極地航行船舶最小功率計(jì)算研究

夏討飯，曹 凱，唐桂斌，李連亮

（中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司，遼寧大連 116600）

極地航行船舶最小功率計(jì)算研究

夏討飯，曹 凱，唐桂斌，李連亮

（中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司，遼寧大連 116600）

針對(duì)芬蘭—瑞典冰級(jí)規(guī)則對(duì)冰區(qū)加強(qiáng)船舶最小功率的要求，通過實(shí)船案例對(duì)1A冰區(qū)加強(qiáng)船舶進(jìn)行計(jì)算，從規(guī)范計(jì)算公式分析影響船舶最小功率的關(guān)鍵因素，對(duì)不同船型和不同冰區(qū)加強(qiáng)等級(jí)船舶的最小功率進(jìn)行計(jì)算比較，得出規(guī)范要求的最小功率計(jì)算適用性和特點(diǎn)總結(jié)。同時(shí)結(jié)合即將正式生效的極地規(guī)則，對(duì)PC6和PC7等級(jí)的極地航行船舶的最小功率計(jì)算具有指導(dǎo)意義。

1A冰區(qū)加強(qiáng)；極地航行；最小主機(jī)功率

0 引言

兩極地區(qū)被稱為地球上最后一個(gè)資源富集區(qū)，未開發(fā)的油氣資源占全球總量的 1/5，是未來重要的能源基地。隨著世界經(jīng)濟(jì)和船舶技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)國家對(duì)北極油氣資源的開發(fā)將進(jìn)入實(shí)質(zhì)性實(shí)施階段，其開采規(guī)模和設(shè)備數(shù)量也將迅速增加。北極航道是指穿過北冰洋，連接大西洋和太平洋的海上航道。與傳統(tǒng)航線相比，北極航道可以縮短8天～15天航程，一旦開通，將成為連通歐、亞、北美三大洲的最短航線，前景廣闊、商機(jī)無限。目前冰區(qū)船的設(shè)計(jì)建造技術(shù)基本上掌握在芬蘭、俄羅斯、韓國、日本手上，由于我國以前對(duì)冰區(qū)及極地船起步較晚，沒有技術(shù)儲(chǔ)備，因此掌握冰區(qū)船舶設(shè)計(jì)建造關(guān)鍵技術(shù)已是我國開發(fā)北極航道的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

本文通過規(guī)范計(jì)算公式研究，對(duì)公式中的每個(gè)變量因素，結(jié)合多種實(shí)船船型和不同冰區(qū)加強(qiáng)等級(jí)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)冰區(qū)航行和極地航行船舶最小功率的計(jì)算方法和準(zhǔn)確性進(jìn)行判斷，為后續(xù)該類型船舶設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 極地航行船舶最小功率計(jì)算

1.1 規(guī)范計(jì)算要求

根據(jù)冰區(qū)航行船舶規(guī)范要求，船舶在滿足常規(guī)水域快速性能要求功率的前提下，還需要考慮一部分功率儲(chǔ)備用于在冰區(qū)航行時(shí)使用。對(duì)于常規(guī)商船配備中低速主機(jī)的船舶，此功率要求往往會(huì)大幅度高于日常使用所要求的經(jīng)濟(jì)值，進(jìn)而影響整船的設(shè)計(jì)方案。所以，在設(shè)計(jì)初期需要重點(diǎn)考慮，掌握影響冰區(qū)最小功率的關(guān)鍵因素，盡量減小冰區(qū)最小功率的要求值顯得尤為重要。最新的極地規(guī)則主要是對(duì)船舶在極地航行操作、環(huán)保和安全等方面的要求，對(duì)于功率尚未明確規(guī)定，可參考冰區(qū)加強(qiáng)規(guī)范對(duì)于極地冰區(qū)等級(jí)的等效性，如表1所示。

表1 極地冰區(qū)等級(jí)表

然后，將重點(diǎn)從大部分冰區(qū)加強(qiáng)船舶參考芬蘭—瑞典冰級(jí)規(guī)則進(jìn)行研究，規(guī)則對(duì)最小功率計(jì)算公式定義見式(1)。

式中，P為最小功率要求值，kW。

1）Ke為推進(jìn)系數(shù)，根據(jù)螺旋槳個(gè)數(shù)和螺旋槳類型不同進(jìn)行選取，選擇表2所示。

表2 推進(jìn)系數(shù)選擇表

2）RCH為船舶航行在具有浮冰的航道中的阻力，計(jì)算公式如下：

式中，式中的參數(shù)變量參考圖1進(jìn)行確定。HM和HF分別為船中和船首冰厚度，根據(jù)冰區(qū)等級(jí)不同進(jìn)行選擇計(jì)算。C1和C2僅用于1A SUPER冰級(jí)需要進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于1A、1B、1C值為0；L為垂線間長，m；LPAR為冰區(qū)吃水對(duì)應(yīng)平行中體長度，m；LBOW為船首長度，m；B為船寬，m；T為冰區(qū)吃水，m；Awf為首部水線面面積，m2；α為船首 1/4船寬水線入水角，(°)；φ1為中縱剖面首柱傾斜角度，(°)；φ2為 1/4船寬剖面線傾斜角度，(°)；Cμ= 0.15cosφ2+ sinφ1sinα，不小于 0.45；Cψ=0.047ψ-2.115，如果ψ≤45°，ψ=0；ψ=acrtan(tanφ1/sinα)，(°)。

對(duì)研究所得數(shù)據(jù)利用SPSS 18.0軟件進(jìn)行處理,計(jì)數(shù)資料n/%表示,用χ2檢驗(yàn),P值小于0.05,則提示經(jīng)比較兩組數(shù)據(jù)間差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖1 阻力計(jì)算參數(shù)變量示意圖

3）Dp為船舶螺旋槳直徑。

由最小功率計(jì)算公式，可以發(fā)現(xiàn)在冰區(qū)航行時(shí)，會(huì)受到浮冰的影響而產(chǎn)生額外的附加阻力，為了克服該阻力，船舶需要具有更大的推進(jìn)功率。從圖 1可知，一艘船舶最小功率計(jì)算的因素主要是船寬和首部水線面及縱剖面的形狀，每個(gè)可變參數(shù)對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響不同，具體影響結(jié)果將根據(jù)下述實(shí)船案例計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)描述。

表3 可變參數(shù)影響表

1.2 1A冰區(qū)加強(qiáng)船舶的最小功率計(jì)算

1.2.1 極地甲板運(yùn)輸船計(jì)算

極地甲板運(yùn)輸船是中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)公司自主研發(fā)的經(jīng)濟(jì)型甲板模塊運(yùn)輸船，具有1A冰區(qū)加強(qiáng)，適合北極航行的最新一代甲板運(yùn)輸船。根據(jù)規(guī)范要求和設(shè)計(jì)型線，對(duì)最小功率進(jìn)行計(jì)算，在最大冰區(qū)航行吃水條件下，計(jì)算參數(shù)和結(jié)果如表4所示。

表4 極地甲板運(yùn)輸船計(jì)算結(jié)果

實(shí)船在設(shè)計(jì)中，按照該船的技術(shù)要求，優(yōu)化船型阻力，在設(shè)計(jì)航速狀態(tài)下，所需的主機(jī)功率約為4 700 kW，而最小功率計(jì)算要求值約為16 000 kW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于船舶航行要求的功率值。對(duì)于冰區(qū)加強(qiáng)船舶，由于其絕大部分航行均在非結(jié)冰水域，采用計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)會(huì)非常不合理。對(duì)本船相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，雖然按照表5對(duì)比，本船各個(gè)參數(shù)均符合規(guī)范公式要求的范圍值，但是由于該船為寬淺型船舶，螺旋槳直徑較小，航速要求較低，所以規(guī)范計(jì)算對(duì)于本船不適用，該船型只能通過冰池試驗(yàn)來確定最小功率值。

本船未進(jìn)行冰水池試驗(yàn)，但是參考相似船型的冰水池試驗(yàn)結(jié)果，以及根據(jù)冰水池模擬計(jì)算，最小功率計(jì)算結(jié)果約為7 950 kW，僅為規(guī)范計(jì)算的一半。

表5 冰水池模擬計(jì)算結(jié)果

1.2.2 集裝箱船計(jì)算

根據(jù)規(guī)范計(jì)算結(jié)果，最小功率要求是10 800 kW，而實(shí)船設(shè)計(jì)時(shí)，考慮19 kn的設(shè)計(jì)吃水，船舶所需主機(jī)功率為11 600 kW，設(shè)計(jì)所選取主機(jī)已滿足最小功率要求，規(guī)范最小功率計(jì)算適合支線集裝箱船設(shè)計(jì)。

1.2.3 阿芙拉油船計(jì)算

本船是一艘1A冰區(qū)加強(qiáng)型，船寬為42 m，油船具有較大的方形系數(shù)，且浮心位置一般趨向船舶首部，所以船首會(huì)相對(duì)肥胖些，對(duì)于按規(guī)范計(jì)算最小功率將不利。所選實(shí)船計(jì)算結(jié)果如表7所示。

油船計(jì)算所需的最小功率為18 399 kW，而根據(jù)航速計(jì)算所需功率為9 670 kW，實(shí)際所需功率僅為最小功率要求的一半。由于阿芙拉型油船船寬大于40 m，不適用與規(guī)范公式計(jì)算要求，所以該船型如有冰區(qū)加強(qiáng)要求，需要采用冰水池試驗(yàn)進(jìn)行最小功率核算。

表6 支線集裝箱船計(jì)算結(jié)果

表7 阿芙拉油船計(jì)算結(jié)果

1.3 同船型不同參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的影響

對(duì)于同一船舶，為了降低最小功率的要求，除了螺旋槳數(shù)量、形式和直徑的影響外，還需要在設(shè)計(jì)型線時(shí)，考慮對(duì)最小功率的幾個(gè)影響因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1）α為1/4B處水線角，該角度的大小對(duì)于船舶在浮冰水域的阻力具有較大影響，角度越小，浮冰越容易通過船舶兩側(cè)而被排開，阻力就越小。不同角度對(duì)于RCH值影響如表8所示。

表8 不同角度對(duì)于功率的影響

2）φ1中線處首柱前傾角，該角度主要是船舶首柱形狀對(duì)于浮冰區(qū)域航行阻力的影響，最大值為90°：直首或者具有球鼻艏船舶。而對(duì)于1A以下冰區(qū)加強(qiáng)船舶，φ1對(duì)應(yīng)的計(jì)算參數(shù)C1和C2為0，所以該角度對(duì)于低冰區(qū)加強(qiáng)船舶最小功率計(jì)算沒有直接影響。

3）φ2為1/4B縱剖線水平夾角，該角度與α角相似，角度越小，則阻力越小。如該船舶設(shè)置有大球鼻艏，則該角度最大可以是90°。

4）LBOW和LPAR水線面處平行中體前至船首長度和平行中體長度，LBOW將影響Awf的大小，所以LBOW增加，將加大船舶阻力值，LPAR值在滿足布置要求情況下，對(duì)阻力計(jì)算應(yīng)盡快減少該數(shù)值，有利于降低最小功率要求。

1.4 不同冰區(qū)加強(qiáng)等級(jí)最小功率影響

不同冰區(qū)加強(qiáng)等級(jí)船舶最小功率的要求具有較大差異，采用上述三個(gè)船型的計(jì)算分析，同一船型不同冰級(jí)加強(qiáng)最小功率比較如表9所示。

表9 船舶最小功率比較表

根據(jù)表格對(duì)比結(jié)果 ，冰區(qū)加強(qiáng)等級(jí)1A與1AS最小功率增加約為40%，1B與1A增加約44%。所以在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)船東使用要求，提前對(duì)冰區(qū)加強(qiáng)等級(jí)對(duì)船舶設(shè)計(jì)和成本的影響，是非常必要的。如將等級(jí)提高，主機(jī)功率儲(chǔ)備要求增加40%以上，將導(dǎo)致在常規(guī)水域航行過程中，主機(jī)負(fù)荷率很低，影響主機(jī)性能的發(fā)揮等不利影響。

2 結(jié)論

通過對(duì)規(guī)范要求最小功率計(jì)算公式的描述，闡述了規(guī)范公式的適用范圍和各個(gè)參數(shù)對(duì)最小功率計(jì)算的影響。同時(shí)針對(duì)不同船型和冰區(qū)加強(qiáng)等級(jí)船舶的最小功率計(jì)算比較，得到以下結(jié)論供大家參考。

1）冰區(qū)加強(qiáng)船舶在計(jì)算最小功率時(shí)，如采用規(guī)范計(jì)算公式，首先需要判斷其尺度和參數(shù)是否滿足公式適用范圍的要求；

2）對(duì)于寬度型深較大的船型不適用于規(guī)范公式計(jì)算，只能根據(jù)冰池試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算設(shè)計(jì)；

3）冰區(qū)加強(qiáng)船舶對(duì)于型線設(shè)計(jì)需要特殊考慮，包括首部進(jìn)流角、首柱形狀和螺旋槳等因素；

4）不同冰區(qū)等級(jí)最小功率差別較大，所以在選擇冰區(qū)加強(qiáng)等級(jí)需要根據(jù)船舶使用要求，選擇合適的等級(jí)。

極地規(guī)則將在2017年正式生效，對(duì)于越來越多的北極航運(yùn)需求，將會(huì)有更多的船東選擇建造滿足極地規(guī)則航行的船舶，而極地規(guī)則對(duì)于最小功率計(jì)算并未有明確要求。本文雖然主要針對(duì)1A冰區(qū)加強(qiáng)船舶進(jìn)行論述，對(duì)于極地航行PC6和PC7等級(jí)船舶也具有指導(dǎo)意義。

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Research on Calculation of Minimum Power of Polar Ship

XIA Taofan,CAO Kai,TANG Guibin,LI Lianliang
(COSCO Shipyard Group Co.,Ltd.,Liaoning Dalian 116600,China)

According to the minimum power requirement of ice strengthening vessels in Finnish-Swedish ice rules,through calculating the actual vessel of ice strengthening,the key factors influencing the minimum power by calculation formula of rules requirement are analyzed.Comparing the calculation of the minimum power of different ship type and different class of ice strengthening ships,the applicability and characteristic summary for the rules requirements minimum power calculation are worked out.At the same time,the polar code will be coming into force.the minimum power calculation for PC6 and PC7 class ships is also instructive.

1A ice strengthening; polar navigation; minimum power

U661.31

A

10.14141/j.31-1981.2017.05.009

夏討飯（1984—），男，工程師，研究方向：船舶總體設(shè)計(jì)。