钱塘江上游散货船标准船型研究

石晶鑫 王群蕾 袁凤琴

（金华市港航管理局 金华321025）

引 言

钱塘江是长江三角洲水网向浙江西部的延伸，是承担浙西地区与江苏、上海及浙江省内其他地区物资交流的水上运输动脉［1］。目前，钱塘江的航道条件已明显改善，通航能力大大提高，特别是随着七里垅船闸建设完成，消除了钱塘江中上游浙西航道的通航“瓶颈”，再加上衢江航道工程建设和兰江航道“五升四”改造工程的竣工，钱塘江中上游的航道主线现已全部达到四级航道标准。尽快研发多种能够适宜航行于此水域的货运船型，有效发挥航道和船闸等通航设施的利用率与通过能力，提高船舶营运效率和内河航运竞争力，已成为形势发展的迫切需求［2］。根据钱塘江上游的货源条件情况，我们认为目前首先可开发的标准内河货运船型应为散货船。

1 标准散货船船型主要参数选取原则

标准货运船型的主要尺度除了要充分考虑钱塘江上游的航道、港口、船闸、桥梁和运量等因素外［3］，还要考虑京杭运河水系以及杭甬运河对船型主尺度的要求。因此，散货船的尺度选取应考虑航道的弯曲半径、宽度、水深、船闸即航道上建造物的净空高度等因素，同时还要满足《内河运输船舶标准货运船型指标体系》［4］以及《京杭运河水系过闸运输船舶标准货运船型主尺度系列》［5］的有关要求。

1.1 散货船长度的选取

散货船长度的选取除了要满足《京杭运河水系过闸运输船舶标准货运船型主尺度系列》对船长的要求，还要考虑能够安全通过弯曲航道的曲率半径和航槽宽度，以及港口码头、船舶操纵性、总体布置、船舶造价等有关因素。

一般来说，弯道容许船长L与弯道标准曲率半径R的关系为L为 R/4～R/3）。本文所研究的钱塘江上游为四级航道，航道容许船长L = 330/4 = 82.5 m。由《京杭运河水系过闸运输船舶标准货运船型主尺度系列》中所列船型的主要尺度数据可知，1 000吨级货船的总长也未超过60 m，能够满足四级航道的限制要求。因此，本文研究的标准货运船型的船长选取可不考虑航道曲率半径的限制。

1.2 散货船宽度的选取

散货船宽度的选取主要考虑船闸宽度、桥梁的通航净宽和船舶通行弯窄航段时的航道宽度等通航因素的制约。船舶通过船闸时，通行船舶与船闸的两舷间一般应保留5%～10%船宽的间隙。本航段的最小船闸宽度为12 m，1 000吨级散货船的最大宽度为11 m，满足闸宽要求。

1.3 船舶设计吃水的选取

船舶设计吃水的选取取决于通行航道的水深和船闸的门槛水深。由于水深较浅，船舶航行在内河水域时，底部水流加快会导致压力降低，从而引起船体下沉，即产生“动吃水”。为防止船舶搁浅，选择船舶吃水时需考虑船底与河床间需留有大于0.2 m的间隙，即“富裕水深”。经整治改造后的钱塘江上游航道的最浅水深为2.7 m，吃水不大于2.5 m的500吨级船能满足四级航道的水深限制要求。

1.4 船舶高度的选取

船舶高度的选取除考虑稳性要求外，还要考虑通航桥梁及水上过江电缆对船高的限制。船舶的最大固定高度通常应考虑在洪水季节的最高水位时，船舶能在轻载情况下自由通过桥梁等跨河建筑。钱塘江上游的桥梁净高一般都在5.5 m以上，杭甬运河的桥梁净空高度为4.4 m，故设计标准散货船时，通过杭甬运河的散货船空载时的最大固定高度考虑在4.4 m以内。在特殊情况下，可考虑采用压载和可倒桅的措施来降低船舶固定高度。

1.5 船舶航速的确定

散货船在浅水航道中航行时存在着临界航速的限制问题。船舶航行时的兴波由散波系和横波系两部分组成。随着水深减小，散波角越来越大，极限时可达90°，与横波重迭形成“孤独波” ，俗称“拉溜”。此时，船舶犹如推着质量无穷大的水柱航行，阻力激增，即使增加主机功率亦无济于事。船舶在浅水域航行时，其极限航速的相应水深傅氏数不得超过1，一般取0.7～0.75。按此估算，散货船在各种水深条件下的的临界航速如表1所列。

表1 散货船的临界航速km/h

由表1数据可见，对于水深在2.5 m的内河航道，船舶航速明显浅水影响（航速约为13 km/h）。与此同时，受到油价上涨导致燃油成本剧增，也给船舶经济性带来不利影响。因此，对于运输低价值大宗货物的自航船，应考虑以经济航速运行，否则会因兴波阻力剧增，导致功率消耗过大。不仅降低船舶经济性，且易造成对周边小船的浪损事故，影响通航安全，并对两岸护坡造成严重的冲刷，损坏岸堤。

2 散货船标准船型开发

根据衢州、金华地区货源条件的情况，首先开发研究散货船标准船型。散货船从衢州、金华出发，历经衢江、兰江以及钱塘江下游并经京杭运河水系连通浙北和浙东水系到达上海、宁波和江苏等地，船舶设计则应满足内河B级航区以及京杭运河运输船舶系列的要求。

2.1 船舶主尺度系数

本文提出500吨级散货船标准船型，根据内河A、B、C三类航区要求选用3种吃水，按吃水状态进行船舶设计。选用的500吨级散货船主尺度参见表2。

表2 500吨级散货船主尺度

2.2 推进主机设备的选取

本船分别按配备选用1至2台推进主机，并配备相应的减速齿轮箱设备，进行单机单桨和双机双浆两种推进方式的快速性论证计算。根据《内河船舶能效设计指数（EEDI）》的规定，计算状态为75%的主机额定功率状况。表3给出相应的主机功率及转速。

散货船属于方型系数为0.85的肥大船型。根据散货船的多项模型阻力试验结果，单机单桨船舶按附加8%附体阻力的艾亚法来估算散货船的有效功率，双机双桨船舶按附加15%附体阻力的艾亚法来估算散货船的有效功率切实可行。下页表4为500吨级散货船的单机单桨和双机双桨的有效功率。

2.3 推进器设计与计算

本文按单机单桨和双机双桨两种方式设计选用螺旋桨。单机单桨方式采用右旋桨，双机双桨方式采用外旋桨。计算时分别按单桨船和双桨船的近似公式计算伴流分数和推力减额分数，并分别取其相对旋转效率为0.98和1.0。同时，取轴系传送效率为0.97、齿轮箱传送效率为0.98、温湿度修正及功率储备系数为0.9，来进行螺旋桨设计计算。在设计计算中，均按MAU-4桨叶型，并分别按100%额定功率的最大航速状态以及75%额定功率的校核计算状态进行螺旋桨要素的设计计算。对于每种推进方式，同时按满足100%额定功率状态的空泡要求选择盘面比，并按75%额定功率状态选择直径和螺距比，最终得出选用螺旋桨的主要技术要素。设计计算结果汇总于表5。

表4 500吨级散货船的单机单桨和双机双桨有效功率

表5 500吨级散货船的螺旋桨参数

由表5数据可见，与采用单机单桨推进方式相比较，采用双机双桨推进方式，可提高船舶推进系数39%左右。

2.4 螺旋桨航行特性计算

对于单机单桨和双机双桨两种推进方式，均按上述选定的螺旋桨参数，进行主机处于系列转速下的螺旋桨航行特性计算。

2.4.1 单机单桨推进方式

按 850 r/min、830 r/min、810 r/min、800 r/min和790 r/min这5档主机转速进行螺旋桨的航行特性计算，求得在相应的8种航速下，螺旋桨发出的推进功率及所需吸收的主机功率。计算结果汇总于下页表6。

表6 500吨散货船单桨推进的螺旋桨航行特性kW

2.4.2 双机双桨推进方式

按1 500 r/min、1 450 r/min、1 400 r/min、1 350 r/min、1 250 r/min和1 200 r/min这 6 档主机转速进行螺旋桨的航行特性计算，求得在相应的8种船舶航速下，螺旋桨发出的推进功率及所需吸收的主机功率。计算结果汇总于表7。

表7 500吨散货船双桨推进的螺旋桨航行特性kW

按表6、表7据绘制成在系列主机转速下的螺旋桨所发出的推进功率与航速关系曲线和所需吸收的主机功率与航速关系曲线（即航行特性曲线），参见下页图1和图2。

由图1、图2和表6、表7中可知，由螺旋桨发出的总推进功率曲线和船舶有效功率曲线的交点，即可预报出在系列主机转速下所能达到的航速和螺旋桨所需吸收的主机功率。航速预报结果见表8。

表8 500吨散货船的航速预报结果

由图1、图2和表6、表7、表8可知，500吨级散货船单机单桨船型以790 r/min主机转速航行时，船舶处于经济航速状态；双机双桨船型1 200 r/min主机转速航行时，船舶处于经济航速状态。在船舶航速、吃水相同的情况下，双机双桨船舶所需功率比单机单桨船舶所需功率小，大约节能29%。由此可见，双机双桨船型比单机单桨船型更为节能。

3 结 论

本文采用技术与经济相结合的标准货运船型研发方法、船型技术经济比选评估衡准技术以及船型主尺度优化方法等关键技术，获得标准货运船型的主尺度和系数；通过理论分析并计算得出散货船标准船型采用双机双浆推进方式，其推进效率比采用单机单桨推进方式提高约39%，从而有效实现船舶节能。

不过，本文仅进行了钱塘江上游散货船标准船型的初步研究与设计，今后还将针对其他标准船型进行该项研究，并且对于每种船型，均需通过数值模拟和试验、分析，来选取各类船型的主尺度系数，优选相应匹配的机电设备和较佳的推进、操纵装置，从而研究、设计出技术先进、经济适用的标准船型，结合航道的规划情况和船型及营运组织的发展状况，遵循“安全、环保、经济、美观、节能”的原则，进一步提出适宜钱塘江上游水域航行的标准船型。

［1］ 黄广茂.京杭运河新型大吨位货船标准船型研究［J］.水运工程，2010（6）：86-89.

［2］ 吴一婷.嘉兴内河集装箱标准化船型比选研究［J］.中国水运，2014（10）：19-20.

［3］ 刘畅.基于层次分析法的船型标准化综合评价体系研究［J］.广东造船，2017（4）：71-74.

［4］ 鲍学训.京杭运河江苏段船型标准化研究［J］.水运工程，2007（8）：85-88.

［5］ 董曙光.安徽省合裕线过闸运输船舶标准船型主尺度研究［J］.船海工程，2013（3）：188-190.