高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船線型設(shè)計(jì)與對(duì)比

摘" " 要：當(dāng)前國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電運(yùn)維船仍以傳統(tǒng)鋼質(zhì)低速船為主，受其耐波性及靠泊能力影響每年可作業(yè)時(shí)間短。隨著海上風(fēng)電從沿海近岸向近海、深遠(yuǎn)?？焖侔l(fā)展，離岸距離愈來(lái)愈遠(yuǎn)，對(duì)風(fēng)電運(yùn)維船的專(zhuān)業(yè)化要求也越來(lái)越高，其線型設(shè)計(jì)也向高航速、高耐波性、高舒適度等方向發(fā)展，本文介紹國(guó)內(nèi)外高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船的主要線型設(shè)計(jì)元素及其對(duì)比，供船型研發(fā)參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電運(yùn)維船；深V折角線型；圓舭折角線型；半小水線面；船首；方型尾

中圖分類(lèi)號(hào)：U661.1" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Hull Line Design and Comparison of High Speed Catamaran

Offshore Wind Power Crew Transfer Vessels

LIN Chunxin1，" ZHAN Xibo1，" XU Fanglei2，" LI Yanfeng1

（ 1. Afai Southern Shipyard （Panyu Guangzhou） Ltd.，" Guangzhou 511431;" 2. CCS Guangzhou Drawing Approval Center，" Guangzhou 510290 ）

Abstract： At present， China's offshore wind power operation and maintenance vessels are still dominated by traditional steel low-speed crew transfer vessels （CTVs）. Influenced by the seakeeping and berthing ability， the annual operation time is short. With the rapid development of offshore wind power from coastal to offshore and far-reaching sea， the offshore distance is getting farther and farther， and the professional requirements for offshore wind power CTVs are getting higher and higher. The hull line design also need to develop towards the direction of high speed， high seakeeping and high comfort. This paper will introduce the main hull line design elements of high speed catamaran offshore wind power CTVs at home and abroad and their comparison， for reference of ship type research and development.

Key words： offshore wind power CTVs;" deep V knuckle hull line;" round bilge knuckle hull line;" semi-SWATH; bow;" transom stern

1" " "引言

隨著國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電從2015年以前的沿海近岸到現(xiàn)今近海、深遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)的高速建設(shè)，其海上運(yùn)維需求也快速增長(zhǎng)，風(fēng)電運(yùn)維船（本文指以接送人員上下海上風(fēng)電樁為主的運(yùn)維船）也得到了快速發(fā)展，從近岸時(shí)采用的簡(jiǎn)單快艇、交通艇，到改裝租借的漁船、交通船，再到專(zhuān)門(mén)的單體鋼質(zhì)運(yùn)維船、專(zhuān)業(yè)的鋁合金雙體高速風(fēng)電運(yùn)維船，目前市場(chǎng)仍處于復(fù)合發(fā)展的狀態(tài)，各種船型都有在使用和建造，且仍以航速10 kn左右的鋼質(zhì)低速船為主。

近年，海上風(fēng)電場(chǎng)距離岸基的距離由10海里以?xún)?nèi)發(fā)展到30海里外，平均浪高也由0.5 m-1.5 m提高到2.5-3.0 m，低速運(yùn)維船航行時(shí)長(zhǎng)由1 h內(nèi)延長(zhǎng)到3 h，遠(yuǎn)超過(guò)運(yùn)維人員乘船約80 min的耐受區(qū)間，運(yùn)維人員抵達(dá)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)大部分已暈船。從運(yùn)維人員乘坐的舒適度、頂靠接送人員上下風(fēng)電樁的安全性、每年實(shí)際可作業(yè)期等方面評(píng)估，現(xiàn)有鋼質(zhì)低速運(yùn)維船已不能滿(mǎn)足新建風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維需求[1]，因此國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)商、運(yùn)營(yíng)商逐漸意識(shí)到全方位提高海上風(fēng)電運(yùn)維船性能的重要性，從2018年開(kāi)始逐步打造專(zhuān)業(yè)的高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船船隊(duì)。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船需求已達(dá)到25 kn航速，但市場(chǎng)上的主建船型船長(zhǎng)大部分在20-26 m之間，抗浪高能力1.5-2 m，整體上仍處于沿海近岸船型的技術(shù)狀態(tài)，船長(zhǎng)30 m及以上級(jí)別的較少，在線型設(shè)計(jì)上留給設(shè)計(jì)師的操作、發(fā)揮的空間不多，導(dǎo)致其往往只能先解決船舶某方面的性能問(wèn)題，如偏向快速性則耐波性較差，偏向耐波性或裝載能力則航速較低等。

對(duì)比近年國(guó)際上歐洲、澳洲市場(chǎng)新交付的兼顧快速性、耐波性、大裝載量的高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船，其主流設(shè)計(jì)船長(zhǎng)已經(jīng)發(fā)展到32 m，最大船長(zhǎng)甚至突破35 m。同時(shí)，對(duì)于大裝載量（60-80 t）、小裝載量（35-40t）的不同需求，其在線型設(shè)計(jì)上也已區(qū)分開(kāi)，逐漸融合不同船型特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖1。由于租賃費(fèi)用限制，設(shè)備配置及油耗對(duì)國(guó)內(nèi)風(fēng)電運(yùn)維船的造價(jià)及運(yùn)維成本影響較大，因此應(yīng)更多從線型設(shè)計(jì)上著手來(lái)提高船舶性能，由于國(guó)內(nèi)南北方海上風(fēng)電場(chǎng)海浪波長(zhǎng)差異大，在成本可控前提下應(yīng)盡可能拉長(zhǎng)船長(zhǎng)，以滿(mǎn)足各風(fēng)場(chǎng)的使用需求[2]。本文主要探討30 m級(jí)及以上的鋁合金高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船的線型設(shè)計(jì)。

2" " 高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船線型設(shè)計(jì)與對(duì)比

2.1" "深V折角線型及其對(duì)比

風(fēng)電運(yùn)維船的作業(yè)環(huán)境常有風(fēng)浪，特別大風(fēng)天氣如遇風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)故障，更需要及時(shí)維護(hù)，因此鑒于深V折角線型優(yōu)良的耐波性，國(guó)際上早期、國(guó)內(nèi)當(dāng)前的高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船大部分采用深V折角線型，其主要特點(diǎn)是橫剖面呈V字型，舭部呈折角尖舭形，底部橫向斜升角較大（一般大于20°），由艏到舯呈由大到小的變化，舯到艉則設(shè)計(jì)成不變或較小變化，以增加艉部排水體積，橫剖線均呈直線或近似直線，典型深V折角線型橫剖面如圖2（a）所示。

由于其吃水比相當(dāng)?shù)膱A舭線型深，尖舭的折角線對(duì)船舶的橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)都有比圓舭線型更大的阻尼作用，垂向加速度較低，在同等情況下橫搖和縱搖幅度均比圓舭線型小，艏部沖擊加速度小，高海況中其船體砰擊的概率低[3]。

由于風(fēng)電運(yùn)維船的作業(yè)特性，除了滿(mǎn)足高海況下高速航行的需求外，還需盡可能提高零航速下頂靠風(fēng)電樁的穩(wěn)定性，除了主推及操縱系統(tǒng)、靠樁橡膠系統(tǒng)配備外，近期國(guó)際主流船型又結(jié)合小水線面船型高耐波性的特點(diǎn)進(jìn)行線型優(yōu)化，在船舶水線處設(shè)計(jì)成適當(dāng)內(nèi)凹的I型折角線型，如圖2（b）所示。

英輝為了提高零航速狀態(tài)下頂靠風(fēng)電樁時(shí)的穩(wěn)定性，在典型深V折角線型基礎(chǔ)上，在艏舯部水線處設(shè)計(jì)成適當(dāng)內(nèi)凹的Ⅱ型折角線型，如圖2（c）所示，增加舭部折角線對(duì)運(yùn)維船橫搖、縱搖的附加阻尼。同時(shí)，適當(dāng)內(nèi)凹的線型平行段可進(jìn)一步減少風(fēng)浪中運(yùn)維船水線處的興波阻力，平衡整船阻力，維持較好的快速性。

深V折角線型相當(dāng)尺度及吃水下條件下排水量較小，適用于中小裝載量需求的高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船。

2.2" "圓舭折角線型及其對(duì)比

圓舭折角線型的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在其優(yōu)良的快速性，且同等尺度下具備更大的裝載能力，能夠?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)同時(shí)段不同建設(shè)進(jìn)度的片區(qū)提供人員接送、供水、供貨、臨時(shí)應(yīng)急供油等多類(lèi)型服務(wù)，符合海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的需求，為近期國(guó)際高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船主流線型之一。

圓舭折角線型的主要特點(diǎn)是在舯艉橫剖面舭部設(shè)置折角線，呈折角線接圓弧狀，典型橫剖面如圖3（a）所示，圓弧由艏到艉呈由大到小的變化，其片體舯艏部與圓舭線型相似，艏橫剖面有較大的底部斜升角，縱向較瘦削，水線處進(jìn)流角較小，有利于減少船體在波浪中的沖擊，有效減少興波阻力。舯艉部線型較為豐滿(mǎn)，可提供較大的尾部浮力。由圓舭線型逐漸過(guò)渡為折角線型，斜升角逐漸減少，在尾封板處趨于零度，有利于增大水動(dòng)力作用[3]。

相對(duì)圓舭線型，圓舭折角線型增加了橫搖阻尼，并通過(guò)尾部升力的增加減少阻力，同時(shí)改善船舶在波浪中的橫搖，即保持了圓舭線型的快速性，又有較佳的耐波性[4]。

如前文所述，由于運(yùn)維船的作業(yè)特性，近期國(guó)際主流市場(chǎng)在線型設(shè)計(jì)上結(jié)合小水線面船型高耐波性的特點(diǎn)進(jìn)行線型優(yōu)化，把圓舭折角線型水線處設(shè)計(jì)成適當(dāng)內(nèi)凹的I型折角線型，如圖3（b）所示；Ⅱ型折角線型，如圖3（c）所示，提高舭部對(duì)橫搖、縱搖的附加阻尼，進(jìn)一步提高運(yùn)維船航行、頂靠作業(yè)中的穩(wěn)定性。同時(shí)，該設(shè)計(jì)可減少運(yùn)維船水線處的興波阻力，平衡整船阻力，兼顧快速性、耐波性[5]。

圓舭折角線型相當(dāng)尺度及吃水條件下排水量較大，適用于大裝載量需求的高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船。

2.3nbsp; "船首、船尾形狀對(duì)比

在國(guó)內(nèi)外高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師們也根據(jù)不同地區(qū)風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)海況，并結(jié)合碼頭條件等，設(shè)計(jì)出各具功能特點(diǎn)的船首、船尾縱向形狀。

1）船首縱向形狀

常用的船首縱向形狀[6]，有以下幾種：

（1）斜船首：如圖4（a），斜船首最為常見(jiàn)，不僅高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船，國(guó)內(nèi)大部分鋼質(zhì)低速運(yùn)維船均采用該設(shè)計(jì)，其主要優(yōu)點(diǎn)在于前傾的首柱使得水線以上的水線面積迅速增加，有利于減小船舶在迎浪航行中的縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)，從風(fēng)電運(yùn)維船經(jīng)常頂靠作業(yè)的安全性考慮，采用傾斜的首柱對(duì)規(guī)避水下部分船體的碰撞也更為有利；

（2）垂直首：如圖4（b）（實(shí)線），近年在成熟的國(guó)際高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船及國(guó)內(nèi)高速客船上較為常見(jiàn)。在同等尺度下，其設(shè)計(jì)水線比斜船首長(zhǎng)，水線處進(jìn)水角更小，可減少船舶高速航行中的興波阻力，其縱向體積比斜船首大，船首浮力分布更為合理，迎浪航行中縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)比斜船首小，高速航態(tài)更加平穩(wěn)。采用該設(shè)計(jì)時(shí)，一般可把船首安裝頂靠橡膠護(hù)舷的結(jié)構(gòu)前伸適當(dāng)距離，規(guī)避水下部分船體碰撞的風(fēng)險(xiǎn)；

（3）小球鼻艏：如圖4（c），近年在國(guó)際成熟的高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船設(shè)計(jì)上較為常見(jiàn)，為完全沒(méi)入設(shè)計(jì)水線下的穿浪型小球鼻艏，其橫剖面形狀通常采用深V形或圓弧尖削形，拉長(zhǎng)船首片體長(zhǎng)度，減小其入水角，使得高速航行時(shí)船首興波小，興波阻力小。同時(shí)也增大了船首的縱搖阻尼，避免高海況航行時(shí)船首底部出水，從而減少波浪的拍擊，提高運(yùn)維船的耐波性。其縱向體積較大，儲(chǔ)備浮力大，較多應(yīng)用在大裝載量的高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船上；

（4）斧艏：如圖4（b）（虛線），近年在國(guó)際及國(guó)內(nèi)高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船的設(shè)計(jì)上偶有出現(xiàn)，其片體縱向形狀近似斧頭，在深V折角線型上應(yīng)用較多，其首柱設(shè)計(jì)延伸到基線以下一定深度，能夠改善運(yùn)維船縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)，降低其在高海況中高速航行的抨擊概率[7]。其阻力與垂直艏近似，采用該設(shè)計(jì)時(shí)，同樣需結(jié)合運(yùn)維船頂靠作業(yè)的特性，船首頂樁區(qū)域距斧艏水下部分應(yīng)留有一定距離，避免碰撞破損。因船首吃水較一般船型深，不適合在潮間帶使用，在淺灘、沿海區(qū)域運(yùn)營(yíng)時(shí)需注意避免擱淺。

2）船尾形狀

在高速航行狀態(tài)下，方型尾可使得水流具有足夠的動(dòng)能以克服黏性的影響迅速脫離艉封板，產(chǎn)生虛長(zhǎng)度效應(yīng)，顯著減少船體的興波，降低興波阻力，而且其排水體積較大，可減少船舶高速航行中的尾傾現(xiàn)象，改善阻力提高航速，因此在高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船的設(shè)計(jì)中幾乎均采用方型尾。

方型尾的特點(diǎn)是將船尾端設(shè)計(jì)為刀切式平直狀，各水線面的尾部形狀接近方形，或呈弧形方角[6]，以下主要結(jié)合不同類(lèi)型推進(jìn)器來(lái)介紹國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)常用的方型尾：

（1）開(kāi)式方型尾：如圖5（a），為內(nèi)凹弧形（實(shí)線）或斜線形（虛線）開(kāi)式方型尾，其水線下的設(shè)計(jì)融入巡洋艦型尾的特點(diǎn)，保留平齊的舷側(cè)板及尾封板，能防止高速航行時(shí)尾部浸水過(guò)多，尾部水流能較平坦地離開(kāi)船體，使航行阻力減小。同時(shí)，尾部甲板面積較大有利于舵機(jī)布置，螺旋槳及舵葉安裝為開(kāi)放式，施工簡(jiǎn)單，是用于布置定距或可調(diào)距螺旋槳的典型設(shè)計(jì)，在高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船、國(guó)內(nèi)大部分鋼質(zhì)低速運(yùn)維船中均有較多應(yīng)用；

（2）平齊式方型尾：如圖5（b），一般用于噴水泵推進(jìn)船（實(shí)線）或舵槳推進(jìn)船（虛線），在國(guó)際高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船的設(shè)計(jì)中較為常見(jiàn)，除了平齊的舷側(cè)板及尾封板外，基于所選推進(jìn)器的特性及安裝要求，把船尾部底板也設(shè)計(jì)為平齊式。其對(duì)比開(kāi)式方型尾有更大的排水體積，可平衡噴水泵或舵槳推進(jìn)器在船尾端的重量，減少運(yùn)維船本身的尾傾。特別運(yùn)維船在25 kn及以上的高航速航行時(shí)，推進(jìn)器區(qū)域的伴流流速高，形成較大負(fù)壓把船尾往下吸，該設(shè)計(jì)可以提供更多的浮力，把船尾往上抬，平衡推進(jìn)器伴流對(duì)船尾的高吸力作用，對(duì)高速航行的航態(tài)改善作用尤為明顯；

（3）隧道式方型尾：如圖5（c），通過(guò)在近似噴水泵推進(jìn)船的平齊式方型尾中嵌入定制化螺旋槳隧道而來(lái)（圖示虛線），在國(guó)際雙體風(fēng)電運(yùn)維船，特別是航速25 kn以上的螺旋槳推進(jìn)船的設(shè)計(jì)中較為常見(jiàn)。該半包圍隧道式設(shè)計(jì)融合噴水泵推進(jìn)器流道的特點(diǎn)，使得螺旋槳的尾流更為集中，其主要性能優(yōu)勢(shì)與平齊式方型尾相似，通過(guò)船尾提供更大的浮力來(lái)改善運(yùn)維船的高速航態(tài)，提高螺旋槳推進(jìn)效率，減少船舶阻力。此外，選用該設(shè)計(jì)時(shí)也可通過(guò)適當(dāng)加大隧道（圖示點(diǎn)劃線），并增大螺旋槳直徑來(lái)提高螺旋槳推進(jìn)效率，提升航速[8]。

3" " 結(jié)語(yǔ)

本文探討了線型設(shè)計(jì)的主要元素在國(guó)內(nèi)外高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船的應(yīng)用，在選用上述各設(shè)計(jì)時(shí)，還需同時(shí)評(píng)估水線下形狀與推進(jìn)器之間伴流的吸力作用、與附體設(shè)計(jì)的相互作用及其對(duì)水流流線的影響，通過(guò)所展示的案例，跟業(yè)內(nèi)的設(shè)計(jì)師們、船東客戶(hù)們交流學(xué)習(xí)，拋磚引玉，在后續(xù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，共同打造同等甚至超越國(guó)外成熟市場(chǎng)上優(yōu)秀產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)產(chǎn)品群。

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