徐達(dá)

摘 要：隨著綠色環(huán)保要求的提高，新能源船舶發(fā)展越來(lái)越快，其中純電力推進(jìn)船舶 就是新能源船舶之一。純電力推進(jìn)技術(shù)處于剛剛起步階段，由于其軸系短、無(wú)污 染、震動(dòng)小，具有較高的舒適性和操縱性的特點(diǎn)。它主要適用于內(nèi)河客船、渡船 上。本文主要闡述純電力推進(jìn)渡船的總體設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)船舶阻力估算、電池容量計(jì)算思路、船體總布置分析與設(shè)計(jì)、阻力估算等內(nèi)容做簡(jiǎn)要概述。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)江渡船;純電力推進(jìn);總體設(shè)計(jì)

1? 研究意義

由于近幾年我國(guó)交通事業(yè)的快速發(fā)展，長(zhǎng)江兩岸的車(chē)流量持續(xù)快速增長(zhǎng)，使 承擔(dān)兩岸交通運(yùn)輸?shù)钠?chē)渡口的運(yùn)力持續(xù)緊張。同時(shí)由于近幾年，國(guó)際海事組織（IMO）不斷以強(qiáng)制性公約、規(guī)則的形式來(lái)加強(qiáng)對(duì)海洋環(huán)境乃至大氣環(huán)境的保護(hù)。 越來(lái)越多的國(guó)際非政府組織、行業(yè)組織等也不斷推出新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一些國(guó)家和 地區(qū)也在醞釀著更為嚴(yán)格的區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn)，這些對(duì)環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，在很大程 度上表明推進(jìn)綠色造船是未來(lái)船舶工業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。加之老舊渡船存在著阻力 大、油耗高、舒適性差、操縱性能差等缺點(diǎn)，因此開(kāi)發(fā)一種新型電力推進(jìn)渡船是 當(dāng)務(wù)之急。

為了應(yīng)對(duì)綠色環(huán)保要求的提高，清潔能源在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。綠色 船舶是船舶業(yè)發(fā)展的主流方向，純電動(dòng)船正是在此背景下所催生的。鋰電池船舶 作為純電動(dòng)船舶的一種，由于其軸系短、無(wú)污染、震動(dòng)小，具有較高的舒適性和 操縱性的特點(diǎn)，鋰電池推進(jìn)常常被用于內(nèi)河客、渡船上。內(nèi)河客、渡船的純電動(dòng) 化是綠色船舶要求的走向之一，鋰電池船舶的研究順應(yīng)行業(yè)發(fā)展潮流。

2? 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的相關(guān)問(wèn)題

2010 年，IHI（日本石川播磨重工業(yè)）聯(lián)合造船公司開(kāi)發(fā)世界首艘充電 型渡船，該船舶可以使用岸上電力設(shè)備向渡船蓄電池組進(jìn)行充電，航行時(shí)依靠電 動(dòng)機(jī)推進(jìn)，該船需經(jīng)過(guò) 6-8 小時(shí)完成充電。據(jù)《The Motorship》2014 年 8 月 6 日刊報(bào)道，潛艇充電技術(shù)的發(fā)展，使電池可以在很短時(shí)間內(nèi)通過(guò)岸電充滿(mǎn)，目前 該技術(shù)正被應(yīng)用于瑞典渡船“Movitz”號(hào)之上。這艘在瑞典改裝的渡船將成為世界首艘安裝新型快速充電系統(tǒng)的渡船。由此可見(jiàn)，在國(guó)外，電池推進(jìn)船舶是近幾年前沿科技，但其發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)有所顯 現(xiàn)。

2017 年 11 月 18 日，中國(guó)首艘采用交直流配電模式的電力推進(jìn)渡船——江蘇路渡3011 輪抵達(dá)鎮(zhèn)揚(yáng)汽渡碼頭。雖然該渡船采用的是柴油發(fā)電電推方式，但 這是我國(guó)首次將船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)和民用渡船進(jìn)行融合，可見(jiàn)我國(guó)對(duì)電力船舶的 研究也是愈加重視。新能源船舶發(fā)展 進(jìn)步的同時(shí)，國(guó)內(nèi)的相關(guān)法律規(guī)范也隨之研究頒布，為國(guó)內(nèi)新能源船舶的建造提 供法規(guī)和技術(shù)依據(jù)，進(jìn)一步保證了新能源船舶的優(yōu)質(zhì)性能。

目前，我國(guó)在內(nèi)河船舶運(yùn)輸上，無(wú)論是整體實(shí)力、科技能力，還是裝備標(biāo)準(zhǔn) 檔次、環(huán)保水平等方面，均與國(guó)家的整體發(fā)展相對(duì)脫節(jié)。確切地說(shuō)，內(nèi)河船舶建 造標(biāo)準(zhǔn)與綠色環(huán)保性能尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上時(shí)代的發(fā)展要求。鋰電池作為內(nèi)河客船、渡 船的絕佳動(dòng)力源，其研究意義在內(nèi)河綠色航運(yùn)、綠色運(yùn)輸、綠色物流方面都是不 言而喻的。

3? 主要設(shè)計(jì)思路

本船為布置型船舶，以 8 車(chē)車(chē)客渡為母型船，開(kāi)展長(zhǎng)江中下游電力推進(jìn)渡船總體設(shè)計(jì)調(diào)研。設(shè)計(jì)船確定主要尺度的構(gòu)思：設(shè)計(jì)船為長(zhǎng)江中下游電力渡船，因靠離渡口頻繁，要求有較好的操縱性，因此采用對(duì)稱(chēng)、雙槳舵、雙頭、單甲板、中機(jī)型。因 為采用“鋰電池——電動(dòng)機(jī)”推進(jìn)方式，并且采用中機(jī)型，所以型深 D 有所變化。同時(shí)設(shè)計(jì)船無(wú)需再設(shè)置主機(jī)、發(fā)電機(jī)、燃油艙和排氣管道等輪機(jī)設(shè)備，傳動(dòng)軸也 會(huì)變短，因而空船重量會(huì)有所下降，吃水 d 會(huì)減小，但吃水用足對(duì)提高螺旋槳效率有利。

4? 電池容量計(jì)算構(gòu)思

設(shè)計(jì)船電池容量估算，主要步驟由以下幾步：

（1）通過(guò)艾亞法估算設(shè)計(jì)船有效功率;

（2）根據(jù)有效功率估算推進(jìn)電機(jī)功率;

（3）進(jìn)而選擇推進(jìn)電機(jī)型號(hào);

（4）然后根據(jù)推進(jìn)電機(jī)資料、持續(xù)航行時(shí)間以及母型船電力負(fù)荷計(jì)算書(shū)估 算鋰電池組總?cè)萘俊?/p>

5? 阻力估算

船舶阻力是船舶在水中航行時(shí)，受到水和空氣的作用而產(chǎn)生的阻力。在船舶 設(shè)計(jì)的初級(jí)階段，當(dāng)主尺度和船型系數(shù)初步確定之后，需要知道主機(jī)功率以保持 到船舶能夠達(dá)到設(shè)計(jì)航速;或者已知主機(jī)功率，則需要估算阻力，以確定船的航 速，有利于分析與比較各種方案的優(yōu)劣。船在靜水中航行的淺水及深水阻力或有 效馬力的估算方法一般可分為兩類(lèi)：

第一類(lèi)：以海軍系數(shù)法為基礎(chǔ)，直接近似地決定有效功率，如艾亞法。 第二類(lèi)：將各阻力分開(kāi)計(jì)算，其剩余阻力用近似方法決定;摩擦阻力則用平板公式計(jì)算，然后再計(jì)算總阻力。如泰洛-蓋特勒法、日本漁輪法、茲萬(wàn)科夫法、 許立汀法等。

設(shè)計(jì)船常采用艾亞法估算有效功率，這種方法的主要依據(jù)是根據(jù)船模試驗(yàn)及 實(shí)船試航結(jié)果整理得出。此法適用范圍甚廣。對(duì)于中、低速的商船都比較適用， 內(nèi)河各類(lèi)船舶均可適用。用此方法算得的有效馬力中已包括約 8%的附體阻力。 所以對(duì)雙槳或多槳的阻力和對(duì)高大上層建筑的空氣阻力另行修正?？紤]到本船螺 旋槳為全回轉(zhuǎn)螺旋槳，無(wú)需設(shè)舵、槳架等附體，所以附體阻力選用裸船體阻力的6%。

6? 總布置設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)船為單航次航行時(shí)間小于 0.5h 的鋼質(zhì)內(nèi)河短途車(chē)客滾裝渡船。靠離 渡口頻繁，要求具有較好的操縱性，因此采用雙頭、雙槳、單體、單殼、單甲板， 因?yàn)榉叫蜗禂?shù)較小，采用中機(jī)型，為停靠渡口方便采用方頭。本船為布置地位型 船舶，設(shè)計(jì)此類(lèi)船舶時(shí)，往往需要從所需的布置地位入手來(lái)考慮，除了需要滿(mǎn)足 主船體內(nèi)的艙室布置所需容積外，還需滿(mǎn)足一定的甲板面積。渡船作為典型布置 地位型船，總布置設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn)：

（1）建筑及尺度特征。具有縱通的上甲板，上甲板平整，甲板上無(wú)貨艙口 及起貨設(shè)備。機(jī)艙設(shè)在中部。中小型渡船的車(chē)輛甲板也是干舷甲板。車(chē)輛甲板的 首尾端設(shè)跳板，作為車(chē)輛等滾裝貨物的裝卸通道。渡船的艙容利用率低，船的總 高度比一般同噸級(jí)的貨船高，水上側(cè)投影面積大。主要尺度同大多數(shù)布置型船舶 一樣，受貨物單元尺度的影響，船長(zhǎng)、船寬與貨物單元尺度成一定的比例關(guān)系。

（2）穩(wěn)性。渡船常常在甲板上裝貨、相當(dāng)型深高，使船重心升高，受風(fēng)面 積增大，引起穩(wěn)性惡化。為保證航行安全，渡船應(yīng)具有足夠的初穩(wěn)性高度。但初穩(wěn)性過(guò)高，橫搖劇烈，會(huì)使貨物移動(dòng)而失事。因此，汽車(chē)渡船甲板和跳板上需按 規(guī)定設(shè)置防滑裝置。

（3）操縱性。短程渡船，靠離渡口頻繁，加之相當(dāng)型深高，水線(xiàn)以上受風(fēng) 面積大，要求具有較高的操縱性。為此，這種船一般有兩套動(dòng)力裝置，用雙螺旋 槳推進(jìn)，操縱性好，可以方便地停靠碼頭，上下旅客，裝卸貨物。

結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)我國(guó)的長(zhǎng)江中下游渡船的市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)適用于市場(chǎng)需求的電力推 進(jìn)渡船，使傳統(tǒng)渡運(yùn)業(yè)向現(xiàn)代化渡運(yùn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變過(guò)程中實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，并且滿(mǎn)足 “綠色船舶”要求。

盡管目前鋰電池推進(jìn)需較高的初投資，維護(hù)管理難度大，但能通過(guò)船舶營(yíng)運(yùn) 后節(jié)能盈利來(lái)彌補(bǔ)。電推渡船作為鋰電池船舶的優(yōu)秀試驗(yàn)田，可以預(yù)見(jiàn)，將會(huì)擁 有更加廣闊的市場(chǎng)。

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