宽扁肥大型江海直达多用途船关键技术

裴志勇，吴深毅，吴卫国

（高性能船舶技术教育部重点实验室（武汉理工大学），武汉理工大学交通学院，湖北 武汉 430063）

宽扁肥大型江海直达多用途船关键技术

裴志勇，吴深毅，吴卫国

（高性能船舶技术教育部重点实验室（武汉理工大学），武汉理工大学交通学院，湖北 武汉 430063）

对江海直达船舶状况和制约其发展因素进行分析，以载量大、油耗低、经济性好为目标，分析江海直达船型关键技术及解决途径。将理论分析、数值计算和模型试验等研究方法结合起来，开发出宽扁肥大型江海直达多用途船，从油耗、运输效率和船体钢料重量等三个方面对开发船的技术性能进行了比较分析。

宽扁肥大船型；江海直达船；多用途船；技术性能指标

DOI编码：10.13646/j.cnki.42-1395/u.2016.10.002

1　研究背景

长江黄金水道是联接东部沿海开放、中部崛起和西部大开发国家战略的战略大通道，支撑着长江流域大物流、综合运输体系和沿江七省二市经济社会发展。2013年，长江干线货运量达19.2亿吨，连续9年排世界内河货运量第一，但由于沿线码头状况、航道水深等诸多因素的限制，传统的转运方式不仅耗时、增加营运成本，而且会产生货损和货差，难以提高运输效率，已远远满足不了长江中上游地区社会经济发展的需要。

江海直达运输由于减少中间环节、消除了货损、大幅降低运输成本且提高运输效率而深受船东和货主的欢迎。随着港口、码头等基础建设的逐步推进和航道疏浚工作的进行，现时的状况较以前有较大改变，当前的航运市场迫切需要一型能较好适应现行条件的，吃水浅、载量大、油耗低、绿色节能环保的江海直达多用途船，运输铁矿石、煤炭、水泥及熟料等从宁波舟山港到武汉新港，以及从武汉新港载运集装箱到上海洋山港。

2　长江航运发展制约因素

由于各种原因，长江上现有船型及运输方式严重制约着航运发展，主要表现在：

一是船型老化。为了适应改革开放以来对铁矿石和煤炭等原料的大量需求，从美国引进性能优异的大开口内河双壳散货船代替了以前的甲板船成为中坚力量，该类船存量较多，航运公司又无足够财力快速实现转型，船型老化的局面就不可避免地形成了。

二是中转环节太多，效率低下。进口散货如果运往内陆，都要先通过远洋运输到达国内深水海港，如宁波、上海，减载后运到长江下游港口，再换河船运往内地码头。这种多环节的中转运输耗时、货损货差大、营运成本高，且还可能造成对周边水域或岸边的污染。

三是现实中的江海直达船完全按海船设计。没有考虑江海通航航线的水文气象条件，性能上既没有达到海船的优势，也没能发挥内河船的优势。

四是航道条件的自身不足。由于航道水深的限制，现有装运铁矿石和煤的散货船枯水期都得减载运行。另外，航道的弯曲半径也制约着船舶的长度，进而限制其载运能力。

进行江海直达船舶技术的研究并开发江海直达运输已是当前社会发展所必需，具有明显的经济效益和社会效益，代表着先进的生产力，值得大力推广。

3　江海直达船舶关键技术

江海直达航线涵盖从内河至入海口的江段以及从入海口至沿海港口的海段，船舶在风浪很小的江段遭受的波浪载荷较小，但长江自然航道的水深和宽度对其操纵性有着特殊要求；船舶在海段遭受的风浪较大，结构强度和适航性是要重点关注的问题。江海直达船舶与内河船和海船均有显著的不同，因而不宜采用内河船规范的思想或海船规范的思想来进行设计。

受长江航道特别是中游航道水深的限制，新一代江海直达船型因大型化而呈宽、浅、肥大的特点，常规船型难以满足性能要求，必须采用理论与试验相结合的研究方法，攻克宽扁、浅吃水船型在安全技术、节能技术、绿色技术应用等方面的关键技术，以达到安全、降耗和环保的目标。新一代江海直达船型的主要关键技术有：

1）基于全寿命周期经济性分析的尺度优化；

2）基于水动力性能计算与试验的线型优化设计；

3）节能减排应用技术；

4）浅吃水宽扁肥大船型适航性技术；

5）以减重增载为目的的结构多约束优化设计技术。

4　宽扁肥大型江海直达多用途船设计方案

4.1设计方案

将现有航道、码头状况作为约束条件，基于模糊数学层次分析法，对江海直达船可能的尺度方案从经济性、技术性和环境性三个方面进行综合评估和比选，遵循安全可靠、节能环保、技术先进、经济适用的原则，得到可行的尺度方案，经后续的水动力性能计算分析、船模试验，进行线型优化确定最终的船型。

本船为航行于中国沿海及长江A、B航区，主要装载铁矿石、煤炭、水泥熟料、钢材、棉花等散货从宁波舟山到武汉，装载集装箱从武汉到上海大小洋山的江海直达多用途船舶，最大载重量14550t，最大载箱量808TEU。船舶总长136.5米，垂线间长130.0米，型宽25.6米，型深8.6米，设计吃水和结构吃水分别为5.5米和6.3米，配船员14人。

船体为钢质、单甲板、双机、双桨、双舵、方尾、双尾鳍、球鼻首、倾斜首柱，由两台中速柴油机配齿轮箱驱动五叶大侧斜适伴流理论桨推进，配备两只由液压舵机驱动的悬挂舵。

4.2技术性能指标

衡量船舶设计方案优劣一般可从吨千米油耗、运输效率和单位载货量船体钢料重量等三个方面进行评价。本文中，将开发的宽扁肥大型江海直达多用途船跟武汉国裕物流集团公司的12400DWT散货船从上述三个方面进行对比分析。

吨千米油耗RFD（g/（t*km）表示载重量、航速、主机耗油率三者之间的关系，其值越小表明船舶的载重量大、航速高但主机耗油率小，最能反应所设计船型的优劣。吨千米油耗RFD可表示为：

式中，Fc为日燃油耗量，t/d；DW表示设计吃水下载重量，t；Vs为服务航速，km/h。

表1　吨千米油耗对比

船舶的运输效率可描述为运输消耗的单位能量可获得的产值（载货量*航距），据此，运输效率的表达式如下：

在进行运输效率比较时，由于设计方案与已有船舶均采用传统燃料石油作为推进能源，值相同，只需将不同船舶的进行比较即可。

在当前节能环保时代主旋律下，船体结构轻量化已成为船体结构设计的必然发展方向，“减重增载”成为船体结构研究的热点，反映出船体结构设计的水平。采用单位载货量船体钢料重量进行比较，如表3所示。

表2　运输效率比较

表3　单位载货量对应船体钢料重量比较

5　结论及未来研究

本研究是在工信部高新船舶技术专项“江海直达换代开发”支持下完成的一型航行于武汉至宁波舟山或上海洋山间的载量大、油耗低、节能环保、宽扁肥大型江海直达多用途船。该船型的成功开发符合节能减排时代主旋律，对“长江黄金水道”建设、“一带一路”等国家战略的实施具有积极意义，对促进中部地区崛起战略部署、武汉新港长江航运中心建设可起到较大的促进作用。2014年6月由工信部装备司和教育部科技司联合组织了专家验收，研究成果达到国际领先水平。

当前正在进行工信部高新船舶技术专项“江海直达节能环保集装箱示范船开发”（研发周期2015.1-2017.12），目标是开发出700箱以上、均箱日油耗较现有船型降低20%以上的节能环保型集装箱示范船。通过各项技术成果的应用，所开发的千箱级江海直达集装箱船较目前长江上营运的能效最佳船舶平均单箱日油耗降低约23%，已经过水池试验验证，并将在明年实现实船建造。

在江海直达船舶技术研究过程中，跟南岸普顿大学、代尔夫特理工大学、杜伊斯堡-艾森大学、罗斯特克大学、里斯本大学等知名高校以及法国船级社内河船舶审图中心、俄罗斯船舶工程局等研究机构建立了广泛的联系和合作研究，目前，武汉理工大学发起的“中欧江海联运技术研究中心”正在积极筹建中。