39 000 DWT散货船的优化设计分析

官长琪，韩永兴

（1.舟山长宏国际船舶修造有限公司，浙江舟山 316052；2.上海佳豪船舶工程设计股份有限公司，上海 201612）

39 000 DWT散货船的优化设计分析

官长琪1，韩永兴2

（1.舟山长宏国际船舶修造有限公司，浙江舟山 316052；2.上海佳豪船舶工程设计股份有限公司，上海 201612）

39 000 DWT散货船在实际营运过程中，良好的经济技术指标得到了航运公司的认可，本文阐述了从前期开发及总体设计中为满足该船的各项指标进行的各项设计优化，从安全、环保、可持续发展的角度对各优化方案的过程进行了分析论证。

设计优化；安全环保；可持续发展

0 引言

船舶运输是最有效能、最为环保的运输方式之一。它承担了90%国际贸易货物运输，无可替代。但是拥有20 000艘船舶共12亿载重吨的全球航运业每年排放10.46亿吨CO2，占全球CO2总排放量的3.3%，仅次于电力工业、公路交通、建筑业和制造业，居世界第四位。因此船舶的节能减排成效对全球节能减排达标的影响不可小觑。

在这种形势下，有关海上环保和海上安全的国际或地区性的新法规频繁出台，诸如IACS船舶结构共同规范（CSR）、MARPOL73/78附录修正案、IMO船舶能效设计指数（EEDI）等。与此同时，经济和法规因素推动船舶设计者考虑设计对环境的影响，在可预见的未来环境方面的考虑将大大影响船舶的设计、运营方式以及最终的拆解处理。本船为了满足以上安全、环保、可持续发展的要求，在合同前设计中采用了多种优化方案，满足了船东提出的各项经济技术指标，终于在激烈的市场竞争中脱颖而出，一举成为舟山长宏国际船舶修造有限公司和上海佳豪船舶股份有限公司联合设计合作的典范。本船见图1。

图1 已经交付的39 000 DWT散货船

1 主要设计参数

1）船型

该船是一艘远洋航行单桨柴油机驱动的散货船，适于装载谷物、煤炭、化肥、卷钢、木材以及符合BC规则要求的危险货物，属于一款船舶节能减排技术的基本船型，是一种深受市场青睐的小灵便型散货船。

2）船级

BV: I HULL，MACH，Bulk Carrier，CSR，BC-A，｛Holds 2，4 maybe empty｝，ESP，CPS （WBT），Unrestricted navigation，GRAB ［25］，BWE，AUT-UMS，IN WATER SURVEY，MON-SHAFT，VERISTAR-HULL，GREEN PASSPORT。

3）船旗

MARSHALL ISLANDS。

4）主要参数

总长：约179.90 m；

垂线间长：176.85 m；

型宽：30.00 m；

型深：14.80 m；

设计吃水：9.50 m；

结构吃水：10.60 m。

5）载重吨及吨位

设计吃水时载重量：33 400 t；

结构吃水时载重量：39 000 t；

总吨（I.C.T.M.，1969）：约24 262 t。

6）航速及燃油消耗

在设计吃水（9.50 m），主机常用功率（CSR），含15%海上裕度时的服务航速（约14.0 kn）。

7）主机

机型及数量：MAN B&W 5S50ME-B9.3×1套；

最大持续功率（SMCR）：6 050 kW/99 rpm；

常用功率（CSR，0.8SMCR）：4 810 kW/91.7 rpm。

2 主要优化方案分析

2.1 船体线型优化

2.1.1 多线型方案设计

船体线型是影响船舶快速性能优劣的关键，为此，本船在船舶最新设计理念及有关理论指导下，结合以往线型设计经验，采用模型试验研究与数值计算分析结合的方法，优化船体线型以获得性能较佳的线型［1］，见图2。

图2 线型横剖面图

2.1.2 船体周围流场特性的计算与分析

为了进一步验证线型改型优化后能否取得预期的效果，分别采用了势流计算原理及粘性流计算原理，对三种线型方案1（船模编号A）、方案2（船模编号B）及方案3（船模编号C）进行了数值计算，包括流场、波高等值线图、舷侧波型图、船体表面压力分布图、伴流场分布及阻力数值计算等，通过对不同线型方案的分析比较，可对其性能优劣作出一个定性的判断，从而为选取较为优良的线型提供较为可靠的理论依据［3］。

2.1.3 模型试验研究及线型优化分析

在开发研究之初，以基本船的线型作为试验研究的基础，并将该线型重新加工船模进行水池快速性试验。在对基本船线型进行艏部改型优化并进行了水池模型快速性试验后，又将船首、尾部进行第二次改型优化后也进行了水池模型快速性试验。

基本船线型经两次优化后，在阻力性能改善上取得了较明显的效果，其兴波阻力及总阻力均有显著下降，方案2较方案1的总阻力系数Ct可下降4%以上，而方案3较方案1，总阻力系数Ct可下降 8%左右。由于艏部线型优化后改善了船首部的兴波及舭部的涡流，致使流经船尾部的水流状态有所改善，也即改善了艉部流场，因此即使具有相同的艉部线型，方案2的推进效率也要较方案1的高出约4%以上，而方案3的阻力性能虽较方案1及方案2为优，且阻力下降的幅度甚大，但由于其艉部改型后的伴流较大，且分布不够均匀，致使其推进效率下降，反映在采用相同的主机功率下其航速较方案1虽有所提高但却不及方案2，该试验结果同用粘性流原理计算的结果是相一致的。各方案的模型试验结果综合比较如表1所示。

表1 各方案模型试验结果综合比较

由上述表中的综合比较可见，线型优化后的船舶快速性能均较基本船线型有较大改善，特别是方案2不仅降低了船体阻力（即有效功率）也有效地提高了推进效率，使得收到功率有较大幅度的下降，其收到功率在VS=14.00 kn左右下降可达9%以上，取得了较理想的成效。

2.2 艉部节能装置的试验研究

在综合分析比较各线型方案的基础上，选择方案2作为绿色39 000 DWT散货船的基本线型，在此基础上选择了下述两种艉部节能装置开展了试验研究。

2.2.1 舵球节能装置

舵球是一种比较简单而有效的节能装置，在以往舵球设计的基础上选择了一种形式，其外形如图3所示。

图3 舵球外形图

从试验结果看，加装舵球节能装置后航速略有提高，但效果不明显，有待今后更好地开展舵球外形设计与试验研究，以便进一步提高其节能效果。

2.2.2 舵、舵球及毂帽组合体的节能装置

舵、舵球及毂帽组合体节能装置是一种较为新型的节能装置，在进行本项目研究时设计采用了一种简化的舵球及毂帽组合体，即舵仍采用常规的叶剖面舵，其外形如图4所示。

图4 舵球、毂帽组合体外形图

由模型试验可见，加装舵球、毂帽组合体节能装置后能效可达 2%左右，航速有所提高，达到了预先的期望［2］。

2.3 螺旋桨节能设计研究

推进器是影响全船能耗的关键因素。为了实现绿色39 000 DWT散货船的节能减排目标，理所当然要对它的螺旋桨设计作进一步的研究。

通过选择新机型，设计大直径低转速螺旋桨，不失为一个可较大幅度提高螺旋桨本身推进效率的有效措施，而采用现代螺旋桨设计理论方法进一步优化大直径低转速螺旋桨设计，可以最大限度提高螺旋桨效率，为整船节能做出贡献。

以本船螺旋桨作为比较基础，MAU图谱设计桨的直径为5.23 m，设计转速为137.9 r/min，设计工况下的效率为0.547；MAU图谱设计的大直径低转速螺旋桨直径为5.83 m，设计转速为110.0 r/min，设计工况下的效率可达0.610。两者相比较，大直径低转速螺旋桨的效率比原螺旋桨提高约10%以上。尽管采用大直径低转速螺旋桨后，船身效率和相对旋转效率有所下降，但推进效率仍可达到4%。

本船为了进一步提高图谱设计的大直径低转速螺旋桨的效率，采用现代螺旋桨设计理论方法进行优化设计。该方法的理论基础是美国麻省理工学院Kerwin教授建立的螺旋桨数值升力面理论，应用自行研制并经多年实践考验的螺旋桨设计程序包设计的适伴流螺旋桨，可对包括桨叶效率、空泡和强度等作全面的设计质量考虑。

理论设计的适伴流螺旋桨是一个直径为5.8 m的径向变螺距螺旋桨，设计转速109.2 r/min，25.57°侧斜，为提高效率采用曲线前倾，空泡裕度取值0.52，采用NACA66mod a=0.8型切面，强度符合BV规范。

设计工况下，理论设计的适伴流螺旋桨的效率可达0.622。相比MAU图谱设计的大直径低转速螺旋桨，效率再提高2%，即在相同功率下，航速可再提高1%左右。从而对绿色39 000 DWT散货船螺旋桨设计的节能研究达到了最佳结果。

2.4 船体结构全面优化研究

本船在对基本船体结构进行全面分析的基础上，组织有关船级社进行深入研讨，对绿色39 000 t散货船的船体结构进行了全面优化，使得结构布置更加合理，材料利用率进一步提高，较大幅度地减轻了船体结构重量（约377 t）。

主要要点如下：

1）合理调整总纵强度裕度

原39 000 t散货船的总纵强度设计裕度过大，造成船体剖面模数过大，从而增加了不必要的纵向构件尺寸。根据共同规范要求计算的进水状态下最大中拱和中垂静水弯矩已经包含了相当大的裕度，而原船设计在此基础上又加了10%～18%的裕度，可见，原船的总纵强度是过于安全而不合理的。为此，将绿色散货船的最大允许中拱和中垂静水弯矩分别确定为1 339 000 kN·m和1 280 000 kN·m，此时的总纵强度略有余量，可以认为这样的总纵强度余量应该是足够而且合理的。根据此弯矩进行船体中横剖面的设计，将使得整个船体外壳板的厚度及纵向构件的尺寸更趋于合理，从而有效地降低了结构重量约200 t。

2）适当增加高强度钢的使用比例

原39 000 t散货船中高强度钢的使用比例仅为30%，这在同类型的散货船中是较低的，随着高强度钢与普通钢在价格上的差距越来越小以及高强度钢施工技术日趋成熟，加上CSR的净厚度设计原理更多地采用高强度钢也越来越被船东所接受。因此该船确定把高强度钢的使用比例提高到60%左右，使该船的结构重量可减轻约30 t。

3）改进结构布置和细节

原39 000 t散货船的某些结构布置和设计仍有进一步改进的空间。优化管弄布置，将管弄宽度减少至3.0 m，可以取消原有的中心桁材，相应地对内、外底纵骨布置作必要的调整，尽可能选取均匀的纵骨间距，以充分提高材料的利用率。可减少重量约40 t。此外，重新均匀布置甲板纵骨，间距均为792 mm，不仅可减少一根甲板纵骨，也提高了纵骨材料的利用率，可减少重量约8 t。

原39 000 t散货船的货舱槽型横舱壁为矩形槽条和部分平面舱壁相结合的形式，造成材料不能得到充分利用，从而导致舱壁重量偏重，决定改变原舱壁结构形式为梯形槽条形式，可使每道横舱壁重量减少约22 t，全船货舱段共有四道槽型横舱壁，总计可减少重量约88 t。

原39 000 t散货船No.1货舱双层底是每2档肋位设置一道实肋板，以考虑船底砰击强度，但这样却造成材料的浪费，所以决定将实肋板改为每3档肋位设置，使实肋板数量减少5道，从而减少重量约10 t。

通过对原39 000 t散货船结构的优化研究，使得结构布置更加合理，材料利用率进一步提高，较大地减轻了船体结构重量（约370 t），增加船舶载重量370 t，并降低了绿色39 000 t散货船的能效设计指数（EEDI），如图5所示。

图5 中横剖面图

2.5 主机选型优化研究

从节能和减排观点，重点研究主机选型，将具有最低燃油耗FOC，最低排放以及最大净现值NPV的主机选为绿色39 000 DWT散货船的主机。

对原39 000 DWT散货船的线型进行优化，并经船模试验验证及实船试航结果如下：

CSR为4 810 kW/91.7 r/min，约定最大连续输出功率SMCR为6 050 kW/99 r/min。在设计吃水9.5 m和CSR（含15%海况储备）时，服务航速为13.9 kn。主机功率输出的节减表示着燃油的节减，也表示温室气体排放的减少。为进一步降低燃油耗量，采用主机与螺旋桨间优化匹配以达到主机的优化选择，优化选择有以下四方面：

1）采用低转速螺旋桨，进一步降低连续使用输出功率CSR（保持Vs不变）；

2）采用低燃油耗率SFOC的主机；

3）采用降低功率（de-rating）输出方法，所谓降低功率输出是指所选用的SMCR在被选主机的功率输出范围（layout）内处于功率较低的位置；

4）选用主机的排放要满足IMO及MARPLO 73/78的要求。

2.5.1 最能节约燃油的机型

主机日耗油量FOC以5S50ME为最低，耗油量可节省21%。

2.5.2 最大的净现值（NPV）

经济性分析中，采用净现值NPV作为评价总经济性的标准，净现值考虑了主机初投资和主机运行费用。在本分析中，海上航行时间按225天/年计，主、辅机燃油（380cSt）均按每吨500美元计。计算表明，所有预选主机比基础机型增加投资的回收年限均在2.5年以下，其中5S50ME-B9为1.3年。

2.5.3 主机优化结果

通过机桨的优化匹配，5S50ME-B9拟选作为绿色39 000 DWT散货船的主机。

5S50ME-B9的参数如下：

MCR：8 900 kW/129 r/min；

SMCR：6 050 kW/99 r/min；

CSR：4 810 kW/91.7 r/min。

2.5.4 小结

5S50ME-B9的耗油量最低，温室气体排放最低，而净现值NPV最高，可作为绿色39 000 DWT散货船的首选主机，其主机日耗油量根据试航结果仅17.1 t，与基本船的主机相比节省达21%，报告如图6所示。

2.6 船舶排放控制和压载水处理系统研究

根据防污公约的最新要求，对基本船的防污系统进行了分析。并结合当前最新的科技成果，探讨该船进一步减少污染排放切实可行的措施，以完善新一代绿色39 000 t散货船的设计。

2.6.1 动力装置的温室气体CO2排放控制

在MEPC 59会议上提出温室气体（CO2）减排法规发展大纲，重申法规发展步骤有先后次序：“同意”、“审批”和最终“通过”。专注于技术和操作措施，总称“节能措施”。提出船舶能效设计指数（EEDI）计算公式的初稿和自愿性验证。目前仍处于自愿性验证阶段。船舶节能关系到全船的各个部分。该船在主机优化选型中，选用了燃油耗油率较低的型号，比基本船主机的油耗有较大改善，使绿色39 000 t散货的温室气体（CO2）排放有较大的减少。

图6 油耗报告

2.6.2 压载水处理

水生生物因船舶压载水的更换而迁移，这些海洋植物群和动物群发生改变，已给水产业带来愈来愈严重的危害。近年来有关船舶压载水处理方法的研究不断深入，已达到实用水平的压载水处理方法不断问世。目前经国际海事组织（IMO）认可的压载水处理方法主要有两种：紫外线杀菌和化学品处理方法，两者相比之下，化学品处理方法仅需在主机中添加一些药粉即可，而且占用空间小。因此本船在绿色39 000 t散货船的优化设计中采用这种方法。

该处理系统在压载舱注水时，首先由设置在压载泵后的海水过滤器对海水中50 μm的浮游生物进行过滤，再在压载管路中注入次氯酸钠杀菌剂。在压载舱排水时，在压载管路中注入亚硫酸钠对压载水中的残余氯气进行还原，排入海水中主要为氯化钠，避免对生态环境的二次污染。

2.7 EEDI指数

正如本船研究开始时所计划的那样，采用国际海事组织（IMO）近年来正在推行的船舶能效设计指数（EEDI）评判本研究所涉及的各种节能减排技术的综合效果。根据定义EEDI的值表示船舶满载航行状态下，单位载重量吨—海里的温室气体（CO2）排放数量。若是除去燃料消耗与CO2排放之间的转换因数（CF），则它就表征船舶满载时单位载重量吨—海里的燃料消耗量。因此，EEDI是一个比较理想的综合评价船舶节能减排效能的指标值。2015年IMO的EEDI开始强制施行，用于促进船舶的节能减排。

而本船由于采用了前述的各种节能减排措施，绿色39 000 t散货船的EEDI值为4.72，比基本船下降了16%，并低于IMO的基本线23.2%，节能减排效果显著，如图7所示。

在本研究涉及的各项节能减排技术中，以线型优化对节能减排的贡献为最大，一系列的船模试验及计算流体力学（CFD）的理论计算结果表明，因线型优化导致的船舶推进所需功率减少达11%。船舶推进所需功率的减少，也得益于因主机优选转速下降及螺旋桨设计方法改进而使螺旋桨推进效率提高2%～3%。

全面优化船体结构设计，减轻船舶自重，提高载重量，看似对EEDI的贡献不大（约1%）。但实际上，船舶自重减轻370余吨，相当于3.7%的船体自重，即可增加载重量370 t。这意味着船东货运收入增加 1%，效益显著。是一种船厂和船东双赢的好办法，值得提倡。优选主机实质上就是提升船舶的主要动力源——主机能效的过程，其主要体现在单位油耗（SFOC）的降低。

3 结论

综上所述，本船设计方案经过优化后，良好的技术指标已经得到了实船认可，满足相关法规及船东的要求，将会得到很好的社会效益及经济效益。

图7 EEDI计算

［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.

［2］Huang Guofu，Yang Youzong.Model Test for Green 39 000 t bulk carrier［R］.CSS，R.C.Report.2013.

［3］盛庆武，李彤宇，寻正来，等.大灵便型散货船的线型设计与优化［J］.中国造船，2010（1）: 37-45.

日本将建世界首艘LNG燃料动力汽车滚装船

日本邮船株式会社网站7月11日消息，日本邮船株式会社在其中期管理计划中，将完成一些创新计划，包括建造世界首艘LNG燃料汽车滚装船和LNG加注船。该公司建造的首艘LNG燃料拖船“魁”号在2015年8月交付使用，该船使用柴油和LNG双燃料。因“魁”号拖船对环境减排贡献，该公司获得日本物流团体联合会（JFFI）颁发的环境奖章。这也是该公司自2009年以来，第三次获此荣誉。

来源：日本邮船株式会社

Optimization Design Analysis for 39 000 DWT Bulk Carrier

Guan Chang-qi1，Han Yong-xing2
（1.Zhoushan Changhong International Shipyard Co.Ltd.，Zhejiang Zhoushan 316052，China； 2.Shanghai Bestway Marine Engineering Design Co.Ltd.，Shanghai 201612，China）

In the actual operation of the 39 000 DWT bulk carrier，its good economic and technical indicators have been approved by the shipping company.The article elaborates the various design optimizations in the early development stage and the general design of the ship，which is to meet the targets of the ship.It also analyzes and demonstrates each optimization process from the aspects of safety，environmental protection and sustainable development.

design optimization； safety； environmental protection； sustainable development

U662.2

A

10.14141/j.31-1981.2016.04.009

官长琪（1982—），男，工程师，研究方向：项目管理及总体设计。