可裝配式動力艙后,無船體機艙,所以采用的雙開體形式,但在尾部放置動力艙的地方采用了偏離縱中心線分割開體的形式,及船體首部和石艙區(qū)均是從縱中線分割剖開,到首部放置動力艙前進行過渡斜切,使得船體尾部兩半體分割線偏離中心線,根據(jù)船體專業(yè)穩(wěn)性等計算,最終確定尾部分割線偏離縱中線500 mm,如圖2所示。
圖2 船體開體分割線示意圖
該船首尾油缸艙各設(shè)開體油缸一支,由主機驅(qū)動的液壓泵給液壓開體油缸提供動力,開體油缸作用于油缸鉸鏈支座,油缸鉸鏈支座安裝于油缸艙,鉸鏈支座安裝眼板于油缸安裝孔通過不銹鋼軸安裝連接,并安裝角接觸球軸承。兩半體開合時間定為:開體≤100 s,合體≤60 s。經(jīng)過計算,選用油缸壓力為16 MPa、油缸流量25 L/min時滿足開體要求,液壓泵最高壓力選用25 MPa。經(jīng)過計算和布置優(yōu)化,最終選用液壓開體油缸180/100-1000,即油缸腔內(nèi)徑180 mm,桿徑100 mm,行程1000 mm。油缸配備雙向平衡閥,安裝距離1700 mm。
艏艉油缸艙上方主甲板上開體分割線處各設(shè)置一對甲板鉸鏈,用于連接2個船體片體。每對鉸鏈由2塊橫向立板和1塊中間眼板組成,通過中間銷軸連接而成,并在眼板于銷軸中間安裝軸承[2]。
該船不設(shè)發(fā)電機,主機軸帶5.5 kW發(fā)電機可用于船上輪機設(shè)備控制的供電。
主機與舵槳機的控制主要有:柴油機啟動/停止,轉(zhuǎn)舵、加/減速多功能聯(lián)合操作手柄(其中包含離合器的控制),急停/復(fù)位按鈕,主機轉(zhuǎn)速表、舵角指示表,調(diào)光按鈕,主機、舵槳機及運行指示、故障報警指示燈(其中包含主機故障、舵槳綜合故障、離合器油壓低、轉(zhuǎn)舵油壓低、油溫高等報警)。
開體油缸控制:開體油缸開/合控制使用轉(zhuǎn)舵液壓泵通過電磁閥控制,操作臺設(shè)置控制開關(guān)或按鈕。
液壓泵站實現(xiàn)轉(zhuǎn)舵和控制船體開體油缸開體,液壓系統(tǒng)由軸帶恒流量油泵提供動力,通過控制電磁閥動作,實現(xiàn)轉(zhuǎn)舵和船體開體控制。油缸液壓管路上配備溢流閥和節(jié)流閥等閥組。
動力艙內(nèi)不設(shè)本地控制箱,動力艙內(nèi)所有設(shè)備的控制和監(jiān)視均集成至駕駛室操作臺上,在駕駛室內(nèi)實現(xiàn)所有操作,包含柴油機、齒輪箱、軸帶發(fā)電機、軸帶油泵、液壓閥組等設(shè)備。同時動力艙的控制具備遠程遙控接口。
動力艙內(nèi)的電纜盡可能采用重載連接器進行連接,方便檢修、拆裝;電纜成束敷設(shè),做好防護,動力電纜和通訊電纜分開敷設(shè)。
另外,電氣專業(yè)設(shè)計有用于船舶遙控和定位的GPS、無線通訊、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)。
開體拋石船主要用于碼頭填充拋石作業(yè),海港碼頭在拋石填充階段一般環(huán)境較為惡劣,采用遙控船舶,可以實現(xiàn)零船員要求,去除安全隱患,降低人工成本。設(shè)計選用合適的輪機設(shè)計方案,可以使船舶遙控功能更易于實現(xiàn)。
該船采用去機艙化輪機設(shè)計,動力艙置于主甲板,采用螺栓和墊塊安裝。當駁船用于海外項目,施工結(jié)束后,由于考慮運輸成本駁船殼體往往被扔棄,而采用可裝于集裝箱運輸?shù)膭恿ε撦啓C設(shè)計方案時,動力艙可重復(fù)利用,這樣可較大降低施工成本。目前,該輪機設(shè)計方案已通過實船試驗,得到船東認可。
此外,在設(shè)計過程中需要跟用戶多溝通,了解清楚船舶使用工況,更利于方案的設(shè)計和選用。