35 000 DWT散貨船總體性能優化

凌乃俊， 殷曉俊， 張志強， 袁 野

(1.中遠船務工程集團有限公司，遼寧 大連 116600； 2.航運技術與安全國家重點實驗室，上海 200135)

0 引 言

縱觀整個航運市場和造船市場，國際油價的快速上漲促使船舶燃油費用日益增加，而航運業的持續低迷又進一步導致新造船價格和二手船價格大幅下滑，航運市場和造船市場的利潤空間被大幅壓縮。與此同時，能效設計指數規范(Energy Efficiency Design Index,EEDI)已于2013-01-01正式生效。對現有船型進行持續地改進和優化，降低EEDI指數，減少船舶能耗已經迫在眉睫，刻不容緩。

中遠船務曾與國外船東簽訂了2艘35 000 DWT散貨船的設計、建造合同，模型試驗已順利完成，航速指標滿足合同的要求。但在新形勢下，船東的關注點已經從傳統的艙容、載重量開始轉向油耗、EEDI指標等要素，為了順應這一趨勢，保持中遠船務的市場競爭力，對35 000 DWT散貨船進行了優化設計，并再次進行了模型試驗。

35 000 DWT散貨船的優化設計取得了成功，成為目前市場上同類船型中性能優良的產品，獲得船東的高度認可和好評，憑借35 000 DWT散貨船的優越性能，中遠船務在船市低谷期不斷發力，陸續獲得了該型船的訂單。

1 概 述

1.1 總布置及用途

如圖1所示，35 000 DWT散貨船屬無限航區靈便型散貨船，為單機、單槳、球艏、方艉船型，具有一層連續上甲板，且帶有艏樓甲板。該船滿足CSR、NOx排放、壓載水管理及EEDI等規范要求，適用于運載媒、礦石、水泥、散裝谷物和鋼卷板以及部分危險貨物。

圖1 35 000 DWT散貨船總布置圖

1.2 主要參數

總長LOA為179.99 m；垂線間長LBP為172.00 m；型寬B為30.00 m；型深D為14.70 m；設計吃水TD為9.50 m；結構吃水TS為10.10 m；服務航速為14.0 Knots；載重量為35 500 t；貨艙容積為49 000 m3。

2 船型優化

2.1 總體優化目標

35 000 DWT散貨船為中遠船務自主研發產品，具有自主知識產權，此優化設計方案旨在通過型線優化、主機選型及功率點優化等措施，減小船舶阻力，降低船舶油耗，降低EEDI能效設計指數，進而提高船舶綜合性能。

2.2 型線優化

圖2 原型船與改型船的橫剖線圖對比

所述型線優化思想同時基于勢流理論和粘流理論，通過減小船舶興波阻力和粘壓阻力的方式提高船舶航速，并優化螺旋槳伴流場，進而提升船舶性能。由于該船型的方形系數較大，已屬于肥大船型系列，因此除考慮興波阻力外，也要考慮粘壓阻力，減小伴流場對螺旋槳工況產生的不利影響。

為實現預期目標，著重從三方面對35 000 DWT散貨船進行了型線變換，原型船與改型船的橫剖線圖見圖2。

1) 艏部型線優化。調整艏部水線形狀為微凸形，避免“突肩”；調整設計水線面的進流角，減小艏部設計吃水處水線面面積，減小形狀阻力、破波阻力和艏底旋渦。

2) 艉部型線優化。調整水線與軸線之間的夾角，旨在避免或減少邊界層分離情況的出現，改善伴流分布的均勻性，減小船舶粘壓阻力，從而達到降低船舶阻力的目的。此外，艉部型線的優化還可以減少由于邊界層分離產生的渦旋而造成的能量損失，提高推進效率。

3) 型線整體優化。適度控制船舶的浸濕面積，通過降低摩擦阻力，實現減小其航行過程中所受的船舶阻力。

采用勢流數值計算的方法對變換后的型線進行初步驗證，數值計算結果見圖3。改型后的型線周圍流場未發生劇烈的邊界層分離現象，艏部球鼻首的消波作用十分明顯，且有效減少了艉部的旋渦，壓力分布和興波均比原型船有較大的改善。圖3(a)、3(c)為原型船結果；圖3(b)、3(d)為改型船結果。

圖3 原型船與改型船的壓力分布與興波對比圖

再通過粘流CFD數值計算進行了艉部流場的分析，進一步驗證原船型與改船型的流動分離的情況(見圖4)。由圖4可看出，艉軸處流態有所改善。

原型船

改型船

通過粘流理論的計算(見圖5)，可看出原型船艉軸附近有用灰黑色標出的邊界層分離區域，表明會出現艉渦，改型之后，渦流基本消失。圖6為不同剖面的軸向速度分布圖。

原型船

改型船

原型船

改型船

由圖7可看出改型之后艉部流場更順暢，槳盤面伴流場更均勻。

原型船

改型船

改型船的船模試驗委托上海船舶運輸科學研究所完成，試驗結果與原型船數據對比，其中，有效馬力Pe見表1，收到功率Pd見表2，船模試驗波形見圖4。

表1 原型船與改型船的有效馬力對比

表2 原型船與改型船的收到功率對比

圖4 原型船與改型船的船模試驗波形對比

船模試驗結果顯示，航速為14.0 kn時，設計吃水下，原型船的有效功率(Pe)為3 676.7 kW，而改型船的有效功率(Pe)為3 268.5 kW，阻力減少約12%；航速為14.0 kn時，結構吃水下，原型船的有效功率(Pe)為3 789.8 kW，而改型船的有效功率(Pe)為3 439.2 kW，阻力減少約10%。同樣，螺旋槳的收到功率也同比降低，由此可見，船舶在改型之后減阻效果顯著，快速性也有了大幅提高，實現了預期的優化目標。

2.3 主機選型及功率點優化

根據MEPC的要求，2011-01-01后鋪設龍骨建造的船舶，其主機的氮氧化物NOx排放必須滿足Tier II的要求。MAN公司的6S46MC-C8.2型主機和5S50ME-B9.3型主機均滿足上述要求。

5S50ME-B9.3型主機屬于ME型機系列，其噴油和排氣系統為電子控制，可根據主機轉速信號和功率對燃油噴射時間和排氣閥的開啟時間進行調節，其單位油耗(Specific Fuel Oil Consumption, SFOC)比MC型凸輪軸控制主機低。

從持續運轉功率點下的轉速和單位能耗、維持服務航速航行所需提供的功率以及主機運轉時引起船體的振動評估的角度對6S46MC-C8.2型主機和5S50ME-B9.3型主機兩種機型進行比較和優選。

根據改型船的模型試驗數據，在設計吃水9.5 m、航速14.0 kn時，收到功率為4 552.3 kW，考慮15%的海洋儲備(Sea Margin)、0.985的軸系效率系數以及15%的主機功率儲備，主機的指定功率點(Specific Maximum Continuous Rating,SMCR)約為6 250 kW，持續運轉功率點(Continuous Service Rating,CSR)約為5 312 kW。

表3 兩型主機的功率及油耗

分別對6S46MC-C8.2型主機和5S50ME-B9.3型主機進行降功率計算，使其功率分別達到SMCR=6 250 kW、CSR=5 312 kW，這兩型主機的最低轉速及對應單位油耗見表3。分析表中數據可知，在CSR下，與6S46MC-C8.2型主機相比，5S50ME-B9.3型主機的轉速更低，且單位油耗也下降了6%。因此，從持續運轉功率點下的轉速和單位能耗的角度考慮，5S50ME-B9.3型主機要優于6S46MC-C8.2型主機。

由等航速曲線分析可知，對于給定的航速，螺旋槳轉速越低、螺旋槳直徑越大，螺旋槳的推進效率越高，所需主機提供的推進功率越小。其近似公式為

Pme/Pmc=(nmc/nme)α

(1)

式(1)中：Pme,Pmc為所需推進功率；nme,nmc為相應螺旋槳轉速；α為等航速系數，散貨船在0.25～0.30，取0.28。

Pme=(nme/nmc)α×Pmc=(93.8/104.2)0.28×5 312=5 158 kW

(2)

將航速保持服務航速14.0 kn，通過降低轉速、增大螺旋槳直徑等相關措施， 5S50ME-B9.3型主機所需功率比6S46MC-C8.2型主機大約減小了154 kW,即相當于推進效率有了約為3%的提高。從維持服務航速航行所需提供的功率角度考慮，5S50ME-B9.3型主機也要優于6S46MC-C8.2型主機。

從持續運轉功率點下的轉速和單位能耗以及維持服務航速航行所需提供的功率兩方面的分析結果均表明，5S50ME-B9.3型主機的性能優于6S46MC-C8.2型主機。為了能夠最終確定是否選擇5S50ME-B9.3型主機，還需要對其在持續運轉功率點CSR=5 158 kW下運轉時船體的振動情況進行評估，判斷是否會誘發船體共振。

圖4 振動模型

由于5缸主機的2階不平衡力矩和橫向力矩約為6缸主機的2倍，而且隨著轉速下降，5缸主機和螺旋槳的激勵頻率都會有所下降，這使得頻率儲備發生變化。為了評價本船的總體振動情況，采用有限元方法對 5S50ME-B9.3型主機進行振動評估，振動模型見圖4。

經有限元模型計算分析可知，5S50ME-B9.3型主機在持續運轉功率點CSR=5 158 kW運轉時，主機激勵、螺旋槳激勵與船體不會發生共振。

綜合考慮上述三方面因素，最終選取MAN B&W 5S50ME-B9.3型主機，降功率使用，SMCR為6 250 kW×99 rpm，CSR為5 158 kW×92.8 rpm。

2.4 設計槳試驗驗證

以改型船的伴流分數、選定的主機參數進行螺旋槳設計，并進行模型試驗，由設計吃水9.5 m的試驗數據可以看出，改型船的伴流分數比原型船明顯減少，使得設計槳的敞水效率提高約11%；由于推力減額與原型船幾乎相當，導致船身效率降低約9%，總推進效率系數ηd提高約2.5%。

型線優化減阻、主機降速、螺旋槳推進效率提高，在服務航速14.0 kn時，主機CSR 5 158 kW，考慮15%的海洋儲備，綜合節能約15%，試驗數據見表4、表5。

表4 原型船的備用槳預報分析

表5 改型船的設計槳預報分析

3 EEDI評估

(3)

由式(3)可知:EEDI=5.06;EEDIREFERENCE DATA=961.79(CAPACITY)E-0.477=6.50;EEDI/EEDIREFERENCE DATA=0.77(EEDI計算的單位油耗為158.8 g/kw·h)。

優化后的35 000 DWT散貨船，EEDI為參考線的77%，滿足了第二階段減少20%的要求。首制船已成功交付，各項技術指標均達到合同要求。

4 結 語

不斷研發設計“綠色船舶”，降低船舶能耗，不僅可以為船東節省營運成本，減少船舶造成的環境污染，還可以不斷增強船廠的競爭力，培育核心客戶，最終贏得訂單。

參考文獻：

[1] 王宏波. 船舶設計實用手冊：總體分冊[M].北京:國防工業出版社，1998.

[2] 黃恒祥.船舶設計實用手冊：輪機分冊[M].北京:國防工業出版社,1999.

[3] 張建武,凌乃俊,謝華,等.59 000 t穿梭油輪船型優化方法[J].江蘇科技大學學報:自然科學版,2010,24(3):233-237.