杭甬运河集装箱船舶船型研究

万建祥，廖保华，吴惠国

(绍兴市港航管理局,浙江 绍兴 312000)

杭甬运河集装箱船舶船型研究

万建祥，廖保华，吴惠国

(绍兴市港航管理局,浙江 绍兴 312000)

摘要：结合杭甬运河的复杂航道条件、沿岸港口码头分布情况以及货源特点等要素，分析集装箱船舶船型主要参数及经济性，确定适合杭甬运河的集装箱运输船舶船型特征及相关设计要素。

关键词：杭甬运河；集装箱；标准船型；经济论证

杭、绍、甬三市是浙江省经济最发达的地区之一，近几年随着绍兴经济的高速发展，交通运输和能源的压力矛盾日益突出，因此大力发展具有占地少、运量大、能耗低及污染小等优势的水上运输成为缓解绍兴交通运输和能源压力的首要选择。杭甬运河的开通，作为绍兴联系长江经济带与宁波、舟山港之间的重要水路物流通道，为这一目标的实现创造了条件。绍兴水网密布，内河运输资源丰富，但内河集装箱运输却几乎为零，开通绍兴至宁波、上海港集装箱船舶运输，将开创绍兴内河集装箱运输的先河。

1航运条件概述

1.1航道条件

杭甬运河(浙东运河)西起杭州三堡，终于宁波镇海，是浙江省航道规划20条高等级航道之一，全长239 km，西连京杭大运河，东接北仑港，沟通了长江、京杭大运河以及钱塘江、甬江水系。

杭甬运河按Ⅳ级航道标准建设(个别航道除外)，可航行500 t级船舶。主航道最小水深为2.5 m，航道底宽不小于40 m，面宽不小于60 m。全线共建有7座船闸，其中绍兴至宁波段有5个船闸，最小闸室长度120 m，宽度16 m，最低门槛水深2.5 m，最小闸室净空高5.0 m；绍兴至上海段共建有2个船闸，闸室最小尺寸160 m×12 m，门槛水深最低2.5 m。

另外，杭甬运河全线有132座桥梁，绝大部分净空为7.0 m，设计最高通航水位4.8 m。根据《内河通航标准》，Ⅳ级限制性双向航道设计跨主航道桥梁通航孔宽度应为55 m，但受船闸12或16 m宽度限制，船舶宽度不可能12 m，即使个别航段桥梁通航净宽小于55 m，但船舶通航不受限制。

1.2港口条件

绍兴市辖区内主要港口有：①绍兴港中心作业区，目前开港运行的建成有500 t级泊位17个,设计年通过能力180万t；②上虞港区曹娥作业区，设计年通过能力190万t，500 t级泊位16个；③浙能绍兴滨海热电厂码头，该码头有500 t级泊位6个，设计年通过能力193万t；④诸暨港城郊作业区，建设500 t级泊位6个，成品油泊位2个，设计年通过能力为153万t。

1.3货源条件

杭甬运河集装箱班轮航线开通后，绍兴的水运集装箱运量有2个来源。

1) 吸引往上海、宁波公路集装箱改走水路。2009年，绍兴市全年外贸集装箱公路运量约80万TEU，绍兴至宁波内河集装箱航线开通后，预计会吸引其中一部分到水路上来，每年10万～20万TEU。

2) 开发现有货物装箱，绍兴市辖区内共有普通货物港口经营企业100余家，2014年全市港口货物吞吐量1 813.4万t，主要有煤炭、钢材、水泥、建材及粮食等。据预测，2017年绍兴内河港口集装箱将达20万TEU，2020年将达50万TEU。

2船舶要素的确定

2.1船舶主尺度

船舶主尺度要充分考虑杭涌运河的航道、港口、船闸、桥梁和运量等因素。因此，集装箱船舶船型尺度的选取应考虑航道的弯曲半径、宽度、水深、船闸，以及航道上建筑物的净空高度等。

1)航道弯曲半径对船长的限制。运河船舶在选择船长时常常受到航道弯曲半径的影响，同时还与港口码头、船舶类型、驾驶技术、船舶的操纵性等方面的因素有关。一般来说，船长与航道的标准曲率半径的关系为L=ρ/(3～4)[1]。式中:ρ为航道的标准曲率半径。Ⅵ级航道曲率半径ρ约为200 m，航道计算船长L=200/3.5= 57 m。因此集装箱船型船长L<57 m即可，不受航道的标准曲率半径的约束，可根据船舶的尺度关系选取。

2)船闸对船宽的限制。一般来说，船舶与船闸两端及两舷的间隙应为船宽的5%～10%[1]，船底间隙大于0.2 m，杭甬运河绍兴至宁波段的船闸宽度多在12 m以上，故船闸对集装箱船型船宽应小于11.70 m，因此可根据船舶的尺度关系选取。

3)桥梁及水上过江电缆对船高的限制。通常情况下应考虑洪水季节最高设计通航水位时，船舶空载压载常态情况下能自由通过。航道的桥梁及水上过河电缆的净高在4.8 m。集装箱船型在空载时考虑采用压载和可倒桅的措施来降低船舶固定高度。因此，船舶在空载水线时其固定高度应控制在4.5 m以内。

2.2船舶航速

船舶在限制航道中航行时存在着经济航速及临界航速的问题。对于运输低值大宗货物的自航船，航速不宜超过其经济航速，否则兴波阻力剧增，导致功率消耗过大[2]。不仅降低了船舶经济性，容易造成浪损事故，还将对两岸护坡造成严重的冲刷，损坏岸堤。

考虑到航道整体运输效率等问题，集装箱船型的经济航速取为12 km/h左右，因集装箱船都是定班航行，在整个航程的航行中难免会遭遇一些突发情况，航速需要一定的储备，考虑到航速与水深的关系，限定最大航速为16 km/h。

2.3船舶线型

本地区内河集装箱船的方形系数一般都在0.85以上，属于肥大船型。对于此类船舶，需要优化设计其首部线型，尽量减少兴波阻力；同时要优化设计艉部线型，减小艉部流场的分离和由此产生的形状阻力。还要注意改善其艉部伴流场的均匀性以提高相对旋转效率；在增大伴流系数的同时减小其推力减额分数，获取较大的船身效率，综合提高船舶的推进系数，获得减阻节能的技术效果[3]。

基于上述考虑，艏部线型采用肥大船型设计；艉部线型采用水滴型球尾型。采用该线型，不仅可有效地减小船舶形状阻力，且可获得较高的相对旋转效率和船身效率。同时，还可以免除传统的人字架构件，相应地减小附体阻力。

3船型主尺度选择

本船型是主要航行于绍兴地区港口至上海港和宁波港的集装箱专用运输船，主尺度选取应综合考虑船舶的经济性、快速性和安全性。

3.1方案网格的设立

组合设立16个方案，见表1。

由表1可见，载货量相同时，船舶的方形系数随船长的增加而下降；也随型宽的增加而减小。

3.2船型方案快速性的论证计算

3.2.1船舶有效功率的计算

按附加10%附体阻力的爱尔氏法估算网格方案的有效功率，估算结果汇总列于图1～4。

图1　船长53.5 m各船型方案的有效功率

图2　船长54 m各船型方案的有效功率

3.2.2推进性能设计及最大航速计算

本船采用水滴型双球艉船型，按下式估算各船型方案的推进因子，ηr=1.0。

w=0.55Cb-0.2

表1　16种技术方案的主尺度及相关系数

方案编号船长/m水线长/m柱间长/m型宽/m型深/m吃水/m排水量/t方形系数№1153.553.151.99.532.3997.430.8597№1253.553.151.99.732.31003.220.8468№1353.553.151.99.932.31009.020.8345№1453.553.151.910.132.31014.820.8227№2154.053.652.49.532.310000.8539№2254.053.652.49.732.31005.850.8411№2354.053.652.49.932.31011.710.8289№2454.053.652.410.132.31017.560.8172№3154.554.152.99.532.31002.570.8481№3254.554.152.99.732.31008.480.8355№3354.554.152.99.932.31014.390.8235№3454.554.152.910.132.31020.290.8119№4155.054.653.49.532.31005.150.8425№4255.054.653.49.732.31011.110.8301№4355.054.653.49.932.31017.070.8181№4455.054.653.410.132.31023.030.8066

图3　船长54.5 m各船型方案的有效功率

图4　船长55 m各船型方案的有效功率

选定主机 2台，额定功率184 kW，额定转速850 r/min，齿轮箱减速比为2.54∶1。

按MAU-4型、螺旋桨限制直径1.42 m设计确定推进器要素，计算推进性能，结果见表2。

3.2.3常用主机转速下的经济航速计算

为提高经济效益，本船型按60%额定转速的常用转速进行营运。取常用转速为510 r/min，并按前表所列的螺旋桨要素进行航行特性计算，求得船舶所得的经济航速和相应的单机功率。为综合比较各船型方案的快速性能，特引进各船型方案在经济航速和最大航速下的海军常数。

按计算结果绘制各船型方案在常用转速下螺旋桨所能发出的总推进功率和所需单机功率与航速的关系曲线，由总推进功率曲线与船舶有效功率曲线的交点，即可求出各船型方案在常用转速下所能达到的经济航速、所需单机功率，进而计算求出相应的海军常数，计算结果汇总于表3。

表2　推进性能设计计算(螺旋桨直径Dp=1.42 m)

3.3方案讨论

1) 船舶的方型系数随着船长的增加而减小，也随型宽的增大而下降。

表3　各船型方案在常用转速下所能达到的航速、

2) 船舶的有效功率随着船长和型宽的增加而下降，可见方型系数是影响肥大船型阻力性能的最敏感因素。

3) 各船型方案在主机额定转速下所能达到的最大航速均在17 km/h左右。其中，№11的最大航速为16.69 km/h，为16个方案中的最小者；方案№44的最大航速为17.47 km/h，为16个方案中的最高者。

4) 各船型方案在510 r/min的主机常用转速下所能达到的最大航速均可超过11 km/h。其中，№11的常用航速为11.24 km/h，为16个方案中的最小者；№44的常用航速为11.42 km/h，为16个方案中的最高者。

5) 各船型方案中，船舶处于常用航速下的海军常数远大于处于最大航速的海军常数，其增大的幅值约为50%左右。其中，№11的增大幅度为54%，为16个方案中的最高者；№44的增大幅度为38%，为16个方案中的最低者。

6) 从技术论证角度出发，采用较大船长配合较大型宽的船型方案的快速性更为优越；但增大船长和型宽也会伴随有船舶造价的增加。必须综合考虑航道条件、总体布置要求和营运经济论证的结果加以确定。选定的方案№21较为合理。

最终确定本船的主要尺度如下。

总长Loa:54.30 m；船长L:54.00 m；

水线长Lwl:53.60 m；垂线间长Lpp:52.40 m；

型宽B:9.50 m；型深D:3.00 m；

设计吃水d:2.30 m；

空箱水线以上最大高度：4.50 m。

4船型营运经济论证

用该船承担绍兴集装箱码头至上海外高桥集装箱码头间的集装箱专用运输。自绍兴至上海的往程是采用全部满箱；自上海至绍兴的回程是小部分满箱、大部分空箱的搭配状态，此时的船舶吃水和浮态相应于船舶轻载状态。

船舶营运经济论证的相关条件见表4。

按文献[3-5]推荐的方法编制计算机程序进行论证计算，给出该船型的技术指标、营运指标和经济指标。

36 TEU集装箱船选定的推进主机为2台，其额定转速均为850 r/min、额定功率为184 kW，与之配套选用的齿轮箱减速比均为2.54∶1。

燃油费用在运输成本中占比较大，在营运经济论证内容中进行按额定主机转速850 r/min和按常用主机转速510 r/min及其相应单机功率36.7 kW条件下的论证计算。假定其满载和轻载状态的海军常数相等，由满载静水航速推算其在轻载状态下的船舶静水航速。

1) 船型营运论证计算。按本船型的技术论证数据进行营运论证计算，计算结果汇总列于表5。

2) 船型经济论证计算。按技术论证和营运论证计算数据，进行经济论证计算，计算结果汇总列于表6；主要经济指标列于表7。

分析上述计算结果可以看出，就绍兴至上海的集装箱船舶运输而言，运距只有380 km，船舶航行时间较短，非生产停泊时间却占有相当比重。两型船舶如果按主机的额定转速和额定功率进行营运，尽管可获得较高航速，起到了缩短航行时间、增加年航次数的效果，年营运收入也有一定程度的增加；然而，使用较高主机功率却导致燃油量的激增，燃油费用高达营运成本的64%，远超过所增加的营运收入，得不偿失，是不经济的；如果将两型船舶的主机转速分别降至510 r/min左右运行，使船舶航速降低至11 km/h左右，尽管营运收入有所减少，但燃油费用却减少了30%多，经济效益显著增加。

表4　船舶营运经济论证的相关条件

表5　36 TEU优选船舶的营运计算结果

表6　36 TEU集装箱船型的经济性计算结果

表7　36 TEU集装箱船型的主要经济指标

5结论

1) 根据杭甬运河的航道特点，研究开发出36 TEU装箱船舶标准船型。

2) 标准集装箱船型是方形系数高达0.85的肥大船型，参考以往的模型试验结果表明，通过对船舶艉部线型的优化设计，特别是采用水滴型球尾船型，可使船舶的快速性获得一定程度的改善。

通过对36 TEU集装箱船船型的技术经济论证，集装箱标准船型如果按较低的“经济航速”航行，可以大幅度减少燃油费用，经济效果显著。

参考文献

[1] 内河通航标准：GB50139-2014[S].北京:人民交通出版社，2014.

[2] 冯恩德，席龙飞.船舶设计原理[M].大连：大连海运学院出版社，1990.

[3] 盛振邦,刘应中.船舶原理：下册[M].上海交通大学出版社,2004.

[4] 张德洪，顾家骏.运输船舶船型技术经济论证方法[M].北京：人民交通出版社，1989.

[5] 张仁颐.船舶技术经济论证方法[M].上海：上海交通大学出版社，1989.

Research on Ship Form of the Container Ships in the Hang-yong Canal

WAN Jian-xiang, LIAO Bao-hua, WU Hui-guo

(Shaoxing Harbor and Waterway Management Bureau, Shaoxing Zhejiang 312000, China)

Abstract:Based on the analysis of the complex channel conditions, port distributions and the cargo resources of Hang-yong canal, the main parameters of ship form for the container ship and its economy are investigated. The hull form and main design characteristics suitable to the container ships in Hang-yong canal are determined.

Key words:Hang-yong canal; container ship; standard hull form; economy argumentation

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.006

收稿日期：2015-12-22

第一作者简介：万建祥(1966—)，男，学士，高级工程师 E-mail:270459554@qq.com

中图分类号：U674.13

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0026-06

修回日期：2015-12-25

研究方向:船舶检验