非自航船锚泊设备选型设计

2014-12-07崔宏林王金鑫

舰船科学技术 2014年10期

崔宏林，王金鑫

(1.中国人民解放军92941 部队，辽宁葫芦岛125000;2.渤海船舶职业学院船舶工程系，辽宁葫芦岛125000)

0 引言

锚泊是船舶的一种停泊方式，某型非自航船锚泊是一种为满足特殊使用需求而进行的定位锚泊操作。锚泊设备主要由锚、锚链、锚链筒、锚架、掣链器、导缆滚轮、导索器、起锚机、锚链管、锚链舱和弃锚器等部分组成［1］。锚机的可靠工作是保证非自航船安全的重要条件，在许可操作的最恶劣气候条件下，船上锚机应具有起锚的拉力，拉力大小至关重要，拉力过小，无法达到起锚的目的;拉力过大，不仅不经济，而且易导致锚链拉断等损失［2］。因此，必须进行安全合理、经济可行的锚泊设备选型设计。

1 设计依据

1.1 船体结构

该船为无桨非自航船，使用时采用拖轮拖带航行;船体为钢质双体船，主要由2个片体及平台连接桥组成;片体的首尾端流线型设计。

1.2 主要尺度

船体尺寸:长L，m，宽B，m;片体尺寸:宽w，m，高h，m;片体数:2;设计吃水d，m;排水量Δ，t。

1.3 设计要求

采用卧式锚机和配套发电机组;10 级风不破坏、不倾覆;4 级海况下正常操作。

2 船舶锚泊作业工况

根据使用需求，作业环境为水深50 m 以内，6级海况下“首向迎浪”锚泊定位可靠(即不走锚)，4 级海况下正常起锚，具体作业工况如下:

工况1 拖船全程配合，协助该船起锚;

工况2 该船全程自行起锚;

工况3 该船与拖船并靠(拖船停车)，该船全程自行起锚。

其中，工况3为特殊工况，实际应用中出现概率偏低。

3 船舶锚系计算

3.1 按CCS 《钢质海船入级规范》进行锚配置

锚泊设备按CCS《钢质海船入级规范》选取时，其基础为水流速度2.5 m/s (5 kn)，风速25 m/s，相应抛出的锚链长度与水深之比为4～8的范围内，而且假定在正常情况下锚泊时仅用1 只首锚［3］。所配置的锚泊设备能使船舶在良好的锚地底质上系留而防止走锚。

可见，按CCS 《钢质海船入级规范》计算选取锚时，其假定海况大约在8 级，可以满足6 级海况的使用需求。

舾装数N 按下式计算:

式中:Δ为船舶排水量，t;B为船宽，m;H为水线到舱室顶部有效高度，m;A为船长范围内水线以上部分和上层建筑以及宽度大于B/4的甲板室的侧投影面积总和，m2［1］。

实船数据代入式(1)计算，N≈123。

经查《钢质海船入级规范》舾装数与锚泊和系泊设备对应表，舾装数介于110～150 之间，需配置如下锚泊设备:

锚1 支，重量400 kg，锚链长275 m (10 kn)，直径在17.5 mm (AM2)以上［3］。

3.2 特殊抛锚工况下的锚链复核

特殊工况为6 级海况下抛锚，拖船与该船并行拖带短时停车。

1)风力计算

风力作用在船舶水线以上部分，计算公式如下:

式中:ρ为空气密度，kg/m3;ν为风速，m/s;Ai为水线以上正向受风面积，m2;Cs为受风面积Ai的形状系数［4］。

计算时，风速按8 级风(25 m/s)计算，形状系数取1.2，代入式(2)计算结果为:

2)海流力计算

海流力作用在船舶水线以下部分，计算公式如下:

式中:S为水下湿表面积，m2;V为水流相对速度，m/s;CB为方形系数;A为浸水部分船体横剖面积，m2［4］。

计算时，流速取1.5 m/s，方形系数取0.98，代入式(3)～式(5)计算结果为:

3)锚链强度的校核及锚链直径的确定

根据风力和流力计算，该船及拖船共受6.5 t的水平力，此时假设该船与拖船静止，则锚链受力示意图如图1所示［5］。

图1 锚链受力示意图Fig.1 The forcing diagram of anchor chain

锚链张力的水平分量与风、流力F 平衡，即:

式中:T为锚链张力，t;α为锚链与海底夹角，(°)。

可见，锚链张力与cosα 成反比，不同α 对应不同T 值。一般情况下，锚链与海底夹角大于70°时，锚链张力即大于锚破土力。按最严重情况估算，在锚破土前锚链与船受力平衡的情况下，锚链将受到120 t的实际载荷，考虑1.5 倍安全系数，应选择试验拉力达到180 t的锚链，综合AM2 级各种直径锚链的拉断载荷量表，查表后建议选取Φ24(AM2)锚链［6］。

计算结论如下:6 级海况下，拖船和该船并拖时，将受到约6.5 t的风力和流力，按此种工况对锚链进行校核，锚链直径需加大，兼顾安全性和经济性，建议锚链选取Φ24 (AM2)。

3.3 Φ24 锚链对应锚机拉力及功率的计算

根据《钢质海船入级规范》要求，Φ24 锚机需具备如下能力:正常工作负荷2.7 t，正常工作负荷下连续工作时间30 min，过载工作负荷4 t，过载工作负荷下连续工作时间2 min［7］。

锚机功率P 可通过下式估算:

计算后P=8 kW，经咨询锚机厂家，建议锚机功率选取8.5 kW 左右。

3.4 三种起锚工况下的锚机功率及发电机功率校核

按照4 级海况下拖船协助该船收锚、该船自行收锚、该船拖带拖船自行收锚3 种工况进行锚机功率和发电机功率校核。

3.4.1 第1 种工况计算

1)锚机自行拔锚的破土力计算

锚机自行破土时，锚机实际负荷由瞬时破土力(按锚的最大抓力算)、锚和锚链自重3 部分组成。经上述计算，锚重360 kg，锚链重650 kg (Φ24，50 m);锚抓力为2.2～2.9 t (即6～8 倍锚重)，共计约为3.3 t～4 t，在8.5 kW 锚机短时负荷(4 t)之内。

2)发电机功率计算

按CCS 《钢质海船入级规范》关于发电机组“发电机应有足够的储备容量，以保证最大的电动机启动负荷要求”的要求，根据锚机厂家提供的锚机电机数据如下:8.5 kW/3.5 kW 交流电机(380 V)，工作电流17.9 A，启动电流72 A，可计算出发电机输出功率为38 kW。

结论:此种工况下，拖船拖带该船前行，然后联合破土，锚机最大负荷为破土力，最大破土力在4 t 以下，可选择8.5 kW 锚机，发电机功率40 kW。

3.4.2 第2 种工况计算

风力作用在船舶水线以上部分，按照式(2)计算结果为0.31 t;

海流力作用在船舶水线以下部分，按照式(3)计算结果为0.09 t;

可以看出，该船收锚时，受到风、流力约0.4 t。随着该船与锚之间距离不断缩小，计算得到的锚机受力从0.4 t 逐渐增大到2.3 t 时，锚即可破土。

由于之前选择的8.5 kW 锚机额定拉力大于2.7 t(可运行30 min)，短时拉力可达4 t (可运行2 min)，所以，单船靠锚机前行时，在锚破土前锚机能满足锚机拖带该船前行的要求。

结论:此种工况下，锚机拖带该船前行，然后破土，风、流力造成的锚机负荷共计约2.3 t，锚破土力在4 t 以下，仍可选择8.5 kW 锚机，发电机功率40 kW。

3.4.3 第3 种工况计算

风力作用在船舶水线以上部分，按照式(2)计算结果约0.9 t;

海流力作用在船舶水线以下部分，按照式(3)计算结果约0.5 t;

可以看出，该船和拖船共同体收锚时，受到风、流力共计约1.4 t，随着该船与锚之间距离不断缩小，计算得到的锚机受力从1.4 t 逐渐增大到4.1 t时α 角为70°。

由于之前选择的8.5 kW 锚机额定拉力大于2.7 t (可运行30 min)，短时拉力可达4 t (可运行2 min)，所以，单船靠锚机前行时，在锚破土前锚机能满足锚机拖带该船前行的要求;而靠锚机拖动该船和拖船共同体前行时，在锚链与海底夹角小于60°时，锚机可以满足前行负荷要求;在锚链与海底夹角大于70°时，虽然理论计算负荷已超出锚机额定拉力，但此时锚链拉力大于锚破土力，锚已破土。

结论:此种工况下，锚机拖带该船与拖船联合体前行。靠锚机拖动该船和拖船共同体前行时，在锚链与海底夹角小于60°时，8.5 kW 锚机可以满足前行负荷要求;在锚链与海底夹角大于70°时，锚链张力大于锚破土力，锚破土。故选择8.5 kW 锚机，发电机功率40 kW，基本满足本工况要求。