長江上游航道測量快艇推進系統選型

吳 猛

(江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇 鎮江 212009)

長江上游航道測量快艇推進系統選型

吳 猛

(江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇 鎮江 212009)

針對實際測量任務，為保證長江上游航道測量快艇的最大航速及測量航速要求，比較幾種不同推進方式，分析其動力特點，該艇建造完成后實測航速為35 km/h，船舶航向穩定性良好，船舶回轉試驗及慣性試驗試航結果完全滿足設計要求，實船使用表明，該船動力滿足設計要求，噴水推進裝置與主機匹配優良。

快艇；推進系統；噴水推進

長江上游航道測量快艇作業于長江上游，擔負長江上游航道的測量任務，作業水域具有航道灘多、水淺、水流湍急等特點，航道為B級航區、J2級航段。本船的設計原則核心是如何使該船合理有效的完成航道測量作業任務，因此船舶設計在船舶布局、安全性、操縱性、淺水急流航道的適應性、航速等方面有特殊要求。各項指標要求均應圍繞這一核心。本船根據使用要求和工作環境進行設計，能航行于上述航區，在蒲氏6級風氣候條件下能正常航行，5級風能正常開展測量工作。本船接受CCS檢驗但不入級。本船機艙空間狹小，機艙設備在滿足規范、法規及使用要求的前提下，應進可能簡化。推進系統選擇要滿足最大航速及測量航速時的機槳匹配。推進系統要具有良好的操縱性，能滿足上游灘多、水淺航道斷面測量的要求。

1 船舶概況

1.1 船型

船體及甲板室均采用鋁合金材料，采用兩臺柴油機、噴泵噴水推進，主船體結構形式為縱骨架式，橫剖面中前部為園舭線型、后部為折角線型。

1.2 船舶主要參數

總長Loa=13.06 m；水線長Lwl=11.00 m；

型寬B=3.60 m；型深D=1.60 m；

設計吃水d=0.75 m；排水量△=12.3 t；

航速V=33.0 km/h；乘員2人。

1.3 總體布置

主甲板以上設單層甲板室，可減小上層建筑側投影面積，提高船舶在風浪環境下的適航性能和穩性，提高安全性能。總布置見圖1。

圖1 總布置示意

2 推進性能研究

2.1 阻力測試

委托武漢理工大學制作船模并進行阻力試驗。

1)試驗分析表明，試驗結果規律性較好。

2)分析試驗數據及現象得到如下結論：①未安裝垂直艉板，艉傾嚴重，艏部噴濺較大，阻力較大；②安裝垂直艉板后，艉傾得到較大改善，艏部噴濺減小，船舶總阻力大為減小，垂直艉板效果非常明顯,故實艇艉部垂直板底線下垂15 mm。

3)由試驗得出船舶推力與阻力曲線。

2.2 推進方式對比

高速船的常用推進方式有4種：掛槳機、舷內外機、常規螺旋槳推進及噴水推進。掛槳機的主機大部分為汽油機且功率較小，不適合本船使用；舷內外機的主機轉速較高，大多數在3 000 r/min以上，只能短時間滿負荷工作，可靠性不高。故為本船選擇常規螺旋槳推進或噴水推進。

本船最大航速要求不小于30 km/h，主機功率較大，如果選用常規螺旋槳推進，由于吃水較小限制了螺旋槳直徑，推進效率較低；再由于船舶尺度較小，尾部線型要做隧道，線型很難處理，機艙和軸系布置困難。

本船的測量航速8～15 km/h，如果選用常規螺旋槳推進，主機與推進軸系間需要安裝帶有滑差功能的齒輪箱。

采用噴水推進艉部可以做得比較方正，噴泵和主機之間用萬向軸調節，使得主機的布置更加靈活，并很好地滿足最大航速及測量航速的要求。噴水和常規螺旋槳推進比較，省去軸和舵系統；本船選用噴泵，可不配齒輪箱。采用噴水推進2臺噴水推進裝置加2只萬向聯軸器重量約400 kg，采用常規螺旋槳推進2套軸系、2臺齒輪箱、2只螺旋槳及舵系重量約為1 100 kg，本船采用噴水推進較螺旋槳推進，重量約輕700 kg，雖然造價有所增加，但排水量減少，對提高航速有利。

噴水推進特別適用于淺吃水，可以防止推進器遭水草、漁網等其他雜物纏繞，也可以避免因碰撞而造成損壞，其操縱極為靈活，調整倒車斗和噴嘴角度，可原地調頭、側移。主機在額定轉速85%～100%可長期運轉，通過調整倒車斗開啟角度或單臺主機工作，使船舶航行長期穩定在8～15 km/h，以滿足測量所需要的航速。

從操縱性、尾部線型處理、機艙布置、控制重量、推進器防護、測量航速的需要等方面考慮，本船采用噴水推進。

2.3 噴水推進裝置分析

噴泵主要有三種：軸流泵、混流泵、離心泵。每種噴泵都有適用的最佳船型，需要綜合泵的使用性能和船型特征選擇不同特性的噴泵。其中軸流泵的水流方向與軸線平行、流量大、揚程小；離心泵的水流方向與軸線垂直(徑向)、流量小、揚程高；而混流泵介于兩者之間，其水流方向既有徑向又有軸向，性能也介于兩者之間。對于商用型噴泵來說，一般使用軸流泵或混流泵。見圖2。

圖2 泵結構特點比較

兩種泵的特性對比見表1。

表1 軸流泵與混流泵特性比較

在主機功率、轉速相同的情況下本船選用軸流泵預報最大航速約為34 km/h，采用混流泵預報最大航速約為28 km/h，通過對比軸流泵的噴水推進裝置在相同主機功率下，能獲得更高的航行速度。同時結合軸流泵和混流泵本身的特性，采用軸流泵的噴泵具有更好的抗氣蝕型，因此在本項目中選用軸流泵。

結合本項目中使用的VOLVO D7CTA 主機功率(166 kW，2 300 r/min)，為了充分發揮主機功率并匹配其額定轉速，其中DJ100G葉輪使用時需要配備增速齒輪箱，而使用DJ110則可以采用主機與噴泵直連方案，減少了齒輪箱重量，同時使軸系布置更加靈活方便。而DJ110為能夠采用直連方式的最小噴推型號，結合主機功率和功率，DJ110型號選用19AL5葉輪，其轉速功率見圖3。

圖3 主機與葉輪的轉速功率

新船葉輪匹配時，為了充分發出主機功率及在后續使用過程中能夠保持滿功率輸出，匹配選型時的設計點一般都在主機額定轉速以上，具體數值依據不同主機特性而定。

新船使用時轉速匹配點最好在2 340 r/min左右。在這種情況下，隨著船舶的使用，船重增加，主機轉速會有所下降，但仍能夠滿功率輸出，滿足用戶需求。

由圖3可以看出，在2 340 r/min時主機輸出功率和噴泵吸收的功率相同為168 kW，滿足主機廠家的要求；在額定轉速2 300 r/min時，主機輸出功率為166 kW，噴泵所需要的功率為156 kW，噴泵功率比主機輸出功率小10 kW，即主機留有6%的功率儲備。因此主機與噴泵匹配合理。

2.4 最大航速及測量作業航速匹配

本船要求最大航速不低于30 km/h，由圖4中阻力曲線R及推力曲線A可知在主機全負荷工作且噴泵斗勺完全打開時，本船靜水最大航速達34.3 km/h，滿足要求。

圖4 推力與阻力曲線

本船主機能在1 400 r/min以上轉速長期穩

定工作。

船舶在測量工作時要求船舶的穩定航速為10～15 km/h，船舶一般在逆水或靜水工況下進行測量，在逆水測量時一般要考慮2.5 m/s的水流速度，其實此時船舶的靜水航速為19～24 km/h，由圖4阻力曲線R及推力曲線C可知，在主機以2 100 r/min工作且噴泵斗勺完全打開時，本船靜水航速約21.5 km/h，滿足測量工況要求。在靜水測量時，由圖4阻力曲線R及推力曲線F可知，在主機以1 600 r/min工作且噴泵斗勺完全打開時，本船靜水航速約13 km/h，滿足要求。

3 結論

1)噴水推進裝置具有良好的操縱性，航道測量快艇采用噴水推進形式能更好滿足上游灘多、水淺航道斷面測量的要求。

2)噴水推進裝置具有適用于各種工況的能力，能更好適用于既有較高的最大航速，又有較低的穩定航速要求的船舶。

3)噴水推進裝置在使用過程中噴泵進水口容易被漂浮物堵塞，建議在設計噴泵進水口時優化格柵的設計，能更好地防止漂浮物漂浮物堵塞。

[1] 王立祥.船舶噴水推進[M].北京：國防工業出版社，1986.

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[5] 劉永濤,趙永生.200 t高速穿浪雙體渡船噴水推進器設計[J].江蘇船舶,2006，32(5)：4-9.

Selection of Propulsion System for Hydrographic Survey Yacht in the Upper Reaches of Changjiang River

WU Meng

(Jiangsu Haiyi Ship Design and Research Co.Ltd.,Zhenjiang Jiangsu 212009, China)

In order to meet practical measure demands and ensure the max measure speed of the hydrographic survey yacht in the upper reaches of Changjiang river, the different propulsion modes are compared and the power characteristics of this yacht are analyzed. The sea-route measuring speed of the yacht reaches 35 km/h with good stability, so that the shipping turning test and inertia test results meet the design demand. The practical use proved that the yacht satisfied design requirements and the waterjet has good match with main engine.

yacht; propulsion system; water-jet

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.022

2015-06-16

吳 猛(1981-)，男，大學，工程師

U674.82

A

1671-7953(2015)06-0093-03

修回日期：2015-07-03

研究方向:船舶動力裝置

E-mail:jshy5982888@163.com