提高江海货船的营运经济性

蔡惠礼

(江苏省镇江船厂集团公司，江苏 镇江 212001)

随着经济的快速发展，长江和沿海的货运迅速增长，各种类型的货船被遍布在沿江和沿海的小型船厂内建造，广大船东希望拥用满足装运要求的节能船舶以获得良好的营运经济性。

1 江海货船的现状分析

近20年来，从滩涂造船迅速发展起来的民营造船业早成为江海货运的产业支撑，民营船厂经营机制灵活，造船价格低廉，在一定程度上船东决定着所造船舶的性能，多数采用来料加工的方式建造，甚至由船东租用船厂的船台造船。基于我国船用材料、配套设备产业迅速发展，造船工艺的不断更新，劳动力的规模和素质在造船实践中锻炼提升，船舶修造和营运管理规范、规则等不断完善以及对船舶法定检验的加强，促使江海货运事业不断进步。作者对数百艘正在江海航线上营运的散货船、集装箱船和油船等8种类型的货船作了统计，其主要量度和性能参数见表1。

大量的中小型货船，其性能差异较大，但也反映出了一些规律性的现象:

(1)江船和江海直通的货船一般都采用双机双桨的推进方式，集装箱和干散货都可装载(以下简称“集散两用”)以及船舶吃水受不同航区影响的货船往往采用变吃水设计，江船船型较海船肥大，方形系数相差5%以上，特别是长江砂船常用特别肥大的线型，方形系数高达0.86以上。

海船均采用球鼻艏和球尾线型，江海航行的货船基本上采用双机双桨和球鼻艏，尾部大多采用有拖泥板的尾框，以保证舵桨在航行中的安全。

(2)货船主机均选用国产中、高速柴油机，主机功率BHP相对于船舶排水量△是较小的，其中尤以长江砂船为最小。BHP/Δ值一般在0.22 kW/t以内，集装箱船和甲板货船的BHP/Δ值较高，干散货、成品油船和化学品船其次，大宗散货船最低。

(3)船舶的设计航速低，一般都是在9～12 kn左右，其中以集装箱船最高，长江大宗散货船最低，船的相对速度(傅汝德数)Fn值一般都在0.2以下，属于低速和超低速的范畴。实际营运中的各类货船，特别是大宗型散货船，往往人为地让主机在(70～90)%的额定转速范围内减速航行，从而造成实际的Fn数更低的航行状态。

(4)许多船东希望同一艘船既要航行区域广，又要可装载货物的种类多，还要造价低，当然都要求投产后营运成本小。这些要求有些是矛盾的，营运中的货船不同程度地反映出了这种相互牵制的要求所造成的现状。

随着国家对水运和造船行业监管的不断完善，在绿色船舶的方向性指引下，对船舶规范、规则、公约和航运管理的日趋严格，江海航行的货船正在不断地体现着时代的进步。

2 船、机、桨的良好匹配是货船经济营运的关键

螺旋桨把主机发出的功能转变为克服船舶航行阻力所需要的推力，江海航行的货船在水域环境、载货需求和营运周期等各种条件的影响下，如何充分发挥主机的能量，最大限度地提高推进效率，使船体、机组和螺旋桨处在一个高效的体系内工作，这是营运经济性的重要课题。

造船行业把低转速、大直径螺旋桨作为船舶节能降耗的一个重要措施。长江全线和沿海航线上一定吨位的货船会受到航道的影响，螺旋桨直径和它的安装要求受到航道和艉框尺寸的限制。实际上，对一定排水量的船体，选用相应的主机功率和台数后，有一个最佳尾轴转速和最佳螺旋桨直径的匹配问题，衡量匹配方案的优劣，就看推进效率是否达到最好的结果。

分析货船的现状，发现有相当数量的船舶其尾轴转速过高，螺旋桨效率因此而受到压制，而且发现有些船即使在选定的尾轴转速下也未能使桨的直径达到最佳值。探究其原因:有的是设计的尾框不能容纳最佳直径的螺旋桨，有的是螺旋桨安装位置过高或船尾线型肥胖，当船舶空载时难以确保桨的叶梢完全沉浸在水下，这种现象在双桨江船上较易出现。但也有即使尾框条件许可却不恰当地使用直径较小的螺旋桨。

经调查，现有单机货船的尾轴转速一般都选择在130～200 r/min的范围内，双机货船都选择在200～350 r/min的范围内。所以单桨船的螺旋桨敞水效率 η0=48% ～54%，双桨船的 η0=49% ～57%，这是影响推力的重要原因。江海货船的螺旋桨转速和敞水效率见表2。

长江和沿海航道对货船的主尺度制约逐渐宽松，这为提高货船的经济性提供了环境条件。船舶设计如能抓住船、机、桨的匹配这一关键，那么新建或改造货船时，相当部分的货船推进效率提高3%～5%左右、甚至更高都是有可能实现的，为此建议单机和双机货船的尾轴转速分别降低到120 r/min和200 r/min以内。如果航道条件允许船的尾框合理放大，则低转速、大直径的螺旋桨将会显示其明显的节能降耗效果。

表2 江海货船的螺旋桨转速和敞水效率

在同样的船、机条件下，螺旋桨直径的增大，使螺旋桨参数发生有利的变化，其中包含螺距比的下降和盘面比的减小，这也促使螺旋桨敞水效率提高。

船和桨处在同一个体系中运行，它们在运动中各自形成的速度场又相互影响，考虑江海货船的阻力和推力，要顾及到船和桨在航行中应尽量降低它们之间的相互影响所带来的能量消耗，即利用伴流、减小推力减额、改善桨的迎流和尾流。所以正确选用船体主尺度和船型系数，根据不同的傅汝德数借鉴优良的船体线型，通过船模试验、实船试航测定和营运实践等，不断改进和创新各类货船船型，为船、机、桨的优良匹配创立新的成果。

3 江海货船的经济航速

船舶航行阻力理论告诉我们:总阻力主要由摩擦阻力RF、漩涡阻力RE和兴波阻力RW组成，它们都与航速VS密切相关。本文讨论的江海货船其Fn≤0.2，属于低速船的范畴，在总阻力中摩擦阻力RF占65% ～80%，并与成正比，RF与船体湿表面积和船壳表面的光滑程度相关;漩涡阻力RE占总阻力的15% ～25%，并与成正比，RE与船体线型、特别是船体后部的形状相关;兴波阻力RW一般只占总阻力的10%以下，它与成比例，RW与船体的丰满度和形状相关，特别是首部船型的影响大。

根据船舶推进理论:船速的降低和螺旋桨转速的升高都会使螺旋桨的功率系数BP值升高，如果螺旋桨直径又受到限制，则桨的敞水效率将更低。采用肥大型船体，如果尾线型不佳，则将影响螺旋桨工作的流场而使推力降低，这正是货船总体设计时需要关注的重点。

当螺旋桨发出的有效推马力PTE等于克服船舶阻力所需主机功率的有效利用部分——有效马力PE时，这个平衡点就是维持船舶等速航行的航速VS，如图1所示。

货船在航线上营运，需要有一个恰当的航速，过高则能耗大、不经济，过低则不能满足货运的要求，也不一定是经济的，那么什么样的速度才是经济航速呢?这是投资造船和货船营运中的重要课题，应该防止一些认识上的偏差而导致投资效益不佳和营运成本上升。从分析的几个常见现象，可看出影响货船航速和营运经济性因素。

(1)为了降低新船造价，采用较小的船体尺度获取尽量大的载货量，从而使船型肥而短，螺旋桨在一个不是良好的流场中运转，造成船行阻力大，航速很低。有的还将肥胖船型的长江砂船改造为江海通用的多用途货船，尽管货船的装机功率增加了，但实际营运效果却并不理想。

长江砂船是肥胖的超低速船型，它是顺水载运大宗散货(砂、煤等)，返程因是空载逆水航行，故航行阻力大为减少，常利用潮汐或近岸回流等作低速返航。这只是一种在特定条件下的低投资货运，一旦失去了这种条件，若仍要套用这种低造价船型，那必然达不到经济营运的目的。

(2)在条件较差的船厂实施低价造船，往往会忽视船体线型的光顺，船壳明显变形、焊缝粗糙、不规则，忽视打磨和涂装工艺，因而投产使用后航速不佳并迅速形成污底而增加附加阻力。有的新船在施工中随意改变设计图，有的无原则地迁就一些不合理的需求，从而造成摩擦和漩涡阻力上升，或使螺旋桨的工作流场变差。其后果是降低航速而影响营运经济性，甚至涉及到船舶使用的可靠性。

(3)大幅度降低主机的转速(≤80%的主机额定转速)运行，并以此作为“节油”的措施。这种人为降速营运是否就是采用了经济航速呢?

主机采用标定转速和略低于标定转速作持续运行是充分发挥船舶装机功率的表现，所有船用柴油机的负荷特性曲线指明:在主机转速下降的同时，主机功率同步直线下降，而燃油消耗率却在低于额定转速的90%后将明显上升，所以用降低主机转速使货船减速航行与货船用经济航速营运是不同的概念。

货船的航速对不同的航线和不同的货运要求是有区别的。在确定的航线上，有定点的装卸港口，根据所需运输的货物，提供适应的货船来承运，可以选择2种或多种货船方案，进行综合性技术经济论证，从中选出货运成本低、内部收益率高和投资回收期短的优选方案，并以此作为投资建造新船的依据。那么优选方案中的货船营运航速就是经济航速，应以此航速作为投资新货船的设计依据。

对货船航速应考虑主机有一点储备功率，以克服航行过程中遭遇突加阻力或非常状态下确保运输周期的需要，但不应过多地保留，否则是对船舶资源的浪费。

4 螺旋桨对货船营运经济性的影响

船、机、桨的不当匹配是江海货船中需要改进的重点问题，有些新船在船东已定机组后寻找所需载货量的设计图，往往把船舶设计费和螺旋桨制造费的低廉作为选配的依据。有的设计迁就船东提供的主机和离合器速比，造成货船螺旋桨的直径并不是最佳状态，不仅螺距比较大，而且盘面比也很随意地过大选取，其后果是推进效率降低，螺旋桨的重量却不低。

货船的螺旋桨设计应将它的直径、螺距和盘面比这3个要素作为密切关联和相互制约的重要要素来对待。常出现的主机负荷“过重”、“嫌轻”或排气温度“过高”等各种表象，往往是螺旋桨首先被质疑。因要解决主机转速被压制的“过重”或排气温度“过高”而采取切割叶梢的办法却不一定能奏效，甚至出现了“排温未降、航速变小”的后果。实际上产生主机负荷过重的原因除螺旋桨的因素外，也很有可能与主机、增压器和排气系统等存在的问题相关，故必须找准病因才能根除。螺旋桨设计出现“过重”现象一般是忽视了主机在实际环境中的出功能力或低估了船舶航行阻力的实际状态。

螺旋桨理论指出，桨叶盘面比的选定应在不发生空泡的条件下取最小值。江海航行的各类货船，装机功率较小，如能充分利用航道水深，设计出适当大的桨径，可较容易避免空泡而采用较小的盘面比，从而使桨的敞水效率提高。

桨叶的外形是影响螺旋桨效率的，本文推荐使用一种有别于Troost B型桨的经验叶形，已被许多江海货船的航行实践所肯定。它与B形桨的区别是:桨叶伸张轮廓在叶根区收窄，随边在下半部呈内凹，叶面积在叶片的上半部扩大，纵斜加大，如图2所示。相对于船体，货船的主机功率较低，容易使桨叶强度满足规范的相应要求，而叶根部叶宽缩小、可使叶栅作用的不利影响减小。叶梢区面积的扩大对避免空泡有利，而纵斜可以减小因旋转产生的振动外力。这种叶形可使推力在叶面上的分布比较平均，尾流中能量损耗相对较小。

图2 桨叶伸张轮廓比较

江海货船螺旋桨的叶数应采用4叶，只有极少数尾轴转速高，桨的直径不受限制的双桨船上采用3叶，但应与4叶桨的敞水效率作出比较后采用。至于有些江海货船采用5叶桨，其推进效率是比不上4叶桨的。5叶桨甚至6叶桨应在大功率的大型货船上使用，它们转速低，桨的最佳直径可随叶数的增高而相应减小，所以5叶及5叶以上的桨在一些大功率舰船上使用。

货船螺旋桨的铸造和加工质量已越来越受到关注，那种不控制铸件化学成分和机械性能，加工粗糙而造成叶片间重量不平衡，螺距超差等现象，其后果是推进效率低和船体振动。

5 多用途、变吃水货船的营运经济性

船东希望江海航行的货船既能适应不同货物的装载，又能扩大航行的水域，以灵活地应对货运市场，多用途货船(特别是集散两用船)和变吃水货船就是这种需求的体现。集装箱货船还需要装载不同尺度和不同货种的集装箱，包括冷藏集装箱、危险品集装箱等，长江货船希望能在长江全线通航，或能江海直通、甚至可在近海航行，这些愿望是可以理解的，也是可以实现的，但这样的“万能船”必然是造价高，营运经济性较差。因为在不同的使用状态下有些功能受影响，有的功能被闲置，所以船舶设计只能满足主要的营运目标，可兼顾次要的营运面。为此船东在投资决策新船和改造旧船前应该有科学的预见和论证，正确把握运输市场的现状和发展，使自己的货船满足主要的市场并兼顾必要的营运，从而将货船的功能发挥出优良的经济性。

当前江海直达、集散两用的变吃水货船在航行实践中已经积累了许多知识，例如集散两用货船一般应以装运集装箱为主来设计，装干散货是备用。对装载的集装箱种类应按需要而分区布置，如装载危险品的集装箱，其中包含装载烟花爆竹的集装箱等，必须在船上采取隔离、降温、消防、防爆等安全设施后才能安全营运。

航行于三峡大坝以上的各类货船，已制定有标准船型的主尺度和航速及主机功率等要素值。若要求货船能在长江全线通航则应以某级航区作为船舶设计的主要航区来对待，所以一般的江海直通的货船应不考虑能兼顾在三峡以上通航。

以集装箱为主的货船在装载散货时，吃水和排水量往往会加大，在长江不同航区航行的散货船，由于载货量不同也使船舶吃水和排水量发生变化。为防止出现螺旋桨的负荷变化而带给主机的影响，在设计时应以主要载荷状态为主，兼顾次要的营运状况，不可使主机在超负荷下持续运转。当然，在航行中利用水流、潮汐等自然能来达到节能减排的目的是应予鼓励的。

提高江海货船的营运经济性已成为船东和相关专业人员的重要课题。长期以来货船的设计、建造和使用实践所积累的知识是研究和发展的基础，我国对运输船舶的各种规范、标准和公约正日趋严格和完善，采用先进的技术、工艺，大力推进节能降耗，提高船舶和配套设备的性能，减小或消除对环境的污染，对营运者(船舶的建造和使用人)的保护等有效措施促使江海货船的使用功能逐渐提升和营运经济性不断提高。在科学发展观的指引下，为提高货船营运的经济性，应不断探索江海水运的新方式和改革水运管理体制，合作研制适应江海航道，满足水运市场需要的节能、环保和营运经济性优良的新船型。