支線集裝箱船多工況綜合性能優化

江衛東

（中遠海運重工有限公司，上海 200135）

0 引 言

隨著低碳經濟逐漸成為人類的共識，全球節能減排的步伐日益加快，國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）海洋環境保護委員會（Marine Environment Protection Committee, MEPC）在第62 次會議上通過了有關船舶能效規則的修正案，即《國際防止船舶造成環境污染公約》（MARPOL 73/78）附則Ⅵ，以立法的形式確定了能效設計指數（Energy Efficiency Design Index, EEDI）對新造船的強制力。EEDI 規范實施的3 個階段對新設計船舶的效能的要求逐步提高[1]，這就要求不斷提高船舶節能技術，以滿足該要求。此外，近年來，航運市場持續低迷，散貨船、集裝箱船和油船三大主力船型的運力嚴重過剩。在這種情況下，擁有一型能以最少的能量消耗獲取最大運輸效益的船舶，是船東獲得更多企業利潤和船廠獲得更多造船訂單的關鍵。

船舶節能技術研究是一項非常有意義的工作，其中船體線型、螺旋槳和舵的優化是較為重要的內容，有助于實現環保和經濟雙重效益。目前船舶性能優化主要是針對服務航速進行的，而支線集裝箱船具有航程短、運載工況多、航速變化多和服務航速高等營運特點[2]。本文針對該營運特點，通過分析某支線集裝箱船（以下簡稱“該船”）在船體線型、螺旋槳和舵等3方面的多輪優化過程，說明如何通過這3方面的優化來得到船舶在節能降耗方面的實際效果。

1 綜合性能優化目標和評價指標

1.1 綜合性能優化的定義

綜合性能優化是指分別針對船舶的線型、螺旋槳和舵葉設計出多種方案，通過計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）分析或船模試驗選出綜合性能最優的線型、螺旋槳和舵葉組合，以達到優化船舶性能的目的。

1.2 優化目標

在限定船舶主尺度和主機最大功率（Specified Maximun Continous Rating, SMCR）的情況下，通過對船舶線型、螺旋槳和舵進行綜合優化，提升符合船舶營運特點的整體性能，增加裝箱量，降低主機平均營運功率，使其在實際營運過程中油耗總成本最低，同時使其CO2排放量降到最少。

1.3 評價指標

1.3.1 主機平均營運功率Etotal

船舶營運概要是船東根據航線特點、碼頭狀況和貨物周轉量等數據來預估新船投入使用后在不同吃水下各個航速的占比情況，該結果最為接近新船投入使用之后的實際營運情況。為準確評價性能優化的效果，需引入一個評價指標Etotal，即根據船舶營運概要計算出的主機平均營運功率，具體計算式為

式(1)中：i為營運概要中的船舶吃水變化參數；j為營運概要中的船舶航速變化參數；Pij為某一特定i和j下要求的推進功率，kW；aij為營運概要中i和j所占的比例，%；n為吃水變化總次數；m為航速變化總次數。

該船船東根據積累的營運數據、航線特點、碼頭情況和集裝箱周轉量等參數制訂的船舶營運概要見表1。從表1 中可看出，雖然該船設計的服務航速為19kn，但其在實際運營中的航速一般在12～15kn。因此，該船的船體線型、螺旋槳和舵葉的優化過程都是以該營運概要為基礎來計算Etotal。優化后的Etotal值越小，說明主機平均營運功率越小，實際營運中的燃油消耗和CO2排放量越少，優化的效果越好。

表1 某支線集裝箱船舶營運概要

1.3.2 EEDI

EEDI 是衡量船舶能耗水平、CO2排放量的一個指標。EEDI 越低，意味著CO2排放量越少，性能優化效果越好。根據EEDI 計算公式[1]，該船的EEDI 要求值為：第一階段18.6g/tnm；第二階段16.6g/tnm；第三階段14.5g/tnm。

1.3.3 裝箱量

在船舶主尺度確定的情況下，通過線型優化來盡可能地擴大裝箱空間，進而增加裝箱量。增加的裝箱量越多，說明線型優化效果越好。根據合同要求，該船的裝箱量為2900TEU。

1.3.4 最大服務航速

在船舶主尺度和主機功率確定的情況下，通過線型、螺旋槳和舵葉優化來增大最大服務航速。需說明的是，在性能優化過程中，當增大的最大服務航速與增大的營運概要中的航速不一致時，以優化后者，降低Etotal為目標。例如，表2 中的線型1 和線型3 經過第二輪優化之后的航速反而比經過第一輪優化之后的航速低，其目的是降低Etotal值。

2 優化內容

2.1 線型的3 輪優化

1) 第一輪優化：由3 家不同的線型開發單位根據造船規格書關于主機功率、航速和裝箱量的要求，通過CFD 數值模擬分別提供優化過的線型[3]。

2) 第二輪優化：根據第一輪優化的3種線型做成的船模匹配庫存槳和舵進行水池試驗，根據船模試驗結果，選取2種最優方案，再次進行線型優化。

3) 第三輪優化：根據第二輪優化的2種線型修改船模，再次進行船模試驗，根據船模試驗結果，從二者中選出最優線型方案。

2.2 螺旋槳的3 輪優化

1) 第一輪優化：由3 個不同的螺旋槳廠家，根據船模試驗結果和經驗積累分別設計出螺旋槳。

2) 第二輪優化：對3 個螺旋槳進行槳模水池敞水試驗，從試驗結果中選取2種最優方案，再次進行優化。

3) 第三輪優化：對第二輪優化的槳模進行水池試驗，根據槳模試驗結果，選出其中的最優螺旋槳方案。

2.3 舵葉的3 輪優化

1) 第一輪優化：由3 個不同的舵葉廠家，根據船模試驗結果、螺旋槳模試驗結果和經驗積累分別設計出舵葉。

2) 第二輪優化：將3 個舵葉分別匹配已決定的船模和槳模，并對其進行水池試驗，從試驗結果中選取2種最優方案，再次進行優化。

3) 第三輪優化：對第二輪優化的舵葉模型進行水池試驗，根據試驗結果，選出其中的最優舵葉作為最終方案。

2.4 船、槳、舵組合優化

在水池中對前3 輪選出的線型、螺旋槳和舵葉組合進行船舶回轉試驗、Z 形操縱性試驗、螺旋槳汽蝕試驗、螺旋槳脈動壓力測量和舵葉汽蝕試驗，根據試驗結果，再次對船舶線型、螺旋槳和舵進行微調，以達到最佳的匹配效果。

3 綜合性能優化結果

為使水池試驗結果具有可靠的對比性，該船的船模試驗、螺旋槳模型試驗和舵葉模型試驗在同一水池中進行，試驗程序和計算方法都按國際拖曳水池（International Towing Tank Conference, ITTC）規范選取，從而有效避免不同水池之間的差別和計算方法的差異對試驗結果的影響。

3.1 船體線型優化結果

表2 為船體線型的3 輪優化結果。線型1 的第一輪CFD 優化結果既是寫入規格書的內容，又是其性能優化的基礎。設計的3種線型各有特點，其中：線型1 采用的是低瘦型球鼻艏；線型2 采用的是垂直、低瘦型球鼻艏；線型3 采用的是高大型球鼻艏。由3 輪優化和試驗結果對比可知：具有垂直船首的線型2在性能上最優；相比排名第二的線型3，線型2 的裝箱量增加了22TEU，航速增加了0.12kn，Etotal值降低了7.5%。因此，最終選擇線型2 作為該船的線型。

表2 船體線型的3 輪優化結果

3.2 螺旋槳優化效果

良好的螺旋槳設計不僅能提高航速，降低燃料成本，優化EEDI，而且能降低船舶運行時的振動和噪聲[4]。該船螺旋槳3 輪優化結果見圖1。根據試驗結果，槳3 在該船整個航速范圍內的主機平均營運功率基本上都是最低的，因此最終選擇槳3 作為該船的螺旋槳，其試驗結果相比排名第二的槳1：Etotal值為3654kW，降低了1.5%；航速為18.93kn，提高了0.7%。

圖1 螺旋槳3 輪優化結果

3.3 舵葉優化效果

舵系優化之后，可使船舶達到提高經濟性和操縱性的雙重效果[5]。該船舵葉3 輪優化結果見圖2。根據試驗結果，雖然舵葉3 在航速大于15.2kn 時的主機平均營運功率最低，但其在12～15kn 航速范圍內基本上處于最高位置。因此，最終選擇在12～15kn 航速范圍內表現最優的舵葉1，其試驗結果相比舵葉3：Etotal值為3534kW，降低了3.3%；航速為19.08kn，提高了0.6%。

圖2 舵葉3 輪優化結果

3.4 綜合優化效果

該船經過線型、螺旋槳和舵的3 輪優化之后的性能與最初規格書中的參數相比，取得的綜合效果如下：

1) 主機平均營運功率Etotal從5438kW 降至3534kW，降低了35.1%，主機的燃油消耗相應降低了約35%，大大減少了船舶營運中的燃油費用。

2) 船舶最大服務航速從18.9kn 增加到19.08kn，增加了0.18kn，增幅為1.0%。

3) 船舶在結構吃水下的均質裝箱量由2900TEU 增加到2948TEU，增加了48TEU，增幅為1.7%。

4) EEDI 滿足IMO 第三階段排放的要求。根據試航結果計算的驗證值（attainted EEDI）為13.6g/tnm，比交船時強制要求的值降低了26.9%（按規范規定，該船適用于2019年底前交船的第一階段），比2025年以后交船的第三階段要求值降低了6.2%。從該方面看，3 輪優化結果為該船減少溫室氣體排放做出了較大的貢獻。

4 結 語

通過對3種線型設計、3 個螺旋槳廠家的設計和3 個舵葉廠家的設計進行多輪優化、試驗，從試驗結果對比分析中優選出了使該船在經濟性和環保方面都有較好表現的方案。但應認識到，該優化選擇過程花費的時間和經濟成本比較大：該船的整個優化試驗過程耗時超過6 個月，直接花費超過100 萬美元，結構增重50t 鋼材。因此，在對其他船舶進行性能優化時，需綜合平衡船舶實際營運特點和其他各方面的成本，選擇切合實際的性能優化方案。