浅吃水900箱肥大型集装箱船设计及优化

孙海晓，王国强

(上海船舶研究设计院，上海 201203)

0 引言

印度尼西亚由太平洋和印度洋之间17 500多个大小岛屿组成，被称为“千岛之国”。水路运输是印度尼西亚重要的运输手段，90%的货物流动依赖船舶运输。由于印度尼西亚港口的地理位置比较特殊，船舶必须通过狭窄的马都拉海峡进入港口，而海峡航道的水深比港口还浅,因此浅吃水船在印度尼西亚水路运输中起着较为重要的作用。本文根据该国水路运输特点，将肥大型浅吃水线型应用在集装箱船的开发设计中，并进一步优化，对特定航线集装箱船开发设计具有一定的借鉴意义。

1 900 TEU集装箱船基本概况

1.1 总体布置

900 TEU集装箱船为单机、单桨推进的浅吃水集装箱船，适合近海航行，无克令吊，货舱舱盖上可装运危险品集装箱。该船船型采用直艏方艉尾机型，由低速柴油机和定距桨驱动，上层建筑及驾驶室位于艉部。主甲板以下设6道水密舱壁。货舱区为双层底双舷侧结构，共分为4个货舱，货舱内可装14排、7列、4层集装箱，其中第2、3、4货舱可装4排集装箱，第1货舱可装2排集装箱；货舱配吊离式舱口盖，舱盖及甲板上可装16排、9列、5层集装箱。

1.2 主要参数

900 TEU集装箱船主要参数如下：总长135.70 m，型宽22.50 m，型深10.20 m，设计吃水5.60 m，装箱数量913 TEU，载重量10 800 t，主机型号MAN 5S35MC-C9.2，最大持续输出功率2 975 kW×142.0 r/min，常用持续功率2 529 kW×134.5 r/mim，服务航速(CSR，W/O SM)12.5 kn，定员22人，船级符号如下：CCS ★ CSAD Container Ship; Greater Coastal Service; Loading Computer(S,I); In-Water Survey★ CSMD MCC。

2 主要设计特点

2.1 船型特点

普通集装箱船的特点：航速较快，线型较瘦，外形狭长，方形系数较小(通常为0.60～0.70)，少数集装箱船的方形系数在0.70以上。集装箱船由于货物重心较高，横向受风面积较大，导致初稳性高度值偏低，稳性较差，轻箱工况(以14 t均箱为例)往往需要配置较多的压载水才能满足稳性要求。

相对于普通集装箱，900 TEU集装箱船的主要特点如下：

(1)航速慢。印度尼西亚内贸航线岛屿之间航程较短，对船舶的航速要求不高。该船根据船东需求，航速定位为12.5 kn，弗汝德数0.178。

(2)吃水浅，适航性好。设计吃水仅5.60 m，远小于同级别远洋集装箱船设计吃水，可停泊水深较浅的港口。

(3)方形系数大。该船将肥大型船的型线特点应用到集装箱船的型线设计上，方形系数达到0.86。该船的长宽比为5.9，与国际航线1 000箱级中高速集装箱船的长宽比相当，使其在航向稳定性上有较好的安全边界。

(4)稳性好。相对于普通集装箱船线型，该船水线面积较大，初稳性高度值较大，吃水小，干舷富裕。

(5)载货灵便。4个货舱均为箱型舱，前后宽度一致，不设集装箱台阶，载货灵活方便。

2.2 线型特点

900 TEU集装箱船线型设计与常规集装箱船有很大不同，主要特点如下：

(1)胖。方形系数0.86，远大于普通集装箱船。

(2)扁。宽度吃水比4.018，即使在肥大型船中，宽度吃水比也处于较大数值范围。

(3)快。弗汝德数达到0.176，相对于该方形系数，属于较快的船舶，线型设计优化中应使剩余阻力不至于增加过快。

经过多轮线型优化和方案对比，设计桨模型试验结果表明：船舶航速可达12.52 kn，满足规格书的要求。航速功率曲线见图1，剩余阻力系数曲线见图2。

图1 航速功率曲线

图2 剩余阻力系数曲线

2.3 螺旋桨设计

900 TEU集装箱船航速设计指标较高，给螺旋桨设计带来了较大的挑战。具体如下：

(1)吃水浅，螺旋桨直径受限。为保证良好的空泡性能，需留有足够叶梢间隙，此时桨径无法满足最佳桨径要求。

(2)螺旋桨负荷重。该船螺旋桨推力系数高于一般低速船，螺旋桨容易产生空泡问题。

(3)阻力性能和空泡性能之间矛盾。由于线型的特点，浮心位置对阻力性能有明显影响。在此方形系数下，该船的弗汝德数偏高。一般情况下，浮心偏后，兴波阻力性能较好，但同时会导致船艉伴流较差，螺旋桨效率较低。900 TEU集装箱船属宽扁型，螺旋桨效率对浮心位置较为敏感，浮心越靠近艉部，艉部伴流越差，螺旋桨效率越低，容易导致空泡问题。

在该船的螺旋桨设计中，由于裕度较小，螺旋桨空泡性能和推进效率需进行多方面权衡。设计初期，为满足航速要求，过于追求螺旋桨效率，初版设计采用5叶桨，桨径4.1 m，在空泡试验中产生了明显的连体涡现象。这种现象对于实船螺旋桨是无法被接受的，将会大幅缩短螺旋桨使用寿命，并可能产生严重的噪声及振动问题。为此，螺旋桨设计采用6叶桨方案，桨径3.8 m，桨前配伴流补偿导管，完美解决连体涡空泡问题。新方案虽然会损失一部分螺旋桨效率，但对提高船舶的舒适性和安全性有重大的作用。

2.4 空船重量控制

900 TEU集装箱船载重量设计指标较高，全船采用了轻量化设计，主要措施如下：

(1)优化船体布置，控制总纵弯矩。通过优化压载水舱、燃油舱及淡水舱布置，尽量降低压载工况的弯矩水平。

(2)多次优化结构设计并精确统计空船重量及分布。通过精准控制，可在前期总纵强度留有较小的余量，避免后期重量分布调整带来弯矩增加的现象。

(3)由于该船在近海航区运营，所以可以取消船舶的挡浪板结构，优化上层建筑建构，艏桅、雷达桅采用桁架式结构。

2.5 分舱设计及破舱稳性

900 TEU集装箱船破舱稳性须满足《国内航行海船法定检验技术规则》(2011)(下文简称《法规》)中关于概率破舱稳性计算的要求。该船货舱区域为双舷侧双层底结构型式，分为6对边压载舱和6对底压载舱。该船线型采用浅吃水方案会导致多处区域无法满足常规双层底设置要求，具体内容如下：

(1)由于船舶设计吃水较浅，主机采用低速柴油机。为保证螺旋桨直径和效率，螺旋桨轴线高度较低，主机下方滑油循环舱采用单壳型式。

(2)机舱前端附近双层底区域线型平坦，局部只能采用单壳设计方案。

《法规》没有明确双层底非常规布置的处理方法，直至2016年修改通报才得以明确。该船的合同及铺龙骨日期均早于2016修改通报的生效日期，通过和船级社的沟通，不需要加算底部破损。为保证顺利交船，该船按照SOLAS公约要求自行加算底部破损，满足确定性破舱稳性的要求。

2.6 完整稳性

900 TEU集装箱船各装箱工况的装箱数量及携带的压载水量见表1。集装箱船的完整稳性通常受破舱稳性衡准的限制。由于该船方形系数较大、稳性较好，轻箱工况完整稳性计算主要受视线、艏吃水和结构强度限制，重箱工况完整稳性计算主要受载重量及吃水的限制。该船14 t均箱时即可实现无压载装箱，相对于一般集装箱船，载重量的利用率大幅提升，同时可大幅降低压载水操作的能耗，为船东带来可观的经济效益。

表1 装箱工况装箱数量及压载水量

3 船型对比及优化

3.1 船型对比

为实现节能减排，近年来建造的内贸集装箱船航速普遍较低，单箱重量较大。表2列举了900 TEU集装箱船同近几年国内典型集装箱主要指标的对比情况，表中功率包含10%海况裕度，主机油耗均取172.0 g/kWh。在不考虑航速差异情况下，载运14 t均箱时，900 TEU集装箱船载重量利用率高，均箱单位海里油耗水平与常规集装箱船接近甚至超过常规集装箱船；当载运重箱时，由于重箱工况稳性普遍较好，重箱数量主要受载重量限制，载重量越大载箱能力越强，因此其装箱能力小于常规具有较大载重量的集装箱船。

表2 与国内典型集装箱船对比

3.2 船型优化

900 TEU集装箱船型深较大，干舷富裕。根据图2中该船的剩余阻力系数曲线，当

Fr

大于0.155时，剩余阻力系数明显增加，此时对应船舶航速为11.0 kn。可从2个方面对该船进一步优化：

(1)增加结构吃水，提高该船的排水量；增加载重量，从而提高重箱载运能力。

(2)适当降低船舶航速，控制船舶剩余阻力维持在较低范围，可大幅降低船舶的油耗值。

根据上述优化方向，确定4个优化方案，与原方案进行对比，见表3。表中：方案1～方案4功率包含10%海况裕度，主机油耗均取172.0 g/kWh，设计吃水5.6 m；方案1、方案4的设计航速为11.0 kn，方案2、方案3的设计航速为12.5 kn。

表3 900 TEU集装箱船优化方案对比

由表3可见，增加结构吃水和降低船舶航速都可以显著降低集装箱均箱每海里油耗值。方案4中，14 t均箱海里油耗较原方案降低约40%，30 t均箱海里油耗较原方案降低约50%，已远优于表2中具有更大尺度和载重量的1 800 TEU集装箱船的均箱每海里油耗值。船舶营运中可充分利用船舶的设计吃水和结构吃水，合理规划航行路线，并适当降速航行，从而实现大幅降低船舶的营运成本目标。

4 结论

900 TEU集装箱船是肥大浅吃水线型在集装箱船上的一次大胆尝试与应用。浅吃水船舶是航运体系中不可或缺的一部分，承载着航运物流运输中的重要支线环节。肥大浅吃水线型有着其自身的特点，900 TEU集装箱船敢于突破常规设计，将肥大浅吃水线型成功用于集装箱船，并具有其独特的特点，为船东带来可观的经济效益，具有较强的开发潜质。