杭甬運河集裝箱船舶船型研究

萬建祥，廖保華，吳惠國

(紹興市港航管理局,浙江 紹興 312000)

杭甬運河集裝箱船舶船型研究

萬建祥，廖保華，吳惠國

(紹興市港航管理局,浙江 紹興 312000)

摘要：結合杭甬運河的復雜航道條件、沿岸港口碼頭分布情況以及貨源特點等要素，分析集裝箱船舶船型主要參數及經濟性，確定適合杭甬運河的集裝箱運輸船舶船型特征及相關設計要素。

關鍵詞：杭甬運河；集裝箱；標準船型；經濟論證

杭、紹、甬三市是浙江省經濟最發達的地區之一，近幾年隨著紹興經濟的高速發展，交通運輸和能源的壓力矛盾日益突出，因此大力發展具有占地少、運量大、能耗低及污染小等優勢的水上運輸成為緩解紹興交通運輸和能源壓力的首要選擇。杭甬運河的開通，作為紹興聯系長江經濟帶與寧波、舟山港之間的重要水路物流通道，為這一目標的實現創造了條件。紹興水網密布，內河運輸資源豐富，但內河集裝箱運輸卻幾乎為零，開通紹興至寧波、上海港集裝箱船舶運輸，將開創紹興內河集裝箱運輸的先河。

1航運條件概述

1.1航道條件

杭甬運河(浙東運河)西起杭州三堡，終于寧波鎮海，是浙江省航道規劃20條高等級航道之一，全長239 km，西連京杭大運河，東接北侖港，溝通了長江、京杭大運河以及錢塘江、甬江水系。

杭甬運河按Ⅳ級航道標準建設(個別航道除外)，可航行500 t級船舶。主航道最小水深為2.5 m，航道底寬不小于40 m，面寬不小于60 m。全線共建有7座船閘，其中紹興至寧波段有5個船閘，最小閘室長度120 m，寬度16 m，最低門檻水深2.5 m，最小閘室凈空高5.0 m；紹興至上海段共建有2個船閘，閘室最小尺寸160 m×12 m，門檻水深最低2.5 m。

另外，杭甬運河全線有132座橋梁，絕大部分凈空為7.0 m，設計最高通航水位4.8 m。根據《內河通航標準》，Ⅳ級限制性雙向航道設計跨主航道橋梁通航孔寬度應為55 m，但受船閘12或16 m寬度限制，船舶寬度不可能12 m，即使個別航段橋梁通航凈寬小于55 m，但船舶通航不受限制。

1.2港口條件

紹興市轄區內主要港口有：①紹興港中心作業區，目前開港運行的建成有500 t級泊位17個,設計年通過能力180萬t；②上虞港區曹娥作業區，設計年通過能力190萬t，500 t級泊位16個；③浙能紹興濱海熱電廠碼頭，該碼頭有500 t級泊位6個，設計年通過能力193萬t；④諸暨港城郊作業區，建設500 t級泊位6個，成品油泊位2個，設計年通過能力為153萬t。

1.3貨源條件

杭甬運河集裝箱班輪航線開通后，紹興的水運集裝箱運量有2個來源。

1) 吸引往上海、寧波公路集裝箱改走水路。2009年，紹興市全年外貿集裝箱公路運量約80萬TEU，紹興至寧波內河集裝箱航線開通后，預計會吸引其中一部分到水路上來，每年10萬～20萬TEU。

2) 開發現有貨物裝箱，紹興市轄區內共有普通貨物港口經營企業100余家，2014年全市港口貨物吞吐量1 813.4萬t，主要有煤炭、鋼材、水泥、建材及糧食等。據預測，2017年紹興內河港口集裝箱將達20萬TEU，2020年將達50萬TEU。

2船舶要素的確定

2.1船舶主尺度

船舶主尺度要充分考慮杭涌運河的航道、港口、船閘、橋梁和運量等因素。因此，集裝箱船舶船型尺度的選取應考慮航道的彎曲半徑、寬度、水深、船閘，以及航道上建筑物的凈空高度等。

1)航道彎曲半徑對船長的限制。運河船舶在選擇船長時常常受到航道彎曲半徑的影響，同時還與港口碼頭、船舶類型、駕駛技術、船舶的操縱性等方面的因素有關。一般來說，船長與航道的標準曲率半徑的關系為L=ρ/(3～4)[1]。式中:ρ為航道的標準曲率半徑。Ⅵ級航道曲率半徑ρ約為200 m，航道計算船長L=200/3.5= 57 m。因此集裝箱船型船長L<57 m即可，不受航道的標準曲率半徑的約束，可根據船舶的尺度關系選取。

2)船閘對船寬的限制。一般來說，船舶與船閘兩端及兩舷的間隙應為船寬的5%～10%[1]，船底間隙大于0.2 m，杭甬運河紹興至寧波段的船閘寬度多在12 m以上，故船閘對集裝箱船型船寬應小于11.70 m，因此可根據船舶的尺度關系選取。

3)橋梁及水上過江電纜對船高的限制。通常情況下應考慮洪水季節最高設計通航水位時，船舶空載壓載常態情況下能自由通過。航道的橋梁及水上過河電纜的凈高在4.8 m。集裝箱船型在空載時考慮采用壓載和可倒桅的措施來降低船舶固定高度。因此，船舶在空載水線時其固定高度應控制在4.5 m以內。

2.2船舶航速

船舶在限制航道中航行時存在著經濟航速及臨界航速的問題。對于運輸低值大宗貨物的自航船，航速不宜超過其經濟航速，否則興波阻力劇增，導致功率消耗過大[2]。不僅降低了船舶經濟性，容易造成浪損事故，還將對兩岸護坡造成嚴重的沖刷，損壞岸堤。

考慮到航道整體運輸效率等問題，集裝箱船型的經濟航速取為12 km/h左右，因集裝箱船都是定班航行，在整個航程的航行中難免會遭遇一些突發情況，航速需要一定的儲備，考慮到航速與水深的關系，限定最大航速為16 km/h。

2.3船舶線型

本地區內河集裝箱船的方形系數一般都在0.85以上，屬于肥大船型。對于此類船舶，需要優化設計其首部線型，盡量減少興波阻力；同時要優化設計艉部線型，減小艉部流場的分離和由此產生的形狀阻力。還要注意改善其艉部伴流場的均勻性以提高相對旋轉效率；在增大伴流系數的同時減小其推力減額分數，獲取較大的船身效率，綜合提高船舶的推進系數，獲得減阻節能的技術效果[3]。

基于上述考慮，艏部線型采用肥大船型設計；艉部線型采用水滴型球尾型。采用該線型，不僅可有效地減小船舶形狀阻力，且可獲得較高的相對旋轉效率和船身效率。同時，還可以免除傳統的人字架構件，相應地減小附體阻力。

3船型主尺度選擇

本船型是主要航行于紹興地區港口至上海港和寧波港的集裝箱專用運輸船，主尺度選取應綜合考慮船舶的經濟性、快速性和安全性。

3.1方案網格的設立

組合設立16個方案，見表1。

由表1可見，載貨量相同時，船舶的方形系數隨船長的增加而下降；也隨型寬的增加而減小。

3.2船型方案快速性的論證計算

3.2.1船舶有效功率的計算

按附加10%附體阻力的愛爾氏法估算網格方案的有效功率，估算結果匯總列于圖1～4。

圖1　船長53.5 m各船型方案的有效功率

圖2　船長54 m各船型方案的有效功率

3.2.2推進性能設計及最大航速計算

本船采用水滴型雙球艉船型，按下式估算各船型方案的推進因子，ηr=1.0。

w=0.55Cb-0.2

表1　16種技術方案的主尺度及相關系數

方案編號船長/m水線長/m柱間長/m型寬/m型深/m吃水/m排水量/t方形系數№1153.553.151.99.532.3997.430.8597№1253.553.151.99.732.31003.220.8468№1353.553.151.99.932.31009.020.8345№1453.553.151.910.132.31014.820.8227№2154.053.652.49.532.310000.8539№2254.053.652.49.732.31005.850.8411№2354.053.652.49.932.31011.710.8289№2454.053.652.410.132.31017.560.8172№3154.554.152.99.532.31002.570.8481№3254.554.152.99.732.31008.480.8355№3354.554.152.99.932.31014.390.8235№3454.554.152.910.132.31020.290.8119№4155.054.653.49.532.31005.150.8425№4255.054.653.49.732.31011.110.8301№4355.054.653.49.932.31017.070.8181№4455.054.653.410.132.31023.030.8066

圖3　船長54.5 m各船型方案的有效功率

圖4　船長55 m各船型方案的有效功率

選定主機 2臺，額定功率184 kW，額定轉速850 r/min，齒輪箱減速比為2.54∶1。

按MAU-4型、螺旋槳限制直徑1.42 m設計確定推進器要素，計算推進性能，結果見表2。

3.2.3常用主機轉速下的經濟航速計算

為提高經濟效益，本船型按60%額定轉速的常用轉速進行營運。取常用轉速為510 r/min，并按前表所列的螺旋槳要素進行航行特性計算，求得船舶所得的經濟航速和相應的單機功率。為綜合比較各船型方案的快速性能，特引進各船型方案在經濟航速和最大航速下的海軍常數。

按計算結果繪制各船型方案在常用轉速下螺旋槳所能發出的總推進功率和所需單機功率與航速的關系曲線，由總推進功率曲線與船舶有效功率曲線的交點，即可求出各船型方案在常用轉速下所能達到的經濟航速、所需單機功率，進而計算求出相應的海軍常數，計算結果匯總于表3。

表2　推進性能設計計算(螺旋槳直徑Dp=1.42 m)

3.3方案討論

1) 船舶的方型系數隨著船長的增加而減小，也隨型寬的增大而下降。

表3　各船型方案在常用轉速下所能達到的航速、

2) 船舶的有效功率隨著船長和型寬的增加而下降，可見方型系數是影響肥大船型阻力性能的最敏感因素。

3) 各船型方案在主機額定轉速下所能達到的最大航速均在17 km/h左右。其中，№11的最大航速為16.69 km/h，為16個方案中的最小者；方案№44的最大航速為17.47 km/h，為16個方案中的最高者。

4) 各船型方案在510 r/min的主機常用轉速下所能達到的最大航速均可超過11 km/h。其中，№11的常用航速為11.24 km/h，為16個方案中的最小者；№44的常用航速為11.42 km/h，為16個方案中的最高者。

5) 各船型方案中，船舶處于常用航速下的海軍常數遠大于處于最大航速的海軍常數，其增大的幅值約為50%左右。其中，№11的增大幅度為54%，為16個方案中的最高者；№44的增大幅度為38%，為16個方案中的最低者。

6) 從技術論證角度出發，采用較大船長配合較大型寬的船型方案的快速性更為優越；但增大船長和型寬也會伴隨有船舶造價的增加。必須綜合考慮航道條件、總體布置要求和營運經濟論證的結果加以確定。選定的方案№21較為合理。

最終確定本船的主要尺度如下。

總長Loa:54.30 m；船長L:54.00 m；

水線長Lwl:53.60 m；垂線間長Lpp:52.40 m；

型寬B:9.50 m；型深D:3.00 m；

設計吃水d:2.30 m；

空箱水線以上最大高度：4.50 m。

4船型營運經濟論證

用該船承擔紹興集裝箱碼頭至上海外高橋集裝箱碼頭間的集裝箱專用運輸。自紹興至上海的往程是采用全部滿箱；自上海至紹興的回程是小部分滿箱、大部分空箱的搭配狀態，此時的船舶吃水和浮態相應于船舶輕載狀態。

船舶營運經濟論證的相關條件見表4。

按文獻[3-5]推薦的方法編制計算機程序進行論證計算，給出該船型的技術指標、營運指標和經濟指標。

36 TEU集裝箱船選定的推進主機為2臺，其額定轉速均為850 r/min、額定功率為184 kW，與之配套選用的齒輪箱減速比均為2.54∶1。

燃油費用在運輸成本中占比較大，在營運經濟論證內容中進行按額定主機轉速850 r/min和按常用主機轉速510 r/min及其相應單機功率36.7 kW條件下的論證計算。假定其滿載和輕載狀態的海軍常數相等，由滿載靜水航速推算其在輕載狀態下的船舶靜水航速。

1) 船型營運論證計算。按本船型的技術論證數據進行營運論證計算，計算結果匯總列于表5。

2) 船型經濟論證計算。按技術論證和營運論證計算數據，進行經濟論證計算，計算結果匯總列于表6；主要經濟指標列于表7。

分析上述計算結果可以看出，就紹興至上海的集裝箱船舶運輸而言，運距只有380 km，船舶航行時間較短，非生產停泊時間卻占有相當比重。兩型船舶如果按主機的額定轉速和額定功率進行營運，盡管可獲得較高航速，起到了縮短航行時間、增加年航次數的效果，年營運收入也有一定程度的增加；然而，使用較高主機功率卻導致燃油量的激增，燃油費用高達營運成本的64%，遠超過所增加的營運收入，得不償失，是不經濟的；如果將兩型船舶的主機轉速分別降至510 r/min左右運行，使船舶航速降低至11 km/h左右，盡管營運收入有所減少，但燃油費用卻減少了30%多，經濟效益顯著增加。

表4　船舶營運經濟論證的相關條件

表5　36 TEU優選船舶的營運計算結果

表6　36 TEU集裝箱船型的經濟性計算結果

表7　36 TEU集裝箱船型的主要經濟指標

5結論

1) 根據杭甬運河的航道特點，研究開發出36 TEU裝箱船舶標準船型。

2) 標準集裝箱船型是方形系數高達0.85的肥大船型，參考以往的模型試驗結果表明，通過對船舶艉部線型的優化設計，特別是采用水滴型球尾船型，可使船舶的快速性獲得一定程度的改善。

通過對36 TEU集裝箱船船型的技術經濟論證，集裝箱標準船型如果按較低的“經濟航速”航行，可以大幅度減少燃油費用，經濟效果顯著。

參考文獻

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Research on Ship Form of the Container Ships in the Hang-yong Canal

WAN Jian-xiang, LIAO Bao-hua, WU Hui-guo

(Shaoxing Harbor and Waterway Management Bureau, Shaoxing Zhejiang 312000, China)

Abstract:Based on the analysis of the complex channel conditions, port distributions and the cargo resources of Hang-yong canal, the main parameters of ship form for the container ship and its economy are investigated. The hull form and main design characteristics suitable to the container ships in Hang-yong canal are determined.

Key words:Hang-yong canal; container ship; standard hull form; economy argumentation

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.006

收稿日期：2015-12-22

第一作者簡介：萬建祥(1966—)，男，學士，高級工程師 E-mail:270459554@qq.com

中圖分類號：U674.13

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0026-06

修回日期：2015-12-25

研究方向:船舶檢驗