錢塘江上游散貨船標準船型研究

石晶鑫 王群蕾 袁鳳琴

（金華市港航管理局 金華321025）

引 言

錢塘江是長江三角洲水網(wǎng)向浙江西部的延伸，是承擔(dān)浙西地區(qū)與江蘇、上海及浙江省內(nèi)其他地區(qū)物資交流的水上運輸動脈［1］。目前，錢塘江的航道條件已明顯改善，通航能力大大提高，特別是隨著七里垅船閘建設(shè)完成，消除了錢塘江中上游浙西航道的通航“瓶頸”，再加上衢江航道工程建設(shè)和蘭江航道“五升四”改造工程的竣工，錢塘江中上游的航道主線現(xiàn)已全部達到四級航道標準。盡快研發(fā)多種能夠適宜航行于此水域的貨運船型，有效發(fā)揮航道和船閘等通航設(shè)施的利用率與通過能力，提高船舶營運效率和內(nèi)河航運競爭力，已成為形勢發(fā)展的迫切需求［2］。根據(jù)錢塘江上游的貨源條件情況，我們認為目前首先可開發(fā)的標準內(nèi)河貨運船型應(yīng)為散貨船。

1 標準散貨船船型主要參數(shù)選取原則

標準貨運船型的主要尺度除了要充分考慮錢塘江上游的航道、港口、船閘、橋梁和運量等因素外［3］，還要考慮京杭運河水系以及杭甬運河對船型主尺度的要求。因此，散貨船的尺度選取應(yīng)考慮航道的彎曲半徑、寬度、水深、船閘即航道上建造物的凈空高度等因素，同時還要滿足《內(nèi)河運輸船舶標準貨運船型指標體系》［4］以及《京杭運河水系過閘運輸船舶標準貨運船型主尺度系列》［5］的有關(guān)要求。

1.1 散貨船長度的選取

散貨船長度的選取除了要滿足《京杭運河水系過閘運輸船舶標準貨運船型主尺度系列》對船長的要求，還要考慮能夠安全通過彎曲航道的曲率半徑和航槽寬度，以及港口碼頭、船舶操縱性、總體布置、船舶造價等有關(guān)因素。

一般來說，彎道容許船長L與彎道標準曲率半徑R的關(guān)系為L為 R/4～R/3）。本文所研究的錢塘江上游為四級航道，航道容許船長L = 330/4 = 82.5 m。由《京杭運河水系過閘運輸船舶標準貨運船型主尺度系列》中所列船型的主要尺度數(shù)據(jù)可知，1 000噸級貨船的總長也未超過60 m，能夠滿足四級航道的限制要求。因此，本文研究的標準貨運船型的船長選取可不考慮航道曲率半徑的限制。

1.2 散貨船寬度的選取

散貨船寬度的選取主要考慮船閘寬度、橋梁的通航凈寬和船舶通行彎窄航段時的航道寬度等通航因素的制約。船舶通過船閘時，通行船舶與船閘的兩舷間一般應(yīng)保留5%～10%船寬的間隙。本航段的最小船閘寬度為12 m，1 000噸級散貨船的最大寬度為11 m，滿足閘寬要求。

1.3 船舶設(shè)計吃水的選取

船舶設(shè)計吃水的選取取決于通行航道的水深和船閘的門檻水深。由于水深較淺，船舶航行在內(nèi)河水域時，底部水流加快會導(dǎo)致壓力降低，從而引起船體下沉，即產(chǎn)生“動吃水”。為防止船舶擱淺，選擇船舶吃水時需考慮船底與河床間需留有大于0.2 m的間隙，即“富裕水深”。經(jīng)整治改造后的錢塘江上游航道的最淺水深為2.7 m，吃水不大于2.5 m的500噸級船能滿足四級航道的水深限制要求。

1.4 船舶高度的選取

船舶高度的選取除考慮穩(wěn)性要求外，還要考慮通航橋梁及水上過江電纜對船高的限制。船舶的最大固定高度通常應(yīng)考慮在洪水季節(jié)的最高水位時，船舶能在輕載情況下自由通過橋梁等跨河建筑。錢塘江上游的橋梁凈高一般都在5.5 m以上，杭甬運河的橋梁凈空高度為4.4 m，故設(shè)計標準散貨船時，通過杭甬運河的散貨船空載時的最大固定高度考慮在4.4 m以內(nèi)。在特殊情況下，可考慮采用壓載和可倒桅的措施來降低船舶固定高度。

1.5 船舶航速的確定

散貨船在淺水航道中航行時存在著臨界航速的限制問題。船舶航行時的興波由散波系和橫波系兩部分組成。隨著水深減小，散波角越來越大，極限時可達90°，與橫波重迭形成“孤獨波” ，俗稱“拉溜”。此時，船舶猶如推著質(zhì)量無窮大的水柱航行，阻力激增，即使增加主機功率亦無濟于事。船舶在淺水域航行時，其極限航速的相應(yīng)水深傅氏數(shù)不得超過1，一般取0.7～0.75。按此估算，散貨船在各種水深條件下的的臨界航速如表1所列。

表1 散貨船的臨界航速km/h

由表1數(shù)據(jù)可見，對于水深在2.5 m的內(nèi)河航道，船舶航速明顯淺水影響（航速約為13 km/h）。與此同時，受到油價上漲導(dǎo)致燃油成本劇增，也給船舶經(jīng)濟性帶來不利影響。因此，對于運輸?shù)蛢r值大宗貨物的自航船，應(yīng)考慮以經(jīng)濟航速運行，否則會因興波阻力劇增，導(dǎo)致功率消耗過大。不僅降低船舶經(jīng)濟性，且易造成對周邊小船的浪損事故，影響通航安全，并對兩岸護坡造成嚴重的沖刷，損壞岸堤。

2 散貨船標準船型開發(fā)

根據(jù)衢州、金華地區(qū)貨源條件的情況，首先開發(fā)研究散貨船標準船型。散貨船從衢州、金華出發(fā)，歷經(jīng)衢江、蘭江以及錢塘江下游并經(jīng)京杭運河水系連通浙北和浙東水系到達上海、寧波和江蘇等地，船舶設(shè)計則應(yīng)滿足內(nèi)河B級航區(qū)以及京杭運河運輸船舶系列的要求。

2.1 船舶主尺度系數(shù)

本文提出500噸級散貨船標準船型，根據(jù)內(nèi)河A、B、C三類航區(qū)要求選用3種吃水，按吃水狀態(tài)進行船舶設(shè)計。選用的500噸級散貨船主尺度參見表2。

表2 500噸級散貨船主尺度

2.2 推進主機設(shè)備的選取

本船分別按配備選用1至2臺推進主機，并配備相應(yīng)的減速齒輪箱設(shè)備，進行單機單槳和雙機雙漿兩種推進方式的快速性論證計算。根據(jù)《內(nèi)河船舶能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）》的規(guī)定，計算狀態(tài)為75%的主機額定功率狀況。表3給出相應(yīng)的主機功率及轉(zhuǎn)速。

散貨船屬于方型系數(shù)為0.85的肥大船型。根據(jù)散貨船的多項模型阻力試驗結(jié)果，單機單槳船舶按附加8%附體阻力的艾亞法來估算散貨船的有效功率，雙機雙槳船舶按附加15%附體阻力的艾亞法來估算散貨船的有效功率切實可行。下頁表4為500噸級散貨船的單機單槳和雙機雙槳的有效功率。

2.3 推進器設(shè)計與計算

本文按單機單槳和雙機雙槳兩種方式設(shè)計選用螺旋槳。單機單槳方式采用右旋槳，雙機雙槳方式采用外旋槳。計算時分別按單槳船和雙槳船的近似公式計算伴流分數(shù)和推力減額分數(shù)，并分別取其相對旋轉(zhuǎn)效率為0.98和1.0。同時，取軸系傳送效率為0.97、齒輪箱傳送效率為0.98、溫濕度修正及功率儲備系數(shù)為0.9，來進行螺旋槳設(shè)計計算。在設(shè)計計算中，均按MAU-4槳葉型，并分別按100%額定功率的最大航速狀態(tài)以及75%額定功率的校核計算狀態(tài)進行螺旋槳要素的設(shè)計計算。對于每種推進方式，同時按滿足100%額定功率狀態(tài)的空泡要求選擇盤面比，并按75%額定功率狀態(tài)選擇直徑和螺距比，最終得出選用螺旋槳的主要技術(shù)要素。設(shè)計計算結(jié)果匯總于表5。

表4 500噸級散貨船的單機單槳和雙機雙槳有效功率

表5 500噸級散貨船的螺旋槳參數(shù)

由表5數(shù)據(jù)可見，與采用單機單槳推進方式相比較，采用雙機雙槳推進方式，可提高船舶推進系數(shù)39%左右。

2.4 螺旋槳航行特性計算

對于單機單槳和雙機雙槳兩種推進方式，均按上述選定的螺旋槳參數(shù)，進行主機處于系列轉(zhuǎn)速下的螺旋槳航行特性計算。

2.4.1 單機單槳推進方式

按 850 r/min、830 r/min、810 r/min、800 r/min和790 r/min這5檔主機轉(zhuǎn)速進行螺旋槳的航行特性計算，求得在相應(yīng)的8種航速下，螺旋槳發(fā)出的推進功率及所需吸收的主機功率。計算結(jié)果匯總于下頁表6。

表6 500噸散貨船單槳推進的螺旋槳航行特性kW

2.4.2 雙機雙槳推進方式

按1 500 r/min、1 450 r/min、1 400 r/min、1 350 r/min、1 250 r/min和1 200 r/min這 6 檔主機轉(zhuǎn)速進行螺旋槳的航行特性計算，求得在相應(yīng)的8種船舶航速下，螺旋槳發(fā)出的推進功率及所需吸收的主機功率。計算結(jié)果匯總于表7。

表7 500噸散貨船雙槳推進的螺旋槳航行特性kW

按表6、表7據(jù)繪制成在系列主機轉(zhuǎn)速下的螺旋槳所發(fā)出的推進功率與航速關(guān)系曲線和所需吸收的主機功率與航速關(guān)系曲線（即航行特性曲線），參見下頁圖1和圖2。

由圖1、圖2和表6、表7中可知，由螺旋槳發(fā)出的總推進功率曲線和船舶有效功率曲線的交點，即可預(yù)報出在系列主機轉(zhuǎn)速下所能達到的航速和螺旋槳所需吸收的主機功率。航速預(yù)報結(jié)果見表8。

表8 500噸散貨船的航速預(yù)報結(jié)果

由圖1、圖2和表6、表7、表8可知，500噸級散貨船單機單槳船型以790 r/min主機轉(zhuǎn)速航行時，船舶處于經(jīng)濟航速狀態(tài)；雙機雙槳船型1 200 r/min主機轉(zhuǎn)速航行時，船舶處于經(jīng)濟航速狀態(tài)。在船舶航速、吃水相同的情況下，雙機雙槳船舶所需功率比單機單槳船舶所需功率小，大約節(jié)能29%。由此可見，雙機雙槳船型比單機單槳船型更為節(jié)能。

3 結(jié) 論

本文采用技術(shù)與經(jīng)濟相結(jié)合的標準貨運船型研發(fā)方法、船型技術(shù)經(jīng)濟比選評估衡準技術(shù)以及船型主尺度優(yōu)化方法等關(guān)鍵技術(shù)，獲得標準貨運船型的主尺度和系數(shù)；通過理論分析并計算得出散貨船標準船型采用雙機雙漿推進方式，其推進效率比采用單機單槳推進方式提高約39%，從而有效實現(xiàn)船舶節(jié)能。

不過，本文僅進行了錢塘江上游散貨船標準船型的初步研究與設(shè)計，今后還將針對其他標準船型進行該項研究，并且對于每種船型，均需通過數(shù)值模擬和試驗、分析，來選取各類船型的主尺度系數(shù)，優(yōu)選相應(yīng)匹配的機電設(shè)備和較佳的推進、操縱裝置，從而研究、設(shè)計出技術(shù)先進、經(jīng)濟適用的標準船型，結(jié)合航道的規(guī)劃情況和船型及營運組織的發(fā)展狀況，遵循“安全、環(huán)保、經(jīng)濟、美觀、節(jié)能”的原則，進一步提出適宜錢塘江上游水域航行的標準船型。

［1］ 黃廣茂.京杭運河新型大噸位貨船標準船型研究［J］.水運工程，2010（6）：86-89.

［2］ 吳一婷.嘉興內(nèi)河集裝箱標準化船型比選研究［J］.中國水運，2014（10）：19-20.

［3］ 劉暢.基于層次分析法的船型標準化綜合評價體系研究［J］.廣東造船，2017（4）：71-74.

［4］ 鮑學(xué)訓(xùn).京杭運河江蘇段船型標準化研究［J］.水運工程，2007（8）：85-88.

［5］ 董曙光.安徽省合裕線過閘運輸船舶標準船型主尺度研究［J］.船海工程，2013（3）：188-190.