一種無壓載水船船型參數探討

王鵬暉，洪碧光，于　洋，髙孝日

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

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一種無壓載水船船型參數探討

王鵬暉，洪碧光，于洋，髙孝日

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

借鑒國際上先進的無壓載水船舶設計理念，利用連通管路對美國貫通流系統進行改造，并融合至日本的V形船身，設計出一種新型的無壓載水船舶，將巴拿馬型散貨船作為母船型進行優化實踐。分別將新船型與母船型通過經驗公式進行計算比較，結果表明，二者船型參數基本一致，滿足實踐要求，表明設計船型可行。

無壓載水船;貫通流系統;V型船身;船型參數

為解決船舶壓載水污染問題,無壓載水船舶[1-2]相關研究在國內外取得了一定的進展。國際上主流的無壓載水船型理念有美國的貫通流系統[3]、荷蘭的單一結構船身設計[4-5]以及日本的V形船身設計[6]；而國內只有少數研究所和院校對V形船身開展研究[7-8]，尚無成熟理論發表。然而，各種設計理念都存在自身的缺陷。貫通流系統，管路對船舶內部結構布局影響很大，操作時無法定量船舶的壓載水量；滿載狀態下，排空的管路對強度的影響大。單一結構船身設計，增加了船舶阻力，很難應用于大型化船舶。V形船身設計，單船造價高，航行水域水深要求高，在惡劣風浪下，船舶穩定性達不到要求，機動性能受很大約束。為克服不利因素，擬對貫通流系統及V形船身設計兩種理念進行整合，設計出一種新的無壓載水船型。利用巴拿馬型散貨船進行優化實踐，并制作出相應的船舶模型;通過經驗公式比較無壓載水新船型與母船型的參數，估算結果驗證出本文設計思路的可行性。

1　無壓載水船型設計思路

1.1新船型設計理念

汲取貫通流系統和V型船身設計的優點，對船體結構進行優化設計，方案分為4部分。

1)船體輪廓設計為“上U，下V”形。船體上部設計為“U形”，增加船舶上部飽滿度；下部設計為“V形”，保持船舶下部瘦削；同時，船身內部貫通“3縱3橫”6條管路；

其中3條縱向管路，從船體“V形”部分穿過,見圖1。

圖1　船體橫剖面示意

2)上部2條縱向管路設計為微弧形，底部縱向管路和3條橫向管路設計為直線形，見圖2。

圖2　管路走向以及連接方式示意

為實現壓載水量的定量化，3條橫向管路與底部縱向管路的連接部位安裝有3個壓力傳感器；為合理控制海水的流通，3條縱向管路的前后口徑處安裝6個傳感器控制閥門。

3)3條縱向管路設有內外雙層管壁，既保證管路強度，又使管路收縮以調整海水流通量，實現船舶在不同裝載情況下壓載水量的切換。管路的收縮，采用內外兩層管壁間的空氣填充壓縮技術來實現內管徑大小的變換。

4)設計工況。將船舶首部型線的水下部分設計地比母船型更加飽滿肥大，且帶有一定的尾傾。目的是讓船舶浮心前移，產生足夠的尾傾力矩，保證螺旋槳沉深。

1.2巴拿馬船型無壓載水化設計

74 000 t散貨船是江南造船(集團)有限公司自行設計建造的巴拿馬型散貨船[9]，也是國際船舶市場上具有較高競爭力的散貨船型之一。選用巴拿馬型散貨船作為母船型，優化設計方案如下。

1)船中V形部分設計方案。采用國際標準船體坐標系，見圖3。V形部分深度為4 m,計算機擬合的二次函數為:Z=-0.017 8Y2+19.36。

圖3　船體坐標系

2)貫通管路的平均半徑設計與存水量估算。上側兩縱向管路平均半徑為2 m，兩縱向管路總存水量為5 026.6 t。最下側縱管路和三橫向管路平均半徑為1.5 m，下側縱向管路存水量為1 399.6 t，3橫向管路總存水量為318.1 t。最終估算6條管路的總存水量可達6 744.3 t。

3)無壓載水船型船體優化設計方案。圖4所示為船艏至船艉1～21各站位的肋板，可以看出，船體輪廓的設計偏V形化，但是卻不需達到V形船身設計理念中的大尺度；圖5中所示船舶實物模型也清晰地展示出船體的輪廓設計，同時也展示出了船體內部管路的布局與走向。

圖4　各站位肋板

圖5　船舶模型

2　新船型參數的計算方法

利用母船設計新船，在船舶設計原理的基礎上，結合新船的特點和要求，確定的參數主要包括船舶主尺度、船型系數、穩性參數、船體分段長度以及伴流角。

2.1新船型主尺度的計算

母船主尺度參數見表1。母船空船載重量及排水量，以傾斜試驗結果[10]為準。

表1　母船主尺度參數

1)新船型船底部分設計為V型,船體水線以下部分開通管路。鋼板平均設計厚度0.75 mm，則估算新船體自重將增加2 300 t。假設保持上層建筑、木作舾裝以及機電設備重量不變,新船型空船載重量設計為14 000 t；同時,船舶載重量保持不變，得到排水量為88 000 t。

2)采用經驗公式[11]推導新船型主尺度。

(1)

式中：Lbp——型長；

Δ——排水量；

B——型寬；

D——型深。

最終，得到新船型型長為218.8 m,型寬為32.53 m，超出了巴拿馬船型規定，型深為19.36 m。

3)根據文獻[9]可知，母船壓載狀態下排水量為32 000 t，空載狀態下排水量為11 788.26 t，為得出不同狀態下船舶的吃水深度，采用如下經驗公式[12]進行計算。

Δ=ρkLBdCb

(2)

式中：k——系數，k=1.005；

ρ——海水密度；

d——吃水深度；

Cb——方形系數。

母船型壓載狀態下吃水為5.21 m，空載狀態下吃水為1.92 m。

4)新船型船體V形部分，深4 m,排水約13 000 t。為保證浮力與空船載重量保持平衡，剩余1 000 t浮力的獲取，需增加吃水0.16 m， 此時船舶空載吃水達4.16 m。與此同時，打開管路最大存水量為6 744.3 t，可增加船舶吃水1.10 m。最終，得到新船型壓載吃水為5.26 m，滿足母船型壓載狀態下要求。同時，根據新船型滿載排水量為88 000 t，引用公式(2)計算得出，新船型滿載吃水14.46 m。

2.2新船型船型系數的計算

1)為推導出新船型方形系數，采用如下經驗公式：

(3)

(4)

式中：DW——載重量；

(DW/Δ)——載重量系數。

由此可得，母船型載重量系數為0.862 6；新船型載重量系數為0.840 9。同時，根據文獻[10]可知，母船方形系數為0.851，可推導出式(4)中系數為0.99。新船型采用同一系數，則方形系數為0.830。

2)引用文獻 [11]中經驗公式推導其他船型系數。

(5)

式中：Cw——水線面系數；

Aw——水線面面積；

Cm——剖面系數；

Am——橫剖面面積；

Cp——菱形系數。

由此得出，新船型水線面系數為0.969，剖面系數為0.832，菱形系數為0.998。

3)采用經驗公式，推導新船型的快速性參數。

(6)

式中：w——伴流分數；

t——推力減額分數；

ηh——船身效率；

PC——推進系數；

ηo——敞水系數；

ηr——相對旋轉效率；

ηs——軸系傳送效率。

通過計算得出，新船型伴流分數為0.365，推力減額分數為0.219，船身效率為1.230。同時，根據文獻[9]得知，母船型敞水系數為0.857;相對旋轉效率為1.00;軸系傳送效率為0.985。根據公式(6)推導可得，母船型推進系數為1.047;新船型推進系數為1.038。

2.3新船型穩性參數的計算

母船穩性參數見表2。

表2　母船穩性參數

注：母船空船重心：Xg=96.710 m;Yg=0.000 m;Zg=11.540 m。

1)為得到新船型的浮心垂坐標以及橫穩心半徑等參數，采用如下經驗公式[12]。

(7)

式中：a1，a2——常系數；

根據文獻[9]中母船參數，推導出系數如下：系數a1，壓載狀態下為0.577 8，滿載狀態下為0.518 6；系數a2，壓載狀態下為0.071 6，滿載狀態下為0.083 4。新船型采用相同系數，得出浮心垂向坐標在壓載狀態下為3.040 m，滿載狀態下為7.499 m。壓載狀態下橫穩心半徑14.404 m，滿載狀態下為6.103 m。

2)采用經驗公式[12]計算新船型初穩性高：

(8)

通過計算得出，新船型初穩性高度在壓載狀態下為8.114 m，在滿載狀態下為3.272m。

3)引用文獻[13]中經驗公式計算新船型橫搖周期。

(9)

式中：Tφ——橫搖周期;

f——修正系數，當B/d<2.5時， 取f=1.0。

新船型B/d=2.25﹤2.5，所以f=1.0。由此可得，新船型橫搖周期在壓載狀態下為7.64 s，滿載狀態下為12.36 s。

2.4新船型船體分段及伴進流角的計算

新船型船體分段及伴進流角見表3、4。

表3　分段長度的確定

表4　伴進流角的確定

由表4中得知，新船型方形系數為0.830。根據表2中經驗數據進行比例內插，最終得到新船型船體進流段、平行中體,以及去流段長度比例分別為24%、45%和31%。根據表3中經驗數據進行比例內插，選取新船型伴進流角為36.5°。

3　新船型參數性能分析

3.1船型系數

新、母船船型系數比較見表5。

表5　新、母船船型系數比較

由表5可見，在不考慮貫通流系統的前提下，與母船型比較，新船型在推進系數以及船身效率方面都有所降低，降低比例為0.86%和0.81%，降低幅度并不大，屬于可接受范圍。這些方面也將成為下一步改進、優化的重點。

3.2穩性

新船型穩性參數的計算結果見表6。

表6　新船穩性參數

注：v形船底的重心高度為2.67 m。

3.3尺度比

壓載吃水表示為管路處于全開放狀態；滿載吃水表示管路處于全封閉狀態。新母船型性能見表7。

表7　新母船型性能

由表8可見，新船型的長寬比、長度型深比、寬度型深比與母船型基本持平，保證了新船型的船舶阻力、結構強度與母船型基本一致；寬度吃水比、方形系數、長度吃水比以及型深吃水比有小幅度的下降。盡管新船型的抗沉性、穩性有稍微地降低，但船舶操縱性有一定程度地提高。同時，船體的結構強度也滿足基本要求。

4　結論

在保證船舶無壓載化的前提下，新母船型的5大類船型參數與總體性能基本一致，滿足實踐要求。設計方案的優點在于削減了對V型船身的高強度需求，減輕了船舶自重，降低了單船造價；另外，也降低了船舶對航行水域水深的要求，減少了船舶擱淺的風險；同時，借鑒日本V型船身設計中“降壓載，增吃水”的核心理念，降低了美國貫通流理念中對船舶內部管路尺寸與強度的高要求，也相應地降低了管路從船體內通過時對船舶內部結構以及設備布局的影響。利用CFD方法開展該船型的船體下沉及縱傾等方面數值計算將作為進一步研究的重點。

表8　新母船型性能比較

注：表中d指船舶滿載吃水深度。

[1] PARSONS M G, KOTINIS M.Futher development and optimization of the ballast-free ship design concept[R]. University of Michigan,2008.

[2] KOTINIS M, PARSONS M G.Hydrodynamics of the ballast-free ship Revisited[J].Transactions,2010,118(2010):454-467.

[3] 趙橋生.無壓載水艙船舶的研究進展[J].艦船科學技術,2009,31(7):17-19.

[4] 徐峰，王敏，劉家新.靈便型無壓載水艙散貨船船型開發與研究[J].船海工程，2012(1)：22-24.

[5] 汪敏，吳靜萍.一種無壓載水船船型與阻力優化[J].船海工程,2013(1)：28-31.

[6] 張榮忠.日本造船研究所船舶無壓載艙水革新設計[J].世界海運，2007,30(2):31-33.

[7] 王琳，解德.基于FREESHIP的V型無壓載水船研究[J].中國造船,2013(4):10-18.

[8] 韋俊凱.V型NOBS方案設計方法研究[D].大連：大連理工大學,2009.

[9] 俞立根.74 000 t散貨船總體性能研究[D]..2002.

[10] 韋俊凱，林焰.V型無壓載水船舶型線設計變換研究[J].中國艦船研究,2010(1).

[11] 顧敏童.船舶設計原理[M].上海：上海交通大學出版社，2001.

[12] 沈華.船舶穩性與強度計算[J].大連：大連海事大學出版社，2001.

[13] 胡威，張高峰.SOLAS有關客船與貨船概率破損穩性要求新規則的研究[J].上海造船，2004(2).

On the Hull Parameters of a Ballast-free Ship Type

WANG Peng-hui, HONG Bi-guang, YU Yang, GAO Xiao-ri

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

To research a ballast-free ship’s ship form parameters, fuses international advanced ballast-free ideas. The connectivity pipes is used to transform American though flow system and integrate into Japanese V-shape hull, so as to design a new ballast-free Panama ship type. On the basis of empirical formula, the new and mother ship datum are calculated and compared. The results show that the new ship form parameters is basically in line with mother ship, meets the requirement of practice, and the design scheme is feasible.

ballast-free ship; though flow system; V-shape hull; ship form parameters

2016-02-21

2016-04-06

國家自然科學基金(51379026)

王鵬暉(1993—)，男，碩士生

U662.2

A

1671-7953(2016)04-0040-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.010

研究方向:船舶操縱以及船舶運動與控制

E-mail:haishixiaohui@163.com