淺吃水900箱肥大型集裝箱船設(shè)計(jì)及優(yōu)化

孫海曉，王國(guó)強(qiáng)

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

0 引言

印度尼西亞由太平洋和印度洋之間17 500多個(gè)大小島嶼組成，被稱為“千島之國(guó)”。水路運(yùn)輸是印度尼西亞重要的運(yùn)輸手段，90%的貨物流動(dòng)依賴船舶運(yùn)輸。由于印度尼西亞港口的地理位置比較特殊，船舶必須通過狹窄的馬都拉海峽進(jìn)入港口，而海峽航道的水深比港口還淺,因此淺吃水船在印度尼西亞水路運(yùn)輸中起著較為重要的作用。本文根據(jù)該國(guó)水路運(yùn)輸特點(diǎn)，將肥大型淺吃水線型應(yīng)用在集裝箱船的開發(fā)設(shè)計(jì)中，并進(jìn)一步優(yōu)化，對(duì)特定航線集裝箱船開發(fā)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

1 900 TEU集裝箱船基本概況

1.1 總體布置

900 TEU集裝箱船為單機(jī)、單槳推進(jìn)的淺吃水集裝箱船，適合近海航行，無克令吊，貨艙艙蓋上可裝運(yùn)危險(xiǎn)品集裝箱。該船船型采用直艏方艉尾機(jī)型，由低速柴油機(jī)和定距槳驅(qū)動(dòng)，上層建筑及駕駛室位于艉部。主甲板以下設(shè)6道水密艙壁。貨艙區(qū)為雙層底雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)，共分為4個(gè)貨艙，貨艙內(nèi)可裝14排、7列、4層集裝箱，其中第2、3、4貨艙可裝4排集裝箱，第1貨艙可裝2排集裝箱；貨艙配吊離式艙口蓋，艙蓋及甲板上可裝16排、9列、5層集裝箱。

1.2 主要參數(shù)

900 TEU集裝箱船主要參數(shù)如下：總長(zhǎng)135.70 m，型寬22.50 m，型深10.20 m，設(shè)計(jì)吃水5.60 m，裝箱數(shù)量913 TEU，載重量10 800 t，主機(jī)型號(hào)MAN 5S35MC-C9.2，最大持續(xù)輸出功率2 975 kW×142.0 r/min，常用持續(xù)功率2 529 kW×134.5 r/mim，服務(wù)航速(CSR，W/O SM)12.5 kn，定員22人，船級(jí)符號(hào)如下：CCS ★ CSAD Container Ship; Greater Coastal Service; Loading Computer(S,I); In-Water Survey★ CSMD MCC。

2 主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 船型特點(diǎn)

普通集裝箱船的特點(diǎn)：航速較快，線型較瘦，外形狹長(zhǎng)，方形系數(shù)較小(通常為0.60～0.70)，少數(shù)集裝箱船的方形系數(shù)在0.70以上。集裝箱船由于貨物重心較高，橫向受風(fēng)面積較大，導(dǎo)致初穩(wěn)性高度值偏低，穩(wěn)性較差，輕箱工況(以14 t均箱為例)往往需要配置較多的壓載水才能滿足穩(wěn)性要求。

相對(duì)于普通集裝箱，900 TEU集裝箱船的主要特點(diǎn)如下：

(1)航速慢。印度尼西亞內(nèi)貿(mào)航線島嶼之間航程較短，對(duì)船舶的航速要求不高。該船根據(jù)船東需求，航速定位為12.5 kn，弗汝德數(shù)0.178。

(2)吃水淺，適航性好。設(shè)計(jì)吃水僅5.60 m，遠(yuǎn)小于同級(jí)別遠(yuǎn)洋集裝箱船設(shè)計(jì)吃水，可停泊水深較淺的港口。

(3)方形系數(shù)大。該船將肥大型船的型線特點(diǎn)應(yīng)用到集裝箱船的型線設(shè)計(jì)上，方形系數(shù)達(dá)到0.86。該船的長(zhǎng)寬比為5.9，與國(guó)際航線1 000箱級(jí)中高速集裝箱船的長(zhǎng)寬比相當(dāng)，使其在航向穩(wěn)定性上有較好的安全邊界。

(4)穩(wěn)性好。相對(duì)于普通集裝箱船線型，該船水線面積較大，初穩(wěn)性高度值較大，吃水小，干舷富裕。

(5)載貨靈便。4個(gè)貨艙均為箱型艙，前后寬度一致，不設(shè)集裝箱臺(tái)階，載貨靈活方便。

2.2 線型特點(diǎn)

900 TEU集裝箱船線型設(shè)計(jì)與常規(guī)集裝箱船有很大不同，主要特點(diǎn)如下：

(1)胖。方形系數(shù)0.86，遠(yuǎn)大于普通集裝箱船。

(2)扁。寬度吃水比4.018，即使在肥大型船中，寬度吃水比也處于較大數(shù)值范圍。

(3)快。弗汝德數(shù)達(dá)到0.176，相對(duì)于該方形系數(shù)，屬于較快的船舶，線型設(shè)計(jì)優(yōu)化中應(yīng)使剩余阻力不至于增加過快。

經(jīng)過多輪線型優(yōu)化和方案對(duì)比，設(shè)計(jì)槳模型試驗(yàn)結(jié)果表明：船舶航速可達(dá)12.52 kn，滿足規(guī)格書的要求。航速功率曲線見圖1，剩余阻力系數(shù)曲線見圖2。

圖1 航速功率曲線

圖2 剩余阻力系數(shù)曲線

2.3 螺旋槳設(shè)計(jì)

900 TEU集裝箱船航速設(shè)計(jì)指標(biāo)較高，給螺旋槳設(shè)計(jì)帶來了較大的挑戰(zhàn)。具體如下：

(1)吃水淺，螺旋槳直徑受限。為保證良好的空泡性能，需留有足夠葉梢間隙，此時(shí)槳徑無法滿足最佳槳徑要求。

(2)螺旋槳負(fù)荷重。該船螺旋槳推力系數(shù)高于一般低速船，螺旋槳容易產(chǎn)生空泡問題。

(3)阻力性能和空泡性能之間矛盾。由于線型的特點(diǎn)，浮心位置對(duì)阻力性能有明顯影響。在此方形系數(shù)下，該船的弗汝德數(shù)偏高。一般情況下，浮心偏后，興波阻力性能較好，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致船艉伴流較差，螺旋槳效率較低。900 TEU集裝箱船屬寬扁型，螺旋槳效率對(duì)浮心位置較為敏感，浮心越靠近艉部，艉部伴流越差，螺旋槳效率越低，容易導(dǎo)致空泡問題。

在該船的螺旋槳設(shè)計(jì)中，由于裕度較小，螺旋槳空泡性能和推進(jìn)效率需進(jìn)行多方面權(quán)衡。設(shè)計(jì)初期，為滿足航速要求，過于追求螺旋槳效率，初版設(shè)計(jì)采用5葉槳，槳徑4.1 m，在空泡試驗(yàn)中產(chǎn)生了明顯的連體渦現(xiàn)象。這種現(xiàn)象對(duì)于實(shí)船螺旋槳是無法被接受的，將會(huì)大幅縮短螺旋槳使用壽命，并可能產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲及振動(dòng)問題。為此，螺旋槳設(shè)計(jì)采用6葉槳方案，槳徑3.8 m，槳前配伴流補(bǔ)償導(dǎo)管，完美解決連體渦空泡問題。新方案雖然會(huì)損失一部分螺旋槳效率，但對(duì)提高船舶的舒適性和安全性有重大的作用。

2.4 空船重量控制

900 TEU集裝箱船載重量設(shè)計(jì)指標(biāo)較高，全船采用了輕量化設(shè)計(jì)，主要措施如下：

(1)優(yōu)化船體布置，控制總縱彎矩。通過優(yōu)化壓載水艙、燃油艙及淡水艙布置，盡量降低壓載工況的彎矩水平。

(2)多次優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并精確統(tǒng)計(jì)空船重量及分布。通過精準(zhǔn)控制，可在前期總縱強(qiáng)度留有較小的余量，避免后期重量分布調(diào)整帶來彎矩增加的現(xiàn)象。

(3)由于該船在近海航區(qū)運(yùn)營(yíng)，所以可以取消船舶的擋浪板結(jié)構(gòu)，優(yōu)化上層建筑建構(gòu)，艏桅、雷達(dá)桅采用桁架式結(jié)構(gòu)。

2.5 分艙設(shè)計(jì)及破艙穩(wěn)性

900 TEU集裝箱船破艙穩(wěn)性須滿足《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(2011)(下文簡(jiǎn)稱《法規(guī)》)中關(guān)于概率破艙穩(wěn)性計(jì)算的要求。該船貨艙區(qū)域?yàn)殡p舷側(cè)雙層底結(jié)構(gòu)型式，分為6對(duì)邊壓載艙和6對(duì)底壓載艙。該船線型采用淺吃水方案會(huì)導(dǎo)致多處區(qū)域無法滿足常規(guī)雙層底設(shè)置要求，具體內(nèi)容如下：

(1)由于船舶設(shè)計(jì)吃水較淺，主機(jī)采用低速柴油機(jī)。為保證螺旋槳直徑和效率，螺旋槳軸線高度較低，主機(jī)下方滑油循環(huán)艙采用單殼型式。

(2)機(jī)艙前端附近雙層底區(qū)域線型平坦，局部只能采用單殼設(shè)計(jì)方案。

《法規(guī)》沒有明確雙層底非常規(guī)布置的處理方法，直至2016年修改通報(bào)才得以明確。該船的合同及鋪龍骨日期均早于2016修改通報(bào)的生效日期，通過和船級(jí)社的溝通，不需要加算底部破損。為保證順利交船，該船按照SOLAS公約要求自行加算底部破損，滿足確定性破艙穩(wěn)性的要求。

2.6 完整穩(wěn)性

900 TEU集裝箱船各裝箱工況的裝箱數(shù)量及攜帶的壓載水量見表1。集裝箱船的完整穩(wěn)性通常受破艙穩(wěn)性衡準(zhǔn)的限制。由于該船方形系數(shù)較大、穩(wěn)性較好，輕箱工況完整穩(wěn)性計(jì)算主要受視線、艏吃水和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制，重箱工況完整穩(wěn)性計(jì)算主要受載重量及吃水的限制。該船14 t均箱時(shí)即可實(shí)現(xiàn)無壓載裝箱，相對(duì)于一般集裝箱船，載重量的利用率大幅提升，同時(shí)可大幅降低壓載水操作的能耗，為船東帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 裝箱工況裝箱數(shù)量及壓載水量

3 船型對(duì)比及優(yōu)化

3.1 船型對(duì)比

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，近年來建造的內(nèi)貿(mào)集裝箱船航速普遍較低，單箱重量較大。表2列舉了900 TEU集裝箱船同近幾年國(guó)內(nèi)典型集裝箱主要指標(biāo)的對(duì)比情況，表中功率包含10%海況裕度，主機(jī)油耗均取172.0 g/kWh。在不考慮航速差異情況下，載運(yùn)14 t均箱時(shí)，900 TEU集裝箱船載重量利用率高，均箱單位海里油耗水平與常規(guī)集裝箱船接近甚至超過常規(guī)集裝箱船；當(dāng)載運(yùn)重箱時(shí)，由于重箱工況穩(wěn)性普遍較好，重箱數(shù)量主要受載重量限制，載重量越大載箱能力越強(qiáng)，因此其裝箱能力小于常規(guī)具有較大載重量的集裝箱船。

表2 與國(guó)內(nèi)典型集裝箱船對(duì)比

3.2 船型優(yōu)化

900 TEU集裝箱船型深較大，干舷富裕。根據(jù)圖2中該船的剩余阻力系數(shù)曲線，當(dāng)

Fr

大于0.155時(shí)，剩余阻力系數(shù)明顯增加，此時(shí)對(duì)應(yīng)船舶航速為11.0 kn。可從2個(gè)方面對(duì)該船進(jìn)一步優(yōu)化：

(1)增加結(jié)構(gòu)吃水，提高該船的排水量；增加載重量，從而提高重箱載運(yùn)能力。

(2)適當(dāng)降低船舶航速，控制船舶剩余阻力維持在較低范圍，可大幅降低船舶的油耗值。

根據(jù)上述優(yōu)化方向，確定4個(gè)優(yōu)化方案，與原方案進(jìn)行對(duì)比，見表3。表中：方案1～方案4功率包含10%海況裕度，主機(jī)油耗均取172.0 g/kWh，設(shè)計(jì)吃水5.6 m；方案1、方案4的設(shè)計(jì)航速為11.0 kn，方案2、方案3的設(shè)計(jì)航速為12.5 kn。

表3 900 TEU集裝箱船優(yōu)化方案對(duì)比

由表3可見，增加結(jié)構(gòu)吃水和降低船舶航速都可以顯著降低集裝箱均箱每海里油耗值。方案4中，14 t均箱海里油耗較原方案降低約40%，30 t均箱海里油耗較原方案降低約50%，已遠(yuǎn)優(yōu)于表2中具有更大尺度和載重量的1 800 TEU集裝箱船的均箱每海里油耗值。船舶營(yíng)運(yùn)中可充分利用船舶的設(shè)計(jì)吃水和結(jié)構(gòu)吃水，合理規(guī)劃航行路線，并適當(dāng)降速航行，從而實(shí)現(xiàn)大幅降低船舶的營(yíng)運(yùn)成本目標(biāo)。

4 結(jié)論

900 TEU集裝箱船是肥大淺吃水線型在集裝箱船上的一次大膽嘗試與應(yīng)用。淺吃水船舶是航運(yùn)體系中不可或缺的一部分，承載著航運(yùn)物流運(yùn)輸中的重要支線環(huán)節(jié)。肥大淺吃水線型有著其自身的特點(diǎn)，900 TEU集裝箱船敢于突破常規(guī)設(shè)計(jì)，將肥大淺吃水線型成功用于集裝箱船，并具有其獨(dú)特的特點(diǎn)，為船東帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，具有較強(qiáng)的開發(fā)潛質(zhì)。