中型海洋救助船“东海救151”的研发设计

2022-03-23杜鹏飞谢智康乐小龙史恭乾

船舶与海洋工程 2022年1期

杜鹏飞，谢智康，乐小龙，史恭乾

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 引言

随着“交通强国”战略和“一带一路”倡议的推进与实施，我国海上的经济活动必将迎来新的发展。为日益繁忙的海上经济活动提供坚实的救助保障是新时代赋予我国海上救助力量的新要求和新挑战。为应对新的救助形势，交通运输部救助打捞局设计了救助船型大、中、小，救助范围远、中、近的救助规划布局，以实现我国领海救助范围全覆盖和高效救助的目标。

当前，我国船龄超过35 a的1940 kW中型救助船已全部淘汰，中型救助船已出现断档问题。在我国沿海水道、岛礁等复杂海域，大型救助船无法实施救助，而快速救助船艇在恶劣气象条件下救助能力有限，此类海域的救助任务由中型救助船承担最为适宜。然而，目前中型救助船的数量已不能满足救助新形势的需要。受交通运输部救助打捞局委托，定位我国中型海洋救助船的旗舰，新型中型海洋救助船于2015年开始研发设计，并在广州中船黄埔文冲船舶有限公司建造，首制船“东海救151”轮已于2019年12月25日交付使用。现就该新型中型海洋救助船的研发设计做简要介绍。

1 船舶概况

1.1 船舶的用途和功能

该船主要用于在中低海况下，在沿海水道、岛礁等复杂区域开展人命和船舶救助，可兼顾高海况下的救助任务，必要时参与动态值班待命。该船的主要功能如下：

1）具有对遇险船舶进行封舱、堵漏、排水、空气潜水和拖带等救助作业的能力；

2）具有一级对外消防灭火作业的能力；

3）具有海面浮油回收和海面消除油污作业的能力；

4）具有夜间海上搜寻救生、救助的能力，可搭载100 人，能对伤员进行简易的药物、器械和手术治疗，可配合救助直升机进行海上搜索和救助；

5）能为难船供应必要的物资。

1.2 船型简介

该船为全焊接式钢质船，横骨架式，具有1 层连续主甲板。主甲板上设有2 层艏楼，主甲板下设有双层底和双壳结构。该船采用全电力驱动双全回转舵桨的主推进方式，采用两大两小的主电站配置形式，采用前倾式船首（带球艏）和巡洋舰式船尾。船首设有2 个管隧式侧推装置；船中设有2 台克令吊、2 艘救助艇和双卷筒拖缆机；船尾主甲板作业区可开展拖带作业、救生作业和浮油回收作业；主甲板后部可开展直升机悬停作业。该船气象衡准按12 级风压核算，可在9 级海况、蒲福氏12 级风力条件下安全航行。

1.3 船级符号和附加标志

★CSA Offshore Tug ／ Supply Ship ／ Rescue Ship；Oil Recovery Ship with Cargo Tank；Fire Fighting Ship 1；Ice Class B；PSPC（B）；ERS；In-Water Survey.

★CSM AUT-0；DP-2；Electrical Propulsion System；SCM；ECM；BWMP；BWMS；FTP；GPR.

1.4 主要技术要素和总布置图

新型中型海洋救助船的主要技术要素见表1，船舶的总体布置概况见图1。

表1 新型中型海洋救助船的主要技术要素

图1 新型中型海洋救助船的总体布置概况

2 关键技术

该船的技术性能指标达到了国内领先、国际一流水平，交付之后得到了船东的好评。该船的主要技术难点和关键技术如下。

2.1 主尺度论证

主尺度是影响船舶各项性能的先决条件，救助船主尺度的选取需考虑以下因素：

1）良好的船舶性能，包括耐波性、快速性、回转性和抗沉性等；

2）船体及设备的重量、载重量和排水量得到综合平衡；

3）作业甲板面积、设备和设施所需空间、舱室空间等合理配置。

船舶长度选择考虑的因素主要有耐波性、总布置、排水量、快速性、抗沉性、回转性、重量和强度等。通过选择合适的船长避免产生较大的纵摇，保证船舶的耐波性能满足要求。该船的功能复杂，设备配置较多，定员较多，船长的选取需满足上述布置要求。船长较长有助于增大船舶的长宽比，对减小船舶的剩余阻力有利，但船长较长对船舶的回转性不利，船长的选取需兼顾快速性与操纵性。

船舶宽度选择考虑的因素主要有稳性、快速性、横摇性能和总布置等。船宽是稳性的决定性因素，该船配置的甲板机械较多，重心较高，具备抗12 级风的能力，船宽的选取需满足稳性要求和特殊抗风能力要求。从快速性的角度考虑，船宽较小有助于改善船舶的剩余阻力，对快速性有利，因此在选取船宽时，应在保证稳性和布置需求的基础上使其尽可能地紧凑。

船舶型深选择考虑的因素主要有干舷、稳性、机舱和推进器舱布置空间、舱容等。增加型深会增加上层建筑的重心高度，增大船舶的储备浮力，综合而言对船舶的稳性不利，因此型深宜在满足布置要求的基础上尽可能地紧凑。

船舶吃水选择考虑的因素主要有救助海域水深限制、救助基地码头水深限制、排水量、快速性和运动性能等。

2.2 总布置

该船的功能复杂，其救助功能与大型救助船的救助功能基本相同，但其主尺度比大型救助船小很多。因此，对有限的空间进行高效利用，同时兼顾总布置对船舶总体性能的影响，是该船需解决的难题。此类船舶因机舱和上层建筑位于船中偏前的位置，极易出现艏倾现象。通过将起居处所的2 层甲板室靠后布置，使空船重心的纵向位置后移，并将燃油和淡水舱布置在中部偏后的位置，进一步优化该船在装载状态下的浮态。该船的浮态性能优异，在满载状态下不需要进行任何压载水调节即可保证船舶适度艉倾，做到无压载设计。上层建筑采用回字形布置，在船中布置梯道、洗衣房等对自然采光无要求的房间，在两舷布置船员主舱，满足自然采光的要求，面积在满足海事劳工公约要求的基础上做到尽可能紧凑；按不同甲板对上层建筑进行功能划分，通过布置降低重心高度，提升居住的舒适性。

2.3 快速性

航速是衡量该船性能的重要指标。该船的傅里叶数达到0.30，属于中高速船型。在快速性优化中，主要对浮心位置、球艏形状、艉部线型和全回转舵桨安装角度等进行研究。

为研究浮心位置对阻力的影响，对一系列浮心位置下的线型进行阻力计算。浮心位置的选取需兼顾设计工况下的装载浮态，最终确定设计吃水下浮心的位置为中偏后-1.38%。

为增加设计水线长度，降低傅里叶数，采用大球艏的设计理念，最大程度地增加水线长度。在球艏线型研究方面，主要对浸没式球艏与上翘式球艏进行对比研究。浸没式球艏的兴波集中在艏柱附近，艏柱处兴波范围较广，且近乎处于破碎状态；上翘式球艏的艏柱处兴波范围较小，部分兴波受到球艏的作用前移，且兴波较为平坦。浸没式球艏与上翘式球艏的艏部兴波对比见图2。上翘式球艏改善了艏部兴波，减小了兴波阻力，其阻力性能优于浸没式球艏。

图2 浸没式球艏与上翘式球的艏部兴波对比

艉部线型优化主要是对艉部分水踵的线型进行优化研究。研究发现，适当削瘦分水踵去流段线型，增加去流段长度，能显著减少艉部流动分离现象的出现，大大改善艉部流场。图3 为艉部线型优化前后的艉部流场对比。

图3 艉部分水踵优化前后的艉部流场对比

在推进效率方面，对推进器的安装角度进行优化，并通过试验进行对比研究。首先进行纵向安装角为0°、2°、4°和6°的对比试验，结果见表2。由表2 可知，当纵向安装角为0°时，推进效率最高。随后进行横向安装角为0°、±2°和±4°的对比试验（外倾为＋，内倾为-），结果见表3。由表3 可知，当横向安装角为2°时，推进效率最高。该船的推进器安装角最终定为纵向0°，横向2°。

表2 推进器纵向安装角对推进效率的影响

表3 推进器横向安装角对推进效率的影响

最终通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）计算分析，阻力优化取得了13.5%的优化幅度，推进器安装角优化取得了3.1%的优化幅度。水池船模试验结果显示，该船的快速性能优良，航速指标高出设计要求0.3 kn，实船试航结果也高于设计要求。

2.4 浮油回收功能

该船具备浮油回收功能，设置有1 对浮油回收舱。通过对主流船级社的浮油回收船规范进行对比发现，设计建造该船时中国船级社规范对浮油回收舱布置的范围限制与其他船级社有明显区别，在与中国船级社进行多次研讨之后，促使其修改了浮油回收船规范，推动了规范的进步。各船级社对浮油回收舱的布置要求和中国船级社修改相应规范前后的布置要求见表4。该船的浮油回收舱布置在泵舱两侧，靠近艉部推进器舱，浮油回收舱与泵舱之间设置有隔离空舱；浮油回收舱左右对称布置，减小主甲板危险区域的纵向范围；在主甲板上合理规划浮油回收作业区域和回收油软管的走向，降低危险区域对电气设备配置的影响。

表4 各船级社浮油回收舱规范主要要求对比

2.5 特殊抗风能力

该船需兼顾高海况下的救助任务，因此船舶稳性需满足12 级风的特殊抗风要求。该船吃水较浅，满足12 级风的特殊抗风要求是非常有挑战性的。国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）的气象衡准中对抗风能力的校核对应10 级风，船舶标准《海洋调查船特殊抗风力要求》可用来校核海洋调查船的特殊抗风能力，但不包括海洋救助船。因此，对于救助船而言，没有相应的标准可参考。在该船的特殊抗风能力研究中，采用上述2 种方法进行研究和校核。为达到上述2 种方法对抗风能力的要求，该船通过增加可计入浮力计算的甲板室，增大船舶的GZ值（见图4）。表5 为舷侧甲板室计入浮力计算与不计入浮力计算的特殊抗风能力衡准计算对比。从表5 中可看出，舷侧甲板室对船舶稳性的贡献非常大。

图4 计入浮力计算的甲板室

表5 舷侧甲板室计入浮力计算与不计入浮力计算的特殊抗风能力衡准计算对比单位m／s

2.6 噪声性能

噪声控制是该船的关键技术之一，主要有以下难点：

1）该船的主尺度较小，主要噪声源距离起居处所较近；

2）噪声源较多，包括主发电机组、艏侧推和烟囱排气等；

3）该船噪声源的噪声值较大，为满足航速和2 级动力定位要求，该船的主发电机组功率和艏侧推功率都比较大，噪声源的噪声值比较大；

4）该船对重量和重心比较敏感，无法通过大量增加减振降噪材料控制噪声，需对重点舱室进行精准降噪，以实现噪声性能与其他船体性能之间的平衡。

该船采用能量有限元法建模，分别针对航行工况和动力定位工况进行噪声估算，噪声计算模型和计算结果见图5。

图5 噪声计算模型和计算结果

计算之后对不满足规范要求的舱室进行噪声性能优化，平台甲板的机修间、主甲板医务室和驾驶室初次计算均不能满足规范的要求。对这些重点舱室采取以下降噪措施：

1）在机修间增加浮动地板；

2）将医务室的天花板由铝蜂窝夹心板改为复合岩棉板；

3）将驾驶室的天花板由铝蜂窝吸音板改为复合岩棉板，并增加浮动地板。

改进之后，这些重点舱室的计算值能满足限值要求，优化前后舱室噪声计算值与实测值对比见表6。

表6 优化前后舱室噪声计算值与实侧值对比单位：dB（A）

从表6 中可看出，增加浮动地板对各层的降噪作用比较明显。该船的主发电机和艏侧推等主要噪声源均在双层底上，主要通过结构噪声向上传导，采取浮动地板能有效阻隔结构噪声。

2.7 电站配置与大小机并车保护

该船是采用电力推进的海洋救助船，近些年建造的采用常规推进模式的大型海洋救助船均配置3 台辅发电机组，满足救助船发电机“1 用1 备1 修”的动态值班待命要求。根据多年的救助船设计经验，海洋救助船的停泊待命工况时间约占总时间的70%，若参照现有海工船的电站配置，其经济性和合理性均不理想。通过精心研发，将该船的电站配置为2 台2600 kW主发电机组加2 台450 kW主发电机组，可适应全速航行、巡航、对外消防、动力定位和停泊待命等多种工况，且具有良好的经济性。

该船大小机并车的功率比高达5.8∶1.0，为尽量减小柴油发电机组并网运行时电网波动对小容量机组的影响，采取以下措施：

1）在恒频模式下，执行非对称负载分配；

2）冗余负载分配，在发电机组负荷分配模块设置双冗余通信系统，模块发生单点通信故障不会影响整个负荷分配模块的运行。

通过设置电站管理系统和发电机组负荷分配模块，柴油机组负载分配3 个层级的控制，确保大小机并车安全可靠。