深遠(yuǎn)海多功能工程船艏部型線設(shè)計(jì)

彭必業(yè) ,王小紅, 趙華榮

(中船重工(武漢)船舶與海洋工程裝備設(shè)計(jì)有限公司，武漢 430060)

深遠(yuǎn)海多功能工程船艏部型線設(shè)計(jì)

彭必業(yè) ,王小紅, 趙華榮

(中船重工(武漢)船舶與海洋工程裝備設(shè)計(jì)有限公司，武漢 430060)

借鑒目前國內(nèi)外常見的4種深遠(yuǎn)海多功能工程船船艏型線設(shè)計(jì)理念，開發(fā)一種適航性能更佳的工程船艏部型線方案，從耐波性角度分析其水動力機(jī)理，并從美觀性角度審視其可觀賞度，將國內(nèi)專家對直立型船艏的研究成果運(yùn)用于深遠(yuǎn)海多功能工程船上，形成自主設(shè)計(jì)船型。

深遠(yuǎn)海多功能工程船；船艏型線設(shè)計(jì)

在深遠(yuǎn)海油氣資源開采工程中，海洋工程輔助船起著重要作用。海工輔助船大體上包括有深水鉆井船、深水三用工作船、多功能守護(hù)船、潛水支持船、鋪管船、以及海底開溝埋管船和大型半潛運(yùn)載船等[1]，且近年來國際上設(shè)計(jì)建造的海工輔助船出現(xiàn)了多功能融合的趨勢。

深遠(yuǎn)海多功能工程船船型通常是在深水三用工作船船型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，通過船舶尺度和總布置的調(diào)整來融合新的功能，所以平臺供應(yīng)、操錨、拖帶是該類船舶的基本功能。該類船舶需要頻繁與海洋平臺進(jìn)行靠綁作業(yè)以開展供應(yīng)功能，所以船舶尺度一般不能太大(船長通常處于90～130 m范圍內(nèi))，大尺度和大噸位的船舶會在靠綁過程中由于波浪中船舶的運(yùn)動對平臺造成嚴(yán)重碰撞和損壞。

深遠(yuǎn)海多功能工程船需要定期對海洋平臺提供物資補(bǔ)給，即使遇到非常惡劣的海況也得完成航行和供給任務(wù)，從而保障海洋油氣開發(fā)。所以，尺度較小的深遠(yuǎn)海多功能工程船必將長期經(jīng)受惡劣海況的考驗(yàn)，也給長期在該類船舶上工作的船員造成身體不適的影響。

近年來，針對改進(jìn)深遠(yuǎn)海多功能工程船耐波性能，眾多國際知名海洋工程船舶設(shè)計(jì)公司陸續(xù)推出了獨(dú)特的船舶艏部外觀型線設(shè)計(jì)理念，同時也獲得了美觀的視覺效果。在研究傳統(tǒng)的和國外新潮的深遠(yuǎn)海多功能工程船艏型線及水動力機(jī)理，又考慮到規(guī)避知識產(chǎn)權(quán)糾紛問題的基礎(chǔ)上，研發(fā)一種直立型深遠(yuǎn)海多功能工程船船艏型線方案。

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的深遠(yuǎn)海多功能工程船船艏水線以上通常采用傾斜艏柱設(shè)計(jì)。水線以下采用S-V型球艏或采用垂直艏柱設(shè)計(jì)，水線以上橫剖面帶有明顯的外飄，艏樓甲板為開敞甲板，具體形態(tài)的可見武昌船舶重工集團(tuán)公司承建的“海洋石油681”號和“華虎”號的實(shí)船照片(圖1、2)。

圖1 “海洋石油681”

圖2 “華虎”號

這種水線以上明顯外飄的船艏型線設(shè)計(jì)是典型的壓浪船艏設(shè)計(jì)，具有壓浪的效果。但由于該類船的艏樓甲板距離水面高度有限，有限的船長和較低的艏樓甲板使船舶在四級以上海況產(chǎn)生埋艏現(xiàn)象而無法獲得理想的壓浪效果。平坦開敞的艏樓甲板很容易因埋艏產(chǎn)生嚴(yán)重上浪，加劇了船艏的沖擊和縱搖加速度，當(dāng)波浪遭遇周期接近船舶縱搖固有周期時還會產(chǎn)生共振運(yùn)動，而且上浪甚至影響到駕駛甲板，給駕駛?cè)藛T帶來不適。

所以，傳統(tǒng)的深遠(yuǎn)海多功能工程船船艏型線設(shè)計(jì)中引入了“壓浪”元素，但較小的船舶尺度仍然在較惡劣海況下會產(chǎn)生嚴(yán)重的甲板上浪的缺點(diǎn)，對該類船舶的正常營運(yùn)造成瓶頸。

2 國際創(chuàng)新方案分析

近年來，為了在船舶尺度受限的前提下盡可能改善深遠(yuǎn)海多功能工程船的艏部上浪，國際上眾多知名的海工船設(shè)計(jì)公司進(jìn)行了嘗試和探索，陸續(xù)推出了較為成熟的解決方案，其中船艏型線的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)是一大亮點(diǎn)。

2005年前后，挪威烏斯坦設(shè)計(jì)公司(Ulstein Design AS)率先推出了弓形船艏設(shè)計(jì)方案(X bow plan)，并在多國申請了船型發(fā)明專利——一種排水型船船艏設(shè)計(jì)(A Foreship Arrangement for A Vessel of The Displacement Type)[2]。如圖3、4所示，從側(cè)視圖上看這種船艏型線的所有縱剖面均呈弓的弧線形狀后傾，且弓形外殼一直向上延伸至駕駛甲板，將艏樓甲板至駕駛甲板之間的空間非水密圍閉起來，從而防止艏樓甲板上浪。

圖3 Ulstein Design AS 公司設(shè)計(jì)的船型

圖4 艏部型線特征

較小的船長尺度使供應(yīng)船無法避免大風(fēng)浪中的埋艏現(xiàn)象，但弓形船獨(dú)特的艏部流線型設(shè)計(jì)減少了外飄程度，從而使其入水柔和，有效消除船艏沖擊。如圖4的艏部橫剖線形狀，水線面至駕駛甲板之間的橫剖線向上呈銳角的弧線形設(shè)計(jì)，使船舶埋艏后海水能夠沿船艏順利向下流動，避免艏樓甲板上浪且駕駛室甲板上浪狀況極少出現(xiàn)[5-6]。

弓形船艏與穿浪雙體船的型線設(shè)計(jì)有異曲同工之處，各高度的水線均擁有尖銳的進(jìn)流角使得船舶在大風(fēng)浪中航行猶如一把尖刀，劃過迎面而來的巨浪。該船艏型線的設(shè)計(jì)理念主要在于設(shè)計(jì)師面對波浪問題的矛盾轉(zhuǎn)化，目的是有效改善艏樓甲板和駕駛室甲板上浪。在船舶尺度受限的前提下，外飄船型無法起到理想的壓浪效果，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念走不通時必須轉(zhuǎn)變思維方式，將壓浪設(shè)計(jì)改為穿浪設(shè)計(jì)，引入“穿浪”元素，通過水線面至駕駛甲板一體化的尖瘦流線形封閉外殼設(shè)計(jì)從而獲得新的突破。

簡約的流線型線使船舶更加新穎、前衛(wèi)、大氣、美觀，也獲得了更佳的船舶性能。烏斯坦公司推出的弓形船艏在全球海工船領(lǐng)域內(nèi)掀起了一股船艏創(chuàng)新性設(shè)計(jì)熱潮，它具有里程碑的意義。目前，該船型已在挪威、美國、俄羅斯、新加坡、烏克蘭、中國、巴西等國家獲得了專利保護(hù)。

隨后，挪威的VARD Design AS設(shè)計(jì)公司和Roll-Royce Marine AS公司也推出了自己的耐波型供應(yīng)船船艏設(shè)計(jì)方案，其設(shè)計(jì)理念大多來源于弓形船的啟發(fā)，大有異曲同工之妙。以VARD Design AS設(shè)計(jì)公司的船艏[3]設(shè)計(jì)為例，見圖5、6和7，該方案的水線面以下形狀為常規(guī)S-V型球艏，水線面以上形狀卻發(fā)生了變化，其特征可以總結(jié)為“凹入船艏無鈍角形表面”與“至駕駛甲板的封閉式上層建筑圍殼”相結(jié)合。如圖7，船艏從基線垂直向上依次為S-V球艏、凹入船艏無鈍角形表面、至駕駛甲板的封閉式上層建筑圍殼，其S-V球艏保持了傳統(tǒng)船艏型在平靜海況航行時船舶興波阻力小的優(yōu)點(diǎn)；駕駛甲板的封閉式上層建筑圍殼借用了弓形船的設(shè)計(jì)靈感，將艏樓至駕駛甲板的區(qū)域用折角過渡的外殼遮蔽起來，且通過減小艏部上層建筑甲板寬度來有效控制迎浪面積，從而保證船舶埋艏后海水能夠沿船艏順利向下流動；該船型最大的特點(diǎn)就在于“凹入船艏無鈍角形表面”這段中間過渡區(qū)域。所謂凹入船艏即從側(cè)視圖上看通過凹入的形狀將S-V球艏與封閉上建圍殼銜接起來；所謂“無鈍角形表面”是指該區(qū)域的橫剖線下緣角和水線前緣角均為較小的銳角設(shè)計(jì)，從而保證船舶遭遇浪高較小的波浪時船舶能夠有效的劈波斬浪，減少波浪引起的船舶阻力和縱向運(yùn)動。

“凹入船艏無鈍角形表面”在外形上給人感覺有些怪異，不過大量水池試驗(yàn)表明其水動力性能非常優(yōu)秀，同時兼顧了靜水環(huán)境的快速性、低海況的快速性/耐波性和高海況下的耐波性，也體現(xiàn)了一種非常難得的設(shè)計(jì)理念。

圖6 艏部型線特征

圖7 艏部船型原理

圖8 Roll-Royce Marine AS公司設(shè)計(jì)的艏部船型

Roll-Royce Marine AS公司推出的船艏設(shè)計(jì)方案[4]見圖8、9所示，采用了折角型S-V球艏與傾斜直線艏柱相結(jié)合，同樣也采用了與上述船型一致的上層建筑折角過渡外殼遮蔽處理，比起VARD公司的船型，Roll-Royce的型線更加美觀。

圖9 艏部型線特征

還有挪威的Vik-Sandvik公司(現(xiàn)已被Wartsila公司收購)，近年來該公司也推出了外觀改進(jìn)的WSD4612船型(見圖10)，在原VS4612的基礎(chǔ)上采用了光滑遮蔽的上層建筑外殼。然而Vik-Sandvik公司習(xí)慣采用較寬的艏樓甲板設(shè)計(jì)以便布置艏部錨泊設(shè)備，艏部無法實(shí)現(xiàn)“無鈍角”設(shè)計(jì)，所以該船艏設(shè)計(jì)方案不具備優(yōu)秀的穿浪效應(yīng)，不過艏樓甲板上浪得到改善。

圖10 Vik-Sandvik公司設(shè)計(jì)的艏部船型

3 借鑒與創(chuàng)新

通過以上分析不難發(fā)現(xiàn)，“船艏無鈍角形表面”和“遮蔽的上層建筑外殼”是國外知名設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)方案的共同特點(diǎn)。對國內(nèi)設(shè)計(jì)師而言，有必要在船型設(shè)計(jì)中借鑒以上兩大特點(diǎn)設(shè)計(jì)思路且規(guī)避國外公司船艏型線發(fā)明專利的侵權(quán)風(fēng)險。

筆者在的8萬載重噸級散貨船的型線設(shè)計(jì)與分析過程中探索過散貨船球鼻艏船型和直立型艏船型之間的水動力對比。直立型艏是指船舶艏柱前移，船舶首型側(cè)輪廓呈垂直狀，而船舶首部橫剖面形狀仍帶有球收船型特征的艏型[7]。水池試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在靜水中直立型艏的船舶阻力較球鼻艏能夠降低3%以上，其減阻效果非常明顯。這主要是由于散貨船是低速船，設(shè)計(jì)傅氏數(shù)處于0.18左右，其阻力成分以摩擦阻力和形狀阻力為主，而直立型艏能夠加長水線長，有效減少形狀阻力。對于低速肥大船型而言，直型艏船型能夠有更好的壓力分布和更低的興波特征[7-8]。與常規(guī)球艏船型相比，直型艏船型靜水阻力約可降低3%～9%，波浪中阻力增加可減少6%～44%。

深遠(yuǎn)海多功能工程船的設(shè)計(jì)傅氏數(shù)通常處于0.25左右，屬于中低速船，其方形系數(shù)普遍處于0.7左右，與散貨船比較接近。所以，通過借鑒散貨船的設(shè)計(jì)靈感，并結(jié)合國外設(shè)計(jì)公司的“船艏無鈍角形表面”和“遮蔽的上層建筑外殼”設(shè)計(jì)特點(diǎn)，開發(fā)出了 “直立型無鈍角形表面封閉船艏”，如圖11、12。

圖11 CMOE直立艏型型線特征

圖12 CMOE直立艏部船型

4 結(jié)束語

深遠(yuǎn)海多功能工程船由于尺度的限制引起了一股船艏型線創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的浪潮，不僅改善了該類船舶的總體性能，也獲得了更加優(yōu)美的視覺外觀，這方面工作是有意義的。通過研究，總結(jié)出如下深遠(yuǎn)海多功能工程船艏型線設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1)當(dāng)所設(shè)計(jì)的船舶尺度受限且要求長期處于惡劣海況下作業(yè)時，船艏的設(shè)計(jì)需考慮放棄傳統(tǒng)的“壓浪”設(shè)計(jì)思路，轉(zhuǎn)而運(yùn)用“穿浪”設(shè)計(jì)思路。

2)“船艏無鈍角形表面”是實(shí)現(xiàn)船舶“穿浪”的設(shè)計(jì)特征。

3)“遮蔽的上層建筑外殼”是緩解艏樓甲板上浪的設(shè)計(jì)特征。

同時，筆者也深刻的感覺到國外海工船設(shè)計(jì)公司，特別是挪威的設(shè)計(jì)公司在這一領(lǐng)域的技術(shù)處于頂尖水平。相比之下，國內(nèi)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)理念還存在相當(dāng)大的差距，要想迎頭趕上并在國際市場上推出更加新穎實(shí)用的工程船外觀型線理念，并合理的規(guī)避各種知識產(chǎn)權(quán)糾紛，這就需要我國眾多優(yōu)秀的工程師們付出更大的努力，船舶企業(yè)給予更大的支持。筆者深知任重而道遠(yuǎn)，希望通過本文的分析起到拋磚引玉的作用，激起大家的設(shè)計(jì)靈感，和眾多優(yōu)秀的設(shè)計(jì)師共同努力。

[1] 周國平.海洋工程輔助船研發(fā)構(gòu)想[J].上海造船,2009,80(4):4-8.

[2] Ulstein Design As. A Foreship Arrangement for A Vessel of the Displacement Type[P]. Singapore. SG135279, 2006.2.

[3] VARD DESIGN AS. A Ship's Fore Body Form[P]. Singapore. SG173134, 2010.1.

[4] Rolls-Royce Marine AS. Vessel/boat bow[P]. United States. USD0657729S, 2012.4.

[5] 祁 斌.近海工程船領(lǐng)域的明星[J].中國船檢,2011(9):58-61.

[6] 秦 琦.X船首：激進(jìn)創(chuàng)新開辟“藍(lán)?！盵J].中船船檢,2012(1):48-53.

[7] 陳霞萍，陳偉民，陳 兵,等.直型艏與常規(guī)球艏靜水阻力與波浪增阻比較研究[J].中國造船,2014,56(1):113-120.

[8] 胡可一，柳衛(wèi)東，陳 兵,等.垂直船艏在波浪中快速性綜合分析研究[J].船舶與海洋工程,2013,93(1):1-5.

Stem Lines Design of the Deepwater Multi-Purpose Offshore Vessel

PENG Bi-ye, WANG Xiao-hong, ZHAO Hua-rong

(CSIC(Wuhan)Marine and Offshore Engineering Co. Ltd., Wuhan 430060, China)

The common four typical stem lines design ideas for deepwater multi-purpose offshore vessel are used for design of the stem lines of an offshore vessel. The hydro-dynamic performance is analyzed in view of sea-keeping ability, as well as the elegance of the vessel's shape. The research achievements of the vertical bow has been applied in the stem lines design, forming a new stem lines design plan for the deepwater multi-purpose offshore vessel.

deepwater multi-purpose offshore vessel; stem lines design

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.013

2015-05-21

國家發(fā)改委2013年海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化課題資助項(xiàng)目

彭必業(yè)(1983-)，男，學(xué)士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2015)06-0055-05

修回日期：2015-06-17

研究方向:海洋工程船舶及特種船舶總體設(shè)計(jì)與研究

E-mail: pengbiye@sina.com;dev@csicmoe.com