第二章 耙吸式挖泥船

第二章 耙吸式挖泥船 图2-1 耙吸式挖泥船示意图 2.1 耙吸式挖泥船是自航式的深海或内陆船，如图2-1所示。耙吸式挖泥船通常配备有泥舱和挖泥设备，可以自行装舱和卸载。 按照设计，耙吸式挖泥船装备有： 1. 带有吸嘴的耙吸管，即耙头，挖泥时用于耙吸海床； 2. 泥泵，用于耙吸被耙头耙松了的土壤； 3. 泥舱，可堆存耙吸的泥水混合物； 4. 溢流系统，用于排出泥舱装舱过程中多余积水； 5. 位于泥舱内的底门，用于卸载泥水混合物； 6. 位于甲板上的支架，用于起吊耙吸管； 7. 波浪补偿器，用来补偿耙头与海床接触时耙头与船体垂直方向的相对运动。 耙吸式挖泥船的应用广泛，在疏浚业被美名为“孺子牛”。 耙吸式挖泥船工作过程中不需要抛锚定位，因而不会给其它船舶的航行造成障碍。早期耙吸式挖泥 船主要用于加深和维护航道。如今的耙吸式挖泥船还可用于围海造田。例如，一项在远东的疏浚就是 先使用耙吸式挖泥船将受污染的土壤挖掘去除，然后完全填埋，并平铺一层砂砾。与其它疏浚设备相比， 在实际施工中，若填埋沙坑的不良土壤区域太大而不能直接排放及提供管道线路排泥时应优先考虑使用耙 吸式挖泥船。 耙吸式挖泥船的主要优点： 1. 船体不在固定位置上工作，故没有抛锚用绳缆，而可以自由移动，这对于海港区域的 疏浚是非常重要的； 2. 耙吸式挖泥船非常适合远海疏浚作业。 可被耙吸的物质主要是淤泥和沙子，黏土有时也可被耙吸上来，但易造成耙头和栅栏（置于耙头内 后部）的堵塞。用耙吸式挖泥船来挖掘岩石在大部分情况下是不经济的，耙头要求非常沉重，而且产量一 般很低。 1895年法国为维护St.Nazaire港而制造出耙吸式挖泥船，这艘挖泥船装有两套耙吸管系统，由带孔的 管状物与船体底部相连。挖掘的物料如淤泥可通过船体底部的洞被离心式蒸汽泵经管道吸入至船舱。 图2-2 1859年法国的耙吸式挖泥船 带有泥舱和耙吸管系统的自航式挖泥船--耙吸式挖泥船，起源于stab suction hopper dredger，是荷兰疏浚工业重要发明之一。其挖掘方法同静止的耙吸式挖泥船，并依靠锚及缆绳维持工作时的静止。最初， 在挖掘Nieuwe Waterweg河时，利用泥舱里的管道输送，耙吸管放在船体一侧。实践证明此类挖泥船不适 于在有波浪的施工环境下工作。 从锚缆定位的挖泥船到自航式挖泥船前进了很大的一步。起初，耙吸式挖泥船的耙吸管置于船体后 部的泥舱内，但不久则被移至船体两侧。耙吸式挖泥船最早主要在美国使用，50年代又重回荷兰，并得到更大发展。 图2-3 艺术家眼中的耙吸式挖泥船 图2-4 耙吸管系统 图2-5 波浪补偿器 耙吸式挖泥船将到达疏浚区域时航速降至约3节(? 1.5 m/s)，耙吸管系统向外摆出甲板。耙吸管首先放低并接近水平，直到炮耳滑到泥泵吸口位置上。然后，中间支架和耙头支架降低，使耙吸管管道象直线 一样绕着炮耳旋转。当耙头到达距海底几米处时，泥泵开始工作，同时，耙头下降至海底（可通过波浪补 偿器的上升看出），然后耙吸工作开始。 疏浚方位及疏浚土方量现在都可在电子地图（计算机屏幕）上显示，还可显示出挖泥船的具体位置、 航行方向和工作进程。 耙吸式挖泥船在工作时，航行速度为2-3节（1 -2 m/s）。海底的泥沙挖掘并排放至泥舱里，对于不 沉淀或难沉淀的土壤，当泥舱里泥水混合物的面达到溢流阀边界时，耙吸工作即停止。 泥舱的填充量指允许填充最大值（填充率为100%），通常泥泵会持续工作约5分钟以通过溢流阀排出多余的水。要沉淀泥沙，挖掘工作就应继续，大部分沉淀的泥沙和残余物通过溢流阀和废水一同被卸载。 如果耙吸式挖泥船安装的是固定高度溢流阀，那么泥舱装舱直至达到挖泥标刻（固定的允许吃水）后，耙 吸就会停止，这种情况叫做容积固定式溢流系统（CVS），如图2-6、2-7所示；如果泥舱内安装的是可调 整高度的溢流系统，允许泥舱满载且船体在标刻线上。这时实际装舱量超过泥舱允许装舱线，而当前泥舱 中装舱量的总重量不变。这种系统称为定吨位式溢流系统（CTS），如图2-8所示。 图2-6 容积固定式泥舱 图2-7 容积固定式溢流系统 图2-8 定吨位式溢流系统 当以下情况发生时，耙吸工作将会停止： 1. 泥舱满载，溢流阀停止工作； 2. 吃水达到最大允许值，溢流不能再作进一步有用调整； 3. 达到了经济填充率。 耙吸结束后泥泵需继续工作，以减少在提升耙吸管过程中耙吸管中残留的泥沙和碎石给绞盘带来额 外负荷。耙吸管被拉起后泥泵停止工作。当耙头露出水面时，提高船体航行速度并快速航行到指定卸泥区 域。 卸泥区域： 1. 位于海底，形状简单，用于存储挖掘的土壤。若存储能力足够大，就不需考虑其堆放 方式。客户通常仅要求获得一份排泥计划以高效堆放。使用底门或阀的排泥方式要求船体有足够 的吃水； 2. 储存受污染的淤泥时，如the slufter（鹿特丹港口），需用对岸排泥系统排放泥水混合 物； 3. 是需要被填埋的区域； 4. 是需要被遮盖的油管和气管； 要有专门堆放被污染土壤的区域。 图2-9 由泥杆控制的底门 若卸泥区域是泥坑，可通过打开泥舱底门、阀或闩銷卸泥。当几乎静止的挖泥船在某一特殊位置卸 泥时，通常情况下采用的是这些卸泥方式。卸泥时，使用泥泵输送并向泥舱内喷水，利用水的侵蚀作用加 速卸泥过程。若耙吸式挖泥船安装有水泵并与泥舱内水激器相连，常使用这种方法。水激器能液化泥舱内 装舱的混合物，从而能提高卸泥能力。水激器可用于液化或侵蚀装舱物有利于岸抛。 对岸连接。目前，甲板与岸上管道的连接设备主要置于船艏。船体与岸之间连接用的管道由橡胶制 成。船体通过操作船艉螺旋桨和船艏推进器使船体保持原位不动。通过与岸上管道的“固定”连接，停泊平 底驳船。 当卸泥或抛泥完成后，挖泥船将返回挖泥点开始新一轮的工作。一般情况下，船是空载并没有压舱物状态 下返回挖泥区。此时，泥舱里仅有剩余的水和遗留在泥舱中的泥水混合物。 图2-10 岸抛接岸阀 图2-11 杨德努公司使用浮管对岸连接的耙吸式挖泥船 2.2 在订购一台新的耙吸式挖泥船前一般应做前期的市场调研，即必须明确新耙吸式挖泥船的生产量。 生产量通常以立方米/周或立方米/年来表示。若已知耙吸式挖泥船预期的平均施工周期和疏浚的土壤 类型，其生产量可用以下的指标来表示： 1. 有效固定负载能力，即有效载荷，用MN表示； 2. 最大泥舱容积，用m3表示。 如果挖泥船的用途单一（如港口维护），所需生产量通常是已知的，就可求出所需挖泥船的数量。 对于国际疏浚承包商来说，平均施工周期和所需生产量是未知的，此情况则不同前例且更复杂。事 实上这些承包商只有一个要求：疏浚成本比其它竞争者要更低。这是耙吸式挖泥船越大越便宜越好的发展 趋势的原因。 图2-12 有效载荷-船体吃水关系曲线 建造大型挖泥船唯一的不利因素是船体吃水问题。当吃水深度增加时，船的可用性就会减小。承包 商可根据所需挖泥深度确定的预期工作量来决定在某一吃水值时船的有效生产量。 但现在的市场预期值将会在5年内过期。管理者只能先选择挖泥船的生产量，然后再判断选择是否 正确。 33图2-13 两种不同尺度的耙吸式挖泥船：Fairway号(23.347 m) 和Sospan号 (700 m) 设计通常需要挖泥船建造商和客户间的合作，以某艘成功设计的挖泥船为基础并等比例放大。当放 大时必须遵守相似原则。目前，耙吸式挖泥船可分成五个等级： 负重能力 ? 50 MN (到 5000 吨) 中等泥舱 50-100MN （5000-10000吨） 大泥舱 100-150MN （10000-15000吨 巨大泥舱 150-250MN （15000-25000吨） 超大泥舱 >250MN （25000吨以上） 新制造的耙吸式挖泥船生产量选定后，就可确定泥舱容积。耙吸式挖泥船也如同其它船舶，其主尺 度决定于有效载荷、吃水要求和速度。很显然，这些与尺度与待建挖泥船间有直接的必然联系。大的泥舱 容积和小的吃水深度必然会增加船体的长度，带来的缺陷是：影响挖泥船达到规定速度。 耙吸式挖泥船需要满足一定的L/B，B/H，B/T值。（L=长度，B=宽度，H=深度，T=吃水量） 图2-14 不同年份建造的TSHD的主尺度关系 较大的B/T： 1. 船体原始稳定度增大； 2. 降低船体的抗冲击能力。 细长船体L/B值较大，优点是： 1. 结构更简单（价格更便宜），因为具有相同横截面的区域较长； 2. 相对小的阻力，因此当驱动功率相同时能有更高的速度。 另一方面，L/B值较小时，船体具有更好的稳定性，故所需建造材料也较少，且更便宜。 总之，当B/H值较小、L/B值较大时，能降低制造成本，而对吃水的要求（较小T）则会增加制造成本，则必须有更大的工作能力。 图2-15 方型系数的定义 当然需考虑方型系数。在排水量相同条件下，C 越低，船体越长。对b于耙吸式挖泥船，C 取值在0.78到0.85之间。 b 3排水量（m ） = 船体主体宽度（m） B = 船体垂直线间的长度（m） L = 吃水（m） T = 同时，要求的最大挖掘深度对船体的长度也有影响，当然，在甲板上必须有足够的空间来放置长的 耙吸管。 判断耙吸式挖泥船是否有好的市场的方法就是和竞争者比较挖泥船的比吨位值。比吨位可定义为未 卸载载荷和有效载荷间的比值。比吨位直接影响成本，有效载荷影响利润。 图2-16 排水量与船重 3耙吸式挖泥船周期运沙量决定于其有用负载能力或有效载荷（MN）和最大泥舱容积（m）。这非常重要。有效载荷是耙吸式挖泥船在最大允许吃水条件下能装舱的需付费的载荷。有效载荷易被造成误解。 根据定义，有效载荷是挖泥船满载时的重量减去船体空载时的重量。见下表： 荷兰术语 英语术解释 语 船体自船上建筑物重量和一些必要设备的重Scheepsgewicht 重 量。如：锚、链条、绳缆，急救设备，1 船员装备和船舱里货物，滑轮，动力机 舱和操作舱的重量 附加重甲板上所有系统里的液体重量，包括泥Toegevoegde 量 泵入口处和船体外侧、底部及甲板的水2 gewichten 重，例如底部泥门下和其周围的水重。 船体重Gewicht leeg schip 1+2 量 载重量 船员及其必需品、消耗品、备件、水和Toelading 3 货物的重量 满载时Gewicht van het 1+2+3 船重 “geladen” schip 有效载有效负载的重量 Gewicht lading 4 荷 船总重 Gewicht bedrijfsklaar 1+2+3+4 schip 图2-17及图2-18给出了有关耙吸式挖泥船的“轻载”及“重载”的信息。 图2-17 耙吸式挖泥船的“轻载”及“重载”与排水量的关系 图2-18 轻载及重载间的函数关系 有效载荷常随时间变化，一般减小。原因是当耙吸式挖泥船航行一段时间后，增加的载荷导致船重 增加。本应存放在岸的备件留在甲板上也增加了船重。实际中，只有一种方法能使有效载荷保持不变： 1. 清洗泥舱，减少剩余载荷； 2. 测出在吃水线时挖泥船的排水量，通过测量值即可计算出船体重量； 3. 通过测试泥舱内水的体积和比重算出泥舱内水的重量； 4. 在上述第2项测量的船体重量里减去泥舱里水的重量，即为挖泥船的载重； 5. 有效载荷就是在允许吃水的情况下，挖泥船的最大载重减去船体重量（排水量*密度），即为有效载荷，以MN计。 很显然，有效载荷并不一定是不变的，它随着消耗品重量的变化而变化，如燃料，润滑剂，饮用水 等。另外，载荷由固定载重决定，对于淤泥类的松软土壤，最大泥舱容积可等于载重容积。 如上所述，耙吸式挖泥船的生产能力可用以下数值衡量： 1. 有效载荷 2. 最大泥舱容积 ，是测量平均密度的方法，也是在耙吸式挖泥船的经济使用寿 命期内疏浚承包商期望获得的挖掘密度。这也明确了耙吸式挖泥船的设计目的。如，维护沙土型土壤的航 3道时，耙吸并输送进泥舱的沙土平均密度约为1900 kg/m 。但泥舱不可能被填充至100%，至多90%，则 33最大泥舱密度是1900*0.9=1720 kg/m。对于沙砾型土壤，泥舱密度为2000*0.9=1800 kg/m；对于淤泥型土 3壤，泥舱密度为1300 kg/m。 图2-19给出国际疏浚承包商要求的泥舱密度与耙吸式挖泥船建造时间的关系，很显然其值都稳定在 31400 kg/ m左右。 图2-19 泥舱密度与建造时间的关系 五、主要设备 挖泥装置的设计需综合考虑以下装置的主尺度和功率要求： 1. 耙吸管数量 2. 泥泵功率[m3/s] 3. 耙吸管和输泥管直径[m] 4. 泥泵类型 5. 泥泵驱动及功率[W] 6. 耙头形状和尺寸 7. 泥舱形状 8. 用于水激器的水泵功率[W] 9. 卸泥系统 1 耙吸式挖泥船通常配备两套耙吸管系统。对于中小型耙吸式挖泥船，配一套耙吸管系统更便宜。配 两套耙吸管系统时总工作效率较高，因为当其中一套耙吸管系统损坏时，另一套还可继续工作。 也有大型耙吸式挖泥船配备一套耙吸管系统的例子：泥舱容积为8,400 m?的ANTIGOON号耙吸式挖泥船和Van Oord ACZ公司生产的泥舱容积为18,000 m?的VOLVOX TERRA NOVA号耙吸式挖泥船，见图2-20。原则上主要应从经济方面考虑；但从技术过程方面考虑就存在一些问题。例如：同样宽度的耙头， 一个会和两个有一样的工作效率吗？ 图2-20 装备一套耙吸管系统的Volvox Terra Nova（左）和HAM 316耙吸式挖泥船（右） 2 可由以下几个标准来选择泥泵功率： 1. 对于某指定疏浚土壤类型，要求一定的装舱时间（例如对于d50尺寸为200-300mm的泥沙装舱所需时间为1小时）。用时间表示装舱的函数是： L =载荷 [N Q =流速 [m?/s] C =沙砾运输浓度 [-] vd r =沙砾密度 [kg/m?] k ov =溢流损失% [-] 对于1小时的装舱，流速为: 2. 对于某指定土壤，装舱速率最好以m?/s或N/s为单位。若没有溢流损失，装 舱速率应与流速成正例。但随着流速的增加溢流损失增加，装舱速率是否越来越 偏离线性关系就可清楚地从图2-21、2-22看出。 图2-21 泥泵功率与装舱速率的关系曲线（d50=0.15 mm） 图2-22 泥泵功率与装舱速率的关系曲线（d50=0.1 mm） 随着耙吸产量（装舱速率）的增加，必须考虑使用相对更高功率的泥泵和水泵、更大直径耙吸管和 更大尺寸耙头等。 备注：在图2-22中，装舱速率曲线的“台阶”表示：在一个疏浚工作周期中，当已获得最优产量时， 其高密度、高速度装舱在溢流后将不再影响产量。 3.当疏浚土壤类型和循环周期所需时间已知时，即可选择使工作周期中获得最大产量的流速。工作周 期产量可被定义为装舱量和循环时间的比值，即 若没有溢流损失，则公式可写成: 这是一个单调递增函数，但溢流损失决定了获得最大周期产量最优流速。 图2-23 泥泵功率与周期产量的关系曲线（d50=0.15 mm） 4.泥泵功率也可以现有的能正常工作的耙吸式挖泥船泥泵为标准按比例选择，依据是弗劳德（Froude） 准则。 根据以上标准就可选择流速和泥舱密度了。 3 在旧式耙吸式挖泥船上常可看见直径相当大的耙吸管。过去，耙吸管直径主要是为了减少在耙吸过 程中的压力损失而最大限度的利用水下泵产生的负压耙吸土壤。假定耙吸的泥水混合物沿直径均匀分布。 这种情况下，耙吸过程中获得最优耙吸产量时的耙吸速率即可用真空公式计算出来。 4 由于公式中倾斜管中流体输送时的临界速度系数0.333可以不计，所以输泥管的直径应比耙吸管直径 大。但根据因数F，出于经济成本考虑，选择输泥管直径一般要小50-100mm。 l,H 特别是耙吸管铸造弯头和各种阀也是影响因素。岸上的输泥管直径大致上会选得 比耙吸管小。若泥水混合物浓度相当高，则泥舱被清空时允许流速较低，以保证 卸泥时间和耙吸时间相等。 图2-24 水下泵 5. 以主尺度和疏浚设备装置为准，在不同载荷情况下可选择适当的泥泵压力。因为 叶轮的直径是可估算的（最小为2*吸入口直径～耙吸管直径），在所需压力值 和圆周速度之间还存在一定的联系，同时，旋转的角速度 n也基本固定不变。 尺寸的增大特别是深度的增加会不会在疏浚过程中带来大范围流速的变化。大范围流速变化会在管 道中产生水击作用。如果存在这种风险，就有必要使用可变功率的泥泵。 泥泵的选择还需考虑以下更多因素： 1. 3个、4个或5个叶片的叶轮，取决于叶片间的最小所需空间； 2. 单壁或双壁泵（考虑磨损时）； 3. 舱内泵、水下泵或两者兼而有之； 4. 如果要求大的耙吸深度，就需要考虑水下泵装置的经济性。经济点与在工作条件下舱 内泵在水下的深度直接相关，即与船的吃水相关。这个值对于每艘挖泥船来说都是不一样的。 在岸抛时需要多加留意泥泵装置。岸抛时越来越习惯使泥泵满负荷工作。这就意味着岸抛时压力泵 最大旋转角速度和耙吸时最大旋转角速度明显不同。因此，岸抛工作的泥泵达最大效率点时流速与耙吸时 相比要大很多。这种变化在输送流速小于吸入流速时会更大。 我们应该注意在远离最大效率点工作时泵会磨损得更快。对在不同情形下的泵的最大效率点的仔细 研究是有必要的，这样才可以获得更理想的装置。 当然泵所需功率现在也是可以计算出来的。在岸抛作业时泥泵最大有效功率是由推进力叠加计算得 到的。 图2-25 耙吸管上的水下泵 图2-26 装有两个泥泵的泵室 6 首先我们应该问：对泥泵的转数控制是否必要？如果是，那么连续可调的控制或通过变速箱得到的 步进控制是否足够？ 需考虑以下因素： 1. 抽清水和泥浆时流速变化的需求范围。如果没有气穴现象发生，这个范围会随着耙吸 深度的增加而增大。限定这个变化对于减少水锤作用的风险来说是必要的。这种情况下，常量的 转数或步进控制是不足够的。 2. 如果需要控制流速为常量。为减少1）提到的流速变化范围，以获得更平衡的泥舱装 舱或减少燃料的使用，控制流速常量是有用的。因流速受转速变化的限制，电驱动是有必要的。 但通过改变旋转次数获得常量流速控制是不适合减少水锤作用的（速度太慢）； 3. 如果船上装有艏吹装置，这种情况下，艏吹卸泥时，推进功率会被全部或部分使用。 要更好地利用这些额外功率，转数就需比耙吸时要高。 根据这些需要，泥泵可通过步进的齿轮由主引擎直接驱动，或通过发电机由电动机直接驱动。当然 也有几种中立的解决方法，将在“主要安装”部分讲述。 7 选择和设计耙头，知道将要挖掘的土壤类型是非常重要的。土壤的类型决定了挖掘过程是水力式还 是机械式的。 水力式耙头尺寸通常与耙吸管直径成线性关系。对于黏性土壤（黏土，软礁石），要求用机械式挖 掘，可由装有齿或刀片的耙头完成（图2-27）。耙头宽度取决于与挖掘土壤有关的有效切割力。以考虑挖 掘土壤的流动因素选择耙头长度。 图2-27 带有耙齿的耙头 图2-28 带有水激器的耙头 8 既可用于疏松耙头内的土壤，也助于卸泥压力水的需求性很大程度上取决于船主的意见。水泵的流 速是泥泵流速的20%～30%，泵压力通常为5～15bar。一般水泵对转数的控制没有要求。 9 如前所述，船舶建造是根据一定的L/B，B/T和B/H的比值，耙吸式挖泥船也如此。如果泥舱被建成长度大一倍，高度小一倍，那么其移动比（影响卸载率）受因数s/s影响的增加量比受因数s/v影响的减0 0 少量要多（s是泥舱表面积）。需非常谨慎地选择泥舱的移动比。 根据溢流损失的原理可以得到长而窄的泥舱适于泥沙沉降，但可惜的是这样长而窄的泥舱深度有限， 且较昂贵。因此，应折中考虑价格和功能因素 。 同样当泥舱主尺度被放大，那么需注意其溢流也将随之增大。毕竟对于所有的无论何种尺寸的耙吸 式挖泥船常要求的是装舱时间，如对于d为250mm的泥沙所需装舱时间必须为1小时。这表明流速与泥50 舱容积是有一定比例关系的 。 因此 表面载荷和紊流参数在Camp理论（见Baggerprocessen I文摘）中都与h成比例，而不L 是。这表明大的耙吸式挖泥船的溢流损失将会高于小的耙吸式挖泥船，即使泥舱是相似的。增大的 溢流损失值仍可被接受，因为即使溢流损失增大，每工作周期的产量仍较高。 有时装舱的泥沙水平面需比海平面要高，设计要求应与泥舱形状直接相关。这样的要求在吃水限制 时实际装舱达不到疏浚标准刻度时是非常重要的。在这种情况下，海平面高于泥舱的负载线，水不能溢出， 此时泥舱的装舱就不经济。对于现代船舶，50-60%最大装舱量可满足此要求。 装舱系统的目标是能够尽可能地平静地将耙吸的泥水混合物排放到泥舱中。有三种不同的系统： 1. 扩散型装舱系统（图2-29） 2. 中央型装舱系统（图2-30） 3. 深度型装舱系统（图2-31） 三个系统各有千秋： 在扩散型装舱系统中敞开的扩散器安置在输泥管的末端，卸泥时溢流最大。这种系统在横向上分配 较均匀。敞开式扩散器的缺点是排泥时会带入大量空气，阻碍沉淀。因此中央型装舱系统常被使用，并在 溢流水位下卸泥。另一个优点是此系统的维护非常方便。使用中央型装舱系统，混合物通过泥舱中部的扩 散空间排泥，混合物流到泥舱两边，这时选用可调式溢流系统较好。如果混合物的流动仍然是二维的，那 么理论上泥舱装舱能力保持相等。由于混合物向两边流动，流体紊流程度将会减少。在泥舱两边安装溢流 系统还有一个好处就是在任何时候都可保持船的平衡性。 图2-29 扩散型装舱系统 使用深度型装舱系统，无论是否安装有垂直的扩散器，泥水混合物都被排放在泥舱深处。这种系统 的优点就是由于排放的混合物与已沉淀的土壤接触产生液化现象，在达到同样装舱效果时能够节省能量。 另一方面，由于虹吸效应的产生也有利于能量的节约。原则上这是正确的，但是绝大多数耙吸式挖泥船的 深度型装舱系统不能正常工作，这是由于输泥管不密封造成的。结果，一种简单的重的装舱或分配阀出现 了。耙吸粗砂时就有必要用这种阀，沉淀效果非常好，如果这种阀不能使混合物在入口处立即沉降，则混 合物不能均匀地排放到泥舱中，此时装舱的都是水。 带入的空气会大大降低深度型装舱系统的优势。另一个缺点就是不能沿横向均匀排放。这就导致了 喷射的紊乱，还会干扰到已经沉淀的土壤。 图2-30 中央型装舱系统 图2-31 深度型装舱系统 依据理论，泥舱内的大块物料的流动是平面对称流。在卸料口L>=3B处主要是轴向对称流。但除了可分离式泥舱外，大部分卸泥系统都不满足这种要求。然而分离式挖泥船的制造成本比其他“单体”船要昂 贵许多。 凭经验，卸泥口和泥舱表面面积的比值选用取决于土壤类型： 1. 淤泥：10% 2. 黏土：50% 3. 平均值：30% 不使用大开口的泥门或阀系统时，也可使用有限数量的小泥门或阀系统，它是通过液化或侵蚀泥水 混合物来实现卸泥。经验表明，此系统非常适合卸载细沙。 在选择卸泥系统时，明确是否需要在浅水区卸泥。在浅水区卸泥，可选择移拉门式或分离式泥舱。 锥形阀也适合于在浅水区域工作。只要有一个小开口，它们就可正常卸泥。如果用到泥门，可考虑使用前 泥门。 图2-32 泥门拆分式耙吸式挖泥船 耙吸式挖泥船上安装有许多动力装置，如： 1. 泥泵动力装置 2. 射流泵动力装置 3. 推进器动力装置 4. 横向转动动力装置 甲板上当然需要辅助电路，用于耙吸管的降落和抬起，操作阀类和其他辅助设备等，必需15,000KW 或更大动力。因此，有必要密切关注功率分配。如推进器和泥泵使用单独的驱动源，就没必要考虑此问题。 大多数情况下，几个动力装置可以组合在一起使用。图2-33、2-34和2-35表明，功率分配与耙吸管的位置相关。 最普通的组合是用一个引擎同时驱动螺旋桨和泥泵，如图2-33。功率总和不能小于设定值，但在航行时会有富余功率，因此可使用更高速度，这样就可获得更高的生产量。如果这些装置都是直接驱动的， 那么发电机和电动机将不会有损失，但不利于对泥泵的控制。这对耙吸式挖泥船比对绞吸式挖泥船的影响 要小。 图2-33 直驱式 如果耙吸式挖泥船必须使用压力泵对岸抛泥，那么在变速箱上还须装有附加的传送装置，可用于利 用多余功率。同样，射流泵的功率也是由同一个引擎提供的。在这种情形下，变速箱由另一根轴固定。这 种安装方式唯一的缺陷就是限制了耙吸管的长度。当然这不是简单的黑与白关系。挖泥深度越深，放在甲 板上的耙吸管系统会越长，这就导致了在大深度挖掘时生产量降低。这样的挖泥船在1992年投放使用时， 相关公司（J.F.J.de Nul）就特别考虑到了这一点。 图2-34 推进器与泥泵引擎独立分开式 如果不希望对耙吸管长度有限制，而允许动力装置组合使用时，解决方法如图2-35所示。在船艉，引擎仍然驱动着可调式螺旋桨，但船体前部，需安装发电机为船艏的泥泵提供动力。这会造成10-15%的引擎能量损失。因此对于两套各为2,000KW的泥泵，驱动力将会损失接近400-500KW。对于安装在船艏的射流泵也一样。如果还要求对岸抛泥，压力泵所需功率还高于泥泵功率，则需更加可观的动力。若要求控 制系统，完全可以由电力驱动进行可靠的调整。 图2-35 泥泵位于船艏的耙吸式挖泥船 除了这两种解决方法，当然还有许多可以找到的不同的方法。 图2-36是目前部分耙吸式挖泥船的总装机功率与泥舱最大容积的关系曲线。 图2-36 总装机功率与泥舱最大容积 图2-37 不同排水量的耙吸式挖泥船的推进器功率 图2-38 推进功率与横向转向功率的关系 图2-39 不同排水量的耙吸式挖泥船的总装机功率 2.3 现在，耙吸式挖泥船的主要尺寸和挖掘装备已知，即可进行主体布局的设计了。 一、单泥舱船 当今建造的大部分耙吸式挖泥船都是单泥舱式的。泥舱也被称为泥井。被设置在船体中间稍靠前的 位置上。这也是当横移车架在船前部时的情形。引擎室通常被安置在船艉。用于挖掘的耙吸式挖泥船通常 带有两个可调式螺旋桨。 泵室，内置泥泵的防水密封空间，其位置对耙吸式挖泥船的主体布局也有非常大的影响。最简单最 有效的布局就是将泵室放在引擎室的前面 。 这种情况下，主引擎同时驱动可调式螺旋桨和泥泵。非常有必要使用可调式螺旋桨，因为耙吸式挖 泥船的是通过引擎改变转数来控制航行速度的。同时，泥泵产量也发生变化，进而导致产量损失。 既然耙吸式挖泥船上的泥泵旋转时转数不变（挖泥深度的变化仅对所需泥泵功率带来有限的影响）。 挖泥船的航行速度就可由改变螺旋桨的螺旋角进行简单的调整。 当然可调式螺旋桨比固定式螺旋桨更贵也更易损坏。如果使用固定式螺旋桨，主体布局如图2-40所 示，表示航行和挖泥时需使用不同的引擎。 图2-40 螺旋桨和泥泵使用独立的引擎 很显然，在第一种方法中船体总装机功率被利用得更充分。毕竟在航行过程中引擎的全部功率都可 用于推进器。当然，这对可调式螺旋桨也同样适用。 在这两种情况下，布局局限性体现在耙吸管长度和挖掘深度上，因为耙吸管需存放在甲板上。如果 挖掘深度很大（?70 m），则可采用图2-35，2-41的布局。 在后一种情况下，主引擎不仅驱动可调式螺旋桨，还为船艏电动机的驱动提供功率。 图2-41 船体电力装置 也可综合使用这些布局。耙吸管数量也能影响主体布局。很多小型耙吸式挖泥船只有一套耙吸管系 统，但也装有两个螺旋桨。有下面两个原因： 1. 螺旋浆最大允许直径决定于空船吃水线。若需提供一定功率给一个螺旋 桨，将导致螺旋桨高速重载工作，工作效率相当低； 2. 安装两个螺旋桨的挖泥船比安装一个螺旋桨的具有合理的更高的可操作 性。 然而某些特殊的耙吸式挖泥船就只安装了一个螺旋桨（见“特例分 析”部分）。 二、双泥舱船 60年代末70年代初，一些耙吸式挖泥船建有两个独立的泥舱。在这些船体中，引擎室和/或泵室建在两泥舱之间。双泥舱式船体的主要优点是在引擎室和泵室防水壁横向连接时船的纵向弯曲变形较小。 这类挖泥船的缺点是有效泥舱长度和宽度之比不利于泥沙沉淀过程。除此之外，还需使用几个额外 的阀来充分完善此类挖泥船的使用。这种布局如图2-42和图2-43所示，客舱也需建在船中部。在这两种情形下，螺旋桨和泥泵都由主引擎驱动，耙吸深度也会比先前方案提到的直接驱动的要大一点。当然选择 电驱动装置也是可能的。 图2-42 泵室建在两泥舱之间 图2-43 引擎室和泵室建在两泥舱之间 三、带有水下泵的单泥舱船 当耙吸深度大于 50米时，使用水下泵装置就比较经济。水下泵也称作耙吸管泵，可用电动驱动或水 力驱动。水力驱动一般用在小型耙吸式挖泥船上。 在较大的耙吸式挖泥船上，泥泵和带有轴承的电动机都安装在密封仓内，直接置于耙吸管上。电动 机的转数可按水下泵的需要转数来选择。这种方案使船体更简洁、相对更轻便。 与水下泵相联接的引擎室和泵室的几种可能布局如图2-44、2-45和2-46所示。较小的、结构较简单的耙吸式挖泥船可以采用图2-44方案。对于这类船，耙吸装置可用模块式。耙吸装置的驱动单元置于前甲 板上，引擎室装在船尾，目前没有必要使用可调式螺旋桨。 泥舱分离式挖泥船原则上可如图2-45和2-46所示的那样分离开来。由图2-46可以看出引擎室和泵室是纵向分离的。 图2-44 图2-45 Fig.2-46 如果想从船的右舷到船的左舷，就必须从右舷爬高到比海平面更高的位置上再从左舷下去。 将泵室设在引擎室旁而不是船艏有以下优点： 1. 泥泵装置便于引擎室内人员控制和维护； 2. 由于船艏形状（trim），船空载时，吸泥口比设在船前部时更能深入水中； 3. 由于船艉形状(stern)，当在浅水区或靠近岸堤工作时，耙头在船底就不需频繁地移动； 4. 直接驱动泥泵的主引擎效率比由船尾传到船头驱动泥泵时效率更高； 5. 可以一种更便宜方式更好地利用总推动功率对岸抛泥。泵室设置在船头，需要更大的 投资。 当然也有缺点： 1. 把泵室设在船尾引擎室旁，最主要的缺点就是对吸泥深度有很大限制。这将会引起更 多重视； 2. 重量分配不如将泵室设在船艏的方式理想。由于这个原因，现在横移支架都设置在船 前部； 3. 由于耙头更靠近螺旋桨，那么钢缆缠绕到螺旋桨上的几率就会增加。