400客位游船总体设计及综合性能分析

梁家健,程海刚,苏元凯,孟昌,倪长青

(1.中国船舶科学研究中心上海分部,上海 200011;2.无锡东方船研高性能船艇工程有限公司,江苏 无锡 214082;3.三沙市船务管理局,海南 三沙 572500)

黄浦江水上旅游作为上海独具特色的旅游名片,近年来浦江游览呈现欣欣向荣的发展势头。黄浦江现有游船中大部分由普通客船或客滚船改装而来,且船龄大多超过10年。老旧船型在总体布置、装饰装修等方面已难以满足新时期多元化、差异化经营需求,同时设备设施老化严重,噪音振动等舒适性指标持续恶化。无论从市场还是城市旅游形象提升方面,豪华游船的需求均与日俱增。

近年来,国内外大量学者针对散货船,油船以及客货船的设计为游船的设计提供了大量设计思路方法以及设计要点,推动游船的设计[1-5]。本文一艘近期开发的五星级黄浦江游览船总体设计进行简述,并对综合性能进行分析。重点介绍该船的主船体以及上层建筑线型设计、总布置、结构形式在内的总体方案,设计要点及特点;对线型方案开展基于CFD的快速性评估、基于舱室划分的完整稳性以及破舱稳性校核,对破舱条件下的结构安全性进行分析,为实船的建造提供依据。

1 设计概述

1.1 设计准则

区别于普通客船以及货船,江上游轮在设计过程中除了需要考虑游客的最基本生活保障外,还需要综合考虑游客的舒适、娱乐、休闲,以及购物等需求。本船主要服务于黄浦江沿途航线,属于内河游览船,按照A级航区,四类客船的要求并根据黄浦江通航条件量身设计,满足昼夜安全航行要求。本船设计过程中除需满足《内河船舶法定检验技术规则》[6]和《钢质内河船舶建造规范》[7]要求之外,还需满足《黄浦江游览船及码头营运设施与服务质量要求》[8]中关于浦江游览船五星评定的要求。

1.2 主尺度

主尺度的选择与确定是一个需考虑多方因素并且平衡多方矛盾的综合过程。在游船的设计中,需要考虑行驶航区的气象、水文、航道和码头等限制条件,还需综合考虑选取的设备尺寸、装载乘客船员的人数以及地方性规定等。内河游船往往因上层建筑较大导致重心偏高、受风面积较大,宽度吃水比要求较一般货运船更大。本船设计载客为400人,船东对多元化、差异化经营的需求对布局和尺度有重大影响,在参考黄浦江现有游船中载客人数相近游船(“君子兰”号、“水晶公主”号等)的主尺度的同时,对本船的尺度和布局进行优化调整,形成主尺度初步设计意向,表1。

表1 本船初步设计参数 m

1.3 性能指标

本船最佳观光航速为8～9 kn,此工况下仅用2台发电机组为电动机提供电力并驱动舵桨工作,振动噪声情况优良。电动机、主机同时起动时最大航速不低于12 kn,在设计装载状态下,以12 kn航速持续在静水中航行的最大续航力达到～1 400 km。各种装载状态的稳性需满足中国海事局《内河船舶法定检验技术规则》及其修改通报对A级航区客船的要求。抗沉性需满足一舱不沉要求。环保指标方面,柴油主机、发电机组排放需满足国际海事组织EEDI碳排放要求。

2 方案设计

2.1 线型

主船体线型设计方面,考虑到本船推进器采用全回转舵桨,首先选取一艘尺度相近的常规单体船型,利用母型变换得到目标船型,对线型进行优化设计,采用CFD技术对优化后的线型进行评估,分析计算得到的阻力以及自由面兴波。结合分析结果,在满足总布置的前提下对主尺度进行微调,在新方案的基础上再次进行优化迭代,得到满足性能要求的线型。

2.2 总布置

针对400客位游船设计任务书的要求,综合考虑布局合理性、结构可靠性、工艺可行性、使用方便性和整体观赏性,充分汲取大型游船外观造型灵感及现代视觉观感,400客位游船总体布置见图1。本船主甲板以上分为4层,各层结构高度分别为3.35 m、3.30 m、3.10 m和3.05 m。主甲板设有包间、大堂、休闲客舱、厨房、卫生间和尾部露天观光甲板等,在甲板尾部左右舷设置机舱和发电机舱入口间,在不影响乘客通行外走道的前提下,方便工作人员出入设备舱室进行作业;二层甲板为驾驶甲板,首部设置露天观光/锚泊处所,之后为驾驶室,在减小驾驶盲区的同时提供了可观赏的区域范围,驾驶室后为整体式宴会大厅,大厅尾部设有配餐间和服务吧台;三层甲板为贵宾接待层,设有商务会客厅和茶水间;顶甲板为露天观光休闲甲板,顶部配有遮阳棚,游客在此可获得最佳游览体验。

图1 400客位游船总体布置

主船体轮廓造型以从前向后的一体化线型为设计基础,整体采用前倾式设计,上层建筑从侧视图上呈金字塔造型,甲板长度由下向上逐层递减,兼顾美学设计的同时有利于降低全船重心。上层建筑在船首部分与主船体型线采用流畅的一体式曲线进行无缝结合,与船体型线形成呼应,保证船体视觉的协调性与观赏性。表2所示为各甲板人数以及室内外面积。每层甲板布局充分考虑功能需求,同时兼顾舱室内公共空间面积以及户外观光甲板面积的最优化。

表2 各甲板人数及室内外面积

2.3 船体结构形式

本船主要结构型形式设计见图2。全船采用钢质焊接结构,板材、型材均采用CCSA船用钢材。主船体采用纵横骨架式结构形式,共设计6道水密横舱壁,结构件中的龙骨、实肋板、纵骨以及强横梁、纵桁等大量采用T型组合型材;上层建筑方面,为保证客舱的部分的简约与实用,在保证结构强度的前提下采用大跨距无支柱设计;外板成型方面采用加密板格、适当加厚外板等方式减少焊接变形,保证外观平整光顺。

图2 400客位游船结构示意

减震降噪方面,对主机基座处船底板、全回转舵桨围井处船底板等进行局部加强,机舱前壁面、基座面板及腹板均采用加厚板,减小振动噪音。

3 性能指标的论证

3.1 线型优化及快速性指标论证

内河游览船航速及弗劳德数一般较小,若采用球鼻艏等降低兴波阻力的船艏结构会使得结构复杂化同时收效甚微。本船采用前倾式船艏结构,与水平面呈一定角度。这种形式可有效防止甲板上浪,且降低水线以下船身碰撞的风险。对初始线型方案进行优化,经多轮优化后得到最终线型方案,初始线型方案与最终线型方案对比见图3。

图3 初始线型与最终线型对比

相对于初始方案而言,优化方案在船艏处改U形为V形,船艏排水量减小,在船中处,通过加大平底线的半宽以及舭部半径,平衡了船艏处减小的排水量,同时也有利于船舶的稳性。在船艉处,水线以下靠近船中处的半宽减小,艉封板半宽减小。

自由液面兴波对比以及船艏压力分布见图4、5。

图4 自由液面兴波对比

图5 艏部表面压力分布

从初始线型与优化线型自由液面兴波对比,可以看出初始线型在船首处有上浪现象,线型优化后,上浪现象基本消除,最终线型舷侧产生的自由液面兴波较初始线型更加平缓。对优化方案选取多个航速进行计算流体力学计算,结合本船主机功率信息,对本船进行航速预估。不同航速下对应的收到功率值见图6,由预估结果可知,在主机最大输出功率条件下,最大航速不低于12 kn。

图6 航速预估结果

3.2 舱室划分和稳性校核

根据确定的主船体型线以及总布置图,在稳性计算软件中对本船进行整船建模以及舱室的划分。之后输入进水点、有效装载等数据,对该船进行静水力计算,并对本船在满载出港、满载到港、空载出港、空载到港4种工况下的完整稳性和破损稳性进行校核计算,各工况舱室破损组合见表3。

表3 稳性计算工况

完整稳性的计算结果见图7。由图7可知,相对于满载而言,空载船舶形状稳性力臂和复原力臂极值更大,稳性更好。到港时最大复原力臂也较出港时更大。这主要是由于装载较少时,重心更低。本船设计航区为内河A级航区,根据《法规》规定:初稳性高度应不小于0.2 m,最大复原力臂所对应的横倾角θm应不小于15°,此外,最大复原力臂所对应的横倾角θm,进水角θj与对应的动稳性力臂ld值方面,有如下规定。

图7 完整稳性计算结果

当min{θm,θj}≥20°时,ld(min{θm,θj,30°})≥A=0.052Cl

当min{θm,θj}<20°时,ld(min{θm,θj})≥A=0.052Cl+0.001 5(20-θ)

式中:θ=min{θm,θj},Cl=0.7+0.15L(Cl>1时取Cl=1)。

各工况下,完整稳性中计算结果见表4。从结果来看,各工况下min{θm,θj}<20°,动稳性力臂ld均不小于A的计算值,均满足完整稳性要求。

表4 完整稳性计算结果

满载出港条件下破舱前后稳性对比见图8。本船需满足一舱不沉抗沉性要求,破舱稳性计算状态为满载出港、满载到港、空载出港、空载到港4种装载工况,其中每种装载状态下有6种一舱破损组合。根据《法规》要求,客船的破损水线应在舱壁甲板边线的下缘;破损后客船不对称浸水产生的横倾角不超过10°;初稳性高度不小于0.1 m;剩余复原力臂曲线在平衡角以外至进水角或消失角(取小者)至少有10°的正值范围(或减小至5°范围),此范围内曲线下的面积应不小于0.01 m·rad。

图8 满载出港条件下破舱前后稳性对比

图9 破损各工况下的最终横倾角θ0和初稳性高

在SOLAS公约2020修正案中,国际海事组织修改了分舱指数R的计算方法,对客船的破舱稳性提出了更高的要求,由修正案中新规定的分舱指数,本船的分舱指数R应不小于如下计算值

R=N/7 580+0.669 23,400≤N≤1 350

(1)

本船取N=400,由式(1)计得R=0.722。破舱稳性计算表明,本船分舱指数A=0.792 1,满足要求。

3.3 结构安全性初步分析

船舶破舱进水后,稳性和结构强度会变化。船舶破损后,舱室进水会引起局部载荷的集中从而改变剪力及弯矩沿船长的分布,对船舶的结构安全性会产生较大安全隐患。通过对进水前后的船体总纵弯曲强度分析,判断进水后产生最大剪切应力绝对值及弯矩的部位是否能够满足许用应力的要求,以对船舶进水后的结构安全性进行初步判断。

图10以艉尖舱及机舱和固定压载舱破损状况为例,满载出港条件下典型舱室破损前后结构应力对比见图10。观察满载出港条件下剪力及弯矩随着船长方向上的分布,可看出在进水后最大剪切力及弯矩都有了一定程度的增加。由于艉尖舱和机舱距离船中较远,在破损进水时,剪力及弯矩的增量较大。在结构设计的过程中,对于总纵弯矩变化较大位置,一方面需要在局部进行骨架形式的优化设计,另一方面也需尽可能通过装载的配比及压载水的调整以减小局部的应力,从而满足规范的要求。此外,对于客船,需结合其所在航区的水文特性,对恶劣状况下的结构安全性进行有限元计算,分析风浪流作用下的全船应力及开口,孔腔等应力集中的点处的应力及结构连接处的疲劳强度,综合地对全船及局部结构进行优化设计。

图10 满载出港条件下典型舱室破损前后结构应力曲线对比

3.4 内河能效指数EEDI计算分析

内河船舶能效设计指数(EEDI)是衡量船舶CO2排放的指标,与船舶的主机功率、装载量以及航速直接相关。在优化设计过程中,围绕船舶能否达到EEDI的规定,结合本船的主机选型对本船的线型进行了优化,并对主机配置以及装载量进行优化。

由本船航速预估结果,在75%主机功率下的航速Vref=11.70 kn,根据EEDI规定,本船Capacity为1 063 t。本船EEDI基线以及EEDI计算值对比见图11。由计算可知,本船Attained EEDI为35.76,内河绿色船舶要求的客船EEDI能效设计指数基线值Required EEDI RLV为38.82,满足EEDI基线的要求。

图11 内河客船基线图及本船Attained EEDI值

4 结论

1)在外观设计方面,采用极简主义设计手法,用简练的线条营造出端庄大气的外观效果,上层建筑内部设计方面在保证结构安全性的同时,采用大跨度的无支柱设计可以减少结构件,增加空间层次感与整体舒适度。

2)在线型设计方面,将船艏改为深V形虽可以在一定程度减小船体的阻力从而达到航速要求,但排水体积会有一定程度的减小,此时可将减小体积增至对阻力性能影响不显著的船中处,在平衡体积减小的同时保证船体快速性能。

3)客船上层建筑相对主船体较散货船、集装箱船等船舶更大,且客船搭载乘客,稳性衡准较货船更高。在破舱稳性校核时,需注意选取包含所有危险的破损组合工况进行校核。此外,在总纵弯矩变化较大的区域,可综合采用局部结构优化和调整压载配比等手段,保证全船的结构安全性。