“Viking Glory”豪華客滾船總體設(shè)計(jì)

劉劍峰

（廈門船舶重工股份有限公司，福建廈門 361026）

0 前言

豪華客滾船是典型的高附加值船舶，通常一艘船的造價(jià)在1億～2億美元，與其他常規(guī)船型相比，豪華客滾船具有如下特性：設(shè)計(jì)繁雜、裝飾豪華、建造周期長、船東要求高和造價(jià)昂貴。因此，豪華客滾船的設(shè)計(jì)和建造集中了技術(shù)、資金和信息的密集性，對船廠的要求極高。這不僅體現(xiàn)在對現(xiàn)代造船業(yè)的設(shè)計(jì)與建造能力方面，更在文化理念、風(fēng)俗習(xí)慣和審美情趣等方面有著近乎苛刻的要求。

在此情況下，豪華客滾船的研發(fā)、建造技術(shù)和工藝長期以來只集中在少數(shù)幾家歐洲大船廠手中，沒有設(shè)計(jì)與建造經(jīng)驗(yàn)的造船企業(yè)很難準(zhǔn)確判斷豪華客滾船的研發(fā)與建造的難度。同時(shí)，因其在船舶設(shè)計(jì)，尤其是內(nèi)裝設(shè)計(jì)和配套裝潢設(shè)計(jì)以及建造工程復(fù)雜、技術(shù)難度大、施工和配套環(huán)節(jié)多，有很高的風(fēng)險(xiǎn)性，豪華客滾船的設(shè)計(jì)建造對總體設(shè)計(jì)等單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)具有嚴(yán)格的要求。

本文對“Viking Glory”客滾船的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)介紹，對設(shè)計(jì)中遇到的問題及解決方法進(jìn)行詳細(xì)闡述，并提出豪華客滾船總體設(shè)計(jì)的主要關(guān)注點(diǎn)和注意事項(xiàng)。

1 概述

“Viking Glory”客滾船是由Deltamarin Ltd Finland 與廈門船舶重工股份有限公司聯(lián)合設(shè)計(jì)[1]，為芬蘭船東Viking Line Abp建造的現(xiàn)代化多用途豪華客滾船。

該船主要運(yùn)營于芬蘭圖爾庫和瑞典的斯托哥爾摩航線，可以乘坐3 000 人，包括有200 個(gè)船員和2 800 個(gè)乘客，同時(shí)還可用于裝載各類車輛和包裝類危險(xiǎn)品。該船具備安全返港的能力，采用全電力推進(jìn)，配置2 臺ABB 吊艙推進(jìn)器、3 臺艏側(cè)推、6 臺LNG 雙燃料主機(jī)、LNG 冷能回收系統(tǒng)、廢熱回收系統(tǒng)。此外，該船采用先進(jìn)的郵輪中央控制及報(bào)警監(jiān)測系統(tǒng)、酒店系統(tǒng)和藍(lán)牙系統(tǒng)等，是目前世界上客滾船里體型最大、裝修最豪華、高度節(jié)能環(huán)保的新一代郵輪型客滾船。

1.1 船舶入級和掛旗

該船入級挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）[2]，懸掛芬蘭旗，船級符號及具體含義見表1。

表1 各個(gè)船級符號的具體含義

1.2 主要尺度和參數(shù)

“Viking Glory”客滾船的主尺度見表2。

表2 “Viking Glory”客滾船主尺度

2 總布置

“Viking Glory”客滾船共設(shè)有13 層甲板，其中服務(wù)和技術(shù)處所主要位于3 甲板以下。根據(jù)安全返港要求[3]，按照艏艉方向分成2 個(gè)主機(jī)艙和2 個(gè)輔助設(shè)備間，上下分為內(nèi)底和2 甲板。主機(jī)艙內(nèi)底主要布置主機(jī)、鍋爐、廢熱回收、LNG 輔助設(shè)備、減鰩鰭等大型設(shè)備，以及為主推進(jìn)服務(wù)的主要輔助設(shè)備。2 甲板主要布置一些飲用水設(shè)備。輔助設(shè)備間內(nèi)底主要布置其他的泵浦板冷等輔助設(shè)備，2 甲板主要布置集控室、配電板間和機(jī)修間等。

3 甲板和5 甲板之間為貨物處所，設(shè)有1 個(gè)拖車甲板（3 甲板），私人汽車活動(dòng)甲板（4 甲板）和1 個(gè)汽車甲板（5 甲板），5 甲板配置約20 個(gè)充電樁，可根據(jù)不同電壓等級為各種型號的電動(dòng)汽車充電。車輛可直接通過3 甲板艉門或5 甲板邊門進(jìn)入，并從艏門駛出，4 甲板活動(dòng)甲板的艏艉端可充當(dāng)坡道使用。

5～8 甲板共設(shè)有5 種類型的船員艙室和17 種類型的乘客艙室，總共1 124 個(gè)居住艙室，能夠滿足不同乘客多方位的需求。9～11 甲板主要布置公共娛樂場所，擁有12 個(gè)各色餐廳、大型免稅店、多功能會(huì)議中心、兒童娛樂室、咖啡廳、商場、電影院、演藝廳、泳池、陽光休閑甲板等休閑娛樂設(shè)施，是運(yùn)輸、旅游、休閑、購物完美的結(jié)合體，讓旅客在安全旅行的同時(shí)，可以盡情享受海上星級賓館的服務(wù)?！癡iking Glory”客滾船具體布置見圖1。

圖1 “Viking Glory”客滾船總布置圖

3 線型設(shè)計(jì)

“Viking Glory”客滾船的方型系數(shù)相對較小，航速較高，因此線型較為修長，艏端尖瘦，平行中體中段短，舯部橫剖面具有較大舭部半徑，浮心位置相對靠后，設(shè)計(jì)水線艏端半進(jìn)角較小，艉部采用方尾。由于較高的航速需求，推進(jìn)功率的需求也就較大，因而螺旋槳的負(fù)荷會(huì)比較高。但是該船的吃水和槳徑又受到航道限制，這就要求只能通過設(shè)置雙槳來分擔(dān)負(fù)荷。該船航線固定，主要運(yùn)營于芬蘭圖爾庫和瑞典斯德哥爾摩港口之間，航程短，時(shí)間周期固定，正好一天一個(gè)來回，因此對船舶的航速和操縱性能要求也就非常高。綜合評估下來，最后選定2 個(gè)ABB 的吊艙推進(jìn)器，考慮到冰區(qū)加強(qiáng)和螺旋槳推進(jìn)效率，螺旋槳材質(zhì)選用不銹鋼。

3.1 艏部線型設(shè)計(jì)

“Viking Glory”的興波阻力是構(gòu)成總阻力的重要組成部分，因此在線型設(shè)計(jì)時(shí)，從阻力性能考慮，主要著眼點(diǎn)是如何減少其興波阻力，線型優(yōu)化時(shí)，關(guān)注更多的是艏部的線型。加上該船航行區(qū)域的淺水航道較多，出于對該區(qū)域海洋生物的保護(hù)和減少對兩岸海堤的沖刷，船東要求在航行過程中，由艏部線型引起的興波不能太大，這對于艏部線型的設(shè)計(jì)也提出了很高的要求。此外，還要特別考慮艏門通道與港口設(shè)施的連接，綜合考慮，最終該船確定采用球鼻艏。通過合理地選擇球艏的幾何參數(shù)，使之在于球艏的興波與主船體的艏橫波形成有利的干擾，從而起到降低阻力，提高航速的作用。

3.2 艉部線型設(shè)計(jì)

艉部線型設(shè)計(jì)主要是考慮吊艙的布置以及與橫剖型線的配合，設(shè)計(jì)艉部線型時(shí)，艉框內(nèi)的形狀和尺寸應(yīng)根據(jù)吊艙的具體位置和尺寸，考慮槳葉和艉框間的間隙來決定。槳葉及艉框之間間隙的大小主要影響螺旋槳對船體的激振力，同時(shí)也與推進(jìn)效率和阻力有關(guān)。另外該船的艉部線型設(shè)計(jì)還要特別考慮艉門的布置，再加上通過對一些附體節(jié)能效果的研究和分析，本船確定加裝了鴨尾和尾楔。鴨尾相當(dāng)于增加了該船的長度，特別是在高速時(shí)，長度的增加對興波阻力的減少明顯有益，而尾楔的加裝，可明顯對該船尾部的水流起到了阻滯作用，使流動(dòng)速度變緩, 影響區(qū)域可達(dá)到螺旋槳盤面以前。尾楔雖然本身增加了船體的阻力，但是因流速變緩而引起的船體表面水動(dòng)壓力的增加卻使該船的阻力減小。另外，流速減緩后，螺旋槳伴流分?jǐn)?shù)增大，這將導(dǎo)致船身效率增加，對螺旋槳推進(jìn)效率提高也是大有好處。本船的艏艉部線型及吊艙推進(jìn)布置見圖2。

圖2 “Viking Glory”艏部線型和艉部線型

續(xù)圖2 “Viking Glory”艏部線型和艉部線型

4 穩(wěn)性研究

該船完整穩(wěn)性需滿足《2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則》（2008 International Code on Intact Stability）；破艙穩(wěn)性需滿足《國際海上人命安全公約》（International Convention for Safety of Life at Sea，SOLAS）對破艙穩(wěn)性的要求以及《斯德哥爾摩公約》中關(guān)于滾裝客船特殊穩(wěn)性要求的協(xié)議（有義波高4.0 m）的要求。

4.1 完整穩(wěn)性

“Viking Glory”客滾船的上層建筑豐滿，受風(fēng)面積大，加上客滾船的布置特點(diǎn)，使得該船無法左右舷完全對稱布置，因此在設(shè)計(jì)過程中，須重點(diǎn)考慮橫傾，縱傾的影響[4]。同時(shí)，該船裝載的汽車品種、型號繁多，裝載工況也非常多，在設(shè)計(jì)過程中不可能將所有的工況都進(jìn)行核算，只選取一些能代表船舶載貨能力的最不利于穩(wěn)性的典型工況，對其完整穩(wěn)性以及大受風(fēng)面積下的風(fēng)傾穩(wěn)性等進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究。該船為實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的裝載效果，對無壓載出港的可行性進(jìn)行了分析，這對船舶的重量重心的控制，型線的設(shè)計(jì)等提出了更高的要求。

該船對于大傾角穩(wěn)性下的橫傾進(jìn)水角度如何確定是個(gè)難題。國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）規(guī)定的穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求船舶橫傾40°以下無非保護(hù)開口，即船舶的橫傾進(jìn)水角要大于40°，除非船舶的穩(wěn)性衡準(zhǔn)能滿足以下2 點(diǎn)要求：

1）在0°與進(jìn)水角θf（θf＜40°）復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)不小于0.09 m·rad。

2）在橫傾角30°與進(jìn)水角θf（θf＜40°）之間復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)不小于0.03 m·rad。

如果該船按照常規(guī)考慮橫傾進(jìn)水角為40°的話，則車輛艙和干舷甲板以下艙室的通風(fēng)進(jìn)水口高度將大幅提高，這將使得通風(fēng)管路設(shè)計(jì)和布置變得非常復(fù)雜。該船通過具體對所有典型工況的穩(wěn)性衡準(zhǔn)進(jìn)行校核，優(yōu)化并確認(rèn)非保護(hù)開口的橫傾進(jìn)水角可減小到35°，大大縮短干舷甲板下眾多艙室的通風(fēng)管路長度，從而節(jié)約空船重量和布置空間?！癡iking Glory”干舷甲板以下空調(diào)壓縮機(jī)間通風(fēng)管路布置圖見圖3。

圖3 “Viking Glory”干舷甲板以下空調(diào)壓縮機(jī)間通風(fēng)管路布置圖

4.2 破艙穩(wěn)性

“Viking Glory”客滾船具有貫穿全船的大車輛艙，并且型深相對較低，如何滿足破艙穩(wěn)性要求成為該船設(shè)計(jì)中的難題之一，無論是分艙布置，還是裝載和浮態(tài)的變化，都會(huì)對該船破艙穩(wěn)性有不同程度的影響[5]。該船在設(shè)計(jì)之初，通過合理的總布置來調(diào)節(jié)船舶浮態(tài)，盡量控制典型裝載工況的縱傾；盡量降低船舶的重心，獲取合適的GM 值；合理分艙或設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置，以盡量減少不對稱進(jìn)水，來減少橫傾，提高船舶的殘存穩(wěn)性。

此外，該船還需滿足《斯德哥爾摩公約》中關(guān)于滾裝客船特殊穩(wěn)性要求的協(xié)議（有義波高4.0 m）的要求，在破艙計(jì)算中，需要假定車輛甲板積水,并根據(jù)ISO相關(guān)計(jì)算要求進(jìn)行額外的邊艙破損計(jì)算。

5 振動(dòng)噪音

該船除了滿足IMO《船上噪聲等級規(guī)則》，還要滿足DNV 船級符號中最高等級COMF(V1)的舒適度要求、芬蘭當(dāng)局的船舶噪音要求，以及船東在規(guī)格書中提出的對于港口狀態(tài)下外部噪音的要求。這不僅增加了設(shè)計(jì)難度，也對噪音源的設(shè)備選型、安裝節(jié)點(diǎn)、降噪材料、布置方式，以及噪音接收端的艙室壁板安裝節(jié)點(diǎn)都提出了最嚴(yán)格的要求。該船主要從聲源控制、傳輸途徑控制進(jìn)行了專門的分析并采取了多種控制措施來確保噪聲滿足要求。

5.1 聲源控制噪聲

從聲源入手控制噪音，是噪聲控制中最根本和最有效的手段。該船設(shè)計(jì)采用吊艙推進(jìn)系統(tǒng)，相比于常規(guī)軸系推進(jìn)，大大降低了螺旋槳的噪音。該船在設(shè)計(jì)的早期階段，對螺旋槳做了軸系傳遞剪力彎矩分析、空泡分析和激振力分析，預(yù)測了相關(guān)工況下螺旋槳的噪音水平，并通過數(shù)據(jù)庫比對，發(fā)現(xiàn)螺旋槳產(chǎn)生的噪音水平甚至明顯低于常規(guī)豪華郵輪，預(yù)測的噪音水平也為后續(xù)將要開展的全船噪音分析提供了可靠的輸入條件。

5.2 傳輸途徑控制

噪聲源的噪聲通過空氣聲和結(jié)構(gòu)聲這2 種方式傳播，對此兩種傳輸途徑的控制是最常用的辦法。該船通過多種手段控制噪音傳輸，包括采用彈性基座、彈性支撐以避免結(jié)構(gòu)傳聲；增加消聲器、設(shè)置隔音墻以降低噪聲的傳遞；使用浮動(dòng)地板，壁板和隔斷墻不能與鋼結(jié)構(gòu)艙壁有鋼性接觸；天花板與上層甲板如有連接，需使用彈性支撐；浮動(dòng)地板的頂層與鋼艙壁的連接處使用彈性材料阻斷；這些措施的實(shí)施均可有效降低結(jié)構(gòu)聲的傳遞與輻射。

6 空船重量重心的控制

客滾船的重量重心控制要求極高，國內(nèi)外客滾船的空船重量未達(dá)設(shè)計(jì)要求的事例，時(shí)有發(fā)生，主要原因是船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)和重量重心控制的廣度和深度不夠。重量重心控制是船舶設(shè)計(jì)和建造過程中一項(xiàng)重要工作，涉及面廣、內(nèi)容繁瑣、持續(xù)周期長，這些特點(diǎn)決定了重量重心控制的難度。

該船的重量重心控制分為設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、送審設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)計(jì)和建造過程等4 個(gè)階段進(jìn)行，通過成立專項(xiàng)重量重心控制小組，對相關(guān)階段的重量重心控制策略和措施進(jìn)行攻關(guān)策劃，取得了非常不錯(cuò)的效果。特別是在船舶鋼材和管材材料選型和厚度公差管控，設(shè)備、舾裝件輕量化設(shè)計(jì)選型、甲板變形和輔料敷設(shè)精度控制，焊角高度和油漆施工質(zhì)量控制，上建總包公共區(qū)域質(zhì)量控制，船東技術(shù)修改變更和船東供應(yīng)品重量監(jiān)控等多方面，成果顯著，實(shí)現(xiàn)了對本船重量重心的控制目標(biāo)。

7 安全返港

為保證該船相關(guān)系統(tǒng)滿足安全返港相關(guān)規(guī)范法規(guī)要求[6]，將整個(gè)安全返港支撐系統(tǒng)分成7 個(gè)階段進(jìn)行分析。首先定義系統(tǒng)構(gòu)架，然后根據(jù)認(rèn)可的詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙，在背景圖上明確相關(guān)設(shè)備電纜/管路實(shí)際路徑，并建立全船數(shù)學(xué)模型，通過程序仿真分析各個(gè)事故情況下，各個(gè)電纜/管路路徑丟失情況得出結(jié)論，判定現(xiàn)有的設(shè)計(jì)是否滿足規(guī)范法規(guī)要求。該船的安全返港主要難點(diǎn)在以下4 個(gè)方面：

1）需多專業(yè)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。在滿足針對安全返港的規(guī)范法規(guī)前提下，需要從分艙、防火分隔、管系設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)各個(gè)方面統(tǒng)籌協(xié)調(diào)考慮，以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低建造運(yùn)營成本。

2）涉及系統(tǒng)復(fù)雜，故障分析工作量大。該船安全返港一共涉及18 個(gè)大系統(tǒng)，需要針對1 000 余條電纜/管路路徑在385 個(gè)進(jìn)水/失火故障情景下的逐一進(jìn)行故障分析。

3）涉及范圍面很廣，包括設(shè)計(jì)和建造所有環(huán)節(jié)。所有安全返港涉及電纜/管路實(shí)際敷設(shè)路徑需要與提交定義文件一致，因此需要所有生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員，現(xiàn)場施工人員清楚了解所有相關(guān)涉及電纜/管理布置原則以及路徑，對設(shè)計(jì)以及建造管理提出了很高的要求。

4）新規(guī)范、新法規(guī)的挑戰(zhàn)。船級社、掛旗國以及設(shè)備供應(yīng)商對于規(guī)范要求也在不斷深入，不斷有新的解釋出現(xiàn)，影響該船的設(shè)計(jì)和建造（比如安全返港涉及航行燈范圍，電纜如何判定在失火故障條件下仍能正常工作等）。

8 結(jié)論

本文從總布置、線型設(shè)計(jì)、穩(wěn)性研究、振動(dòng)噪音、重量控制和安全返港等6 個(gè)方面闡述了大型豪華客滾船的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，介紹了“Viking Glory”客滾船總體設(shè)計(jì)方案，并分析了設(shè)計(jì)中遇到的問題和解決方法。在此基礎(chǔ)上，給出了豪華客滾船總體設(shè)計(jì)的主要關(guān)注點(diǎn)和注意事項(xiàng)。本文的研究成果可為今后大型豪華郵輪的設(shè)計(jì)和建造奠定基礎(chǔ)。