长江中下游电力推进渡船总体设计

徐达

摘 要：随着绿色环保要求的提高，新能源船舶发展越来越快，其中纯电力推进船舶 就是新能源船舶之一。纯电力推进技术处于刚刚起步阶段，由于其轴系短、无污 染、震动小，具有較高的舒适性和操纵性的特点。它主要适用于内河客船、渡船 上。本文主要阐述纯电力推进渡船的总体设计，通过对船舶阻力估算、电池容量计算思路、船体总布置分析与设计、阻力估算等内容做简要概述。

关键词：长江渡船;纯电力推进;总体设计

1  研究意义

由于近几年我国交通事业的快速发展，长江两岸的车流量持续快速增长，使 承担两岸交通运输的汽车渡口的运力持续紧张。同时由于近几年，国际海事组织（IMO）不断以强制性公约、规则的形式来加强对海洋环境乃至大气环境的保护。 越来越多的国际非政府组织、行业组织等也不断推出新的行业标准，一些国家和 地区也在酝酿着更为严格的区域性标准，这些对环保要求的日益严格，在很大程 度上表明推进绿色造船是未来船舶工业发展的大趋势。加之老旧渡船存在着阻力 大、油耗高、舒适性差、操纵性能差等缺点，因此开发一种新型电力推进渡船是 当务之急。

为了应对绿色环保要求的提高，清洁能源在船舶领域的应用日益广泛。绿色 船舶是船舶业发展的主流方向，纯电动船正是在此背景下所催生的。锂电池船舶 作为纯电动船舶的一种，由于其轴系短、无污染、震动小，具有较高的舒适性和 操纵性的特点，锂电池推进常常被用于内河客、渡船上。内河客、渡船的纯电动 化是绿色船舶要求的走向之一，锂电池船舶的研究顺应行业发展潮流。

2  国内外研究现状及存在的相关问题

2010 年，IHI（日本石川播磨重工业）联合造船公司开发世界首艘充电 型渡船，该船舶可以使用岸上电力设备向渡船蓄电池组进行充电，航行时依靠电 动机推进，该船需经过 6-8 小时完成充电。据《The Motorship》2014 年 8 月 6 日刊报道，潜艇充电技术的发展，使电池可以在很短时间内通过岸电充满，目前 该技术正被应用于瑞典渡船“Movitz”号之上。这艘在瑞典改装的渡船将成为世界首艘安装新型快速充电系统的渡船。由此可见，在国外，电池推进船舶是近几年前沿科技，但其发展趋势已经有所显 现。

2017 年 11 月 18 日，中国首艘采用交直流配电模式的电力推进渡船——江苏路渡3011 轮抵达镇扬汽渡码头。虽然该渡船采用的是柴油发电电推方式，但 这是我国首次将船舶电力推进系统和民用渡船进行融合，可见我国对电力船舶的 研究也是愈加重视。新能源船舶发展 进步的同时，国内的相关法律规范也随之研究颁布，为国内新能源船舶的建造提 供法规和技术依据，进一步保证了新能源船舶的优质性能。

目前，我国在内河船舶运输上，无论是整体实力、科技能力，还是装备标准 档次、环保水平等方面，均与国家的整体发展相对脱节。确切地说，内河船舶建 造标准与绿色环保性能尚远远跟不上时代的发展要求。锂电池作为内河客船、渡 船的绝佳动力源，其研究意义在内河绿色航运、绿色运输、绿色物流方面都是不 言而喻的。

3  主要设计思路

本船为布置型船舶，以 8 车车客渡为母型船，开展长江中下游电力推进渡船总体设计调研。设计船确定主要尺度的构思：设计船为长江中下游电力渡船，因靠离渡口频繁，要求有较好的操纵性，因此采用对称、双桨舵、双头、单甲板、中机型。因 为采用“锂电池——电动机”推进方式，并且采用中机型，所以型深 D 有所变化。同时设计船无需再设置主机、发电机、燃油舱和排气管道等轮机设备，传动轴也 会变短，因而空船重量会有所下降，吃水 d 会减小，但吃水用足对提高螺旋桨效率有利。

4  电池容量计算构思

设计船电池容量估算，主要步骤由以下几步：

（1）通过艾亚法估算设计船有效功率;

（2）根据有效功率估算推进电机功率;

（3）进而选择推进电机型号;

（4）然后根据推进电机资料、持续航行时间以及母型船电力负荷计算书估 算锂电池组总容量。

5  阻力估算

船舶阻力是船舶在水中航行时，受到水和空气的作用而产生的阻力。在船舶 设计的初级阶段，当主尺度和船型系数初步确定之后，需要知道主机功率以保持 到船舶能够达到设计航速;或者已知主机功率，则需要估算阻力，以确定船的航 速，有利于分析与比较各种方案的优劣。船在静水中航行的浅水及深水阻力或有 效马力的估算方法一般可分为两类：

第一类：以海军系数法为基础，直接近似地决定有效功率，如艾亚法。 第二类：将各阻力分开计算，其剩余阻力用近似方法决定;摩擦阻力则用平板公式计算，然后再计算总阻力。如泰洛-盖特勒法、日本渔轮法、兹万科夫法、 许立汀法等。

设计船常采用艾亚法估算有效功率，这种方法的主要依据是根据船模试验及 实船试航结果整理得出。此法适用范围甚广。对于中、低速的商船都比较适用， 内河各类船舶均可适用。用此方法算得的有效马力中已包括约 8%的附体阻力。 所以对双桨或多桨的阻力和对高大上层建筑的空气阻力另行修正。考虑到本船螺 旋桨为全回转螺旋桨，无需设舵、桨架等附体，所以附体阻力选用裸船体阻力的6%。

6  总布置设计

本设计船为单航次航行时间小于 0.5h 的钢质内河短途车客滚装渡船。靠离 渡口频繁，要求具有较好的操纵性，因此采用双头、双桨、单体、单壳、单甲板， 因为方形系数较小，采用中机型，为停靠渡口方便采用方头。本船为布置地位型 船舶，设计此类船舶时，往往需要从所需的布置地位入手来考虑，除了需要满足 主船体内的舱室布置所需容积外，还需满足一定的甲板面积。渡船作为典型布置 地位型船，总布置设计过程中应该考虑以下几点：

（1）建筑及尺度特征。具有纵通的上甲板，上甲板平整，甲板上无货舱口 及起货设备。机舱设在中部。中小型渡船的车辆甲板也是干舷甲板。车辆甲板的 首尾端设跳板，作为车辆等滚装货物的装卸通道。渡船的舱容利用率低，船的总 高度比一般同吨级的货船高，水上侧投影面积大。主要尺度同大多数布置型船舶 一样，受货物单元尺度的影响，船长、船宽与货物单元尺度成一定的比例关系。

（2）稳性。渡船常常在甲板上装货、相当型深高，使船重心升高，受风面 积增大，引起稳性恶化。为保证航行安全，渡船应具有足够的初稳性高度。但初稳性过高，横摇剧烈，会使货物移动而失事。因此，汽车渡船甲板和跳板上需按 规定设置防滑装置。

（3）操纵性。短程渡船，靠离渡口频繁，加之相当型深高，水线以上受风 面积大，要求具有较高的操纵性。为此，这种船一般有两套动力装置，用双螺旋 桨推进，操纵性好，可以方便地停靠码头，上下旅客，装卸货物。

结语

本文针对我国的长江中下游渡船的市场需求，设计适用于市场需求的电力推 进渡船，使传统渡运业向现代化渡运产业转变过程中实现可持续发展，并且满足 “绿色船舶”要求。

尽管目前锂电池推进需较高的初投资，维护管理难度大，但能通过船舶营运 后节能盈利来弥补。电推渡船作为锂电池船舶的优秀试验田，可以预见，将会拥 有更加广阔的市场。

参考文献：

[1]盛振邦，刘应中.  船舶原理.上海： 上海交通大学出版社，2004年

[2]朱珉虎.内河船舶设计手册.北京：中国标准出版社，1996 年

[3]钢质内河船舶建造规范.北京：人民交通出版社，2016 年

[4]顾敏童.船舶设计原理.上海：上海交通大学出版社，2001年