拖带无动力船舶时拖轮配置计算方法比较分析

王 千

（南通航运职业技术学院 航海系，江苏 南通 226010）

0 引言

在港口快速发展的过程中，拖轮协助进出港船舶靠离泊是港口生产不可或缺的一部分。拖轮的作用主要有：在水域受限时，协助大船转向；大船或恶劣天气情况下，协助大船系、离泊；航道中航行时，协助大船控制航向。因此，船舶在进出港靠离泊作业、移泊作业及无动力船的拖带等过程中需要拖轮的协助。无动力船舶主要指舾装船舶、半潜驳船及主机失灵船舶等。在内河港内或航道中如何为无动力船舶合理配置拖轮重要性至关重要。如何合理配置拖轮马力，确保拖轮功率配置满足无动力船舶安全航行的需求是需要重点考虑的问题。否则，若拖轮功率配置不合理，将直接影响港口水域及无动力船舶的通航安全。本文以舾装船舶作为研究对象，对其拖轮功率配置计算方法进行比较分析，得出各自计算方法的优缺点及适用条件，从而为无动力船舶拖轮功率配置提供一定的参考依据。

1 无动力船舶拖带操纵特点

第一，在拖带过程中无动力船舶将受到风、水流等因素的影响，如果风、水流作用力的方向与船舶前进方向相反，即拖带船舶阻力。对于正常船舶而言，船舶本身可以提供舵力克服摩擦阻力，而对于无动力船舶而言，需要依靠拖轮提供的推力来克服摩擦阻力。对于拖轮而言，受拖航速度、风、水流等海况影响所能提供的实时拖力是变化的。一般而言，拖航速度为“0”时，拖轮可提供的拖力最大，即为拖轮的系柱拖力。随着航速的提高，拖轮可提供的拖力呈线性下降。

第二，由于无动力拖带船队的尺度大，水线面以上受风面积大（如舾装船舶都为空载），所以船队易受风、水流等因素的影响发生偏转、漂移，船队应舵能力、航向稳定性较差，船队转向、避让的操作难度大。同时由于船体较大，组合船队转动惯量大，操纵时忌用急舵。

第三，无动力船舶（舾装船舶）船体高大，将一定程度上影响驾驶人员对拖带船队全方位的正确观察，拖轮的导/助航设备的使用性能也受到一定程度的限制。

第四，拖带无动力船舶的船队之间通过缆绳系固，系固强度较弱。系固强度受风、水流及驾驶人员操作是否正确操纵等因素的影响，存在断缆、散队等风险。同时，船队的操纵需要多艘船舶、多个部门之间相互配合，相互协调。

2 拖轮功率配置计算方法

本文就无动力船舶中的舾装船舶为例，利用以下五种关于拖轮功率配置的计算方法进行计算。然后再对五种计算方法进行比较分析，得出五种计算方法的优缺点及适用条件。本文的研究船型主要尺度如表1所示。

表1 无动力船舶（舾装船舶）船型尺度

2.1 根据《海港总平面设计规范》计算

按照《海港总平面设计规范》（JTJ 211-99）中关于港作拖船的规定，港作拖船的总功率，可根据进出港船舶的载重吨位进行计算，如式（1）所示。

BHP=kQ（1）

式中：BHP 为所需港作拖船总功率（kW）；k 为系数，DWT≤20 000t，取 0.075，20 000t〈DWT≤50 000t，取0.06，DWT〉50 000t，取 0.05；Q 为进出港设计船型的载重吨（t）。[1]

根据规范中关于拖轮马力配置的计算方法可以计算本文3万吨级无动力船舶（舾装船舶）所需马力为2 499匹（1 800kW）。

2.2 根据内河拖带实际操作经验计算

根据文献2中关于拖轮马力配置的方法，可以计算出3万吨级无动力船舶（舾装船舶）所需的拖轮马力为3 333匹（2 450kW）。[2]

2.3 根据国内学者的经验计算

根据文献3中关于拖轮马力配置的方法，拖轮一般按进港船舶的吨位大小和船长来相应地分配拖轮的马力和数量，配置原则如表2所示。[3]

表2 拖带船船长与拖轮马力配置原则

本文3万吨级无动力船舶（舾装船舶）船长为179m，为空载船舶，属于被拖带船船长（100-200m）范围内中方案一类型，因此拖轮配置方案为2艘2 600匹拖轮（1 911kW），该方案拖轮马力最大输出值为5 200匹（3 822kW）。

2.4 根据日本岩井聪理论模型计算

根据日本岩井聪提出的理论，船舶靠泊所需最大拖船功率满足两项要求，一是克服推船入泊时的水阻力，二是克服推船入泊时的风力的影响，则拖船应提供的总推力技术如式（2）所示。

式中：P 为拖船的总推力（N）；ρw为海水密度（1 025kg/m3）；ρα为空气密度（0.125kg/m3）；Cw为水动力系数；Aw为水线下船体正面投影面积（m2）；Bα为船体水线上侧受风面积（m2）；Vy为船舶横移靠岸速度，根据规范取 0.15m/s；Vw为相对流速，m/s；Vα为相对风速，m/s；Cα为风动力系数。

根据靠泊操作的实际情况，对船舶靠泊时的受力情况，分垂直于岸线方向和顺水流方向两个方向进行计算。

（1）在垂直于岸线方向上，假设流压角为5°，根据分析可知，Aw、Vw、Bα等三个参数的计算分别如式（3）、（4）、（5）所示。

式中，L为垂线间长度（m），计算时以设计船长代替；d为实际吃水（m），计算时以空载吃水代替；V为实际水流速度；D为设计船型的型深。

通过查阅水流动力系数与风动力系数表可知，此时的Cw=2.25，Cα=1.20。根据船台和码头前沿水流采样点的流速流向资料可知，风暴潮组合涨潮船台和码头前沿采样点最大流速V=0.797m/s。

根据上述公式和分析各参数取值，对于3万吨级无动力船舶（舾装船舶）在垂直岸线的方向上受力计算结果如表3所示。

表3 3万吨级无动力船舶横向拖力计算表

（2）在顺水流方向上，假设流压角为 5°，根据分析可知，Aw、Vw、Bα等三个参数的计算分别如式（6）、（7）、（8）所示。

式中，B为船舶型宽（m）；d为实际吃水（m），计算时以空载吃水代替；V为实际水流速度；D为设计船型的型深。

根据上述公式和分析各参数取值，对于3万吨级舾装船舶在顺水流方向上受力计算结果如表4所示。

表4 3万吨级无动力船舶纵向拖力计算表

对于3万吨级无动力船舶（舾装船舶），根据表3和表4中的计算数据，按照内河某工程前沿水域最大流速0.797m/s计算，在横向上需要一艘拖轮克服风动力、水动力的作用，横向上配置拖轮的总功率要达到829匹及以上；在纵向上需要一艘或两艘拖轮以一定的航速拖带，纵向上配置拖轮的总功率要达到1 825匹及以上。经过综合分析，从安全角度考虑，拖带过程需要安全系数，确保拖带船舶过程中突发事件的发生，考虑安全系数主要是由于拖轮的功率损耗，以及需要适当储备一定量的拖轮功率，因此安全系数取1.5，从而满足3万吨级无动力船舶（舾装船舶）在内河中、洪水期出坞及靠泊时的安全操纵，根据上述计算，横向上配置拖轮的总功率要达到1 244匹及以上；纵向上配置拖轮的总功率要达到2 738匹及以上。该方案拖轮马力最大输出值为3 982匹。

2.5 根据《海上拖航指南》计算

按照《海上拖航指南》（2011）中附录2关于海上拖船阻力的估算方法，拖船的总功率可按照式（9）、（10）、（11）进行计算。

式中，Rf为被拖船的摩擦阻力（kN）；RB为被拖船的剩余阻力（kN）；Rft为拖船的摩擦阻力（kN）；RBt为拖船的剩余阻力（kN）；A1为船舶或水上建筑物的水下湿表面积（m2）；V为拖航速度（m/s）；δ为方形系数；A2为浸水部分的船中横剖面积（m2）。

根据《海上拖航指南》中关于拖船阻力计算公式及各参数取值，对于3万吨级舾装船舶拖带时受力计算结果如表5所示。

表5 3万吨级无动力船舶拖带时所需拖力计算表

经过综合分析，拖轮拖带无动力船时的拖带速度一般控制在6kn以上，考虑到大型无动力船舶无操纵性能，从船队航行操纵安全角度分析建议将拖带速度控制在8kn以下。

3 五种计算方法比较分析

根据上述关于拖带无动力船舶时拖轮配置五种计算方法，计算得出3万吨级舾装船舶所需拖轮马力情况如表6所示。

表6 拖轮配置五种计算方法所得拖轮马力值

根据表6中关于不同计算方法得出其拖轮马力差别较大，进行比较分析可以得出五种方法的优缺点：

（1）五种计算方法当中，按照《海港总平面设计规范》的计算方法一得出的拖轮马力明显小于方法二、三、四、五得出的数值。按照《海港总平面设计规范》的计算方法得出的拖轮马力数值偏小的情况在国内其他学者的学术论文中也有提到，希望能够得到制定《海港总平面设计规范》主管部门的重视。

（2）方法四是根据日本岩井聪理论计算模型，拖轮拖带过程中考虑了船舶吃水情况及风、流等工况。方法四考虑到船舶的实际吃水，可以根据船舶空载及满载情况下分别得出其所需拖轮总马力，方法五也是一种根据拖带船舶和被拖带船舶实际吃水及航速进行计算出拖轮所需的马力，从而避免拖轮马力浪费的现象。通过上述计算比较，方法四与方法五计算结果较为接近，所以方法四和方法五都是比较准确的计算方法。

（3）方法二与方法三都是经验计算方法，经验计算方法的优点是能够迅速得出拖轮配置方案，缺点就是经验值可能会导致拖轮马力不足或拖轮马力浪费的现象。根据表5中不难看出，方法二与方法三所得拖轮马力值趋于方法四与方法五所得马力值。通过比较分析可以充分说明方法四是符合实际情况的一种计算方法。

4 结束语

根据对拖带无动力船舶时拖轮配置五种计算方法比较分析，分析得出五种计算方法的优缺点。其中方法四根据船舶的实际吃水及风、流等工况条件下计算得出拖轮总马力，是比较准确和值得推荐的一种计算方法。同时，本文也再次证明《海港总平面设计规范》（JTJ 211-99）中关于拖轮配置计算方法得出的拖轮马力数值偏小，应该引起相关主管部门的重视。

[1]李学东,李亚斌.滚装船靠离泊操纵拖轮总功率配置的研究[J].航海技术，2012(6):2-3.

[2]高嫱,郭国平,刘成勇.拖带大型船体通过桥梁水域关键技术研究[J].航海技术，2010(5):12-14.

[3]杨志华.港口拖轮优化配置研究[J].系统仿真技术,2012(2):169-174.