助操拖轮配置的模拟试验分析.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 1 0 年6 月 上海船舶运输科学研究所学报 J O U R N A LO FS S S R I V 0 1 3 3N o 1 J u n2 0 1 0 文章编号：1 6 7 4 5 9 4 9 ( 2 0 1 0 ) 0 1 一0 0 7 8 0 5 助操拖轮配置的模拟试验分析 陈威 ( 福建海事局，福建福州市3 5 0 0 0 4 ) 摘要：靠离泊船舶的拖轮配置问题是一个兼顾考虑经济与安全的实际问题，在实际工作中多有争议。基于海港 总平面设计规范和港口拖轮应用指南中对拖轮配置的计算方法，对助操拖轮总功率和数量的配置问题进行了 深入探讨，并采用大型船舶操纵模拟器以具体工程实例对讨论结果进行验证。分析结果能够为靠离泊船舶操纵和 港航论证提供参考。 关键词：拖轮拖力；拖轮功率；拖轮数量；模拟试验 中图分类号：U 6 7 5 9 2 1文献标志码：A S i m u l a t i o nA n a l y s i so fT u gC o n f i g u r a t i o ni nA s s i s t i n g S h i pM o o r i n ga n dU n m o o r i n gO p e r a t i o n c H E NW e i ( F u j i a nM a r i t i m eS a f e t yA d m i n i s t r a t i o n ，F u z h o u3 5 0 0 0 4 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h ec o n f i g u r a t i o no ft u g sf o ra s s i s t i n gs h i pm o o r i n ga n du n m o o r i n go p e r a t i o ni sap r o b l e mo fb o t hs a f e t ya n de c o n o m y t Ob et a k e ni n t oa c c o u n t B a s e do nt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so ft u gc o n f i g u r a t i o ni n T h eR u l e so fP o r t sG e n e r a la r r a n g e m e n t P l a nD e s i g nJ 1 J2 1 1 9 9 a n d T 1 1 eG u i d e l i n e so fT u gA p p l i c a t i o ni nP o r t ) ) ，t h ec o n f i g u r a t i o np r o b l e mo ft o t a lh o r s e p o w e ra n d n u m b e r so ft u g sf o ra s s i s t i n gs h i pm o o t i n ga n du n m o o r i n gi st h o r o u g h l yd i s c u s s e d A l s o ，t h ed i s c u s s e dr e s u l t sa r ev a l i d a t e db y ac o n c r e t ee n g i n e e r i n ge x a m p l ew i t hl a r g es h i ps i m u l a t o r T h er e s u l t so fa n a l y s i sc a nb eag o o dr e f e r e n c ef o rs h i pm o o r i n ga n d u n m o o r i n ga sw e l la sw a t e r w a ye v a l u a t i o n K e yw o r d s ：t u g St o w i n gf o r o e ；t u g St o w i n gp o w e r ；n u m b e r so ft u gs i m u l a t i o nt e s t o 引言 随着船舶的大型化，传统的自力靠泊方式已不适用，拖轮已经成为大型化船舶靠离泊操纵必不可少的协 助手段。对于大型船舶，由于其惯性巨大，操纵中不易控制，通常需要多艘拖船作为辅助动力协助操纵，所需 拖船数量和功率一般很难根据经验做出正确选择 1 。若对所需拖轮的数量或总功率估计不足，船舶靠离泊 安全可能得不到保障；拖轮数量或总功率估计过大，又造成一定的浪费。特别是采用租赁拖轮模式的码头工 程，需要准确评估设计船型靠离泊作业需要配置的拖轮方案，以便评估拟建工程所在港区可用拖轮资源是否 可以满足要求。 文献 1 结合工程实例，通过对我国海港总平面设计规范( 以下简称规范) 及国际航海学会港口拖 轮应用指南( 以下简称指南) 关于拖轮总功率计算方法的比较，说明了按不同标准得出的拖轮总功率配置 的差别，但未对该差别给船舶靠离泊作业所带来的影响进行深入分析。因此，本文借助大型船舶操纵模拟器 收稿日期：2 0 1 0 0 4 2 6 作者简介：陈威( 1 9 7 6 一) ，男，福建省福州市人，工程师，主要从事通航管理研究工作。 万方数据 陈威：助操拖轮配置的模拟试验分析 7 9 比较和分析规范和指南中对拖轮配置要求的合理性，希望能够为靠离泊船舶操纵和港航论证提供参考。 1 港作拖轮的种类与拖力特性 1 1 港作拖轮的种类 在实际工作中，港作拖轮通常根据其推进器的种类进行分类。可以分为定距螺旋桨拖轮( F P P ) 、可变螺 距螺旋桨拖轮( C P P ) 、Z 型螺旋桨拖轮( Z P ) 和平旋推进器拖轮( V S P ) 4 种。其中Z P 拖轮和V S P 拖轮由于 其优越的操纵性和拖力性能，广泛使用于协助港内船舶操纵。 1 2 港作拖轮的拖力特性 表14 种拖轮的系柱拖力性能 拖轮的拖力性能是拖轮协助操作中首要关心的问题。拖轮拖力的大 小不仅与拖轮的推进器类型和功率有关，还和拖轮的运动状态有关。一 般以系柱拖力来表示拖轮所能提供的最大拖力。表1 为上述4 种拖轮的 系柱拖力性能2 | 。 2 规范和指南中对拖轮配置的计算方法 推进器类型系柱拖力( t 1 0 0k W ) v S P 1 3 5 1 5 5 普通F P P1 8 牙 1 5 5 1 8 普通F P P C P P 1 7 2 O 2 1 规范对拖轮配置的计算方法 根据规范，一般船舶所需港作拖轮的总功率，应根据进港船舶的载重吨位按下列经验公式计算 3 B H P K Q( 1 ) 式中：B H P 一所需港作拖轮的总功率；K 一系数，当D W T 2 00 0 0t ，取0 0 7 5 ；2 00 0 0t 5 00 0 0t ，取0 0 5 ；Q 一进出港设计船型的载重吨。 2 2 指南对拖轮配置的计算方法 国际航海学会的指南中提出影响拖轮系柱总拖力应考虑的因素有港口特征、码头结构型式、被拖带、 顶推船舶情况、环境条件、拖轮工作方式等。对主要因素给出的计算公式如下 2 5 1 。 1 风力：通过一些试验研究，并考虑2 0 - - - 2 5 的安全储备，实际计算风力影响下的系柱总拖力公式为 F 一0 0 8 V 2 A L ( 2 ) 2 水流力：通过一些试验研究，考虑拖轮效力折减而采用2 5 放大量时，对于深水区( 水深大于6 倍船 的吃水) 受流影响的系柱拖力计算式为 E 一4 0 驴L B P T ( 3 ) 当龙骨下富裕水深为船舶吃水1 5 倍时，则 E 1 1 0 V 2 L 肝T( 4 ) 当龙骨下富裕水深为船舶吃水的2 0 时，则 F f = 1 5 0 V 2 L 即T ( 5 ) 当龙骨下富裕水深为船舶吃水的1 0 时，则 E 一1 8 5 V 。2 L 砰T ( 6 ) 3 波浪力：与海洋中的波浪比较，港口附近水域的波浪有周期短，波长小的特点。对于短周期波，作用 在船侧的波浪力按式( 7 ) 计算 只一= 1 1 2 L 。H ( 7 ) 综上所述，以Z P 拖轮为例，船舶所需拖轮总功率按式( 8 ) 计算 P 牙一器警嵩揣 式( 2 ) 至式( 8 ) 中： F 一风影响下的系柱拖力； E 一流影响下的系柱拖力； 只一一浪影响下的系柱拖力； V 一船速； 万方数据 上海船舶运输科学研究所学报 2 0 1 0 年第1 期 A L 一船体水上侧投影面积； L 腰一船舶两柱间长； L 。一船舶水线长； p 一船舶吃水； H s 一波高。 3 工程实例模拟试验研究 3 1 工程实例计算 根据湄洲湾某码头工程所在水域的水文气象条件，以及各种类型拖轮系柱拖力与拖轮功率统计对照表 ( 见表1 ) ，对1 0 万吨级散货船满载情况进行分析，计算其所需Z P 拖轮数量及总功率( 见表2 一表4 ) 。 表2 计算船型参数表3 环境参数 ：二竺 l O 万吨级散货船 船型参数、 两柱间长m2 5 0 0 船宽m4 3 0 吃水m1 4 5 载重吨t 1 0 00 0 0 水上侧投影面积r n 2 23 7 8 l风( 级)横流波高水深 I 4 56 7 0 5k n0 9m1 7 0m 表4 计算结果 规范指南 风力4 级5 级6 级7 级 拖轮总功率k W 50 0 051 6 960 5 672 0 6 85 0 3 根据规范中对拖轮配置的要求和拖轮协助船舶操纵通常做法，l o 万吨级散货船应配置2 艘25 0 0k W 的拖轮。而根据指南中对拖轮配置要求，1 0 万吨级散货船在不同风、流和波高的情况下靠离泊作业的拖 轮配置随着靠离泊环境的变化而变化。从表4 中可以看出，假定流速与波高不变，仅考虑风力变化对拖轮配 置的影响时，指南中关于拖轮配置总功率的计算结果随风力的增强而增大，而规范中的配置要求没有变 化，但在风力小于4 级时两者的计算结果非常接近。同样，单独考虑流速与波高对拖轮配置的影响时，也具 有相同的变化规律。 3 2 模拟试验分析 为进一步验证和比较计算结果的合理性，本文采用大连海事大学航海技术研究所研制的大型船舶操纵 模拟器，对1 0 万吨级散货船在不同拖轮配置下的靠离码头工程作业进行了多次模拟试验，模拟试验数据如 表5 所示。该模拟器于1 9 9 9 年1 2 月通过港航部门的技术认证，2 0 0 0 年1 2 月获辽宁省科技进步一等奖。 该模拟器具有在电子海图上显示船舶动态图形的功能，能模拟船舶在各种外界条件下的操纵运动，并能记 录、打印及处理试验结果。 图1 和图2 为相同模拟试验工况下的船舶运动轨迹。模拟工况条件为东北风4 级、涨潮流1 5k n ( 码头 垂向流速0 5k n ) 、流向3 4 6 。、船位显示时间 间隔为3 0s 。拖轮按规范和指南的计算 结果分别配置。 比较图1 和图2 可看出，在东北风4 级、 涨潮流1 5k n 、流向为3 4 6 。模拟工况条件下， 1 0 万吨级散货船满载，在2 艘25 7 3k W 拖轮 协助情况下掉头靠泊试验用时约2 3m i n ，而 在2 艘25 0 0k W 拖轮的协助下掉头靠泊试验 用时约2 5m i n 。根据表5 的统计数据分析，4 次试验掉头靠泊过程中受横流漂移距离、占用 回旋水域大小、靠泊时间以及在拖轮顶推下的 横向靠泊速度等参数基本相同。 衷5 模拟试验数据统计表 拖轮试验试验用 回旋水域 序号工况描述 配置次数时r a i n横距m纵距m 2 艘 12 6 3 2 0 3 6 7 东北风4 级， 25 0 0k W 22 53 2 23 5 0 l 涨潮流1 5 l m 2 艘 12 33 1 73 5 0 25 7 3k W 22 43 1 03 4 7 2 艘 13 73 4 04 7 5 东北风6 级，