带LNG的118 m引航船的设计关键技术研究

朱 彬，侯毅男

(1.江苏大津重工有限公司，江苏 镇江212221；2.32381部队，北京 100071)

0 引言

随着经济的不断发展，运输船舶的数量也在不断增多，这无疑给港口的引航工作带来很大的挑战和难度。作为全世界最繁忙的港口之一的上海港，其所需引航的船舶数量近年来快速攀升，年引航船舶持续保持在7万艘次以上[1-2]。

引航船肩负着国际船舶进港的水上交通运输安全责任。引航母船配备4艘高速喷水推进引航艇，并在驾驶甲板后部设直升机悬停区域，可以实现恶劣天气下海空一体的引航员接送模式。在时间、空间有限的情况下，能否快速引航服务，很大程度上取决于引航船舶的性能。

目前上海港比较大的引航船有“沪港引1”轮[3]、“沪港引2”轮和“沪港引11”轮，其中“沪港引11”轮是2011年前后交付的船舶。该船船龄最短，在布置、外形等方面相对先进，但是存在横摇幅度过大、耐波性相对较差的问题。当前针对引航船总体设计的研究文献和资料较少，总体设计经验交流不充分，不利于该类船型的有序发展研究。

本文重点论述引航船的设计关键技术以及设计改进建议，包括采用LNG燃气发电机、应用太阳能光伏发电技术[4]等绿色创新技术，旨在对后续此类船舶的总体设计方面提供技术参考。

1 主要技术性能参数及布置

1.1 航区和用途

118 m引航船为上海港引航站的专用引航母船，是引航工作海上基地，主要工作于长江口南、北槽引航交接区，全年昼夜为进出上海港及长江沿岸港口的中外船舶提供交送引航员服务，其作业方式为锚泊状态下接送引航员乘坐引航艇进出上海港及长江沿江各港的船舶领航，同时也是引航员的短期居住的海上驿站和引航工作的海上基地。

1.2 主要参数

总长118.0 m，船宽19.0 m，型深(至主甲板)7.8 m，吃水4.5 m，航速15 kn，续航力不小于2 500 n mile；载客量100人，船员54人。

1.3 船型及总布置

(1)本船为艉机型、双襟翼舵的引航母船，由2台中速船用柴油机驱动固定螺距螺旋桨。

(2)船体为钢质结构。全船设3层纵通甲板和4层甲板室；艏艉型式采用艏柱前倾、方艉式。本船设有直升机悬停平台，艏部设有1台艏侧推。本船外形设计思想符合外形庄严威武、刚毅稳重、整体协调、流畅的要求，充分体现我国公务船舶威严的特征和强烈的时代感，兼具客船的灵动。

(3)全船分为前后2个主竖区。前主竖区为居住区域，布置船员、引航员的居住房间。后主竖区主要为工作区域，设置机舱、引航工作区、甲板部和轮机部办公室、餐厅和厨房等功能性舱室。

(4)按照工作性质和特点要求，本船有6层甲板用于居住，从上至下依次为：驾驶甲板、B甲板、A甲板、上甲板、主甲板和二甲板，其中引航员房间布置在位置最好的B甲板和A甲板，船员房间布置在上甲板和主甲板。而20个备用双人引航员房间布置在二甲板。

(5)上甲板首尾部露天区域设有锚系泊设备。本船在驾驶甲板尾端设置直升机悬停平台，以满足直升机接送引航员及相关人员用途。

(6)小型篮球场(木地板)、健身房、活动室和阅览室等休闲和娱乐活动场所布置在二甲板和双层底中后部。

2 主要设备和系统

2.1 推进系统

主推进装置采用2台船用中速柴油机，通过齿轮箱、传动轴系驱动定距螺旋桨。主机选用MAN 6L27/38船用中速柴油机，主机功率2 190 kW，转速800 r/min；齿轮箱型号GWS52/59，减速比3。

主机拟采用环氧树脂支撑垫块安装，根据降噪需要基座涂装阻尼材料。主机推进曲线与设计固定螺距螺旋桨匹配，由带倒顺离合功能的减速齿轮箱驱动推进轴系。主机额定功率选取时，预留15%的裕度。齿轮箱与主机采用橡胶高弹联轴器连接，齿轮箱采用环氧树脂支撑垫块安装。

2.2 发电设备

由于本船经常使用工况为锚泊和短线航行，负载率变化较大，因而电站选型时需兼顾最大负载需求。本船电站由3台主柴油发电机组(型号MAN B&W 7L16/24，单台功率660 kW)和1台应急兼停泊柴油发电机组(400 kW×1 000 r/min)组成。发电机组均采用减振器弹性安装，根据降噪需要基座涂装阻尼材料。

2.3 系统

本船共有柴油、滑油、冷却海水系统在内的18个动力系统和船舶系统，为船舶正常运行提供保障。

2.4 管系设计

轮机管系在设计时需要考虑所用材质的安全可靠、绿色环保等因素。在可靠性方面，考虑到管路的防腐蚀性，高压高温管路采用耐压和耐温材质，并在此基础上增加余量，以保证系统可靠性。在绿色环保方面，设备和管路选型时采用无石棉材质。对大气有影响的设备采用满足法规要求的设备。空调制冷剂采用环保型制冷剂。冷却水系统添加剂采用可降解或可中和的产品。

3 设计关键技术

3.1 主尺度

3.1.1 船长的确定

船长L(水线长)是决定船舶性能最主要的因素，选择合适的船长是主尺度确定的首要前提。对于本船型而言，选择船舶总长Loa=118 m的依据主要有：耐波性指标、救生艇架布置、船员/引航员舱室布置和经济性指标。

本船停泊作业、航行区域所辖东海沿海水域，该水域最大的特点是长期存在50～80 m的长涌浪。为提升船舶的适用海况、保证引航员登乘作业时的安全性和提高作业人员的舒适性，针对本海域长涌浪的特点，需把船舶的耐波性(纵摇和升沉)作为船舶性能重点考虑的因素，而船舶耐波性的关键因素是船长(水线长度)。

从耐波性理论可知，增加船长可以改善波浪中的纵摇和升沉运动。其主要影响参数是波长λ与船长L(水线长)的比值λ/L。通常，λ/L≤0.75时，运动幅度不大；最大的纵摇发生在λ/L=1.0～1.5范围内；λ/L>1.0时，不可避免将发生较大的纵摇和升沉运动。

考虑涌浪情况的性能，波高2.5 m时，对应波长约83 m，满足λ/L≤0.75的条件是：船长L(水线长)约111.4 m。

3.1.2 方型系数的确定

方形系数Cp是一个反映船体水下部分肥瘦程度的系数，它应综合考虑空船重量、载重量和航速等因素后确定。本船服务航速约为15.0 kn，对应弗劳德数Fr为0.249。根据图1，船舶的方型系数Cp取0.6左右。为体现引航船舶的经济性，本船方型系数取0.605[5]。

图1 方型系数Cp的选择

3.2 布置原则和特点说明

本船的总布置以工作安全、生活舒适、整体布局合理为原则，综合考虑船舶的各类功能舱室布置、通道便捷性、引航艇架与引航艇的布置，以及船舶耐波性、稳性和航速等要求。其布置有以下几个方面的设计特点：

(1)功能明确，布置合理。为了保证本船所有居住舱室均能采到自然光，所有船员舱室及单人引航员房间均采用大方窗。引航员居住在船舶的最高两层居住甲板，噪声影响小，空间独立。按照工作性质和特点要求，本船有6层甲板用于居住，从上至下依次为：驾驶甲板、B甲板、A甲板、上甲板、主甲板和二甲板。通过合理划分工作区与居住区、引航员居住区与船员居住区，船员和引航员的工作和居住环境得到改善。

(2)使用方便，安全可靠。本船设两主机舱和辅机舱，主要设备分区布置，方便船员操作。每个机舱设备安装位置处设花钢板层，便于工作人员检修。另外，设有直升机平台，为特殊天气下的特殊任务提供快速响应。

(3)造型威武，特点突出。本船首部线型借鉴了主力巡洋舰外飘线型，上层建筑外形则借鉴了豪华游轮的布置。该设计有利于船型性能的发挥，使船舶美观与性能完美结合。本船大量采用折线和直线条体现出刚硬而又威武的一面，局部采用圆弧柔滑处理，使之不显僵硬，烟囱在船舶尾部，配以标志，使整船造型具有威武、大方、大气特点。

3.3 船舶性能优化

为了保证引航船良好的耐波性、快速性、舒适性，设计时应在线型优化和舱室布置上采取相应的措施。

(1)改善船舶的横摇性能，提高耐波性。

ⓐ线型优化增加横摇阻尼，横剖面线型采用U型，较V型具有更好的减摇性能。

ⓑ舭龙骨是最简便而有效的减摇装置，加大舭龙骨面积，通过增加漩涡阻尼产生稳定力矩达到减缓横摇和纵摇目的，从而减小横摇角。特别是对于方形系数偏小的船舶，其作用尤为明显。100%、50%油水装载工况舭龙骨方案减摇效果比较见图2、图3。虽然增大舭龙骨会略微增大船舶阻力，影响快速性，但是考虑到本船的主要工作状态是锚泊，因此，增大舭龙骨面积对本船的综合性能是有利的。

图2 100%油水装载工况舭龙骨比较方案

ⓒ配备减摇水舱。

(2)为了优化快速性，基于NAPA软件和SHIPFLOW软件，对船型进行优化，选择出最优型线。本船船首线型采用反曲线型V型剖面，舭部升高；首部水线近似直线，水线进水角小；后体线型收缩缓。此线型兼顾静水阻力性能、推进性能和风浪中的失速等问题，使其快速性最优。

图3 50%油水装载工况舭龙骨比较方案

(3)为了提高舱室舒适性，本船进行总体布局时对舱室面积、层高、自然采光和通道设置作全面优化设计。所有居住舱室、餐厅和公共服务舱室均能提供自然采光，并且所有房间尽量采用大方窗，以增加舱室光照度。船舶内装设计运用新科技、新材料等绿色环保技术来满足人体环境学要求。本船的噪声和振动控制，采用噪声源与其他公共服务区相邻限界面增设阻尼材料的方法。特别是通过有限元分析，对振动、噪声进行分析预报。通过以上多种手段措施协同，船舶舒适性达到较高的水平。

3.4 结构设计要点

本船航行于沿海航区，结构强度按近海航区设计。但是考虑到本船工作特点，对外板及甲板进行加厚以满足无限航区的要求。针对艉部及舷侧顶推作业位置、主要设备特殊设计加强结构，保证其工作安全性；采用有限元方法对船体的整体及局部振动进行分析，保证结构的刚性，控制振动，提高舒适性。

3.5 主要设备选型

由于频繁往返于港口与锚地之间，并且航行作业海域往来及停泊船只较多，因此引航船的动力系统需要具备快速备航、快速起动、灵活机动、高可靠性等优良性能，这对主机及推进系统、发电机组、艏侧推等主要动力设备的性能、运行稳定性、可维护性等指标提出了较高的要求。

(1)主机选型从以下方面考虑：进出港频繁，主机高速和低速转换频繁，主机操纵性能及可靠性要高；居住人员多，舒适性要高，主机引起的振动要小；绿色环保，经济性好；机舱空间有限，设备尺寸限制，设备维护空间有限；排气质量要高；基于航速下的主机功率，主机的选型按可以15 kn航速选择。

(2)发电机选型从以下方面考虑：进出港频繁，发电机需要频繁启动，可靠性要高；锚泊工况时发电机负荷需要不断变化，负载适应性要强；功率匹配合适，电站负荷率合理，柴油机经济性要好；系统配套设备少，运行维护简便；实例中综合几种机型的参数对比，MAN B&W 7L16/24发电机组经济环保，满足使用要求，最适合本船。机组输出功率630 kW×1 000 r/min。

(3)艏侧推选型从以下方面考虑：艏侧推在船舶使用过程中可提高船舶的操纵性，尤其在船舶低速航行和靠离码头时，可快速方便地调整船舶方向；在海上避让时要求快速调整船舶方向；本船的艏侧推需要推力约为70 kN，推进电机的功率约为500 kW；从维护成本、安装方便性、维修空间等因素综合出发，本船的艏侧推采用变频电机驱动固定螺距螺旋桨的组合形式。

3.6 空调系统原则设计

舒适可靠的空调系统是保障引航员和自身船员正常作业、生活的必要设施。本船采用舒适、人性化、节能的空调系统，目的是改善引航员和船员的生活水平，提高工作效率。

(1)结合本船技术特点和特殊需求，引入邮轮空调系统设计理念，提供舒适的生活和工作环境。

(2)由于居住人员多，舒适性要求高，同时噪声振动要小，因此采用弹性安装，选用静音型布风器。

(3)工作和生活区合理分区，经济实用。

(4)采用多裕度配置以提高舒适性。

(5)采用统一新风风管，进风口布置除盐除雾风栅，空调单元布置除菌装置。

本船空调系统设备配置3台冷水机组，两用一备。每台制冷量为总需要负荷的50%。多功能会议室、餐厅采用“雨降”出风系统。

3.7 环保绿色技术应用

本船配置LNG燃料备用停泊发电机，布置太阳能光伏设备。使用LNG和太阳能光伏，可有效降低氮氧化物和硫氧化物的排放，减少大气环境污染。

(1)本船配置的2台350 kW LNG燃气停泊发电机既可用于辅助引航，也可满足春秋两季锚泊工况的用电需求。2台燃气停泊发电机还可互为备用，便于燃气发电机的维护和保养。

(2)在春秋两季天气晴朗的港泊工况下，使用太阳能光伏发电设备可满足全船实际用电需求，不需要使用岸电，从而大大节省运行成本。

3.8 船舶物联通信系统设计

引航船物联通信系统包含船舶远程监控管理、视频监控、船舶工况监控、能耗管理、手机APP、视频会议和船岸通信等方面内容。船舶的物联通信系统可结合船舶导航系统、船舶监控系统以及岸基的支持，对船舶各种数据进行积累和多维度分析，并在此基础上为船舶各种工况提供更安全、有效、经济的解决方案，同时随着时间的推移，可对整体船舶进行科学的评估，不断提高船舶安全管理水平。

4 结论

引航船作为港口服务必不可少的交通工具，既具有普通船型的特点，也有符合其特殊工作要求的独到之处。本文结合该类船型的整个设计思路和过程，对设计重要参数和关键技术环节进行了论述，形成以下研究结果：

(1)归纳出相应的设计特点，以便可以系统研究该船型。

(2)对于重要关键技术参数的确定提出选择措施和评估方法，以便更有实际应用价值。

(3)为后续船型的优化设计提供相应参考，促进该船型的设计研究和发展，以利于通过设计转化成实船，并进而借助实船的运行验证设计的各方面综合性能。