16000 GT客滾船的研究和設(shè)計

王 麟 張敏健

（上海船舶研究設(shè)計院,上海 200032）

0 前 言

客/車滾裝船是運載旅客和用車輛直接上下船進行貨物裝卸的船舶，其特點是裝卸快、航速高、操縱靈活，可以裝載旅客拖車、集裝箱、貨車等各種貨物；客/車滾裝船還具有軍民兩用的特點,可以乘載軍人和運輸各種軍用物質(zhì)和坦克兵等；正是由于客滾船具有客船和滾裝船的雙重功能，它又具有貨艙甲板面積大，線型特殊（方形系數(shù)較小，具有全寬的船尾等）；具有主推進裝置功率較大，機艙體積小且高度低、貨艙通風量大，操縱自動化程度高，載客量多等特點，它是一種高新技術(shù)的船型。

隨著我國人民生活的不斷改善，公路網(wǎng)絡(luò)的日臻完善，汽車工業(yè)的快速發(fā)展，家庭轎車的擁有量在不斷的增加，自駕旅游的人會越來越多，因此對客滾船的市場需求也日趨旺盛。由上海船舶研究設(shè)計院為中?？洼喒驹O(shè)計的16000 GT客滾船，正是在這種市場背景下應(yīng)運而生，該船主要航行于大連和煙臺之間，兼顧國際短程。

1 16000 GT客滾船的主要參數(shù)

2 設(shè)計背景

16000 GT客滾船是在渤海灣客貨運輸日益繁榮，渤海灣的客滾船事故頻發(fā)，交通部對渤海灣水域的船舶安全性逾加重視，國家法規(guī)日趨嚴格的背景下開始設(shè)計，它是我國自主設(shè)計的第一艘客滾船。

3 總布置特點

本船為雙機雙可調(diào)槳、雙舵、球鼻首、方尾，并設(shè)有首側(cè)推、減搖鰭和防橫傾裝置。

本船具有多層連續(xù)甲板，機泵艙位于尾部。

車輛裝在第一和第三甲板，車輛裝卸通過三甲板尾部的尾門進入三甲板（上貨艙），并可通過設(shè)于尾部右舷的固定坡道進出第一甲板（下貨艙）。

旅客和船員區(qū)域布置在第五至第八甲板。五甲板中部主要布置旅客進廳，服務(wù)臺、小超市及三、四等客艙，尾部布置一般船員居住區(qū)。六甲板主要布置旅客、船員餐廳和酒吧、多功能娛樂廳等公共艙室，首部布置二、三等客艙。七甲板主要布置一、二、三等客艙，八甲板為駕駛臺和高級船員居住區(qū)，其后布置一等客艙。

4 線型及螺旋槳激振力

根據(jù)客滾船航速要求高和布置上要求尾部寬，適合安裝尾門、跳板和寬大的汽車甲板面積等特點，要求客滾船的線型快速性好，具有良好的推進因子，同時伴流場要均勻，避免由螺旋槳產(chǎn)生的振動。希望通過攻關(guān)研究，優(yōu)選快速性、穩(wěn)性、耐波性和操縱性等綜合性能良好，并能獲得避免尾部振動的優(yōu)良線型。

作為16000總噸客滾船設(shè)計的母型船 “棒棰島”號和“海洋島”號，是船東在荷蘭訂造，于1996年相繼交船的二艘客滾船，現(xiàn)為大連—煙臺航線營運的主力船型。經(jīng)過長時間的使用考驗，船東認為除了交船時就存在的倒航時尾部振動的缺陷外，其他諸如船型尺度、航速、穩(wěn)性、抗浪和操縱等方面性能良好，使用滿意。關(guān)于倒航時尾部振動問題在第二艘船“海洋島”號的尾部結(jié)構(gòu)作了局部加強，振動情況有所改善，但仍未能徹底消除。因此船東特別強調(diào)在新船設(shè)計時注意振動問題。為此，我們線型研究重點是對尾部線型作了研究。抬高螺旋槳附近縱剖線，加大與螺旋槳的間隙會使尾管出船殼位置的前移，造成尾管進水部分過長，尾管和尾管軸承制造和安裝困難。因此，我們選擇在原線型平行舯體處加長2.5 m，倒車振動問題可通過螺旋槳設(shè)計和尾部加強予以克服。

應(yīng)船東要求，為增加客船的舒適性，在壓載工況和主機MCR功率下，設(shè)計的螺旋槳不得有面空泡和槳轂渦空泡，葉背不得產(chǎn)生云霧狀空泡和球狀空泡，不得產(chǎn)生有害的葉稍渦空泡，葉背的片狀空泡必須是穩(wěn)定的。同時船東要求尾部螺旋槳激振力峰值不得超過3 kPa。

為保證本船空泡試驗的成功，也為了使試驗的方法與實船的工況更接近，為此，我們安排本船的空泡和激振力試驗在大型循環(huán)水槽進行，專門做了一個玻璃鋼船模，以模擬實船航行的狀態(tài)，最后測試的結(jié)果是螺旋槳激振力峰值為2.1 kPa。這也是我國民用船舶第一次在大型循環(huán)水槽中做螺旋槳空泡和激振力試驗。

5 分艙和破艙穩(wěn)性研究

按照IMO海大A265（VIII）決議，采用概率論方法計算客船破艙穩(wěn)性，其作為對“1966年SOLAS第II章B部分（確定性計算方法）等效和全部代替的辦法，已是客船特別是客滾船破艙穩(wěn)性計算的趨勢。

確定性計算方法的主要優(yōu)點是計算原理簡單，概念清晰，規(guī)則條款可操作性強。在計算手段缺乏的情況下，還可手算完成。

概率論計算方法不提一艙或二艙，三艙不沉的概念，只講“能達到的分艙指數(shù)A”需足夠大，應(yīng)不小于“要求的分艙指數(shù)R”。這既體現(xiàn)了破艙浸水的機率性又在具體計算過程中予以涵蓋。A.265（VIII）規(guī)則的條款繁復，理解不易，猶如游戲規(guī)則，若能融會貫通，便可獲得對分艙指數(shù)A的最大貢獻。而計算過程的工作量大，手工根本無法完成，即使借助電腦，也需比較完備的計算程序。我院2002年引進的NAPA系統(tǒng)軟件，為研究計算破艙穩(wěn)性，提供了良好的條件。

基于母型船通過A.265（VIII）規(guī)則并計算合格，本船基本布局和主要參數(shù)類同。但由于增加了半層上層建筑,結(jié)構(gòu)重量和空船重心則應(yīng)有增加和提高，使相應(yīng)GM值下降。同時因船長略有增加，所要求的分艙指數(shù)也隨之略有提高。此外，最引人關(guān)注的則是母型船原設(shè)計在通往底層汽車艙的固定坡道下半截做成活動式，絞鏈設(shè)在坡道底端，翻開豎起后，即成坡道下口水密門。坡道處形成一水密艙，利用它在計算中可對分艙指數(shù)A有貢獻。估計原為達到滿足破艙穩(wěn)性而設(shè)置。這些即為研究本船破艙穩(wěn)性的要點。同時，通過對NAPA程序和A.265（VIII）規(guī)則的學習和使用，加深了理解并進一步提高。計算結(jié)果表明本船滿足A.265（VIII）要求。

本船設(shè)計采用干舷甲板下橫向B/5分割，由于載客人數(shù)較多，采用概率論方法時，較難達到分艙指數(shù)“A”，需將B/5以內(nèi)破損組合的貢獻計入，才能達到。另外,我們曾經(jīng)將確定性方法與A.265（VIII）的概率論方法進行了比較,就本船而言，確定性方法只考慮分艙程度較高的B/5以外部分的破損情況,會得出更好的結(jié)果,只要較小的GM值就能滿足要求。但我們認為概率法應(yīng)該更符合客滾船的實際情況。

6 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,我們與船級社的有關(guān)技術(shù)人員進行了交流,首先是車輛甲板強度問題。根據(jù)規(guī)范，對于1個板格有2個輪印時，則可將其視為一個輪印，設(shè)于板格中間并取輪印上的荷重之和。但我們認為,根據(jù)滾裝船的裝載情況，兩輪印有一段距離時，一般取板格上1個輪印，其受力點位于板格的中間，此力學模型更能真實反映實際情況，甲板的強度應(yīng)按此種情況計算。根據(jù)船級社的要求，我們對板格單元進行了有限元分析（簡支邊界條件）結(jié)果顯示，在輪印間距為1360 mm時，板格上受2個輪印與板格中間受1個輪印的作用，其應(yīng)力情況基本一致，從而證明板格上算一個輪印的荷重是正確的。甲板厚13.5 mm滿足強度要求。

母型船“棒槌島”和“海洋島”的車輛甲板也只有13.5 mm，經(jīng)過十年的使用，情況良好，絲毫沒有變形。

第二個問題是強力甲板的選取。根據(jù)規(guī)范，強力甲板是指上層連續(xù)甲板。而本船有多層連續(xù)甲板。我們認為，規(guī)范中強力甲板的定義是針對一般貨船而言，即單甲板船，而本船是客滾船，有多層連續(xù)甲板，應(yīng)該區(qū)別對待。本船將強力甲板定義在五甲板較為合理，各層甲板構(gòu)件尺寸以實際應(yīng)力計算值確定。

第三個問題是七甲板、八甲板的板厚按甲板室還是按上層建筑計算。根據(jù)規(guī)范，上層連續(xù)甲板上，由一舷伸至另一舷或其側(cè)壁板離船殼板向內(nèi)不大于4%船寬的圍蔽建筑為上層建筑。所以七甲板、八甲板的板厚應(yīng)按上層建筑甲板的要求計算。但我們認為，本船干舷甲板為三甲板。干舷甲板離七甲板、八甲板的距離足夠遠，航行時，海浪基本不會打到七甲板和八甲板，如按LR的定義七甲板已為型深上部第四層甲板，甲板6 mm已滿足要求。母型船的七甲板、八甲板厚度也只有6 mm。按LR對客滾船的要求，其居住甲板的厚度6 mm也滿足要求（Part4,Ch2,Sec.3.2）。另外，上層甲板的厚度增加，會引起本船重心的提高，對滿足破艙穩(wěn)性的要求十分不利。

另外，我們結(jié)構(gòu)專業(yè)采用了DNV船級社的SESAM軟件進行了有限元計算分析，通過逐步近似的方法，反復合理調(diào)整構(gòu)件布局和尺寸，進行強度校核。關(guān)于疲勞強度問題，考慮到本船載荷變化影響很小，由此引起的吃水變化范圍不大。載荷分布均勻，航行區(qū)域海況變化不大。所以就本船而言，結(jié)構(gòu)疲勞強度不是主要問題。經(jīng)向船級社咨詢，援用了GL的Poseidon計算軟件進行了計算。結(jié)果顯示，本船結(jié)構(gòu)設(shè)計良好，能滿足疲勞強度要求。

7 救生設(shè)備配置

16000 GT客滾船是一艘航行于國內(nèi)近海和國際短途的客滾船。其救生設(shè)施的配置，主要考慮二方面，一方面是國際短途航行時，其載客人數(shù)為640人，按有關(guān)國際規(guī)則的要求，配備了4艘半封閉式救生艇和4組可吊式救生筏，滿足640名旅客應(yīng)急撤離的要求。另一方面是國內(nèi)沿海航行時，該船載客人數(shù)為1500人（包括船員），按《非國際航行》法定檢驗規(guī)則的有關(guān)要求，合同設(shè)計時救生配置情況如下：

a）救生艇4艘，每艘100人，共乘400人；

b）可吊式救生筏16只，每只25人，共乘400人；

c）自扶正式拋投式救生筏5只，每只25人，共乘125人（存放于6甲板）；

d）拋投式救生筏29只，每只25人，共乘725人；

e）2艘救助艇（其中一艘為快速救助艇）；

f）36部登乘梯。

雖然上述設(shè)施配置滿足我國法規(guī)和規(guī)范的要求。但隨著渤海灣客滾船事故頻發(fā)，國家對航行于渤海灣區(qū)域的客滾船安全問題格外重視，于2003年11月25日在大連召開了客滾船的審圖原則專題研討會。會后，國家海事局頒布了《渤海灣客滾船審圖原則》，作為對現(xiàn)行規(guī)范和法規(guī)的補充和完善。

國家海事局頒布的《渤海灣客滾船審圖原則》規(guī)定:

按法規(guī)第4篇第3章對客船的要求,其中,救生艇、筏的配備可按如下三者之一要求,且對于吊架降落的救生艇筏,其在登乘位置時吊架頂部至最輕載航行水線之間的高度應(yīng)盡可能不超過15 m：

a）按《國際航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》第4篇第3章第26條對短程國際航行客滾船的要求配備：或

b）救生艇的配置不少于全船總?cè)萘康?0%（每舷至少應(yīng)配備1艘機動救生艇），以及拋投式救生筏（自行扶正的/帶頂篷的兩面可用的）加海上撤離系統(tǒng)的配備不少于全船總?cè)萘康?0%或吊架降落救生筏（自行扶正的/帶頂篷的兩面可用的）的配備不少于全船總?cè)萘康?0%；或

c）救生艇及吊架降落救生筏（自行扶正的/帶頂篷的兩面可用的）的配備不少于全船總?cè)萘康?0%（每舷至少應(yīng)備1艘機動救生艇）,以及拋投式救生筏（自行扶正的/帶頂篷的兩面可用的）加海上撤離系統(tǒng)的配備不少于全船總?cè)萘康?0%或吊架降落救生筏（自行扶正的/帶頂篷的兩面可用的）配備不少于全船總?cè)萘康?0%。

為此，我們對救生方案進行了重新調(diào)整。依據(jù)審圖原則第5條第C款，目前該船救生設(shè)備的配備情況如下：

1）救生艇：4艘，每艇100人；

2）可吊筏：2組，每組配3只筏，每只筏可載37人；

3）可吊筏：2組，每組配3只筏，每只筏可載25人；

4）斜滑道：2部，每部可撤離人員250人（含拋投式救生筏50人×10只）；

5）垂直滑道：2部，每部可撤離人員200人（含拋投式救生筏100人×4只）；

6）救助艇2艘，其中1艘為高速救助艇。

可撤離的總?cè)藬?shù)為1672人，滿足規(guī)范對1.1倍總?cè)藬?shù)的要求。本船的七甲板距輕載水線的高度為18 m，但目前國內(nèi)生產(chǎn)斜梯滑道的廠家只能做到12 m高度。12 m以上的產(chǎn)品尚沒有開發(fā)和研制，更談不上申請船檢證書。所以本船采用進口的垂直滑道撤離裝置。

8 車輛布置

16000 GT客滾船是一艘以載運旅客為主兼運汽車、集裝箱拖車的滾裝運輸船。一般遵守“船舶到埠，小車先行，上、下自由，不受大車阻礙”原則。根據(jù)這一要求，我院進行了研究,將原設(shè)在底艙后端的小汽車活動載車平臺移至主車輛甲板首端。平臺長度的確定是一關(guān)鍵。原則是不影響大車行駛掉頭，同時考慮適當?shù)男≤囇b載排數(shù)和不裝小車時，能在平臺上裝載常規(guī)長度的大車而又不浪費甲板面積。這樣的設(shè)計結(jié)果，保證了當裝載小車時可無妨礙地先上平臺，裝滿后平臺吊起，平臺之下可裝小車。卸車時，只要卸空一條車道，小車便能自由下船。

9 貨艙通風

客滾船貨艙通風系統(tǒng)的設(shè)計原則與滾裝貨物運輸船大同小異。但在系統(tǒng)布置上要遠比滾裝船復雜，制約因素需要考慮的方面增多?？蜐L船有龐大的上層建筑，客船對寧靜環(huán)境的要求要高于貨船，客船的安全性又更為突出，風管的布置需考慮破艙穩(wěn)性，因此通過本船的設(shè)計研究，可以歸納幾點如下：

1）根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求：貨艙通風要求通風次數(shù)為航行工況10次/小時，而裝載工況20次/小時。所以貨艙抽風機的風量較大，相應(yīng)的風機尺寸也較大，同時本船對噪音有較高的要求。貨艙風機上均帶有消音器。

2）因受船舶的上層建筑的制約，本船無法采用橫向通風的通風形式，只能采用貫通整個艙長的縱向通風形式，致使貨艙風機的風壓較高。另外由于破艙穩(wěn)性的制約，貨艙的通風管不能布置在1/5船寬范圍之內(nèi)，所以一甲板貨艙的風管只能布置在中部，造成阻力增大，抽風機的風壓升高。

3）為避免通風死角，設(shè)計應(yīng)力求使貨艙氣流形成良好循環(huán)，可在貨艙二端設(shè)置風機，將風道布置到貨艙的各個角落。另一種方法是在適當?shù)牡胤桨惭b擾流風機以消滅死角，可減少風管的設(shè)置。二種方法各有利弊。本船考慮選取前者,主要出發(fā)點是減少設(shè)備。

4）本船第三主貨艙采用縱向循環(huán)通風型式，后部自然進風,首部設(shè)有4臺抽風機,強制抽風，滿足航行和裝卸貨工況之需。底層第一貨艙是密閉貨艙，設(shè)有2臺風機。航行時，一邊抽風機工作，另一邊自然進風，維持風量平衡，保證貨艙10次/小時的通風量，裝卸貨工況時，由于貨艙蓋已打開，通過風閥轉(zhuǎn)換，變成兩臺抽風機同時抽風，維持貨艙20次/小時的通風量。

5）固定通風開口的布置，避開救生艇筏的存放區(qū)域和登乘站以及位于裝貨處所上方的上層建筑和甲板室內(nèi)的起居處所、服務(wù)處所和控制站，防止在裝貨處所內(nèi)失火時不至危及救生區(qū)域。

10 艙底水系統(tǒng)

國家對渤海海域?qū)嵭辛瞬澈１毯Ｐ袆佑媱?，嚴禁在水域?nèi)排放油污水，對油污水設(shè)備實行鋁封管理，實現(xiàn)油污水的零排放。為此，本船配備了專門的油污水存放艙，供航行時艙底水的存放。本船共設(shè)有6臺艙底泵，分設(shè)于機艙、泵艙和首側(cè)推艙，分別由主電源和應(yīng)急電源供電，艙底水總管布置在距舷側(cè)1/5船寬的范圍之外。由于對貨艙采用水霧滅火，另外五甲板的旅客客艙是做到舷側(cè),無露天空間,無法設(shè)閥門關(guān)閉裝置，所以本船對第三貨艙的排水采用閉式排水系統(tǒng),排水系統(tǒng)的能力不低于水霧系統(tǒng)泵加二支消防水槍組合水量的125%。同時,為防止舷側(cè)的排水影響海上撤離系統(tǒng)和救生裝置的降落,本船采用了集中排水系統(tǒng)。

11 結(jié)語

16000 GT客滾船是我國第一次設(shè)計、審查和建造的客滾船，很多方面有待改進和完善，但有了這可貴的第一次之后，必定會為以后客滾船的設(shè)計積累寶貴的經(jīng)驗。