杭甬運(yùn)河集裝箱船舶船型研究

萬(wàn)建祥，廖保華，吳惠國(guó)

(紹興市港航管理局,浙江 紹興 312000)

杭甬運(yùn)河集裝箱船舶船型研究

萬(wàn)建祥，廖保華，吳惠國(guó)

(紹興市港航管理局,浙江 紹興 312000)

摘要：結(jié)合杭甬運(yùn)河的復(fù)雜航道條件、沿岸港口碼頭分布情況以及貨源特點(diǎn)等要素，分析集裝箱船舶船型主要參數(shù)及經(jīng)濟(jì)性，確定適合杭甬運(yùn)河的集裝箱運(yùn)輸船舶船型特征及相關(guān)設(shè)計(jì)要素。

關(guān)鍵詞：杭甬運(yùn)河；集裝箱；標(biāo)準(zhǔn)船型；經(jīng)濟(jì)論證

杭、紹、甬三市是浙江省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，近幾年隨著紹興經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通運(yùn)輸和能源的壓力矛盾日益突出，因此大力發(fā)展具有占地少、運(yùn)量大、能耗低及污染小等優(yōu)勢(shì)的水上運(yùn)輸成為緩解紹興交通運(yùn)輸和能源壓力的首要選擇。杭甬運(yùn)河的開(kāi)通，作為紹興聯(lián)系長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶與寧波、舟山港之間的重要水路物流通道，為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。紹興水網(wǎng)密布，內(nèi)河運(yùn)輸資源豐富，但內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸卻幾乎為零，開(kāi)通紹興至寧波、上海港集裝箱船舶運(yùn)輸，將開(kāi)創(chuàng)紹興內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸?shù)南群印?/p>

1航運(yùn)條件概述

1.1航道條件

杭甬運(yùn)河(浙東運(yùn)河)西起杭州三堡，終于寧波鎮(zhèn)海，是浙江省航道規(guī)劃20條高等級(jí)航道之一，全長(zhǎng)239 km，西連京杭大運(yùn)河，東接北侖港，溝通了長(zhǎng)江、京杭大運(yùn)河以及錢塘江、甬江水系。

杭甬運(yùn)河按Ⅳ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)(個(gè)別航道除外)，可航行500 t級(jí)船舶。主航道最小水深為2.5 m，航道底寬不小于40 m，面寬不小于60 m。全線共建有7座船閘，其中紹興至寧波段有5個(gè)船閘，最小閘室長(zhǎng)度120 m，寬度16 m，最低門檻水深2.5 m，最小閘室凈空高5.0 m；紹興至上海段共建有2個(gè)船閘，閘室最小尺寸160 m×12 m，門檻水深最低2.5 m。

另外，杭甬運(yùn)河全線有132座橋梁，絕大部分凈空為7.0 m，設(shè)計(jì)最高通航水位4.8 m。根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，Ⅳ級(jí)限制性雙向航道設(shè)計(jì)跨主航道橋梁通航孔寬度應(yīng)為55 m，但受船閘12或16 m寬度限制，船舶寬度不可能12 m，即使個(gè)別航段橋梁通航凈寬小于55 m，但船舶通航不受限制。

1.2港口條件

紹興市轄區(qū)內(nèi)主要港口有：①紹興港中心作業(yè)區(qū)，目前開(kāi)港運(yùn)行的建成有500 t級(jí)泊位17個(gè),設(shè)計(jì)年通過(guò)能力180萬(wàn)t；②上虞港區(qū)曹娥作業(yè)區(qū)，設(shè)計(jì)年通過(guò)能力190萬(wàn)t，500 t級(jí)泊位16個(gè)；③浙能紹興濱海熱電廠碼頭，該碼頭有500 t級(jí)泊位6個(gè)，設(shè)計(jì)年通過(guò)能力193萬(wàn)t；④諸暨港城郊作業(yè)區(qū)，建設(shè)500 t級(jí)泊位6個(gè)，成品油泊位2個(gè)，設(shè)計(jì)年通過(guò)能力為153萬(wàn)t。

1.3貨源條件

杭甬運(yùn)河集裝箱班輪航線開(kāi)通后，紹興的水運(yùn)集裝箱運(yùn)量有2個(gè)來(lái)源。

1) 吸引往上海、寧波公路集裝箱改走水路。2009年，紹興市全年外貿(mào)集裝箱公路運(yùn)量約80萬(wàn)TEU，紹興至寧波內(nèi)河集裝箱航線開(kāi)通后，預(yù)計(jì)會(huì)吸引其中一部分到水路上來(lái)，每年10萬(wàn)～20萬(wàn)TEU。

2) 開(kāi)發(fā)現(xiàn)有貨物裝箱，紹興市轄區(qū)內(nèi)共有普通貨物港口經(jīng)營(yíng)企業(yè)100余家，2014年全市港口貨物吞吐量1 813.4萬(wàn)t，主要有煤炭、鋼材、水泥、建材及糧食等。據(jù)預(yù)測(cè)，2017年紹興內(nèi)河港口集裝箱將達(dá)20萬(wàn)TEU，2020年將達(dá)50萬(wàn)TEU。

2船舶要素的確定

2.1船舶主尺度

船舶主尺度要充分考慮杭涌運(yùn)河的航道、港口、船閘、橋梁和運(yùn)量等因素。因此，集裝箱船舶船型尺度的選取應(yīng)考慮航道的彎曲半徑、寬度、水深、船閘，以及航道上建筑物的凈空高度等。

1)航道彎曲半徑對(duì)船長(zhǎng)的限制。運(yùn)河船舶在選擇船長(zhǎng)時(shí)常常受到航道彎曲半徑的影響，同時(shí)還與港口碼頭、船舶類型、駕駛技術(shù)、船舶的操縱性等方面的因素有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，船長(zhǎng)與航道的標(biāo)準(zhǔn)曲率半徑的關(guān)系為L(zhǎng)=ρ/(3～4)[1]。式中:ρ為航道的標(biāo)準(zhǔn)曲率半徑。Ⅵ級(jí)航道曲率半徑ρ約為200 m，航道計(jì)算船長(zhǎng)L=200/3.5= 57 m。因此集裝箱船型船長(zhǎng)L<57 m即可，不受航道的標(biāo)準(zhǔn)曲率半徑的約束，可根據(jù)船舶的尺度關(guān)系選取。

2)船閘對(duì)船寬的限制。一般來(lái)說(shuō)，船舶與船閘兩端及兩舷的間隙應(yīng)為船寬的5%～10%[1]，船底間隙大于0.2 m，杭甬運(yùn)河紹興至寧波段的船閘寬度多在12 m以上，故船閘對(duì)集裝箱船型船寬應(yīng)小于11.70 m，因此可根據(jù)船舶的尺度關(guān)系選取。

3)橋梁及水上過(guò)江電纜對(duì)船高的限制。通常情況下應(yīng)考慮洪水季節(jié)最高設(shè)計(jì)通航水位時(shí)，船舶空載壓載常態(tài)情況下能自由通過(guò)。航道的橋梁及水上過(guò)河電纜的凈高在4.8 m。集裝箱船型在空載時(shí)考慮采用壓載和可倒桅的措施來(lái)降低船舶固定高度。因此，船舶在空載水線時(shí)其固定高度應(yīng)控制在4.5 m以內(nèi)。

2.2船舶航速

船舶在限制航道中航行時(shí)存在著經(jīng)濟(jì)航速及臨界航速的問(wèn)題。對(duì)于運(yùn)輸?shù)椭荡笞谪浳锏淖院酱?，航速不宜超過(guò)其經(jīng)濟(jì)航速，否則興波阻力劇增，導(dǎo)致功率消耗過(guò)大[2]。不僅降低了船舶經(jīng)濟(jì)性，容易造成浪損事故，還將對(duì)兩岸護(hù)坡造成嚴(yán)重的沖刷，損壞岸堤。

考慮到航道整體運(yùn)輸效率等問(wèn)題，集裝箱船型的經(jīng)濟(jì)航速取為12 km/h左右，因集裝箱船都是定班航行，在整個(gè)航程的航行中難免會(huì)遭遇一些突發(fā)情況，航速需要一定的儲(chǔ)備，考慮到航速與水深的關(guān)系，限定最大航速為16 km/h。

2.3船舶線型

本地區(qū)內(nèi)河集裝箱船的方形系數(shù)一般都在0.85以上，屬于肥大船型。對(duì)于此類船舶，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)其首部線型，盡量減少興波阻力；同時(shí)要優(yōu)化設(shè)計(jì)艉部線型，減小艉部流場(chǎng)的分離和由此產(chǎn)生的形狀阻力。還要注意改善其艉部伴流場(chǎng)的均勻性以提高相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率；在增大伴流系數(shù)的同時(shí)減小其推力減額分?jǐn)?shù)，獲取較大的船身效率，綜合提高船舶的推進(jìn)系數(shù)，獲得減阻節(jié)能的技術(shù)效果[3]。

基于上述考慮，艏部線型采用肥大船型設(shè)計(jì)；艉部線型采用水滴型球尾型。采用該線型，不僅可有效地減小船舶形狀阻力，且可獲得較高的相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率和船身效率。同時(shí)，還可以免除傳統(tǒng)的人字架構(gòu)件，相應(yīng)地減小附體阻力。

3船型主尺度選擇

本船型是主要航行于紹興地區(qū)港口至上海港和寧波港的集裝箱專用運(yùn)輸船，主尺度選取應(yīng)綜合考慮船舶的經(jīng)濟(jì)性、快速性和安全性。

3.1方案網(wǎng)格的設(shè)立

組合設(shè)立16個(gè)方案，見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，載貨量相同時(shí)，船舶的方形系數(shù)隨船長(zhǎng)的增加而下降；也隨型寬的增加而減小。

3.2船型方案快速性的論證計(jì)算

3.2.1船舶有效功率的計(jì)算

按附加10%附體阻力的愛(ài)爾氏法估算網(wǎng)格方案的有效功率，估算結(jié)果匯總列于圖1～4。

圖1　船長(zhǎng)53.5 m各船型方案的有效功率

圖2　船長(zhǎng)54 m各船型方案的有效功率

3.2.2推進(jìn)性能設(shè)計(jì)及最大航速計(jì)算

本船采用水滴型雙球艉船型，按下式估算各船型方案的推進(jìn)因子，ηr=1.0。

w=0.55Cb-0.2

表1　16種技術(shù)方案的主尺度及相關(guān)系數(shù)

方案編號(hào)船長(zhǎng)/m水線長(zhǎng)/m柱間長(zhǎng)/m型寬/m型深/m吃水/m排水量/t方形系數(shù)№1153.553.151.99.532.3997.430.8597№1253.553.151.99.732.31003.220.8468№1353.553.151.99.932.31009.020.8345№1453.553.151.910.132.31014.820.8227№2154.053.652.49.532.310000.8539№2254.053.652.49.732.31005.850.8411№2354.053.652.49.932.31011.710.8289№2454.053.652.410.132.31017.560.8172№3154.554.152.99.532.31002.570.8481№3254.554.152.99.732.31008.480.8355№3354.554.152.99.932.31014.390.8235№3454.554.152.910.132.31020.290.8119№4155.054.653.49.532.31005.150.8425№4255.054.653.49.732.31011.110.8301№4355.054.653.49.932.31017.070.8181№4455.054.653.410.132.31023.030.8066

圖3　船長(zhǎng)54.5 m各船型方案的有效功率

圖4　船長(zhǎng)55 m各船型方案的有效功率

選定主機(jī) 2臺(tái)，額定功率184 kW，額定轉(zhuǎn)速850 r/min，齒輪箱減速比為2.54∶1。

按MAU-4型、螺旋槳限制直徑1.42 m設(shè)計(jì)確定推進(jìn)器要素，計(jì)算推進(jìn)性能，結(jié)果見(jiàn)表2。

3.2.3常用主機(jī)轉(zhuǎn)速下的經(jīng)濟(jì)航速計(jì)算

為提高經(jīng)濟(jì)效益，本船型按60%額定轉(zhuǎn)速的常用轉(zhuǎn)速進(jìn)行營(yíng)運(yùn)。取常用轉(zhuǎn)速為510 r/min，并按前表所列的螺旋槳要素進(jìn)行航行特性計(jì)算，求得船舶所得的經(jīng)濟(jì)航速和相應(yīng)的單機(jī)功率。為綜合比較各船型方案的快速性能，特引進(jìn)各船型方案在經(jīng)濟(jì)航速和最大航速下的海軍常數(shù)。

按計(jì)算結(jié)果繪制各船型方案在常用轉(zhuǎn)速下螺旋槳所能發(fā)出的總推進(jìn)功率和所需單機(jī)功率與航速的關(guān)系曲線，由總推進(jìn)功率曲線與船舶有效功率曲線的交點(diǎn)，即可求出各船型方案在常用轉(zhuǎn)速下所能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)航速、所需單機(jī)功率，進(jìn)而計(jì)算求出相應(yīng)的海軍常數(shù)，計(jì)算結(jié)果匯總于表3。

表2　推進(jìn)性能設(shè)計(jì)計(jì)算(螺旋槳直徑Dp=1.42 m)

3.3方案討論

1) 船舶的方型系數(shù)隨著船長(zhǎng)的增加而減小，也隨型寬的增大而下降。

表3　各船型方案在常用轉(zhuǎn)速下所能達(dá)到的航速、

2) 船舶的有效功率隨著船長(zhǎng)和型寬的增加而下降，可見(jiàn)方型系數(shù)是影響肥大船型阻力性能的最敏感因素。

3) 各船型方案在主機(jī)額定轉(zhuǎn)速下所能達(dá)到的最大航速均在17 km/h左右。其中，№11的最大航速為16.69 km/h，為16個(gè)方案中的最小者；方案№44的最大航速為17.47 km/h，為16個(gè)方案中的最高者。

4) 各船型方案在510 r/min的主機(jī)常用轉(zhuǎn)速下所能達(dá)到的最大航速均可超過(guò)11 km/h。其中，№11的常用航速為11.24 km/h，為16個(gè)方案中的最小者；№44的常用航速為11.42 km/h，為16個(gè)方案中的最高者。

5) 各船型方案中，船舶處于常用航速下的海軍常數(shù)遠(yuǎn)大于處于最大航速的海軍常數(shù)，其增大的幅值約為50%左右。其中，№11的增大幅度為54%，為16個(gè)方案中的最高者；№44的增大幅度為38%，為16個(gè)方案中的最低者。

6) 從技術(shù)論證角度出發(fā)，采用較大船長(zhǎng)配合較大型寬的船型方案的快速性更為優(yōu)越；但增大船長(zhǎng)和型寬也會(huì)伴隨有船舶造價(jià)的增加。必須綜合考慮航道條件、總體布置要求和營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)論證的結(jié)果加以確定。選定的方案№21較為合理。

最終確定本船的主要尺度如下。

總長(zhǎng)Loa:54.30 m；船長(zhǎng)L:54.00 m；

水線長(zhǎng)Lwl:53.60 m；垂線間長(zhǎng)Lpp:52.40 m；

型寬B:9.50 m；型深D:3.00 m；

設(shè)計(jì)吃水d:2.30 m；

空箱水線以上最大高度：4.50 m。

4船型營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)論證

用該船承擔(dān)紹興集裝箱碼頭至上海外高橋集裝箱碼頭間的集裝箱專用運(yùn)輸。自紹興至上海的往程是采用全部滿箱；自上海至紹興的回程是小部分滿箱、大部分空箱的搭配狀態(tài)，此時(shí)的船舶吃水和浮態(tài)相應(yīng)于船舶輕載狀態(tài)。

船舶營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)論證的相關(guān)條件見(jiàn)表4。

按文獻(xiàn)[3-5]推薦的方法編制計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行論證計(jì)算，給出該船型的技術(shù)指標(biāo)、營(yíng)運(yùn)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

36 TEU集裝箱船選定的推進(jìn)主機(jī)為2臺(tái)，其額定轉(zhuǎn)速均為850 r/min、額定功率為184 kW，與之配套選用的齒輪箱減速比均為2.54∶1。

燃油費(fèi)用在運(yùn)輸成本中占比較大，在營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)論證內(nèi)容中進(jìn)行按額定主機(jī)轉(zhuǎn)速850 r/min和按常用主機(jī)轉(zhuǎn)速510 r/min及其相應(yīng)單機(jī)功率36.7 kW條件下的論證計(jì)算。假定其滿載和輕載狀態(tài)的海軍常數(shù)相等，由滿載靜水航速推算其在輕載狀態(tài)下的船舶靜水航速。

1) 船型營(yíng)運(yùn)論證計(jì)算。按本船型的技術(shù)論證數(shù)據(jù)進(jìn)行營(yíng)運(yùn)論證計(jì)算，計(jì)算結(jié)果匯總列于表5。

2) 船型經(jīng)濟(jì)論證計(jì)算。按技術(shù)論證和營(yíng)運(yùn)論證計(jì)算數(shù)據(jù)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)論證計(jì)算，計(jì)算結(jié)果匯總列于表6；主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)列于表7。

分析上述計(jì)算結(jié)果可以看出，就紹興至上海的集裝箱船舶運(yùn)輸而言，運(yùn)距只有380 km，船舶航行時(shí)間較短，非生產(chǎn)停泊時(shí)間卻占有相當(dāng)比重。兩型船舶如果按主機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和額定功率進(jìn)行營(yíng)運(yùn)，盡管可獲得較高航速，起到了縮短航行時(shí)間、增加年航次數(shù)的效果，年?duì)I運(yùn)收入也有一定程度的增加；然而，使用較高主機(jī)功率卻導(dǎo)致燃油量的激增，燃油費(fèi)用高達(dá)營(yíng)運(yùn)成本的64%，遠(yuǎn)超過(guò)所增加的營(yíng)運(yùn)收入，得不償失，是不經(jīng)濟(jì)的；如果將兩型船舶的主機(jī)轉(zhuǎn)速分別降至510 r/min左右運(yùn)行，使船舶航速降低至11 km/h左右，盡管營(yíng)運(yùn)收入有所減少，但燃油費(fèi)用卻減少了30%多，經(jīng)濟(jì)效益顯著增加。

表4　船舶營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)論證的相關(guān)條件

表5　36 TEU優(yōu)選船舶的營(yíng)運(yùn)計(jì)算結(jié)果

表6　36 TEU集裝箱船型的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果

表7　36 TEU集裝箱船型的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

5結(jié)論

1) 根據(jù)杭甬運(yùn)河的航道特點(diǎn)，研究開(kāi)發(fā)出36 TEU裝箱船舶標(biāo)準(zhǔn)船型。

2) 標(biāo)準(zhǔn)集裝箱船型是方形系數(shù)高達(dá)0.85的肥大船型，參考以往的模型試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)船舶艉部線型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是采用水滴型球尾船型，可使船舶的快速性獲得一定程度的改善。

通過(guò)對(duì)36 TEU集裝箱船船型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，集裝箱標(biāo)準(zhǔn)船型如果按較低的“經(jīng)濟(jì)航速”航行，可以大幅度減少燃油費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

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Research on Ship Form of the Container Ships in the Hang-yong Canal

WAN Jian-xiang, LIAO Bao-hua, WU Hui-guo

(Shaoxing Harbor and Waterway Management Bureau, Shaoxing Zhejiang 312000, China)

Abstract:Based on the analysis of the complex channel conditions, port distributions and the cargo resources of Hang-yong canal, the main parameters of ship form for the container ship and its economy are investigated. The hull form and main design characteristics suitable to the container ships in Hang-yong canal are determined.

Key words:Hang-yong canal; container ship; standard hull form; economy argumentation

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.006

收稿日期：2015-12-22

第一作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)建祥(1966—)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師 E-mail:270459554@qq.com

中圖分類號(hào)：U674.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)03-0026-06

修回日期：2015-12-25

研究方向:船舶檢驗(yàn)