320总吨远洋双甲板拖网渔船船型优化设计

李 纳，梁建生

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，农业农村部远洋渔船与装备重点实验室，上海 200092;2 海洋试点国家实验室深蓝渔业工程联合实验室，山东 青岛 266237)

为了稳定中国过洋性渔业，确保远洋捕捞竞争力，应积极开展远洋双甲板拖网渔船新船型开发，及时更新老旧渔船，增加竞争优势，以巩固和扩大国际渔业合作规模，提高产量，降低成本，促进经济效益得到进一步的提升，实现远洋渔业可持续发展[1]。随着计算机科学技术的快速发展和计算机流体动力学(CFD)技术在船舶水动力学上的成功应用，国内渔船设计研发能力有了很大提升，张亚等[2-3]建立了考虑网具、网板大小的拖网渔船船型优化模型，对渔船进行多目标的船型技术经济论证；谢永和等[4]通过CFD研究了拖网渔船的水动力节能技术。国外发达国家利用数字化设计建造技术研发出适应能力强、高效、生态、节能、环保型专业化深远海作业渔船，在船用柴油发动机上使用创新的热回收技术(ORC)，可减少高达10%的温室气体排放，提高了发动机燃料效率[5]；在渔船动力装置上优化配比可调桨与新型能源LNG等[6]，提高船舶整个运行范围内的推进效率，从而降低运行成本。

320总吨远洋双甲板拖网渔船是标准化更新改造的主流船型，在船型研究设计中以标准化设计理念[7]对船型采用综合分析方法，进行系统的多层次对比分析研究，采取多项节能措施和节能技术，并通过船模阻力试验和CFD分析，进一步优化船型，对机电设备、主导航仪器以及舱室布局、捕捞装备、冷冻保鲜设备等进行了标准化配置、设计与布局，充分体现了现代远洋渔船的快速性、适航性、适居性和适渔性等综合性能优良的特点。

1 船型参数优化

1.1 设计指导

中小型渔船影响快速性的最主要因素为长宽比L/B、方形系数CB和棱形系数CP[8]。前者由主尺度限界和装载量重量平衡确定，后者是通过设计选定。影响稳性和耐波性的主要参数有：宽度吃水比B/d、干舷船宽比f/B、初稳性高GM、水线面系数CWP、长宽比L/B、棱形系数CP和受风面积[9-13]等。现代渔船设计中，既讲求快速性，也注重耐波性，以求得协调和平衡，希望渔船在真实海况下具有较好的抗风浪能力，减少避风时间损失，获得一定海况概率下的最好工作效率。

在快速性控制上，选出既定尺度和CB后，通过数值分析选择最佳CP、浮心位置和进水角。在稳性控制上，尽量按高等级安全能级(近海航区作业船稳性按远海航区设计)考虑，以有效抵御小型渔船常会遭遇的突发危险海情。在耐波性控制上，根据理论与实践经验相结合，通过与高等级安全性和良好快速性综合协调的原则达成参数合理匹配。

1.2 船型主尺度优化

1.2.1 立方数和总吨控制

涉及国外登记的远洋渔船，总吨控制至关重要，本船控制总吨GT=320～330。

拖网渔船总吨(GT)与立方数(CN)关系如图1所示。由回归平均线得到320总吨拖网渔船应在1 400～1 500 m3范围内控制立方数，由于现代远洋渔船比过去渔船船型丰满度趋大，故应按下限甚至更小控制立方数[7]。

1.2.2 基于总吨控制的立方数尺度选择

国内320总吨附近双甲板拖网渔船船宽多为B=8～9 m，目前发展趋势船宽趋大化，欧洲现代双甲板渔船船宽一般都大于9 m。从充分保障安全性、拖网渔船主要追求拖力等因素考虑，本船取B=9 m。320总吨附近双甲板拖网渔船型深D=5.5～6.4 m，平均5.75 m，本船从双底层高、两层甲板层高、鱼舱装载量，尤其是总吨控制等因素考虑，取D=5.90 m(最小层高2.15 m)。从控制立方数和总吨考虑，本船取：LPP=28.00 m，立方数CN=1 487。对应本船尺度，长宽比L/B=3.11(因受总吨限制，数值偏小)。本船航速v=9.5 kn(经济航速)～10.5 kn(最大航速)，本船傅汝德数FN=0.29～0.32，相对航速较高，为弥补船长不足的缺憾和充分减阻，应考虑增设球鼻艏。

通过设计循环，对上层布置空间严格把握并合理削减无利用价值容积，最终控制总吨GT≈320，净吨NT≈96(以0.3GT限定)

1.2.3 排水量

(1)空船质量重心控制。本船空船质量重心基于优秀母型船的分项计算结果分项换算修正而得。本船各质量分项见图2。

图2 空船质量分项

(2)设计排水量确定。本船的装载情况(载重量和排水量)见表1。确定设计排水量Δ≈640 t。

表1 渔船装载情况

1.2.4 设计吃水优选

320总吨以上约9 m宽双甲板拖网渔船一般设计吃水d=3.2～3.9 m。国内渔船一般B/d较大，而欧洲渔船B/d一般控制在2.2～2.4。据英国造船研究协会B·S·R·A系列拖网渔船试验资料，加大吃水对快速性、耐波性和推进均有利。考虑到本船装载能力要求高，以及大直径桨的艉框净高要求，取较大吃水d=3.7 m，B/d=2.43。

1.2.5 装载能力

通常用载重量系数衡量船舶装载能力，也可变通为排水体积对立方数之比▽ /CN(m3/m3)。▽/CN表示在主尺度包络矩形体内可用于实际承受重量的比例，该值越大则船舶装载能力越强，单甲板船比双甲板船有优势。本船与母型船排水体积比立方数▽/CNN示于图3。本船较其他双甲板船高7%～20%，表明在控制总吨前提下具备较强装载能力。

图3 排水体积对立方数比

1.3 基于快速性能分析的船型系数优化

1.3.1 方形系数CB

现行远洋拖网渔船的CB范围为0.64～0.68。本船根据设计排水量要求的重量平衡给出CB=0.665。

1.3.2 棱形系数CP

在本船尺度、功率、航速区域内，CP是影响阻力的最主要船型参数。CP变化对有效功率EHP的影响见图4，5条曲线分别对应CM=0.88～0.96，CP=0.756～0.693。由图4可见，CP小则阻力小，且分化十分严重。航速v=10 kn时，有利CP和不利CP造成的有效功率EHP偏差可达50%～100%。根据本船线型特点和光顺需要，取CM=0.95，CP=0.699，处于阻力最小Cp取值。

图4 棱形系数变化对有效功率的影响

1.3.3 浮心纵向位置LCB

LCB对阻力影响程度相对较小。LCB变化对有效功率EHP的影响见图5。本船速域内，LCB=-4%为最佳。LCB在-2.5%～-4.0%之间变化时阻力偏差约2%。当LCB在-2.0%以前，阻力明显上升。根据各种装载情况基本平浮的浮态控制原则，确定本船LCB=-2.5%。

图5 浮心纵向位置变化对有效功率的影响

1.4 基于综合性能优化的船型确定

1.4.1 球鼻艏和艏部线型

主尺度和主要船型系数确定后，重点考虑艏艉线型优化以最终确定船型。艏部线型尽量减小半进水角；根据国内渔船发展特点，做大艏外飘以提高防上浪能力。球艏适用于0.26

球艏面积比、球艏相对长度、球艏前端点高度3个参数是决定球鼻艏减阻效果的最主要因素。根据已掌握的系列球艏试验资料、实船应用经验和CFD，确定本船球艏尺寸和形状[15-16]，预期实际航速区间平均减阻8%。首部形状如图6所示。

1.4.2 球艉、艉框和艉部线型

宽整甲板面，能压住浪的较肥大艉悬体。1)毂前球艉：根据系列试验资料，毂前球艉对阻力影响不大，但能有效改善螺旋桨进流，提高推进效率3%～5%。2)艉框：尾悬体倾斜角大则艉框大，但阻力也大。鉴于本船以推力指标为主，故根据能容纳最大直径导管桨的艉框需要确定。一般双甲板拖网渔船导管桨直径D与吃水d之比D/d=0.55～0.70，根据本船主机功率、齿轮箱速比，优化确定了桨的大直径D=2.6 m，D/d≈0.70[17]。艉框根据纳桨需要配合设计，并配有较大下沉量的船底立龙骨。系统设计中需协调考虑主机、齿轮箱部位线型的适配、最佳轴线倾角、导管周边间隙、周边结构刚性等关联因素[18]。3)艉滑道下端圆柱圆心位置：各种载况时应始终位于水面上下，应避免纵倾过大或过小，使滑道底部过分浸埋或抛空。本船除出港和到港状态以外，其余捕鱼工况时，滑道底端圆弧中心位置距水面变化范围不超过0.20 m，有效保证起网操作的安全便捷。

图6 船艏形状

滑道宽度根据用户使用需要确定，滑道上缘横滚筒位置根据适度艉弧确定。尾部形状如图7所示。

图7 船艉形状

1.4.3 对耐波性有利的船型

本船丰满舯部有利舭龙骨作用的最大限度发挥，结合大立龙骨，能最大限度缓和横摇。本船的各种装载情况横摇固有周期T=7.5～10 s，适航性良好。

1.5 螺旋桨性能优化

拖网渔船存在自由航行和拖网作业两种推进工况，常规螺旋桨难以做到两种工况同时最优(与单一工况船桨相比)，如按自由工况最佳设计则拖曳工况效能发挥只有70%～80%。根据我国远洋拖网渔船实际情况，结合航行时间与捕捞时间概率以及大拖力的实际需求，引入时间概率的最佳螺旋桨参数优化理论，研究配置导管桨。

根据本船主机功率、齿轮箱速比优化确定了桨的直径D=2.6 m，系柱拉力对主机功率比T/P=0.215(588 kW主机系柱推力120.00 kN，比常规螺旋桨提高近30%)，达到国内外中小型渔船领先水平。

2 线型优化

依托渔船数字化研发平台，通过比较分析，利用适合中小型渔船的荷兰水池 Oosterveld海船剩余阻力回归多项式对目标船型阻力特性进行理论分析[19]；研究基于Flow-3D软件对目标船型阻力特性进行CFD阻力分析[20-22]；同时，通过船模拖曳试验分析目标船型阻力特性。通过以上综合分析，可提高远洋中小型渔船阻力特性分析的精确性和准确度，并研究形成目标拖网渔船低阻力船型性能优化技术方案，为船型功率匹配和优化提供技术方案(图8)。

图8 阻力数值模拟与试验比较

本渔船船型叠加球艏、球艉节能措施及其船模试验比较分析，实现船型降阻节能优化，同比降阻5%～10%。根据中国远洋拖网渔船实际情况，包括渔场和港口状况，在使用可调桨不切实际的情况下，通过多重比较优化，结合航行时间与捕捞时间概率以及大拖力的实际需求，研究配置导管桨，采用大直径低速螺旋桨以及船机桨优化匹配，可提高3%～5%的推进效率。

3 分舱、布置和渔捞系统的优化

3.1 分舱

分舱中要充分考虑稳性、浮态、舱容、机舱长度等因素的交互影响，特别是鱼舱和油舱满足实际需要的分配比例。本船合理分舱后，鱼舱容积Vf≈211 m3，油舱容积Vo≈182 m3，续航里程R≈6 000 n mile(海里)，自持天数RS≥60 d。鱼舱和油舱总占有率(Vf+Vo)/CN(鱼舱和油舱总净容积÷立方数)处国内外拖网渔船领先水平。本船与母型船的比较示于图9(本船带制淡水装置，淡水量可不做比较)。

3.2 舱室布置

舱室布置中协调考虑渔捞系统与生活区间的穿插关系和搭配比例，在渔捞操作便捷可靠前提下尽量改善居住标准，满足各项布置条件。本船定员较多，又有中外船员分居要求，设计中做到尽量合理。本船布置上的一些特点如下：1)造型美观；2)在船长和总吨受限情况下构造短上层建筑，尽量增大渔捞甲板面积；3)居室空间活动余地适中，增大厨房和卫生间，因中外船员生活习惯不同，厨卫间分开使用；4)内装环保、牢固、明快；5)生活区间通风采光良好，各居室均有明窗，驾驶室四面环窗；6)实现小船烟囱与门型架的整体式(图10)。

图9 鱼舱和油舱总占有率

3.3 渔捞系统

拖网渔船甲板渔捞设备布置方式基本相同。本船在渔捞设备和相关构件(如机舱棚)的布置中尽量做到操作甲板面积大、中间空敞尺度宽。并有如下创新点：1)采用分列式大拉力绞纲机，绞机四周留出较大开敞空间，方便操作；2)对应门架[23]下设液压甲板舱盖，下设不锈钢鱼池，吊包后可直接倒卸鱼货至下甲板鱼池内进行分拣和装盘冷冻，垃圾通过鱼池边槽道卸出船外；3)优化了鱼品搬运、处理、冷冻、入舱、出舱流程。

4 液压系统优化设计

针对中国远洋捕捞渔船捕捞装备技术落后、操作安全性差、传动效率低等问题，320总吨远洋双甲板拖网渔船采用液压高效传动技术，研发液压传动渔捞甲板设备，同时结合渔船工况特点，采用主机前端(PTO)驱动液压站[24-25]，达到了节能目的。采用PTO动力分动箱驱动4台液压泵的技术方案，节省了设备经费和所占机舱空间，同时4台液压泵可互为备用，提高系统冗余性，使捕捞机械液压系统动力设备安全性得到提高。

5 结语

依托船型优化综合方法和节能技术的研究成果开发了320总吨远洋双甲板拖网渔船。该船按照标准化理念设计，依托数字化设计平台，具有欧洲船型特点，同时适合国内远洋渔业企业的实际情况，相比国内同类型渔船系统装备，技术先进、节能水平优势明显。该船示范应用节能20%以上，捕捞效率提高了20%，实现增产增收，达到了“安全、经济、节能、环保、适居”的目标要求，为中国远洋拖网渔船标准化更新改造提供了技术支撑。与发达国家相比，渔船配套装备技术仍有差距，特别是通导设备和助渔仪器，国产化率极低。今后应加强远洋渔船配套装备技术研究，提高捕捞效率；突破助导航仪器关键技术，研发国产的远洋渔船配套仪器。