孫成琪，陳 波

(廣東海洋大學(xué) 航海學(xué)院，廣東 湛江 524025)

0 引言

我國(guó)的玻璃鋼游艇是從20世紀(jì)70年代開(kāi)始起步的，前期發(fā)展速度緩慢。近年來(lái)，隨著國(guó)家出臺(tái)促進(jìn)發(fā)展游艇行業(yè)及濱水旅游休閑產(chǎn)業(yè)的政策，玻璃鋼游艇業(yè)發(fā)展迅速，玻璃鋼游艇也越來(lái)越普及。因此，合理設(shè)計(jì)玻璃鋼游艇的各個(gè)系統(tǒng)以提高游艇的安全舒適性，并減少對(duì)海洋環(huán)境的污染，對(duì)玻璃鋼游艇行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)玻璃鋼游艇安全舒適性和減少海洋環(huán)境污染方面的研究較少。大部分文獻(xiàn)針對(duì)玻璃鋼游艇的強(qiáng)度分析計(jì)算、或者模塊化建造方案的解決方法，而對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)研究較少。因此，選型游艇要考慮游艇的動(dòng)力系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，使其既要滿(mǎn)足安全舒適性，又要滿(mǎn)足國(guó)際公約和國(guó)內(nèi)法規(guī)有關(guān)防污染的要求。本文以Mona56玻璃鋼游艇為研究對(duì)象，首先確定其機(jī)艙主要設(shè)備，并給出詳細(xì)參數(shù)；然后對(duì)游艇的燃油系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，給出主要設(shè)備的型號(hào)；最后，確定游艇的生活污水處理系統(tǒng)。通過(guò)以上研究分析，Volvo D13-900 IPS作為游艇的推進(jìn)系統(tǒng)可大大提高游艇的舒適性、安全性和操縱性，生活污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也極大地減少了游艇對(duì)近海海域的污染。

1 機(jī)艙主要設(shè)備的參數(shù)

Mona56玻璃鋼游艇采用2臺(tái)Volvo D13-900 高性能舷內(nèi)推進(jìn)系統(tǒng)(Inboard Performance System，IPS)，并配有雙增壓系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的直軸安裝相比，安裝了IPS系統(tǒng)的船艇能在水下360°自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可減少30%的油耗，使船艇航行速度更快。此外，借助Volvo Penta的操縱桿，駕駛游艇在擁擠的碼頭穿梭、停泊變得易如反掌。駕駛?cè)藛T只要輕輕推動(dòng)操縱桿，引擎就會(huì)精確地對(duì)船艇自動(dòng)進(jìn)行定位。主電力系統(tǒng)由位于機(jī)艙的1臺(tái)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)組組成，并設(shè)1臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)。 主、輔機(jī)均燃用船用輕柴油(MDO)。

主機(jī)采用Volvo D13-900柴油機(jī)，可以滿(mǎn)足美國(guó)聯(lián)邦環(huán)保署(EPA)Tier 2排放標(biāo)準(zhǔn)，有能力滿(mǎn)足Tier 3的要求。主機(jī)的主要參數(shù)為：額定功率662 kW,額定轉(zhuǎn)速2 300 r/min,缸數(shù)6,內(nèi)徑131 mm,行程158 mm。

發(fā)電機(jī)采用意大利Mase IS 100T 三相發(fā)電機(jī)。其主要技術(shù)參數(shù)為：輸出功率103 kW，頻率50 Hz，轉(zhuǎn)速1 500 r/min。

本游艇使用BADA C1012C豪華型錨機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便。為了美觀，甲板上錨機(jī)的鏈輪采用不銹鋼316材料，表面作拋光處理。錨機(jī)鏈輪離合可調(diào)節(jié)，可配用鏈條或鏈繩混合。為了運(yùn)行平穩(wěn)，錨機(jī)的電機(jī)減速箱垂直安裝在甲板下面。另外，BADA C1012C豪華型錨機(jī)功率大，速度高，因此，游艇可在海況惡劣的情況下錨泊。

2 實(shí)船動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Mona56玻璃鋼游艇主要系統(tǒng)包括燃油系統(tǒng)、生活污水管路系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)。系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)關(guān)系著游艇安全高效的航行。本文對(duì)游艇的各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)與說(shuō)明。

2.1 燃油系統(tǒng)

燃油系統(tǒng)是船舶動(dòng)力系統(tǒng)之一，其主要作用是提供柴油機(jī)所要求的燃油。燃油系統(tǒng)主要包括燃油的注入、貯存、駁運(yùn)、凈化處理和燃油供給5個(gè)基本環(huán)節(jié)。其主要工作原理如下：

(1)注入：燃油通岸接頭安裝在船舶甲板兩舷，加入的燃油可以通過(guò)其注入到燃油系統(tǒng)中。

(2)貯存：貯存在6個(gè)分別為888.9 L的燃油儲(chǔ)存柜中。

(3)駁運(yùn)：通過(guò)1臺(tái)燃油離心泵和1臺(tái)燃油泵從6個(gè)燃油艙駁運(yùn)燃油到燃油凈化設(shè)備中，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)油艙之間的燃油駁運(yùn)操作。

(4)凈化處理：燃油的凈化通過(guò)1臺(tái)燃油泵和1臺(tái)燃油離心分油機(jī)將燃油儲(chǔ)存柜燃油凈化后注入日用柜；燃油日用柜包括2個(gè)800 L的油柜，在日用柜中通過(guò)沉淀、放殘進(jìn)一步凈化。

(5)燃油供給：日用柜的燃油通過(guò)燃油供給系統(tǒng)輸送給主、輔機(jī)。燃油泵供給管路和燃油儲(chǔ)存柜之間的管路上要安裝球閥，其作用是可以隨時(shí)切斷燃油供給。燃油的供油管路上一般要安裝雙聯(lián)濾器，濾器的清洗可以在燃油系統(tǒng)正常工作時(shí)完成。燃油管路和閥件選用鑄鐵材料，一般用在設(shè)計(jì)壓力低于0.7 MPa、設(shè)計(jì)溫度低于60 ℃的燃油管系上。

2.1.1 主機(jī)燃油日消耗量

游艇的使用主要用于休閑而不是運(yùn)輸，因此，以假定游艇每天最大航行時(shí)間8 h來(lái)計(jì)算游艇的主機(jī)燃油消耗量。其計(jì)算公式見(jiàn)式(1)：

Bz=bzPebt1Z1

(1)

式中：Bz為主機(jī)燃油日消耗量,kg/d；bz為主機(jī)燃油消耗率，bz=0.31 kg/kWh；Peb為主機(jī)標(biāo)定功率，Peb=662 kW；t1為計(jì)算時(shí)間，t1=8 h/d；z1為主機(jī)臺(tái)數(shù)，z1=2。

經(jīng)計(jì)算，Bz=3 284 kg/d。

2.1.2 輔機(jī)燃油日消耗量

輔機(jī)主要用來(lái)發(fā)電，保證海上航行的游艇24 h電力的正常供給，因此，輔機(jī)的工作時(shí)間取24 h。輔機(jī)燃油日消耗量采用式(2)進(jìn)行計(jì)算：

Bf=bfPft2kz

(2)

式中：Bf為輔機(jī)燃油日消耗量,kg/d；bf為輔機(jī)燃油消耗率，bf=0.23 kg/kWh；Pf為輔機(jī)標(biāo)定功率，Pf=160 kW；t2為計(jì)算時(shí)間，t2=24 h；z2為輔機(jī)臺(tái)數(shù)，z2=1；k為輔機(jī)負(fù)荷系數(shù)，k=0.85。

經(jīng)計(jì)算，Bf=751 kg/d。

2.1.3 日用油柜容積

日用油柜儲(chǔ)存的燃油要能滿(mǎn)足主輔機(jī)每天的最大用量，并留有余量。日用油柜容積選取按照式(3)計(jì)算：

(3)

式中：V為主機(jī)日用油柜容積,m3；ρ為燃油密度，ρ=825 kg/m3；C為容積系數(shù)，取C=1.1。

經(jīng)計(jì)算，V=4.89 m3。

2.2 生活污水管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 排放要求

船舶生活污水包括黑水和灰水。黑水指來(lái)自于船舶衛(wèi)生間、醫(yī)務(wù)室、裝載活動(dòng)物處的廢水和廢物；灰水指來(lái)自于廚房、洗衣房和盥洗室等處的廢水和廢物。

根據(jù)國(guó)際公約要求，如果要排放經(jīng)過(guò)粉碎和消毒的生活污水，那么船舶必須遠(yuǎn)離最近陸地4 n mile以上，且船上所使用的生活污水處理裝置要符合要求；如果要排放未經(jīng)過(guò)粉碎和消毒處理過(guò)的生活污水，那么船舶要遠(yuǎn)離最近陸地12 n mile以上。需要注意的是，排放灰水箱的生活污水時(shí)不得頃刻排放，而應(yīng)在航行中，且船速不少于4 kn， 排放速率在中等以上。

為了盡量減少船舶生活污水對(duì)近海水域的污染，本艇將各艙室的生活污水收集在各自的污水收集箱內(nèi)，經(jīng)總管匯集到灰水箱里，靠岸時(shí)通過(guò)生活污水粉碎輸送泵經(jīng)過(guò)通岸接頭排至岸邊接收裝置。

2.2.2 設(shè)備要求

(1)直流污水泵：在距最近陸地12 n mile以?xún)?nèi)排放生活污水時(shí)，生活污水需要通過(guò)生活污水粉碎輸送泵(型號(hào)：SEAFLO DC Macerator Pump SFMP1-120-01)粉碎后排出舷外。該裝置的性能和實(shí)驗(yàn)程序要符合國(guó)際海事組織環(huán)保決議MPEC2(IV)(生活污水處理裝置國(guó)際排放標(biāo)準(zhǔn)和性能試驗(yàn)規(guī)程)的規(guī)定，并按MEPC8 WP.3(生活污水處理裝置型式試驗(yàn)和認(rèn)可準(zhǔn)則)的要求進(jìn)行過(guò)型式認(rèn)證。

(2)標(biāo)準(zhǔn)排放接頭：游艇上必須要安裝排放接頭，其接頭要能與岸上的接受設(shè)備良好連接。玻璃鋼游艇上使用的材料為PVC鋁塑管，管子的最大內(nèi)徑要小于100 mm，連接的墊圈要能夠承受0.6 MPa的工作壓力。

2.3 游艇推進(jìn)系統(tǒng)

本游艇的推進(jìn)系統(tǒng)采用VOLVO PENTA的IPS系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸和螺旋槳組合到一起構(gòu)成了IPS系統(tǒng)，以上3個(gè)設(shè)備在傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)中是互相分開(kāi)的。IPS推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)效率高：由于發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸和螺旋槳有機(jī)組合安裝，與傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)相比，IPS系統(tǒng)效率有明顯提高。用戶(hù)提供數(shù)據(jù)顯示：發(fā)動(dòng)機(jī)效率、最高速度和加速性能分別提高35%、20%和15%，同時(shí)可使整體的油耗和噪聲分別減低了30%和50%，游艇的航速提高到40 kn以上。

(2)操作性能好：IPS能提供更小的轉(zhuǎn)彎半徑和更好的轉(zhuǎn)彎速度，推進(jìn)方向可以任意選擇，不必裝備側(cè)推器；配備Joystick搖桿，操縱輕松，搖桿與舷外部分之間的聯(lián)系通過(guò)EVC電子控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

(3)電子控制系統(tǒng)：是一種將全艇內(nèi)外所有控制系統(tǒng)集成、統(tǒng)一進(jìn)行管理控制的電子系統(tǒng)。所有信息，如操控指令、發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)、油門(mén)位置等可以在同一個(gè)顯示屏顯示。

(4)舒適性：IPS的舷外驅(qū)動(dòng)單元將推進(jìn)負(fù)載直接傳導(dǎo)給船體，因而艇上人員感知的發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)大為減少。同時(shí)，在舷外驅(qū)動(dòng)單元上開(kāi)進(jìn)水口和安裝排氣管，一方面避免了船體單獨(dú)開(kāi)口，另一方面還可利用排出廢氣的推力；采用IPS系統(tǒng)，游艇可多一個(gè)休息室空間。推進(jìn)系統(tǒng)安裝在船尾甲板下，減少了主客廳中的噪聲污染。

(5)安裝容易：IPS系統(tǒng)由于整個(gè)軸系和螺旋槳整體組合，大大減少了安裝所需工時(shí)；設(shè)計(jì)舷外部分已經(jīng)達(dá)到最小化，減少了維護(hù)和保養(yǎng)的周期。 (6)安全性：使用青銅和不銹鋼材料作為IPS的舷外部分，使得舷外部分緊湊、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活和結(jié)實(shí)，可以最大限度地避免和水中物體直接碰撞。

3 結(jié)論

Mona56玻璃鋼游艇是針對(duì)美國(guó)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，目前在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)具有良好的銷(xiāo)量。通過(guò)本文研究得出以下結(jié)論：

(1)游艇配備的Volvo D13-900主機(jī)滿(mǎn)足美國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)電機(jī)采用意大利Mase IS 100T 三相發(fā)電機(jī)，使用 BADA C1012C型號(hào)豪華錨機(jī)。

(2)通過(guò)對(duì)燃油系統(tǒng)的計(jì)算得到：主機(jī)燃油日消耗量為3 284 kg/d，輔機(jī)燃油日消耗量為751 kg/d，日用油柜容積為4.89 m3。

(3)本游艇的推進(jìn)系統(tǒng)效率高、易操作、舒適性好、安裝容易和安全可靠。