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，北京 100071)

0 引言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，運輸船舶的數(shù)量也在不斷增多，這無疑給港口的引航工作帶來很大的挑戰(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)量近年來快速攀升，年引航船舶持續(xù)保持在7萬艘次以上[1-2]。

引航船肩負(fù)著國際船舶進港的水上交通運輸安全責(zé)任。引航母船配備4艘高速噴水推進引航艇，并在駕駛甲板后部設(shè)直升機懸停區(qū)域，可以實現(xiàn)惡劣天氣下?？找惑w的引航員接送模式。在時間、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、外形等方面相對先進，但是存在橫搖幅度過大、耐波性相對較差的問題。當(dāng)前針對引航船總體設(shè)計的研究文獻和資料較少，總體設(shè)計經(jīng)驗交流不充分，不利于該類船型的有序發(fā)展研究。

本文重點論述引航船的設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)以及設(shè)計改進建議，包括采用LNG燃?xì)獍l(fā)電機、應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[4]等綠色創(chuàng)新技術(shù)，旨在對后續(xù)此類船舶的總體設(shè)計方面提供技術(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，主要工作于長江口南、北槽引航交接區(qū)，全年晝夜為進出上海港及長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出上海港及長江沿江各港的船舶領(lǐng)航，同時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)本船為艉機型、雙襟翼舵的引航母船，由2臺中速船用柴油機驅(qū)動固定螺距螺旋槳。

(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)有直升機懸停平臺，艏部設(shè)有1臺艏側(cè)推。本船外形設(shè)計思想符合外形莊嚴(yán)威武、剛毅穩(wěn)重、整體協(xié)調(diào)、流暢的要求，充分體現(xiàn)我國公務(wù)船舶威嚴(yán)的特征和強烈的時代感，兼具客船的靈動。

(3)全船分為前后2個主豎區(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)置機艙、引航工作區(qū)、甲板部和輪機部辦公室、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)置直升機懸停平臺，以滿足直升機接送引航員及相關(guān)人員用途。

(6)小型籃球場(木地板)、健身房、活動室和閱覽室等休閑和娛樂活動場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 推進系統(tǒng)

主推進裝置采用2臺船用中速柴油機，通過齒輪箱、傳動軸系驅(qū)動定距螺旋槳。主機選用MAN 6L27/38船用中速柴油機，主機功率2 190 kW，轉(zhuǎn)速800 r/min；齒輪箱型號GWS52/59，減速比3。

主機擬采用環(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。主機推進曲線與設(shè)計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)動推進軸系。主機額定功率選取時，預(yù)留15%的裕度。齒輪箱與主機采用橡膠高彈聯(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，因而電站選型時需兼顧最大負(fù)載需求。本船電站由3臺主柴油發(fā)電機組(型號MAN B&W 7L16/24，單臺功率660 kW)和1臺應(yīng)急兼停泊柴油發(fā)電機組(400 kW×1 000 r/min)組成。發(fā)電機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個動力系統(tǒng)和船舶系統(tǒng)，為船舶正常運行提供保障。

2.4 管系設(shè)計

輪機管系在設(shè)計時需要考慮所用材質(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)備和管路選型時采用無石棉材質(zhì)。對大氣有影響的設(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)計關(guān)鍵技術(shù)

3.1 主尺度

3.1.1 船長的確定

船長L(水線長)是決定船舶性能最主要的因素，選擇合適的船長是主尺度確定的首要前提。對于本船型而言，選擇船舶總長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，該水域最大的特點是長期存在50～80 m的長涌浪。為提升船舶的適用海況、保證引航員登乘作業(yè)時的安全性和提高作業(yè)人員的舒適性，針對本海域長涌浪的特點，需把船舶的耐波性(縱搖和升沉)作為船舶性能重點考慮的因素，而船舶耐波性的關(guān)鍵因素是船長(水線長度)。

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

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

3.1.2 方型系數(shù)的確定

方形系數(shù)Cp是一個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 布置原則和特點說明

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。其布置有以下幾個方面的設(shè)計特點：

(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，空間獨立。按照工作性質(zhì)和特點要求，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)兩主機艙和輔機艙，主要設(shè)備分區(qū)布置，方便船員操作。每個機艙設(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)有直升機平臺，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。

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)計時應(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。

?舭龍骨是最簡便而有效的減搖裝置，加大舭龍骨面積，通過增加漩渦阻尼產(chǎn)生穩(wěn)定力矩達到減緩橫搖和縱搖目的，從而減小橫搖角。特別是對于方形系數(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圖2、圖3。雖然增大舭龍骨會略微增大船舶阻力，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，對船型進行優(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，水線進水角??；后體線型收縮緩。此線型兼顧靜水阻力性能、推進性能和風(fēng)浪中的失速等問題，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，本船進行總體布局時對艙室面積、層高、自然采光和通道設(shè)置作全面優(yōu)化設(shè)計。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)計運用新科技、新材料等綠色環(huán)保技術(shù)來滿足人體環(huán)境學(xué)要求。本船的噪聲和振動控制，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。特別是通過有限元分析，對振動、噪聲進行分析預(yù)報。通過以上多種手段措施協(xié)同，船舶舒適性達到較高的水平。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

本船航行于沿海航區(qū)，結(jié)構(gòu)強度按近海航區(qū)設(shè)計。但是考慮到本船工作特點，對外板及甲板進行加厚以滿足無限航區(qū)的要求。針對艉部及舷側(cè)頂推作業(yè)位置、主要設(shè)備特殊設(shè)計加強結(jié)構(gòu)，保證其工作安全性；采用有限元方法對船體的整體及局部振動進行分析，保證結(jié)構(gòu)的剛性，控制振動，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)海域往來及停泊船只較多，因此引航船的動力系統(tǒng)需要具備快速備航、快速起動、靈活機動、高可靠性等優(yōu)良性能，這對主機及推進系統(tǒng)、發(fā)電機組、艏側(cè)推等主要動力設(shè)備的性能、運行穩(wěn)定性、可維護性等指標(biāo)提出了較高的要求。

(1)主機選型從以下方面考慮：進出港頻繁，主機高速和低速轉(zhuǎn)換頻繁，主機操縱性能及可靠性要高；居住人員多，舒適性要高，主機引起的振動要?。痪G色環(huán)保，經(jīng)濟性好；機艙空間有限，設(shè)備尺寸限制，設(shè)備維護空間有限；排氣質(zhì)量要高；基于航速下的主機功率，主機的選型按可以15 kn航速選擇。

(2)發(fā)電機選型從以下方面考慮：進出港頻繁，發(fā)電機需要頻繁啟動，可靠性要高；錨泊工況時發(fā)電機負(fù)荷需要不斷變化，負(fù)載適應(yīng)性要強；功率匹配合適，電站負(fù)荷率合理，柴油機經(jīng)濟性要好；系統(tǒng)配套設(shè)備少，運行維護簡便；實例中綜合幾種機型的參數(shù)對比，MAN B&W 7L16/24發(fā)電機組經(jīng)濟環(huán)保，滿足使用要求，最適合本船。機組輸出功率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，可快速方便地調(diào)整船舶方向；在海上避讓時要求快速調(diào)整船舶方向；本船的艏側(cè)推需要推力約為70 kN，推進電機的功率約為500 kW；從維護成本、安裝方便性、維修空間等因素綜合出發(fā)，本船的艏側(cè)推采用變頻電機驅(qū)動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

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)特點和特殊需求，引入郵輪空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計理念，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，同時噪聲振動要小，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)濟實用。

(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臺冷水機組，兩用一備。每臺制冷量為總需要負(fù)荷的50%。多功能會議室、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，布置太陽能光伏設(shè)備。使用LNG和太陽能光伏，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350 kW LNG燃?xì)馔２窗l(fā)電機既可用于輔助引航，也可滿足春秋兩季錨泊工況的用電需求。2臺燃?xì)馔２窗l(fā)電機還可互為備用，便于燃?xì)獍l(fā)電機的維護和保養(yǎng)。

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

3.8 船舶物聯(lián)通信系統(tǒng)設(shè)計

引航船物聯(lián)通信系統(tǒng)包含船舶遠程監(jiān)控管理、視頻監(jiān)控、船舶工況監(jiān)控、能耗管理、手機APP、視頻會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，對船舶各種數(shù)據(jù)進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)濟的解決方案，同時隨著時間的推移，可對整體船舶進行科學(xué)的評估，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，也有符合其特殊工作要求的獨到之處。本文結(jié)合該類船型的整個設(shè)計思路和過程，對設(shè)計重要參數(shù)和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進行了論述，形成以下研究結(jié)果：

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

(2)對于重要關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的確定提出選擇措施和評估方法，以便更有實際應(yīng)用價值。

(3)為后續(xù)船型的優(yōu)化設(shè)計提供相應(yīng)參考，促進該船型的設(shè)計研究和發(fā)展，以利于通過設(shè)計轉(zhuǎn)化成實船，并進而借助實船的運行驗證設(shè)計的各方面綜合性能。