支線集裝箱船多工況綜合性能優(yōu)化

江衛(wèi)東

（中遠海運重工有限公司，上海 200135）

0 引 言

隨著低碳經(jīng)濟逐漸成為人類的共識，全球節(jié)能減排的步伐日益加快，國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）海洋環(huán)境保護委員會（Marine Environment Protection Committee, MEPC）在第62 次會議上通過了有關(guān)船舶能效規(guī)則的修正案，即《國際防止船舶造成環(huán)境污染公約》（MARPOL 73/78）附則Ⅵ，以立法的形式確定了能效設(shè)計指數(shù)（Energy Efficiency Design Index, EEDI）對新造船的強制力。EEDI 規(guī)范實施的3 個階段對新設(shè)計船舶的效能的要求逐步提高[1]，這就要求不斷提高船舶節(jié)能技術(shù)，以滿足該要求。此外，近年來，航運市場持續(xù)低迷，散貨船、集裝箱船和油船三大主力船型的運力嚴(yán)重過剩。在這種情況下，擁有一型能以最少的能量消耗獲取最大運輸效益的船舶，是船東獲得更多企業(yè)利潤和船廠獲得更多造船訂單的關(guān)鍵。

船舶節(jié)能技術(shù)研究是一項非常有意義的工作，其中船體線型、螺旋槳和舵的優(yōu)化是較為重要的內(nèi)容，有助于實現(xiàn)環(huán)保和經(jīng)濟雙重效益。目前船舶性能優(yōu)化主要是針對服務(wù)航速進行的，而支線集裝箱船具有航程短、運載工況多、航速變化多和服務(wù)航速高等營運特點[2]。本文針對該營運特點，通過分析某支線集裝箱船（以下簡稱“該船”）在船體線型、螺旋槳和舵等3方面的多輪優(yōu)化過程，說明如何通過這3方面的優(yōu)化來得到船舶在節(jié)能降耗方面的實際效果。

1 綜合性能優(yōu)化目標(biāo)和評價指標(biāo)

1.1 綜合性能優(yōu)化的定義

綜合性能優(yōu)化是指分別針對船舶的線型、螺旋槳和舵葉設(shè)計出多種方案，通過計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）分析或船模試驗選出綜合性能最優(yōu)的線型、螺旋槳和舵葉組合，以達到優(yōu)化船舶性能的目的。

1.2 優(yōu)化目標(biāo)

在限定船舶主尺度和主機最大功率（Specified Maximun Continous Rating, SMCR）的情況下，通過對船舶線型、螺旋槳和舵進行綜合優(yōu)化，提升符合船舶營運特點的整體性能，增加裝箱量，降低主機平均營運功率，使其在實際營運過程中油耗總成本最低，同時使其CO2排放量降到最少。

1.3 評價指標(biāo)

1.3.1 主機平均營運功率Etotal

船舶營運概要是船東根據(jù)航線特點、碼頭狀況和貨物周轉(zhuǎn)量等數(shù)據(jù)來預(yù)估新船投入使用后在不同吃水下各個航速的占比情況，該結(jié)果最為接近新船投入使用之后的實際營運情況。為準(zhǔn)確評價性能優(yōu)化的效果，需引入一個評價指標(biāo)Etotal，即根據(jù)船舶營運概要計算出的主機平均營運功率，具體計算式為

式(1)中：i為營運概要中的船舶吃水變化參數(shù)；j為營運概要中的船舶航速變化參數(shù)；Pij為某一特定i和j下要求的推進功率，kW；aij為營運概要中i和j所占的比例，%；n為吃水變化總次數(shù)；m為航速變化總次數(shù)。

該船船東根據(jù)積累的營運數(shù)據(jù)、航線特點、碼頭情況和集裝箱周轉(zhuǎn)量等參數(shù)制訂的船舶營運概要見表1。從表1 中可看出，雖然該船設(shè)計的服務(wù)航速為19kn，但其在實際運營中的航速一般在12～15kn。因此，該船的船體線型、螺旋槳和舵葉的優(yōu)化過程都是以該營運概要為基礎(chǔ)來計算Etotal。優(yōu)化后的Etotal值越小，說明主機平均營運功率越小，實際營運中的燃油消耗和CO2排放量越少，優(yōu)化的效果越好。

表1 某支線集裝箱船舶營運概要

1.3.2 EEDI

EEDI 是衡量船舶能耗水平、CO2排放量的一個指標(biāo)。EEDI 越低，意味著CO2排放量越少，性能優(yōu)化效果越好。根據(jù)EEDI 計算公式[1]，該船的EEDI 要求值為：第一階段18.6g/tnm；第二階段16.6g/tnm；第三階段14.5g/tnm。

1.3.3 裝箱量

在船舶主尺度確定的情況下，通過線型優(yōu)化來盡可能地擴大裝箱空間，進而增加裝箱量。增加的裝箱量越多，說明線型優(yōu)化效果越好。根據(jù)合同要求，該船的裝箱量為2900TEU。

1.3.4 最大服務(wù)航速

在船舶主尺度和主機功率確定的情況下，通過線型、螺旋槳和舵葉優(yōu)化來增大最大服務(wù)航速。需說明的是，在性能優(yōu)化過程中，當(dāng)增大的最大服務(wù)航速與增大的營運概要中的航速不一致時，以優(yōu)化后者，降低Etotal為目標(biāo)。例如，表2 中的線型1 和線型3 經(jīng)過第二輪優(yōu)化之后的航速反而比經(jīng)過第一輪優(yōu)化之后的航速低，其目的是降低Etotal值。

2 優(yōu)化內(nèi)容

2.1 線型的3 輪優(yōu)化

1) 第一輪優(yōu)化：由3 家不同的線型開發(fā)單位根據(jù)造船規(guī)格書關(guān)于主機功率、航速和裝箱量的要求，通過CFD 數(shù)值模擬分別提供優(yōu)化過的線型[3]。

2) 第二輪優(yōu)化：根據(jù)第一輪優(yōu)化的3種線型做成的船模匹配庫存槳和舵進行水池試驗，根據(jù)船模試驗結(jié)果，選取2種最優(yōu)方案，再次進行線型優(yōu)化。

3) 第三輪優(yōu)化：根據(jù)第二輪優(yōu)化的2種線型修改船模，再次進行船模試驗，根據(jù)船模試驗結(jié)果，從二者中選出最優(yōu)線型方案。

2.2 螺旋槳的3 輪優(yōu)化

1) 第一輪優(yōu)化：由3 個不同的螺旋槳廠家，根據(jù)船模試驗結(jié)果和經(jīng)驗積累分別設(shè)計出螺旋槳。

2) 第二輪優(yōu)化：對3 個螺旋槳進行槳模水池敞水試驗，從試驗結(jié)果中選取2種最優(yōu)方案，再次進行優(yōu)化。

3) 第三輪優(yōu)化：對第二輪優(yōu)化的槳模進行水池試驗，根據(jù)槳模試驗結(jié)果，選出其中的最優(yōu)螺旋槳方案。

2.3 舵葉的3 輪優(yōu)化

1) 第一輪優(yōu)化：由3 個不同的舵葉廠家，根據(jù)船模試驗結(jié)果、螺旋槳模試驗結(jié)果和經(jīng)驗積累分別設(shè)計出舵葉。

2) 第二輪優(yōu)化：將3 個舵葉分別匹配已決定的船模和槳模，并對其進行水池試驗，從試驗結(jié)果中選取2種最優(yōu)方案，再次進行優(yōu)化。

3) 第三輪優(yōu)化：對第二輪優(yōu)化的舵葉模型進行水池試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，選出其中的最優(yōu)舵葉作為最終方案。

2.4 船、槳、舵組合優(yōu)化

在水池中對前3 輪選出的線型、螺旋槳和舵葉組合進行船舶回轉(zhuǎn)試驗、Z 形操縱性試驗、螺旋槳汽蝕試驗、螺旋槳脈動壓力測量和舵葉汽蝕試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，再次對船舶線型、螺旋槳和舵進行微調(diào)，以達到最佳的匹配效果。

3 綜合性能優(yōu)化結(jié)果

為使水池試驗結(jié)果具有可靠的對比性，該船的船模試驗、螺旋槳模型試驗和舵葉模型試驗在同一水池中進行，試驗程序和計算方法都按國際拖曳水池（International Towing Tank Conference, ITTC）規(guī)范選取，從而有效避免不同水池之間的差別和計算方法的差異對試驗結(jié)果的影響。

3.1 船體線型優(yōu)化結(jié)果

表2 為船體線型的3 輪優(yōu)化結(jié)果。線型1 的第一輪CFD 優(yōu)化結(jié)果既是寫入規(guī)格書的內(nèi)容，又是其性能優(yōu)化的基礎(chǔ)。設(shè)計的3種線型各有特點，其中：線型1 采用的是低瘦型球鼻艏；線型2 采用的是垂直、低瘦型球鼻艏；線型3 采用的是高大型球鼻艏。由3 輪優(yōu)化和試驗結(jié)果對比可知：具有垂直船首的線型2在性能上最優(yōu)；相比排名第二的線型3，線型2 的裝箱量增加了22TEU，航速增加了0.12kn，Etotal值降低了7.5%。因此，最終選擇線型2 作為該船的線型。

表2 船體線型的3 輪優(yōu)化結(jié)果

3.2 螺旋槳優(yōu)化效果

良好的螺旋槳設(shè)計不僅能提高航速，降低燃料成本，優(yōu)化EEDI，而且能降低船舶運行時的振動和噪聲[4]。該船螺旋槳3 輪優(yōu)化結(jié)果見圖1。根據(jù)試驗結(jié)果，槳3 在該船整個航速范圍內(nèi)的主機平均營運功率基本上都是最低的，因此最終選擇槳3 作為該船的螺旋槳，其試驗結(jié)果相比排名第二的槳1：Etotal值為3654kW，降低了1.5%；航速為18.93kn，提高了0.7%。

圖1 螺旋槳3 輪優(yōu)化結(jié)果

3.3 舵葉優(yōu)化效果

舵系優(yōu)化之后，可使船舶達到提高經(jīng)濟性和操縱性的雙重效果[5]。該船舵葉3 輪優(yōu)化結(jié)果見圖2。根據(jù)試驗結(jié)果，雖然舵葉3 在航速大于15.2kn 時的主機平均營運功率最低，但其在12～15kn 航速范圍內(nèi)基本上處于最高位置。因此，最終選擇在12～15kn 航速范圍內(nèi)表現(xiàn)最優(yōu)的舵葉1，其試驗結(jié)果相比舵葉3：Etotal值為3534kW，降低了3.3%；航速為19.08kn，提高了0.6%。

圖2 舵葉3 輪優(yōu)化結(jié)果

3.4 綜合優(yōu)化效果

該船經(jīng)過線型、螺旋槳和舵的3 輪優(yōu)化之后的性能與最初規(guī)格書中的參數(shù)相比，取得的綜合效果如下：

1) 主機平均營運功率Etotal從5438kW 降至3534kW，降低了35.1%，主機的燃油消耗相應(yīng)降低了約35%，大大減少了船舶營運中的燃油費用。

2) 船舶最大服務(wù)航速從18.9kn 增加到19.08kn，增加了0.18kn，增幅為1.0%。

3) 船舶在結(jié)構(gòu)吃水下的均質(zhì)裝箱量由2900TEU 增加到2948TEU，增加了48TEU，增幅為1.7%。

4) EEDI 滿足IMO 第三階段排放的要求。根據(jù)試航結(jié)果計算的驗證值（attainted EEDI）為13.6g/tnm，比交船時強制要求的值降低了26.9%（按規(guī)范規(guī)定，該船適用于2019年底前交船的第一階段），比2025年以后交船的第三階段要求值降低了6.2%。從該方面看，3 輪優(yōu)化結(jié)果為該船減少溫室氣體排放做出了較大的貢獻。

4 結(jié) 語

通過對3種線型設(shè)計、3 個螺旋槳廠家的設(shè)計和3 個舵葉廠家的設(shè)計進行多輪優(yōu)化、試驗，從試驗結(jié)果對比分析中優(yōu)選出了使該船在經(jīng)濟性和環(huán)保方面都有較好表現(xiàn)的方案。但應(yīng)認(rèn)識到，該優(yōu)化選擇過程花費的時間和經(jīng)濟成本比較大：該船的整個優(yōu)化試驗過程耗時超過6 個月，直接花費超過100 萬美元，結(jié)構(gòu)增重50t 鋼材。因此，在對其他船舶進行性能優(yōu)化時，需綜合平衡船舶實際營運特點和其他各方面的成本，選擇切合實際的性能優(yōu)化方案。