长江上游航道测量快艇推进系统选型

吴 猛

(江苏海艺船舶科技有限公司，江苏 镇江 212009)

长江上游航道测量快艇推进系统选型

吴 猛

(江苏海艺船舶科技有限公司，江苏 镇江 212009)

针对实际测量任务，为保证长江上游航道测量快艇的最大航速及测量航速要求，比较几种不同推进方式，分析其动力特点，该艇建造完成后实测航速为35 km/h，船舶航向稳定性良好，船舶回转试验及惯性试验试航结果完全满足设计要求，实船使用表明，该船动力满足设计要求，喷水推进装置与主机匹配优良。

快艇；推进系统；喷水推进

长江上游航道测量快艇作业于长江上游，担负长江上游航道的测量任务，作业水域具有航道滩多、水浅、水流湍急等特点，航道为B级航区、J2级航段。本船的设计原则核心是如何使该船合理有效的完成航道测量作业任务，因此船舶设计在船舶布局、安全性、操纵性、浅水急流航道的适应性、航速等方面有特殊要求。各项指标要求均应围绕这一核心。本船根据使用要求和工作环境进行设计，能航行于上述航区，在蒲氏6级风气候条件下能正常航行，5级风能正常开展测量工作。本船接受CCS检验但不入级。本船机舱空间狭小，机舱设备在满足规范、法规及使用要求的前提下，应进可能简化。推进系统选择要满足最大航速及测量航速时的机桨匹配。推进系统要具有良好的操纵性，能满足上游滩多、水浅航道断面测量的要求。

1 船舶概况

1.1 船型

船体及甲板室均采用铝合金材料，采用两台柴油机、喷泵喷水推进，主船体结构形式为纵骨架式，横剖面中前部为园舭线型、后部为折角线型。

1.2 船舶主要参数

总长Loa=13.06 m；水线长Lwl=11.00 m；

型宽B=3.60 m；型深D=1.60 m；

设计吃水d=0.75 m；排水量△=12.3 t；

航速V=33.0 km/h；乘员2人。

1.3 总体布置

主甲板以上设单层甲板室，可减小上层建筑侧投影面积，提高船舶在风浪环境下的适航性能和稳性，提高安全性能。总布置见图1。

图1 总布置示意

2 推进性能研究

2.1 阻力测试

委托武汉理工大学制作船模并进行阻力试验。

1)试验分析表明，试验结果规律性较好。

2)分析试验数据及现象得到如下结论：①未安装垂直艉板，艉倾严重，艏部喷溅较大，阻力较大；②安装垂直艉板后，艉倾得到较大改善，艏部喷溅减小，船舶总阻力大为减小，垂直艉板效果非常明显,故实艇艉部垂直板底线下垂15 mm。

3)由试验得出船舶推力与阻力曲线。

2.2 推进方式对比

高速船的常用推进方式有4种：挂桨机、舷内外机、常规螺旋桨推进及喷水推进。挂桨机的主机大部分为汽油机且功率较小，不适合本船使用；舷内外机的主机转速较高，大多数在3 000 r/min以上，只能短时间满负荷工作，可靠性不高。故为本船选择常规螺旋桨推进或喷水推进。

本船最大航速要求不小于30 km/h，主机功率较大，如果选用常规螺旋桨推进，由于吃水较小限制了螺旋桨直径，推进效率较低；再由于船舶尺度较小，尾部线型要做隧道，线型很难处理，机舱和轴系布置困难。

本船的测量航速8～15 km/h，如果选用常规螺旋桨推进，主机与推进轴系间需要安装带有滑差功能的齿轮箱。

采用喷水推进艉部可以做得比较方正，喷泵和主机之间用万向轴调节，使得主机的布置更加灵活，并很好地满足最大航速及测量航速的要求。喷水和常规螺旋桨推进比较，省去轴和舵系统；本船选用喷泵，可不配齿轮箱。采用喷水推进2台喷水推进装置加2只万向联轴器重量约400 kg，采用常规螺旋桨推进2套轴系、2台齿轮箱、2只螺旋桨及舵系重量约为1 100 kg，本船采用喷水推进较螺旋桨推进，重量约轻700 kg，虽然造价有所增加，但排水量减少，对提高航速有利。

喷水推进特别适用于浅吃水，可以防止推进器遭水草、渔网等其他杂物缠绕，也可以避免因碰撞而造成损坏，其操纵极为灵活，调整倒车斗和喷嘴角度，可原地调头、侧移。主机在额定转速85%～100%可长期运转，通过调整倒车斗开启角度或单台主机工作，使船舶航行长期稳定在8～15 km/h，以满足测量所需要的航速。

从操纵性、尾部线型处理、机舱布置、控制重量、推进器防护、测量航速的需要等方面考虑，本船采用喷水推进。

2.3 喷水推进装置分析

喷泵主要有三种：轴流泵、混流泵、离心泵。每种喷泵都有适用的最佳船型，需要综合泵的使用性能和船型特征选择不同特性的喷泵。其中轴流泵的水流方向与轴线平行、流量大、扬程小；离心泵的水流方向与轴线垂直(径向)、流量小、扬程高；而混流泵介于两者之间，其水流方向既有径向又有轴向，性能也介于两者之间。对于商用型喷泵来说，一般使用轴流泵或混流泵。见图2。

图2 泵结构特点比较

两种泵的特性对比见表1。

表1 轴流泵与混流泵特性比较

在主机功率、转速相同的情况下本船选用轴流泵预报最大航速约为34 km/h，采用混流泵预报最大航速约为28 km/h，通过对比轴流泵的喷水推进装置在相同主机功率下，能获得更高的航行速度。同时结合轴流泵和混流泵本身的特性，采用轴流泵的喷泵具有更好的抗气蚀型，因此在本项目中选用轴流泵。

结合本项目中使用的VOLVO D7CTA 主机功率(166 kW，2 300 r/min)，为了充分发挥主机功率并匹配其额定转速，其中DJ100G叶轮使用时需要配备增速齿轮箱，而使用DJ110则可以采用主机与喷泵直连方案，减少了齿轮箱重量，同时使轴系布置更加灵活方便。而DJ110为能够采用直连方式的最小喷推型号，结合主机功率和功率，DJ110型号选用19AL5叶轮，其转速功率见图3。

图3 主机与叶轮的转速功率

新船叶轮匹配时，为了充分发出主机功率及在后续使用过程中能够保持满功率输出，匹配选型时的设计点一般都在主机额定转速以上，具体数值依据不同主机特性而定。

新船使用时转速匹配点最好在2 340 r/min左右。在这种情况下，随着船舶的使用，船重增加，主机转速会有所下降，但仍能够满功率输出，满足用户需求。

由图3可以看出，在2 340 r/min时主机输出功率和喷泵吸收的功率相同为168 kW，满足主机厂家的要求；在额定转速2 300 r/min时，主机输出功率为166 kW，喷泵所需要的功率为156 kW，喷泵功率比主机输出功率小10 kW，即主机留有6%的功率储备。因此主机与喷泵匹配合理。

2.4 最大航速及测量作业航速匹配

本船要求最大航速不低于30 km/h，由图4中阻力曲线R及推力曲线A可知在主机全负荷工作且喷泵斗勺完全打开时，本船静水最大航速达34.3 km/h，满足要求。

图4 推力与阻力曲线

本船主机能在1 400 r/min以上转速长期稳

定工作。

船舶在测量工作时要求船舶的稳定航速为10～15 km/h，船舶一般在逆水或静水工况下进行测量，在逆水测量时一般要考虑2.5 m/s的水流速度，其实此时船舶的静水航速为19～24 km/h，由图4阻力曲线R及推力曲线C可知，在主机以2 100 r/min工作且喷泵斗勺完全打开时，本船静水航速约21.5 km/h，满足测量工况要求。在静水测量时，由图4阻力曲线R及推力曲线F可知，在主机以1 600 r/min工作且喷泵斗勺完全打开时，本船静水航速约13 km/h，满足要求。

3 结论

1)喷水推进装置具有良好的操纵性，航道测量快艇采用喷水推进形式能更好满足上游滩多、水浅航道断面测量的要求。

2)喷水推进装置具有适用于各种工况的能力，能更好适用于既有较高的最大航速，又有较低的稳定航速要求的船舶。

3)喷水推进装置在使用过程中喷泵进水口容易被漂浮物堵塞，建议在设计喷泵进水口时优化格栅的设计，能更好地防止漂浮物漂浮物堵塞。

[1] 王立祥.船舶喷水推进[M].北京：国防工业出版社，1986.

[2] 刘承江，王永生，丁江明，等.现代喷水推进装置的演变[J].舰船科学技术，2006，28(4):8-12.

[3] 丁江明.船舶喷水推进器推进性能预报研究[D].武汉：海军工程大学，2009.

[4] 董 亮,杨松林,王 义,等.高速船推进性能优化设计[J].中国造船,2008，49(3)：127-135.

[5] 刘永涛,赵永生.200 t高速穿浪双体渡船喷水推进器设计[J].江苏船舶,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

吴 猛(1981-)，男，大学，工程师

U674.82

A

1671-7953(2015)06-0093-03

修回日期：2015-07-03

研究方向:船舶动力装置

E-mail:jshy5982888@163.com