石晶鑫 王群蕾 袁鳳琴

（金華市港航管理局 金華321025）

引 言

錢塘江是長江三角洲水網(wǎng)向浙江西部的延伸，是承擔(dān)浙西地區(qū)與江蘇、上海及浙江省內(nèi)其他地區(qū)物資交流的水上運(yùn)輸動(dòng)脈［1］。目前，錢塘江的航道條件已明顯改善，通航能力大大提高，特別是隨著七里垅船閘建設(shè)完成，消除了錢塘江中上游浙西航道的通航“瓶頸”，再加上衢江航道工程建設(shè)和蘭江航道“五升四”改造工程的竣工，錢塘江中上游的航道主線現(xiàn)已全部達(dá)到四級航道標(biāo)準(zhǔn)。盡快研發(fā)多種能夠適宜航行于此水域的貨運(yùn)船型，有效發(fā)揮航道和船閘等通航設(shè)施的利用率與通過能力，提高船舶營運(yùn)效率和內(nèi)河航運(yùn)競爭力，已成為形勢發(fā)展的迫切需求［2］。根據(jù)錢塘江上游的貨源條件情況，我們認(rèn)為目前首先可開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)河貨運(yùn)船型應(yīng)為散貨船。

1 標(biāo)準(zhǔn)散貨船船型主要參數(shù)選取原則

標(biāo)準(zhǔn)貨運(yùn)船型的主要尺度除了要充分考慮錢塘江上游的航道、港口、船閘、橋梁和運(yùn)量等因素外［3］，還要考慮京杭運(yùn)河水系以及杭甬運(yùn)河對船型主尺度的要求。因此，散貨船的尺度選取應(yīng)考慮航道的彎曲半徑、寬度、水深、船閘即航道上建造物的凈空高度等因素，同時(shí)還要滿足《內(nèi)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)貨運(yùn)船型指標(biāo)體系》［4］以及《京杭運(yùn)河水系過閘運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)貨運(yùn)船型主尺度系列》［5］的有關(guān)要求。

1.1 散貨船長度的選取

散貨船長度的選取除了要滿足《京杭運(yùn)河水系過閘運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)貨運(yùn)船型主尺度系列》對船長的要求，還要考慮能夠安全通過彎曲航道的曲率半徑和航槽寬度，以及港口碼頭、船舶操縱性、總體布置、船舶造價(jià)等有關(guān)因素。

一般來說，彎道容許船長L與彎道標(biāo)準(zhǔn)曲率半徑R的關(guān)系為L為 R/4～R/3）。本文所研究的錢塘江上游為四級航道，航道容許船長L = 330/4 = 82.5 m。由《京杭運(yùn)河水系過閘運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)貨運(yùn)船型主尺度系列》中所列船型的主要尺度數(shù)據(jù)可知，1 000噸級貨船的總長也未超過60 m，能夠滿足四級航道的限制要求。因此，本文研究的標(biāo)準(zhǔn)貨運(yùn)船型的船長選取可不考慮航道曲率半徑的限制。

1.2 散貨船寬度的選取

散貨船寬度的選取主要考慮船閘寬度、橋梁的通航凈寬和船舶通行彎窄航段時(shí)的航道寬度等通航因素的制約。船舶通過船閘時(shí)，通行船舶與船閘的兩舷間一般應(yīng)保留5%～10%船寬的間隙。本航段的最小船閘寬度為12 m，1 000噸級散貨船的最大寬度為11 m，滿足閘寬要求。

1.3 船舶設(shè)計(jì)吃水的選取

船舶設(shè)計(jì)吃水的選取取決于通行航道的水深和船閘的門檻水深。由于水深較淺，船舶航行在內(nèi)河水域時(shí)，底部水流加快會(huì)導(dǎo)致壓力降低，從而引起船體下沉，即產(chǎn)生“動(dòng)吃水”。為防止船舶擱淺，選擇船舶吃水時(shí)需考慮船底與河床間需留有大于0.2 m的間隙，即“富裕水深”。經(jīng)整治改造后的錢塘江上游航道的最淺水深為2.7 m，吃水不大于2.5 m的500噸級船能滿足四級航道的水深限制要求。

1.4 船舶高度的選取

船舶高度的選取除考慮穩(wěn)性要求外，還要考慮通航橋梁及水上過江電纜對船高的限制。船舶的最大固定高度通常應(yīng)考慮在洪水季節(jié)的最高水位時(shí)，船舶能在輕載情況下自由通過橋梁等跨河建筑。錢塘江上游的橋梁凈高一般都在5.5 m以上，杭甬運(yùn)河的橋梁凈空高度為4.4 m，故設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)散貨船時(shí)，通過杭甬運(yùn)河的散貨船空載時(shí)的最大固定高度考慮在4.4 m以內(nèi)。在特殊情況下，可考慮采用壓載和可倒桅的措施來降低船舶固定高度。

1.5 船舶航速的確定

散貨船在淺水航道中航行時(shí)存在著臨界航速的限制問題。船舶航行時(shí)的興波由散波系和橫波系兩部分組成。隨著水深減小，散波角越來越大，極限時(shí)可達(dá)90°，與橫波重迭形成“孤獨(dú)波” ，俗稱“拉溜”。此時(shí)，船舶猶如推著質(zhì)量無窮大的水柱航行，阻力激增，即使增加主機(jī)功率亦無濟(jì)于事。船舶在淺水域航行時(shí)，其極限航速的相應(yīng)水深傅氏數(shù)不得超過1，一般取0.7～0.75。按此估算，散貨船在各種水深條件下的的臨界航速如表1所列。

表1 散貨船的臨界航速km/h

由表1數(shù)據(jù)可見，對于水深在2.5 m的內(nèi)河航道，船舶航速明顯淺水影響（航速約為13 km/h）。與此同時(shí)，受到油價(jià)上漲導(dǎo)致燃油成本劇增，也給船舶經(jīng)濟(jì)性帶來不利影響。因此，對于運(yùn)輸?shù)蛢r(jià)值大宗貨物的自航船，應(yīng)考慮以經(jīng)濟(jì)航速運(yùn)行，否則會(huì)因興波阻力劇增，導(dǎo)致功率消耗過大。不僅降低船舶經(jīng)濟(jì)性，且易造成對周邊小船的浪損事故，影響通航安全，并對兩岸護(hù)坡造成嚴(yán)重的沖刷，損壞岸堤。

2 散貨船標(biāo)準(zhǔn)船型開發(fā)

根據(jù)衢州、金華地區(qū)貨源條件的情況，首先開發(fā)研究散貨船標(biāo)準(zhǔn)船型。散貨船從衢州、金華出發(fā)，歷經(jīng)衢江、蘭江以及錢塘江下游并經(jīng)京杭運(yùn)河水系連通浙北和浙東水系到達(dá)上海、寧波和江蘇等地，船舶設(shè)計(jì)則應(yīng)滿足內(nèi)河B級航區(qū)以及京杭運(yùn)河運(yùn)輸船舶系列的要求。

2.1 船舶主尺度系數(shù)

本文提出500噸級散貨船標(biāo)準(zhǔn)船型，根據(jù)內(nèi)河A、B、C三類航區(qū)要求選用3種吃水，按吃水狀態(tài)進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)。選用的500噸級散貨船主尺度參見表2。

表2 500噸級散貨船主尺度

2.2 推進(jìn)主機(jī)設(shè)備的選取

本船分別按配備選用1至2臺(tái)推進(jìn)主機(jī)，并配備相應(yīng)的減速齒輪箱設(shè)備，進(jìn)行單機(jī)單槳和雙機(jī)雙漿兩種推進(jìn)方式的快速性論證計(jì)算。根據(jù)《內(nèi)河船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）》的規(guī)定，計(jì)算狀態(tài)為75%的主機(jī)額定功率狀況。表3給出相應(yīng)的主機(jī)功率及轉(zhuǎn)速。

散貨船屬于方型系數(shù)為0.85的肥大船型。根據(jù)散貨船的多項(xiàng)模型阻力試驗(yàn)結(jié)果，單機(jī)單槳船舶按附加8%附體阻力的艾亞法來估算散貨船的有效功率，雙機(jī)雙槳船舶按附加15%附體阻力的艾亞法來估算散貨船的有效功率切實(shí)可行。下頁表4為500噸級散貨船的單機(jī)單槳和雙機(jī)雙槳的有效功率。

2.3 推進(jìn)器設(shè)計(jì)與計(jì)算

本文按單機(jī)單槳和雙機(jī)雙槳兩種方式設(shè)計(jì)選用螺旋槳。單機(jī)單槳方式采用右旋槳，雙機(jī)雙槳方式采用外旋槳。計(jì)算時(shí)分別按單槳船和雙槳船的近似公式計(jì)算伴流分?jǐn)?shù)和推力減額分?jǐn)?shù)，并分別取其相對旋轉(zhuǎn)效率為0.98和1.0。同時(shí)，取軸系傳送效率為0.97、齒輪箱傳送效率為0.98、溫濕度修正及功率儲(chǔ)備系數(shù)為0.9，來進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)計(jì)算。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，均按MAU-4槳葉型，并分別按100%額定功率的最大航速狀態(tài)以及75%額定功率的校核計(jì)算狀態(tài)進(jìn)行螺旋槳要素的設(shè)計(jì)計(jì)算。對于每種推進(jìn)方式，同時(shí)按滿足100%額定功率狀態(tài)的空泡要求選擇盤面比，并按75%額定功率狀態(tài)選擇直徑和螺距比，最終得出選用螺旋槳的主要技術(shù)要素。設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總于表5。

表4 500噸級散貨船的單機(jī)單槳和雙機(jī)雙槳有效功率

表5 500噸級散貨船的螺旋槳參數(shù)

由表5數(shù)據(jù)可見，與采用單機(jī)單槳推進(jìn)方式相比較，采用雙機(jī)雙槳推進(jìn)方式，可提高船舶推進(jìn)系數(shù)39%左右。

2.4 螺旋槳航行特性計(jì)算

對于單機(jī)單槳和雙機(jī)雙槳兩種推進(jìn)方式，均按上述選定的螺旋槳參數(shù)，進(jìn)行主機(jī)處于系列轉(zhuǎn)速下的螺旋槳航行特性計(jì)算。

2.4.1 單機(jī)單槳推進(jìn)方式

按 850 r/min、830 r/min、810 r/min、800 r/min和790 r/min這5檔主機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行螺旋槳的航行特性計(jì)算，求得在相應(yīng)的8種航速下，螺旋槳發(fā)出的推進(jìn)功率及所需吸收的主機(jī)功率。計(jì)算結(jié)果匯總于下頁表6。

表6 500噸散貨船單槳推進(jìn)的螺旋槳航行特性kW

2.4.2 雙機(jī)雙槳推進(jìn)方式

按1 500 r/min、1 450 r/min、1 400 r/min、1 350 r/min、1 250 r/min和1 200 r/min這 6 檔主機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行螺旋槳的航行特性計(jì)算，求得在相應(yīng)的8種船舶航速下，螺旋槳發(fā)出的推進(jìn)功率及所需吸收的主機(jī)功率。計(jì)算結(jié)果匯總于表7。

表7 500噸散貨船雙槳推進(jìn)的螺旋槳航行特性kW

按表6、表7據(jù)繪制成在系列主機(jī)轉(zhuǎn)速下的螺旋槳所發(fā)出的推進(jìn)功率與航速關(guān)系曲線和所需吸收的主機(jī)功率與航速關(guān)系曲線（即航行特性曲線），參見下頁圖1和圖2。

由圖1、圖2和表6、表7中可知，由螺旋槳發(fā)出的總推進(jìn)功率曲線和船舶有效功率曲線的交點(diǎn)，即可預(yù)報(bào)出在系列主機(jī)轉(zhuǎn)速下所能達(dá)到的航速和螺旋槳所需吸收的主機(jī)功率。航速預(yù)報(bào)結(jié)果見表8。

表8 500噸散貨船的航速預(yù)報(bào)結(jié)果

由圖1、圖2和表6、表7、表8可知，500噸級散貨船單機(jī)單槳船型以790 r/min主機(jī)轉(zhuǎn)速航行時(shí)，船舶處于經(jīng)濟(jì)航速狀態(tài)；雙機(jī)雙槳船型1 200 r/min主機(jī)轉(zhuǎn)速航行時(shí)，船舶處于經(jīng)濟(jì)航速狀態(tài)。在船舶航速、吃水相同的情況下，雙機(jī)雙槳船舶所需功率比單機(jī)單槳船舶所需功率小，大約節(jié)能29%。由此可見，雙機(jī)雙槳船型比單機(jī)單槳船型更為節(jié)能。

3 結(jié) 論

本文采用技術(shù)與經(jīng)濟(jì)相結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)貨運(yùn)船型研發(fā)方法、船型技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選評估衡準(zhǔn)技術(shù)以及船型主尺度優(yōu)化方法等關(guān)鍵技術(shù)，獲得標(biāo)準(zhǔn)貨運(yùn)船型的主尺度和系數(shù)；通過理論分析并計(jì)算得出散貨船標(biāo)準(zhǔn)船型采用雙機(jī)雙漿推進(jìn)方式，其推進(jìn)效率比采用單機(jī)單槳推進(jìn)方式提高約39%，從而有效實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能。

不過，本文僅進(jìn)行了錢塘江上游散貨船標(biāo)準(zhǔn)船型的初步研究與設(shè)計(jì)，今后還將針對其他標(biāo)準(zhǔn)船型進(jìn)行該項(xiàng)研究，并且對于每種船型，均需通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)、分析，來選取各類船型的主尺度系數(shù)，優(yōu)選相應(yīng)匹配的機(jī)電設(shè)備和較佳的推進(jìn)、操縱裝置，從而研究、設(shè)計(jì)出技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)適用的標(biāo)準(zhǔn)船型，結(jié)合航道的規(guī)劃情況和船型及營運(yùn)組織的發(fā)展?fàn)顩r，遵循“安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、美觀、節(jié)能”的原則，進(jìn)一步提出適宜錢塘江上游水域航行的標(biāo)準(zhǔn)船型。

［1］ 黃廣茂.京杭運(yùn)河新型大噸位貨船標(biāo)準(zhǔn)船型研究［J］.水運(yùn)工程，2010（6）：86-89.

［2］ 吳一婷.嘉興內(nèi)河集裝箱標(biāo)準(zhǔn)化船型比選研究［J］.中國水運(yùn)，2014（10）：19-20.

［3］ 劉暢.基于層次分析法的船型標(biāo)準(zhǔn)化綜合評價(jià)體系研究［J］.廣東造船，2017（4）：71-74.

［4］ 鮑學(xué)訓(xùn).京杭運(yùn)河江蘇段船型標(biāo)準(zhǔn)化研究［J］.水運(yùn)工程，2007（8）：85-88.

［5］ 董曙光.安徽省合裕線過閘運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度研究［J］.船海工程，2013（3）：188-190.