大型油船进出钦州港拖船功率探讨
2012-01-22,
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(武汉理工大学 航运学院，武汉 430063)
大型油船进出港时，由于其航速较低、主机转速低、舵效差，并且受风动力和水动力的影响较大，其操纵性能受到限制，很容易发生碰撞或者触损事故，为了保证大型船舶的安全，经常需要拖船的协助[1]。在选择拖船的时候，既要充分保证船舶安全又要经济，因此如何合理地确定拖船的功率显得十分重要[2]。
1 目前拖船配备的计算方法
目前拖船功率配置的计算方法有很多，主要有《海港总平面设计规范》JTJ211—99中的4.9.3条规定的公式(以下简称《规范》)；《港口工程荷载规范》JTJ215—98中的公式；国际航海学会指南中的《港口拖轮应用指南》(
2 《规范》中拖船功率的计算
根据《规范》，港作拖船应具备操纵性灵活和顶、拖性能良好，并具有回复力矩大的特性，主机应该有足够的功率，并能适应前进、后退等频繁操作的要求。目前，使用较多的是ZP型拖船[4]。港作拖船所需的功率可以根据《规范》中的式(1)求出[5]。
BHP=kQ
(1)
式中：BHP——操作一艘船舶所需港作拖船总功率，kW；
k——系数，DWT≤ 20 000 t，取0.075；20 000 t
Q——进出港设计船型的载重吨，t。
由式(1)可见，根据《规范》计算出来的港作拖船的功率，是在理想的状态下计算的，只单纯地考虑了大船的载重吨，没有考虑风动力、水动力以及浪等外界条件对船舶的影响。这一公式在风、浪、流都很小时，计算出来的港作拖船功率比较准确，但是当风、浪、流较大时，风、浪、流对船的影响较大，计算出来的结果就会有偏差。
3 风动力和水动力的计算
3.1 风动力的计算
根据大型船舶的操纵要点，采用Hughes实验公式[6]计算风压力Fa。
(2)
式中：Fa——水线以上船体所受风力的大小，kN；
ρa——空气密度，一般取值为1.205 kg/m3；
Ca——风压系数；
va——相对风速；
θ——相对风向，即风舷角；
Aa——水线上船体的正视投影面积，m2；
Ba——水线上船体的侧视投影面积，m2。
ρa、va为已知，θ根据实际情况估算，Ca根据风力系数与相对风舷角θ的变化由图1查得。
图1 风力系数Ca与相对风舷角θ的变化关系
根据本船实际吃水与满载吃水的百分比dr，并由图2查取正面、侧面受风面积系数C1、C2，按式(3)求出Aa、Ba。
Aa=C1×B2
Ba=C2×L2
(3)
式中：L、B——船长和船宽；
图2 大型油船受风面积系数与满吃水比关系
3.2 水动力的计算
船舶由于种种原因与其周围的水存在相对运动时，船体所受到的水的作用力称为水动力。计算水线以下船体所受到的水动力，通常采用式(4)求出。
(4)
式中：Fw——水动力，kN；
ρw——水密度(海水密度为1 030 kg/m3，
淡水密度为1 000 kg/m3)；
Cw——水动力系数；
L——船舶两柱间长，m；
d——船舶平均吃水，m；
Vw——相对流速,m/s。
为估算水线以下船体所受到的水动力Fw，在ρw、Cw、L、d各值已知的情况下，还需要知道水动力系数Cw。
在实际应用中，估算水动力时，常将其区分为艏艉向分力和横向分力加以处理，即
(5)
(6)
式中：Cxw、Cyw——船舶艏艉向、横向水动力系数。
根据Cxw求得的艏艉向水动力在操纵中可以通过用车予以克服，因此对一般商船，计算水线以下船体收到的水动力可以不考虑艏艉向水动力。
横向水动力系数Cyw可以通过模型试验获得，不同船舶可以参考较为类似船模的试验数据作出估计。漂角β为0～180°的载重10万t级油轮船模实验数据见图3。
图3 横向水动力系数Cyw-β
由图3可见，横向水动力Cyw系数随着漂角的增大而增大，漂角为90°时达到最大值；Cyw随着水深吃水比的减小而增大。
拖船要能够有效地协助大型油船靠离泊，则其功率必须要等于或者大于大型船舶所受到的风动力与水动力之和，即
T≥Fa+Fw
(7)
根据前面介绍的风动力和水动力的计算方法，估算出船舶在航行时的水动力和风动力之和，便可确定拖船所需要提供的最小拖力，从而确定拖船的功率。
4 实例分析
广西钦州港10万t级码头有10万t级的原油接卸泊位2个、5千t级成品油泊位1个、3千t级成品油泊位1个。自2009年9月9日至2010年5月8日期间靠泊钦州港中石油10万t级码头的最大船舶为大庆88轮。下面以大庆88轮为例，对其靠离泊时拖船配备的功率进行计算。大庆88轮的基本参数为船长250 m，船宽45 m，满载吃水13.5 m，半载吃水为11 m。
4.1 基于《规范》的计算
根据《规范》公式，拖船的配备按照式(1)计算， 大庆88轮的载重超过50 000 t，k取0.05；
则：BHP=0.05×100 000=5 000 kW
即10万t大型油船满载进出港靠离泊时，所需要的拖轮功率为5 000 kW。
4.2 基于大型油船操纵要点公式的计算
钦州港季风气候明显，年受台风影响次数为2.4次，每年5～8月，盛行偏南风，10月～翌年3月盛行偏北风，常年风级一般为3～4级。涨潮流向为320°，落潮流向为130°，常年潮流速度为0.5～1.5 kn，偶尔流速会达到2.0 kn，下面取流速为1.0～2.0 kn进行计算。
大型油船属于肥胖型船，体积比较庞大，因此无论水线以上的风压力或者水线以下的水动力，都对其操纵性能产生很大的影响。当风力低于3级时对船舶操纵性影响很小， 根据规定，钦州港风力大于8级时，拖船停止作业，故取风力在3级到8级之间计算所受风压力，各级风取最大风速。
根据船型参数以及式(3)，估算“大庆88”船满载水线以上船体正视投影面积约为911.25 m2，水线以上船体横向投影面积约为2 375 m2。根据Hughes的实验公式，风力3级，且Ca=0.97时的风动力为
Fa=0.5×1.205×0.97×5.42×2 375=40 474 kN
依此类推，风力为4、5、6、7级时的风动压力分别为86 626、158 913、264 331、405 865 kN。
根据钦州港航道走向码头分布情况，大型油船靠泊中石油码头时，其漂角为165°，水深吃水比为1.2时，查图3可知其水动力系数为1.0。根据式(4)，当相对流速为1 kn时，船体受到的水动力的值为
Fw=0.5×1 030×1.0×250×13.5×0.522=
469 989 kN
依此类推，当流速为1.5、2.0 kn时，“大庆88”船水线以下受到的水动力分别为780 244 kN和1 808 345 kN。
理论上，ZP型全回转拖船每74 kW可以发出的前进拖力为15 kN，后退拖力和前进拖力的比值为90%。根据式(2)、(4)、(7)和不同风力等级、不同流速大小以及ZP型拖船的技术特性，计算出大庆88轮在不同条件下进车或者倒车所需要的ZP型拖船提供的拖力见表1。
表1 超大型船舶操纵要点实验公式所需拖船功率计算值 kW
5 对比计算结果
当采用《规范》计算10万t级大型油轮满载进出港靠离泊时，不管大型油船受到的风动力、水动力以及其他的外力因素如何，通过式(1)求出所需要的拖船的功率为5 000 kW。当根据大型船舶操纵要点公式，基于风动力和水动力求出所需要的拖轮功率，则根据风、流作用力的不同而不同。根据实际的风流大小，估算出所需拖船的功率在2 542～12 281 kW之间。
综上所述，当港口的自然条件较好，风、流、浪都比较小的时候，采用我国《规范》的公式进行拖船总功率的配置是可行的。但是该公式不适用于复杂的水域，在自然环境恶劣的情况下，尤其是在横风、横流力的作用下，受风面积和满载吃水较大的船舶所需要的拖轮总功率的计算，就需要根据大型船舶操纵要点计算公式。基于风动力和水动力的计算公式，考虑到了大型油船受到了风动力和水动力等外力的作用，使得计算结果是比较可信、比较接近实际的。
6 结论
依据超大型船舶操纵要点实验公式确定的大型油船进出港所需的拖船功率，即考虑了船舶的基本参数和载态，也考虑了船舶靠离泊时港口码头的风、流等外界条件，其计算结果比较可信。通过对比发现，依据超大型船舶操纵要点实验公式的计算值比较接近于实际中拖船功率的配置。
[1] 刘贵亮．船舶操纵中拖轮的运用[J].航海技术，2008(2)：31-32.
[2] 吴旭填．广州港拖轮配置分析[D].上海:上海海事大学，2005.
[3] 王洪凯．全回转拖轮在助泊作业中的操纵[J].中国
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[4] 熊军魁．港口生产与拖轮配置问题探讨[J]，船海工程,2003，32(3)：45-46.
[5] 鲍文明．港作拖轮在大型船舶港内操纵中的使用[J].中国航海，2006(3)：23-26.
[6] 古文贤．船舶操纵[M]．大连：大连海运学院出版社，1993.
