一种无压载水船船型参数探讨

王鹏晖，洪碧光，于　洋，髙孝日

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)



一种无压载水船船型参数探讨

王鹏晖，洪碧光，于洋，髙孝日

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

借鉴国际上先进的无压载水船舶设计理念，利用连通管路对美国贯通流系统进行改造，并融合至日本的V形船身，设计出一种新型的无压载水船舶，将巴拿马型散货船作为母船型进行优化实践。分别将新船型与母船型通过经验公式进行计算比较，结果表明，二者船型参数基本一致，满足实践要求，表明设计船型可行。

无压载水船;贯通流系统;V型船身;船型参数

为解决船舶压载水污染问题,无压载水船舶[1-2]相关研究在国内外取得了一定的进展。国际上主流的无压载水船型理念有美国的贯通流系统[3]、荷兰的单一结构船身设计[4-5]以及日本的V形船身设计[6]；而国内只有少数研究所和院校对V形船身开展研究[7-8]，尚无成熟理论发表。然而，各种设计理念都存在自身的缺陷。贯通流系统，管路对船舶内部结构布局影响很大，操作时无法定量船舶的压载水量；满载状态下，排空的管路对强度的影响大。单一结构船身设计，增加了船舶阻力，很难应用于大型化船舶。V形船身设计，单船造价高，航行水域水深要求高，在恶劣风浪下，船舶稳定性达不到要求，机动性能受很大约束。为克服不利因素，拟对贯通流系统及V形船身设计两种理念进行整合，设计出一种新的无压载水船型。利用巴拿马型散货船进行优化实践，并制作出相应的船舶模型;通过经验公式比较无压载水新船型与母船型的参数，估算结果验证出本文设计思路的可行性。

1　无压载水船型设计思路

1.1新船型设计理念

汲取贯通流系统和V型船身设计的优点，对船体结构进行优化设计，方案分为4部分。

1)船体轮廓设计为“上U，下V”形。船体上部设计为“U形”，增加船舶上部饱满度；下部设计为“V形”，保持船舶下部瘦削；同时，船身内部贯通“3纵3横”6条管路；

其中3条纵向管路，从船体“V形”部分穿过,见图1。

图1　船体横剖面示意

2)上部2条纵向管路设计为微弧形，底部纵向管路和3条横向管路设计为直线形，见图2。

图2　管路走向以及连接方式示意

为实现压载水量的定量化，3条横向管路与底部纵向管路的连接部位安装有3个压力传感器；为合理控制海水的流通，3条纵向管路的前后口径处安装6个传感器控制阀门。

3)3条纵向管路设有内外双层管壁，既保证管路强度，又使管路收缩以调整海水流通量，实现船舶在不同装载情况下压载水量的切换。管路的收缩，采用内外两层管壁间的空气填充压缩技术来实现内管径大小的变换。

4)设计工况。将船舶首部型线的水下部分设计地比母船型更加饱满肥大，且带有一定的尾倾。目的是让船舶浮心前移，产生足够的尾倾力矩，保证螺旋桨沉深。

1.2巴拿马船型无压载水化设计

74 000 t散货船是江南造船(集团)有限公司自行设计建造的巴拿马型散货船[9]，也是国际船舶市场上具有较高竞争力的散货船型之一。选用巴拿马型散货船作为母船型，优化设计方案如下。

1)船中V形部分设计方案。采用国际标准船体坐标系，见图3。V形部分深度为4 m,计算机拟合的二次函数为:Z=-0.017 8Y2+19.36。

图3　船体坐标系

2)贯通管路的平均半径设计与存水量估算。上侧两纵向管路平均半径为2 m，两纵向管路总存水量为5 026.6 t。最下侧纵管路和三横向管路平均半径为1.5 m，下侧纵向管路存水量为1 399.6 t，3横向管路总存水量为318.1 t。最终估算6条管路的总存水量可达6 744.3 t。

3)无压载水船型船体优化设计方案。图4所示为船艏至船艉1～21各站位的肋板，可以看出，船体轮廓的设计偏V形化，但是却不需达到V形船身设计理念中的大尺度；图5中所示船舶实物模型也清晰地展示出船体的轮廓设计，同时也展示出了船体内部管路的布局与走向。

图4　各站位肋板

图5　船舶模型

2　新船型参数的计算方法

利用母船设计新船，在船舶设计原理的基础上，结合新船的特点和要求，确定的参数主要包括船舶主尺度、船型系数、稳性参数、船体分段长度以及伴流角。

2.1新船型主尺度的计算

母船主尺度参数见表1。母船空船载重量及排水量，以倾斜试验结果[10]为准。

表1　母船主尺度参数

1)新船型船底部分设计为V型,船体水线以下部分开通管路。钢板平均设计厚度0.75 mm，则估算新船体自重将增加2 300 t。假设保持上层建筑、木作舾装以及机电设备重量不变,新船型空船载重量设计为14 000 t；同时,船舶载重量保持不变，得到排水量为88 000 t。

2)采用经验公式[11]推导新船型主尺度。

(1)

式中：Lbp——型长；

Δ——排水量；

B——型宽；

D——型深。

最终，得到新船型型长为218.8 m,型宽为32.53 m，超出了巴拿马船型规定，型深为19.36 m。

3)根据文献[9]可知，母船压载状态下排水量为32 000 t，空载状态下排水量为11 788.26 t，为得出不同状态下船舶的吃水深度，采用如下经验公式[12]进行计算。

Δ=ρkLBdCb

(2)

式中：k——系数，k=1.005；

ρ——海水密度；

d——吃水深度；

Cb——方形系数。

母船型压载状态下吃水为5.21 m，空载状态下吃水为1.92 m。

4)新船型船体V形部分，深4 m,排水约13 000 t。为保证浮力与空船载重量保持平衡，剩余1 000 t浮力的获取，需增加吃水0.16 m， 此时船舶空载吃水达4.16 m。与此同时，打开管路最大存水量为6 744.3 t，可增加船舶吃水1.10 m。最终，得到新船型压载吃水为5.26 m，满足母船型压载状态下要求。同时，根据新船型满载排水量为88 000 t，引用公式(2)计算得出，新船型满载吃水14.46 m。

2.2新船型船型系数的计算

1)为推导出新船型方形系数，采用如下经验公式：

(3)

(4)

式中：DW——载重量；

(DW/Δ)——载重量系数。

由此可得，母船型载重量系数为0.862 6；新船型载重量系数为0.840 9。同时，根据文献[10]可知，母船方形系数为0.851，可推导出式(4)中系数为0.99。新船型采用同一系数，则方形系数为0.830。

2)引用文献 [11]中经验公式推导其他船型系数。

(5)

式中：Cw——水线面系数；

Aw——水线面面积；

Cm——剖面系数；

Am——横剖面面积；

Cp——菱形系数。

由此得出，新船型水线面系数为0.969，剖面系数为0.832，菱形系数为0.998。

3)采用经验公式，推导新船型的快速性参数。

(6)

式中：w——伴流分数；

t——推力减额分数；

ηh——船身效率；

PC——推进系数；

ηo——敞水系数；

ηr——相对旋转效率；

ηs——轴系传送效率。

通过计算得出，新船型伴流分数为0.365，推力减额分数为0.219，船身效率为1.230。同时，根据文献[9]得知，母船型敞水系数为0.857;相对旋转效率为1.00;轴系传送效率为0.985。根据公式(6)推导可得，母船型推进系数为1.047;新船型推进系数为1.038。

2.3新船型稳性参数的计算

母船稳性参数见表2。

表2　母船稳性参数

注：母船空船重心：Xg=96.710 m;Yg=0.000 m;Zg=11.540 m。

1)为得到新船型的浮心垂坐标以及横稳心半径等参数，采用如下经验公式[12]。

(7)

式中：a1，a2——常系数；

根据文献[9]中母船参数，推导出系数如下：系数a1，压载状态下为0.577 8，满载状态下为0.518 6；系数a2，压载状态下为0.071 6，满载状态下为0.083 4。新船型采用相同系数，得出浮心垂向坐标在压载状态下为3.040 m，满载状态下为7.499 m。压载状态下横稳心半径14.404 m，满载状态下为6.103 m。

2)采用经验公式[12]计算新船型初稳性高：

(8)

通过计算得出，新船型初稳性高度在压载状态下为8.114 m，在满载状态下为3.272m。

3)引用文献[13]中经验公式计算新船型横摇周期。

(9)

式中：Tφ——横摇周期;

f——修正系数，当B/d<2.5时， 取f=1.0。

新船型B/d=2.25﹤2.5，所以f=1.0。由此可得，新船型横摇周期在压载状态下为7.64 s，满载状态下为12.36 s。

2.4新船型船体分段及伴进流角的计算

新船型船体分段及伴进流角见表3、4。

表3　分段长度的确定

表4　伴进流角的确定

由表4中得知，新船型方形系数为0.830。根据表2中经验数据进行比例内插，最终得到新船型船体进流段、平行中体,以及去流段长度比例分别为24%、45%和31%。根据表3中经验数据进行比例内插，选取新船型伴进流角为36.5°。

3　新船型参数性能分析

3.1船型系数

新、母船船型系数比较见表5。

表5　新、母船船型系数比较

由表5可见，在不考虑贯通流系统的前提下，与母船型比较，新船型在推进系数以及船身效率方面都有所降低，降低比例为0.86%和0.81%，降低幅度并不大，属于可接受范围。这些方面也将成为下一步改进、优化的重点。

3.2稳性

新船型稳性参数的计算结果见表6。

表6　新船稳性参数

注：v形船底的重心高度为2.67 m。

3.3尺度比

压载吃水表示为管路处于全开放状态；满载吃水表示管路处于全封闭状态。新母船型性能见表7。

表7　新母船型性能

由表8可见，新船型的长宽比、长度型深比、宽度型深比与母船型基本持平，保证了新船型的船舶阻力、结构强度与母船型基本一致；宽度吃水比、方形系数、长度吃水比以及型深吃水比有小幅度的下降。尽管新船型的抗沉性、稳性有稍微地降低，但船舶操纵性有一定程度地提高。同时，船体的结构强度也满足基本要求。

4　结论

在保证船舶无压载化的前提下，新母船型的5大类船型参数与总体性能基本一致，满足实践要求。设计方案的优点在于削减了对V型船身的高强度需求，减轻了船舶自重，降低了单船造价；另外，也降低了船舶对航行水域水深的要求，减少了船舶搁浅的风险；同时，借鉴日本V型船身设计中“降压载，增吃水”的核心理念，降低了美国贯通流理念中对船舶内部管路尺寸与强度的高要求，也相应地降低了管路从船体内通过时对船舶内部结构以及设备布局的影响。利用CFD方法开展该船型的船体下沉及纵倾等方面数值计算将作为进一步研究的重点。

表8　新母船型性能比较

注：表中d指船舶满载吃水深度。

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On the Hull Parameters of a Ballast-free Ship Type

WANG Peng-hui, HONG Bi-guang, YU Yang, GAO Xiao-ri

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

To research a ballast-free ship’s ship form parameters, fuses international advanced ballast-free ideas. The connectivity pipes is used to transform American though flow system and integrate into Japanese V-shape hull, so as to design a new ballast-free Panama ship type. On the basis of empirical formula, the new and mother ship datum are calculated and compared. The results show that the new ship form parameters is basically in line with mother ship, meets the requirement of practice, and the design scheme is feasible.

ballast-free ship; though flow system; V-shape hull; ship form parameters

2016-02-21

2016-04-06

国家自然科学基金(51379026)

王鹏晖(1993—)，男，硕士生

U662.2

A

1671-7953(2016)04-0040-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.010

研究方向:船舶操纵以及船舶运动与控制

E-mail:haishixiaohui@163.com