38 800載重噸新型節(jié)能散貨船設(shè)計(jì)

唐建偉

(青島中遠(yuǎn)海運(yùn)國際船舶貿(mào)易有限公司，山東 青島 266071)

0 引 言

近年來，隨著人們對(duì)節(jié)能減排越來越重視，國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)等國際組織及各國出臺(tái)的航運(yùn)業(yè)減排法規(guī)越來越嚴(yán)格，這給散貨船設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。根據(jù)《MARPOL附則Ⅵ修正案》的要求，自2025年1月1日起簽訂造船合同的散貨船須滿足能效設(shè)計(jì)指數(shù)(Energy Efficiency Design Index，EEDI)第3階段的要求，目前大多數(shù)散貨船都難以滿足該要求。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，船舶設(shè)計(jì)人員在散貨船節(jié)能減排設(shè)計(jì)方面開展了大量工作。中航鼎衡造船有限公司通過機(jī)艙布置優(yōu)化、推進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能裝置選配和輔助系統(tǒng)配置優(yōu)化，對(duì)67 000載重噸散貨船進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了13%的節(jié)能效果。曲保智等對(duì)船舶減排技術(shù)進(jìn)行研究，指出除了使用氫等清潔燃料和船用燃料電池以外，減少發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放和設(shè)計(jì)使用高效螺旋槳是當(dāng)前可供選擇的策略。楊君等對(duì)船舶水動(dòng)力節(jié)能裝置進(jìn)行了應(yīng)用研究，在某散貨船上采用了加裝由前置預(yù)旋導(dǎo)輪、高效螺旋槳和槳轂消渦鰭組成的綜合水動(dòng)力節(jié)能裝置的方案，節(jié)能效果提升了15%左右。中船黃埔文沖船舶有限公司對(duì)巴拿馬型散貨船進(jìn)行了理論分析，采用軸帶發(fā)電機(jī)結(jié)合節(jié)能裝置和主機(jī)選型等方案，可滿足EEDI第3階段的要求。殷宗學(xué)等對(duì)軸帶發(fā)電機(jī)選型和配置方案進(jìn)行了研究，分析了軸帶發(fā)電機(jī)的節(jié)能效益對(duì)船舶經(jīng)濟(jì)性的影響。對(duì)比分析近年來常見的散貨船節(jié)能減排設(shè)計(jì)方案可發(fā)現(xiàn)，目前針對(duì)靈便型散貨船節(jié)能措施開展的研究比較少。因此，對(duì)靈便型散貨船進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出切實(shí)可行的節(jié)能措施，具有重要意義。

本文主要介紹一種滿足EEDI第3階段和結(jié)構(gòu)共同規(guī)范(Common Structural Rules，CSR)的要求，帶“Ice Class B”冰區(qū)加強(qiáng)，重壓載取消貨艙壓載設(shè)計(jì)的38 800載重噸散貨船的設(shè)計(jì)。在靈便型散貨船的基礎(chǔ)上，從船舶型線、總布置、結(jié)構(gòu)、主機(jī)選型和節(jié)能裝置等方面對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其貨艙容積、載重量、航速和主機(jī)油耗等主要技術(shù)指標(biāo)均較優(yōu)，滿足EEDI第3階段的要求，為同類型船舶的設(shè)計(jì)研發(fā)提供參考。

1 船型概述

該船為單機(jī)、單槳、單舵的艉機(jī)型散貨船，其主要參數(shù)見表1。為提高裝卸貨效率，將No.2、No.3和No.4貨艙設(shè)計(jì)為箱型大開口貨艙(見圖1)，為No.5貨艙設(shè)置底邊艙，為No.1貨艙設(shè)置頂邊艙和底邊艙。主甲板上除了No.1貨艙，其他貨艙均設(shè)置有縱向連續(xù)艙口圍，所有燃油艙都布置在機(jī)艙區(qū)域，貨艙的所有邊艙和底艙都是壓載艙，貨艙不兼做重壓載艙。

表1 船舶主要參數(shù)

圖1 三維可視化模型

2 船舶總體設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 型線設(shè)計(jì)及優(yōu)化

通過對(duì)船體型線進(jìn)行優(yōu)化提高船舶航速是減少油耗的有效方法。該船從改善球艏線型、優(yōu)化艉部縱流和調(diào)整浮心位置等方面提高船舶航速。以減小船體興波阻力為目標(biāo)，對(duì)球艏線型進(jìn)行優(yōu)化；同時(shí)，以減小總阻力系數(shù)和改善艉部伴流為目標(biāo)，對(duì)球艉進(jìn)行改型設(shè)計(jì)。浮心縱向位置的選取主要考慮阻力、總布置和裝載工況等。為增加排水量，增大載重量和壓載艙總?cè)莘e，該船的艏部線型設(shè)計(jì)得比較豐滿，浮心位置比較靠前，這會(huì)使船舶的阻力增大。通過逐步優(yōu)化艏部線型，使浮心位置前后微調(diào)，在滿足裝載工況下的浮態(tài)要求的情況下，確定對(duì)減小阻力比較有利的浮心位置。另外，以仿真計(jì)算和水池試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，采用增大船寬以減小方形系數(shù)(設(shè)計(jì)吃水處的方形系數(shù)為0.786，結(jié)構(gòu)吃水處的方形系數(shù)為0.799)的方案，在操縱性、螺旋槳空泡和激振力測試結(jié)果符合設(shè)計(jì)預(yù)期的前提下，該船型的油耗遠(yuǎn)低于其他同類船型。

2.2 總布置和穩(wěn)性設(shè)計(jì)及優(yōu)化

1) 該船共設(shè)有5個(gè)貨艙，貨艙區(qū)采用雙殼結(jié)構(gòu)，No.1貨艙設(shè)有底邊艙斜板、雙層底和頂邊艙。通過提高貨艙的利用率增大船舶載貨量。在保持船長不變的情況下，通過壓縮機(jī)艙和艏尖艙的長度增加貨艙區(qū)的長度，增大貨艙容積。

2) 該船的雙殼處所用作壓載水艙，底壓載艙設(shè)置為清潔壓載水艙。通常情況下，散貨船重壓載需采用向貨艙注水的方案，重壓載的貨艙需特別考慮船體結(jié)構(gòu)和涂裝，從而降低船舶營運(yùn)效率。該船重壓載不需要使用貨艙壓載，只需向No.1、No.2、No.4和No.5底壓載艙內(nèi)注水，即可滿足要求。此外，該船各壓載艙的控制閥均布置在閥箱內(nèi)，為便于在船舶運(yùn)營過程中操作和維修，設(shè)置封閉式垂向進(jìn)出通道。

3) 該船的干舷為B型干舷，完整穩(wěn)性滿足IS CODE(2008)和IACS UR S11、S17的要求，破艙穩(wěn)性滿足SOLAS II-1章第9條的底部破損衡準(zhǔn)要求。雖然該船通過上述設(shè)計(jì)優(yōu)化取得了比國內(nèi)外同類型船舶更高的貨艙利用率，但增加了滿足完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性要求的難度。該船的艏部線型比較豐滿，艉部設(shè)有大直徑高效螺旋槳，為滿足CSR對(duì)重壓載艏吃水和螺旋槳浸沒率的要求，以及SOLAS破艙穩(wěn)性的要求，通過反復(fù)調(diào)整No.1、No.5貨艙和相應(yīng)壓載艙的容積，以及全船壓載分布，適當(dāng)減小No.1貨艙的容積，并將艏尖艙直接延伸至主甲板，以增大No.1壓載艙和艏尖艙的容積，解決螺旋槳浸沒率和艏部吃水不足及破艙穩(wěn)性難以滿足要求的難題。

2.3 船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

船舶結(jié)構(gòu)重量占空船重量的比例往往超過70%，有效控制空船重量能增加船舶載重量。該船從優(yōu)化布置、結(jié)構(gòu)形式和節(jié)點(diǎn)型式等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)重量控制。

1) 控制初始設(shè)計(jì)值，合理優(yōu)化貨艙內(nèi)殼和艏艉尖艙的容積，以最大程度地減小靜水彎矩和剪力值。

2) 優(yōu)化肋距、縱骨間距和強(qiáng)框架間距，在強(qiáng)度滿足要求的前提下，以減小構(gòu)件尺寸為目標(biāo)，優(yōu)化間距值。

3) 為滿足疲勞強(qiáng)度的要求，縱骨與肋板上的加強(qiáng)筋通常采用肘板連接。通過有限元計(jì)算，該船采用構(gòu)件加開特殊形狀切口的方案代替肘板連接。另外，盡量采用增設(shè)屈曲筋的方式代替增加外板/肋板板厚，在滿足屈曲要求的前提下，減輕構(gòu)件重量。

4) 該船的貨艙型式與集裝箱船接近，由扭轉(zhuǎn)引起的破壞是總縱彎曲以外的一種極為嚴(yán)重的總體破壞模式。由于貨艙區(qū)甲板具有長、大的開口，在斜浪工況下易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。由于船體沿船長方向是變截面的，且在艏艉具有甲板封閉的閉口段，故扭轉(zhuǎn)時(shí)船體會(huì)產(chǎn)生翹曲應(yīng)力，其對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響甚至超過了對(duì)總縱彎曲的影響。為解決大開口結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)破壞問題，將該船的艙口圍設(shè)計(jì)為縱向連續(xù)的結(jié)構(gòu)形式。

5) 合理使用高強(qiáng)度鋼，在高應(yīng)力區(qū)盡量采用高強(qiáng)度鋼，既減輕了結(jié)構(gòu)重量，又使強(qiáng)度得到了保障。對(duì)易疲勞處構(gòu)件采用焊縫疲勞打磨處理，提高其抗疲勞能力。

6) 優(yōu)化貨艙區(qū)域外結(jié)構(gòu)的布置和尺寸，有效控制船中區(qū)域外結(jié)構(gòu)的重量。由于該船具有Ice Class B船級(jí)附加標(biāo)志，故冰帶外板區(qū)域采用橫骨架型式，頂邊艙區(qū)域和內(nèi)殼縱艙壁采用縱骨架型式。該混合骨架型式既能滿足強(qiáng)度要求，又有利于減輕結(jié)構(gòu)重量。

3 主機(jī)選型與機(jī)槳配合設(shè)計(jì)優(yōu)化

為減少主機(jī)油耗和滿足EEDI的要求，該船在主機(jī)方面進(jìn)行了以下優(yōu)化：

1) 在確定船舶總阻力的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)槳配合，通過降低主機(jī)轉(zhuǎn)速，提高螺旋槳的推進(jìn)效率，從根本上降低主機(jī)輸出功率；

2) 在功率點(diǎn)和主機(jī)選型的匹配上，選擇降功率使用主機(jī)，降低主機(jī)的油耗率。

原母型船的主機(jī)和本文所述38 800 載重噸節(jié)能環(huán)保型散貨船的3種主機(jī)選型方案對(duì)比見表2。由表2可知，雖然采用六缸機(jī)能有效避免振動(dòng)帶來的影響，重量方面也略有優(yōu)勢，但綜合考慮主機(jī)的布置、油耗和EEDI等因素，該船選定主機(jī)為WARTSILA 5RT-flex50-D Tier II，同時(shí)適當(dāng)增大螺旋槳直徑、縮小盤面比，將設(shè)計(jì)航速下的螺旋槳推進(jìn)效率提高至0.797。經(jīng)試航驗(yàn)證，優(yōu)化船型的主機(jī)油耗相比母型船減少3.4 t/d。

表2 主機(jī)選型對(duì)比

在主機(jī)選型問題上，由于選擇當(dāng)前主機(jī)的L4點(diǎn)作為SMCR，并將CSR點(diǎn)設(shè)定為75%，在有效減少主機(jī)單位油耗的同時(shí)，使主機(jī)廢氣溫度大幅下降，廢氣量大幅減少，導(dǎo)致鍋爐廢氣側(cè)的蒸汽量無法滿足常規(guī)使用要求。為此，在充分考慮技術(shù)可行性和船舶運(yùn)營成本的基礎(chǔ)上，利用發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的廢氣增加鍋爐廢氣側(cè)的蒸汽量，并將2臺(tái)發(fā)電機(jī)的排氣管接入鍋爐廢氣側(cè)，同時(shí)在鍋爐內(nèi)部設(shè)立獨(dú)立煙腔，從而減小對(duì)廢氣背壓的影響。

4 舾裝設(shè)計(jì)及優(yōu)化

從節(jié)能的角度出發(fā)，對(duì)舵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為最大程度地減小舵葉(包括掛舵臂)產(chǎn)生的摩擦阻力和黏壓阻力，采用相對(duì)較小的舵葉側(cè)投影面積(約為水下體側(cè)投影面積的1/62，不計(jì)掛舵臂)和較小的舵葉剖面厚度比(取為0.17)設(shè)計(jì)舵系，并結(jié)合艉部線型和螺旋槳進(jìn)行協(xié)調(diào)布置。為盡可能地增大舵力以保證船舶具有良好的操縱性，舵葉外形設(shè)計(jì)為具有較大的展弦比(約為1.9)，舵葉剖面選用效率相對(duì)較高的HSVA翼型。

由于舵葉剖面的絕對(duì)寬度較小，導(dǎo)致舵系設(shè)計(jì)存在舵桿和舵銷等構(gòu)件尺寸受限、舵葉缺口處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度余量小、舵葉內(nèi)部空間小、施工和維修困難等問題。對(duì)此，選用屈服強(qiáng)度較高的鍛鋼，以減小舵桿和舵銷直徑；同時(shí)，對(duì)缺口處構(gòu)件剖面模數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)一種舵葉缺口處與舵銷承座一體式鑄鋼件，見圖2。該設(shè)計(jì)能有效保證舵系的強(qiáng)度。此外，考慮舵系安裝工序和安裝空間，較好地解決了施工和維修的問題。

圖2 舵葉缺口處與舵銷承座一體式鑄鋼件

5 節(jié)能裝置

針對(duì)該船線型設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將預(yù)旋鰭與上部導(dǎo)管結(jié)合使用，形成扇形導(dǎo)管。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能使船舶在設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下節(jié)能2%，在壓載吃水狀態(tài)下節(jié)能5%。此外，該船還應(yīng)用轂帽鰭，以進(jìn)一步提升節(jié)能效果。水池試驗(yàn)結(jié)果表明，在敞水狀態(tài)下，轂帽鰭的節(jié)能效果能達(dá)到2.5%。

6 結(jié) 語

在已有的靈便型散貨船的基礎(chǔ)上，針對(duì)EEDI第3階段和CSR的要求，以及帶“Ice Class B”冰區(qū)加強(qiáng)、重壓載取消貨艙壓載的設(shè)計(jì)要求，通過對(duì)總體型線、總布置、穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)形式、重量優(yōu)化、主機(jī)選型、機(jī)槳配合和節(jié)能裝置等多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種新型38 800 載重噸節(jié)能環(huán)保型散貨船。由于主機(jī)功率和油耗大幅下降，載重量和艙容大幅增加，該船能達(dá)到EEDI第3階段的要求，具有良好的市場競爭力，相關(guān)設(shè)計(jì)可供類似船型的設(shè)計(jì)研發(fā)參考。該船型作為全球區(qū)域性航線的領(lǐng)先船型，具有出色的營運(yùn)技術(shù)指標(biāo)，深受船舶所有人的青睞，能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。