蔡惠禮

(江蘇省鎮(zhèn)江船廠集團公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，長江和沿海的貨運迅速增長，各種類型的貨船被遍布在沿江和沿海的小型船廠內(nèi)建造，廣大船東希望擁用滿足裝運要求的節(jié)能船舶以獲得良好的營運經(jīng)濟性。

1 江海貨船的現(xiàn)狀分析

近20年來，從灘涂造船迅速發(fā)展起來的民營造船業(yè)早成為江海貨運的產(chǎn)業(yè)支撐，民營船廠經(jīng)營機制靈活，造船價格低廉，在一定程度上船東決定著所造船舶的性能，多數(shù)采用來料加工的方式建造，甚至由船東租用船廠的船臺造船?；谖覈貌牧稀⑴涮自O備產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，造船工藝的不斷更新，勞動力的規(guī)模和素質在造船實踐中鍛煉提升，船舶修造和營運管理規(guī)范、規(guī)則等不斷完善以及對船舶法定檢驗的加強，促使江海貨運事業(yè)不斷進步。作者對數(shù)百艘正在江海航線上營運的散貨船、集裝箱船和油船等8種類型的貨船作了統(tǒng)計，其主要量度和性能參數(shù)見表1。

大量的中小型貨船，其性能差異較大，但也反映出了一些規(guī)律性的現(xiàn)象:

(1)江船和江海直通的貨船一般都采用雙機雙槳的推進方式，集裝箱和干散貨都可裝載(以下簡稱“集散兩用”)以及船舶吃水受不同航區(qū)影響的貨船往往采用變吃水設計，江船船型較海船肥大，方形系數(shù)相差5%以上，特別是長江砂船常用特別肥大的線型，方形系數(shù)高達0.86以上。

海船均采用球鼻艏和球尾線型，江海航行的貨船基本上采用雙機雙槳和球鼻艏，尾部大多采用有拖泥板的尾框，以保證舵槳在航行中的安全。

(2)貨船主機均選用國產(chǎn)中、高速柴油機，主機功率BHP相對于船舶排水量△是較小的，其中尤以長江砂船為最小。BHP/Δ值一般在0.22 kW/t以內(nèi)，集裝箱船和甲板貨船的BHP/Δ值較高，干散貨、成品油船和化學品船其次，大宗散貨船最低。

(3)船舶的設計航速低，一般都是在9～12 kn左右，其中以集裝箱船最高，長江大宗散貨船最低，船的相對速度(傅汝德數(shù))Fn值一般都在0.2以下，屬于低速和超低速的范疇。實際營運中的各類貨船，特別是大宗型散貨船，往往人為地讓主機在(70～90)%的額定轉速范圍內(nèi)減速航行，從而造成實際的Fn數(shù)更低的航行狀態(tài)。

(4)許多船東希望同一艘船既要航行區(qū)域廣，又要可裝載貨物的種類多，還要造價低，當然都要求投產(chǎn)后營運成本小。這些要求有些是矛盾的，營運中的貨船不同程度地反映出了這種相互牽制的要求所造成的現(xiàn)狀。

隨著國家對水運和造船行業(yè)監(jiān)管的不斷完善，在綠色船舶的方向性指引下，對船舶規(guī)范、規(guī)則、公約和航運管理的日趨嚴格，江海航行的貨船正在不斷地體現(xiàn)著時代的進步。

2 船、機、槳的良好匹配是貨船經(jīng)濟營運的關鍵

螺旋槳把主機發(fā)出的功能轉變?yōu)榭朔昂叫凶枇λ枰耐屏?，江海航行的貨船在水域環(huán)境、載貨需求和營運周期等各種條件的影響下，如何充分發(fā)揮主機的能量，最大限度地提高推進效率，使船體、機組和螺旋槳處在一個高效的體系內(nèi)工作，這是營運經(jīng)濟性的重要課題。

造船行業(yè)把低轉速、大直徑螺旋槳作為船舶節(jié)能降耗的一個重要措施。長江全線和沿海航線上一定噸位的貨船會受到航道的影響，螺旋槳直徑和它的安裝要求受到航道和艉框尺寸的限制。實際上，對一定排水量的船體，選用相應的主機功率和臺數(shù)后，有一個最佳尾軸轉速和最佳螺旋槳直徑的匹配問題，衡量匹配方案的優(yōu)劣，就看推進效率是否達到最好的結果。

分析貨船的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)有相當數(shù)量的船舶其尾軸轉速過高，螺旋槳效率因此而受到壓制，而且發(fā)現(xiàn)有些船即使在選定的尾軸轉速下也未能使槳的直徑達到最佳值。探究其原因:有的是設計的尾框不能容納最佳直徑的螺旋槳，有的是螺旋槳安裝位置過高或船尾線型肥胖，當船舶空載時難以確保槳的葉梢完全沉浸在水下，這種現(xiàn)象在雙槳江船上較易出現(xiàn)。但也有即使尾框條件許可卻不恰當?shù)厥褂弥睆捷^小的螺旋槳。

經(jīng)調(diào)查，現(xiàn)有單機貨船的尾軸轉速一般都選擇在130～200 r/min的范圍內(nèi)，雙機貨船都選擇在200～350 r/min的范圍內(nèi)。所以單槳船的螺旋槳敞水效率 η0=48% ～54%，雙槳船的 η0=49% ～57%，這是影響推力的重要原因。江海貨船的螺旋槳轉速和敞水效率見表2。

長江和沿海航道對貨船的主尺度制約逐漸寬松，這為提高貨船的經(jīng)濟性提供了環(huán)境條件。船舶設計如能抓住船、機、槳的匹配這一關鍵，那么新建或改造貨船時，相當部分的貨船推進效率提高3%～5%左右、甚至更高都是有可能實現(xiàn)的，為此建議單機和雙機貨船的尾軸轉速分別降低到120 r/min和200 r/min以內(nèi)。如果航道條件允許船的尾框合理放大，則低轉速、大直徑的螺旋槳將會顯示其明顯的節(jié)能降耗效果。

表2 江海貨船的螺旋槳轉速和敞水效率

在同樣的船、機條件下，螺旋槳直徑的增大，使螺旋槳參數(shù)發(fā)生有利的變化，其中包含螺距比的下降和盤面比的減小，這也促使螺旋槳敞水效率提高。

船和槳處在同一個體系中運行，它們在運動中各自形成的速度場又相互影響，考慮江海貨船的阻力和推力，要顧及到船和槳在航行中應盡量降低它們之間的相互影響所帶來的能量消耗，即利用伴流、減小推力減額、改善槳的迎流和尾流。所以正確選用船體主尺度和船型系數(shù)，根據(jù)不同的傅汝德數(shù)借鑒優(yōu)良的船體線型，通過船模試驗、實船試航測定和營運實踐等，不斷改進和創(chuàng)新各類貨船船型，為船、機、槳的優(yōu)良匹配創(chuàng)立新的成果。

3 江海貨船的經(jīng)濟航速

船舶航行阻力理論告訴我們:總阻力主要由摩擦阻力RF、漩渦阻力RE和興波阻力RW組成，它們都與航速VS密切相關。本文討論的江海貨船其Fn≤0.2，屬于低速船的范疇，在總阻力中摩擦阻力RF占65% ～80%，并與成正比，RF與船體濕表面積和船殼表面的光滑程度相關;漩渦阻力RE占總阻力的15% ～25%，并與成正比，RE與船體線型、特別是船體后部的形狀相關;興波阻力RW一般只占總阻力的10%以下，它與成比例，RW與船體的豐滿度和形狀相關，特別是首部船型的影響大。

根據(jù)船舶推進理論:船速的降低和螺旋槳轉速的升高都會使螺旋槳的功率系數(shù)BP值升高，如果螺旋槳直徑又受到限制，則槳的敞水效率將更低。采用肥大型船體，如果尾線型不佳，則將影響螺旋槳工作的流場而使推力降低，這正是貨船總體設計時需要關注的重點。

當螺旋槳發(fā)出的有效推馬力PTE等于克服船舶阻力所需主機功率的有效利用部分——有效馬力PE時，這個平衡點就是維持船舶等速航行的航速VS，如圖1所示。

貨船在航線上營運，需要有一個恰當?shù)暮剿?，過高則能耗大、不經(jīng)濟，過低則不能滿足貨運的要求，也不一定是經(jīng)濟的，那么什么樣的速度才是經(jīng)濟航速呢?這是投資造船和貨船營運中的重要課題，應該防止一些認識上的偏差而導致投資效益不佳和營運成本上升。從分析的幾個常見現(xiàn)象，可看出影響貨船航速和營運經(jīng)濟性因素。

(1)為了降低新船造價，采用較小的船體尺度獲取盡量大的載貨量，從而使船型肥而短，螺旋槳在一個不是良好的流場中運轉，造成船行阻力大，航速很低。有的還將肥胖船型的長江砂船改造為江海通用的多用途貨船，盡管貨船的裝機功率增加了，但實際營運效果卻并不理想。

長江砂船是肥胖的超低速船型，它是順水載運大宗散貨(砂、煤等)，返程因是空載逆水航行，故航行阻力大為減少，常利用潮汐或近岸回流等作低速返航。這只是一種在特定條件下的低投資貨運，一旦失去了這種條件，若仍要套用這種低造價船型，那必然達不到經(jīng)濟營運的目的。

(2)在條件較差的船廠實施低價造船，往往會忽視船體線型的光順，船殼明顯變形、焊縫粗糙、不規(guī)則，忽視打磨和涂裝工藝，因而投產(chǎn)使用后航速不佳并迅速形成污底而增加附加阻力。有的新船在施工中隨意改變設計圖，有的無原則地遷就一些不合理的需求，從而造成摩擦和漩渦阻力上升，或使螺旋槳的工作流場變差。其后果是降低航速而影響營運經(jīng)濟性，甚至涉及到船舶使用的可靠性。

(3)大幅度降低主機的轉速(≤80%的主機額定轉速)運行，并以此作為“節(jié)油”的措施。這種人為降速營運是否就是采用了經(jīng)濟航速呢?

主機采用標定轉速和略低于標定轉速作持續(xù)運行是充分發(fā)揮船舶裝機功率的表現(xiàn)，所有船用柴油機的負荷特性曲線指明:在主機轉速下降的同時，主機功率同步直線下降，而燃油消耗率卻在低于額定轉速的90%后將明顯上升，所以用降低主機轉速使貨船減速航行與貨船用經(jīng)濟航速營運是不同的概念。

貨船的航速對不同的航線和不同的貨運要求是有區(qū)別的。在確定的航線上，有定點的裝卸港口，根據(jù)所需運輸?shù)呢浳?，提供適應的貨船來承運，可以選擇2種或多種貨船方案，進行綜合性技術經(jīng)濟論證，從中選出貨運成本低、內(nèi)部收益率高和投資回收期短的優(yōu)選方案，并以此作為投資建造新船的依據(jù)。那么優(yōu)選方案中的貨船營運航速就是經(jīng)濟航速，應以此航速作為投資新貨船的設計依據(jù)。

對貨船航速應考慮主機有一點儲備功率，以克服航行過程中遭遇突加阻力或非常狀態(tài)下確保運輸周期的需要，但不應過多地保留，否則是對船舶資源的浪費。

4 螺旋槳對貨船營運經(jīng)濟性的影響

船、機、槳的不當匹配是江海貨船中需要改進的重點問題，有些新船在船東已定機組后尋找所需載貨量的設計圖，往往把船舶設計費和螺旋槳制造費的低廉作為選配的依據(jù)。有的設計遷就船東提供的主機和離合器速比，造成貨船螺旋槳的直徑并不是最佳狀態(tài)，不僅螺距比較大，而且盤面比也很隨意地過大選取，其后果是推進效率降低，螺旋槳的重量卻不低。

貨船的螺旋槳設計應將它的直徑、螺距和盤面比這3個要素作為密切關聯(lián)和相互制約的重要要素來對待。常出現(xiàn)的主機負荷“過重”、“嫌輕”或排氣溫度“過高”等各種表象，往往是螺旋槳首先被質疑。因要解決主機轉速被壓制的“過重”或排氣溫度“過高”而采取切割葉梢的辦法卻不一定能奏效，甚至出現(xiàn)了“排溫未降、航速變小”的后果。實際上產(chǎn)生主機負荷過重的原因除螺旋槳的因素外，也很有可能與主機、增壓器和排氣系統(tǒng)等存在的問題相關，故必須找準病因才能根除。螺旋槳設計出現(xiàn)“過重”現(xiàn)象一般是忽視了主機在實際環(huán)境中的出功能力或低估了船舶航行阻力的實際狀態(tài)。

螺旋槳理論指出，槳葉盤面比的選定應在不發(fā)生空泡的條件下取最小值。江海航行的各類貨船，裝機功率較小，如能充分利用航道水深，設計出適當大的槳徑，可較容易避免空泡而采用較小的盤面比，從而使槳的敞水效率提高。

槳葉的外形是影響螺旋槳效率的，本文推薦使用一種有別于Troost B型槳的經(jīng)驗葉形，已被許多江海貨船的航行實踐所肯定。它與B形槳的區(qū)別是:槳葉伸張輪廓在葉根區(qū)收窄，隨邊在下半部呈內(nèi)凹，葉面積在葉片的上半部擴大，縱斜加大，如圖2所示。相對于船體，貨船的主機功率較低，容易使槳葉強度滿足規(guī)范的相應要求，而葉根部葉寬縮小、可使葉柵作用的不利影響減小。葉梢區(qū)面積的擴大對避免空泡有利，而縱斜可以減小因旋轉產(chǎn)生的振動外力。這種葉形可使推力在葉面上的分布比較平均，尾流中能量損耗相對較小。

圖2 槳葉伸張輪廓比較

江海貨船螺旋槳的葉數(shù)應采用4葉，只有極少數(shù)尾軸轉速高，槳的直徑不受限制的雙槳船上采用3葉，但應與4葉槳的敞水效率作出比較后采用。至于有些江海貨船采用5葉槳，其推進效率是比不上4葉槳的。5葉槳甚至6葉槳應在大功率的大型貨船上使用，它們轉速低，槳的最佳直徑可隨葉數(shù)的增高而相應減小，所以5葉及5葉以上的槳在一些大功率艦船上使用。

貨船螺旋槳的鑄造和加工質量已越來越受到關注，那種不控制鑄件化學成分和機械性能，加工粗糙而造成葉片間重量不平衡，螺距超差等現(xiàn)象，其后果是推進效率低和船體振動。

5 多用途、變吃水貨船的營運經(jīng)濟性

船東希望江海航行的貨船既能適應不同貨物的裝載，又能擴大航行的水域，以靈活地應對貨運市場，多用途貨船(特別是集散兩用船)和變吃水貨船就是這種需求的體現(xiàn)。集裝箱貨船還需要裝載不同尺度和不同貨種的集裝箱，包括冷藏集裝箱、危險品集裝箱等，長江貨船希望能在長江全線通航，或能江海直通、甚至可在近海航行，這些愿望是可以理解的，也是可以實現(xiàn)的，但這樣的“萬能船”必然是造價高，營運經(jīng)濟性較差。因為在不同的使用狀態(tài)下有些功能受影響，有的功能被閑置，所以船舶設計只能滿足主要的營運目標，可兼顧次要的營運面。為此船東在投資決策新船和改造舊船前應該有科學的預見和論證，正確把握運輸市場的現(xiàn)狀和發(fā)展，使自己的貨船滿足主要的市場并兼顧必要的營運，從而將貨船的功能發(fā)揮出優(yōu)良的經(jīng)濟性。

當前江海直達、集散兩用的變吃水貨船在航行實踐中已經(jīng)積累了許多知識，例如集散兩用貨船一般應以裝運集裝箱為主來設計，裝干散貨是備用。對裝載的集裝箱種類應按需要而分區(qū)布置，如裝載危險品的集裝箱，其中包含裝載煙花爆竹的集裝箱等，必須在船上采取隔離、降溫、消防、防爆等安全設施后才能安全營運。

航行于三峽大壩以上的各類貨船，已制定有標準船型的主尺度和航速及主機功率等要素值。若要求貨船能在長江全線通航則應以某級航區(qū)作為船舶設計的主要航區(qū)來對待，所以一般的江海直通的貨船應不考慮能兼顧在三峽以上通航。

以集裝箱為主的貨船在裝載散貨時，吃水和排水量往往會加大，在長江不同航區(qū)航行的散貨船，由于載貨量不同也使船舶吃水和排水量發(fā)生變化。為防止出現(xiàn)螺旋槳的負荷變化而帶給主機的影響，在設計時應以主要載荷狀態(tài)為主，兼顧次要的營運狀況，不可使主機在超負荷下持續(xù)運轉。當然，在航行中利用水流、潮汐等自然能來達到節(jié)能減排的目的是應予鼓勵的。

提高江海貨船的營運經(jīng)濟性已成為船東和相關專業(yè)人員的重要課題。長期以來貨船的設計、建造和使用實踐所積累的知識是研究和發(fā)展的基礎，我國對運輸船舶的各種規(guī)范、標準和公約正日趨嚴格和完善，采用先進的技術、工藝，大力推進節(jié)能降耗，提高船舶和配套設備的性能，減小或消除對環(huán)境的污染，對營運者(船舶的建造和使用人)的保護等有效措施促使江海貨船的使用功能逐漸提升和營運經(jīng)濟性不斷提高。在科學發(fā)展觀的指引下，為提高貨船營運的經(jīng)濟性，應不斷探索江海水運的新方式和改革水運管理體制，合作研制適應江海航道，滿足水運市場需要的節(jié)能、環(huán)保和營運經(jīng)濟性優(yōu)良的新船型。