“Viking Glory”豪華客滾船總體設計

劉劍峰

（廈門船舶重工股份有限公司，福建廈門 361026）

0 前言

豪華客滾船是典型的高附加值船舶，通常一艘船的造價在1億～2億美元，與其他常規(guī)船型相比，豪華客滾船具有如下特性：設計繁雜、裝飾豪華、建造周期長、船東要求高和造價昂貴。因此，豪華客滾船的設計和建造集中了技術、資金和信息的密集性，對船廠的要求極高。這不僅體現(xiàn)在對現(xiàn)代造船業(yè)的設計與建造能力方面，更在文化理念、風俗習慣和審美情趣等方面有著近乎苛刻的要求。

在此情況下，豪華客滾船的研發(fā)、建造技術和工藝長期以來只集中在少數(shù)幾家歐洲大船廠手中，沒有設計與建造經驗的造船企業(yè)很難準確判斷豪華客滾船的研發(fā)與建造的難度。同時，因其在船舶設計，尤其是內裝設計和配套裝潢設計以及建造工程復雜、技術難度大、施工和配套環(huán)節(jié)多，有很高的風險性，豪華客滾船的設計建造對總體設計等單項關鍵技術具有嚴格的要求。

本文對“Viking Glory”客滾船的總體設計方案進行詳細介紹，對設計中遇到的問題及解決方法進行詳細闡述，并提出豪華客滾船總體設計的主要關注點和注意事項。

1 概述

“Viking Glory”客滾船是由Deltamarin Ltd Finland 與廈門船舶重工股份有限公司聯(lián)合設計[1]，為芬蘭船東Viking Line Abp建造的現(xiàn)代化多用途豪華客滾船。

該船主要運營于芬蘭圖爾庫和瑞典的斯托哥爾摩航線，可以乘坐3 000 人，包括有200 個船員和2 800 個乘客，同時還可用于裝載各類車輛和包裝類危險品。該船具備安全返港的能力，采用全電力推進，配置2 臺ABB 吊艙推進器、3 臺艏側推、6 臺LNG 雙燃料主機、LNG 冷能回收系統(tǒng)、廢熱回收系統(tǒng)。此外，該船采用先進的郵輪中央控制及報警監(jiān)測系統(tǒng)、酒店系統(tǒng)和藍牙系統(tǒng)等，是目前世界上客滾船里體型最大、裝修最豪華、高度節(jié)能環(huán)保的新一代郵輪型客滾船。

1.1 船舶入級和掛旗

該船入級挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）[2]，懸掛芬蘭旗，船級符號及具體含義見表1。

表1 各個船級符號的具體含義

1.2 主要尺度和參數(shù)

“Viking Glory”客滾船的主尺度見表2。

表2 “Viking Glory”客滾船主尺度

2 總布置

“Viking Glory”客滾船共設有13 層甲板，其中服務和技術處所主要位于3 甲板以下。根據(jù)安全返港要求[3]，按照艏艉方向分成2 個主機艙和2 個輔助設備間，上下分為內底和2 甲板。主機艙內底主要布置主機、鍋爐、廢熱回收、LNG 輔助設備、減鰩鰭等大型設備，以及為主推進服務的主要輔助設備。2 甲板主要布置一些飲用水設備。輔助設備間內底主要布置其他的泵浦板冷等輔助設備，2 甲板主要布置集控室、配電板間和機修間等。

3 甲板和5 甲板之間為貨物處所，設有1 個拖車甲板（3 甲板），私人汽車活動甲板（4 甲板）和1 個汽車甲板（5 甲板），5 甲板配置約20 個充電樁，可根據(jù)不同電壓等級為各種型號的電動汽車充電。車輛可直接通過3 甲板艉門或5 甲板邊門進入，并從艏門駛出，4 甲板活動甲板的艏艉端可充當坡道使用。

5～8 甲板共設有5 種類型的船員艙室和17 種類型的乘客艙室，總共1 124 個居住艙室，能夠滿足不同乘客多方位的需求。9～11 甲板主要布置公共娛樂場所，擁有12 個各色餐廳、大型免稅店、多功能會議中心、兒童娛樂室、咖啡廳、商場、電影院、演藝廳、泳池、陽光休閑甲板等休閑娛樂設施，是運輸、旅游、休閑、購物完美的結合體，讓旅客在安全旅行的同時，可以盡情享受海上星級賓館的服務。“Viking Glory”客滾船具體布置見圖1。

圖1 “Viking Glory”客滾船總布置圖

3 線型設計

“Viking Glory”客滾船的方型系數(shù)相對較小，航速較高，因此線型較為修長，艏端尖瘦，平行中體中段短，舯部橫剖面具有較大舭部半徑，浮心位置相對靠后，設計水線艏端半進角較小，艉部采用方尾。由于較高的航速需求，推進功率的需求也就較大，因而螺旋槳的負荷會比較高。但是該船的吃水和槳徑又受到航道限制，這就要求只能通過設置雙槳來分擔負荷。該船航線固定，主要運營于芬蘭圖爾庫和瑞典斯德哥爾摩港口之間，航程短，時間周期固定，正好一天一個來回，因此對船舶的航速和操縱性能要求也就非常高。綜合評估下來，最后選定2 個ABB 的吊艙推進器，考慮到冰區(qū)加強和螺旋槳推進效率，螺旋槳材質選用不銹鋼。

3.1 艏部線型設計

“Viking Glory”的興波阻力是構成總阻力的重要組成部分，因此在線型設計時，從阻力性能考慮，主要著眼點是如何減少其興波阻力，線型優(yōu)化時，關注更多的是艏部的線型。加上該船航行區(qū)域的淺水航道較多，出于對該區(qū)域海洋生物的保護和減少對兩岸海堤的沖刷，船東要求在航行過程中，由艏部線型引起的興波不能太大，這對于艏部線型的設計也提出了很高的要求。此外，還要特別考慮艏門通道與港口設施的連接，綜合考慮，最終該船確定采用球鼻艏。通過合理地選擇球艏的幾何參數(shù)，使之在于球艏的興波與主船體的艏橫波形成有利的干擾，從而起到降低阻力，提高航速的作用。

3.2 艉部線型設計

艉部線型設計主要是考慮吊艙的布置以及與橫剖型線的配合，設計艉部線型時，艉框內的形狀和尺寸應根據(jù)吊艙的具體位置和尺寸，考慮槳葉和艉框間的間隙來決定。槳葉及艉框之間間隙的大小主要影響螺旋槳對船體的激振力，同時也與推進效率和阻力有關。另外該船的艉部線型設計還要特別考慮艉門的布置，再加上通過對一些附體節(jié)能效果的研究和分析，本船確定加裝了鴨尾和尾楔。鴨尾相當于增加了該船的長度，特別是在高速時，長度的增加對興波阻力的減少明顯有益，而尾楔的加裝，可明顯對該船尾部的水流起到了阻滯作用，使流動速度變緩, 影響區(qū)域可達到螺旋槳盤面以前。尾楔雖然本身增加了船體的阻力，但是因流速變緩而引起的船體表面水動壓力的增加卻使該船的阻力減小。另外，流速減緩后，螺旋槳伴流分數(shù)增大，這將導致船身效率增加，對螺旋槳推進效率提高也是大有好處。本船的艏艉部線型及吊艙推進布置見圖2。

圖2 “Viking Glory”艏部線型和艉部線型

續(xù)圖2 “Viking Glory”艏部線型和艉部線型

4 穩(wěn)性研究

該船完整穩(wěn)性需滿足《2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則》（2008 International Code on Intact Stability）；破艙穩(wěn)性需滿足《國際海上人命安全公約》（International Convention for Safety of Life at Sea，SOLAS）對破艙穩(wěn)性的要求以及《斯德哥爾摩公約》中關于滾裝客船特殊穩(wěn)性要求的協(xié)議（有義波高4.0 m）的要求。

4.1 完整穩(wěn)性

“Viking Glory”客滾船的上層建筑豐滿，受風面積大，加上客滾船的布置特點，使得該船無法左右舷完全對稱布置，因此在設計過程中，須重點考慮橫傾，縱傾的影響[4]。同時，該船裝載的汽車品種、型號繁多，裝載工況也非常多，在設計過程中不可能將所有的工況都進行核算，只選取一些能代表船舶載貨能力的最不利于穩(wěn)性的典型工況，對其完整穩(wěn)性以及大受風面積下的風傾穩(wěn)性等進行詳細的分析和研究。該船為實現(xiàn)最經濟的裝載效果，對無壓載出港的可行性進行了分析，這對船舶的重量重心的控制，型線的設計等提出了更高的要求。

該船對于大傾角穩(wěn)性下的橫傾進水角度如何確定是個難題。國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）規(guī)定的穩(wěn)性衡準要求船舶橫傾40°以下無非保護開口，即船舶的橫傾進水角要大于40°，除非船舶的穩(wěn)性衡準能滿足以下2 點要求：

1）在0°與進水角θf（θf＜40°）復原力臂曲線下的面積應不小于0.09 m·rad。

2）在橫傾角30°與進水角θf（θf＜40°）之間復原力臂曲線下的面積應不小于0.03 m·rad。

如果該船按照常規(guī)考慮橫傾進水角為40°的話，則車輛艙和干舷甲板以下艙室的通風進水口高度將大幅提高，這將使得通風管路設計和布置變得非常復雜。該船通過具體對所有典型工況的穩(wěn)性衡準進行校核，優(yōu)化并確認非保護開口的橫傾進水角可減小到35°，大大縮短干舷甲板下眾多艙室的通風管路長度，從而節(jié)約空船重量和布置空間。“Viking Glory”干舷甲板以下空調壓縮機間通風管路布置圖見圖3。

圖3 “Viking Glory”干舷甲板以下空調壓縮機間通風管路布置圖

4.2 破艙穩(wěn)性

“Viking Glory”客滾船具有貫穿全船的大車輛艙，并且型深相對較低，如何滿足破艙穩(wěn)性要求成為該船設計中的難題之一，無論是分艙布置，還是裝載和浮態(tài)的變化，都會對該船破艙穩(wěn)性有不同程度的影響[5]。該船在設計之初，通過合理的總布置來調節(jié)船舶浮態(tài)，盡量控制典型裝載工況的縱傾；盡量降低船舶的重心，獲取合適的GM 值；合理分艙或設置橫貫進水裝置，以盡量減少不對稱進水，來減少橫傾，提高船舶的殘存穩(wěn)性。

此外，該船還需滿足《斯德哥爾摩公約》中關于滾裝客船特殊穩(wěn)性要求的協(xié)議（有義波高4.0 m）的要求，在破艙計算中，需要假定車輛甲板積水,并根據(jù)ISO相關計算要求進行額外的邊艙破損計算。

5 振動噪音

該船除了滿足IMO《船上噪聲等級規(guī)則》，還要滿足DNV 船級符號中最高等級COMF(V1)的舒適度要求、芬蘭當局的船舶噪音要求，以及船東在規(guī)格書中提出的對于港口狀態(tài)下外部噪音的要求。這不僅增加了設計難度，也對噪音源的設備選型、安裝節(jié)點、降噪材料、布置方式，以及噪音接收端的艙室壁板安裝節(jié)點都提出了最嚴格的要求。該船主要從聲源控制、傳輸途徑控制進行了專門的分析并采取了多種控制措施來確保噪聲滿足要求。

5.1 聲源控制噪聲

從聲源入手控制噪音，是噪聲控制中最根本和最有效的手段。該船設計采用吊艙推進系統(tǒng)，相比于常規(guī)軸系推進，大大降低了螺旋槳的噪音。該船在設計的早期階段，對螺旋槳做了軸系傳遞剪力彎矩分析、空泡分析和激振力分析，預測了相關工況下螺旋槳的噪音水平，并通過數(shù)據(jù)庫比對，發(fā)現(xiàn)螺旋槳產生的噪音水平甚至明顯低于常規(guī)豪華郵輪，預測的噪音水平也為后續(xù)將要開展的全船噪音分析提供了可靠的輸入條件。

5.2 傳輸途徑控制

噪聲源的噪聲通過空氣聲和結構聲這2 種方式傳播，對此兩種傳輸途徑的控制是最常用的辦法。該船通過多種手段控制噪音傳輸，包括采用彈性基座、彈性支撐以避免結構傳聲；增加消聲器、設置隔音墻以降低噪聲的傳遞；使用浮動地板，壁板和隔斷墻不能與鋼結構艙壁有鋼性接觸；天花板與上層甲板如有連接，需使用彈性支撐；浮動地板的頂層與鋼艙壁的連接處使用彈性材料阻斷；這些措施的實施均可有效降低結構聲的傳遞與輻射。

6 空船重量重心的控制

客滾船的重量重心控制要求極高，國內外客滾船的空船重量未達設計要求的事例，時有發(fā)生，主要原因是船舶優(yōu)化設計和重量重心控制的廣度和深度不夠。重量重心控制是船舶設計和建造過程中一項重要工作，涉及面廣、內容繁瑣、持續(xù)周期長，這些特點決定了重量重心控制的難度。

該船的重量重心控制分為設計準備、送審設計、生產設計和建造過程等4 個階段進行，通過成立專項重量重心控制小組，對相關階段的重量重心控制策略和措施進行攻關策劃，取得了非常不錯的效果。特別是在船舶鋼材和管材材料選型和厚度公差管控，設備、舾裝件輕量化設計選型、甲板變形和輔料敷設精度控制，焊角高度和油漆施工質量控制，上建總包公共區(qū)域質量控制，船東技術修改變更和船東供應品重量監(jiān)控等多方面，成果顯著，實現(xiàn)了對本船重量重心的控制目標。

7 安全返港

為保證該船相關系統(tǒng)滿足安全返港相關規(guī)范法規(guī)要求[6]，將整個安全返港支撐系統(tǒng)分成7 個階段進行分析。首先定義系統(tǒng)構架，然后根據(jù)認可的詳細設計圖紙，在背景圖上明確相關設備電纜/管路實際路徑，并建立全船數(shù)學模型，通過程序仿真分析各個事故情況下，各個電纜/管路路徑丟失情況得出結論，判定現(xiàn)有的設計是否滿足規(guī)范法規(guī)要求。該船的安全返港主要難點在以下4 個方面：

1）需多專業(yè)進行統(tǒng)籌考慮。在滿足針對安全返港的規(guī)范法規(guī)前提下，需要從分艙、防火分隔、管系設計、電氣系統(tǒng)設計各個方面統(tǒng)籌協(xié)調考慮，以簡化系統(tǒng)設計，降低建造運營成本。

2）涉及系統(tǒng)復雜，故障分析工作量大。該船安全返港一共涉及18 個大系統(tǒng)，需要針對1 000 余條電纜/管路路徑在385 個進水/失火故障情景下的逐一進行故障分析。

3）涉及范圍面很廣，包括設計和建造所有環(huán)節(jié)。所有安全返港涉及電纜/管路實際敷設路徑需要與提交定義文件一致，因此需要所有生產設計人員，現(xiàn)場施工人員清楚了解所有相關涉及電纜/管理布置原則以及路徑，對設計以及建造管理提出了很高的要求。

4）新規(guī)范、新法規(guī)的挑戰(zhàn)。船級社、掛旗國以及設備供應商對于規(guī)范要求也在不斷深入，不斷有新的解釋出現(xiàn)，影響該船的設計和建造（比如安全返港涉及航行燈范圍，電纜如何判定在失火故障條件下仍能正常工作等）。

8 結論

本文從總布置、線型設計、穩(wěn)性研究、振動噪音、重量控制和安全返港等6 個方面闡述了大型豪華客滾船的設計特點，介紹了“Viking Glory”客滾船總體設計方案，并分析了設計中遇到的問題和解決方法。在此基礎上，給出了豪華客滾船總體設計的主要關注點和注意事項。本文的研究成果可為今后大型豪華郵輪的設計和建造奠定基礎。