中小型拖船主尺度及排水量的确定

巫建华，张曙光

(1.江苏省镇江船厂(集团)有限责任公司，江苏 镇江 212005；2.上海海事大学 经济管理学院，上海201306)



中小型拖船主尺度及排水量的确定

巫建华1，张曙光2

(1.江苏省镇江船厂(集团)有限责任公司，江苏 镇江 212005；2.上海海事大学 经济管理学院，上海201306)

根据拖船的设计特点，提出了一种确定主尺度和排水量的方法。首先介绍拖船的设计特点，并在此基础上分析影响主尺度及排水量确定的主机功率、主尺度、空船重量、稳性等因素，其次对船长、吃水、型深、船宽等进行计算并确定，最后估算各部分重量及排水量，以及校核性能，最终确定初步设计。此方法经实船应用，各项技术指标均符合设计要求。

拖船；主尺度；排水量

0 引言

拖船的主尺度对船舶的运载能力、航行性能、作业能力和经济性等有着重要影响。目前拖船设计是基于母型船的尺度进行优化和修改的，但此方法稳定性较差且易使浮态产生缺陷，影响船舶的安全和性能，因此，系统地研究和确定拖船的主尺度对拖船的设计有一定的帮助。

本文从拖船的任务和特点出发，力求全面分析中小型拖船的主尺度和排水量的确定方法。该确定方法和过程基本考虑到中小型拖船的特点，具有一定的普遍适用性，对拖船的主尺度和排水量的确定有一定的指导意义。

1 拖船的分类

拖船按其主要使用任务可分为：运输型拖船、辅助作业拖船、救助拖船、海洋开发用拖船。

1.1 运输型拖船

运输型拖船是以拖带驳船队为主要任务的内河及海上拖船。这种运输方式的优点是经济性较好。

1.2 辅助作业拖船

辅助作业拖船包括协助大船进出港、靠离码头、掉头等用的港作拖船以及船厂用的调动船舶泊位、进出坞、协助试航等用途的拖船。

1.3 救助拖船

救助拖船主要用于救助海上失事船舶。该类拖船具备有对失事船舶进行排水、灭火、潜水作业等设备和供油、供水、供电的能力，并能拖回失事船舶。

1.4 海洋开发用拖船

海洋开发用拖船主要用于海上钻井平台的曳调、抛锚、供料、水陆交通以及拖带工程船舶等，是一种多用途船舶。

拖船以航区划分可分为：内河拖船、港作拖船、沿海拖船与远洋拖船。

2 拖船的设计特点

拖船性能共同突出的问题是拖带时对稳性和操纵性要求高。此外，根据不同的使用任务，各有其设计上的特殊问题，要根据具体的情况采用不同的处理方法，包括在建筑、布置和主尺度选择上的相应措施。因此，本文首先就各型拖船和设计思想和问题做一些分析，然后介绍确定其主尺度和排水量的方法步骤。

2.1 运输型拖船设计特点

对于运输型拖船，应以保证拖带或顶推时有最大的拖推力为基本前提，并应具有良好的航向稳定性、舵力和倒车性能以控制船队。

从快速性角度看，拖、推船本身阻力所占船队总阻力的比例较小，故设计重点应保证拖、推时有较高的推进性能。为此，艉吃水应力求保证在拖、推状态时使螺旋桨的直径最佳，艉部线型要保证水流的流畅性。

从操纵性来说，大的艉吃水及较纤瘦的艉体有助于增加舵面积，对航向稳定性、倒车性能、回转性能都有利。推船及拖船为改善其操纵性可采用双桨360°带导管的回转螺旋桨。通常对操纵性要求高的拖船均采用360°全回转舵桨装置。

拖船一般为单甲板船。内河及港作拖船设甲板室或半高棚，海上拖船一般均设艏楼。推船常设多层上部建筑以扩大驾驶视野。

拖钩纵向位置或海上拖船用的拖缆机宜布置在拖船中后部(0.15～0.25)LPP(LPP为垂线间长)范围内，这种布置有助于安全性和拖带时的航向稳定性。拖钩以后为空敞甲板。拖钩距甲板宜低，以利于提高安全性。

2.2 辅助作业拖船设计特点

辅助作业拖船的操纵灵活性、倒车性能对作业很重要，故船长宜短，采用360°全回转舵桨尤为适宜。设计上除注意拖力外，应适当兼顾自由航速。建筑上应保证上甲板比较空敞以利于作业，故一般只设甲板室。船员人数较少，因而居住舱室所需空间也较小。

因燃油、淡水、生活供应品等数量相对较少，故在布置上较易处理。有不少港作拖船兼作短程沿海拖带使用。

2.3 救助拖船设计特点

对于救助拖船，应尽快赶到失事现场并且不受天气条件的影响，故抗风能力特别重要。此外，对自由航速和耐波性的要求也较高，同时拖曳能力也较为重要，因此，这型拖船通常配备功率较大的主机且采用双桨和可调螺距螺旋桨。因主机功率较大，续航距离较远，加之施救设备和救助供应品的要求，船员相对较多，因而需较多的布置空间和浮力，故同其他拖船相比，其排水量和主尺度都较大。建筑上常采用艏楼型和较大压载舱体积(调整油水消耗后的浮态和稳性)。当船长大于50 m时，应能保证一舱不沉。

2.4 海洋平台供应船设计特点

对于海洋平台供应船，除性能上应具备拖船的性能要求外，还应具备小型运输船的某些技术性能。为此，上层建筑应尽可能集中在前部以留出较大的后部开敞甲板来布置货舱和堆放甲板货物。主机功率主要根据拖带钻井平台的要求来考虑。推进装置采用可调螺距螺旋桨为宜。这种类型的拖船在不同使用情况下的纵倾调整是个较为复杂的问题，故应注意其油舱、水舱、压载舱的前后布置和分配。

3 拖船主尺度及排水量的计算

3.1 基本分析

根据拖船的相关资料及设计实践，需注意以下几点。

3.1.1 主机功率

主机功率是影响拖船主尺度和排水量的关键因素，各型拖船的主尺度及排水量都有随主机功率的增加而增加的趋势。其主要原因如下：

(1)机舱的布置空间要求相应增大船的尺度。

(2)稳性要求。急牵力矩与主机功率成正比。根据拖船拖力的经验公式：拖力=主机总功率×(1.7～1.77)，故需相应增加回复力矩，从而要求相应地增大排水量和船宽。

(3)为保证螺旋桨的效率，要求有较大的吃水，从而需增大型深。

(4)因拖带能力的增加，被拖船的吨位也相应地增大，故需要更大的船长和吃水，以增加拖船的控制能力。

(5)船员人数及相应舱室设施的增加，需要更大的布置空间，因此，应增大船长及船宽。

(6)机器重量、燃油重量、船上设备及舱室设施和生活供应品等重量的增加，需要大的浮力，促使船的主尺度相应的增加。

3.1.2 主尺度

在同样的主机功率下，主尺度仍有相当大的变化范围，尤其在不同类型的拖船之间相比时，其变化范围就更大。如港作拖船主要着眼于操纵灵活，对耐波性及自由航速的要求不像救助拖船及沿海拖船和远洋拖船那样重要，再则港作拖船的续航力较小，生活设施也较简单等，故从布置空间、浮力上也允许用较小的尺度。

同一类型的拖船的主尺度及排水量的差别，是由于机器尺度及重量、续航力及其他一些具体条件以及指导思想上的差别造成的。

3.1.3 空船重量

确定拖船的主尺度和排水量时需要考虑空船重量这一因素。因拖船的空船重量是其排水量的主要成分，而空船重量中的船体结构、木作与舾装重量又与主尺度有密切关系。另外，中小型拖船船体结构及设备与舾装、主机单位重量对空船重量及重心高度的影响较大，因此，确定拖船主尺度及排水量时要特别注意上述因素的影响。

3.1.4 稳性

因拖船的载重量系数较小，空船重心高度相对较高，而稳性要求又很高，故设计中需特别注意稳性问题。为此，除合理地选取船宽及型深/吃水，并力求减小上部重量外，可考虑采用固定压载。当小型拖船吃水不受限制时，大多采用固定压载。沿海及救助拖船可考虑采用水压载。将压载舱与淡水舱结合起来还可增加淡水的携带量。

设计实践证明，与增加船宽以满足稳性要求相比，采用固定压载的措施对船舶快速性、耐波性以及造价均是有利的。

载重量很小的深水内河拖船、沿海短程拖船常因方形系数过小而不利于内部布置和建造施工，所以为保证船有适宜的吃水和使型线不过分纤瘦，可经采用加固定压载的方法。

3.2 确定主尺度及排水量的方法过程

船舶主尺度是描述船舶几何特征的最基本的参数，主尺度对船舶的运载能力、航行性能、作业能力和船舶的经济性等有着重要影响。船舶主尺度通常指船长L、型宽B、型深D、设计吃水d、方形系数CB及主尺度比。

船舶主尺度受到一系列因素的制约，比如航道码头条件、船舶各项技术要求、用户要求、造价和工作特点等。各要素之间存在着相互联系又相互制约的关系，设计中应根据设计船的要求和影响因素，分析要素之间的对立统一关系，通过一定的初步近似及反复的过程，在相互联系中逐个或同时确定各个要素，然后再经过重量、稳性、航速及其他性能的校核，加以修正，最后再通过分析比较加以确定。

3.2.1 主尺度的确定

设计拖船时，按主机功率分析同类型拖船的主尺度、排水量数值范围及其变化规律，考虑机器的尺度与重量、续航力、船员数目、航线环境条件等因素，选取主要尺度。

(1)船长Lpp：可参考主机功率相近的一些实船的资料。首先从总布置上安排各种用途的船舱及上层建筑，并选取适当的拖钩位置，为此，需参考有关资料选取机舱长度、船员舱室所需的位置，计算所需要的油舱、水舱的容积等，并在此基础上初定满足总布置要求所需的1个最小船长；然后，结合自由航速及耐波性的因素，参考相近的一些实船情况，选取1个船长。

(2)吃水：选取船长后，可先估算一下艉吃水TA，以保证螺旋桨的效率。按最佳桨径与PB(主机制动功率)及螺旋桨转数N(转/分)之间的近似关系、桨径与艉吃水之间的关系，对一般螺旋桨可用下式近似估算艉吃水TA：

采用导管螺旋桨时,可根据简易设计图谱估算导管外径再决定艉吃水。如估算得到的艉吃水超过限制吃水，就用限制吃水作为艉吃水。

作为粗略估算，也可参照PB相近的同类型实船，选取1个T/Lpp值以定出T。

(3)型深D或干舷F：D或F根据主体内舱室高度、机舱布置的要求及稳性、抗沉性的要求来确定。内河船还需注意水面以上高度的限制条件，结合舱面天篷的高度来确定。

从拖索急牵力矩以及重心高度考虑，希望拖船的干舷低些，但从大倾角稳性方面(大倾角形状矩臂、静稳性曲线极大点的倾角及消失角)及抗沉性方面，希望干舷大些，设计中要很好地处理，尤其对功率偏大的中小型拖船更应注意。因此，最好根据一些同类型PB相近的拖船资料来选取干舷。各型拖船的干舷大体范围是：内河拖船为0.4～0.5 m；港作拖船为0.85～1.20 m；功率大的海上拖船干舷略高于港作拖船。

干舷值与船宽关系密切，可结合船宽做统一分析，一般在(0.10～0.11)B范围，有长艏楼的海洋拖船，干舷值可适当取低些。

要保证一舱不沉时，可参考船长相近的拖船的F/T值来选取F。

(4)船宽B：一般根据稳性条件选取。从稳性条件决定B可参考相近的同类型拖船的B/T值及稳性情况，并注意到上层建筑的尺寸大小、层数和D/T值。设计时先选取1个B/T值以初步确定船宽B值。港作拖船及海上拖船的B/T值在2.5左右即可满足要求，但D/T偏大及上层建筑较大时B/T值需取大点，当然也可依据采用固定压载的数量而定。

小型拖船的船宽的确定需要从舱室布置角度加以考虑。

采用双推进器的拖船，还需要注意机舱布置对宽度的要求。

3.2.2 估算各部分重量及排水量

各部分重量可根据母型船进行粗略估算，主要包括：对船体钢结构的选取及重量的预估；木作舾装重量的分析及估算；机电设备重量估算；是否有固定压载等。估算时应注意新船与母型船在建筑、设备、结构等条件上的局部差别，重量重心进行换算时对一些局部项目(增减项目)的修正影响。将各部分重量加起来后，考虑适当的重量裕度，即得设计排水量，由设计排水量可算出相应的CB值。若CB值偏大，就可先调整Lpp、B或T(可适当增加)；若CB偏小，就适当用固定压载来调整，或同时适当改变尺度。固定压载量按选用的CB值计算得到。

3.2.3 校核性能

根据初步主尺度及排水量校核新船的性能。一般情况下，设计拖船时可先核算一下初稳性，以便及时调整固定压载量或主尺度。为此，最好能先绘制总布置草图，对油、水舱及固定压载的位置加以安排并考虑到纵倾调整，以便能按照新船的主要特征来估算重心高度。至于初稳性的额值可通过计算与母型船进行比较。拖船设计时，在初稳性估算中宁可保留大一些的裕度，使设计有可调节的余地。

对自由航速要求较高的拖船，还应进行快速性的计算分析；在性能核算的基础上修正主尺度。对于需采用固定压载的船舶，通常在艏艉加压载舱的方式来进行替代。

3.2.4 确定初步设计

选取主尺度及排水量后，绘制较完整的总布置图、型线图。对重量及重心进行较仔细的核算，同时对各项性能进行核算。

4 结语

本文从拖船的任务和特点着手，主要介绍了确定拖船主尺度和排水量的办法。从拖船的作业区域、航道码头条件、船舶各项技术要求、用户要求、造价和工作特点等出发，考虑主机和舵桨的布置等对船长、吃水、型深、干舷、船宽及排水量的确定找到了相关的方法。按此方法设计的多条船舶经船厂实际建造后，各项技术指标和要求均达到或超过技术规格书要求，船东反映良好，对于拖船的设计有一定的参考价值。对于某些特定的常用拖船(如全回转拖船)的确定方法还可以更加精确确定，需要再进一步加以研究。

[1] 杨玉祥. 拖轮的种类及性能[J]. 天津航海，1985(3)：10-19.

[2] 吴松泉. 内河小型拖船船型设计分析[J]. 江苏船舶，1980，1(1)：2-19.

[3] 朱珉虎. 内河驳船主尺度的优化[J]. 江苏船舶， 1985，3(1)：1-7.

[4] 钱徐涛. 船舶与限制航道最佳配合的研究[J]. 江苏船舶，1988，5(3)：1-6.

2016-05-05

巫建华(1974—)，男，工程师，主要从事船体设计工作；张曙光(1976—)，男，硕士研究生，高级工程师，从事船舶与海洋工程设计与建造工作。

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