大型LNG船双艉鳍线型设计要点浅析

杨春华， 严孝钦， 陈晓莹， 袁红良， 宋　炜

(沪东中华造船(集团)有限公司， 上海 200129)



大型LNG船双艉鳍线型设计要点浅析

杨春华， 严孝钦， 陈晓莹， 袁红良， 宋炜

(沪东中华造船(集团)有限公司， 上海 200129)

摘要针对大型LNG船浅吃水的特点，通过船模试验的方法，从螺旋桨的内旋、外旋以及不同的舵角设计方面对双艉鳍线型阻力与推进性能进行了系统分析，研究了适合大型LNG船型的船体线型型式及设计要点。研究结果表明，在大型LNG船线型设计过程中，双艉鳍船型设计方案比单艉船型设计方案在船舶推进性能方面具有较大的优势。 采用双艉鳍线型设计方案并配合舵角及螺旋桨旋向的设计，可有效提高大型LNG船的推进性能。

关键词大型 LNG船双艉鳍线型舵角优化螺旋桨旋向

1LNG船船型发展介绍

随着人们环境保护意识的日益增强，天然气在整个能源结构所占的比重越来越大，作为取代煤、石油等传统能源的环境友好型清洁能源，受到世界各国的青睐。世界范围内，液化天然气(LNG)的产地分布极其不平衡，目前已探知的LNG产地主要分布在中东、澳大利亚、巴布亚新几内亚、尼日利亚、马来西亚与印度尼西亚等国家和地区。而LNG的消费大国则主要分布在欧洲、日本、韩国、中国与印度等国家和地区。LNG出口与进口的方式主要是管道运输与海上运输，而管道运输又受到诸多条件限制，所以采用LNG船通过海上运输是解决LNG产地与消费国家分布不平衡问题的一种有效途径。

LNG船经过了将近60年的发展，单船货舱舱容从12×104m3～14×104m3发展到如今16×104m3～17×104m3，甚至更大的21×104m3、26×104m3船型，船型大型化的趋势越来越明显。但是，当前接收LNG船的专用码头还是以陆地固定式码头为主，这些LNG码头受到港口地理条件等限制，不能自由地改造或扩建。这些码头的长度、装卸臂的高度、港口的水深等因素限制了大型LNG船船型的主尺度。目前，分析世界主要LNG船码头发现，LNG船长基本限制在300 m左右，吃水在11.5 m附近。因此，LNG船型的发展受到港口等条件限制，而船舶大型化的经济性又越来越高，这就必须考虑LNG船船型的多样化来满足港口等的限制条件，又满足船型大型化的需求。

2双艉鳍线型的发展与应用

根据已发表的资料来看，我国曾经在20世纪80年代对双艉、双艉鳍等特殊线型的应用进行了大量的研究，并且在内河和沿海的船型以及部分特殊的船型上有广泛的应用，但在大型海洋运输船舶上的应用研究却不多。双艉鳍线型的研究与应用主要集中在方型系数>0.8以及傅氏系数<0.15的低速肥大船型上。

国外对双艉鳍线型在各种船型上的应用研究比较广泛，不仅将双艉鳍线型应用在70 m船宽的苏伊士油轮上，也广泛地应用在15×104m3～26×104m3的LNG船上,而且在超大型集装箱船上也进行了广泛研究。而这几种船型与上面提到的大方型系数、低速船型相比较是方型系数在0.65～0.8，傅氏系数>0.18的中等方型系数、快速船型。由于应用的船型及船型参数差别较大，因此必须有针对性地对阻力性能、推进性能以及操纵性能等水动力性能进行专题研究。

3双艉鳍线型在大型LNG船上的应用分析

由于LNG装卸货码头以及港口水深限制，使得大型LNG船的船宽吃水比(B/T)达到了3.5～4.5，研究双艉鳍线型并将其应用到该船型上预计会收到比较好的效果。为此，我们有针对性地在17.2×104m3低速机推进LNG船以及17.4×104m3、22×104m3电力推进LNG船的线型设计以及船模试验项目中进行了攻关与研究，取得了较为理想的效果。并通过17.4×104m3LNG船的双艉鳍线型与单艉线型的船模试验，验证了双艉鳍线型无论是阻力还是推进性能都有较大地提高。

3.1船型参数

船型参数如表1所示。

表1　船型参数

3.2双艉鳍特征参数

3.2.1双艉鳍中心线宽度的设计

对上述三个船型尺度比进行分析，发现双艉鳍片体中心线宽度集中在船宽的35%～40%之间。在此之前，国内对于双艉鳍船型的研究主要集中在片体中心线宽度为船宽的50%或更大的范围内。双艉鳍线型在油轮、集装箱船与LNG船上的应用需要考虑实际机舱的布置。通常，双艉鳍片体中心线宽度占船宽的比例越大，机舱的布置难度就越高。例如，对于低速机推进的LNG船型来说，该比例越大，双主机布置难度就越高，特别是现在需要满足燃油舱保护的机舱布置就显得尤为困难。然而，对于采用电力推进的LNG船型来说，该比例越大，两个螺旋桨之间的干扰就越小，推进效率就会越高。因此，艉鳍宽度的选择更多的是从机舱布置角度出发来进行选取，在机舱布置能够满足的前提下，应尽可能加大片体中心线的距离，以减小双桨之间的相互影响。

3.2.2双艉鳍片体尺寸的设计

双艉鳍片体尺寸的大小直接影响到后体的阻力性能、推进性能与伴流场的均匀程度。因此，从快速性的角度来讲，双艉鳍片体的设计尺寸应尽可能小。但双艉鳍线型的设计又与机舱的布置密切相关，受到双艉轴系设计与布置的限制，以及双艉鳍片体结构强度的限制。故双艉鳍片体的设计既要满足机舱的布置、艉轴设计以及双艉鳍片体结构强度等要求，又要兼顾快速性需求。

3.2.3舯纵剖线的设计

舯纵剖线的设计对双艉鳍内侧线型的形状影响较大，而且起点越前，与基线的夹角越小，对阻力性能越好，也可以降低艉部流线的分离。但考虑到LNG船的货舱围护系统施工要求，不希望由于艉鳍的形状而使货舱结构变复杂，以及影响到货舱围护系统的设计与施工，因此舯纵剖线的起点尽可能起始于机舱前端壁，并在设计艉鳍线型时尽可能使舯纵剖线与基线的夹角最小。

3.3双艉鳍推进性能分析

3.3.1双艉鳍线型与单艉鳍线型的比较

目前普遍存在的同级别船型，有的采用单艉船型，有的采用双艉鳍船型。我们就同一船型，在主尺度、总布置要求都相同的情况下，分别设计了单艉线型与双艉鳍线型，通过对船模试验结果进行对比分析，可以看出：双艉鳍方案的总推进效率比单艉线型要高出4.5%。通常认为双艉鳍线型的湿表面积比单艉线型要大3%，阻力会有所增加，但试验结果却得到了相反的结论，双艉鳍线型的阻力比单艉线型低了6%，在设计航速点，总的螺旋桨收到功率低了近11%，如图1所示。

3.3.2螺旋桨旋转方向对推进效率的影响

通过模型试验，对同一船型螺旋桨不同旋向进行了试验研究，螺旋桨旋向示意图如图2所示。

表2列出了该船型的螺旋桨内旋、外旋模型试验结果。综合对比螺旋桨敞水效率、船身效率以及总的推进效率，结果如表2所示。

图1　单桨、双桨线型推进性能比较

图2　螺旋桨内外旋向示意图

表2　螺旋桨内外旋效率对比表

从表2中数据可以看出：内旋桨的敞水效率并不比外旋桨的高，但在设计航速点的船身效率却高出8%，导致总的推进效率高出5%。

3.3.3初始舵角对阻力与推进性能的影响

除了对螺旋桨的内、外旋向进行了比较试验外，同时也在不同螺旋桨旋转方向的情况下，对不同的初始舵角设置在阻力与推进性能方面进行了研究，如图3所示。考虑到布置以及实船轴系安装的复杂性，并没有对螺旋桨轴倾斜轴系对阻力与推进性能的影响进行研究。

图3　舵角示意图

图4　线型优化、螺旋桨旋向及舵角优化组合对比图

从同一船型的几次优化线型的试验结果(见图4)可以看出：线型不同，最佳舵角也不同，但最佳舵角相对于螺旋桨内旋与外旋条件下的趋势没有变化。

在同一设计航速下，舵中心线与船体中心线不同的夹角情况下的推进功率也有较大差别，达到2.5%～3%，有的线型甚至达到6%。但是，水池为了方便比较，往往直接进行自航试验，并不对不同舵角时的阻力情况进行比较或验证。因此，通过完整地比较不同舵角时的阻力与自航试验结果，得到的效果并没有那么好， 0°与3°舵角的阻力与自航完整的试验结果进行比较，发现只降低了0.6%的功率，并没有达到仅仅通过自航试验得到的2%的效果，比较结果如图5所示。

图5　不同舵角自航试验比较图

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4总结

(1) 对比分析单艉鳍线型与双艉鳍线型的阻力与自航模型试验结果。可知，从快速性能的角度来讲，采用双艉鳍线型设计具有明显的优势，比较适用于船宽吃水比(B/T)大于3.5的大型船舶，如LNG船等。

(2) 对比分析螺旋桨不同旋向的试验结果。可知，对于双艉鳍设计的船型，内旋桨推进性能远好于外旋桨，对于其他采用双艉鳍设计的船型，在选择旋桨旋转方向时具有一定的借鉴意义。 不过，具体船型还需要从船体振动、轴系布置、操纵性能以及螺旋桨的效率等方面综合考虑。

(3) 对比分析舵角优化实验结果。可知，对于大型LNG船，舵角的优化对提高推进性能幅度较小。但是考虑到试验及布置的复杂性，本次试验并没有对螺旋桨轴线与船体中心线的不同夹角对阻力与推进的影响进行研究。因此，倾斜轴系设计与舵角优化的组合工况对船舶推进性能的影响还需进一步研究。该研究取得的经验，对采用双艉鳍线型设计的超大型集装箱船与油轮等船型具有一定的借鉴作用。

参考文献

[1]杨佑宗，杨奕，陈文炜，等.船舶线型设计与研究[J].上海造船，2001(2)：18-23.

[2]宋吉卫，陈红梅.大型液化天然气船线型设计若干问题研究[J].上海造船，2011(4)：1-3.

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[4]张大有，朱涛，李绍波.双尾鳍船型研究与发展分析[J].船舶工程，2006(6)：58-62.

基金项目：工信部高技术船舶科研项目(工信部联装[2012]534号)。

作者简介：杨春华(1983-)，男，工程师，研究方向为船舶总体性能设计。

中图分类号U662

文献标志码A

On the Key Point of Twin-skeg Hull Line Design of Large LNG Carrier

YANG Chun-hua, YAN Xiao-qin, CHEN Xiao-ying, YUAN Hong-liang, SONG Wei

(Hudong Zhonghua Shipbuilding(Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

AbstractAiming at the specialty of the shallow draft for large LNG carriers, and via the model test method, the key affect factors like propeller rotation direction, initial rudder angle setting have been studied in this article to analysis the twin-skeg hull resistance and propulsion performance, and the hull line type with design points of large LNG ship type were studied. The study shows that in the hull line design of large LNG carrier, twin-skeg hull line design has big advantage when compare with the single-skeg hull line design. Adopt the twin-skeg hull line design can improve the propulsion performance of large LNG carrier.

KeywordsLarge LNG carrierTwin-skeg hull lineRudder angle optimizationPropeller rotation direction