24 000 TEU級超大型集裝箱船快速性優(yōu)化設(shè)計

袁紅良， 陳曉瑩， 嚴(yán)孝欽

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

0 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，全球貿(mào)易量不斷增加，遠(yuǎn)東—歐洲航線的集裝箱運輸需求持續(xù)增長。鑒于集裝箱船大型化帶來的經(jīng)濟優(yōu)勢越來越明顯，各航運公司在遠(yuǎn)東—歐洲航線投放的集裝箱船越來越大，近年來紛紛下單訂造23 000～24 000 TEU的超大型集裝箱船。由于在遠(yuǎn)東—歐洲航線上運營的超大型集裝箱船通常會通過蘇伊士運河到達(dá)歐洲的各大港口，因此要求其總長必須控制在400 m以內(nèi)，船寬在61.5 m左右，設(shè)計吃水在14.5 m左右，最大吃水不超過17.0 m。24 000 TEU級超大型船的船長寬度比L/B僅為6.5左右，設(shè)計吃水下的船寬吃水比B/T約為4.24。若將傳統(tǒng)集裝箱船看作苗條型船舶，則該24 000 TEU級超大型集裝箱船屬于矮胖型船舶，這對于船舶的快速性設(shè)計而言是不利的。

此外，目前在遠(yuǎn)東—歐洲航線上運營的集裝箱船的航速主要在18 kn左右，船舶所有人在訂船時比較關(guān)注船舶在該航速下的油耗指標(biāo)。同時，為保證船舶能滿足按時到達(dá)港口的需求，船舶所有人還要求船舶具有一定的高速航行能力，即船舶在服務(wù)航速下的油耗也是船舶所有人關(guān)注的重要指標(biāo)。根據(jù)航運公司反饋的數(shù)據(jù)，船舶的設(shè)計航速一般在22.5 kn左右。

有效克服船舶主尺度增大給船舶快速性帶來的不利影響，同時兼顧船舶在不同航速下的快速性表現(xiàn)，是24 000 TEU級超大型集裝箱船快速性設(shè)計的難點。滬東中華造船(集團(tuán))有限公司在集裝箱船設(shè)計和建造方面具有豐富的經(jīng)驗，通過深入研究很好地解決了該問題，設(shè)計建造了一種具有較好的快速性表現(xiàn)的24 000 TEU級超大型集裝箱船。本文主要對該船的快速性優(yōu)化設(shè)計思路進(jìn)行梳理，供同類型船舶的開發(fā)設(shè)計參考。

1 船型參數(shù)選取

1.1 船型主尺度參數(shù)

根據(jù)蘇伊士運河的寬度和水深，以及歐洲各港口的碼頭條件和裝卸貨設(shè)施的作業(yè)能力，同時考慮到船舶的總布置需求，設(shè)定該24 000 TEU級超大型集裝箱船的總長度在400 m以內(nèi)，結(jié)構(gòu)吃水為17.0 m，船寬為61.5 m，最終確定的船型主尺度參數(shù)見表1。

表1 24 000 TEU級超大型集裝箱船主尺度參數(shù)

1.2 航速與船型系數(shù)的確定

在與集裝箱船線型設(shè)計有關(guān)的眾多船型系數(shù)中，水線面系數(shù)Cw最關(guān)鍵，其與橫穩(wěn)心高度hKMT直接相關(guān)，彼此互為因果。隨著船舶不斷朝著大型化方向發(fā)展，為在艙內(nèi)布置更多集裝箱，船寬隨著橫向增加的集裝箱寬度成列增大。由此可知:若簡單地參考以往巴拿馬型集裝箱船的水線面系數(shù)設(shè)計該船的線型，單純地考慮14 t重的重箱對hKMT的要求，則與小型船舶的hKMT往往偏小相比，該船的hKMT偏大，這會導(dǎo)致綁扎集裝箱時力的加速度太大。但是，在裝載8～10 t重的輕箱時，hKMT還是偏小的，若要增加裝箱量，還需考慮通過打入壓載水達(dá)到穩(wěn)性的要求，這會導(dǎo)致船舶的經(jīng)濟性下降[1]。

基于以上分析，在對該船的線型進(jìn)行設(shè)計之前，先了解船舶所有人對船舶的實際裝載需求，并考慮常規(guī)綁扎橋的綁扎能力，初步確定水線面系數(shù)的取值范圍。由于船舶的快速性會隨著水線面系數(shù)的增大而變差，為得到更有競爭力的設(shè)計方案，在后續(xù)設(shè)計和優(yōu)化過程中需不斷協(xié)調(diào)這2個方面的需求，以達(dá)到最佳平衡。

2 初步線型設(shè)計思路

隨著集裝箱船的主尺度變大，其設(shè)計航速下降，弗勞德數(shù)Fr減小。本文所述船舶在設(shè)計航速(22.5 kn)下的Fr只有0.185，而以往集裝箱船的Fr都在0.200以上。因此，船舶主尺度增大后，其興波阻力在總阻力中的占比有所減小，而壓阻力在總阻力中的占比有所增大，集裝箱船線型優(yōu)化的重點開始由減小興波阻力向減少壓阻力轉(zhuǎn)變。由于船體產(chǎn)生的興波高度不高，不再需要通過采用傳統(tǒng)的長且大的球艏產(chǎn)生較大的興波來抵消船體的興波。同時，球艏的設(shè)計原理決定了其只能在一定的航速區(qū)域和吃水范圍內(nèi)對減小興波阻力有益，在該航速區(qū)域和吃水范圍以外會對減小興波阻力產(chǎn)生不利的影響，且球艏越大，這種不利影響越明顯。因此，在設(shè)計本文所述船舶初期就決定采用小球艏方案。這種球艏不僅能在設(shè)計吃水和設(shè)計航速下起到減阻的作用，而且能很好地兼顧其他裝載工況(不同吃水、不同航速)下的快速性指標(biāo)，滿足船舶所有人的實際運營需求。此外，隨著球艏長度的減小，可增加有效的兩柱間長LbP，降低橫剖面的豐滿度，減小壓阻力；同時，采用較為瘦削的艉部線型有助于提升艉部流場的均勻度，對螺旋槳設(shè)計有益，能提高其推進(jìn)效率。[2]

根據(jù)多年來在18 000 TEU、19 000 TEU和21 000 TEU等集裝箱船型上積累的線型開發(fā)經(jīng)驗和船模試驗數(shù)據(jù)，先通過對母型船的線型進(jìn)行變換得到新船的初步線型，再基于阻力最優(yōu)的優(yōu)化目標(biāo)，利用計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)，結(jié)合專家經(jīng)驗，對該初步線型進(jìn)行深度優(yōu)化，得到最終線型。

船體的快速性能是由阻力Rt和推進(jìn)效率QPC決定的，Rt越小，QPC越大，船舶需要的主機功率越小。但是，在實際情況下，阻力表現(xiàn)好的船體線型一般都具有比較瘦削的艉部線型，而具有這樣的艉部線型的船舶，其QPC通常比較小。

此次線型優(yōu)化主要分成2步：第一步以Rt最小為優(yōu)化目標(biāo)；第二步以QPC最大為優(yōu)化目標(biāo)。

3 線型優(yōu)化

3.1 以Rt最小為目標(biāo)的線型優(yōu)化

3.1.1 浮心位置LCB優(yōu)化

對于早期設(shè)計的集裝箱船而言，由于其在設(shè)計航速下的Fr在0.200以上，興波阻力在總阻力中的占比較大，為獲得較為瘦削的艏部線型以減小興波阻力，一般將浮心設(shè)置在舯后約2%船長位置處。但是，就本文所述船舶而言，其在設(shè)計航速下的Fr僅為0.185，相比之前設(shè)計的集裝箱船興波阻力在總阻力中的占比有所減小，黏壓阻力在總阻力中的占比有所增大。為減小船體阻力，需對最優(yōu)LCB進(jìn)行探索。設(shè)計人員設(shè)定LCB的變化范圍為舯部到舯后1.5%船長位置，采用SHIPFLOW軟件對lackenby變形出的線型進(jìn)行CFD計算分析。通過計算發(fā)現(xiàn)，LCB越小，船體阻力越小，但變化不大?？紤]到阻力性能的變化趨勢與推進(jìn)效率相反，最終選定LCB在舯后不到1%船長位置的線型作為進(jìn)一步深度優(yōu)化的基礎(chǔ)線型。

3.1.2 艏部和艉部線型優(yōu)化

基于排水量和水線面系數(shù)這2個指標(biāo)，利用CFD技術(shù)，結(jié)合經(jīng)驗，分別對艏部線型和艉部線型進(jìn)行優(yōu)化。采用CAESES軟件進(jìn)行參數(shù)化建模，對進(jìn)水角、艏部線型U/V度、球艏剖面形式、艉封板的高度及其形式等進(jìn)行優(yōu)化。最終在船舶所有人常用的18 kn、20 kn和22 kn航速下對優(yōu)化后的線型進(jìn)行計算。結(jié)果顯示，在這3個航速點，船舶的阻力性能都有明顯的改善。CFD計算結(jié)果比較見圖1～圖7，其中：v為船舶航速；T為船舶吃水。

圖1 v=18 kn，T=14.5 m時的波切圖

圖2 v=18 kn，T=14.5 m時的波形圖

圖3 v=20 kn，T=14.5 m時的波切圖

圖4 v=20 kn,T=14.5 m時的波形圖

圖5 v=22 kn，T=14.5 m時的波切圖

圖6 v=22 kn，T=14.5 m時的波形圖

圖7 阻力優(yōu)化方案與原方案有效功率對比

由計算結(jié)果可知，從阻力的角度看，優(yōu)化后的船舶線型在各航速下的阻力性能均得到了提升，在18 kn和20 kn航速下的提升效果更加明顯。

3.2 以QPC最大為目標(biāo)的艉部設(shè)計優(yōu)化

影響QPC的因素有艉部線型、螺旋槳和舵，以及艉部設(shè)計與螺旋槳位置之間的配合。

3.2.1 艉部線型

根據(jù)以往的線型優(yōu)化工作經(jīng)驗，偏V型的艉部線型相比偏U型的艉部線型具有更小的船體阻力，但因采用偏V型的艉部線型的艉部來流量受限，船身效率偏低，QPC偏小，導(dǎo)致螺旋槳收到功率PD偏大。由此，設(shè)計人員最終決定采用偏U型的艉部線型設(shè)計方案，雖然這種線型下的船體阻力不是最小的，但其在阻力上的損失完全能由QPC的增加彌補。

3.2.2 螺旋槳

考慮到本文所述船舶的主機功率和轉(zhuǎn)速可匹配較大直徑的螺旋槳，設(shè)計人員最終決定選取螺旋槳的直徑為10.8 m。該螺旋槳為目前同系列船中直徑最大的螺旋槳。大直徑螺旋槳不僅能有效減小螺旋槳盤面的功率密度，改善螺旋槳葉面的空化現(xiàn)象，而且能通過較小的盤面比提高螺旋槳的推進(jìn)效率。由于艉部線型采用的是偏U型設(shè)計，艉部來流相比偏V型設(shè)計更加充分，匹配大直徑的螺旋槳能進(jìn)一步提高船舶的推進(jìn)效率。

3.2.3 舵

基于以往在集裝箱船設(shè)計建造項目中對多型船進(jìn)行的舵優(yōu)化設(shè)計比較，本文所述船舶的舵設(shè)計直接采用全懸掛扭曲舵加舵球的方案，這樣能最大程度地減少艉流損耗，提高船舶的推進(jìn)效率。

3.2.4 艉部設(shè)計與螺旋槳位置之間的配合

基于以上優(yōu)化，設(shè)計人員在試驗水池進(jìn)行第一輪船模試驗。阻力試驗結(jié)果與CFD計算結(jié)果完全吻合，但推力減額較大，船舶推進(jìn)效率與預(yù)期有一定的差距。通過分析發(fā)現(xiàn)，隨著螺旋槳直徑的增大，艉框的設(shè)計對QPC的影響相比對阻力的影響變得更為敏感，存在優(yōu)化的空間?？紤]到以往在設(shè)計艉框時主要考慮的是使阻力性能最優(yōu)，后續(xù)可研究艉框設(shè)計對船舶推進(jìn)效率的影響。設(shè)計人員通過試驗發(fā)現(xiàn)，基于阻力性能最優(yōu)設(shè)計的方案沒有與螺旋槳形成很好的配合，造成推力減額增大，從而對QPC產(chǎn)生影響。

由此，首先對艉框進(jìn)行局部修改，并對螺旋槳槳盤面位置進(jìn)行探索。CFD計算結(jié)果顯示，該方案雖然在阻力性能方面的表現(xiàn)有所提升，但其推力減額減小明顯，導(dǎo)致船舶推進(jìn)效率提升很多，從而在QPC上的收益大于阻力增加帶來的收益，最終使螺旋槳的收到功率相比前面的方案有所下降。在試驗水池進(jìn)行模型試驗所得結(jié)果也驗證了CFD計算結(jié)果的正確性，QPC達(dá)到了預(yù)期。

4 模型試驗

在德國漢堡HSVA水池進(jìn)行模型試驗，圖8為模型試驗波形圖。從圖8中可看出，各工況下的波形較好，推進(jìn)效率達(dá)到了0.8以上。

a)v=18 kn,Fr=0.147 9

5 節(jié)能裝置的研究與應(yīng)用

為船舶加裝節(jié)能裝置能進(jìn)一步提高船舶的推進(jìn)效率。由于本文所述船舶的船體線型是通過深度優(yōu)化得到的，艉部伴流場較為均勻，能量損失相比肥大型船少很多，加上集裝箱船的航速較高，艉部振動明顯，在設(shè)計節(jié)能裝置時不僅要考慮節(jié)能效果，而且要考慮結(jié)構(gòu)強度和疲勞強度。針對本文所述船舶的船體線型、螺旋槳和舵，采用加裝槳前節(jié)能裝置BTF的設(shè)計。圖9為節(jié)能裝置照片；圖10為各航速點下有無節(jié)能裝置BTF的收益對比，其中PD1/PD2為無節(jié)能裝置BTF時的收益與有節(jié)能裝置BTF時的收益的比值。模型試驗結(jié)果表明，該裝置在全航速段能取得2%以上的節(jié)能效果。

圖9 節(jié)能裝置照片

圖10 各航速點下有無節(jié)能裝置BTF的收益對比

6 縱傾優(yōu)化試驗與結(jié)果

為進(jìn)一步降低該船在實際運營過程中的燃油消耗，針對4種常用裝載工況下的不同航速點進(jìn)行縱傾優(yōu)化分析，得到各運營狀態(tài)下燃油消耗最少的吃水狀態(tài)，供航運公司在實際運營船舶時參考。圖11～圖14為不同吃水狀態(tài)下收到功率隨縱傾的變化，其中PD/PD0為各縱傾狀態(tài)下的收到功率PD與平吃水狀態(tài)下的收到功率PD0的比值。

圖11 T=14.5 m時，收到功率隨縱傾的變化

圖12 T=15.5 m時，收到功率隨縱傾的變化

圖13 T=13.6 m時，收到功率隨縱傾的變化

圖14 T=12.5 m時，收到功率隨縱傾的變化

從圖11～圖14中可看出，保持球艏的浸沒狀態(tài)對減小收到功率PD有利。本文所述船舶采用的是小球艏設(shè)計，其縱傾的變化對收到功率的影響沒有大球艏大，這無疑會提升裝卸貨時的靈活性，間接減少為調(diào)整縱傾狀態(tài)而駁運壓載水產(chǎn)生的燃油消耗。

7 結(jié) 語

船模試驗結(jié)果顯示，本文所述船舶的保證航速最終定格在了22.7 kn，超出設(shè)計預(yù)期0.2 kn，燃油消耗指標(biāo)優(yōu)于船舶所有人前期下單訂購的同型船。該船型的成功開發(fā)為滬東中華造船(集團(tuán))有限公司的船型數(shù)據(jù)庫輸入了一例優(yōu)秀船型，為后續(xù)類似船型的設(shè)計開發(fā)打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。