凌乃俊， 殷曉俊， 張志強(qiáng)， 袁 野

(1.中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116600； 2.航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

0 引 言

縱觀整個(gè)航運(yùn)市場(chǎng)和造船市場(chǎng)，國(guó)際油價(jià)的快速上漲促使船舶燃油費(fèi)用日益增加，而航運(yùn)業(yè)的持續(xù)低迷又進(jìn)一步導(dǎo)致新造船價(jià)格和二手船價(jià)格大幅下滑，航運(yùn)市場(chǎng)和造船市場(chǎng)的利潤(rùn)空間被大幅壓縮。與此同時(shí)，能效設(shè)計(jì)指數(shù)規(guī)范(Energy Efficiency Design Index,EEDI)已于2013-01-01正式生效。對(duì)現(xiàn)有船型進(jìn)行持續(xù)地改進(jìn)和優(yōu)化，降低EEDI指數(shù)，減少船舶能耗已經(jīng)迫在眉睫，刻不容緩。

中遠(yuǎn)船務(wù)曾與國(guó)外船東簽訂了2艘35 000 DWT散貨船的設(shè)計(jì)、建造合同，模型試驗(yàn)已順利完成，航速指標(biāo)滿(mǎn)足合同的要求。但在新形勢(shì)下，船東的關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)從傳統(tǒng)的艙容、載重量開(kāi)始轉(zhuǎn)向油耗、EEDI指標(biāo)等要素，為了順應(yīng)這一趨勢(shì)，保持中遠(yuǎn)船務(wù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)35 000 DWT散貨船進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并再次進(jìn)行了模型試驗(yàn)。

35 000 DWT散貨船的優(yōu)化設(shè)計(jì)取得了成功，成為目前市場(chǎng)上同類(lèi)船型中性能優(yōu)良的產(chǎn)品，獲得船東的高度認(rèn)可和好評(píng)，憑借35 000 DWT散貨船的優(yōu)越性能，中遠(yuǎn)船務(wù)在船市低谷期不斷發(fā)力，陸續(xù)獲得了該型船的訂單。

1 概 述

1.1 總布置及用途

如圖1所示，35 000 DWT散貨船屬無(wú)限航區(qū)靈便型散貨船，為單機(jī)、單槳、球艏、方艉船型，具有一層連續(xù)上甲板，且?guī)в恤紭羌装?。該船滿(mǎn)足CSR、NOx排放、壓載水管理及EEDI等規(guī)范要求，適用于運(yùn)載媒、礦石、水泥、散裝谷物和鋼卷板以及部分危險(xiǎn)貨物。

圖1 35 000 DWT散貨船總布置圖

1.2 主要參數(shù)

總長(zhǎng)LOA為179.99 m；垂線間長(zhǎng)LBP為172.00 m；型寬B為30.00 m；型深D為14.70 m；設(shè)計(jì)吃水TD為9.50 m；結(jié)構(gòu)吃水TS為10.10 m；服務(wù)航速為14.0 Knots；載重量為35 500 t；貨艙容積為49 000 m3。

2 船型優(yōu)化

2.1 總體優(yōu)化目標(biāo)

35 000 DWT散貨船為中遠(yuǎn)船務(wù)自主研發(fā)產(chǎn)品，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，此優(yōu)化設(shè)計(jì)方案旨在通過(guò)型線優(yōu)化、主機(jī)選型及功率點(diǎn)優(yōu)化等措施，減小船舶阻力，降低船舶油耗，降低EEDI能效設(shè)計(jì)指數(shù)，進(jìn)而提高船舶綜合性能。

2.2 型線優(yōu)化

圖2 原型船與改型船的橫剖線圖對(duì)比

所述型線優(yōu)化思想同時(shí)基于勢(shì)流理論和粘流理論，通過(guò)減小船舶興波阻力和粘壓阻力的方式提高船舶航速，并優(yōu)化螺旋槳伴流場(chǎng)，進(jìn)而提升船舶性能。由于該船型的方形系數(shù)較大，已屬于肥大船型系列，因此除考慮興波阻力外，也要考慮粘壓阻力，減小伴流場(chǎng)對(duì)螺旋槳工況產(chǎn)生的不利影響。

為實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，著重從三方面對(duì)35 000 DWT散貨船進(jìn)行了型線變換，原型船與改型船的橫剖線圖見(jiàn)圖2。

1) 艏部型線優(yōu)化。調(diào)整艏部水線形狀為微凸形，避免“突肩”；調(diào)整設(shè)計(jì)水線面的進(jìn)流角，減小艏部設(shè)計(jì)吃水處水線面面積，減小形狀阻力、破波阻力和艏底旋渦。

2) 艉部型線優(yōu)化。調(diào)整水線與軸線之間的夾角，旨在避免或減少邊界層分離情況的出現(xiàn)，改善伴流分布的均勻性，減小船舶粘壓阻力，從而達(dá)到降低船舶阻力的目的。此外，艉部型線的優(yōu)化還可以減少由于邊界層分離產(chǎn)生的渦旋而造成的能量損失，提高推進(jìn)效率。

3) 型線整體優(yōu)化。適度控制船舶的浸濕面積，通過(guò)降低摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)減小其航行過(guò)程中所受的船舶阻力。

采用勢(shì)流數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)變換后的型線進(jìn)行初步驗(yàn)證，數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。改型后的型線周?chē)鲌?chǎng)未發(fā)生劇烈的邊界層分離現(xiàn)象，艏部球鼻首的消波作用十分明顯，且有效減少了艉部的旋渦，壓力分布和興波均比原型船有較大的改善。圖3(a)、3(c)為原型船結(jié)果；圖3(b)、3(d)為改型船結(jié)果。

圖3 原型船與改型船的壓力分布與興波對(duì)比圖

再通過(guò)粘流CFD數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了艉部流場(chǎng)的分析，進(jìn)一步驗(yàn)證原船型與改船型的流動(dòng)分離的情況(見(jiàn)圖4)。由圖4可看出，艉軸處流態(tài)有所改善。

原型船

改型船

通過(guò)粘流理論的計(jì)算(見(jiàn)圖5)，可看出原型船艉軸附近有用灰黑色標(biāo)出的邊界層分離區(qū)域，表明會(huì)出現(xiàn)艉渦，改型之后，渦流基本消失。圖6為不同剖面的軸向速度分布圖。

原型船

改型船

原型船

改型船

由圖7可看出改型之后艉部流場(chǎng)更順暢，槳盤(pán)面伴流場(chǎng)更均勻。

原型船

改型船

改型船的船模試驗(yàn)委托上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所完成，試驗(yàn)結(jié)果與原型船數(shù)據(jù)對(duì)比，其中，有效馬力Pe見(jiàn)表1，收到功率Pd見(jiàn)表2，船模試驗(yàn)波形見(jiàn)圖4。

表1 原型船與改型船的有效馬力對(duì)比

表2 原型船與改型船的收到功率對(duì)比

圖4 原型船與改型船的船模試驗(yàn)波形對(duì)比

船模試驗(yàn)結(jié)果顯示，航速為14.0 kn時(shí)，設(shè)計(jì)吃水下，原型船的有效功率(Pe)為3 676.7 kW，而改型船的有效功率(Pe)為3 268.5 kW，阻力減少約12%；航速為14.0 kn時(shí)，結(jié)構(gòu)吃水下，原型船的有效功率(Pe)為3 789.8 kW，而改型船的有效功率(Pe)為3 439.2 kW，阻力減少約10%。同樣，螺旋槳的收到功率也同比降低，由此可見(jiàn)，船舶在改型之后減阻效果顯著，快速性也有了大幅提高，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的優(yōu)化目標(biāo)。

2.3 主機(jī)選型及功率點(diǎn)優(yōu)化

根據(jù)MEPC的要求，2011-01-01后鋪設(shè)龍骨建造的船舶，其主機(jī)的氮氧化物NOx排放必須滿(mǎn)足Tier II的要求。MAN公司的6S46MC-C8.2型主機(jī)和5S50ME-B9.3型主機(jī)均滿(mǎn)足上述要求。

5S50ME-B9.3型主機(jī)屬于ME型機(jī)系列，其噴油和排氣系統(tǒng)為電子控制，可根據(jù)主機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和功率對(duì)燃油噴射時(shí)間和排氣閥的開(kāi)啟時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，其單位油耗(Specific Fuel Oil Consumption, SFOC)比MC型凸輪軸控制主機(jī)低。

從持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率點(diǎn)下的轉(zhuǎn)速和單位能耗、維持服務(wù)航速航行所需提供的功率以及主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)引起船體的振動(dòng)評(píng)估的角度對(duì)6S46MC-C8.2型主機(jī)和5S50ME-B9.3型主機(jī)兩種機(jī)型進(jìn)行比較和優(yōu)選。

根據(jù)改型船的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)吃水9.5 m、航速14.0 kn時(shí)，收到功率為4 552.3 kW，考慮15%的海洋儲(chǔ)備(Sea Margin)、0.985的軸系效率系數(shù)以及15%的主機(jī)功率儲(chǔ)備，主機(jī)的指定功率點(diǎn)(Specific Maximum Continuous Rating,SMCR)約為6 250 kW，持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率點(diǎn)(Continuous Service Rating,CSR)約為5 312 kW。

表3 兩型主機(jī)的功率及油耗

分別對(duì)6S46MC-C8.2型主機(jī)和5S50ME-B9.3型主機(jī)進(jìn)行降功率計(jì)算，使其功率分別達(dá)到SMCR=6 250 kW、CSR=5 312 kW，這兩型主機(jī)的最低轉(zhuǎn)速及對(duì)應(yīng)單位油耗見(jiàn)表3。分析表中數(shù)據(jù)可知，在CSR下，與6S46MC-C8.2型主機(jī)相比，5S50ME-B9.3型主機(jī)的轉(zhuǎn)速更低，且單位油耗也下降了6%。因此，從持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率點(diǎn)下的轉(zhuǎn)速和單位能耗的角度考慮，5S50ME-B9.3型主機(jī)要優(yōu)于6S46MC-C8.2型主機(jī)。

由等航速曲線分析可知，對(duì)于給定的航速，螺旋槳轉(zhuǎn)速越低、螺旋槳直徑越大，螺旋槳的推進(jìn)效率越高，所需主機(jī)提供的推進(jìn)功率越小。其近似公式為

Pme/Pmc=(nmc/nme)α

(1)

式(1)中：Pme,Pmc為所需推進(jìn)功率；nme,nmc為相應(yīng)螺旋槳轉(zhuǎn)速；α為等航速系數(shù)，散貨船在0.25～0.30，取0.28。

Pme=(nme/nmc)α×Pmc=(93.8/104.2)0.28×5 312=5 158 kW

(2)

將航速保持服務(wù)航速14.0 kn，通過(guò)降低轉(zhuǎn)速、增大螺旋槳直徑等相關(guān)措施， 5S50ME-B9.3型主機(jī)所需功率比6S46MC-C8.2型主機(jī)大約減小了154 kW,即相當(dāng)于推進(jìn)效率有了約為3%的提高。從維持服務(wù)航速航行所需提供的功率角度考慮，5S50ME-B9.3型主機(jī)也要優(yōu)于6S46MC-C8.2型主機(jī)。

從持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率點(diǎn)下的轉(zhuǎn)速和單位能耗以及維持服務(wù)航速航行所需提供的功率兩方面的分析結(jié)果均表明，5S50ME-B9.3型主機(jī)的性能優(yōu)于6S46MC-C8.2型主機(jī)。為了能夠最終確定是否選擇5S50ME-B9.3型主機(jī)，還需要對(duì)其在持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率點(diǎn)CSR=5 158 kW下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)船體的振動(dòng)情況進(jìn)行評(píng)估，判斷是否會(huì)誘發(fā)船體共振。

圖4 振動(dòng)模型

由于5缸主機(jī)的2階不平衡力矩和橫向力矩約為6缸主機(jī)的2倍，而且隨著轉(zhuǎn)速下降，5缸主機(jī)和螺旋槳的激勵(lì)頻率都會(huì)有所下降，這使得頻率儲(chǔ)備發(fā)生變化。為了評(píng)價(jià)本船的總體振動(dòng)情況，采用有限元方法對(duì) 5S50ME-B9.3型主機(jī)進(jìn)行振動(dòng)評(píng)估，振動(dòng)模型見(jiàn)圖4。

經(jīng)有限元模型計(jì)算分析可知，5S50ME-B9.3型主機(jī)在持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率點(diǎn)CSR=5 158 kW運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主機(jī)激勵(lì)、螺旋槳激勵(lì)與船體不會(huì)發(fā)生共振。

綜合考慮上述三方面因素，最終選取MAN B&W 5S50ME-B9.3型主機(jī)，降功率使用，SMCR為6 250 kW×99 rpm，CSR為5 158 kW×92.8 rpm。

2.4 設(shè)計(jì)槳試驗(yàn)驗(yàn)證

以改型船的伴流分?jǐn)?shù)、選定的主機(jī)參數(shù)進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)，并進(jìn)行模型試驗(yàn)，由設(shè)計(jì)吃水9.5 m的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，改型船的伴流分?jǐn)?shù)比原型船明顯減少，使得設(shè)計(jì)槳的敞水效率提高約11%；由于推力減額與原型船幾乎相當(dāng)，導(dǎo)致船身效率降低約9%，總推進(jìn)效率系數(shù)ηd提高約2.5%。

型線優(yōu)化減阻、主機(jī)降速、螺旋槳推進(jìn)效率提高，在服務(wù)航速14.0 kn時(shí)，主機(jī)CSR 5 158 kW，考慮15%的海洋儲(chǔ)備，綜合節(jié)能約15%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4、表5。

表4 原型船的備用槳預(yù)報(bào)分析

表5 改型船的設(shè)計(jì)槳預(yù)報(bào)分析

3 EEDI評(píng)估

(3)

由式(3)可知:EEDI=5.06;EEDIREFERENCE DATA=961.79(CAPACITY)E-0.477=6.50;EEDI/EEDIREFERENCE DATA=0.77(EEDI計(jì)算的單位油耗為158.8 g/kw·h)。

優(yōu)化后的35 000 DWT散貨船，EEDI為參考線的77%，滿(mǎn)足了第二階段減少20%的要求。首制船已成功交付，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到合同要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

不斷研發(fā)設(shè)計(jì)“綠色船舶”，降低船舶能耗，不僅可以為船東節(jié)省營(yíng)運(yùn)成本，減少船舶造成的環(huán)境污染，還可以不斷增強(qiáng)船廠的競(jìng)爭(zhēng)力，培育核心客戶(hù)，最終贏得訂單。

參考文獻(xiàn)：

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