38 800载重吨新型节能散货船设计

唐建伟

(青岛中远海运国际船舶贸易有限公司，山东 青岛 266071)

0 引 言

近年来，随着人们对节能减排越来越重视，国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)等国际组织及各国出台的航运业减排法规越来越严格，这给散货船设计带来了新的挑战。根据《MARPOL附则Ⅵ修正案》的要求，自2025年1月1日起签订造船合同的散货船须满足能效设计指数(Energy Efficiency Design Index，EEDI)第3阶段的要求，目前大多数散货船都难以满足该要求。为实现该目标，船舶设计人员在散货船节能减排设计方面开展了大量工作。中航鼎衡造船有限公司通过机舱布置优化、推进系统节能装置选配和辅助系统配置优化，对67 000载重吨散货船进行了优化设计，取得了13%的节能效果。曲保智等对船舶减排技术进行研究，指出除了使用氢等清洁燃料和船用燃料电池以外，减少发动机废气排放和设计使用高效螺旋桨是当前可供选择的策略。杨君等对船舶水动力节能装置进行了应用研究，在某散货船上采用了加装由前置预旋导轮、高效螺旋桨和桨毂消涡鳍组成的综合水动力节能装置的方案，节能效果提升了15%左右。中船黄埔文冲船舶有限公司对巴拿马型散货船进行了理论分析，采用轴带发电机结合节能装置和主机选型等方案，可满足EEDI第3阶段的要求。殷宗学等对轴带发电机选型和配置方案进行了研究，分析了轴带发电机的节能效益对船舶经济性的影响。对比分析近年来常见的散货船节能减排设计方案可发现，目前针对灵便型散货船节能措施开展的研究比较少。因此，对灵便型散货船进行优化设计，提出切实可行的节能措施，具有重要意义。

本文主要介绍一种满足EEDI第3阶段和结构共同规范(Common Structural Rules，CSR)的要求，带“Ice Class B”冰区加强，重压载取消货舱压载设计的38 800载重吨散货船的设计。在灵便型散货船的基础上，从船舶型线、总布置、结构、主机选型和节能装置等方面对其进行优化设计，使其货舱容积、载重量、航速和主机油耗等主要技术指标均较优，满足EEDI第3阶段的要求，为同类型船舶的设计研发提供参考。

1 船型概述

该船为单机、单桨、单舵的艉机型散货船，其主要参数见表1。为提高装卸货效率，将No.2、No.3和No.4货舱设计为箱型大开口货舱(见图1)，为No.5货舱设置底边舱，为No.1货舱设置顶边舱和底边舱。主甲板上除了No.1货舱，其他货舱均设置有纵向连续舱口围，所有燃油舱都布置在机舱区域，货舱的所有边舱和底舱都是压载舱，货舱不兼做重压载舱。

表1 船舶主要参数

图1 三维可视化模型

2 船舶总体设计优化

2.1 型线设计及优化

通过对船体型线进行优化提高船舶航速是减少油耗的有效方法。该船从改善球艏线型、优化艉部纵流和调整浮心位置等方面提高船舶航速。以减小船体兴波阻力为目标，对球艏线型进行优化；同时，以减小总阻力系数和改善艉部伴流为目标，对球艉进行改型设计。浮心纵向位置的选取主要考虑阻力、总布置和装载工况等。为增加排水量，增大载重量和压载舱总容积，该船的艏部线型设计得比较丰满，浮心位置比较靠前，这会使船舶的阻力增大。通过逐步优化艏部线型，使浮心位置前后微调，在满足装载工况下的浮态要求的情况下，确定对减小阻力比较有利的浮心位置。另外，以仿真计算和水池试验结果为依据，采用增大船宽以减小方形系数(设计吃水处的方形系数为0.786，结构吃水处的方形系数为0.799)的方案，在操纵性、螺旋桨空泡和激振力测试结果符合设计预期的前提下，该船型的油耗远低于其他同类船型。

2.2 总布置和稳性设计及优化

1) 该船共设有5个货舱，货舱区采用双壳结构，No.1货舱设有底边舱斜板、双层底和顶边舱。通过提高货舱的利用率增大船舶载货量。在保持船长不变的情况下，通过压缩机舱和艏尖舱的长度增加货舱区的长度，增大货舱容积。

2) 该船的双壳处所用作压载水舱，底压载舱设置为清洁压载水舱。通常情况下，散货船重压载需采用向货舱注水的方案，重压载的货舱需特别考虑船体结构和涂装，从而降低船舶营运效率。该船重压载不需要使用货舱压载，只需向No.1、No.2、No.4和No.5底压载舱内注水，即可满足要求。此外，该船各压载舱的控制阀均布置在阀箱内，为便于在船舶运营过程中操作和维修，设置封闭式垂向进出通道。

3) 该船的干舷为B型干舷，完整稳性满足IS CODE(2008)和IACS UR S11、S17的要求，破舱稳性满足SOLAS II-1章第9条的底部破损衡准要求。虽然该船通过上述设计优化取得了比国内外同类型船舶更高的货舱利用率，但增加了满足完整稳性和破舱稳性要求的难度。该船的艏部线型比较丰满，艉部设有大直径高效螺旋桨，为满足CSR对重压载艏吃水和螺旋桨浸没率的要求，以及SOLAS破舱稳性的要求，通过反复调整No.1、No.5货舱和相应压载舱的容积，以及全船压载分布，适当减小No.1货舱的容积，并将艏尖舱直接延伸至主甲板，以增大No.1压载舱和艏尖舱的容积，解决螺旋桨浸没率和艏部吃水不足及破舱稳性难以满足要求的难题。

2.3 船舶结构设计优化

船舶结构重量占空船重量的比例往往超过70%，有效控制空船重量能增加船舶载重量。该船从优化布置、结构形式和节点型式等方面进行结构重量控制。

1) 控制初始设计值，合理优化货舱内壳和艏艉尖舱的容积，以最大程度地减小静水弯矩和剪力值。

2) 优化肋距、纵骨间距和强框架间距，在强度满足要求的前提下，以减小构件尺寸为目标，优化间距值。

3) 为满足疲劳强度的要求，纵骨与肋板上的加强筋通常采用肘板连接。通过有限元计算，该船采用构件加开特殊形状切口的方案代替肘板连接。另外，尽量采用增设屈曲筋的方式代替增加外板/肋板板厚，在满足屈曲要求的前提下，减轻构件重量。

4) 该船的货舱型式与集装箱船接近，由扭转引起的破坏是总纵弯曲以外的一种极为严重的总体破坏模式。由于货舱区甲板具有长、大的开口，在斜浪工况下易产生扭转变形。由于船体沿船长方向是变截面的，且在艏艉具有甲板封闭的闭口段，故扭转时船体会产生翘曲应力，其对结构安全性的影响甚至超过了对总纵弯曲的影响。为解决大开口结构的扭转破坏问题，将该船的舱口围设计为纵向连续的结构形式。

5) 合理使用高强度钢，在高应力区尽量采用高强度钢，既减轻了结构重量，又使强度得到了保障。对易疲劳处构件采用焊缝疲劳打磨处理，提高其抗疲劳能力。

6) 优化货舱区域外结构的布置和尺寸，有效控制船中区域外结构的重量。由于该船具有Ice Class B船级附加标志，故冰带外板区域采用横骨架型式，顶边舱区域和内壳纵舱壁采用纵骨架型式。该混合骨架型式既能满足强度要求，又有利于减轻结构重量。

3 主机选型与机桨配合设计优化

为减少主机油耗和满足EEDI的要求，该船在主机方面进行了以下优化：

1) 在确定船舶总阻力的基础上，进一步优化机桨配合，通过降低主机转速，提高螺旋桨的推进效率，从根本上降低主机输出功率；

2) 在功率点和主机选型的匹配上，选择降功率使用主机，降低主机的油耗率。

原母型船的主机和本文所述38 800 载重吨节能环保型散货船的3种主机选型方案对比见表2。由表2可知，虽然采用六缸机能有效避免振动带来的影响，重量方面也略有优势，但综合考虑主机的布置、油耗和EEDI等因素，该船选定主机为WARTSILA 5RT-flex50-D Tier II，同时适当增大螺旋桨直径、缩小盘面比，将设计航速下的螺旋桨推进效率提高至0.797。经试航验证，优化船型的主机油耗相比母型船减少3.4 t/d。

表2 主机选型对比

在主机选型问题上，由于选择当前主机的L4点作为SMCR，并将CSR点设定为75%，在有效减少主机单位油耗的同时，使主机废气温度大幅下降，废气量大幅减少，导致锅炉废气侧的蒸汽量无法满足常规使用要求。为此，在充分考虑技术可行性和船舶运营成本的基础上，利用发电机产生的废气增加锅炉废气侧的蒸汽量，并将2台发电机的排气管接入锅炉废气侧，同时在锅炉内部设立独立烟腔，从而减小对废气背压的影响。

4 舾装设计及优化

从节能的角度出发，对舵进行优化设计。为最大程度地减小舵叶(包括挂舵臂)产生的摩擦阻力和黏压阻力，采用相对较小的舵叶侧投影面积(约为水下体侧投影面积的1/62，不计挂舵臂)和较小的舵叶剖面厚度比(取为0.17)设计舵系，并结合艉部线型和螺旋桨进行协调布置。为尽可能地增大舵力以保证船舶具有良好的操纵性，舵叶外形设计为具有较大的展弦比(约为1.9)，舵叶剖面选用效率相对较高的HSVA翼型。

由于舵叶剖面的绝对宽度较小，导致舵系设计存在舵杆和舵销等构件尺寸受限、舵叶缺口处结构强度余量小、舵叶内部空间小、施工和维修困难等问题。对此，选用屈服强度较高的锻钢，以减小舵杆和舵销直径；同时，对缺口处构件剖面模数进行优化，设计一种舵叶缺口处与舵销承座一体式铸钢件，见图2。该设计能有效保证舵系的强度。此外，考虑舵系安装工序和安装空间，较好地解决了施工和维修的问题。

图2 舵叶缺口处与舵销承座一体式铸钢件

5 节能装置

针对该船线型设计的特点，将预旋鳍与上部导管结合使用，形成扇形导管。试验结果表明，该装置能使船舶在设计吃水状态下节能2%，在压载吃水状态下节能5%。此外，该船还应用毂帽鳍，以进一步提升节能效果。水池试验结果表明，在敞水状态下，毂帽鳍的节能效果能达到2.5%。

6 结 语

在已有的灵便型散货船的基础上，针对EEDI第3阶段和CSR的要求，以及带“Ice Class B”冰区加强、重压载取消货舱压载的设计要求，通过对总体型线、总布置、稳性、结构布置、结构形式、重量优化、主机选型、机桨配合和节能装置等多个指标进行优化，设计研发了一种新型38 800 载重吨节能环保型散货船。由于主机功率和油耗大幅下降，载重量和舱容大幅增加，该船能达到EEDI第3阶段的要求，具有良好的市场竞争力，相关设计可供类似船型的设计研发参考。该船型作为全球区域性航线的领先船型，具有出色的营运技术指标，深受船舶所有人的青睐，能获得较好的经济效益和社会效益。