一種無壓載水船船型參數(shù)探討

王鵬暉，洪碧光，于　洋，髙孝日

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

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一種無壓載水船船型參數(shù)探討

王鵬暉，洪碧光，于洋，髙孝日

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

借鑒國際上先進(jìn)的無壓載水船舶設(shè)計(jì)理念，利用連通管路對(duì)美國貫通流系統(tǒng)進(jìn)行改造，并融合至日本的V形船身，設(shè)計(jì)出一種新型的無壓載水船舶，將巴拿馬型散貨船作為母船型進(jìn)行優(yōu)化實(shí)踐。分別將新船型與母船型通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算比較，結(jié)果表明，二者船型參數(shù)基本一致，滿足實(shí)踐要求，表明設(shè)計(jì)船型可行。

無壓載水船;貫通流系統(tǒng);V型船身;船型參數(shù)

為解決船舶壓載水污染問題,無壓載水船舶[1-2]相關(guān)研究在國內(nèi)外取得了一定的進(jìn)展。國際上主流的無壓載水船型理念有美國的貫通流系統(tǒng)[3]、荷蘭的單一結(jié)構(gòu)船身設(shè)計(jì)[4-5]以及日本的V形船身設(shè)計(jì)[6]；而國內(nèi)只有少數(shù)研究所和院校對(duì)V形船身開展研究[7-8]，尚無成熟理論發(fā)表。然而，各種設(shè)計(jì)理念都存在自身的缺陷。貫通流系統(tǒng)，管路對(duì)船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局影響很大，操作時(shí)無法定量船舶的壓載水量；滿載狀態(tài)下，排空的管路對(duì)強(qiáng)度的影響大。單一結(jié)構(gòu)船身設(shè)計(jì)，增加了船舶阻力，很難應(yīng)用于大型化船舶。V形船身設(shè)計(jì)，單船造價(jià)高，航行水域水深要求高，在惡劣風(fēng)浪下，船舶穩(wěn)定性達(dá)不到要求，機(jī)動(dòng)性能受很大約束。為克服不利因素，擬對(duì)貫通流系統(tǒng)及V形船身設(shè)計(jì)兩種理念進(jìn)行整合，設(shè)計(jì)出一種新的無壓載水船型。利用巴拿馬型散貨船進(jìn)行優(yōu)化實(shí)踐，并制作出相應(yīng)的船舶模型;通過經(jīng)驗(yàn)公式比較無壓載水新船型與母船型的參數(shù)，估算結(jié)果驗(yàn)證出本文設(shè)計(jì)思路的可行性。

1　無壓載水船型設(shè)計(jì)思路

1.1新船型設(shè)計(jì)理念

汲取貫通流系統(tǒng)和V型船身設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，方案分為4部分。

1)船體輪廓設(shè)計(jì)為“上U，下V”形。船體上部設(shè)計(jì)為“U形”，增加船舶上部飽滿度；下部設(shè)計(jì)為“V形”，保持船舶下部瘦削；同時(shí)，船身內(nèi)部貫通“3縱3橫”6條管路；

其中3條縱向管路，從船體“V形”部分穿過,見圖1。

圖1　船體橫剖面示意

2)上部2條縱向管路設(shè)計(jì)為微弧形，底部縱向管路和3條橫向管路設(shè)計(jì)為直線形，見圖2。

圖2　管路走向以及連接方式示意

為實(shí)現(xiàn)壓載水量的定量化，3條橫向管路與底部縱向管路的連接部位安裝有3個(gè)壓力傳感器；為合理控制海水的流通，3條縱向管路的前后口徑處安裝6個(gè)傳感器控制閥門。

3)3條縱向管路設(shè)有內(nèi)外雙層管壁，既保證管路強(qiáng)度，又使管路收縮以調(diào)整海水流通量，實(shí)現(xiàn)船舶在不同裝載情況下壓載水量的切換。管路的收縮，采用內(nèi)外兩層管壁間的空氣填充壓縮技術(shù)來實(shí)現(xiàn)內(nèi)管徑大小的變換。

4)設(shè)計(jì)工況。將船舶首部型線的水下部分設(shè)計(jì)地比母船型更加飽滿肥大，且?guī)в幸欢ǖ奈矁A。目的是讓船舶浮心前移，產(chǎn)生足夠的尾傾力矩，保證螺旋槳沉深。

1.2巴拿馬船型無壓載水化設(shè)計(jì)

74 000 t散貨船是江南造船(集團(tuán))有限公司自行設(shè)計(jì)建造的巴拿馬型散貨船[9]，也是國際船舶市場上具有較高競爭力的散貨船型之一。選用巴拿馬型散貨船作為母船型，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如下。

1)船中V形部分設(shè)計(jì)方案。采用國際標(biāo)準(zhǔn)船體坐標(biāo)系，見圖3。V形部分深度為4 m,計(jì)算機(jī)擬合的二次函數(shù)為:Z=-0.017 8Y2+19.36。

圖3　船體坐標(biāo)系

2)貫通管路的平均半徑設(shè)計(jì)與存水量估算。上側(cè)兩縱向管路平均半徑為2 m，兩縱向管路總存水量為5 026.6 t。最下側(cè)縱管路和三橫向管路平均半徑為1.5 m，下側(cè)縱向管路存水量為1 399.6 t，3橫向管路總存水量為318.1 t。最終估算6條管路的總存水量可達(dá)6 744.3 t。

3)無壓載水船型船體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。圖4所示為船艏至船艉1～21各站位的肋板，可以看出，船體輪廓的設(shè)計(jì)偏V形化，但是卻不需達(dá)到V形船身設(shè)計(jì)理念中的大尺度；圖5中所示船舶實(shí)物模型也清晰地展示出船體的輪廓設(shè)計(jì)，同時(shí)也展示出了船體內(nèi)部管路的布局與走向。

圖4　各站位肋板

圖5　船舶模型

2　新船型參數(shù)的計(jì)算方法

利用母船設(shè)計(jì)新船，在船舶設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合新船的特點(diǎn)和要求，確定的參數(shù)主要包括船舶主尺度、船型系數(shù)、穩(wěn)性參數(shù)、船體分段長度以及伴流角。

2.1新船型主尺度的計(jì)算

母船主尺度參數(shù)見表1。母船空船載重量及排水量，以傾斜試驗(yàn)結(jié)果[10]為準(zhǔn)。

表1　母船主尺度參數(shù)

1)新船型船底部分設(shè)計(jì)為V型,船體水線以下部分開通管路。鋼板平均設(shè)計(jì)厚度0.75 mm，則估算新船體自重將增加2 300 t。假設(shè)保持上層建筑、木作舾裝以及機(jī)電設(shè)備重量不變,新船型空船載重量設(shè)計(jì)為14 000 t；同時(shí),船舶載重量保持不變，得到排水量為88 000 t。

2)采用經(jīng)驗(yàn)公式[11]推導(dǎo)新船型主尺度。

(1)

式中：Lbp——型長；

Δ——排水量；

B——型寬；

D——型深。

最終，得到新船型型長為218.8 m,型寬為32.53 m，超出了巴拿馬船型規(guī)定，型深為19.36 m。

3)根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，母船壓載狀態(tài)下排水量為32 000 t，空載狀態(tài)下排水量為11 788.26 t，為得出不同狀態(tài)下船舶的吃水深度，采用如下經(jīng)驗(yàn)公式[12]進(jìn)行計(jì)算。

Δ=ρkLBdCb

(2)

式中：k——系數(shù)，k=1.005；

ρ——海水密度；

d——吃水深度；

Cb——方形系數(shù)。

母船型壓載狀態(tài)下吃水為5.21 m，空載狀態(tài)下吃水為1.92 m。

4)新船型船體V形部分，深4 m,排水約13 000 t。為保證浮力與空船載重量保持平衡，剩余1 000 t浮力的獲取，需增加吃水0.16 m， 此時(shí)船舶空載吃水達(dá)4.16 m。與此同時(shí)，打開管路最大存水量為6 744.3 t，可增加船舶吃水1.10 m。最終，得到新船型壓載吃水為5.26 m，滿足母船型壓載狀態(tài)下要求。同時(shí)，根據(jù)新船型滿載排水量為88 000 t，引用公式(2)計(jì)算得出，新船型滿載吃水14.46 m。

2.2新船型船型系數(shù)的計(jì)算

1)為推導(dǎo)出新船型方形系數(shù)，采用如下經(jīng)驗(yàn)公式：

(3)

(4)

式中：DW——載重量；

(DW/Δ)——載重量系數(shù)。

由此可得，母船型載重量系數(shù)為0.862 6；新船型載重量系數(shù)為0.840 9。同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知，母船方形系數(shù)為0.851，可推導(dǎo)出式(4)中系數(shù)為0.99。新船型采用同一系數(shù)，則方形系數(shù)為0.830。

2)引用文獻(xiàn) [11]中經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)其他船型系數(shù)。

(5)

式中：Cw——水線面系數(shù)；

Aw——水線面面積；

Cm——剖面系數(shù)；

Am——橫剖面面積；

Cp——菱形系數(shù)。

由此得出，新船型水線面系數(shù)為0.969，剖面系數(shù)為0.832，菱形系數(shù)為0.998。

3)采用經(jīng)驗(yàn)公式，推導(dǎo)新船型的快速性參數(shù)。

(6)

式中：w——伴流分?jǐn)?shù)；

t——推力減額分?jǐn)?shù)；

ηh——船身效率；

PC——推進(jìn)系數(shù)；

ηo——敞水系數(shù)；

ηr——相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率；

ηs——軸系傳送效率。

通過計(jì)算得出，新船型伴流分?jǐn)?shù)為0.365，推力減額分?jǐn)?shù)為0.219，船身效率為1.230。同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[9]得知，母船型敞水系數(shù)為0.857;相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率為1.00;軸系傳送效率為0.985。根據(jù)公式(6)推導(dǎo)可得，母船型推進(jìn)系數(shù)為1.047;新船型推進(jìn)系數(shù)為1.038。

2.3新船型穩(wěn)性參數(shù)的計(jì)算

母船穩(wěn)性參數(shù)見表2。

表2　母船穩(wěn)性參數(shù)

注：母船空船重心：Xg=96.710 m;Yg=0.000 m;Zg=11.540 m。

1)為得到新船型的浮心垂坐標(biāo)以及橫穩(wěn)心半徑等參數(shù)，采用如下經(jīng)驗(yàn)公式[12]。

(7)

式中：a1，a2——常系數(shù)；

根據(jù)文獻(xiàn)[9]中母船參數(shù)，推導(dǎo)出系數(shù)如下：系數(shù)a1，壓載狀態(tài)下為0.577 8，滿載狀態(tài)下為0.518 6；系數(shù)a2，壓載狀態(tài)下為0.071 6，滿載狀態(tài)下為0.083 4。新船型采用相同系數(shù)，得出浮心垂向坐標(biāo)在壓載狀態(tài)下為3.040 m，滿載狀態(tài)下為7.499 m。壓載狀態(tài)下橫穩(wěn)心半徑14.404 m，滿載狀態(tài)下為6.103 m。

2)采用經(jīng)驗(yàn)公式[12]計(jì)算新船型初穩(wěn)性高：

(8)

通過計(jì)算得出，新船型初穩(wěn)性高度在壓載狀態(tài)下為8.114 m，在滿載狀態(tài)下為3.272m。

3)引用文獻(xiàn)[13]中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算新船型橫搖周期。

(9)

式中：Tφ——橫搖周期;

f——修正系數(shù)，當(dāng)B/d<2.5時(shí)， 取f=1.0。

新船型B/d=2.25﹤2.5，所以f=1.0。由此可得，新船型橫搖周期在壓載狀態(tài)下為7.64 s，滿載狀態(tài)下為12.36 s。

2.4新船型船體分段及伴進(jìn)流角的計(jì)算

新船型船體分段及伴進(jìn)流角見表3、4。

表3　分段長度的確定

表4　伴進(jìn)流角的確定

由表4中得知，新船型方形系數(shù)為0.830。根據(jù)表2中經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比例內(nèi)插，最終得到新船型船體進(jìn)流段、平行中體,以及去流段長度比例分別為24%、45%和31%。根據(jù)表3中經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比例內(nèi)插，選取新船型伴進(jìn)流角為36.5°。

3　新船型參數(shù)性能分析

3.1船型系數(shù)

新、母船船型系數(shù)比較見表5。

表5　新、母船船型系數(shù)比較

由表5可見，在不考慮貫通流系統(tǒng)的前提下，與母船型比較，新船型在推進(jìn)系數(shù)以及船身效率方面都有所降低，降低比例為0.86%和0.81%，降低幅度并不大，屬于可接受范圍。這些方面也將成為下一步改進(jìn)、優(yōu)化的重點(diǎn)。

3.2穩(wěn)性

新船型穩(wěn)性參數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表6。

表6　新船穩(wěn)性參數(shù)

注：v形船底的重心高度為2.67 m。

3.3尺度比

壓載吃水表示為管路處于全開放狀態(tài)；滿載吃水表示管路處于全封閉狀態(tài)。新母船型性能見表7。

表7　新母船型性能

由表8可見，新船型的長寬比、長度型深比、寬度型深比與母船型基本持平，保證了新船型的船舶阻力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與母船型基本一致；寬度吃水比、方形系數(shù)、長度吃水比以及型深吃水比有小幅度的下降。盡管新船型的抗沉性、穩(wěn)性有稍微地降低，但船舶操縱性有一定程度地提高。同時(shí)，船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也滿足基本要求。

4　結(jié)論

在保證船舶無壓載化的前提下，新母船型的5大類船型參數(shù)與總體性能基本一致，滿足實(shí)踐要求。設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)在于削減了對(duì)V型船身的高強(qiáng)度需求，減輕了船舶自重，降低了單船造價(jià)；另外，也降低了船舶對(duì)航行水域水深的要求，減少了船舶擱淺的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，借鑒日本V型船身設(shè)計(jì)中“降壓載，增吃水”的核心理念，降低了美國貫通流理念中對(duì)船舶內(nèi)部管路尺寸與強(qiáng)度的高要求，也相應(yīng)地降低了管路從船體內(nèi)通過時(shí)對(duì)船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及設(shè)備布局的影響。利用CFD方法開展該船型的船體下沉及縱傾等方面數(shù)值計(jì)算將作為進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

表8　新母船型性能比較

注：表中d指船舶滿載吃水深度。

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On the Hull Parameters of a Ballast-free Ship Type

WANG Peng-hui, HONG Bi-guang, YU Yang, GAO Xiao-ri

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

To research a ballast-free ship’s ship form parameters, fuses international advanced ballast-free ideas. The connectivity pipes is used to transform American though flow system and integrate into Japanese V-shape hull, so as to design a new ballast-free Panama ship type. On the basis of empirical formula, the new and mother ship datum are calculated and compared. The results show that the new ship form parameters is basically in line with mother ship, meets the requirement of practice, and the design scheme is feasible.

ballast-free ship; though flow system; V-shape hull; ship form parameters

2016-02-21

2016-04-06

國家自然科學(xué)基金(51379026)

王鵬暉(1993—)，男，碩士生

U662.2

A

1671-7953(2016)04-0040-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.010

研究方向:船舶操縱以及船舶運(yùn)動(dòng)與控制

E-mail:haishixiaohui@163.com