现代耙吸式挖泥船性能优化设计研究

2017-01-28梁剑平

中国水运 2017年10期

关键词：挖泥船溢流船舶

梁剑平

（江苏海艺船舶科技有限公司，江苏镇江 212009）

现代耙吸式挖泥船性能优化设计研究

梁剑平

（江苏海艺船舶科技有限公司，江苏镇江 212009）

本文以耙吸式挖泥船为例，在分析耙吸挖泥船能耗指标的基础上，提出将节能减排理念应用到耙吸挖泥船性能优化设计中，具有积极的现实意义。

耙吸式挖泥船；能耗；性能优化

耙吸式挖泥船是通过放置于船体两舷或尾部的耙头吸入泥浆，边吸泥、边航行的一种作业模式。具有机动灵活、效率高、抗风浪力强，既可以挖硬土，也能够挖掘水下的软土，耙吸式挖泥船集各种挖泥设备于一体，适合沿海港口、航道以及宽阔江面和船舶锚地作业。但，我国目前所拥有的自航耙吸式挖泥船的实际施工效率水平不高，与使用要求还存在一定差距。

1 影响耙吸式挖泥船能耗指标

1.1 耙吸式挖泥船作业流程

耙吸式挖泥船进入到施工作业后，船舶航速会降低到作业速度后开始在预定作业区域下耙疏浚，先是由泥泵将疏浚河道物输送到船舶的船舱里面，等泥舱装满后，土块以及较粗的颗粒泥砂会先行沉淀下来，一些细小的颗粒泥砂会从船舶中设置的溢流筒溢流排出船舱，待经过一定溢流时间后，提起耙并提高船舶的航速航行，当船舶航行到预定的抛泥区域时，将船舶航速降低到停船状态，然后将泥门打开开始抛泥，之后再将船舶航速提速航行到施工区，继续准备下耙施工。

1.2 耙吸式挖泥船能耗影响因素分析

（1）舱容系数。舱容系数是衡量泥舱舱容与船舶主尺度之间的关系，泥舱作为耙吸式挖泥船中最主要的舱，长度一般为船舶长度的一半左右，泥舱的舱容系数作为一艘耙吸船的经济系数，泥舱容积系数大通常表示船舶的主尺度相对较小，这一种耙吸式挖泥船的造价较低，也较为经济。近年来，随着耙吸式挖泥船舱容系数不断增大，反映出现代中小型的耙吸挖泥船船型更为优化，船体整个布局更为紧凑，航行时受到的水体阻力小，油耗低，投资费用也更为经济。

（2）载重系数。耙吸挖泥船的载重系数是耙吸船装载能力的重要参考指标。从新一代挖泥船的用途和发展趋势来看，装载系数(泥舱的设计比重）不断增大。装载量和舱容是反映耙吸船装载能力的两个主要指标。相同载重量的耙吸船，载重系数越大意味着船舶自身质量越轻，后期航行过程中的油耗就会较低，节约建造成本。设计时泥舱较短或较窄会增高泥沙顶面，增大装载系数。

（3）溢流损失。耙吸式挖泥船装舱施工的生产效率的高低既取决于装舱容量，也取决于挖泥的循环周期长短。因此，耙吸式挖泥船装舱的溢流时间长短不能单纯以最大装舱量来衡量，否则还有可能会降低生产效率。船载土方量与循环周期之间的比值达到最大时，反映的是在单位时间里船载土方量最大，表示此事的装载溢流时间为最佳溢流时间，即，装舱溢流时间短，单位时间内装载船数多，反之，装舱溢流时间长，表示单位时间内装载船数少。最佳的装舱溢流时间是在单位时间里，船载土方量与船数的乘积达到最大时，所载的土方量对应的装载溢流时间。相同的舱容在相同的有效装舱时间里，溢流损失越少说明装舱效率越高，能源浪费就会少。泥沙特性、泥舱设计形状等都是影响溢流损失的重要因素。减少溢流损失不仅能提升装载效率，还能有效降低对作业周边的水体污染。

（4）方型系数（Cb）。方形系数反映的是挖泥船体水线以下肥瘦程度的一个重要参数，方形系数增大，船体就更加肥大，船体的阻力就会增大，推进功力需要提升，船舶运行时船行波增大，船体附加吃水量增大，也增加了阻力。但在同等排水量的船舶方形系数增大，船舶的主尺度就会减小，空船的质量就会减轻，就能提升船舶的运作能力，提高作业的经济效益。对于耙吸式挖泥船的方型系数Cb取值范围在0.78～0.85之间。

式子中：

△=排水量（m3）

B=船体主体宽度（m）

L=船体垂直线间的长度（m）

T=吃水（m）

（5）负载。耙吸式挖泥船的周期运砂量取决于其有用负载能力或有效载荷（MN）和最大泥舱容积（m3）有效的载荷是耙吸式挖泥船在最大允许吃水条件下能装舱的需付费载荷。有效的载荷是：挖泥船满载时的重量-船体空载时的重量。当耙吸式挖泥船航行一段时间时，载荷的增加会导致船重增加，消耗更多的船舶能源。因此，保持船舶的有效载荷不变对减少能耗具有积极的现实意义：清洗泥舱，减少剩余载荷。载荷是由固定载重决定，淤泥较松软的土壤，最大泥舱容积等于载重容积。

2 优化耙吸式挖泥船性能对策

2.1 节能型耙吸式挖泥船设计思路

（1）优化结构设计。将泥舱设在船中位置，机泵舱放在泥舱之后，而高压冲水泵舱则设置在泥舱前。且在船中区域宜采用纵骨架式设计，并尽可能的向船的首尾部延伸，船的首尾部区域应选择横骨架式。由于泥舱区频繁承受因装卸泥作业而产生的交变载荷作用，因此，对结构的可靠性要求越来越高，提高泥舱的可靠性成为结构设计一项重要参考方面，也是设计的重点。泥舱肋板以及泥门形式对泥舱区结构设计有较大影响，国际上常用到的泥门形式是箱形和锥形，肋板形式主要有平板和箱形两大类。泥舱纵向舱壁设计主要有垂线式和折线式两种，其中，垂线式舱壁设计能够增强结构的强度，但不能最大化利用舱容，应注意尽量减少对泥舱区干涉。折线式能够最大限度提升舱容，也能有效提升主甲板空间利用效率，但不足之处是施工难度较大。

（2）合理选择主尺度。主尺度是反映船舶总体性能的重要参数，主尺度的选择是船舶设计早期重点考虑的因素。耙吸式船舶的设计要充分分析和论证L/B、B/d、Cb、载泥量系数、菱形系数等各种尺度方案，确定最佳主尺度设计方案，确保吃水、航速、舱容系数等衡量耙吸式船舶主要性能指标符合最优的设计要求，减少建材的应用，最大化提升船舶的应用效率。船宽吃水比应考虑减小吃水以提升船舶作业的适应性。泥舱容积系数是一艘耙吸船的经济系数，较大的泥船容积系数意味着船舶主尺度相对较小，造价较低，较为经济。

（3）优化线型设计。改善浅水性能是耙吸挖泥船线型研究的重点，其与船舶的航速、适航性、稳性以及装载力都有密切关系。选择长球首型设计，减少耙吸挖泥船在浅水作业时的兴波阻力，减小因艏部线型的变化来消除前肩，使船舶浮心前移。加装艉部附体，选择双尾鳍型设计结构能够使流向螺旋桨的水流产生预旋，提高了螺旋桨的效率。导流鳍设计能够有效改善尾流，防止船舶尾部出现漩涡。应用导管浆，减小螺旋桨直径，提升耙吸挖泥船的螺旋桨效率。目前，现实应用中“球鼻艏+双尾鳍+导流鳍”和“球鼻艏+V型艉+导流鳍”线型设计与应用节能效果良好。

2.2 优化船体设计

耙吸式挖泥船对舯断面上的剖面模数进一步降低，载荷相对集中，要求具有较强的结构强度、刚度，以及承受较大的弯矩和剪力。现实中，应用有限元计算法，优化结构建模设计，减轻空船质量设计具有很好的实际应用效果，常用到的是借鉴成熟的油船舱段有限元分析法，结合耙吸式挖泥船特点，选取泥舱段再分别向首尾延伸约10米建模。此外，采用位势流计算流动体动力学的CFD代码，进行迭代计算能够达到优化新造船舶船艏和船艉。

2.3 优化动力系统设计

耙吸式挖泥船螺旋桨与泥泵消耗功率高峰错开，在作业时处于停航或航速较低状态，泥泵消耗功率大，螺旋桨功率消耗小，航行时泥泵作业停止，大部分功率消耗于螺旋桨。因此，主机直接驱动泥泵、电力驱动泥泵以及泥泵单独驱动等要根据不同动力布置做好优化动力系统设计，通过改进船舶设备，合理配置设备，充分利用船舶主机功率，降低总装机功率，提升能源利用效率。主机直接驱动泥泵型，应将泵舱紧贴机舱布置在艉部。电力驱动泥泵型和泥浆单独驱动型，由于能量多次转化易损失功率，此种布置方式较少用到。但随着能量转化研究的深入，电力驱动泥泵成为发展和研究的一个重点。

2.4 疏浚设备优化

疏浚设备优化主要包括耙头、入土装置、泥泵等，其中，耙头优化主要采取增加耙头自重、挖掘机具接触面（挡板、耙头格栅等）采用耐磨材料，增强耙头碾压能力，降低设备磨损。耙齿等入土装置要根据不同的挖掘物选择不同的形状，如凿齿和尖齿入土能力强、面积集中，适宜挖掘岩石类。此外，岩石类要以尖齿耙齿为主，采取间隔式布置，减少应用数量；松软岩石则增加相应数量，提高挖掘产量。此外，优化操作工艺，例如对地压力、对地角度、挖泥船航速和耙头清理等也能有效提升应用效果。