大型LNG船雙艉鰭線型設計要點淺析

楊春華， 嚴孝欽， 陳曉瑩， 袁紅良， 宋　煒

(滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

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大型LNG船雙艉鰭線型設計要點淺析

楊春華， 嚴孝欽， 陳曉瑩， 袁紅良， 宋煒

(滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

摘要針對大型LNG船淺吃水的特點，通過船模試驗的方法，從螺旋槳的內旋、外旋以及不同的舵角設計方面對雙艉鰭線型阻力與推進性能進行了系統分析，研究了適合大型LNG船型的船體線型型式及設計要點。研究結果表明，在大型LNG船線型設計過程中，雙艉鰭船型設計方案比單艉船型設計方案在船舶推進性能方面具有較大的優勢。 采用雙艉鰭線型設計方案并配合舵角及螺旋槳旋向的設計，可有效提高大型LNG船的推進性能。

關鍵詞大型 LNG船雙艉鰭線型舵角優化螺旋槳旋向

1LNG船船型發展介紹

隨著人們環境保護意識的日益增強，天然氣在整個能源結構所占的比重越來越大，作為取代煤、石油等傳統能源的環境友好型清潔能源，受到世界各國的青睞。世界范圍內，液化天然氣(LNG)的產地分布極其不平衡，目前已探知的LNG產地主要分布在中東、澳大利亞、巴布亞新幾內亞、尼日利亞、馬來西亞與印度尼西亞等國家和地區。而LNG的消費大國則主要分布在歐洲、日本、韓國、中國與印度等國家和地區。LNG出口與進口的方式主要是管道運輸與海上運輸，而管道運輸又受到諸多條件限制，所以采用LNG船通過海上運輸是解決LNG產地與消費國家分布不平衡問題的一種有效途徑。

LNG船經過了將近60年的發展，單船貨艙艙容從12×104m3～14×104m3發展到如今16×104m3～17×104m3，甚至更大的21×104m3、26×104m3船型，船型大型化的趨勢越來越明顯。但是，當前接收LNG船的專用碼頭還是以陸地固定式碼頭為主，這些LNG碼頭受到港口地理條件等限制，不能自由地改造或擴建。這些碼頭的長度、裝卸臂的高度、港口的水深等因素限制了大型LNG船船型的主尺度。目前，分析世界主要LNG船碼頭發現，LNG船長基本限制在300 m左右，吃水在11.5 m附近。因此，LNG船型的發展受到港口等條件限制，而船舶大型化的經濟性又越來越高，這就必須考慮LNG船船型的多樣化來滿足港口等的限制條件，又滿足船型大型化的需求。

2雙艉鰭線型的發展與應用

根據已發表的資料來看，我國曾經在20世紀80年代對雙艉、雙艉鰭等特殊線型的應用進行了大量的研究，并且在內河和沿海的船型以及部分特殊的船型上有廣泛的應用，但在大型海洋運輸船舶上的應用研究卻不多。雙艉鰭線型的研究與應用主要集中在方型系數>0.8以及傅氏系數<0.15的低速肥大船型上。

國外對雙艉鰭線型在各種船型上的應用研究比較廣泛，不僅將雙艉鰭線型應用在70 m船寬的蘇伊士油輪上，也廣泛地應用在15×104m3～26×104m3的LNG船上,而且在超大型集裝箱船上也進行了廣泛研究。而這幾種船型與上面提到的大方型系數、低速船型相比較是方型系數在0.65～0.8，傅氏系數>0.18的中等方型系數、快速船型。由于應用的船型及船型參數差別較大，因此必須有針對性地對阻力性能、推進性能以及操縱性能等水動力性能進行專題研究。

3雙艉鰭線型在大型LNG船上的應用分析

由于LNG裝卸貨碼頭以及港口水深限制，使得大型LNG船的船寬吃水比(B/T)達到了3.5～4.5，研究雙艉鰭線型并將其應用到該船型上預計會收到比較好的效果。為此，我們有針對性地在17.2×104m3低速機推進LNG船以及17.4×104m3、22×104m3電力推進LNG船的線型設計以及船模試驗項目中進行了攻關與研究，取得了較為理想的效果。并通過17.4×104m3LNG船的雙艉鰭線型與單艉線型的船模試驗，驗證了雙艉鰭線型無論是阻力還是推進性能都有較大地提高。

3.1船型參數

船型參數如表1所示。

表1　船型參數

3.2雙艉鰭特征參數

3.2.1雙艉鰭中心線寬度的設計

對上述三個船型尺度比進行分析，發現雙艉鰭片體中心線寬度集中在船寬的35%～40%之間。在此之前，國內對于雙艉鰭船型的研究主要集中在片體中心線寬度為船寬的50%或更大的范圍內。雙艉鰭線型在油輪、集裝箱船與LNG船上的應用需要考慮實際機艙的布置。通常，雙艉鰭片體中心線寬度占船寬的比例越大，機艙的布置難度就越高。例如，對于低速機推進的LNG船型來說，該比例越大，雙主機布置難度就越高，特別是現在需要滿足燃油艙保護的機艙布置就顯得尤為困難。然而，對于采用電力推進的LNG船型來說，該比例越大，兩個螺旋槳之間的干擾就越小，推進效率就會越高。因此，艉鰭寬度的選擇更多的是從機艙布置角度出發來進行選取，在機艙布置能夠滿足的前提下，應盡可能加大片體中心線的距離，以減小雙槳之間的相互影響。

3.2.2雙艉鰭片體尺寸的設計

雙艉鰭片體尺寸的大小直接影響到后體的阻力性能、推進性能與伴流場的均勻程度。因此，從快速性的角度來講，雙艉鰭片體的設計尺寸應盡可能小。但雙艉鰭線型的設計又與機艙的布置密切相關，受到雙艉軸系設計與布置的限制，以及雙艉鰭片體結構強度的限制。故雙艉鰭片體的設計既要滿足機艙的布置、艉軸設計以及雙艉鰭片體結構強度等要求，又要兼顧快速性需求。

3.2.3舯縱剖線的設計

舯縱剖線的設計對雙艉鰭內側線型的形狀影響較大，而且起點越前，與基線的夾角越小，對阻力性能越好，也可以降低艉部流線的分離。但考慮到LNG船的貨艙圍護系統施工要求，不希望由于艉鰭的形狀而使貨艙結構變復雜，以及影響到貨艙圍護系統的設計與施工，因此舯縱剖線的起點盡可能起始于機艙前端壁，并在設計艉鰭線型時盡可能使舯縱剖線與基線的夾角最小。

3.3雙艉鰭推進性能分析

3.3.1雙艉鰭線型與單艉鰭線型的比較

目前普遍存在的同級別船型，有的采用單艉船型，有的采用雙艉鰭船型。我們就同一船型，在主尺度、總布置要求都相同的情況下，分別設計了單艉線型與雙艉鰭線型，通過對船模試驗結果進行對比分析，可以看出：雙艉鰭方案的總推進效率比單艉線型要高出4.5%。通常認為雙艉鰭線型的濕表面積比單艉線型要大3%，阻力會有所增加，但試驗結果卻得到了相反的結論，雙艉鰭線型的阻力比單艉線型低了6%，在設計航速點，總的螺旋槳收到功率低了近11%，如圖1所示。

3.3.2螺旋槳旋轉方向對推進效率的影響

通過模型試驗，對同一船型螺旋槳不同旋向進行了試驗研究，螺旋槳旋向示意圖如圖2所示。

表2列出了該船型的螺旋槳內旋、外旋模型試驗結果。綜合對比螺旋槳敞水效率、船身效率以及總的推進效率，結果如表2所示。

圖1　單槳、雙槳線型推進性能比較

圖2　螺旋槳內外旋向示意圖

表2　螺旋槳內外旋效率對比表

從表2中數據可以看出：內旋槳的敞水效率并不比外旋槳的高，但在設計航速點的船身效率卻高出8%，導致總的推進效率高出5%。

3.3.3初始舵角對阻力與推進性能的影響

除了對螺旋槳的內、外旋向進行了比較試驗外，同時也在不同螺旋槳旋轉方向的情況下，對不同的初始舵角設置在阻力與推進性能方面進行了研究，如圖3所示。考慮到布置以及實船軸系安裝的復雜性，并沒有對螺旋槳軸傾斜軸系對阻力與推進性能的影響進行研究。

圖3　舵角示意圖

圖4　線型優化、螺旋槳旋向及舵角優化組合對比圖

從同一船型的幾次優化線型的試驗結果(見圖4)可以看出：線型不同，最佳舵角也不同，但最佳舵角相對于螺旋槳內旋與外旋條件下的趨勢沒有變化。

在同一設計航速下，舵中心線與船體中心線不同的夾角情況下的推進功率也有較大差別，達到2.5%～3%，有的線型甚至達到6%。但是，水池為了方便比較，往往直接進行自航試驗，并不對不同舵角時的阻力情況進行比較或驗證。因此，通過完整地比較不同舵角時的阻力與自航試驗結果，得到的效果并沒有那么好， 0°與3°舵角的阻力與自航完整的試驗結果進行比較，發現只降低了0.6%的功率，并沒有達到僅僅通過自航試驗得到的2%的效果，比較結果如圖5所示。

圖5　不同舵角自航試驗比較圖

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4總結

(1) 對比分析單艉鰭線型與雙艉鰭線型的阻力與自航模型試驗結果。可知，從快速性能的角度來講，采用雙艉鰭線型設計具有明顯的優勢，比較適用于船寬吃水比(B/T)大于3.5的大型船舶，如LNG船等。

(2) 對比分析螺旋槳不同旋向的試驗結果。可知，對于雙艉鰭設計的船型，內旋槳推進性能遠好于外旋槳，對于其他采用雙艉鰭設計的船型，在選擇旋槳旋轉方向時具有一定的借鑒意義。 不過，具體船型還需要從船體振動、軸系布置、操縱性能以及螺旋槳的效率等方面綜合考慮。

(3) 對比分析舵角優化實驗結果。可知，對于大型LNG船，舵角的優化對提高推進性能幅度較小。但是考慮到試驗及布置的復雜性，本次試驗并沒有對螺旋槳軸線與船體中心線的不同夾角對阻力與推進的影響進行研究。因此，傾斜軸系設計與舵角優化的組合工況對船舶推進性能的影響還需進一步研究。該研究取得的經驗，對采用雙艉鰭線型設計的超大型集裝箱船與油輪等船型具有一定的借鑒作用。

參考文獻

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基金項目：工信部高技術船舶科研項目(工信部聯裝[2012]534號)。

作者簡介：楊春華(1983-)，男，工程師，研究方向為船舶總體性能設計。

中圖分類號U662

文獻標志碼A

On the Key Point of Twin-skeg Hull Line Design of Large LNG Carrier

YANG Chun-hua, YAN Xiao-qin, CHEN Xiao-ying, YUAN Hong-liang, SONG Wei

(Hudong Zhonghua Shipbuilding(Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

AbstractAiming at the specialty of the shallow draft for large LNG carriers, and via the model test method, the key affect factors like propeller rotation direction, initial rudder angle setting have been studied in this article to analysis the twin-skeg hull resistance and propulsion performance, and the hull line type with design points of large LNG ship type were studied. The study shows that in the hull line design of large LNG carrier, twin-skeg hull line design has big advantage when compare with the single-skeg hull line design. Adopt the twin-skeg hull line design can improve the propulsion performance of large LNG carrier.

KeywordsLarge LNG carrierTwin-skeg hull lineRudder angle optimizationPropeller rotation direction