寬扁肥大型江海直達(dá)多用途船關(guān)鍵技術(shù)

裴志勇，吳深毅，吳衛(wèi)國(guó)

（高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢理工大學(xué)），武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北 武漢 430063）

寬扁肥大型江海直達(dá)多用途船關(guān)鍵技術(shù)

裴志勇，吳深毅，吳衛(wèi)國(guó)

（高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢理工大學(xué)），武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北 武漢 430063）

對(duì)江海直達(dá)船舶狀況和制約其發(fā)展因素進(jìn)行分析，以載量大、油耗低、經(jīng)濟(jì)性好為目標(biāo)，分析江海直達(dá)船型關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑。將理論分析、數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)等研究方法結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)出寬扁肥大型江海直達(dá)多用途船，從油耗、運(yùn)輸效率和船體鋼料重量等三個(gè)方面對(duì)開(kāi)發(fā)船的技術(shù)性能進(jìn)行了比較分析。

寬扁肥大船型；江海直達(dá)船；多用途船；技術(shù)性能指標(biāo)

DOI編碼：10.13646/j.cnki.42-1395/u.2016.10.002

1　研究背景

長(zhǎng)江黃金水道是聯(lián)接?xùn)|部沿海開(kāi)放、中部崛起和西部大開(kāi)發(fā)國(guó)家戰(zhàn)略的戰(zhàn)略大通道，支撐著長(zhǎng)江流域大物流、綜合運(yùn)輸體系和沿江七省二市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。2013年，長(zhǎng)江干線貨運(yùn)量達(dá)19.2億噸，連續(xù)9年排世界內(nèi)河貨運(yùn)量第一，但由于沿線碼頭狀況、航道水深等諸多因素的限制，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)運(yùn)方式不僅耗時(shí)、增加營(yíng)運(yùn)成本，而且會(huì)產(chǎn)生貨損和貨差，難以提高運(yùn)輸效率，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了長(zhǎng)江中上游地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

江海直達(dá)運(yùn)輸由于減少中間環(huán)節(jié)、消除了貨損、大幅降低運(yùn)輸成本且提高運(yùn)輸效率而深受船東和貨主的歡迎。隨著港口、碼頭等基礎(chǔ)建設(shè)的逐步推進(jìn)和航道疏浚工作的進(jìn)行，現(xiàn)時(shí)的狀況較以前有較大改變，當(dāng)前的航運(yùn)市場(chǎng)迫切需要一型能較好適應(yīng)現(xiàn)行條件的，吃水淺、載量大、油耗低、綠色節(jié)能環(huán)保的江海直達(dá)多用途船，運(yùn)輸鐵礦石、煤炭、水泥及熟料等從寧波舟山港到武漢新港，以及從武漢新港載運(yùn)集裝箱到上海洋山港。

2　長(zhǎng)江航運(yùn)發(fā)展制約因素

由于各種原因，長(zhǎng)江上現(xiàn)有船型及運(yùn)輸方式嚴(yán)重制約著航運(yùn)發(fā)展，主要表現(xiàn)在：

一是船型老化。為了適應(yīng)改革開(kāi)放以來(lái)對(duì)鐵礦石和煤炭等原料的大量需求，從美國(guó)引進(jìn)性能優(yōu)異的大開(kāi)口內(nèi)河雙殼散貨船代替了以前的甲板船成為中堅(jiān)力量，該類船存量較多，航運(yùn)公司又無(wú)足夠財(cái)力快速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型，船型老化的局面就不可避免地形成了。

二是中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)太多，效率低下。進(jìn)口散貨如果運(yùn)往內(nèi)陸，都要先通過(guò)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)竭_(dá)國(guó)內(nèi)深水海港，如寧波、上海，減載后運(yùn)到長(zhǎng)江下游港口，再換河船運(yùn)往內(nèi)地碼頭。這種多環(huán)節(jié)的中轉(zhuǎn)運(yùn)輸耗時(shí)、貨損貨差大、營(yíng)運(yùn)成本高，且還可能造成對(duì)周邊水域或岸邊的污染。

三是現(xiàn)實(shí)中的江海直達(dá)船完全按海船設(shè)計(jì)。沒(méi)有考慮江海通航航線的水文氣象條件，性能上既沒(méi)有達(dá)到海船的優(yōu)勢(shì)，也沒(méi)能發(fā)揮內(nèi)河船的優(yōu)勢(shì)。

四是航道條件的自身不足。由于航道水深的限制，現(xiàn)有裝運(yùn)鐵礦石和煤的散貨船枯水期都得減載運(yùn)行。另外，航道的彎曲半徑也制約著船舶的長(zhǎng)度，進(jìn)而限制其載運(yùn)能力。

進(jìn)行江海直達(dá)船舶技術(shù)的研究并開(kāi)發(fā)江海直達(dá)運(yùn)輸已是當(dāng)前社會(huì)發(fā)展所必需，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，代表著先進(jìn)的生產(chǎn)力，值得大力推廣。

3　江海直達(dá)船舶關(guān)鍵技術(shù)

江海直達(dá)航線涵蓋從內(nèi)河至入?？诘慕我约皬娜牒？谥裂睾８劭诘暮６?，船舶在風(fēng)浪很小的江段遭受的波浪載荷較小，但長(zhǎng)江自然航道的水深和寬度對(duì)其操縱性有著特殊要求；船舶在海段遭受的風(fēng)浪較大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和適航性是要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。江海直達(dá)船舶與內(nèi)河船和海船均有顯著的不同，因而不宜采用內(nèi)河船規(guī)范的思想或海船規(guī)范的思想來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

受長(zhǎng)江航道特別是中游航道水深的限制，新一代江海直達(dá)船型因大型化而呈寬、淺、肥大的特點(diǎn)，常規(guī)船型難以滿足性能要求，必須采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，攻克寬扁、淺吃水船型在安全技術(shù)、節(jié)能技術(shù)、綠色技術(shù)應(yīng)用等方面的關(guān)鍵技術(shù)，以達(dá)到安全、降耗和環(huán)保的目標(biāo)。新一代江海直達(dá)船型的主要關(guān)鍵技術(shù)有：

1）基于全壽命周期經(jīng)濟(jì)性分析的尺度優(yōu)化；

2）基于水動(dòng)力性能計(jì)算與試驗(yàn)的線型優(yōu)化設(shè)計(jì)；

3）節(jié)能減排應(yīng)用技術(shù)；

4）淺吃水寬扁肥大船型適航性技術(shù)；

5）以減重增載為目的的結(jié)構(gòu)多約束優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。

4　寬扁肥大型江海直達(dá)多用途船設(shè)計(jì)方案

4.1設(shè)計(jì)方案

將現(xiàn)有航道、碼頭狀況作為約束條件，基于模糊數(shù)學(xué)層次分析法，對(duì)江海直達(dá)船可能的尺度方案從經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性和環(huán)境性三個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)估和比選，遵循安全可靠、節(jié)能環(huán)保、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)適用的原則，得到可行的尺度方案，經(jīng)后續(xù)的水動(dòng)力性能計(jì)算分析、船模試驗(yàn)，進(jìn)行線型優(yōu)化確定最終的船型。

本船為航行于中國(guó)沿海及長(zhǎng)江A、B航區(qū)，主要裝載鐵礦石、煤炭、水泥熟料、鋼材、棉花等散貨從寧波舟山到武漢，裝載集裝箱從武漢到上海大小洋山的江海直達(dá)多用途船舶，最大載重量14550t，最大載箱量808TEU。船舶總長(zhǎng)136.5米，垂線間長(zhǎng)130.0米，型寬25.6米，型深8.6米，設(shè)計(jì)吃水和結(jié)構(gòu)吃水分別為5.5米和6.3米，配船員14人。

船體為鋼質(zhì)、單甲板、雙機(jī)、雙槳、雙舵、方尾、雙尾鰭、球鼻首、傾斜首柱，由兩臺(tái)中速柴油機(jī)配齒輪箱驅(qū)動(dòng)五葉大側(cè)斜適伴流理論槳推進(jìn)，配備兩只由液壓舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的懸掛舵。

4.2技術(shù)性能指標(biāo)

衡量船舶設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣一般可從噸千米油耗、運(yùn)輸效率和單位載貨量船體鋼料重量等三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文中，將開(kāi)發(fā)的寬扁肥大型江海直達(dá)多用途船跟武漢國(guó)裕物流集團(tuán)公司的12400DWT散貨船從上述三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

噸千米油耗RFD（g/（t*km）表示載重量、航速、主機(jī)耗油率三者之間的關(guān)系，其值越小表明船舶的載重量大、航速高但主機(jī)耗油率小，最能反應(yīng)所設(shè)計(jì)船型的優(yōu)劣。噸千米油耗RFD可表示為：

式中，F(xiàn)c為日燃油耗量，t/d；DW表示設(shè)計(jì)吃水下載重量，t；Vs為服務(wù)航速，km/h。

表1　噸千米油耗對(duì)比

船舶的運(yùn)輸效率可描述為運(yùn)輸消耗的單位能量可獲得的產(chǎn)值（載貨量*航距），據(jù)此，運(yùn)輸效率的表達(dá)式如下：

在進(jìn)行運(yùn)輸效率比較時(shí)，由于設(shè)計(jì)方案與已有船舶均采用傳統(tǒng)燃料石油作為推進(jìn)能源，值相同，只需將不同船舶的進(jìn)行比較即可。

在當(dāng)前節(jié)能環(huán)保時(shí)代主旋律下，船體結(jié)構(gòu)輕量化已成為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必然發(fā)展方向，“減重增載”成為船體結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)，反映出船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平。采用單位載貨量船體鋼料重量進(jìn)行比較，如表3所示。

表2　運(yùn)輸效率比較

表3　單位載貨量對(duì)應(yīng)船體鋼料重量比較

5　結(jié)論及未來(lái)研究

本研究是在工信部高新船舶技術(shù)專項(xiàng)“江海直達(dá)換代開(kāi)發(fā)”支持下完成的一型航行于武漢至寧波舟山或上海洋山間的載量大、油耗低、節(jié)能環(huán)保、寬扁肥大型江海直達(dá)多用途船。該船型的成功開(kāi)發(fā)符合節(jié)能減排時(shí)代主旋律，對(duì)“長(zhǎng)江黃金水道”建設(shè)、“一帶一路”等國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施具有積極意義，對(duì)促進(jìn)中部地區(qū)崛起戰(zhàn)略部署、武漢新港長(zhǎng)江航運(yùn)中心建設(shè)可起到較大的促進(jìn)作用。2014年6月由工信部裝備司和教育部科技司聯(lián)合組織了專家驗(yàn)收，研究成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

當(dāng)前正在進(jìn)行工信部高新船舶技術(shù)專項(xiàng)“江海直達(dá)節(jié)能環(huán)保集裝箱示范船開(kāi)發(fā)”（研發(fā)周期2015.1-2017.12），目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出700箱以上、均箱日油耗較現(xiàn)有船型降低20%以上的節(jié)能環(huán)保型集裝箱示范船。通過(guò)各項(xiàng)技術(shù)成果的應(yīng)用，所開(kāi)發(fā)的千箱級(jí)江海直達(dá)集裝箱船較目前長(zhǎng)江上營(yíng)運(yùn)的能效最佳船舶平均單箱日油耗降低約23%，已經(jīng)過(guò)水池試驗(yàn)驗(yàn)證，并將在明年實(shí)現(xiàn)實(shí)船建造。

在江海直達(dá)船舶技術(shù)研究過(guò)程中，跟南岸普頓大學(xué)、代爾夫特理工大學(xué)、杜伊斯堡-艾森大學(xué)、羅斯特克大學(xué)、里斯本大學(xué)等知名高校以及法國(guó)船級(jí)社內(nèi)河船舶審圖中心、俄羅斯船舶工程局等研究機(jī)構(gòu)建立了廣泛的聯(lián)系和合作研究，目前，武漢理工大學(xué)發(fā)起的“中歐江海聯(lián)運(yùn)技術(shù)研究中心”正在積極籌建中。