极地破冰型阿芙拉油船的线型设计

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

目前，全球航运重心正逐步转向北极航道。与传统环球海上航行航线相比，北极航道畅通后将使这些地区的国际贸易航线航程缩短6 000～8 000 km，可节省40%的航运成本，且能避开索马里海盗威胁[1]。因此，新型极地冰区船舶市场前景良好。IMO制定的POLAR CODE极地规则2017年1月1日起强制生效,凡是拟进入极地水域营运的船舶均需要满足POALR CODE的要求，应根据该要求开发满足极地规则的冰级为PC6的极地阿芙拉油船。

1 冰级要求及特点

1.1 IACS PC冰级划分

IACS Polar Class中对冰况的相关描述见表1，其中，PC6指能够在夏/秋季布满中等厚度当年冰龄的极地海域中独自运营的钢制船舶[2]。

1.2 IACS PC船舶冰级特点

除法国船级社(BV)有特殊要求外，包括DNV在内的其他船级社对于Polar Class 6冰级要求的船舶，认可使用常规船艏或球鼻艏来进行破冰活动。此冰级要求下的冰层较薄，破冰采用“连续式”破冰法,即主要靠螺旋桨的力量和船头(船尾)将冰层劈开撞碎。因此，认为可以使用常规阿芙拉型油船船艏作为此PC 6级冰区航行油船的线型[3-5]。

表1 Polar Class 描述

对于常规型油船船艏，船舶与冰碰撞区域主要集中于球鼻艏出及船舶肩部(首部向肩部过度区域)。但是由于常规型油船的艏部较为臃肿，肩部线性变化较大，导致其与冰面发射碰撞时，容易割伤船体外板和舷侧结构[6]。

而对于破冰型船艏，主要依靠水线处部分进行碎冰和排冰。破冰之后，碎冰随船头(或船艉)的水下部分移动至船舶两侧和底部。破冰船艏线型的设计需要考虑有利于减小冰面和碎冰对船体的压力，通过控制线型来达到减少冰面碰撞面积，同时控制碎冰向船舶两侧移动而非船底。

1.3 破冰型船艏形式

1)削瘦型船艏。一般而言，船艏越削瘦，冰面受到的直接压力越大，同时向舷侧的分力越大，更易向两侧排冰，同时碎冰数量减少，可有效防止碎冰通过船底流向尾部推进装置。因此，现代破冰船船艏的形状往往削瘦。另外，削瘦且凸出的船艏更利于保证船舶穿过碎冰和破冰时的方向稳定性。

2)艏柱角度与船艏水线下部分。艏柱角度往往是破冰型船舶设计时第一需要考虑的因素。与普通船舶不同，小角度的艏柱角度有利于破冰时对冰面的挤压。BV要求PC6船舶艏柱角度至少小于60°以保证船的破冰和排冰性能，但其他船级社对PC6级船没有此类硬性要求。艏柱往往呈S形，以保证破冰部分的角度平缓。船艏部分水线下部分为横剖面呈V型或勺型，一方面，在破冰时能有效减少破冰阻力；另一方面，尽量使碎冰向船舶舷侧移动而不是船底，且碎冰不通过船尾推进装置。

3)折角。破冰型油船型线多样，但每种型线都在船舶水线上及水线下部分间做了折角(knuckle)处理，以保证碎冰不会向上堆积，见图1。

图1 新型破冰船艏

已有的研究表明，带有折线的前体下部比流线型的船体更好的具有破冰性能。船舶折线及其下方较为平缓的船体被设计成用来排开碎冰。之后浮力会将这些浮冰推向两侧冰层的下方。

4)艏犁(底部冰刀)。某些强力破冰型船艏会在船艏底部设置艏犁，当大块浮冰沿着船体纵剖线撞击艏犁，浮冰就被推到侧边，见图2。

图2 带艏犁破冰船艏

2 破冰线型设计与破冰性能评估

破冰型线设计对于破冰性能所需达到效果如下[7-8]。

1)使破冰阻力最小化。

2)破冰或推冰航行时具有良好的方向稳定性。

3)减少到达螺旋桨处的碎冰，保护船艉推进装置。

4)保证船舶的操纵性能。

5)破冰同时保证船体强度满足要求。

尽管强调破冰能力，但是由于PC6油船在绝大部分时间里航行于开阔的无冰海域，如果一味追求破冰性能而忽略敞水性能，对船舶的经济性亦有很大的影响。

综合考虑，船艏的设计必须满足：1)破冰性能要求；2)结构强度要求；3)冰区及敞水水域的经济性。在船艏设计时，因考虑航行海域，船东要求以及船级社要求等综合因素选择合适的方案。

2.1 初步线型方案

方案A。原型Aframax油船线型(球鼻艏，垂直边缘)。

方案B。艏部改为破冰线型阿芙拉线型。

见图3，相关参数见表2。

2.2 初步线型冰载荷估算与破评估

船舶经过冰区时，船艏区域与海面上碎冰碰撞示意于图4。

为保证船艏的结构强度足以承受碰撞时冰对船身的压力，PC和各大船级社对冰载荷的计算方式进行了规定：对于PC6与PC7船舶，不仅需考虑船艏区域的冰载荷，还需考虑船身过渡区域的冰载荷。由于船艏区域线型变化大，各部分的形状与特征角度相差较多，因此计算时，将船艏区域及过渡区域平均分为4份，见图5。

图3 艏部线型方案

参数方案A方案BLOA/m249.000249.078B/m4444D/m2424T/m13.513.5UWIL(碎冰上沿)/m1515水线处艏柱角 γ/(°)9048水线角 α/(°)3230

图4 冰区航行碎冰碰撞模型

在UIWL高度(一般为结构吃水上方，本船为水线15 m处)每个分割区域中点处为取值点，根据“Requirements concerning POLAR CLASS”中的计算公计算该点的单点冰载荷值，再计算每一区域的平均冰载荷压力。

对方案A的阿芙拉原型球鼻艏和方案B的破冰型船艏的109K阿芙拉进行计算。其特征角度见表3，计算结果见表4。

图5 艏及过度区域划分

船艏区域位置/m方案Aα/(°)β/(°)方案Bα/(°)β/(°)239.2554003130239.8732302526220.4911002424211.109002020

结果表明，使用破冰型船艏所受冰载荷远小于原型阿芙拉球鼻艏型船艏。

表4 冰载荷计算结果

2.3 改进线型及分析

对于垂直船艏及球鼻艏船，冰载荷大小与破冰处进水角α直接相关。对于所选Aframax油船原型球鼻船艏来说，由于船艏形状较为臃肿，船艏部分破冰高度进水角可达40°以上。如在船艏前段触冰，则冰载荷过大，导致结构加强不足，按结构初步计算，需安装43 mm左右的厚钢板,因此，如仍需使用原型船艏，则必须对船艏进行削尖改型，减小船艏方形系数，将船艏部分破冰高度进水角减少为至少33°，才能满足结构要求。同时，削瘦船艏更利于破冰排冰的要求。

实际上PC6级的油轮每年的大部分时间是航行在不存在浮冰的开阔海域，一味强调破冰性能，必然会造成在普通海域的静水阻力性能大大降低，反而造成运营成本的上升。因此，考虑对Aframax油船的球鼻型船艏进行适量的削尖改造，形成方案C，见图6。

图6 修改后的艏部线型示意

方案C仍有球鼻艏和垂直边缘，仅水下部分进水角减小以满足破冰要求。具体特征角度见表5。冰载荷计算结果见表6。计算结果表明方案C仍然满足冰强度要求。

表5 方案C各区域特征角

表6 方案C冰载荷计算结果

3 设计吃水静水阻力计算

对方案A、B、C进行静水阻力计算，利用CFD软件，评估其在设计吃水下从8～18 kn航速的静水阻力性能(原阿芙拉船型设计航速为14.5 kn)，并与原型性能进行对比，结果见图7～9。

图7 黏粘性阻力系数Cf对比

图8 压差阻力系数Cp对比

图9 总阻力系数Ct对比

黏性阻力与船长及雷诺系数相关：对于船型相似，长度相同的船舶，黏性阻力基本相同，由图7可得，粘性阻力相差最大为1.4%。

但是压差阻力(兴波阻力)受船型影响巨大，见图8。在目标的设计航速，由于球鼻艏得存在，压差阻力在这一阶段会显著降低，但是在低航速和高航速阶段相比比没有球鼻艏的船舶阻力略大。

总阻力等于粘性阻力加压差阻力，见图9。方案C在设计航速时，阻力相较破冰船型降低了约10.2%。

4 结论

鉴于PC6破冰油轮大部分时间航行在无冰海域，因此需充分考虑其在无冰海域的阻力性能，经过综合评估，认为方案C，即经削瘦船艏的阿芙拉线型较为符合要求，在满足破冰性能的同时，还能保证一定的无冰海域水动力性能。对于球艏首，未来还可针对削瘦后的船型进行优化，进一步优化其水动力性能。需要注意的是，现阶段破冰性能验证工作仅论证结构对于破冰船艏的要求是否满足，对于船舶实际破冰排冰能力优异程度需继续探讨或进行水池试验。同时还需注意，PC6级别船舶由于对船艏形状没有严格限制(除BV外)，但是否存在相关的冰区航行限制，需由船级社向船东进行说明。