Mona56玻璃钢游艇的动力系统设计

孙成琪，陈 波

(广东海洋大学 航海学院，广东 湛江 524025)

0 引言

我国的玻璃钢游艇是从20世纪70年代开始起步的，前期发展速度缓慢。近年来，随着国家出台促进发展游艇行业及滨水旅游休闲产业的政策，玻璃钢游艇业发展迅速，玻璃钢游艇也越来越普及。因此，合理设计玻璃钢游艇的各个系统以提高游艇的安全舒适性，并减少对海洋环境的污染，对玻璃钢游艇行业健康持续发展具有重要意义。

国内学者对玻璃钢游艇安全舒适性和减少海洋环境污染方面的研究较少。大部分文献针对玻璃钢游艇的强度分析计算、或者模块化建造方案的解决方法，而对动力系统的选型设计研究较少。因此，选型游艇要考虑游艇的动力系统和辅助系统，使其既要满足安全舒适性，又要满足国际公约和国内法规有关防污染的要求。本文以Mona56玻璃钢游艇为研究对象，首先确定其机舱主要设备，并给出详细参数；然后对游艇的燃油系统进行设计与计算，给出主要设备的型号；最后，确定游艇的生活污水处理系统。通过以上研究分析，Volvo D13-900 IPS作为游艇的推进系统可大大提高游艇的舒适性、安全性和操纵性，生活污水处理系统的设计也极大地减少了游艇对近海海域的污染。

1 机舱主要设备的参数

Mona56玻璃钢游艇采用2台Volvo D13-900 高性能舷内推进系统(Inboard Performance System，IPS)，并配有双增压系统。与传统的直轴安装相比，安装了IPS系统的船艇能在水下360°自由旋转运动，可减少30%的油耗，使船艇航行速度更快。此外，借助Volvo Penta的操纵杆，驾驶游艇在拥挤的码头穿梭、停泊变得易如反掌。驾驶人员只要轻轻推动操纵杆，引擎就会精确地对船艇自动进行定位。主电力系统由位于机舱的1台柴油机驱动的发电机组组成，并设1台应急发电机。 主、辅机均燃用船用轻柴油(MDO)。

主机采用Volvo D13-900柴油机，可以满足美国联邦环保署(EPA)Tier 2排放标准，有能力满足Tier 3的要求。主机的主要参数为：额定功率662 kW,额定转速2 300 r/min,缸数6,内径131 mm,行程158 mm。

发电机采用意大利Mase IS 100T 三相发电机。其主要技术参数为：输出功率103 kW，频率50 Hz，转速1 500 r/min。

本游艇使用BADA C1012C豪华型锚机，结构紧凑，安装方便。为了美观，甲板上锚机的链轮采用不锈钢316材料，表面作抛光处理。锚机链轮离合可调节，可配用链条或链绳混合。为了运行平稳，锚机的电机减速箱垂直安装在甲板下面。另外，BADA C1012C豪华型锚机功率大，速度高，因此，游艇可在海况恶劣的情况下锚泊。

2 实船动力系统设计

Mona56玻璃钢游艇主要系统包括燃油系统、生活污水管路系统和推进系统。系统的合理设计关系着游艇安全高效的航行。本文对游艇的各个系统进行详细的设计与说明。

2.1 燃油系统

燃油系统是船舶动力系统之一，其主要作用是提供柴油机所要求的燃油。燃油系统主要包括燃油的注入、贮存、驳运、净化处理和燃油供给5个基本环节。其主要工作原理如下：

(1)注入：燃油通岸接头安装在船舶甲板两舷，加入的燃油可以通过其注入到燃油系统中。

(2)贮存：贮存在6个分别为888.9 L的燃油储存柜中。

(3)驳运：通过1台燃油离心泵和1台燃油泵从6个燃油舱驳运燃油到燃油净化设备中，同时可以实现油舱之间的燃油驳运操作。

(4)净化处理：燃油的净化通过1台燃油泵和1台燃油离心分油机将燃油储存柜燃油净化后注入日用柜；燃油日用柜包括2个800 L的油柜，在日用柜中通过沉淀、放残进一步净化。

(5)燃油供给：日用柜的燃油通过燃油供给系统输送给主、辅机。燃油泵供给管路和燃油储存柜之间的管路上要安装球阀，其作用是可以随时切断燃油供给。燃油的供油管路上一般要安装双联滤器，滤器的清洗可以在燃油系统正常工作时完成。燃油管路和阀件选用铸铁材料，一般用在设计压力低于0.7 MPa、设计温度低于60 ℃的燃油管系上。

2.1.1 主机燃油日消耗量

游艇的使用主要用于休闲而不是运输，因此，以假定游艇每天最大航行时间8 h来计算游艇的主机燃油消耗量。其计算公式见式(1)：

Bz=bzPebt1Z1

(1)

式中：Bz为主机燃油日消耗量,kg/d；bz为主机燃油消耗率，bz=0.31 kg/kWh；Peb为主机标定功率，Peb=662 kW；t1为计算时间，t1=8 h/d；z1为主机台数，z1=2。

经计算，Bz=3 284 kg/d。

2.1.2 辅机燃油日消耗量

辅机主要用来发电，保证海上航行的游艇24 h电力的正常供给，因此，辅机的工作时间取24 h。辅机燃油日消耗量采用式(2)进行计算：

Bf=bfPft2kz

(2)

式中：Bf为辅机燃油日消耗量,kg/d；bf为辅机燃油消耗率，bf=0.23 kg/kWh；Pf为辅机标定功率，Pf=160 kW；t2为计算时间，t2=24 h；z2为辅机台数，z2=1；k为辅机负荷系数，k=0.85。

经计算，Bf=751 kg/d。

2.1.3 日用油柜容积

日用油柜储存的燃油要能满足主辅机每天的最大用量，并留有余量。日用油柜容积选取按照式(3)计算：

(3)

式中：V为主机日用油柜容积,m3；ρ为燃油密度，ρ=825 kg/m3；C为容积系数，取C=1.1。

经计算，V=4.89 m3。

2.2 生活污水管路系统设计

2.2.1 排放要求

船舶生活污水包括黑水和灰水。黑水指来自于船舶卫生间、医务室、装载活动物处的废水和废物；灰水指来自于厨房、洗衣房和盥洗室等处的废水和废物。

根据国际公约要求，如果要排放经过粉碎和消毒的生活污水，那么船舶必须远离最近陆地4 n mile以上，且船上所使用的生活污水处理装置要符合要求；如果要排放未经过粉碎和消毒处理过的生活污水，那么船舶要远离最近陆地12 n mile以上。需要注意的是，排放灰水箱的生活污水时不得顷刻排放，而应在航行中，且船速不少于4 kn， 排放速率在中等以上。

为了尽量减少船舶生活污水对近海水域的污染，本艇将各舱室的生活污水收集在各自的污水收集箱内，经总管汇集到灰水箱里，靠岸时通过生活污水粉碎输送泵经过通岸接头排至岸边接收装置。

2.2.2 设备要求

(1)直流污水泵：在距最近陆地12 n mile以内排放生活污水时，生活污水需要通过生活污水粉碎输送泵(型号：SEAFLO DC Macerator Pump SFMP1-120-01)粉碎后排出舷外。该装置的性能和实验程序要符合国际海事组织环保决议MPEC2(IV)(生活污水处理装置国际排放标准和性能试验规程)的规定，并按MEPC8 WP.3(生活污水处理装置型式试验和认可准则)的要求进行过型式认证。

(2)标准排放接头：游艇上必须要安装排放接头，其接头要能与岸上的接受设备良好连接。玻璃钢游艇上使用的材料为PVC铝塑管，管子的最大内径要小于100 mm，连接的垫圈要能够承受0.6 MPa的工作压力。

2.3 游艇推进系统

本游艇的推进系统采用VOLVO PENTA的IPS系统。发动机、驱动轴和螺旋桨组合到一起构成了IPS系统，以上3个设备在传统的推进系统中是互相分开的。IPS推进系统的优点如下：

(1)效率高：由于发动机、驱动轴和螺旋桨有机组合安装，与传统推进系统相比，IPS系统效率有明显提高。用户提供数据显示：发动机效率、最高速度和加速性能分别提高35%、20%和15%，同时可使整体的油耗和噪声分别减低了30%和50%，游艇的航速提高到40 kn以上。

(2)操作性能好：IPS能提供更小的转弯半径和更好的转弯速度，推进方向可以任意选择，不必装备侧推器；配备Joystick摇杆，操纵轻松，摇杆与舷外部分之间的联系通过EVC电子控制系统实现。

(3)电子控制系统：是一种将全艇内外所有控制系统集成、统一进行管理控制的电子系统。所有信息，如操控指令、发动机数据、油门位置等可以在同一个显示屏显示。

(4)舒适性：IPS的舷外驱动单元将推进负载直接传导给船体，因而艇上人员感知的发动机的振动大为减少。同时，在舷外驱动单元上开进水口和安装排气管，一方面避免了船体单独开口，另一方面还可利用排出废气的推力；采用IPS系统，游艇可多一个休息室空间。推进系统安装在船尾甲板下，减少了主客厅中的噪声污染。

(5)安装容易：IPS系统由于整个轴系和螺旋桨整体组合，大大减少了安装所需工时；设计舷外部分已经达到最小化，减少了维护和保养的周期。 (6)安全性：使用青铜和不锈钢材料作为IPS的舷外部分，使得舷外部分紧凑、转动灵活和结实，可以最大限度地避免和水中物体直接碰撞。

3 结论

Mona56玻璃钢游艇是针对美国市场开发设计的，目前在国内外市场具有良好的销量。通过本文研究得出以下结论：

(1)游艇配备的Volvo D13-900主机满足美国排放标准，发电机采用意大利Mase IS 100T 三相发电机，使用 BADA C1012C型号豪华锚机。

(2)通过对燃油系统的计算得到：主机燃油日消耗量为3 284 kg/d，辅机燃油日消耗量为751 kg/d，日用油柜容积为4.89 m3。

(3)本游艇的推进系统效率高、易操作、舒适性好、安装容易和安全可靠。