国内散货船螺旋桨选型及经济性分析

孙海晓,王翊

(上海船舶研究设计院,上海 201203)

随着内贸散货运输市场不断优化,近几年新造国内散货船市场逐渐升温,国内散货船日益大型化,航运市场地位日益凸显[1],各大设计公司也陆续推出标杆船型以抢占市场。这些船型的共同特点是选用转速更低的柴油机以及大直径螺旋桨,提高螺旋桨的推进效率,从而降低船舶设计状态下的主机油耗水平,因此新船型的设计指标较老一代船型有着明显的提高。然而,基于国内散货运输的特点,船舶通常在一半以上的航线处于空载航行状态。为此,对国内散货船全航线周期内的经济性进行分析。

1 国内散货船航线特点

我国内贸散货运输的主要货品为煤炭、矿石、矿建材料,以及粮食,其中煤炭占比最大。我国煤炭资源主要分布在山西、陕西及内蒙古西部(简称“三西地区”),而用煤“大户”则集中在东部沿海和华中、华南地区。煤炭供需之间存在错配,由此形成了“西煤东调”“北煤南运”的格局[2]。水路运输在“北煤南运”中起着重要作用,其中最为活跃的航线为环渤海港口群至长三角港口群和环渤海港口群至珠江三角洲港口群。国内散货船航线的主要特点如下。

1)吃水及载重吨限制。环渤海港口群主要以海港为主,自然条件较好,是煤炭的出发港,特点是航道的水深较深,水面宽,能进出大型船舶[3];长江沿线,南京至长江口,船舶受航道吃水限制,码头以50 000 t级为主,南京以下12.5 m深水航道工程已于2018年4月竣工,南京下游航道已全程实现12.5 m水深;珠江三角洲港口群允许的船舶最大吃水在12.5～14.3 m之间,最小也可以停靠50 000 t级的散货船。因此,从事我国内贸散货运输的散货船多以50 000 t级的船舶为主。

2)航线范围主要位于我国沿海及主要内河区域,航程较短。根据海图测量,从秦皇岛港口码头至南京港口码头,航程约为800 n mile,见图1;从秦皇岛港口码头至珠江水域码头,航程约为1 400 n mile,见图2。

图1 秦皇岛至南京航线

图2 秦皇岛至广州航线

3)航线范围内船舶航行状态不同。由于国内散货运输货品比较单一,且货品供需关系具有明显方向性,一个航次内,船舶一半航程处于满载状态,另一半航程处于压载状态。从船舶整个服务生命周期来看,考虑船舶母港、接货港、维修、检验等因素,船舶一半以上的航程会处于压载航行状态。

2 国内散货船船型特点

国内散货船是一种主要参与内贸散货运输的船型,通常悬挂中华人民共和国国旗,满足中国海事局《国内航行法定检验技术规则》,2019年之前建造的内贸散货船按照中国船级社《国内航行海船入级规则》和《国内航行海船建造规范》,航区为“国内近海航区”,授予“CSAD”系列船级符号;随着《国内航行海船建造规范》和《钢质海船入级规范》的技术要求趋于一致,2019年之后建造的内贸散货船,可授予“CSA”系列船级符号,对应的航区符号为“R1”。相对于无限航区散货船,国内散货船主要有以下特点。

1)技术要求较低,空船重量相对较轻,相同尺度下载重量更大,设备使用维护费用相对较低,经济性优于无限航区远洋运输散货船。

2)由于内贸散货运输航线较短,国内散货船通常配置续航力约为4 000～6 000 n mile,实际营运时,为增加船舶的载货能力,船舶通常仅配备总油水容积的一半甚至更少,压载状态时船舶的螺旋桨的浸没率比较低。

3)内河航行时吃水受限,目前南京至南通一线港口最小淡水吃水为11.36 m,下游吃水可达到11.8～12.5 m。国内散货船通常设有设计吃水和结构吃水,以适应不同港口码头的吃水要求。设计中需要限制船舶的纵倾,避免发生触底,通常以纵倾不超过0.5 m为宜。

3 螺旋桨选型及经济性分析

3.1 螺旋桨选型影响

近年来新造的国内散货船普遍采用大直径螺旋桨的设计理念,并匹配更新换代后转速更低的柴油机,从而提高螺旋桨的推进效率。

但是,由于内贸散货运输特点,国内散货船通常一半以上的航程处于空载航行状态,此时,采用大直径螺旋桨设计方案,也往往会带来一些问题。

1)大直径螺旋桨需要匹配低转速柴油机,而直径相对较小的螺旋桨,相匹配的柴油机转速也较高,相同主机功率下,转速越高越接近主机选型的L2～L4线,意味着主机单位油耗越低,相反地,转速越低情况下主机的单位油耗越高。

2)船舶航行必须满足螺旋桨全浸没状态,采用大直径螺旋桨,空载航行时需要压载更多的压载水,以满足螺旋桨的浸没要求,而采用直径相对较小的螺旋桨,需要的压载水量相对也较少,船舶的排水量自然也较小,有利于降低压载状态下主机的实际功率。另外,减少压载水量也有利于提高船舶的能效水平,且有利于增加货舱舱容。

3)大直径螺旋桨通常更接近船体外板,螺旋桨激振力会有所增加;压载航行时,由于风浪的影响,螺旋桨更容易出水,出现吸气现象,导致螺旋桨推进效率降低。

3.2 螺旋桨选型对比

以上海船舶研究设计院设计新一代5.1万t国内散货船为例,以该船的模型阻力试验及伴流试验结果为基础,螺旋桨采用图谱设计方法,选用MAU系列螺旋桨图谱,以便于对螺旋桨选型进行横向比较。以船舶设计吃水状态为初始输入条件,选型得到的不同螺旋桨对应的敞水效率见图3,不同螺旋桨选型对应的航速功率曲线见图4。

图3 螺旋桨选型敞水效率对比

图4 螺旋桨选型对应的航速功率

可见,采用大直径螺旋桨匹配低速柴油机的设计方案,相同航速下螺旋桨所需的收到功率最小;同样,采用4叶螺旋桨情况下,直径6.5 m螺旋桨较直径6.0 m直径螺旋桨,螺旋桨收到功率下降了约3.98%,为满足机桨匹配效果,螺旋桨对应转速需同时下降约15%。

3.3 主机选型对比

根据螺旋桨选型计算结果,船舶设计状态下选定的主机功率点见表1。

表1 主机选型对比表

为便于比较同机型下螺旋桨转速带来的油耗差异,主机采用同一型号MAN-5S50-C9.7机型,见图5。

图5 主机选型范围

为达到设计吃水13 kn设计指标要求,主机的常用功率点统一选为75%的主机额定功率,并按照国内运输船舶常规设计标准计入10%海况裕度。同一主机型号下,采用不同螺旋桨选型方案下的主机油耗对比见图6。

图6 同机型不同螺旋桨方案下油耗对比

采用较大转速的主机,由于螺旋桨功率点更接近主机选型的L2～L4线,主机单位油耗较低,直径6.0 m螺旋桨方案和直径5.5 m螺旋桨方案对应的主机单位油耗在常用功率点比较接近,主机高功率区间(80%额定功率以上),直径5.5 m螺旋桨方案主机转速更高,单位油耗更有优势。主机常用功率下,直径6.0 m螺旋桨方案和直径5.5 m螺旋桨方案,较直径6.5 m螺旋桨方案,虽然单位油耗下降了约1.72%,但油耗下降率仍低于螺旋桨推进效率提高值(3.98%)。因此就船舶满载设计状态而言,采用大直径螺旋桨匹配低转速柴油机的设计方案,确实有利于提高船舶的设计油耗指标。

3.4 船型影响对比

螺旋桨选型同船型设计密切相关,船舶正常航行时需满足螺旋桨浸没要求,尤其船舶压载状态下,艉部吃水较小,船舶有一定的艉倾,此时还应考虑船舶的视线要求,盲区长度范围不超过法规要求[4],这些均需要通过船舶自身携带的压载水调节船舶浮态,进而实现航行要求。此外,不同螺旋桨直径下,对应螺旋桨的轴线高度也不同,在满足主机布置要求前提下,直径越小的螺旋桨,轴线高度相应越低,螺旋桨浸没等要求更容易实现。为消除由于螺旋桨浸没率不同导致的推进效率差异,不同螺旋桨选型情况下,按照相同的船舶螺旋桨浸没率(螺旋桨浸没率为螺旋桨位置轴线处至水面的距离与螺旋桨直径的比值)调整船舶浮态,配置相应容量的压载水,此时视线可通过加高上层建筑高度或者削减艏楼的方式满足法规要求,与各螺旋桨选型方案对应的船舶压载状态时艏艉吃水及需携带的压载水量见表2。

表2 不同螺旋桨选型下船舶压载状态及携带压载水量

按照通常的国内散货船设计,船舶为单舷侧结构,设顶边压载舱和底压载舱,顶边压载舱通常采用重力式排放,顶边压载舱注入和底压载舱的注入和排放操作,均需要借助压载泵。以案例船为例,顶边压载舱压载水量约占总压载水量的1/3。国内散货船一个航程中通常包含2次压载水排出和注入操作,该船配有2台压载泵,单台排量1 000 m3/h,电力驱动,额定功率约132 kW,以发电机效率92%进行估算,不同螺旋桨选型方案下,由于压载水量的不同,一个航程内压载水操作油耗量对比见表3。

表3 不同螺旋桨选型下压载水操作油耗对比

3.5 全航程经济性

由于受试验条件限制,所研究船型仅具备首吃水4.30 m和尾吃水7.10 m对应的压载状态模型试验数据结果,对应直径6.5 m螺旋桨方案,其他螺旋桨选型方案对应的压载状态,其有效功率数据根据海军系数法[5]进行换算,并根据选型螺旋桨推进效率计算到船舶自航状态,见图7。

图7 不同螺旋桨选型压载状态的自航功率

为便于进行经济性比较,船舶整个航程中均按照13.0 kn航速计算主机实际功率,并计入10%海况裕度,这样可保证船舶去程和返程时间相同,以秦皇岛港口至南京港航线为例,航程约5 000 n mile,不同螺旋桨选型下船舶全航程的油耗数据见表4。

表4 不同螺旋桨选型全航程油耗对比

注:*含压载水操作。

可见在全航程条件下,采用小直径5.5 m螺旋桨的设计方案,较大直径6.5 m螺旋桨设计方案,船舶的油耗量可降低约4.0%。

4 结论

1)采用低转速大直径螺旋桨的设计理念,虽然主机单位油耗有所增加,但螺旋桨推进效率得到明显提升,效率的提高较油耗增加更为明显,确实有利于提高船舶在设计状态下的技术指标,有助于船舶推广获得订单。

2)采用低转速大直径螺旋桨同样也会带来一定的负面作用,船舶的轴线高度需要随着螺旋桨直径的增加相应抬高,船舶压载状态需携带更多的压载水,以满足螺旋桨的浸没要求,相应的会增加压载水操作的处理量和能耗水平。

3)采用低转速大直径螺旋桨,船舶压载状态下需携带更多的压载水,压载航行状态下排水量明显增加,相同航速下船舶主机功率也有明显提高。对于国内散货船,货品供需关系具有明显方向性,船舶一半以上的航程处于压载状态,在全航程的条件下考虑船舶的经济性指标,采用低转速大直径螺旋桨的设计方案,船舶的经济性反而处于劣势。

本文还存在诸多不足之处,由于受试验条件限制,采用较小直径螺旋桨方案时,压载航行有效功率依靠海军系数法进行换算,较试验压载状态更浅吃水状态下的船舶自航因子参照了压载状态下的模型试验数据;以船舶油耗数据作为单一目标进行计算,实际国内散货船的设计中,最终的压载水量的确定还应综合考虑总纵强度、视线及首部拍击等问题的影响。