支线集装箱船多工况综合性能优化

江卫东

（中远海运重工有限公司，上海 200135）

0 引 言

随着低碳经济逐渐成为人类的共识，全球节能减排的步伐日益加快，国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）海洋环境保护委员会（Marine Environment Protection Committee, MEPC）在第62 次会议上通过了有关船舶能效规则的修正案，即《国际防止船舶造成环境污染公约》（MARPOL 73/78）附则Ⅵ，以立法的形式确定了能效设计指数（Energy Efficiency Design Index, EEDI）对新造船的强制力。EEDI 规范实施的3 个阶段对新设计船舶的效能的要求逐步提高[1]，这就要求不断提高船舶节能技术，以满足该要求。此外，近年来，航运市场持续低迷，散货船、集装箱船和油船三大主力船型的运力严重过剩。在这种情况下，拥有一型能以最少的能量消耗获取最大运输效益的船舶，是船东获得更多企业利润和船厂获得更多造船订单的关键。

船舶节能技术研究是一项非常有意义的工作，其中船体线型、螺旋桨和舵的优化是较为重要的内容，有助于实现环保和经济双重效益。目前船舶性能优化主要是针对服务航速进行的，而支线集装箱船具有航程短、运载工况多、航速变化多和服务航速高等营运特点[2]。本文针对该营运特点，通过分析某支线集装箱船（以下简称“该船”）在船体线型、螺旋桨和舵等3方面的多轮优化过程，说明如何通过这3方面的优化来得到船舶在节能降耗方面的实际效果。

1 综合性能优化目标和评价指标

1.1 综合性能优化的定义

综合性能优化是指分别针对船舶的线型、螺旋桨和舵叶设计出多种方案，通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）分析或船模试验选出综合性能最优的线型、螺旋桨和舵叶组合，以达到优化船舶性能的目的。

1.2 优化目标

在限定船舶主尺度和主机最大功率（Specified Maximun Continous Rating, SMCR）的情况下，通过对船舶线型、螺旋桨和舵进行综合优化，提升符合船舶营运特点的整体性能，增加装箱量，降低主机平均营运功率，使其在实际营运过程中油耗总成本最低，同时使其CO2排放量降到最少。

1.3 评价指标

1.3.1 主机平均营运功率Etotal

船舶营运概要是船东根据航线特点、码头状况和货物周转量等数据来预估新船投入使用后在不同吃水下各个航速的占比情况，该结果最为接近新船投入使用之后的实际营运情况。为准确评价性能优化的效果，需引入一个评价指标Etotal，即根据船舶营运概要计算出的主机平均营运功率，具体计算式为

式(1)中：i为营运概要中的船舶吃水变化参数；j为营运概要中的船舶航速变化参数；Pij为某一特定i和j下要求的推进功率，kW；aij为营运概要中i和j所占的比例，%；n为吃水变化总次数；m为航速变化总次数。

该船船东根据积累的营运数据、航线特点、码头情况和集装箱周转量等参数制订的船舶营运概要见表1。从表1 中可看出，虽然该船设计的服务航速为19kn，但其在实际运营中的航速一般在12～15kn。因此，该船的船体线型、螺旋桨和舵叶的优化过程都是以该营运概要为基础来计算Etotal。优化后的Etotal值越小，说明主机平均营运功率越小，实际营运中的燃油消耗和CO2排放量越少，优化的效果越好。

表1 某支线集装箱船舶营运概要

1.3.2 EEDI

EEDI 是衡量船舶能耗水平、CO2排放量的一个指标。EEDI 越低，意味着CO2排放量越少，性能优化效果越好。根据EEDI 计算公式[1]，该船的EEDI 要求值为：第一阶段18.6g/tnm；第二阶段16.6g/tnm；第三阶段14.5g/tnm。

1.3.3 装箱量

在船舶主尺度确定的情况下，通过线型优化来尽可能地扩大装箱空间，进而增加装箱量。增加的装箱量越多，说明线型优化效果越好。根据合同要求，该船的装箱量为2900TEU。

1.3.4 最大服务航速

在船舶主尺度和主机功率确定的情况下，通过线型、螺旋桨和舵叶优化来增大最大服务航速。需说明的是，在性能优化过程中，当增大的最大服务航速与增大的营运概要中的航速不一致时，以优化后者，降低Etotal为目标。例如，表2 中的线型1 和线型3 经过第二轮优化之后的航速反而比经过第一轮优化之后的航速低，其目的是降低Etotal值。

2 优化内容

2.1 线型的3 轮优化

1) 第一轮优化：由3 家不同的线型开发单位根据造船规格书关于主机功率、航速和装箱量的要求，通过CFD 数值模拟分别提供优化过的线型[3]。

2) 第二轮优化：根据第一轮优化的3种线型做成的船模匹配库存桨和舵进行水池试验，根据船模试验结果，选取2种最优方案，再次进行线型优化。

3) 第三轮优化：根据第二轮优化的2种线型修改船模，再次进行船模试验，根据船模试验结果，从二者中选出最优线型方案。

2.2 螺旋桨的3 轮优化

1) 第一轮优化：由3 个不同的螺旋桨厂家，根据船模试验结果和经验积累分别设计出螺旋桨。

2) 第二轮优化：对3 个螺旋桨进行桨模水池敞水试验，从试验结果中选取2种最优方案，再次进行优化。

3) 第三轮优化：对第二轮优化的桨模进行水池试验，根据桨模试验结果，选出其中的最优螺旋桨方案。

2.3 舵叶的3 轮优化

1) 第一轮优化：由3 个不同的舵叶厂家，根据船模试验结果、螺旋桨模试验结果和经验积累分别设计出舵叶。

2) 第二轮优化：将3 个舵叶分别匹配已决定的船模和桨模，并对其进行水池试验，从试验结果中选取2种最优方案，再次进行优化。

3) 第三轮优化：对第二轮优化的舵叶模型进行水池试验，根据试验结果，选出其中的最优舵叶作为最终方案。

2.4 船、桨、舵组合优化

在水池中对前3 轮选出的线型、螺旋桨和舵叶组合进行船舶回转试验、Z 形操纵性试验、螺旋桨汽蚀试验、螺旋桨脉动压力测量和舵叶汽蚀试验，根据试验结果，再次对船舶线型、螺旋桨和舵进行微调，以达到最佳的匹配效果。

3 综合性能优化结果

为使水池试验结果具有可靠的对比性，该船的船模试验、螺旋桨模型试验和舵叶模型试验在同一水池中进行，试验程序和计算方法都按国际拖曳水池（International Towing Tank Conference, ITTC）规范选取，从而有效避免不同水池之间的差别和计算方法的差异对试验结果的影响。

3.1 船体线型优化结果

表2 为船体线型的3 轮优化结果。线型1 的第一轮CFD 优化结果既是写入规格书的内容，又是其性能优化的基础。设计的3种线型各有特点，其中：线型1 采用的是低瘦型球鼻艏；线型2 采用的是垂直、低瘦型球鼻艏；线型3 采用的是高大型球鼻艏。由3 轮优化和试验结果对比可知：具有垂直船首的线型2在性能上最优；相比排名第二的线型3，线型2 的装箱量增加了22TEU，航速增加了0.12kn，Etotal值降低了7.5%。因此，最终选择线型2 作为该船的线型。

表2 船体线型的3 轮优化结果

3.2 螺旋桨优化效果

良好的螺旋桨设计不仅能提高航速，降低燃料成本，优化EEDI，而且能降低船舶运行时的振动和噪声[4]。该船螺旋桨3 轮优化结果见图1。根据试验结果，桨3 在该船整个航速范围内的主机平均营运功率基本上都是最低的，因此最终选择桨3 作为该船的螺旋桨，其试验结果相比排名第二的桨1：Etotal值为3654kW，降低了1.5%；航速为18.93kn，提高了0.7%。

图1 螺旋桨3 轮优化结果

3.3 舵叶优化效果

舵系优化之后，可使船舶达到提高经济性和操纵性的双重效果[5]。该船舵叶3 轮优化结果见图2。根据试验结果，虽然舵叶3 在航速大于15.2kn 时的主机平均营运功率最低，但其在12～15kn 航速范围内基本上处于最高位置。因此，最终选择在12～15kn 航速范围内表现最优的舵叶1，其试验结果相比舵叶3：Etotal值为3534kW，降低了3.3%；航速为19.08kn，提高了0.6%。

图2 舵叶3 轮优化结果

3.4 综合优化效果

该船经过线型、螺旋桨和舵的3 轮优化之后的性能与最初规格书中的参数相比，取得的综合效果如下：

1) 主机平均营运功率Etotal从5438kW 降至3534kW，降低了35.1%，主机的燃油消耗相应降低了约35%，大大减少了船舶营运中的燃油费用。

2) 船舶最大服务航速从18.9kn 增加到19.08kn，增加了0.18kn，增幅为1.0%。

3) 船舶在结构吃水下的均质装箱量由2900TEU 增加到2948TEU，增加了48TEU，增幅为1.7%。

4) EEDI 满足IMO 第三阶段排放的要求。根据试航结果计算的验证值（attainted EEDI）为13.6g/tnm，比交船时强制要求的值降低了26.9%（按规范规定，该船适用于2019年底前交船的第一阶段），比2025年以后交船的第三阶段要求值降低了6.2%。从该方面看，3 轮优化结果为该船减少温室气体排放做出了较大的贡献。

4 结 语

通过对3种线型设计、3 个螺旋桨厂家的设计和3 个舵叶厂家的设计进行多轮优化、试验，从试验结果对比分析中优选出了使该船在经济性和环保方面都有较好表现的方案。但应认识到，该优化选择过程花费的时间和经济成本比较大：该船的整个优化试验过程耗时超过6 个月，直接花费超过100 万美元，结构增重50t 钢材。因此，在对其他船舶进行性能优化时，需综合平衡船舶实际营运特点和其他各方面的成本，选择切合实际的性能优化方案。