30 000 m3LNG船线型设计与优化

2017-10-10魏菲菲

船舶设计通讯 2017年1期

关键词：吊舱线型船型

魏菲菲

（上海船舶研究设计院，上海201203）

30 000 m3LNG船线型设计与优化

魏菲菲

（上海船舶研究设计院，上海201203）

以30 000 m3LNG船线型设计为背景，研究了2种推进型式，为该类采用吊舱式推进器船型的线型设计积累了经验。使用FRAMEWORK软件和SHIPFLOW软件对由母型船初始变换过来的单桨和双吊舱线型进行阻力方面的优化，并最后进行了船模试验验证，试验结果显示优化后的线型性能指标优良。

FRAMEWORK软件；SHIPFLOW软件；阻力优化；船模试验

Abstract:Based on the lines of a 30 000 m3LNG carrier，two propulsion types were researched，accumulating experience of lines design of ships with PODs.By means of FRAMEWORK and SHIPFLOW software，resistance performance of two different lines was optimized among which were the one transferred from parent ship with single screw and the other with POD.Both lines were proved by model tests，showing an outstanding performance after optimization.

Keywords:FRAMEWORK software；SHIPFLOW software；resistance optimization；model tests

0 前言

21世纪液化天然气作为绿色能源已得到世界各国的重视，液化天然气海上运输船的开发与研究正如火如荼地进行，世界LNG船市场将十分兴旺。未来五年，小型LNG接收站投资活跃，全球对小型LNG船（7 500～30 000 m3）的需求将稳步增长。预测到2020年，全球市场年均LNG新造船订单为40～50艘，30 000 m3LNG船就是在这样的背景下设计建造的。

1 主要船型参数

文中所述的船型为装载量30 000 m3的LNG船。其主要参数如下：

2 线型设计与优化

2.1 传统单桨型式

由上述主要船型参数可以看出该船的特点是长宽比Lpp/B尚可，浅吃水即宽度吃水比B/T很大，傅氏数Fn类似于多用途船。鉴于以上特点，选取船型数据库中1艘载重量在30 000吨级的多用途船作为母型船，变换得到初步线型方案。

将初步线型使用 CFD软件SHIPFLOW［1］和优化软件 FRAMEWORK［2］进行线型优化。

优化线型与变换的初始线型相比，首部在17站之前大幅收瘦，最大收幅达到800 mm左右，从16站之后增大横剖面宽度，最大增幅大约300 mm。同时显著降低球首高度，由初始的8.690 m降至7.358 m，球首长度增长0.116～5.200 m，球首最大宽度与半宽的比值由0.1443变为0.1348，宽度稍有减小。尾部尾封板距基线的高度下降1.274 m，尾封板附近区域排水量大幅下移，即将排水量增大到尾部外侧。与初始线型相比，尾部的水线加宽了不少。综合首尾修改来看，浮心位置显著后移，由舯前2.464%Lpp变为1.745%Lpp。

优化前后的波形比较见图1～图4。

图1 优化线型（上）与初始线型（下）SHIPFLOW计算自由表面波形比较1

图2 优化线型（浅色）与初始线型（深色）船体表面波高比较2

图3 优化线型（浅色）与初始线型（深色）船体表面波高比较3

图4 优化线型（上）与初始线型（下）表面压力分布

从图1～图4可以看出，优化后的线型无论在波形上还是表面压力分布的均匀上都有了显著改善，计算得到的数值结果也充分验证了这一点。表征兴波阻力系数的Cw（由船体表面压力积分计算获得）由 0.845 6×10-3下降至 0.596 0×10-3，Cwtwc（由尾后截面积分计算获得）由0.402 2×10-3下降至0.173 7×10-3，黏压阻力系数 Cpv由 0.719 7×10-3下降至 0.551 0×10-3，摩擦阻力因数基本不变。从桨盘面伴流分布的均匀程度来看，均匀度有所提高，高伴流区域处的涡流减弱（见图5），说明优化后的线型更有利于设计桨取得较高的推进效率。

图5 初始线型（左）与优化线型（右）桨盘面处伴流分布

优化后的线型在上海船舶运输科学研究所的拖曳水池中进行了备用桨船模试验，船模缩尺比25.9524，船模垂线间长6.743 1 m，桨模直径210 mm。该试验尺度的选择对取得较为精确的数据和做出比较可靠的航速预报是有利的。

试验结果大大超出了目标航速16.5 kn，达到17.01 kn（见图6），证明优化的线型性能非常优秀。

图6 设计吃水下预报的vs-Pd曲线

2.2 双吊舱推进型式

该船采用C型双叶罐压力舱（bi-lobe）作为货物围护系统。出于破舱稳性的要求考虑，采用4个罐子的设计，且上层建筑安排在船尾，重心比较靠后，因此已试验的单桨船线型由于浮心位置太靠前，为舯前1.745%Lpp，浮态稳性较差，加之LNG船通常宽吃水比B/T比较大，吃水很浅，为兼顾满足操纵性优良等的要求，在传统单桨型式线型达到并超过目标航速的情况下，尝试设计尾部适用双吊舱推进型式的线型［3］。

由于可供使用参考的吊舱推进船型很有限，难以找到尺度相近的母型船，选用了1艘方形系数相对较小的轮渡做为母型船。在主机选取时又根据单桨型式的线型模型试验结果，降低了主机功率。这使得本次线型的设计难度陡增。对于变换后得到的初步线型，借助CFD工具和FRAMEWORK优化工具进行阻力方面的优化。

优化线型与变换的初始线型相比，整个首部都收瘦了，纵向方向16站之前收幅较大，垂向方向，满载水线附近收幅最大，最大收幅约1 800 mm，以下依次减小。初始线型的横剖面呈现“V”型特征，优化后的线型则呈现略“U”型。同时显著降低球首高度，由初始的7.720 m降至6.980 m，球首长度缩短0.205～5.198 m，球首最大宽度与半宽的比值由0.142 0变为0.140 3，宽度稍有减小。尾部尾封板距基线的高度保持与初始线型一致，尾封板距AP的距离根据总长的限制，缩短了1.114 m。综合首尾修改来看，浮心位置显著后移，由舯前0.418%Lpp变为舯后 0.338%Lpp。

优化前后的波形比较见图7～图10。

图7 优化线型（上）与初始线型（下）SHIPFLOW计算自由表面波形比较1

图8 优化线型（浅色）与初始线型（深色）船体表面波高比较2

图9 优化线型（浅色）与初始线型（深色）船体表面波高比较3

图10 优化线型（上）与初始线型（下）表面压力分布

从图7～图10可以看出，优化后的线型由于浮心位置Lcb较初始线型后移，导致船体两侧波形得到较大改善，但船尾后方波形较初始线型恶劣。对比初始线型和优化线型的SHIPFLOW计算数据：表征兴波阻力系数的Cw（由船体表面压力积分计算获得）由 0.403 0×10-3下降至 0.240 1×10-3，而 Cwtwc（由尾后截面积分计算获得）由0.473 3×10-3上升至0.593 6×10-3，黏压阻力系数 Cpv由 0.717 7×10-3下降至 0.588 1×10-3，摩擦阻力因数 Cf却由 2.751×10-3上升至 2.819×10-3，总阻力系数 Ct若用 Cw计算，由3.872×10-3下降至 3.647×10-3，若用 Cwtwc计算，则由3.942×10-3上升至4.001×10-3。由此也可以看出浮心位置后移，改善了首部及船体两侧波形，但对船尾波形有不利影响。

从尾部伴流分布的均匀程度来看，优化后的线型较之前略有劣势，见图11。但由于使用吊舱推进型式，桨前方来流较之单桨线型顺畅，且双桨激振力通常比单桨要小，因此初步认为对桨的设计影响不大。

优化后的线型在荷兰的MARIN水池进行了阻力及自航试验。备用桨采用2种不同厂商的吊舱推进模型进行试验，型号分别为AZPOD1400和AZP150，如图12所示。

图 12 AZPOD1400（左）与 AZP150（右）备用桨模型

试验结果证明采用2种吊舱推进型式均达到了16.5 kn的航速指标，见图13。在设计航速16.5 kn时，虽然AZP150型吊舱推进模型比AZPOD1400型推进效率高出2.66%，但其转速比AZPOD1400型低10 r，并且轴系损失为5%（该数据由厂商提供），而AZPOD1400型仅为0.5%（该数据由厂商提供），所以最终结果AZPOD1400型吊舱推进型式航速高。不过因为其他方面原因，船东最后选择了AZP150型吊舱推进器。

图 13 AZPOD1400（左）与 AZP150（右）吊舱形式 vs-Pd曲线

优化后的线型在MARIN的数据库相似船型中达到了VERY GOOD，水池对于伴流的评价也是GOOD，并且浮心位置为舯后0.331%Lpp，很好地满足了总体布置的需要。具体见图14～图15，图14为海军系数比较，该系数越大性能越好。

图14 海军系数比较（实心大圈为该船，空心小圈为MARIN数据库船型）

图15 MARIN水池对该船线型的评价

3 结语

通过设计和试验验证该型LNG船单桨线型与双桨线型，尽管2次试验水池有所不同，但依然可以发现，无论是表征阻力性能的Fn-Cr曲线还是推进效率ηD的数据比较，均显示单桨线型在性能上的优势，单桨线型仍然是性能方面的首选，见图16和表1。但在实船设计中应充分考虑多方因素，例如长宽比Lpp/B较短、吃水T较浅、浮心位置Lcb受限、总体布置及稳性、操纵性（主要是航向稳定性）等限制，以最终确定船舶的推进方案。