16000 GT客滚船的研究和设计

2010-09-22张敏健

船舶设计通讯 2010年1期

王麟张敏健

（上海船舶研究设计院,上海 200032）

0 前言

客/车滚装船是运载旅客和用车辆直接上下船进行货物装卸的船舶，其特点是装卸快、航速高、操纵灵活，可以装载旅客拖车、集装箱、货车等各种货物；客/车滚装船还具有军民两用的特点,可以乘载军人和运输各种军用物质和坦克兵等；正是由于客滚船具有客船和滚装船的双重功能，它又具有货舱甲板面积大，线型特殊（方形系数较小，具有全宽的船尾等）；具有主推进装置功率较大，机舱体积小且高度低、货舱通风量大，操纵自动化程度高，载客量多等特点，它是一种高新技术的船型。

随着我国人民生活的不断改善，公路网络的日臻完善，汽车工业的快速发展，家庭轿车的拥有量在不断的增加，自驾旅游的人会越来越多，因此对客滚船的市场需求也日趋旺盛。由上海船舶研究设计院为中海客轮公司设计的16000 GT客滚船，正是在这种市场背景下应运而生，该船主要航行于大连和烟台之间，兼顾国际短程。

1 16000 GT客滚船的主要参数

2 设计背景

16000 GT客滚船是在渤海湾客货运输日益繁荣，渤海湾的客滚船事故频发，交通部对渤海湾水域的船舶安全性逾加重视，国家法规日趋严格的背景下开始设计，它是我国自主设计的第一艘客滚船。

3 总布置特点

本船为双机双可调桨、双舵、球鼻首、方尾，并设有首侧推、减摇鳍和防横倾装置。

本船具有多层连续甲板，机泵舱位于尾部。

车辆装在第一和第三甲板，车辆装卸通过三甲板尾部的尾门进入三甲板（上货舱），并可通过设于尾部右舷的固定坡道进出第一甲板（下货舱）。

旅客和船员区域布置在第五至第八甲板。五甲板中部主要布置旅客进厅，服务台、小超市及三、四等客舱，尾部布置一般船员居住区。六甲板主要布置旅客、船员餐厅和酒吧、多功能娱乐厅等公共舱室，首部布置二、三等客舱。七甲板主要布置一、二、三等客舱，八甲板为驾驶台和高级船员居住区，其后布置一等客舱。

4 线型及螺旋桨激振力

根据客滚船航速要求高和布置上要求尾部宽，适合安装尾门、跳板和宽大的汽车甲板面积等特点，要求客滚船的线型快速性好，具有良好的推进因子，同时伴流场要均匀，避免由螺旋桨产生的振动。希望通过攻关研究，优选快速性、稳性、耐波性和操纵性等综合性能良好，并能获得避免尾部振动的优良线型。

作为16000总吨客滚船设计的母型船 “棒棰岛”号和“海洋岛”号，是船东在荷兰订造，于1996年相继交船的二艘客滚船，现为大连—烟台航线营运的主力船型。经过长时间的使用考验，船东认为除了交船时就存在的倒航时尾部振动的缺陷外，其他诸如船型尺度、航速、稳性、抗浪和操纵等方面性能良好，使用满意。关于倒航时尾部振动问题在第二艘船“海洋岛”号的尾部结构作了局部加强，振动情况有所改善，但仍未能彻底消除。因此船东特别强调在新船设计时注意振动问题。为此，我们线型研究重点是对尾部线型作了研究。抬高螺旋桨附近纵剖线，加大与螺旋桨的间隙会使尾管出船壳位置的前移，造成尾管进水部分过长，尾管和尾管轴承制造和安装困难。因此，我们选择在原线型平行舯体处加长2.5 m，倒车振动问题可通过螺旋桨设计和尾部加强予以克服。

应船东要求，为增加客船的舒适性，在压载工况和主机MCR功率下，设计的螺旋桨不得有面空泡和桨毂涡空泡，叶背不得产生云雾状空泡和球状空泡，不得产生有害的叶稍涡空泡，叶背的片状空泡必须是稳定的。同时船东要求尾部螺旋桨激振力峰值不得超过3 kPa。

为保证本船空泡试验的成功，也为了使试验的方法与实船的工况更接近，为此，我们安排本船的空泡和激振力试验在大型循环水槽进行，专门做了一个玻璃钢船模，以模拟实船航行的状态，最后测试的结果是螺旋桨激振力峰值为2.1 kPa。这也是我国民用船舶第一次在大型循环水槽中做螺旋桨空泡和激振力试验。

5 分舱和破舱稳性研究

按照IMO海大A265（VIII）决议，采用概率论方法计算客船破舱稳性，其作为对“1966年SOLAS第II章B部分（确定性计算方法）等效和全部代替的办法，已是客船特别是客滚船破舱稳性计算的趋势。

确定性计算方法的主要优点是计算原理简单，概念清晰，规则条款可操作性强。在计算手段缺乏的情况下，还可手算完成。

概率论计算方法不提一舱或二舱，三舱不沉的概念，只讲“能达到的分舱指数A”需足够大，应不小于“要求的分舱指数R”。这既体现了破舱浸水的机率性又在具体计算过程中予以涵盖。A.265（VIII）规则的条款繁复，理解不易，犹如游戏规则，若能融会贯通，便可获得对分舱指数A的最大贡献。而计算过程的工作量大，手工根本无法完成，即使借助电脑，也需比较完备的计算程序。我院2002年引进的NAPA系统软件，为研究计算破舱稳性，提供了良好的条件。

基于母型船通过A.265（VIII）规则并计算合格，本船基本布局和主要参数类同。但由于增加了半层上层建筑,结构重量和空船重心则应有增加和提高，使相应GM值下降。同时因船长略有增加，所要求的分舱指数也随之略有提高。此外，最引人关注的则是母型船原设计在通往底层汽车舱的固定坡道下半截做成活动式，绞链设在坡道底端，翻开竖起后，即成坡道下口水密门。坡道处形成一水密舱，利用它在计算中可对分舱指数A有贡献。估计原为达到满足破舱稳性而设置。这些即为研究本船破舱稳性的要点。同时，通过对NAPA程序和A.265（VIII）规则的学习和使用，加深了理解并进一步提高。计算结果表明本船满足A.265（VIII）要求。

本船设计采用干舷甲板下横向B/5分割，由于载客人数较多，采用概率论方法时，较难达到分舱指数“A”，需将B/5以内破损组合的贡献计入，才能达到。另外,我们曾经将确定性方法与A.265（VIII）的概率论方法进行了比较,就本船而言，确定性方法只考虑分舱程度较高的B/5以外部分的破损情况,会得出更好的结果,只要较小的GM值就能满足要求。但我们认为概率法应该更符合客滚船的实际情况。

6 结构设计

在结构设计时,我们与船级社的有关技术人员进行了交流,首先是车辆甲板强度问题。根据规范，对于1个板格有2个轮印时，则可将其视为一个轮印，设于板格中间并取轮印上的荷重之和。但我们认为,根据滚装船的装载情况，两轮印有一段距离时，一般取板格上1个轮印，其受力点位于板格的中间，此力学模型更能真实反映实际情况，甲板的强度应按此种情况计算。根据船级社的要求，我们对板格单元进行了有限元分析（简支边界条件）结果显示，在轮印间距为1360 mm时，板格上受2个轮印与板格中间受1个轮印的作用，其应力情况基本一致，从而证明板格上算一个轮印的荷重是正确的。甲板厚13.5 mm满足强度要求。

母型船“棒槌岛”和“海洋岛”的车辆甲板也只有13.5 mm，经过十年的使用，情况良好，丝毫没有变形。

第二个问题是强力甲板的选取。根据规范，强力甲板是指上层连续甲板。而本船有多层连续甲板。我们认为，规范中强力甲板的定义是针对一般货船而言，即单甲板船，而本船是客滚船，有多层连续甲板，应该区别对待。本船将强力甲板定义在五甲板较为合理，各层甲板构件尺寸以实际应力计算值确定。

第三个问题是七甲板、八甲板的板厚按甲板室还是按上层建筑计算。根据规范，上层连续甲板上，由一舷伸至另一舷或其侧壁板离船壳板向内不大于4%船宽的围蔽建筑为上层建筑。所以七甲板、八甲板的板厚应按上层建筑甲板的要求计算。但我们认为，本船干舷甲板为三甲板。干舷甲板离七甲板、八甲板的距离足够远，航行时，海浪基本不会打到七甲板和八甲板，如按LR的定义七甲板已为型深上部第四层甲板，甲板6 mm已满足要求。母型船的七甲板、八甲板厚度也只有6 mm。按LR对客滚船的要求，其居住甲板的厚度6 mm也满足要求（Part4,Ch2,Sec.3.2）。另外，上层甲板的厚度增加，会引起本船重心的提高，对满足破舱稳性的要求十分不利。

另外，我们结构专业采用了DNV船级社的SESAM软件进行了有限元计算分析，通过逐步近似的方法，反复合理调整构件布局和尺寸，进行强度校核。关于疲劳强度问题，考虑到本船载荷变化影响很小，由此引起的吃水变化范围不大。载荷分布均匀，航行区域海况变化不大。所以就本船而言，结构疲劳强度不是主要问题。经向船级社咨询，援用了GL的Poseidon计算软件进行了计算。结果显示，本船结构设计良好，能满足疲劳强度要求。

7 救生设备配置

16000 GT客滚船是一艘航行于国内近海和国际短途的客滚船。其救生设施的配置，主要考虑二方面，一方面是国际短途航行时，其载客人数为640人，按有关国际规则的要求，配备了4艘半封闭式救生艇和4组可吊式救生筏，满足640名旅客应急撤离的要求。另一方面是国内沿海航行时，该船载客人数为1500人（包括船员），按《非国际航行》法定检验规则的有关要求，合同设计时救生配置情况如下：

a）救生艇4艘，每艘100人，共乘400人；

b）可吊式救生筏16只，每只25人，共乘400人；

c）自扶正式抛投式救生筏5只，每只25人，共乘125人（存放于6甲板）；

d）抛投式救生筏29只，每只25人，共乘725人；

e）2艘救助艇（其中一艘为快速救助艇）；

f）36部登乘梯。

虽然上述设施配置满足我国法规和规范的要求。但随着渤海湾客滚船事故频发，国家对航行于渤海湾区域的客滚船安全问题格外重视，于2003年11月25日在大连召开了客滚船的审图原则专题研讨会。会后，国家海事局颁布了《渤海湾客滚船审图原则》，作为对现行规范和法规的补充和完善。

国家海事局颁布的《渤海湾客滚船审图原则》规定:

按法规第4篇第3章对客船的要求,其中,救生艇、筏的配备可按如下三者之一要求,且对于吊架降落的救生艇筏,其在登乘位置时吊架顶部至最轻载航行水线之间的高度应尽可能不超过15 m：

a）按《国际航行海船法定检验技术规则》第4篇第3章第26条对短程国际航行客滚船的要求配备：或

b）救生艇的配置不少于全船总容量的30%（每舷至少应配备1艘机动救生艇），以及抛投式救生筏（自行扶正的/带顶篷的两面可用的）加海上撤离系统的配备不少于全船总容量的80%或吊架降落救生筏（自行扶正的/带顶篷的两面可用的）的配备不少于全船总容量的80%；或

c）救生艇及吊架降落救生筏（自行扶正的/带顶篷的两面可用的）的配备不少于全船总容量的50%（每舷至少应备1艘机动救生艇）,以及抛投式救生筏（自行扶正的/带顶篷的两面可用的）加海上撤离系统的配备不少于全船总容量的60%或吊架降落救生筏（自行扶正的/带顶篷的两面可用的）配备不少于全船总容量的60%。

为此，我们对救生方案进行了重新调整。依据审图原则第5条第C款，目前该船救生设备的配备情况如下：

1）救生艇：4艘，每艇100人；

2）可吊筏：2组，每组配3只筏，每只筏可载37人；

3）可吊筏：2组，每组配3只筏，每只筏可载25人；

4）斜滑道：2部，每部可撤离人员250人（含抛投式救生筏50人×10只）；

5）垂直滑道：2部，每部可撤离人员200人（含抛投式救生筏100人×4只）；

6）救助艇2艘，其中1艘为高速救助艇。

可撤离的总人数为1672人，满足规范对1.1倍总人数的要求。本船的七甲板距轻载水线的高度为18 m，但目前国内生产斜梯滑道的厂家只能做到12 m高度。12 m以上的产品尚没有开发和研制，更谈不上申请船检证书。所以本船采用进口的垂直滑道撤离装置。

8 车辆布置

16000 GT客滚船是一艘以载运旅客为主兼运汽车、集装箱拖车的滚装运输船。一般遵守“船舶到埠，小车先行，上、下自由，不受大车阻碍”原则。根据这一要求，我院进行了研究,将原设在底舱后端的小汽车活动载车平台移至主车辆甲板首端。平台长度的确定是一关键。原则是不影响大车行驶掉头，同时考虑适当的小车装载排数和不装小车时，能在平台上装载常规长度的大车而又不浪费甲板面积。这样的设计结果，保证了当装载小车时可无妨碍地先上平台，装满后平台吊起，平台之下可装小车。卸车时，只要卸空一条车道，小车便能自由下船。

9 货舱通风

客滚船货舱通风系统的设计原则与滚装货物运输船大同小异。但在系统布置上要远比滚装船复杂，制约因素需要考虑的方面增多。客滚船有庞大的上层建筑，客船对宁静环境的要求要高于货船，客船的安全性又更为突出，风管的布置需考虑破舱稳性，因此通过本船的设计研究，可以归纳几点如下：

1）根据现行规范要求：货舱通风要求通风次数为航行工况10次/小时，而装载工况20次/小时。所以货舱抽风机的风量较大，相应的风机尺寸也较大，同时本船对噪音有较高的要求。货舱风机上均带有消音器。

2）因受船舶的上层建筑的制约，本船无法采用横向通风的通风形式，只能采用贯通整个舱长的纵向通风形式，致使货舱风机的风压较高。另外由于破舱稳性的制约，货舱的通风管不能布置在1/5船宽范围之内，所以一甲板货舱的风管只能布置在中部，造成阻力增大，抽风机的风压升高。

3）为避免通风死角，设计应力求使货舱气流形成良好循环，可在货舱二端设置风机，将风道布置到货舱的各个角落。另一种方法是在适当的地方安装扰流风机以消灭死角，可减少风管的设置。二种方法各有利弊。本船考虑选取前者,主要出发点是减少设备。

4）本船第三主货舱采用纵向循环通风型式，后部自然进风,首部设有4台抽风机,强制抽风，满足航行和装卸货工况之需。底层第一货舱是密闭货舱，设有2台风机。航行时，一边抽风机工作，另一边自然进风，维持风量平衡，保证货舱10次/小时的通风量，装卸货工况时，由于货舱盖已打开，通过风阀转换，变成两台抽风机同时抽风，维持货舱20次/小时的通风量。

5）固定通风开口的布置，避开救生艇筏的存放区域和登乘站以及位于装货处所上方的上层建筑和甲板室内的起居处所、服务处所和控制站，防止在装货处所内失火时不至危及救生区域。

10 舱底水系统

国家对渤海海域实行了渤海碧海行动计划，严禁在水域内排放油污水，对油污水设备实行铝封管理，实现油污水的零排放。为此，本船配备了专门的油污水存放舱，供航行时舱底水的存放。本船共设有6台舱底泵，分设于机舱、泵舱和首侧推舱，分别由主电源和应急电源供电，舱底水总管布置在距舷侧1/5船宽的范围之外。由于对货舱采用水雾灭火，另外五甲板的旅客客舱是做到舷侧,无露天空间,无法设阀门关闭装置，所以本船对第三货舱的排水采用闭式排水系统,排水系统的能力不低于水雾系统泵加二支消防水枪组合水量的125%。同时,为防止舷侧的排水影响海上撤离系统和救生装置的降落,本船采用了集中排水系统。