“华虎”号多功能工作船型线设计

彭必业

(中船重工(武汉)船舶与海洋工程装备设计有限公司，武汉 430064)



“华虎”号多功能工作船型线设计

彭必业

(中船重工(武汉)船舶与海洋工程装备设计有限公司，武汉 430064)

“华虎”号是一艘为深水海域油气资源勘探开采工程装备提供多种配套作业服务的多用途海洋工程辅助船，介绍该船开发设计中型线设计关键技术，从该类船舶主要尺度、船舶布置特征角度出发，阐述其型线设计要点。

多功能工作船；型线设计

“华虎”号海上多功能工作船总装机功率达16 000 kW，是目前我国全自主设计建造的最大功率的海洋平台工作船，见图1。可为海洋石油钻进平台提供远洋拖航、深水操锚、货物供应、守护等服务，兼有对外消防、深海起吊、ROV水下遥控机器人和饱和潜水支持等功能，航行于无限航区[1-5]。其主尺度见表1。结合“华虎”号的自由航速较高、低速拖力较大、船舶布置紧凑等特点，介绍在概念设计阶段之型线设计中所考虑的重点问题。

图1　“华虎”号外观

参数数值参数数值总长/m89.20总吨位6172垂线间长/m79.20净吨位1851型宽/m22.00航区无限航区主甲板型深/m9.00入级CCS

1　主尺度

型线设计的优劣直接关系到船舶的浮性、稳性、快速性和耐波性，其中浮性决定了船舶装载量即经济性。所以，型线设计非常重要。

在“华虎”号船型参数选取上，参考借鉴国内现有技术基础，即武船承建的两型高附加值工程船“海洋石油681”与“海洋石油691”号。“华虎”号艏部型线采用SV型球艏设计方案，艉部采用与大直径导管螺旋桨相配合的型线设计方案，所形成的船体型表面给人以敦实稳重感(见图2)，具体船型参数见表2。

图2　船体型表面空间几何建模

“海洋石油681”号是目前世界上最先进的多功能工程船之一，同时具备供应、操锚、拖曳、水下工程支持等功能，在三型船中该船拥有最大的船舶尺度、主机功率和螺旋桨直径，从而保证它具备强大的海上拖曳能力，为我国最大的海上半潜式平台“海洋石油981”保驾护航。但由于其尺度大、功能多造成船舶造价高、设备多、空船重，该船装载率反而较低，建造经济性和运营经济性都不太高。

表2　“华虎”与“海洋石油681”船型参数对比值

设计师希望将“华虎”号打造成一艘功能上仅次于“海洋石油681”，但运营经济性更好的多功能工程船。所以，其方形系数选为0.80以上，使其具备更强的货物运载能力。 最终，“华虎”号的装载量系数达0.468，高于“海洋石油681”的0.406。以武船承建的国际先进的专用平台供应船VS483MKⅢ为例，装载量系数处于0.5～0.6的范围。“华虎”号作为三用工作船兼顾一定的平台供应能力，其装载量系数接近0.47是处于同类船型的先进水平。

由于“华虎”号同“海洋石油681”一样需具备深海锚作功能，对船舶稳性提出较高要求，所以这两型船的船宽均取为22 m。“华虎”号在水线面系数和浮心纵向位置等方面与其他两型船处于同一水平，从而保证其货物装载合理性。

综上，“华虎”号的尺度特点是短小肥大，这就注定了该船布置设计的紧凑性要求和型线设计有难度。

2　型线设计与总布置

对于多功能海洋工程船而言，优异的船舶性能固然是型线设计的重要指标，但合理有效的实现海工功能才是该类船舶设计的最终目的。型线设计与总布置设计的相互作用实现了大型海工设备在船舶上的合理安置，从而保障船舶实现海工功能。

2.1大桨径导管螺旋桨布置

“华虎”号作为远洋拖船和操锚船使用时，需要在低航速下具备较大的拖力，通常该类船舶以最大推进功率下所能发挥出的系柱拖力指标来评判拖带能力。为获得满意的系柱拖力，该船采用主机总功率16 000 kW，并以大直径导管螺旋桨配合主机。其导管通常采用加速导管对桨盘面来流进行加速，从而使螺旋桨在船舶低航速下尽可能获得较高的进速系数来提高推力，且导管的机翼型剖面所形成的附加推力对总拖力产生贡献。

容纳艉部的大直径螺旋桨布置见图3，“华虎”号艉部型线进行了精心设计，一方面采用下沉式呆木保护导管下缘不受浅水航道海床碰撞，呆木下缘距离船舶基线下沉1.1 m；另一方面，根据CCS《钢制海船入级规范》第2篇2.14.4条对推进器净空的规定[6]，为避免螺旋桨激振对船体的不良影响，螺旋桨与船壳板之间的距离间隙应保证不小于0.14DP(DP为螺旋桨直径，4.6 m)，故间隙为0.644 m。“华虎”号在设计时考虑到该类船舶通常在低速大功率拖曳状态下会由于螺旋桨负载大造成严重激励，所以设计螺旋桨叶稍上缘与船体最小距离1.1 m。

图3　导管螺旋桨布置

由于“华虎”号载货区域位于船舶中艉部，载货航行工况下船舶重心位于船舯之后。为获得较好的航态，满载吃水的浮心应设计在船舯之后与重心匹配。但是，大桨径导管螺旋桨布置导致桨轴所在纵剖高度大，造成该区域排水量损失。为挽回损失的排水量，尾部横剖面采用槽道形式，使螺旋桨轴距船侧区域的横剖面向下凸形成槽道。尾部槽道横剖设计不仅可以满足大桨径船型浮心设计要求，其槽道的水动力诱导效应还能对桨盘面来流起到整流作用，从而更好地匹配大直径导管螺旋桨。

2.2配合机舱区域布置的考虑

“华虎”号这类船舶多为艏机型船舶，上层建筑与机舱均布置于船舶艏部，主机安装于双层底高度。如图4所示，机舱纵向位置位于12～16号站内(全船从艉垂线向艏垂线共划分为20站，艉垂线为0号站，艏垂线为20号站)。对双桨船而言，螺旋桨间距太小将会造成两螺旋桨叶稍靠近，螺旋桨转动时引起叶栅效应，从而降低推进效率、增大螺旋桨激振。为此，双桨船桨轴间距推荐取为一半船宽左右，“华虎”号取为10 m。同时，“华虎”号总装机功率大，采用四台主柴油机驱动，占用空间非常大，且主机摆放区域靠船舷方向需预留1.7 m左右的检修空间，该区域实现双壳保护需考虑纵舱壁的施工空间等，所以该船12～16号站内双层底高度水线半宽需设计得尽量大，以满足以上空间布局要求。不过，该类船舶由于船长较短，而机舱通常位于船舶舯前，该区域过大的半宽也有可能会在自由航行状态引起肩部兴波，需要通过球鼻艏的综合设计来缓解由此带来的阻力。

图4　机舱底布置示意

3　设计结论

精心的型线设计保障实现了全船功能布局，从“华虎”号和“海洋石油681”号的实船试航数据对比总结分析“华虎”号在船舶快速性和系柱拖力方面的性能表现。

3.1快速性

“华虎”号实船试航报告显示该船在压载吃水5.0 m下全速航行的稳定航速可达16.4 kn[7]。将“华虎”号与“海洋石油681”船的快速性指标进行对比分析(见表3)可以看出，“华虎”号的单位排水量航速所消耗主机功率小于“海洋石油681”船，显然，“华虎”号的快速性能优于“海洋石油681”。

3.2船舶系柱拖力

“华虎”号实船拖桩试验显示，在吃水6.9 m、主机全功率运行工况下，该船系柱拖力最大可达2 960 kN。将“华虎”号与“海洋石油681”船的系柱拖力参数进行对比分析(见表4)可以看出，“华虎”号的单位拖力所消耗主机功率远小于国际最先进的“海洋石油681”船，其拖航经济性指标处于同类产品领先水平。

表3　“华虎”号与“海洋石油681”快速性对比

表4　“华虎”号与“海洋石油681”系柱拖力对比

4　结论

1)为在船舶艉部布置更大直径的大拖力导管螺旋桨，需综合考虑艉体纵剖线与桨叶稍的间隙距离和纵剖线去流角度控制，从而避免尾流分离。

2)艉部槽道式横剖面设计一方面要考虑船舶排水量和浮心纵向位置的调整，另一方面更应充考虑在低速和高速航行两种状态下尾流场对螺旋桨的整流作用。

3)该类船舶重点机器布置区域，如机舱区域，应充分考虑型线设计所能提供的布置空间，也必须考虑由此可能产生的肩部兴波效应。

[1] 许晶，杨奕，杨佑宗，等.新型海洋救助船主要尺度选择、线型设计及研究[C]∥《中国造船》创刊60周年纪念大会.中国造船，2008,49:91-98.

[2] 杨佑宗, 许晶，郑梓萌.近海工程船主要尺度要素及线型设计特点与分析[J].船舶工程，2005，27(1)：19-23.

[3] 周国平，顾艳.海工多用途工作船系列研究设计综述[J].船舶设计通讯，2010(3)；8-15.

[4] 王艳霞，陈京普.基于CFD技术的工程船线型优化研究[C]∥第十一届全国水动力学学术会议暨第二十四届全国水动力学研讨会并周培源教授诞辰110周年纪念大会文集，2012：1060-1066.

[5] 苏甲，陈京普，杨奕.海洋平台三用工作船的线型优化研究[C]∥第二十五届全国水动力学研讨会暨第十二届全国水动力学学术会议文集，2013：887-892.

[6] 中国船级社.钢质海船入级规范[S].北京：人民交通出版社，2014.

[7] 杨奕，16 000 kW 海洋平台工作船快速性试验研究[R].无锡：中国船舶科学研究中心，2012.

Lines Design of the HUA HU Multi-Purpose Offshore Vessel

PENG Bi-ye

(CSIC (Wuhan) Marine and Offshore Engineering Co. Ltd., Wuhan 430064, China)

The Hua Hu ship is a multi-purpose offshore vessel for ocean engineering of oil and gas development and production in deepwater. The key technologies in the lines design of the vessel are studied. From the views of the principal and main parameters of this kind of ship, as well as the arrangement characteristics, the key points in the lines design are analyzed in detail.

multi-purpose offshore vessel; lines design

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.026

2015-05-25

2015-08-04

国家发改委2013年海洋工程装备研发及产业化专项

彭必业(1983-),男,学士,工程师

U662.2

A

1671-7953(2016)01-0129-04

研究方向:海洋工程船舶及特种船舶总体设计

E-mail:dev@csicmoe.com;pengbiye@sina.com