230客位小水線面客船總體設(shè)計(jì)

王偉,徐力,郭翔宇,張志強(qiáng),劉玉川,楊佑宗

(1．中國(guó)船舶科學(xué)研究中心上海分部,上海 200011;2.蓬萊中柏京魯船業(yè)有限公司,山東 蓬萊 265601)

小水線面雙體船(SWATH)具有常規(guī)雙體船甲板面積寬敞、耐波性能良好的特點(diǎn),被廣泛用作交通艇、調(diào)查船、工作船、救生艇、巡邏艇、導(dǎo)彈艇等。目前,已有的小水線面客船均不是航行于遠(yuǎn)海航區(qū),并不需要滿足IMO國(guó)際海上人命安全公約1974(SOLAS)關(guān)于遠(yuǎn)海客船的破艙穩(wěn)性要求。其他比較典型的小水線面船型不是客船,或者是在新規(guī)范出來(lái)之前設(shè)計(jì)的,故破艙穩(wěn)性也均不需要滿足SOLAS2009關(guān)于客船的破艙穩(wěn)性指標(biāo)要求。

國(guó)際海事組織(IMO)在第98屆海事安全委員會(huì)通過(guò)的SOLAS2020修訂案[1],提高了客船的破艙穩(wěn)性要求。SOLAS2020修訂案雖仍采用概率破艙穩(wěn)性評(píng)估方法,但與SOLAS2009相比,前者提高了客船要求的分艙指數(shù),即提高了破損進(jìn)水情況下客船保持穩(wěn)性和正浮能力的要求。這對(duì)小水線面客船破艙穩(wěn)性也提出了更高的要求。所以,需要權(quán)衡船體線型設(shè)計(jì)、總布置設(shè)計(jì)和艙室水密劃分,以滿足穩(wěn)性要求。

1 目標(biāo)船概況

所述船型為鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)海旅游客船,采用小水線面雙體船型,根據(jù)母型船“沈括號(hào)科考船”[2]改型優(yōu)化設(shè)計(jì),由水下潛體、水上平臺(tái)及支柱3部分組成,具有雙層連續(xù)甲板,使用直角傳動(dòng)的推進(jìn)方式,兩臺(tái)主機(jī)功率均為1 104 kW,右潛體首部設(shè)置側(cè)推裝置。在左右潛體內(nèi)側(cè)艏艉各設(shè)一對(duì)穩(wěn)定鰭。

主尺度和要素見(jiàn)表1,外觀設(shè)計(jì)效果見(jiàn)圖1。

圖1 船型效果圖

表1 船舶主尺度和要素

本船按下列主要規(guī)范及規(guī)則設(shè)計(jì)。

1)中華人民共和國(guó)海事局《國(guó)際航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(2020)。

2)中國(guó)船級(jí)社《國(guó)際航行海船建造規(guī)范》(2020)。

3)IMO國(guó)際海上人命安全公約2020。

2 總布置設(shè)計(jì)

2.1 主甲板以上艙室布置

全船從底到頂部,主甲板以下分別布置有雙層底、下平臺(tái)、上平臺(tái)、濕甲板,主甲板及以上部分分別設(shè)有主甲板、上甲板、船長(zhǎng)甲板、駕駛甲板、羅經(jīng)甲板等5層甲板。主船體的濕甲板以下為左、右支柱和左、右潛體。

主甲板層布置從船尾到船首可以大致分為4個(gè)區(qū)域:①尾部布置有船尾部索纜區(qū)域,垃圾堆房間,油漆間,二氧化碳間,氣墊船和分設(shè)在左右的一對(duì)船尾樓梯;②尾前部分布置有廚房,數(shù)個(gè)食材倉(cāng)庫(kù),船員餐廳,少數(shù)客艙,還有一部公共電梯和一部送餐電梯;③船中部布置有大量的客房,一對(duì)船中樓梯和一對(duì)船首樓梯,男衛(wèi)生間和女衛(wèi)生間,由接待廳、兩側(cè)登程點(diǎn)和商品店的等組成接待區(qū)域;④主甲板首部布置有左右兩側(cè)的錨鏈艙和中間的觀光平臺(tái)。見(jiàn)圖2。

圖2 總布置示意

上甲板層布置大部分區(qū)域?yàn)槌丝涂头繀^(qū)域。衛(wèi)生間、電梯和樓梯登與上下層相通并且位置相對(duì)應(yīng)。在尾部布置有應(yīng)急發(fā)電機(jī)室,健身房,醫(yī)務(wù)室,空調(diào)機(jī)房、洗衣烘衣室,會(huì)議室,被服間和備品間等。中部有一間多功能廳。船首左右側(cè)為錨機(jī)區(qū)域,中間為觀光平臺(tái)。

船長(zhǎng)甲板層布置大部分區(qū)域?yàn)槌丝涂头亢痛瑔T居住區(qū)域。衛(wèi)生間、電梯和樓梯登與上下層相通并且位置相對(duì)應(yīng)。在尾部的左右兩側(cè)都布置有救生艇和逃生集合站。尾部中間布置有空調(diào)機(jī)房,被服間,儲(chǔ)物間,多功能會(huì)議室等。靠近船首區(qū)域有一間船長(zhǎng)辦公室。

駕駛甲板層布置首部為駕駛室(含報(bào)務(wù)區(qū)、海圖區(qū))、蓄電池間、充電室、衛(wèi)生間、資料間和梯道以及相應(yīng)艙室的通風(fēng)管道。駕駛室后方布置餐廳,并一直延伸到接近船尾處,餐廳內(nèi)有下行的樓梯和電梯及公共衛(wèi)生間。尾部區(qū)域可以到達(dá)逃生集合站。

羅經(jīng)甲板層布置相關(guān)的通訊導(dǎo)航設(shè)備,在餐廳頂部上方布置直升機(jī)懸停用平臺(tái)。

2.2 主甲板以下艙室布置

全船主甲板及以下部分從尾部到首部共設(shè)水密橫艙壁11道。從潛體底直通至濕甲板和主甲板,距舯左、右4 500 mm處設(shè)水密縱艙壁2道,形成2縱8橫的艙壁組合。濕甲板左右舷從尾至船體首部主要布置了舵機(jī)艙,主發(fā)電機(jī)艙,污水處理設(shè)備艙和備品艙等。見(jiàn)圖3a),該船型主甲板以下開(kāi)始過(guò)渡分成兩部分,同常規(guī)單體船布置區(qū)別較大,對(duì)于大型設(shè)備較難布置,所以對(duì)于濕甲板的層高有一定的要求,既要滿足主發(fā)電機(jī)的布置要求,又要盡可能的降低層高,以降低船體重心,提高穩(wěn)性。

圖3 主甲板以下艙室布置

濕甲板以下為船體的支柱體部分(也稱小水線面船體位置),由于小水線面的特性,該位置的寬度僅占到船寬的16.5%,空間布置更為緊張。通常該部分不能用于布置設(shè)備,僅用于布置進(jìn)入下潛體的通道、空艙和部分壓載水艙,見(jiàn)圖3b)。

支柱體以下為下潛體。下潛體的寬度接近支柱體寬度的2倍,相對(duì)來(lái)說(shuō)空間充裕了很多。本船從尾到首部布置了推進(jìn)電機(jī)艙、燃油艙、淡水艙、泵艙、壓載水艙和首部側(cè)推艙等。另外,下潛體還布置了雙層底,可滿足客船關(guān)于雙層底設(shè)置的要求。雙層底主要用于設(shè)置雙層底壓載艙,以及其他生活污水艙和灰水艙等,見(jiàn)圖3c)。

3 型線設(shè)計(jì)和水動(dòng)力性能分析

3.1 基于CFD技術(shù)的線型優(yōu)化方案

通過(guò)CFD技術(shù)和NAPA線型優(yōu)化模塊,結(jié)合穩(wěn)性計(jì)算分析開(kāi)展多輪目標(biāo)船型的線型優(yōu)化設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)初期基于母型船的線型對(duì)船體進(jìn)行加長(zhǎng),生成船型方案HULL-A,在穩(wěn)性計(jì)算分析中發(fā)現(xiàn)該方案很難滿足SOLAS2020關(guān)于客船破艙穩(wěn)性的要求。前期計(jì)算發(fā)現(xiàn),提高破艙穩(wěn)性的最有效方式是提高船舶的橫穩(wěn)性高KMT值。常規(guī)單體船是通過(guò)增加船寬來(lái)提高KMT值,對(duì)于小水線面船是通過(guò)增加小水線面支柱體的寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但加寬小水線面位置支柱體寬度必然會(huì)增加阻力和推進(jìn)功率,從而會(huì)導(dǎo)致增大本船主發(fā)電機(jī)和推進(jìn)電機(jī)的尺寸,由于本船布置受限,所以要盡可能減小支柱體增加的寬度,以降低發(fā)電機(jī)和推進(jìn)電機(jī)功率。

針對(duì)小水線面支柱體寬度進(jìn)行多方案的分析。如圖4所示的3個(gè)線型方案(HULL-A、HULL-B、HULL-C),開(kāi)展3輪線型優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 線型方案橫剖面最大寬度位置示意

其中,HULL-B是在HULL-A基礎(chǔ)上把支柱體加寬0.5 m,HULL-C是在HULL-A基礎(chǔ)上把支柱體加寬1.0 m。然后開(kāi)展阻力評(píng)估和穩(wěn)性的計(jì)算分析。3種船型的線型方案橫穩(wěn)性高KMT和縱穩(wěn)性高KML[3]變化曲線見(jiàn)圖5。

圖5 線型方案KMT和KML的變化

由圖5可見(jiàn):在4～7 m的吃水范圍,船型HULL-C比HULL-A和HULL-B的KMT和KML均有大幅提高。其中,HULL-C的KMT值比HULL-A約提高了20%,這對(duì)穩(wěn)性的提高起到了決定性的作用。經(jīng)CFD計(jì)算雖然支柱體寬度增加了1.0 m,HULL-C的阻力比HULL-A的增加了約8%,但滿足布置要求的主機(jī)和推進(jìn)電機(jī)都仍可滿足設(shè)計(jì)航速的要求,最終選定的HULL-C船型方案在設(shè)計(jì)航速Vs=12 kn時(shí)的自由面波形云圖見(jiàn)圖6。

圖6 HULL-C方案設(shè)計(jì)吃水自由面波形云圖

3.2 耐波性分析

本船型和母型船一樣,尾部設(shè)置2個(gè)可調(diào)攻角的水平鰭,首部設(shè)1個(gè)固定攻角的水平鰭。采用SESAM計(jì)算軟件對(duì)船型HULL-C進(jìn)行初步耐波性評(píng)估。通過(guò)計(jì)算船舶在垂蕩、橫搖和縱搖方向上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),以此來(lái)分析該型船的耐波性能。船體在同一浪向下不同波浪頻率的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值見(jiàn)圖7。

圖7 兩種方案小水線面船型運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值對(duì)比

由圖7可見(jiàn),除在垂蕩方向上船型HULL-C的峰值較船型HULL-A大外,在縱搖及橫搖方向上,船型HULL-C的耐波性都較船型HULL-A更優(yōu),峰值僅為船型HULL-A的60%～65%。支柱寬度增加,對(duì)小水線面雙體船垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響甚微,但是對(duì)縱、橫搖均有明顯改善。

4 穩(wěn)性

小水線面船型的上船體儲(chǔ)備浮力很大,完整穩(wěn)性良好,這里不做詳細(xì)分析。主要針對(duì)破艙穩(wěn)性開(kāi)展分析。國(guó)際海事組織(IMO)在第98屆海事安全委員會(huì)(MSC.421 (98))上通過(guò)的SOLAS2020修訂案,提高了客船的破艙穩(wěn)性要求。SOLAS 2020修訂案雖仍采用概率破艙穩(wěn)性評(píng)估方法,但與SOLAS2009相比,前者提高了客船要求的分艙指數(shù),即提高了破損進(jìn)水情況下客船保持穩(wěn)性和正浮能力的要求。具體如下。

在SOLAS2020修訂案中,客船要求的分艙指數(shù)R計(jì)算如下。

(1)

式中:N為船上的乘客和船員總?cè)藬?shù)。

而在SOLAS2009中,要求的客船分艙指數(shù)R則計(jì)算如下。

(2)

式中:LS為船體分艙長(zhǎng)度;N′=N1+2N2,N1為救生艇可搭載的人數(shù),N2為去除N1以后允許載運(yùn)的船員人數(shù)。如果本船按照SOLAS2009要求R值為0.683 4,而按SOLAS2020則把R值提高到了0.722,進(jìn)而帶來(lái)客船穩(wěn)性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)聯(lián)專業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高。

小水線面船型水下潛體是2個(gè)平行的類(lèi)似于魚(yú)雷或小型潛艇的水下船體,提供約占全船70%以上的浮力。支柱體是2個(gè)較薄的流線型柱體,將水下潛體與水上平臺(tái)連接成一體,決定小水線面船的主要特性。本船下潛體上源在4 m吃水(圖4所示),設(shè)計(jì)吃水為6 m,HULL-A、HULL-B和HULL-C3個(gè)船型方案,從4～6 m范圍的小水線面支柱體的排水量分別占全船排水量的20.8%、22.6%和24.4%。可以看出,支柱體的水線面較小,排水體積也較小,僅能提供不到全船30%的浮力。因此在支柱小水線面吃水范圍內(nèi),有效載荷相對(duì)較小,支柱小水線面(吃水)對(duì)載荷變動(dòng)較敏感,要通過(guò)精確控制壓載水艙與鰭來(lái)調(diào)整浮態(tài)和航態(tài)。本船設(shè)計(jì)之初綜合考慮了型線設(shè)計(jì)、艙室布局、艙室水密劃分,再結(jié)合裝載計(jì)算和穩(wěn)性分析附近停放進(jìn)行多輪設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)初期,先針對(duì)母型船開(kāi)展艙室劃分和穩(wěn)性分析。由于該船下潛體和支柱體的布置空間要比常規(guī)單體船小很多,所以設(shè)計(jì)初期盡可能采用相對(duì)較為寬敞的艙室布置方案,從船尾到船首的縱向水密艙壁間距基本都在5.4～7.2 m,見(jiàn)圖8a)和圖9a)。

圖8 船長(zhǎng)方向艙室水密分割改進(jìn)前后對(duì)比

圖9 典型橫剖面艙室水密分割改進(jìn)前后對(duì)比

初始設(shè)計(jì)時(shí),考慮下潛體空間較緊張,未設(shè)置雙層底,但因本船為客船所以破艙穩(wěn)性還需滿足SOLAS2020關(guān)于客船的底部破損要求,即當(dāng)?shù)撞科茡p要求最終浸水橫傾角應(yīng)不超過(guò)7°,浸水中間階段的最大橫傾角應(yīng)不超過(guò)15°。計(jì)算發(fā)現(xiàn)很多破損組合的最終橫傾角都已經(jīng)超過(guò)7°,破艙狀態(tài)確實(shí)非常糟糕。底部破艙工況最終橫傾角見(jiàn)圖10。

圖10 HULL-A船型船體底部破艙工況最終橫傾角

另外,計(jì)算發(fā)現(xiàn)概率破損穩(wěn)性也很難滿足,離要求的生存概率指數(shù)差距甚遠(yuǎn)(差距約24%),見(jiàn)表2。可以看出初始船型HULL-A的艙室布置方式難以符合本船的穩(wěn)性設(shè)計(jì)要求。

表2 HULL-A船型初步概率破艙計(jì)算結(jié)果

針對(duì)HULL-A船型改進(jìn)的艙室劃分進(jìn)行概率破艙的計(jì)算分析,艙室劃分改進(jìn)后單區(qū)破損生存概率指數(shù)比初始劃分計(jì)算值提高了很多,如表3中HULL-A的生存概率指數(shù)A比表2里初始方案計(jì)算的指數(shù)提高了約13.2%,但還是不能滿足破艙穩(wěn)性要求。

表3 三種船型方案的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

采用HULL-A船型改進(jìn)的艙室布置方案,對(duì)增加小水線面寬度的另外2種船型方案開(kāi)展概率破艙計(jì)算分析。對(duì)比3種船型方案最終的生存概率指數(shù)計(jì)算值見(jiàn)表3。

本船最終的穩(wěn)性計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 穩(wěn)性最小值與裝載工況的＇對(duì)比

5 結(jié)論

1)增加小水線面支柱寬度雖會(huì)增加些船體總阻力,但可顯著提高穩(wěn)性。

2)合理增加水密艙分艙數(shù)和降低重心,可使得概率破艙指數(shù)提高約13.2%。

3)增加小水線面支柱寬度可顯著提高破艙穩(wěn)性。小水線面寬度增加1 m可以使得破艙穩(wěn)性A指數(shù)提高約16.6%,結(jié)合2)的措施可滿足SOLAS2020的破艙穩(wěn)性要求。

4)合理增加小水線面支柱的寬度能明顯改善縱搖和橫搖,而對(duì)垂蕩影響甚微。

5)該小水線面雙體客船的完整穩(wěn)性很優(yōu)秀,但破艙穩(wěn)性較難滿足SOLAS2020的要求。

該類(lèi)型船型在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)還可以通過(guò)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)減輕船體重量,降低裝載重心,進(jìn)一步提高穩(wěn)性。比如全船采用鋁合金船體,結(jié)合雙層底設(shè)置固定壓載的方式來(lái)降低裝載重心,提高穩(wěn)性裕度。