羅·羅公司的模塊化船舶設(shè)計(jì)

祁 斌

近年來，隨著國際海事組織（IMO）相繼推出目標(biāo)型新船建造標(biāo)準(zhǔn)（GBS）、能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI），以及未來所要滿足的Tier III關(guān)于氣體排放的要求等一系列新標(biāo)準(zhǔn)、新規(guī)范，加之船東對于燃油成本的考慮，未來船舶的設(shè)計(jì)建造向節(jié)能減排方向發(fā)展已成為大勢所趨。

羅爾斯·羅伊斯公司（羅·羅公司）自上世紀(jì)70年代中期就開始研發(fā)各種船型（主要為海洋工程船），并將自身的各種船舶動力系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)合到船型設(shè)計(jì)當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)能、高效的目標(biāo)。目前，羅·羅公司在船舶設(shè)計(jì)方面采用了創(chuàng)新的模塊化理念，即將船體分為船首、上層建筑和中間貨運(yùn)區(qū)三個(gè)部分，其中，中間部分可以根據(jù)船東需求靈活更換為不同船型。

這三個(gè)部分中，最有特色的是其穿浪型垂直船首。這是羅·羅公司和挪威大學(xué)花費(fèi)五六年時(shí)間共同研發(fā)的成果，與傳統(tǒng)的球鼻艏相比，穿浪型船首能夠使船舶所受阻力降低8%～10%。此外，羅·羅公司還開發(fā)了創(chuàng)新的Promas整合型槳舵推進(jìn)系統(tǒng)，使“舵槳合一”，并可靈活采用單機(jī)單槳和雙機(jī)雙槳兩種不同的配置，有望使船舶的效率提高4%～9%。其中，Promas系統(tǒng)的舵球可引導(dǎo)水流流向，提高推進(jìn)效率；舵邊采用扭曲設(shè)計(jì)，可大幅提高機(jī)動性；其中的螺旋槳為“拉式”槳，槳葉向前，可有效降低繞流阻力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果一艘船舶采用羅·羅的Promas整合型槳舵推進(jìn)系統(tǒng)、穿浪型垂直船首，以及其他各種優(yōu)化方案，則該船的整體效能可得到大幅提高，從而使船舶的溫室氣體排放量減少40%左右。

環(huán)保船舶的設(shè)計(jì)理念

羅·羅公司在海工市場上的卓越表現(xiàn)一直以來都不為人陌生，而在潛力更巨大的商船設(shè)計(jì)市場上卻是最近才起步。不過，起步晚并不代表技術(shù)落后，恰恰相反，羅·羅公司利用其多年的動力系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)以及雄厚的技術(shù)儲備，在商船的開發(fā)設(shè)計(jì)上直接進(jìn)入了LNG燃料時(shí)代，推出了“環(huán)保船舶”（Environship）設(shè)計(jì)理念，并于挪威奧斯陸舉行的2011年度挪威國際船舶和航運(yùn)展覽會（NorShipping）上榮獲著名的“新一代船舶獎”。據(jù)葉雷稱：“Environship將徹底改變商用船舶海運(yùn)市場的現(xiàn)狀，能在大大降低燃料消耗和排放的同時(shí)，改善海上運(yùn)輸?shù)男堋薄?/p>

2011年10月，羅·羅公司獲得首份Environship訂單，船東為挪威運(yùn)輸公司Nor Lines AS，從而宣告了世界首艘純天然氣推進(jìn)多功能遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船的誕生。此次訂單為兩艘NVC405型多功能運(yùn)輸船，該型船除了采用羅·羅公司自己的Bergen B系列LNG發(fā)動機(jī)外，還結(jié)合了已獲得專利的穿浪型垂直船首設(shè)計(jì)，以及Promas整合型槳舵推進(jìn)系統(tǒng)，可有效改善船舶整體性能，提升高達(dá)18%以上的燃料效率。此外，這種設(shè)計(jì)還兼具眾多環(huán)保優(yōu)勢，其中包括可實(shí)質(zhì)性消除SOX，CO2排放則比同類船舶減少40%以上，從而滿足計(jì)劃于2016年生效的IMO Tier III對于排放的要求。Environship的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

●采用Bergen B系列稀薄燃燒燃?xì)獍l(fā)動機(jī)（應(yīng)用于Environship理念），其CO2排放量相比柴油發(fā)動機(jī)，每功率單位減少約17%，NOX排放減少約90%，SOX排放幾乎為零。

●采用創(chuàng)新的Promas整合型槳舵推進(jìn)系統(tǒng)，可將船舶的效率提高5%～8%。

●采用創(chuàng)新型垂直船首設(shè)計(jì)和船體線型，可減少8%的阻力，從而進(jìn)一步降低了燃料消耗和廢氣排放。此外，垂直船首可使船舶在惡劣海況下仍能保持航速，從而滿足嚴(yán)格的航運(yùn)日程安排，無需為彌補(bǔ)航速而使用更多燃料。

進(jìn)入2012年，羅·羅公司再度接獲一份Environship設(shè)計(jì)合同，將為挪威Eidsvaag公司設(shè)計(jì)1艘用于挪威海岸漁場的LNG動力飼料運(yùn)輸船，并提供主要配套系統(tǒng)。

該船采用Environship系列中最新的NVC401型設(shè)計(jì)，總長74.7米，型寬13.6米，吃水5米，可供8名船員住宿。同NVC405型一樣，該船采用穿浪型垂直船首，并融合了多項(xiàng)技術(shù)，如Bergen C系列發(fā)動機(jī)和Promas整合型槳舵推進(jìn)系統(tǒng)，在提高效率的同時(shí)也具備優(yōu)秀的環(huán)保性能。此外，該船還擁有DP1動力定位能力。

JD系列高能效運(yùn)輸船

2011年12月1日，羅·羅公司與上海佳豪共同揭示了由其聯(lián)合項(xiàng)目組（JPT）合作一年以來所推出的首批高能效船舶設(shè)計(jì)方案，可滿足全球商船航運(yùn)市場對于降低排放和運(yùn)營成本的需求。此次合作旨在設(shè)計(jì)出具有較低建造、運(yùn)營、維護(hù)成本，而性能卻更高的商用船型。主要船型有：4100系列滾裝船（9000～11000DWT），4400系列集裝箱船（最大2000TEU），4600系列雜貨船（最大37000DWT），4800系列散貨船（最大100000DWT），6400系列LNG船（最大30000m3）。

首批公布的這些船型均以JD為前綴命名，其核心優(yōu)勢為建造成本低、運(yùn)營效率高、燃料消耗低，可靈活搭載燃?xì)馔七M(jìn)系統(tǒng)或柴油推進(jìn)系統(tǒng)，展開高效運(yùn)營的同時(shí)，兼顧卓越性能及運(yùn)營成本。此外，用戶在世界各地都能享受便捷的技術(shù)支持和服務(wù)。

由于是從能效方面考慮，這些船型中的大部分都用到了Environship的設(shè)計(jì)理念，尤其是在船首方面。而根據(jù)主機(jī)的不同選擇，這些船型可分成2個(gè)基礎(chǔ)版本，即使用Bergen燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的較小型船型和使用常規(guī)柴油機(jī)的較大型船型（Bergen燃?xì)獍l(fā)動機(jī)為高速發(fā)動機(jī)，不適用于較大型船舶）。其中，采用燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的船型均滿足并超越了未來的排放標(biāo)準(zhǔn)，如IMO Tier III對于NOX、SOX和CO2的排放要求（2016年生效）；采用低速柴油機(jī)的船型則滿足Tier II對于NOX的排放要求。另外，對于采用燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的4400系列集裝箱船，理論上在設(shè)計(jì)時(shí)可以預(yù)留出足夠的空間以同時(shí)安裝兩種類型的發(fā)動機(jī)。

考慮到能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI），每一型設(shè)計(jì)的主要特性均根據(jù)EEDI標(biāo)準(zhǔn)及其值進(jìn)行了評估。但羅·羅公司同時(shí)也承認(rèn)，對于部分船型如滾裝船的評估還未完成，因此設(shè)計(jì)方案還不能最終確定。業(yè)界普遍認(rèn)為，EEDI對滾裝船來說存在嚴(yán)重的缺陷，項(xiàng)目組在計(jì)算新型滾裝船的EEDI值時(shí)調(diào)整了載重量，并人為將服務(wù)航速降低至歐洲滾裝貨運(yùn)市場常規(guī)航速之下。

JD系列滾裝船

根據(jù)發(fā)動機(jī)的選擇以及跳板的位置不同，JD系列滾裝船具有多個(gè)設(shè)計(jì)方案。此處介紹的四種方案均具有新穎的船體形狀，船首采用穿浪型設(shè)計(jì)，船尾設(shè)有雙導(dǎo)流鰭以及Promas整合型槳舵推進(jìn)系統(tǒng)。四型中有三型的船長為149.8米，船寬24米，其中兩型采用雙Bergen B32：40L6P型6缸燃?xì)獍l(fā)動機(jī)、動力輸出（PTO）軸發(fā)電機(jī)，以及2臺BergenC25：33L6A型輔助發(fā)電機(jī)。該兩型的車輛通道長度也均為1800米，且露天甲板可裝載200TEU，續(xù)航力6500海里，其區(qū)別僅為跳板不同，一型為船尾直跳板，一型為船尾斜跳板。

第三型滾裝船的發(fā)動機(jī)為8缸的Bergen B32：40L8PG型，輔機(jī)則換成了1臺功率較大的Bergen C26：33L6AG型發(fā)電機(jī)。由于燃?xì)獍l(fā)動機(jī)對于燃料儲存空間的要求比柴油機(jī)更大，因此第三型的車輛通道長度縮減了50米至1750米，續(xù)航力也降至6000海里。

第四型的船舯部比前三型長16.8米，從而使船長增至166.6米，船寬不變，裝載能力有所提升，車輛通道長2100米，露天甲板集裝箱裝載量為250TEU。動力系統(tǒng)配置與第三型相同，但為使續(xù)航力達(dá)到6000海里，航速較第三型稍低。

EEDI值根據(jù)MEPC.1/Circ.681中所列公式求得，但對于滾裝船并不適用。

JD系列集裝箱船

集裝箱船方面，羅·羅公司此次公布的兩型均為2000TEU級。該兩型集裝箱船采用常規(guī)船形，其中一型的動力系統(tǒng)配置為1臺轉(zhuǎn)速750r/m的Bergen B35：40V16PG型燃?xì)獍l(fā)動機(jī)、3臺C26：33L9AG型輔助發(fā)電機(jī)，輔機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)通過聯(lián)接至減速齒輪的動力輸入（PTI）系統(tǒng)進(jìn)行，另一型則采用常規(guī)低速柴油機(jī)動力系統(tǒng)。同JD系列滾裝船一樣，該兩型集裝箱船也各配置了1套Promas整合型槳舵推進(jìn)系統(tǒng)。最顯著的差別為航速和續(xù)航力，其中采用燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的船型為17.5節(jié)、7500海里，采用柴油機(jī)的船型為20.3節(jié)、15000海里。其EEDI評級也相應(yīng)有所差別，前者為12.2，后者為13（根據(jù)MEPC.1/Circ.681中所列公式求得）。

JD系列LNG船

目前，將LNG作為船用燃料已被人們普遍認(rèn)可，并已有少量采用LNG燃料的船舶投入運(yùn)營或設(shè)計(jì)建造中。不過受限于LNG燃料的補(bǔ)給，這些船的運(yùn)營區(qū)域并不大，而未來LNG燃料應(yīng)用于運(yùn)營范圍更廣的船舶卻是一種必然趨勢，因此很多必要的基礎(chǔ)支持工作還需完善，其中一項(xiàng)就是LNG燃料的中轉(zhuǎn)，這需要一支小型船隊(duì)用以補(bǔ)給地方上的燃料站并扮演燃料補(bǔ)給船的角色。羅·羅公司此次公布的LNG船正適合這項(xiàng)工作，該批設(shè)計(jì)共有三型，尺度均較小，一型為5000m3，另兩型為10000m3。兩型10000m3級的區(qū)別為一型采用燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，另一型采用雙燃料混合動力裝置。

5000m3級LNG船船長僅100米，寬18.4米，吃水4.6米。單機(jī)單槳結(jié)構(gòu)，主機(jī)和發(fā)電機(jī)為Bergen C26：33系列同軸發(fā)動機(jī)，主機(jī)為8缸，發(fā)電機(jī)為6缸，均使用LNG燃料（取自LNG液貨蒸發(fā)氣，配有2個(gè)80m3緩沖罐）。減速齒輪箱驅(qū)動Promas整合型槳舵推進(jìn)系統(tǒng)，并設(shè)有1個(gè)PTO/PTI軸發(fā)電機(jī)，可在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)需求提供動力或增加推進(jìn)動力。

10000m3的兩型LNG船均采用淺吃水設(shè)計(jì)，船長124.9米，寬22.4米，吃水4.5米，螺旋槳為調(diào)距漿，直徑3.2米，適用于內(nèi)河、沿海、近海運(yùn)輸。主機(jī)為BergenC26：33L6PG型，使用LNG蒸發(fā)氣作為燃料，配有120m3的緩沖罐。兩型的不同之處在于，采用LNG燃料的那一型僅設(shè)1臺應(yīng)急/港口發(fā)電機(jī)，雙燃料混合動力的那型則采用2臺425kW柴油發(fā)電機(jī)，可通過聯(lián)接到減速齒輪箱的PTO/PTI軸發(fā)電機(jī)以提供額外的推進(jìn)動力。

JD系列散貨船和雜貨船

羅·羅公司此次公布的最后兩型船為擁有同樣船體外形和推進(jìn)系統(tǒng)的靈便型散貨船及雜貨船。該兩型船載重量均為37000t，船長180米，寬29.8米，結(jié)構(gòu)吃水10.7米。推進(jìn)系統(tǒng)包括1臺降額超長沖程發(fā)動機(jī)，直接驅(qū)動Promas整合型槳舵推進(jìn)系統(tǒng)中的螺旋槳。

該兩型船設(shè)有5個(gè)貨艙和5個(gè)艙口蓋，由于艙口蓋和貨艙形狀的不同，散貨船的散裝艙容為47000m3，雜貨船艙容為50000m3（敞開艙口蓋）。雜貨船上的起重機(jī)初始計(jì)劃為4臺，其中3臺懸臂外展26米時(shí)SWL（安全工作載荷）為30t，余下一臺懸臂外展32米時(shí)SWL為30t。

該兩型船的設(shè)計(jì)有許多方面與2年前的Grontmij/Carl Bro Seahorse 35型非常相似，都擁有垂直船首，無突出的球鼻艏，航速14節(jié)，且均采用降額發(fā)動機(jī)。不過Seahorse 35型設(shè)計(jì)由于問世較早，因此沒有也沒必要公布EEDI值，而對于該兩型船，羅·羅公司聲稱其EEDI值為4.4。

從上述高能效創(chuàng)新型船舶所采用的減排方法來看，最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是燃料及主機(jī)的選擇，從目前情況來看，LNG是未來船用柴油最有希望的替代品，不過所需考慮的相關(guān)問題也不少，如燃料的儲存和補(bǔ)給，因此相應(yīng)的基礎(chǔ)配套工作不容忽視，但同時(shí)這也是一個(gè)市場契機(jī)，羅·羅公司針對這種情況已迅速反應(yīng)，開發(fā)了JD6400系列LNG船。另一方面，羅·羅公司的穿浪型垂直船首和Promas整合槳舵推進(jìn)系統(tǒng)則從提高能效、減少能耗方面入手，達(dá)到降低對環(huán)境的不利影響之目的，同時(shí)還減少了船舶生命周期內(nèi)的運(yùn)營成本。

當(dāng)然，羅·羅公司在環(huán)保船舶方面的成果肯定不止這些，其他新近的成果還包括為世界第一艘采用LNG燃料的拖船提供動力裝置，為S lvtrans公司設(shè)計(jì)創(chuàng)新型世界最大活魚運(yùn)輸船等。而這些，都是羅·羅公司致力于環(huán)保技術(shù)研發(fā)的結(jié)果。

隨著人們對環(huán)境問題的日益關(guān)注，未來國際上必將有更多節(jié)能減排的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)推出。如何才能在綠色造船常態(tài)化的大趨勢下立足，是中國船舶業(yè)所面臨的關(guān)鍵性問題，但同時(shí)這也是新的機(jī)遇，是我們成為造船強(qiáng)國的機(jī)遇。除了加大技術(shù)研發(fā)以外，借鑒國外先進(jìn)技術(shù)、與國外專業(yè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行戰(zhàn)略合作也不失為一種有效手段。