200客位大金湖旅游船初步设计船舶与海洋工程毕业论文.docx
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200客位大金湖旅游船初步设计船舶与海洋工程毕业论文
200客位泰宁大金湖旅游船初步设计
[摘要]近年来,旅游成为了人们节假日的首选。
随着我国旅游业得到迅猛发展,现代旅游者选择内湖和内河风景旅游区为目的地和乘坐旅游船出游已成为一种时尚。
大金湖原有的120客位旅游船载客量已不能满足日益增长的游客量的需求,为了提高载客量,有必要设计一艘新船。
本文主要内容包括200客位旅游船的主尺度论证、总布置设计、型线设计、静水力计算和中横剖面结构设计。
本设计根据任务书的要求,选定一个母型船资料作为基础,在母型船基础上初步确定了新船主尺度的可行方案,并对新船主要性能进行校核。
设计过程中应用Excel软件进行静水力计算,应用AutoCAD软件绘制了该船的总布置图、型线图、静水力曲线图和典型横剖面结构图。
[关键词]旅游船;初步设计;母型船
PreliminaryDesignof200-seats ExcursionVessel of Taining’sBig GoldenLake
[Abstract] Inrecentyears,tourismhasbecomethefirstselectionofpeopleonholidays.Alongwithourcountrytourismhasdevelopedrapidly,moderntouristschooselakeandriverscenicareaforthedestinationandtakeacruiseshipstotravelhasbecomeakindoffashion.Biggoldenlakeoriginal120-seatexcruisevesselcapacitycannotsatisfytheneedsofincreasingpassenger,inordertoimprovethecapacity,itisnecessarytodesignanewship.Inthispaper,maincontentinpreliminarydesignprocessincludetheargumentofprincipaldimensions,thegenerallayoutdesign,linedesign,statichydrauliccalculationandcrosssectionstructuraldesign.Thisdesignaccordingtotherequirementofthespecification,hasselectedamothershipasthefoundation,determinedthefeasibleschemeofthenewvesselpreliminary,andcheckedthenewshipmainperformance.Inthedesignprocess,theExcelsoftwarewasappliedtocalculatethestatichydraulic,andtheAutoCADsoftwarewasappliedtodrawthegenerallayout,drawinglines,hydrostaticcurvesandtypicalcrosssectionfigure.
[Keywords]ExcursionVessel;Preliminarydesign;Mothership
0引言
我国经济近些年来持续和稳定的发展,为人们的户外休闲与游憩活动创造了极为有利的宏观条件,水上旅游作为有别于常规旅游的一种新型旅游方式,引起了广泛关注。
我国传统的水路客运行业,从早期在国民经济中承担水路客运运输这一重要角色,向服务于新型的休闲、娱乐与旅游需求、高速客运需求这一角色转变,这一现象已成为业内共识。
适应水上旅游需求的游船业正成为水上运输领域的新亮点。
地处泰宁县境内的大金湖,位于福建省西北武夷山脉南麓。
景区总面积约130km2,其中水域面积约36km2,平均水深约10m,有百里金湖之称。
2004年2月11日联合国教科文组织表决通过泰宁为世界地质公园。
“申世”的成功,为泰宁打开了走向世界的大门,为泰宁的旅游事业创造了有利的契机。
目前,大金湖景区航运主要由大金湖航运发展有限公司负责,该公司现有各类旅游客船总计41艘。
其有2006年投入使用的50客位“古城号”系列客船6条,24客位“古城号”系列客船12条,以及10艘快艇等。
此外,另有“明珠号”系列豪华大游船13条,该船全长38.95m,最大船宽6.00m,型深2.00m,满载排水量126.00t,可载客120位,于2008年投入金湖旅游区使用。
近几年来,大金湖旅游业迅速发展,原有的旅游船已不能适应未来日益增多的游客量以及游客的舒适性要求。
为了大金湖景区旅游质量的进一步提高,有必要设计新型“舒适、经济、环保、安全、美观”的旅游船。
本论文在调研大金湖旅游客船的当地情况和相关资料的基础上,计划以泰宁大金湖现有的120客位游览船为母型船,进行200客位旅游船的初步设计。
本设计的主要内容包括对旅游船的主尺度选取和主要性能校核,型线设计、总布置设计、静水力计算,根据旅游船的相关规范和其它有关要求完成中横剖面结构设计和计算,绘制总布置草图、型线图、静水力曲线图和典型横剖面结构图。
1船型的设计要求
新船的设计所要求如下所示:
1)载客量:
200人;
2)设计航速:
21.5km/h;
3)船员:
10人;
4)航行区域:
内河B级;
5)续航力R=600nmile;
6)船籍:
中国;
7)船级社:
CCS;
8)设计参考的120客位母型船的基本信息[1]:
(1)LOA=38.95m、LPP=34.80m、LLW=35.55m;
(2)船宽B=6.6m,设计吃水T=1.1m,型深D=2.0m;
(2)空船重量LW=103.42t,排水量△=126t;
(3)设计航速:
21.5km/h;
(4)船员:
10人;
(5)主机:
瑞典VOLVO柴油机,额定转速2300rpm,额定功率195kW;
(6)齿轮箱:
国产HC138,减速比为i=4.45:
1;
(7)辅机:
国产道依茨CCFJ35J发电机组,功率35kW;
(8)船型系数:
CB=0.553,CW=0.857,CM=0.863,CP=0.641,CVP=0.561;
(9)重心坐标:
zg=2.972m;
(10)初稳性高:
GM=2.169m。
2主尺度确定
船舶排水量、主尺度(船长、船宽、型深、吃水)、船型系数(方型系数、棱形系数、水线面系数、中横剖面系数)以及尺度比构成船舶主要要素。
它们是描述船舶几何形状的一些最基本的特征数据。
这些要素对船舶技术经济性能诸如快速性、稳性、耐波性、适航性、总布置以及船舶经济性都有重大影响,对船舶设计质量也起决定性作用。
因此,合理地确定船舶主要要素,是船舶设计中最基本最重要的工作之一。
2.1主尺度选取所考虑的因素及初步确定
客船属于布置地位型船舶,客船的主尺度很大程度上取决于所需的布置地位或受布置地位的制约。
设计这类船舶时,往往需要从所需的布置地位入手来考虑船长、船宽和型深,然后再根据性能、强度等方面的考虑来校核其主尺度是否合理,并决定其他要素。
因此,客船的布置地位是影响主尺度决定的主要因素。
在设计这类船舶的初始阶段,对新船所需的布置地位必须考虑周到,并通过勾画总布置草图来仔细确认布置地位是否满足要求。
1)船长L的选择
船长L的选取关系到船舶的总布置、阻力、操纵性及船舶造价等因素。
本船主要从布置地位、快速性和经济性三个方面来考虑。
首先考虑布置地位,本船主要考虑客舱的长度,由于现200人相比母型船120人增加较多,不可避免地要增加客舱的长度。
其次考虑快速性,适当加大船长能使阻力减小,改善中高速船的快速性,从而提高船速、节省燃料开支。
最后考虑经济性,L增加对空船重量(特别是船体钢料)的影响最大,L大造价增加。
因此,综合考虑上述三个因素,参考母型船总布置草图,本船采用与母型船相近的布置。
首甲板取6.5m,驾驶室取3.0m,客舱取19.5m(一列座椅船长方向长度为2m,本船共9列),服务台取2m,储藏间取1.5m,机舱取3.5m(主甲板上机舱长3.5m,主甲板下机舱长7m),船员室取2m,尾甲板取4.0m。
所以,总长取LOA=42.5m,垂线间长取LPP=38.3m,本文计算船长均取垂线间长。
2)船宽B的选择
对于小型客船和布置地位型船舶,最小船宽常由初稳性和总布置要求所决定。
一方面,船宽对稳性的影响最大,增加B将引起初稳性高显著增加,但过大的初稳性又使横摇周期缩短,横摇加速度及横摇幅值均增大,这对横摇不利。
另一方面,从总布置来说,增加船宽对机舱、船员舱、客舱、货舱等布置都是有利的。
本船船宽按布置地位来确定:
本船客舱座椅规格为0.50×0.45(宽度×深度),横向排9列,左4右4;中间为走道,规范要求不小于0.7m,由于乘客较多,可取1.2m(实取1.3m);考虑小型船设计的舷侧过道不提供旅客走动,只用来做船员洗窗壁、维修使用,其宽度按结构规范要求取0.1B左右,取0.6m;围壁的厚度(包括装修层)取0.05m;则甲板最大宽度为:
8×0.50+1.2+2×0.6+2×0.05=6.5m,实取6.6m。
参考母型船型线横剖面图的第10号站横剖线,从设计水线至主甲板部分型线形状变化不大,因此本船的型宽取甲板最大宽度B=6.6m。
3)吃水T的选择
设计吃水的选择主要从浮力及保证螺旋桨有适宜的直径这两个方面来考虑。
从浮力方面看,用增加吃水来减小L、B和Cb,对快速性和减轻空船重量等许多方面都是有利的,当然减小B和L都应满足稳性和布置地位等的有关要求。
如果吃水受限,在不影响L和B满足其它要求的情况下,吃水的选择一般总是用足所给定的限制条件。
吃水的大小和螺旋桨直径有直接的关系,如果吃水太小,对螺旋桨的直径限制太大,会严重影响推进效率。
大金湖现有120客位旅游船设计吃水1.1m,仿古游览船[2]设计吃水1.2m,经实地调研,大金湖平均水深约10m,最小水深5m,所以本船吃水取T=1.2m。
4)型深D的选择
为保证船舶强度,建造规范规定了船的L/D和B/D;对于航行于内河B级航区的机动船,L/D≤30,B/D≤4.5。
对布置地位型船舶,船舶主体内的布置要求是选取D的主要依据,且应满足最小干舷的要求。
参照母型船的布置,本船取型深D=2m。
5)干舷F
主甲板及其敷料厚度不计,干舷高F=D-T=2-1.2=0.8m。
2.2船型系数的确定
1)方形系数CB的选取
方形系数的主要根据浮力和快速性两个基本因素来选择。
从浮力方面考虑,方形系数CB=Δ/(ρkLBT),当浮力相差不大时,保持L、B、T不变而适当改变CB可很方便地调整浮力的大小。
从快速性考虑,减小CB有利于降低剩余阻力Rr,改善阻力性能,特别是减小CB并增大L时快速性与耐波性的改善最显著。
对于布置地位型船,因其L和B的选取通常由所需的布置地位所决定,如果浮力的要求不难满足,则方形系数的选取可以主要更根据快速性的要求,选择与Fn适宜配合的值。
本船主要从快速性方面考虑方形系数的选取,因为
,根据图2-1CB和Fn的关系[3]估算,本船方形系数取CB=0.55。
图2-1CB和Fn的关系
2)其它船型系数的选取
除了方形系数外的其它船型系数,不是布置地位船舶主尺度选择时的主要考虑因素。
根据第五章静水力计算直接得出:
CW=0.885,Cp=0.702,Cm=0.778,CVP=0.606。
2.3估算重量重心
船在某一装载情况下的总重量在数值上等于此时的排水量
,它由各部分重量组成。
通常在设计中将排水量分成空船重量和载重量两部分[3],即
(2-1)
式中:
LW——空船重量,t;
DW——载重量,t。
2.3.1空船重量的估算
1)根据《内河船舶设计手册》[4],内河船舶空船重量LW一般可用立方米来估算:
(2-2)
式中:
——空船重量系数,由母型船的空船重量除以母型船的立方数求得。
即
,新船
。
2)排水量裕度
在船舶设计中一般都需要考虑一定的排水量裕度。
排水量裕度一般都加在空船重量中。
就一般情况而言,在初步设计阶段,排水量裕度可取空船重量LW的4%-6%。
对于客船,由于舾装重量所占比例较多,而且各种零星设备和材料特别多,因此要取较大的排水量裕度。
本船排水量裕度=6%LW=6%×113.75=6.83t。
所以,新船的空船重量LW=113.75+6.83=120.58t。
2.3.2载重量的估算
1)旅客:
200×(65+20)kg=17t。
2)燃油储备量可以按下式近似计算:
(2-3)
式中:
g0——一切燃油装置耗油率[kg/(kW·h)],可近似取主机油耗率的1.15~1.20,主
机油耗率约为0.204kg/(kW·h),此处
取主机油耗率的1.15,故取g0为0.235kg/(kW·h);
P1——主机常用额定功率(kW);
t——航行时间(h),t=R/Vs,R为续航力,Vs为服务航速;
k——考虑风浪影响的系数,一般可取1.1~1.2,这里取1.15。
根据公式(2-3),计算得
。
3)润滑油的储量近似地可取为燃油储量的某一百分数,即
(2-4)
式中:
——系数,对一般柴油机约等于0.02~0.05,主机功率大航程远的船取小值,这里取0.05。
根据公式(2-4),计算得WL=0.05×1.47=0.0735t。
对于小型船舶,因炉水所需量较小,在淡水储备粮中考虑适当裕读后,可不计入炉水重量。
4)船员:
10×(65+45)kg=1.2t。
5)粮食及淡水分别根据人数、自持力天数及有关定量标准按下式计算:
总储备量=自持力(d)×人员数×定量(kg/(d·人))(2-5)
式中:
自持力=R/(VS·24)(d)(2-6)
式中:
R——续航力(nmile);
VS——服务航速(kn)。
关于定量标准:
(1)食品定量通常按每人每天2.5-4.5kg计算。
(2)淡水(包括饮用水和洗涤用水)的定量标准与航程、航线的气候条件(客船还考虑其等级标准)等因素有关。
通常海船取每人每天定量100-200kg。
内河船因部分洗涤用水可直接利用江水,因此淡水可适当少带。
食品储备量=
t;
淡水储备量=
t;
总储备量=2.035+24.87=26.905t。
6)供应品及备品:
0.5%LW=120.58×0.005=0.603t。
因此新船的载重量DW=17+1.47+0.0735+1.2+26.905+0.603=47.25t。
2.3.3平衡重力与浮力
根据公式(2-1),船舶总重量Δ=LW+DW=120.58+47.25=167.83t≈168t。
船舶在设计吃水时的浮力:
(2-7)
式中:
ρ——水的质量密度(t/m3),内河水取0.99904;
k——附体体积系数,一般可取1.006。
根据公式(2-7),
,小于新船估算的船舶总重量,需要调整。
修改船宽B=6.6m,则
。
所以新船重力与浮力平衡。
新船排水量实取Δ=168t。
2.3.4重心高度计算
重心高估算:
。
2.4主机、减速齿轮箱和螺旋桨直径的选择
1)主机的选取
(1)新船主机功率估算
由于新船的主尺度、船型系数、排水量以及设计航速均与母型船相接近,因此用海军系数法来估算设计船的主机功率。
海军系数法[4]:
(2-8)
式中:
Δ——排水量(t);
V——航速(kn);
P——主机功率(kW)。
根据公式(2-8),得:
,
所以,新船
。
(2)主机的选择
选取主机型号:
CCFJ286GF(一台),额定功率:
280kW,额定转速1500rpm,
长×宽×高=(3000×1000×1541)mm。
2)齿轮箱和螺旋桨直径的选取
已知母型船的螺旋桨直径D0=1.08m,则新船的估计螺旋桨直径为:
D=D0×T/T0=1.08×1.2/1.1=1.178m。
计算螺旋桨转速根据下式[5]:
(2-9)
式中:
SHP——为轴马力,估算时用主机马力代替,即280kW=280×1.36=380.8hp。
将D=1.178m代入公式(2-9),可得螺旋桨转速为:
N=589rpm。
减速比为:
i=1500/589=2.55,查减速齿轮箱资料,可选取齿轮箱MA142,减速比为i=2.03。
根据所选减速比计算得到螺旋桨实际转速N=739rpm,再将N代入上式,得螺旋桨直径D=1.028m。
2.5舱容和布置地位校核
2.5.1舱容校核
1)油水舱容积Vow校核
船上油水舱包括燃油舱、淡水舱、滑油舱、污油水舱等。
这些舱所需容积可按储存量来计算[3]:
(2-10)
(2-11)
式中:
Wi——油、水等储量(t);
ρi——油水的密度(t/m³),一般重油取0.89~0.9,轻油取0.84~0.86,淡水
取1.0;
kci——容积折扣系数,对于水舱可取结构折扣系数,对油舱再考虑膨胀系数0.97~0.98,重油舱内因需设置加热管,故还要占去0.03左右的容积,实船设计中该系数的取值还应注意与轮机部分的设计相协调。
根据公式(2-10)和公式(2-11)计算可得:
。
参考母型船的总布置图,油水舱总容积大于27.48m3,新船油水舱容积满足要求。
2)机舱容积VM校核
机舱所需的容积实际上由机电设备布置地位所需的机舱长度LM和机舱位置多决定,已知机舱所需长度LM和位置时可以按下式估算机舱容积[3]:
(2-12)
式中:
KM——机舱段体积丰满度系数,丰满船机舱在中部的可近似取1.0,中尾机和尾
机型可参照母型船资料选取(本船取0.9);
hDM——机舱双层底结构,一般中等大小的船为1.2~1.5m,小型船0.9~1.2,也
可参考母型船选取(本船取1m)。
LM——可以用公式粗略估算:
,lM为主机长度(本船为3m),C初估时
对于中尾机型可取4~6m,尾机型可取10~12m(本船取4m)。
根据公式(2-12),计算可得:
VM=0.9×7×6.6×(2-1)=41.58m3,参考母型船机舱容积约为86m3>41.58m3,因此新船机舱容积符合要求。
3)压载水舱容积校核
压载水舱可设在双层底、首尾尖舱、底边舱、顶边舱及舷边舱等处,压载水的数量,一般要求在船舶空载加压载航行时首吃水能达到2.7%L,及尾部螺旋桨能充分浸没,故压载水量需达到载重量的30%左右,或压载航行时的排水量达到满载排水量的50%左右。
本船压载水量取30%DW=30%×47.25=14.18t,压载水体积约14.18m3,本船首尾尖舱设为压载水舱,根据总布置图,首尾尖舱总容积约为34m3,能够装下压载水。
因此本船的压载水舱容积足够。
2.5.2布置地位校核
客船是指载客人数超过12人的船舶,包括纯客船和以载客为主兼载部分货物的客货船。
目前,纯客船已向旅游船和高数船两个方向发展,客货船向客滚船(或称车客渡轮)方向发展。
这些船舶都属于比较典型的布置地位型船舶。
纯客船所需的布置地位主要包括:
乘客和船员的起居处所;乘客和船员的服务处所;乘客游步处所;机器处所。
1)最小居住甲板面积
各类客船不同等级客舱每位乘客的最小居住甲板面积见表2-1。
表2-1每位乘客最小居住面积(m2)
一等客舱
二等客舱
三等客舱
四等客舱
五等客舱
软座
(宽×深)
硬座
(宽×深)
第一类客船
4.5
3.0
1.7
第二类客船
3.5
2.2
1.4
1.2
1.2
第三类客船
3.0
1.7
1.3
1.1
1.1
第四类客船
1.2
1.05
1.05
0.5×0.45
0.5×0.45
本船座椅规格为0.50×0.45(宽度×深度),符合要求。
2)游步甲板面积
各类客船必须设有乘客的游步甲板,各类客船每位乘客所需的游步甲板面积应不小于表2-2的规定。
表2-2各类客船每位乘客所需的游步甲板面积(m2)
第一类客船
第二类客船
第三类客船
第四类客船
0.5
0.4
0.3
0.2
本船属于第四类客船,游客共200人,根据总布置草图,本船游步甲板面积约60m3。
因此本船每位乘客的游步甲板面积为0.3m3,满足要求。
2.6主要性能指标的校核
2.6.1干舷校核
按载重线规范[6],最小干舷:
(2-13)
式中:
F0——船舶的基本干舷,mm;
f1——型深对干舷的修正值,mm;
f2——舷弧对干舷的修正值,mm;
f3——舱口围板高度及舱室门槛高度对干舷的修正值,mm。
1)B型船舶在B级航区的基本干舷F0由表2-3选取。
表2-3B型船舶基本干舷F0
船长(m)
20
30
40
50
基本干舷(mm)
260
300
340
380
新船LPP=38.3m,根据插值法,因此基本干舷F0=333.2mm。
2)型深对干舷的修正
因为L/D=19.15>15,所以f1=0。
3)舷弧对干舷的修正
船舶首、尾垂线处的标准舷弧高度按表2-4选取。
表2-4B级航区标准舷弧高度
船长(m)
20
30
40
50
基本干舷(mm)
首弧
310
374
440
500
尾弧
155
187
220
250
根据型线图,本船实际取首舷弧高YS=428.78mm,尾舷弧YW=221.78mm,等于标准干舷,因此不做干舷修正,f2=0。
4)舱口围板高度及舱室门槛高度对干舷的修正
干舷甲板上舱口围板和舱室及舱棚门槛等的标准高度按表2-5选取。
表2-5B级船舶露天部分舱口围板和舱室门槛的标准高度
船长(m)
40m以下
40m以上
标准高度(mm)
舱口围板
190
300
舱室门槛
150
200
舱口围板和舱室及舱棚门槛的实际高度等于或大于上表规定时,不作修正;当小于本节上表规定时,应按本节下式计算所得值增加于舷,但舱口围板和舱室或舱棚门槛的
实际高度应不小于50mm。
(2-14)
式中:
i——舱口和舱室及舱棚的序号;
L——船长,m;
B——型宽,m;
Lci——舱口长度,m,当计算舱室或舱棚门槛高度的修正值时,Lci为舱室或舱棚的长度,或通过该门槛能到达的上层建筑的长度;
bci——舱口宽度,m,当计算舱室或舱棚门槛高度的修正值时,bci为舱室或舱棚的宽度,或通过该门槛能到达的上层建筑的宽度;
hbi——由上表确定的舱口围板和舱室或舱棚门槛的标准高度,mm;
hci——船舶的舱口围板和舱室或舱棚门槛的实际高度,mm。
本船实取hc=100mm。
根据公式(2-14),计算得
;
根据公式(2-13),最小干舷F=F0+f1+f2+f3=333.2+32.28=365.48mm。
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