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        一種遙控開體拋石船的輪機(jī)設(shè)計(jì)

        2022-05-09 09:28:34程婷菲
        船舶物資與市場 2022年4期
        關(guān)鍵詞:輪機(jī)駕駛艙機(jī)艙

        程婷菲

        (中交四航局江門航通船業(yè)有限公司,廣東 江門529145)

        0 引言

        在碼頭施工作業(yè)中,常常會(huì)用到小型工程船舶,這些小型工程船舶結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低,但在風(fēng)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(jī)艙往往位于船體水線之下,采用傳統(tǒng)的推進(jìn)軸系,即發(fā)動(dòng)機(jī)通過齒輪箱和軸來驅(qū)動(dòng)螺旋槳,通過甲板上的舵機(jī)來驅(qū)動(dòng)舵板,舵系和軸系是分開設(shè)置的。這些小型船舶,軸穿出機(jī)艙的位置有進(jìn)水的危險(xiǎn),機(jī)艙內(nèi)需要有足夠的空間以便人員進(jìn)去檢修設(shè)備;為了動(dòng)力設(shè)備的散熱,機(jī)艙頂部往往有較大的開敞口,在風(fēng)浪較大時(shí),容易導(dǎo)致機(jī)艙進(jìn)水,導(dǎo)致設(shè)備損壞。如果機(jī)艙頂部不設(shè)置開敞口,就需要設(shè)置機(jī)械通風(fēng),來帶走動(dòng)力艙的多余熱量,保持設(shè)備的正常運(yùn)行和人員檢修所需的環(huán)境。如果能有一種輪機(jī)設(shè)計(jì)方案,既能消除機(jī)艙進(jìn)水隱患,又不需要通風(fēng)設(shè)施,那將會(huì)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(xiàng)目施工現(xiàn)場,風(fēng)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(jì)一種滿足較大風(fēng)浪要求的小型開體拋石船,需要遙控駕駛功能,并且造價(jià)要盡可能低。

        1 設(shè)計(jì)輸入

        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(jì)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(jià)盡可能低,需要增加遙控駕駛功能,航速可以稍低于原船。

        2 輪機(jī)專業(yè)初步設(shè)計(jì)計(jì)算

        船體專業(yè)在進(jìn)行了船舶主尺度的核算、船舶線型設(shè)計(jì)后,對船東給出的船舶主尺度進(jìn)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(jī)艙布置形式,輪機(jī)專業(yè)初步擬采用傳統(tǒng)的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳作為推進(jìn)系統(tǒng),采用簡易式手動(dòng)液壓操作轉(zhuǎn)舵的操舵系統(tǒng)。采用單機(jī)單槳單平板舵。增加遙控功能來滿足安全需求。

        2.1 螺旋槳設(shè)計(jì)

        根據(jù)船體核算后修正的參數(shù),采用艾亞法進(jìn)行有效功率估算,7 kn時(shí)船的有效功率21.4 kW,需要主機(jī)輸出功率56.7 kW??紤]到遙控要求和主機(jī)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(dòng)機(jī)組。

        根據(jù)《船舶原理》中的螺旋槳圖譜設(shè)計(jì),螺旋槳直徑選用0.75 m,選用四葉槳。

        2.2 軸系初步設(shè)計(jì)計(jì)算

        根據(jù)CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2021版,對軸系進(jìn)行了計(jì)算,根據(jù)計(jì)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。

        2.3 機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算

        根據(jù)《CB/T3772-1996柴油機(jī)船舶機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)條件和計(jì)算基準(zhǔn)》對該船機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了計(jì)算,又通過柴油機(jī)廠家給定的參數(shù)和溫升要求,核算了機(jī)艙通風(fēng)量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,如果采用自然通風(fēng),進(jìn)風(fēng)口或排風(fēng)口的面積需至少達(dá)到0.50277 m2,若采用菌型通風(fēng)筒,直徑需達(dá)到DN800 mm。根據(jù)船體結(jié)構(gòu),機(jī)艙不易開口和布置如此大的風(fēng)口。若采用機(jī)械通風(fēng),風(fēng)口面積可適當(dāng)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(jī)組,以致本船設(shè)計(jì)者不容易為機(jī)械通風(fēng)找到合適的動(dòng)力來源。

        3 輪機(jī)專業(yè)技術(shù)方案設(shè)計(jì)

        如果按傳統(tǒng)推進(jìn)軸系布置在機(jī)艙的方案進(jìn)行設(shè)計(jì),軸系零部件鍛打定制周期較長,材料費(fèi)用也較高,而且因施工碼頭海浪較高,機(jī)艙要求水密,通風(fēng)問題不容易解決。因此,設(shè)想是否能將機(jī)艙上移,或者有其它更合適的輪機(jī)設(shè)計(jì)方案。

        3.1 可放置于集裝箱內(nèi)的動(dòng)力艙設(shè)計(jì)

        在為機(jī)艙機(jī)械通風(fēng)尋求合適的動(dòng)力源的過程中,發(fā)現(xiàn)了一種集成式動(dòng)力艙,可以放置于甲板,為船舶提供動(dòng)力,不需要機(jī)械通風(fēng),還可以節(jié)省造船周期,使船舶遙控更容易實(shí)現(xiàn)。

        柴油機(jī)連接齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)、驅(qū)動(dòng)軸來驅(qū)動(dòng)全回轉(zhuǎn)舵槳裝置;柴油機(jī)同時(shí)可驅(qū)動(dòng)1臺(tái)液壓油泵,這臺(tái)液壓油泵既給轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力,同時(shí)可給船舶開體液壓油缸提供動(dòng)力;柴油機(jī)通過皮帶輪驅(qū)動(dòng)1臺(tái)5.5 kW左右的軸帶發(fā)電機(jī)。柴油機(jī)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(jī),液壓油泵,柴油日用柜,液壓油柜等全部可布置于動(dòng)力艙內(nèi)。這樣,所有輪機(jī)設(shè)備均可布置于動(dòng)力艙內(nèi),動(dòng)力艙兩邊設(shè)計(jì)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(jī)艙化設(shè)計(jì),主甲板以下船體結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)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(jī)專業(yè)計(jì)算,最終選用一臺(tái)濰柴(WP4C120-18) 88 kW的四沖程水冷式柴油機(jī)作為主機(jī)。主機(jī)經(jīng)高彈性聯(lián)軸器、液壓離合器、萬向軸,將動(dòng)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(dòng)軸,驅(qū)動(dòng)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(jī)飛輪。停船不需要停主機(jī),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(jī)用于為電控設(shè)備和船上無線遙控設(shè)備提供電源。

        3.2 駕駛艙設(shè)計(jì)

        雖然該船的控制設(shè)計(jì)為在岸基遙控,但考慮到風(fēng)浪不大時(shí)或者遙控功能出現(xiàn)問題時(shí)可以在船上駕駛,于是設(shè)計(jì)在動(dòng)力艙前面用鋼板隔離1個(gè)駕駛艙,駕駛艙內(nèi)布置駕控臺(tái)等電氣設(shè)備。動(dòng)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(dòng)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(jī)設(shè)備計(jì)算選型和動(dòng)力艙艙內(nèi)設(shè)備布置,最終確定動(dòng)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(dòng)力艙和駕駛艙的布置如圖1所示。

        圖1 動(dòng)力艙和駕駛艙布置圖

        3.3 螺旋槳推進(jìn)性能估算

        固定螺距螺旋槳在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有推進(jìn)特性下足夠的裕度。設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性,盡量選用廠家已有的系列全回轉(zhuǎn)舵槳機(jī),無需定做,設(shè)計(jì)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?jǐn)?shù),計(jì)算推力減額分?jǐn)?shù),在相對旋轉(zhuǎn)效率為1的條件下,進(jìn)行螺旋槳推進(jìn)性能計(jì)算預(yù)報(bào)。根據(jù)船體阻力和螺旋槳推進(jìn)性能計(jì)算預(yù)報(bào)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?jǐn)?shù) 0.18,推力減額分?jǐn)?shù) 0.20,相對旋轉(zhuǎn)效率為1 的條件下,推進(jìn)器推進(jìn)性能預(yù)報(bào)。

        表5 推進(jìn)器性能預(yù)報(bào)

        航速/kn 伴流分?jǐn)?shù)推力減額分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)效率 主機(jī)功率 主機(jī)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(jì)算的船舶阻力和以上推進(jìn)器性能預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),預(yù)計(jì)靜水航速在6 kn左右。

        3.4 石艙開體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        船舶開體形式主要有雙開體和四開體[1]。

        雙開體形式:整個(gè)船由縱向大致對稱的2個(gè)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(jìn)行開合運(yùn)動(dòng),船體2個(gè)半體繞主甲板鉸鏈軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

        四開體形式:船體首部和尾部各自為一個(gè)整體,中間石艙部分分為左右2個(gè)半體,這樣將船體分為了4個(gè)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(shí),只有石艙左右片體進(jìn)行開合運(yùn)動(dòng)。

        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(jī)艙的較大船舶。該船較小,改為采用可裝配式動(dòng)力艙后,無船體機(jī)艙,所以采用的雙開體形式,但在尾部放置動(dòng)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(dòng)力艙前進(jìn)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(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓泵給液壓開體油缸提供動(dòng)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(shí)間定為:開體≤100 s,合體≤60 s。經(jīng)過計(jì)算,選用油缸壓力為16 MPa、油缸流量25 L/min時(shí)滿足開體要求,液壓泵最高壓力選用25 MPa。經(jīng)過計(jì)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(gè)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]。

        4 輪機(jī)設(shè)備控制設(shè)計(jì)

        該船不設(shè)發(fā)電機(jī),主機(jī)軸帶5.5 kW發(fā)電機(jī)可用于船上輪機(jī)設(shè)備控制的供電。

        主機(jī)與舵槳機(jī)的控制主要有:柴油機(jī)啟動(dòng)/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(jī)轉(zhuǎn)速表、舵角指示表,調(diào)光按鈕,主機(jī)、舵槳機(jī)及運(yùn)行指示、故障報(bào)警指示燈(其中包含主機(jī)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(bào)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(tái)設(shè)置控制開關(guān)或按鈕。

        液壓泵站實(shí)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(dòng)力,通過控制電磁閥動(dòng)作,實(shí)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(dòng)力艙內(nèi)不設(shè)本地控制箱,動(dòng)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(tái)上,在駕駛室內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有操作,包含柴油機(jī)、齒輪箱、軸帶發(fā)電機(jī)、軸帶油泵、液壓閥組等設(shè)備。同時(shí)動(dòng)力艙的控制具備遠(yuǎn)程遙控接口。

        動(dòng)力艙內(nèi)的電纜盡可能采用重載連接器進(jìn)行連接,方便檢修、拆裝;電纜成束敷設(shè),做好防護(hù),動(dòng)力電纜和通訊電纜分開敷設(shè)。

        另外,電氣專業(yè)設(shè)計(jì)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)。

        5 結(jié)語

        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(shí)現(xiàn)零船員要求,去除安全隱患,降低人工成本。設(shè)計(jì)選用合適的輪機(jī)設(shè)計(jì)方案,可以使船舶遙控功能更易于實(shí)現(xiàn)。

        該船采用去機(jī)艙化輪機(jī)設(shè)計(jì),動(dòng)力艙置于主甲板,采用螺栓和墊塊安裝。當(dāng)駁船用于海外項(xiàng)目,施工結(jié)束后,由于考慮運(yùn)輸成本駁船殼體往往被扔棄,而采用可裝于集裝箱運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力艙輪機(jī)設(shè)計(jì)方案時(shí),動(dòng)力艙可重復(fù)利用,這樣可較大降低施工成本。目前,該輪機(jī)設(shè)計(jì)方案已通過實(shí)船試驗(yàn),得到船東認(rèn)可。

        此外,在設(shè)計(jì)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(jì)和選用。

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