中小型耙吸挖泥船动力配置

易 辉，安 超，全向宏

（1. 深圳华威近海船舶运输股份有限公司，广东 深圳 518067；2. 上海海事大学 商船学院，上海 201306）

0 引 言

近年来，疏浚业在全球经济逐渐复苏、资源开采范围逐步扩大、环境变化日益复杂和旅游需求快速增长等等因素的影响下得到快速发展，在国防建设、环保建设和水利建设等领域发挥着重要作用。在此背景下，随着国际港口间的竞争日趋激烈，从我国经济发展对大型港口的迫切需求和建设集装箱枢纽港的需求等角度出发，研究港口和航道的疏浚业务，对于推进我国的国际航运中心建设显得尤为重要[1]。

尽管当前我国正在大力发展船舶疏浚行业，但国内中小型耙吸挖泥船的动力配置与国外相比仍存在着一定的差距。国内疏浚船舶的年作业土方量低于国外同等技术水平，作业成本和燃油消耗量高于国外，成本回收速度明显慢于国外船舶[2]。疏浚船舶的动力装置是影响工程运营成本的最主要因素，因此对中小型疏浚船舶的动力配置进行设计与研究，有助于降低船舶的运营成本，提高我国疏浚船舶的自主研发水平，补充相关技术贮备，提高我国疏浚业的国际影响力。

1 动力配置类型

1.1 独立配置

独立配置（见图1）是指利用单台柴油机对船舶推进器、疏浚用的泥泵和冲水泵等大功率设备进行一对一的单独拖动，船上其他设备由柴油发电机组统一供电[3]。

图1 独立配置

对于独立配置而言，设备间的相互依赖性较弱，各控制单元完全独立，能避免设备间的相互影响和相互制约，不易受单机故障的影响，能提高船舶整体的可靠性。独立配置不存在船舶电站、电力系统和电机驱动等能量形式转换造成的二次能量损失，有较高的传动效率。但是，随着独立配置的设备不断增多，会损失大量机舱空间，泥舱空间受到严重挤压变形，空间利用率大幅下降，船舶后期的维护保养工作量和维护保养成本不断增长。

1.2 复合配置

复合配置是指让柴油机驱动多台轴带设备同时或分时工作。该配置方案能充分利用柴油机功率，在不同工况下合理分配以满足不同设备的功率需求，“一拖二”和“一拖三”是耙吸船上最具代表性的 2种复合配置方式[4]。

1.2.1 “一拖二”复合配置

“一拖二”复合配置（见图2）的推进装置、轴带发电机或疏浚泥泵的原动力来自于主机。当柴油机飞轮端和自由端分别拖动推进器和疏浚泥泵时，冲水泵、液压泵站、艏部推进器和辅助设备等都由柴油发电机组供电；当主机飞轮端和自由端分别拖动推进装置和轴带发电机时，这些设备由轴带发电机供电[5]。柴油机通常恒速运转，推进器对主机的冲击较小，工况较为平稳。但是，当泥泵和冲水泵频繁启动时，对船舶电网的抗冲击性要求较高。

图2 “一拖二”复合配置

1.2.2 “一拖三”复合配置

“一拖三”复合配置（见图3）将柴油机作为源动机，在自由端通过一个弹性联轴器和一台自带内置多盘离合联轴节的减速箱拖动变距螺旋桨和主交流轴带发电机[6]。疏浚泵、船首侧推器和其他辅助设备由该主交流轴带发电机供电。在飞轮端通过一个弹性离合联轴节和一台双速增速齿轮箱驱动高压冲水泵。耙吸挖泥船的作业工况复杂多变，对于“一拖三”复合配置方案而言，在多变的工况下，主机、减速箱、泥泵、冲水泵、轴带发电机和螺旋桨等需频繁地进行脱排和换挡，这些部件多为机械直接传动，机械磨损明显，在对整个系统进行检修保养时，需更换的零件较多。疏浚泥泵排岸时主机负载突变明显，会产生很大的冲击力，易对主机造成不良影响。

图3 “一拖三”复合配置

2 耙吸挖泥船混合动力配置试验

由上述分析可知，对于耙吸挖泥船而言，独立配置有着明显的缺点，“一拖二”复合配置和“一拖三”复合配置也有一定的局限性。因此，本文以某公司建造的6500m3耙吸挖泥船为研究对象（该船的左舷和右舷主柴油机型号分别为MAN 6L32 44CR和9L32 44CR，最大持续功率分别为3600kW和4590kW），提出“一拖三”和“一拖二”混合动力配置方案（见图4和图5），其中：“一拖三”是指左舷柴油机飞轮端经由一进双出减速箱拖动变距螺旋桨和轴带发电机，自由端经由双速减速齿轮箱拖动高压冲水泵；“一拖二”是指右舷柴油机飞轮端经由减速箱拖动变距螺旋桨，自由端通过一台双速减速齿轮箱拖动泥泵。6500m3耙吸挖泥船主要工况下的最大负载分配见表1。

图4 左舷“一拖三”动力配置

图5 右舷“一拖二”动力配置

表1 6500m3耗吸挖泥船主要工况下的最大负载分配 单位：kW

3 结果分析

3.1 航行工况功率需求分析

当目标船的设计要求为新油漆的船体、平均型吃水7.00m、平静的深海水域、无限航道宽度、风力不超过蒲氏2级、每根艉轴的推进功率（即螺旋桨接收的功率）为2400kW时，船舶试航航速为12.9kn。螺旋桨推力功率验算步骤如下。

式(1)中：SP为艉轴管前轴端的输入功率；eP为主机功率；cη为传动设备、推力轴承和中间轴承等的总传动效率，取值为0.95～0.97。

式(2)中：PD为螺旋桨前端的轴功率；sη为艉管内轴承和密封装置的总传动效率，取值为0.985～0.990。

由上述计算可知：左舷动力装置能提供给螺旋桨的最大功率为 3368.7kW，右舷动力装置能提供给螺旋桨的最大功率为4295.1kW，能满足目标船航速的设计要求；同时，在实际航行过程中可适当提高航速，利于开展主机保养工作。

3.2 挖泥装载工况功率需求分析

目标船在疏浚深度为30m时的航速为6kn，在航行状态下使用耙管挖泥并装舱至满载，每根艉轴的推进功率为 1300kW。在挖泥装载工况下，左舷机械设备需要的功率为3589.3kW，右舷机械设备需要的功率为2863.0kW，目标船左舷主机MAN 6L32 44CR在100%MCR时能提供的功率为3600kW，右舷主机MAN 9L32 44CR在100%MCR时能提供的功率为4590kW，故满足该工况的功率需求。

3.3 排岸工况功率需求分析

当目标船处于排岸工况时，泥泵抽出舱内的泥沙，通过吹岸的形式排空，此时通过锚泊或动力定位来保持船舶的位置，螺旋桨不工作。在该工况下，左舷柴油机的功率在100%负载时维持在1600kW，主要拖动轴带发电机和冲水泵，满足船首侧推器动力定位和船上其他设备的电力需求，冲水泵最大工作负载为890kW。右舷主柴油机只驱动泥泵进行大功率的排岸工作，此时泥泵的最大工作功率为4030kW。考虑到轴系和齿轮箱的传动效率，在该工况下目标船左舷机械设备需要的功率为2621kW，右舷机械设备需要的功率为4263kW。因此，目标船左舷柴油机和右舷柴油机能满足目标船在排岸工况下各机械设备的功率需求。

4 结 语

本文提出了“一拖三”和“一拖二”混合动力配置方案，相对于“一拖三”复合配置方案减少了机械零件的数量；相对“一拖二”复合配置方案减少了电气设备的使用，降低了对电网的要求，同时能改善机舱的利用率。本文分别在航行工况、挖泥装载工况和排岸工况下进行了功率校核计算，结果表明，该动力配置方案满足目标船在各工况下的机械设备功率需求，能为我国中小型耙吸挖泥船的动力配置优化提供参考。