鲁寒坤 杨晓威 黄森华 张恭

摘    要：本文主要以我院为黑龙江流域设计的几型公务执法船为依托，针对该流域吃水浅、极寒等特点，从轮机主要设备选用、系统优化等方面，浅析黑龙江流域内河执法船轮机设计要点。

关键词：执法船;浅吃水;低温;推进装置;齿轮箱

中图分类号：U664.121                          文献标识码：A

Abstract： Based on several types of official ship designed by our institute for Heilongjiang river basin， this paper describes the main equipment selection and system optimization design of the engine system in order to adapt to the characteristics of shallow draft and extremely cold at high latitude.

Key words： Official ship; Shallow draft; Low temperature; Propulsion unit; Gear box

1     前言

我院近幾年来先后为黑龙江海关、边防等单位设计开发了90 t（见图1）、180 t（见图2）等多型执法船。其中某型90 t海关船已交付使用近5年，业主反馈该船执勤率高、主要设备运转良好，较好地适应了黑龙江流域环境特点。

2    航道环境特点

经对黑龙江水系相关气象水文资料和实地考察：其大气温度范围为-40 ℃～35 ℃;执法船通常在每年5月中旬至10月中上旬正常执勤，大气温度为-2 ℃～35 ℃、江水温度为0 ℃～20 ℃;10月下旬至次年5月上旬卧港;该水域冰封期长，每年开江、收江时，江面会有大量的流冰。

该水域航道水深随季节变化较大，其中：4月末至5月中旬，受冰雪融化和降水增加的影响，水位较高，主航道水位在2 m以上;6月下旬至7月初，水位最低，主要航道水深约1.2 m。

为保证船舶使用寿命，提高执法船的在航率、执勤能力及环境适应性，该船设备选型和系统管路设计应考虑冬季卧港需要：甲板外设备工作温度为-15 ℃～40 ℃;所有设备存放温度为-40 ℃～35 ℃;最大吃水不超过1.2 m;另外，因开江、收江时江内有流冰，需适当考虑冰区加强。

3    主要技术指标

经实地调研及分析论证，受制于该流域吃水浅、航道复杂等客观条件，航行于该流域的执法船总长一般不超过45 m、吃水不大于1.2 m。

为满足上述主要技术指标要求并具有较好的环境适应性，轮机主要设备选型和系统设计应围绕该指标进行。下面主要以我院开发的180 t执法船为依托，分析如何满足主要技术指标和对该流域环境的适应性。

4    主要设备选型和系统设计

4.1   主推进装置数量论证分析

本船在最大航速时所需最大功率约为3 000 kW，在方案设计时考虑了双机或多机等多个主推进方案。

（1）如采用双机推进，则单机功率约1 500 kW、螺旋桨直径约1.3～1.4 m。根据船舶原理，在主机功率较大时，螺旋桨的叶片要达到较大尺度，才能完全吸收功率，转化为推力。在本船限制吃水为1.2 m、且螺旋桨与船底板之间应留有间隙，故螺旋桨直径应限制在1.1 m左右，功率太大将导致螺旋桨效率较低，主机功率不能充分吸收。所以应重点考虑三机或四机方案。

（2）相比三机方案，四机方案的附体阻力较大、推进系统复杂、综合成本高;同时，四机方案重量重，对船舶吃水不利;另外，四机方案需要设置前后机舱，造成日后管理不便。

综上所述，本船采用三台主机方案比较适宜，每台主机功率约1 000 kW。采用三机方案，螺旋桨直径可控制在1.1 m以内，机舱布置简单、系统设计也较简单，所以本船采用了三机方案。

4.2   主机适应性改进

从技术的先进性、可靠性、使用维修方便性、售后服务便捷性等方面考虑，对可供本船使用的国内柴油机进行比较和筛选，最终选用了河南柴油机厂生产的CHD316BV16柴油机作为本船主机。该型主机额定功率为1 107 kW、额定转速为2 165 r/min、重量约3.5 t;该型机具有体积小、功率重量比大的特点，适合作为本船主机使用。

该型柴油机原产于德国，主要在海船上使用，考虑海水杂质少，海水泵一般位于水线以下。该型机为减轻整体重量及减少成本，原海水泵为橡胶叶轮的离心泵，没有自吸能力;本船为内河船，航道吃水浅，橡胶叶轮容易损坏，船过浅滩时海底门易进空气导致海水泵抽空，一旦海水泵抽空将无法提供冷却水，从而导致主机水温高停机。

经与主机厂家协商，确定在主机自由端增加海水冷却泵，通过皮带轮与主机连接。该种型式具有结构简单、造价便宜等特点;但考虑该种型式水泵需要占用一定机舱空间，且皮带传动长、寿命及安全性较差，最终确定将泵集成在主机上，通过齿轮传动与柴油机曲轴自由端连接，泵的型式改为金属叶轮的旋涡泵。经验证，该泵自吸能力较好、自吸高度不小于5 m，能较好适应本船航行区域。修改后的海水泵，如图3所示：

4.3   齿轮箱适应性改进

本船常用双机巡航，中间主机作为加速机组。巡航状态时中间螺旋桨受水流冲击会处于跟转状态，带动轴系一起转动;中间轴跟转转速约200 r/min，轴系长时间跟转会导致齿轮箱输出端也长期处于转动状态，由于跟转状态下齿轮箱润滑油泵没有工作，齿轮箱摩擦片容易磨损。对比，常用的办法是采用锁轴装置将中间轴锁住不使其跟转，但这样会明显加大船舶附体阻力，船舶使用经济性差。

经对该型齿轮箱润滑系统分析后，在齿轮箱输出端增加柱塞泵作为拖曳润滑泵，可在跟转状态对齿轮箱润滑，从而解决了跟转对齿轮箱的不利影响。新增拖曳泵润滑原理图，如图4所示。

4.4   动力系统适应性改进

4.4.1 海底门适应性改进

黑龙江流域流经大兴安岭，水质清澈，但在7、8月雨水季节或4、5月冰雪融化时期由于雨水等冲刷，两岸树枝、树叶等杂质易流入江面导致水面枝叶较多，船舶航行时海底门容易堵塞、海底门箱体易大量进杂质。

一般船舶海底门均设在水线以下，并设置固定压缩空气管对海底门进行冲洗。但采用压缩空气仅能解决海底门堵塞问题，对箱体内杂质无法清理，箱体内杂质过多易堵塞总管滤器，导致主机等冷却水不足，影响设备正常运转。

本船因吃水较浅，可将海底门顶部设于水线以上300 mm左右，并在顶部设置300 mm*600 mm手孔，当水面树枝较多时可将手孔打开。由于手孔高于水线，江水不会直接溢流至机舱，船员能及时清理海底门及箱体内杂物，保证海底门畅通性，从而保证冷却水量供应充足;改进后的海底门无需增加压缩空气系统，减少对空压机的使用。

4.4.2  消音器适应性改进

本船机舱布置6台机组，其中3台主机组、3台发电机组。由于机电设备较多，为控制总重量船型深仅2.9 m，导致机舱高度空间较小。经综合考虑后，仅在机舱顶部增加了400 mm高度的机舱蓬，但外侧两台主机仍无法单独布置消音器，航行时噪音会通过排气管直接传播到岸边，对两岸居民产生一定的影响。

为此，经对机舱布置图仔细研究，开发了一款集成式消音器，外侧两台主机公用一个消音器，消音器布置在船中位置。该消音器采用长方体形状，其高度方向较普通消音器高度小，从而较好地解决了普通消音器无法布置的问题。主机排气系统布置图，见图5。

4.5   辅助系统设备适应性改进

4.5.1淡水系统适应性改进

船舶淡水分饮用淡水和洗涤淡水，一般小型船舶自带淡水较少，携带淡水均为饮用淡水。本船在最大自持力期间需要消耗的淡水量约8 t，若采用一次性补给会增加船舶重量，使用也不经济。考虑黑龙江中上游整体水质较好，经过滤净化处理后可作为洗涤水使用，因此本船在机舱设一台江水净化装置，净化后的江水作为洗涤淡水使用，从而减少了淡水装载量。

4.5.2 空调系统选型

（1）一般执法船大多采用冷水机组与风机盘管结合的间接式空调型式，相比风冷分体式空调，该种型式空调集成度高;压缩机布置在机舱，不会影响船舶外观;为满足低温储存要求，可在冷媒水中添加防冻剂。本船在方案设计初期曾考虑过该种型式，但在经仔细分析发现：采用这种型式，为满足低温储存要求，冷媒水中需要添加较多的防冻剂，维护成本较高;冷水机组在较低温度存储其密封件容易老化，其维修周期长、成本高。

（2）分体式空调采用直接冷却型式，制冷剂直接参与热交换，其低温适应性较好，空调更换简单。

因此，本船最终采用了4台室外机与14台室内机组合的型式：室外机布置在驾驶室后面，并设置简单遮挡围壁，对整船外观未造成明显的影响;系统设计时通过合理分区，空调系统可实现25%、50%、75%、100%四挡调节功能，能大大降低空调总使用量，提高本船节能指标。

4.6  其它适应性改进

（1）本船在开江、收江时，螺旋桨会受到浮冰冲击，在轴系设计时应考虑流冰影响。参照CCS关于内河船冰区加强的要求，对桨毂前端至尾轴后轴承处该段轴系轴径直径加大，以更好适应开江、收江时流冰对轴系的影响。

（2）本船需满足-40 ℃的低温存放要求：在船舶卧冬前，需对管系中的冷却水、燃油等泄放干净，以防止管系中的冷卻水等结冰破坏管子及阀门;在系统管系最低点增设放水旋塞，船舶卧冬前将管系中的水、油等泄放干净;所选机械设备应具有低温适应性。如：主机组选用耐油性能的MVQ2-60（脆性温度为-50 ℃）橡胶代替丁腈橡胶和氟橡胶;采用夹布橡胶软管（脆性温度为-50 ℃）代替常用的硅胶管和氟胶管等措施;另外，对无法满足低温存放要求的电器（下转第页）（上接第页）

设备，通过合理设计做到易拆卸式，在船舶卧冬前拆回内场存放。

5     结束语

本文以我院近年来为黑龙江省海事、边防等单位设计开发的公务执法船为依托，分析了黑龙江流域内河执法船轮机设备选型及系统设计的要点，希望对同类型船舶设计的工作者有一定的帮助。

参考文献

[1] 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册-轮机分册[M]. 北京：国防      工业出版社，2002.

[2] 朱树文.船舶动力装置原理与设计[M]. 北京：国防工业出版社，1980.