巫建華，張曙光

(1.江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團)有限責任公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212005；2.上海海事大學 經(jīng)濟管理學院，上海201306)

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中小型拖船主尺度及排水量的確定

巫建華1，張曙光2

(1.江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團)有限責任公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212005；2.上海海事大學 經(jīng)濟管理學院，上海201306)

根據(jù)拖船的設(shè)計特點，提出了一種確定主尺度和排水量的方法。首先介紹拖船的設(shè)計特點，并在此基礎(chǔ)上分析影響主尺度及排水量確定的主機功率、主尺度、空船重量、穩(wěn)性等因素，其次對船長、吃水、型深、船寬等進行計算并確定，最后估算各部分重量及排水量，以及校核性能，最終確定初步設(shè)計。此方法經(jīng)實船應用，各項技術(shù)指標均符合設(shè)計要求。

拖船；主尺度；排水量

0 引言

拖船的主尺度對船舶的運載能力、航行性能、作業(yè)能力和經(jīng)濟性等有著重要影響。目前拖船設(shè)計是基于母型船的尺度進行優(yōu)化和修改的，但此方法穩(wěn)定性較差且易使浮態(tài)產(chǎn)生缺陷，影響船舶的安全和性能，因此，系統(tǒng)地研究和確定拖船的主尺度對拖船的設(shè)計有一定的幫助。

本文從拖船的任務和特點出發(fā)，力求全面分析中小型拖船的主尺度和排水量的確定方法。該確定方法和過程基本考慮到中小型拖船的特點，具有一定的普遍適用性，對拖船的主尺度和排水量的確定有一定的指導意義。

1 拖船的分類

拖船按其主要使用任務可分為：運輸型拖船、輔助作業(yè)拖船、救助拖船、海洋開發(fā)用拖船。

1.1 運輸型拖船

運輸型拖船是以拖帶駁船隊為主要任務的內(nèi)河及海上拖船。這種運輸方式的優(yōu)點是經(jīng)濟性較好。

1.2 輔助作業(yè)拖船

輔助作業(yè)拖船包括協(xié)助大船進出港、靠離碼頭、掉頭等用的港作拖船以及船廠用的調(diào)動船舶泊位、進出塢、協(xié)助試航等用途的拖船。

1.3 救助拖船

救助拖船主要用于救助海上失事船舶。該類拖船具備有對失事船舶進行排水、滅火、潛水作業(yè)等設(shè)備和供油、供水、供電的能力，并能拖回失事船舶。

1.4 海洋開發(fā)用拖船

海洋開發(fā)用拖船主要用于海上鉆井平臺的曳調(diào)、拋錨、供料、水陸交通以及拖帶工程船舶等，是一種多用途船舶。

拖船以航區(qū)劃分可分為：內(nèi)河拖船、港作拖船、沿海拖船與遠洋拖船。

2 拖船的設(shè)計特點

拖船性能共同突出的問題是拖帶時對穩(wěn)性和操縱性要求高。此外，根據(jù)不同的使用任務，各有其設(shè)計上的特殊問題，要根據(jù)具體的情況采用不同的處理方法，包括在建筑、布置和主尺度選擇上的相應措施。因此，本文首先就各型拖船和設(shè)計思想和問題做一些分析，然后介紹確定其主尺度和排水量的方法步驟。

2.1 運輸型拖船設(shè)計特點

對于運輸型拖船，應以保證拖帶或頂推時有最大的拖推力為基本前提，并應具有良好的航向穩(wěn)定性、舵力和倒車性能以控制船隊。

從快速性角度看，拖、推船本身阻力所占船隊總阻力的比例較小，故設(shè)計重點應保證拖、推時有較高的推進性能。為此，艉吃水應力求保證在拖、推狀態(tài)時使螺旋槳的直徑最佳，艉部線型要保證水流的流暢性。

從操縱性來說，大的艉吃水及較纖瘦的艉體有助于增加舵面積，對航向穩(wěn)定性、倒車性能、回轉(zhuǎn)性能都有利。推船及拖船為改善其操縱性可采用雙槳360°帶導管的回轉(zhuǎn)螺旋槳。通常對操縱性要求高的拖船均采用360°全回轉(zhuǎn)舵槳裝置。

拖船一般為單甲板船。內(nèi)河及港作拖船設(shè)甲板室或半高棚，海上拖船一般均設(shè)艏樓。推船常設(shè)多層上部建筑以擴大駕駛視野。

拖鉤縱向位置或海上拖船用的拖纜機宜布置在拖船中后部(0.15～0.25)LPP(LPP為垂線間長)范圍內(nèi)，這種布置有助于安全性和拖帶時的航向穩(wěn)定性。拖鉤以后為空敞甲板。拖鉤距甲板宜低，以利于提高安全性。

2.2 輔助作業(yè)拖船設(shè)計特點

輔助作業(yè)拖船的操縱靈活性、倒車性能對作業(yè)很重要，故船長宜短，采用360°全回轉(zhuǎn)舵槳尤為適宜。設(shè)計上除注意拖力外，應適當兼顧自由航速。建筑上應保證上甲板比較空敞以利于作業(yè)，故一般只設(shè)甲板室。船員人數(shù)較少，因而居住艙室所需空間也較小。

因燃油、淡水、生活供應品等數(shù)量相對較少，故在布置上較易處理。有不少港作拖船兼作短程沿海拖帶使用。

2.3 救助拖船設(shè)計特點

對于救助拖船，應盡快趕到失事現(xiàn)場并且不受天氣條件的影響，故抗風能力特別重要。此外，對自由航速和耐波性的要求也較高，同時拖曳能力也較為重要，因此，這型拖船通常配備功率較大的主機且采用雙槳和可調(diào)螺距螺旋槳。因主機功率較大，續(xù)航距離較遠，加之施救設(shè)備和救助供應品的要求，船員相對較多，因而需較多的布置空間和浮力，故同其他拖船相比，其排水量和主尺度都較大。建筑上常采用艏樓型和較大壓載艙體積(調(diào)整油水消耗后的浮態(tài)和穩(wěn)性)。當船長大于50 m時，應能保證一艙不沉。

2.4 海洋平臺供應船設(shè)計特點

對于海洋平臺供應船，除性能上應具備拖船的性能要求外，還應具備小型運輸船的某些技術(shù)性能。為此，上層建筑應盡可能集中在前部以留出較大的后部開敞甲板來布置貨艙和堆放甲板貨物。主機功率主要根據(jù)拖帶鉆井平臺的要求來考慮。推進裝置采用可調(diào)螺距螺旋槳為宜。這種類型的拖船在不同使用情況下的縱傾調(diào)整是個較為復雜的問題，故應注意其油艙、水艙、壓載艙的前后布置和分配。

3 拖船主尺度及排水量的計算

3.1 基本分析

根據(jù)拖船的相關(guān)資料及設(shè)計實踐，需注意以下幾點。

3.1.1 主機功率

主機功率是影響拖船主尺度和排水量的關(guān)鍵因素，各型拖船的主尺度及排水量都有隨主機功率的增加而增加的趨勢。其主要原因如下：

(1)機艙的布置空間要求相應增大船的尺度。

(2)穩(wěn)性要求。急牽力矩與主機功率成正比。根據(jù)拖船拖力的經(jīng)驗公式：拖力=主機總功率×(1.7～1.77)，故需相應增加回復力矩，從而要求相應地增大排水量和船寬。

(3)為保證螺旋槳的效率，要求有較大的吃水，從而需增大型深。

(4)因拖帶能力的增加，被拖船的噸位也相應地增大，故需要更大的船長和吃水，以增加拖船的控制能力。

(5)船員人數(shù)及相應艙室設(shè)施的增加，需要更大的布置空間，因此，應增大船長及船寬。

(6)機器重量、燃油重量、船上設(shè)備及艙室設(shè)施和生活供應品等重量的增加，需要大的浮力，促使船的主尺度相應的增加。

3.1.2 主尺度

在同樣的主機功率下，主尺度仍有相當大的變化范圍，尤其在不同類型的拖船之間相比時，其變化范圍就更大。如港作拖船主要著眼于操縱靈活，對耐波性及自由航速的要求不像救助拖船及沿海拖船和遠洋拖船那樣重要，再則港作拖船的續(xù)航力較小，生活設(shè)施也較簡單等，故從布置空間、浮力上也允許用較小的尺度。

同一類型的拖船的主尺度及排水量的差別，是由于機器尺度及重量、續(xù)航力及其他一些具體條件以及指導思想上的差別造成的。

3.1.3 空船重量

確定拖船的主尺度和排水量時需要考慮空船重量這一因素。因拖船的空船重量是其排水量的主要成分，而空船重量中的船體結(jié)構(gòu)、木作與舾裝重量又與主尺度有密切關(guān)系。另外，中小型拖船船體結(jié)構(gòu)及設(shè)備與舾裝、主機單位重量對空船重量及重心高度的影響較大，因此，確定拖船主尺度及排水量時要特別注意上述因素的影響。

3.1.4 穩(wěn)性

因拖船的載重量系數(shù)較小，空船重心高度相對較高，而穩(wěn)性要求又很高，故設(shè)計中需特別注意穩(wěn)性問題。為此，除合理地選取船寬及型深/吃水，并力求減小上部重量外，可考慮采用固定壓載。當小型拖船吃水不受限制時，大多采用固定壓載。沿海及救助拖船可考慮采用水壓載。將壓載艙與淡水艙結(jié)合起來還可增加淡水的攜帶量。

設(shè)計實踐證明，與增加船寬以滿足穩(wěn)性要求相比，采用固定壓載的措施對船舶快速性、耐波性以及造價均是有利的。

載重量很小的深水內(nèi)河拖船、沿海短程拖船常因方形系數(shù)過小而不利于內(nèi)部布置和建造施工，所以為保證船有適宜的吃水和使型線不過分纖瘦，可經(jīng)采用加固定壓載的方法。

3.2 確定主尺度及排水量的方法過程

船舶主尺度是描述船舶幾何特征的最基本的參數(shù)，主尺度對船舶的運載能力、航行性能、作業(yè)能力和船舶的經(jīng)濟性等有著重要影響。船舶主尺度通常指船長L、型寬B、型深D、設(shè)計吃水d、方形系數(shù)CB及主尺度比。

船舶主尺度受到一系列因素的制約，比如航道碼頭條件、船舶各項技術(shù)要求、用戶要求、造價和工作特點等。各要素之間存在著相互聯(lián)系又相互制約的關(guān)系，設(shè)計中應根據(jù)設(shè)計船的要求和影響因素，分析要素之間的對立統(tǒng)一關(guān)系，通過一定的初步近似及反復的過程，在相互聯(lián)系中逐個或同時確定各個要素，然后再經(jīng)過重量、穩(wěn)性、航速及其他性能的校核，加以修正，最后再通過分析比較加以確定。

3.2.1 主尺度的確定

設(shè)計拖船時，按主機功率分析同類型拖船的主尺度、排水量數(shù)值范圍及其變化規(guī)律，考慮機器的尺度與重量、續(xù)航力、船員數(shù)目、航線環(huán)境條件等因素，選取主要尺度。

(1)船長Lpp：可參考主機功率相近的一些實船的資料。首先從總布置上安排各種用途的船艙及上層建筑，并選取適當?shù)耐香^位置，為此，需參考有關(guān)資料選取機艙長度、船員艙室所需的位置，計算所需要的油艙、水艙的容積等，并在此基礎(chǔ)上初定滿足總布置要求所需的1個最小船長；然后，結(jié)合自由航速及耐波性的因素，參考相近的一些實船情況，選取1個船長。

(2)吃水：選取船長后，可先估算一下艉吃水TA，以保證螺旋槳的效率。按最佳槳徑與PB(主機制動功率)及螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)N(轉(zhuǎn)/分)之間的近似關(guān)系、槳徑與艉吃水之間的關(guān)系，對一般螺旋槳可用下式近似估算艉吃水TA：

采用導管螺旋槳時,可根據(jù)簡易設(shè)計圖譜估算導管外徑再決定艉吃水。如估算得到的艉吃水超過限制吃水，就用限制吃水作為艉吃水。

作為粗略估算，也可參照PB相近的同類型實船，選取1個T/Lpp值以定出T。

(3)型深D或干舷F：D或F根據(jù)主體內(nèi)艙室高度、機艙布置的要求及穩(wěn)性、抗沉性的要求來確定。內(nèi)河船還需注意水面以上高度的限制條件，結(jié)合艙面天篷的高度來確定。

從拖索急牽力矩以及重心高度考慮，希望拖船的干舷低些，但從大傾角穩(wěn)性方面(大傾角形狀矩臂、靜穩(wěn)性曲線極大點的傾角及消失角)及抗沉性方面，希望干舷大些，設(shè)計中要很好地處理，尤其對功率偏大的中小型拖船更應注意。因此，最好根據(jù)一些同類型PB相近的拖船資料來選取干舷。各型拖船的干舷大體范圍是：內(nèi)河拖船為0.4～0.5 m；港作拖船為0.85～1.20 m；功率大的海上拖船干舷略高于港作拖船。

干舷值與船寬關(guān)系密切，可結(jié)合船寬做統(tǒng)一分析，一般在(0.10～0.11)B范圍，有長艏樓的海洋拖船，干舷值可適當取低些。

要保證一艙不沉時，可參考船長相近的拖船的F/T值來選取F。

(4)船寬B：一般根據(jù)穩(wěn)性條件選取。從穩(wěn)性條件決定B可參考相近的同類型拖船的B/T值及穩(wěn)性情況，并注意到上層建筑的尺寸大小、層數(shù)和D/T值。設(shè)計時先選取1個B/T值以初步確定船寬B值。港作拖船及海上拖船的B/T值在2.5左右即可滿足要求，但D/T偏大及上層建筑較大時B/T值需取大點，當然也可依據(jù)采用固定壓載的數(shù)量而定。

小型拖船的船寬的確定需要從艙室布置角度加以考慮。

采用雙推進器的拖船，還需要注意機艙布置對寬度的要求。

3.2.2 估算各部分重量及排水量

各部分重量可根據(jù)母型船進行粗略估算，主要包括：對船體鋼結(jié)構(gòu)的選取及重量的預估；木作舾裝重量的分析及估算；機電設(shè)備重量估算；是否有固定壓載等。估算時應注意新船與母型船在建筑、設(shè)備、結(jié)構(gòu)等條件上的局部差別，重量重心進行換算時對一些局部項目(增減項目)的修正影響。將各部分重量加起來后，考慮適當?shù)闹亓吭６?，即得設(shè)計排水量，由設(shè)計排水量可算出相應的CB值。若CB值偏大，就可先調(diào)整Lpp、B或T(可適當增加)；若CB偏小，就適當用固定壓載來調(diào)整，或同時適當改變尺度。固定壓載量按選用的CB值計算得到。

3.2.3 校核性能

根據(jù)初步主尺度及排水量校核新船的性能。一般情況下，設(shè)計拖船時可先核算一下初穩(wěn)性，以便及時調(diào)整固定壓載量或主尺度。為此，最好能先繪制總布置草圖，對油、水艙及固定壓載的位置加以安排并考慮到縱傾調(diào)整，以便能按照新船的主要特征來估算重心高度。至于初穩(wěn)性的額值可通過計算與母型船進行比較。拖船設(shè)計時，在初穩(wěn)性估算中寧可保留大一些的裕度，使設(shè)計有可調(diào)節(jié)的余地。

對自由航速要求較高的拖船，還應進行快速性的計算分析；在性能核算的基礎(chǔ)上修正主尺度。對于需采用固定壓載的船舶，通常在艏艉加壓載艙的方式來進行替代。

3.2.4 確定初步設(shè)計

選取主尺度及排水量后，繪制較完整的總布置圖、型線圖。對重量及重心進行較仔細的核算，同時對各項性能進行核算。

4 結(jié)語

本文從拖船的任務和特點著手，主要介紹了確定拖船主尺度和排水量的辦法。從拖船的作業(yè)區(qū)域、航道碼頭條件、船舶各項技術(shù)要求、用戶要求、造價和工作特點等出發(fā)，考慮主機和舵槳的布置等對船長、吃水、型深、干舷、船寬及排水量的確定找到了相關(guān)的方法。按此方法設(shè)計的多條船舶經(jīng)船廠實際建造后，各項技術(shù)指標和要求均達到或超過技術(shù)規(guī)格書要求，船東反映良好，對于拖船的設(shè)計有一定的參考價值。對于某些特定的常用拖船(如全回轉(zhuǎn)拖船)的確定方法還可以更加精確確定，需要再進一步加以研究。

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2016-05-05

巫建華(1974—)，男，工程師，主要從事船體設(shè)計工作；張曙光(1976—)，男，碩士研究生，高級工程師，從事船舶與海洋工程設(shè)計與建造工作。

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