灵便型无压载水舱散货船船型开发与研究

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(武汉理工大学 交通学院，武汉 430063)

载重量在2～5万t级左右的灵便型散货船以其载重吨位适中,对航道、运河及港口码头具有较强的适应性，且多配有起卸货设备，营运方便灵活，吃水较浅，世界上各港口基本都可以停靠而备受船东青睐。正是由于灵便型散货船航线覆盖的水域最为广阔，其压载水的不当处理和随意排放对环境造成的危害也是灾难性的，为此选用灵便型散货船作为研究对象[1]。在对灵便型无压载水舱散货船船型的开发[2]和研究中，有3个关键点：①如何保证船舶在空载航行时的艏艉吃水；②在满足空载吃水的同时，保证船舶满载时的载货量；③新船型在空载航行和满载航行时具有较好的适航性。

1 船型的建立

以武汉理工大学华东船舶设计研究院自主研发的35 000 DWT级散货船为母型船，借鉴荷兰代尔夫特大学的单一结构船身设计方案并结合双尾鳍进行型线设计。

型线设计以母型船设计水线下的横剖面面积曲线基本不变为前提，主要对母型船的底部型线进行倒“凹”形修改，在船舶的底部设置一个向后开放的内凹，同时增大船宽。变换后的横剖面面积曲线和母型船基本保持一致，在保证船长、设计吃水、排水量等参数基本不变的情况下，较好地解决了型线的光顺性问题。对比母型船和设计船的船舯横剖面，发现对于同一站的横剖线，其变化的形状呈互补的状态，见图1。即在设计吃水线以下，母型船横剖面所减少的区域A的面积由设计船横剖面所增加的区域B的面积来补偿，以保证其排水量的要求。

图1 设计船与母型船横剖面型线形状

1.1 船舶主尺度的确定

船宽B与船底的内凹高度H和内凹宽度b存在惟一对应的函数关系。如果区域A的面积较小，则设计船在空载时的吃水可能不足，不能保证船舶的安全航行；如果区域A的面积过大，则设计船的船宽增加较大，这样导致两个问题：①设计船的湿表面面积大幅度扩大，在低速船摩擦阻力占主要比例的情况下，船舶阻力增大较多；②设计船的L/B过小，这样可能不满足《钢质海船入级规范》中长宽比不小于5，宽深比不大于2.5的要求。综合考虑双尾鳍型线的光顺和艉部纵向水流的顺畅，取设计船的船宽为30 m，船底内凹高度H为1.5 m。

1.2 船舶艏部型线的特征

艏部型线水下部分较为肥大，这样处理是为了使船舶的浮心前移，从而产生足够的艉倾力矩，保证螺旋桨的沉深，见图2。

图2 设计船的艏部型线

1.3 船舶双尾鳍型线的特征

艉部采用双尾鳍线型，阻力性能好、推进效率高、船体振动小且操纵性好，同时双尾鳍船型采用双机、双桨、双舵，不仅使螺旋桨直径大大减小，降低了其沉深高度，而且艉下沉和浅水阻力也较小，这是采用双尾鳍线型的主要原因之一。

以下参数对双尾鳍型线的影响较为关键。

1) 艉轴高度。母型船的艉轴高度为3.2 m，由于采用双尾鳍线型后，采用双机双桨，此时的主机功率取为母型船主机的一半。母型船的主推进装置如下：采用1套MAN B&W 6S42MC-MK7主机，最大持续功率(MCR)及转速为 6 480 kW×136 r/min，螺旋桨直径为5.2 m。因此，设计船的主推进装置采用2套MAN B&W 5L35MC6主机，最大持续功率(MCR)及转速为 3 250 kW和210 r/min，螺旋桨直径为3.3 m。考虑主机的底座高度和机舱舱底机座纵桁的结构尺寸后，艉轴高度H=0.55+2.20=2.75 m,考虑一定的误差和安装间隙，设计船的艉轴高度取为2.80 m。

2) 底切点。中剖线与基线的夹角α应该控制在13°以下为宜,最好不要大于10°。本设计船在处理艉部型线时，通过控制底切角的位置，将α始终控制在10°以下[3]。

3) 艉轴间距。艉轴间距决定片尾的肥瘦程度。b/B=0.5～0.6，都不致于引起性能上质的变化。因此本设计船的艉轴间距b/B=0.588。

设计船艉部的型线见图3。

图3 设计船的艉部型线

1.4 设计船空船重量的估算

对设计船进行结构设计，据此估算设计船的空船重量和重心。因除船宽B外，船舶主尺度并没有变化，故采取和母型船同样的结构形式，计算主要构件尺寸。计算表明设计船的结构尺寸与母型船基本一致，设计船的空船重量为9 618.2 t，重心高度为8.783 m[4]。

1.5 设计船的浮态和装载计算

根据设计船型线，参考母型船的舱室分布，进行静水力和各种装载情况下的稳性计算,见表1。

表1 母型船和设计船各参数的对比

空载出港时，船舶的艏艉吃水分别为2.251 m和4.737 m，保证螺旋桨完全浸没；同时纵倾值为2.486 m，小于0.015L，满足《双舷散货船指南》对压载时艉倾及艏吃水的要求。

结构吃水出港时，船舶的艏艉吃水分别为9.762 m和10.620 m ，排水量为43 243.2 t，减去空船重量得船舶载重量为33 625.0 t。

可见，设计船型线满足空载时的吃水要求和满载时的载货量的要求。

2 耐波性分析

采用由DNV开发的Wasim软件计算船舶运动。

将母型船和设计船的型值编入*.pln文件，载入到Wasim中，并设置船舶的参数，包括：船舶的浮态、重心位置以及船舶的横向、纵向和垂向的惯性半径等。此处，惯性半径横向取0.30倍的船宽，纵向和垂向取0.25倍的船长。然后输入网格参数，Wasim会对模型及自由表面自动进行网格划分，见图4。

图4 Wasim进行模拟计算时的网格划分

分别针对设计船的空载状态和重载状态以及母型船的压载状态和重载状态进行计算，船舶表面的纵向和周向网格数目为40×12，网格分布的半径范围取为5倍船长，最小时间步长为0.1 s，计算总时间为600 s，假定设计航速为13.4 kn。

2.1 船舶运动响应

6个运动自由度中，尤以垂荡、横摇、纵摇对船舶运动的影响最为显著，这3个自由度的响应分别见图5～9。

图5 设计船与母型船顺浪时的升沉响应

图6 设计船与母型船迎浪时的升沉响应

图7 设计船与母型船正横浪时的横摇响应

图8 设计船与母型船迎浪时的纵摇响应

由于船舶艏艉形状不对称，因此在迎浪航行时同时发生垂荡和纵摇，即耦合影响。一般，波长与船长比对纵摇和垂荡的影响最大，航速其次。由于设计船和母型船的船长和计算航速一样，故设计船和母型船的纵向运动在相同装载情况应基本处于同一水平，图5、6、8、9可以验证。

图9 设计船与母型船顺浪时的纵摇响应

观察图7发现，在相同装载情况下，设计船的横摇响应曲线的峰值比母型船小很多，而且收敛得更快。这主要是由于设计船较母型船船宽增加，导致设计船的横稳心高度较大，从而横摇阻尼增大，横摇周期减小。

2.1 船舶运动的短期预报

在图10～12中，其横坐标为特征周期，纵坐标分别为单幅有义垂荡、单幅有义横摇和单幅有义纵摇对有义波高的比值。一旦清楚某海况的特征周期和特征参数，结合船舶运动的频响谱进行计算，就能非常方便地得到该海况下船舶运动的短期预报。通过分析发现，设计船空载时的垂荡、横摇和纵摇单幅有义值略大于母型船压载时的值，但相差不多，仍在允许的范围内；设计船重载时的垂荡、横摇和纵摇单幅有义值与母型船重载时的值基本处于同一水平。

图10 迎浪时的升沉短期预报

图11 正横浪时的横摇短期预报

3 结论

1) 将双尾鳍艉型与单一结构船身结合起来，在设计水线下横剖面面积曲线不变的前提下，在母型船的基础上进行型线设计。新设计的型线能够满足空载时的吃水和满载时载货量以及稳性要求，在恶劣海况下，可能须加载少量的压载水以保证船舶安全。可见，该型线可基本实现灵便型散货船的无压载水化。

图12 迎浪时的纵摇短期预报

2) 分析耐波性理论计算结果可知，设计船与母型船在相同装载情况下的耐波性能，除个别情况略差之外，基本处于同一水平；同时只要给出升沉、横摇和纵摇的短期预报曲线，可以很方便地计算出各种海况下的垂荡、横摇和纵摇的单幅有义值，供船舶设计参考。

3) 本船型尚处于初步研究阶段，接下来还有很多工作要做，包括进一步的适航性分析、阻力分析、快速性分析、经济性的计算等，只有通过更多性能的计算分析才能更好地总体评价设计方案的可行性。

[1] MICHAEL G.PARSONS, MILITIADIS KOTINIS. Further development and optimization of the ballast-free ship design concept[R].USA:The University of Michigan, 2008：1-4.

[2] 赵桥生，张铮铮.无压载水船舶的研究进展[J].舰船技术，2009，(7)：17-19.

[3] 李世谟.双尾节能船型[J].中国造船，1988，(1)：69-75.

[4] 韦俊凯，林 焰.V型无压载水船舶型线设计变换研究[J].中国舰船研究，2010，(1)：24-27.