次洪恩

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

0 引 言

對(duì)散貨船進(jìn)行分類時(shí)，廣義上通常將12萬～20萬DWT的散貨船稱為好望角型散貨船（Capesize Bulk Carrier），將超過20萬DWT的散貨船定義為超大型散貨船 VLBC（Very Large Bulk Carrier）。由于超大型散貨船以前多用于運(yùn)輸?shù)V砂，因此一般稱為超大型礦砂船（VLOC）［1］。

2003年，日本Universal船廠交付了一艘20萬噸級(jí)的散貨船。與專用礦砂船不同，該船形式上更接近好望角型散貨船，而且，其最初主要用于從澳大利亞紐卡斯?fàn)柛圻\(yùn)輸煤炭到日本，因此被稱為“紐卡斯?fàn)栕畲笮痛∟ewcastlemax）”或“瀨戶內(nèi)海最大型船（Setouchmax）”。該型船載重量范圍為20.3萬～20.8萬DWT、總長小于300 m、型寬50 m、設(shè)計(jì)吃水約 16.10 m、結(jié)構(gòu)吃水約 18.30 m［1-3］。

1 開發(fā)概況

該船為單螺旋槳、低速柴油機(jī)推進(jìn)的遠(yuǎn)洋航區(qū)單舷側(cè)散貨船，適用于裝載礦石、煤、谷物、鋁礬土等散貨。該船為具有艏樓、垂直型艏柱、單層連續(xù)甲板、方艉的船型，所有居住艙室包括駕駛橋樓及推進(jìn)裝置設(shè)置在船艉。

1.1 主尺度

該船總長LOA≤300 m、型寬B=50 m，這是澳大利亞紐卡斯?fàn)柛蹖?duì)船舶主尺度的要求；設(shè)計(jì)吃水為16.10 m，符合進(jìn)入日本瀨戶內(nèi)海的限制要求［2］。

1.2 船級(jí)符號(hào)

該船入英國船級(jí)社（LR），船級(jí)符號(hào)為：

LR+100A1 Bulk Carrier，CSR，BC-A，Holds Nos.2，4，6 and 8 may be empty，Grab［25］，ESP，ShipRight（CM，ACS （B）），LI，*IWS，with the descriptive notes‘ShipRight （BWMP （S），SCM），Part Higher Tensile Steel’，+LMC，UMS

1.3 主要特點(diǎn)

1.3.1 艙 容

超大型散貨船一般運(yùn)輸?shù)V砂等重貨，對(duì)艙容的要求不高，但對(duì)該船型而言，煤炭同樣為主要貨品。由于煤炭的積載因數(shù)較大，艙容成為煤炭運(yùn)輸時(shí)限制載重量的一個(gè)主要因素。為增大艙容，通過專業(yè)協(xié)調(diào)，合理調(diào)整雙層底高度和貨艙艏艉段折角位置，最終貨艙艙容達(dá)到要求。

表1 主機(jī)選型比較表

1.3.2 載重量

該船的載重量達(dá)20.6萬DWT，而對(duì)應(yīng)的吃水為18.30 m，此吃水適應(yīng)較多的港口條件。過大的吃水將會(huì)受到港口條件限制，無法滿載航行，因此對(duì)該船型而言，并不能簡單通過增加吃水來增加其有效載重量。

1.3.3 經(jīng)濟(jì)性

由于燃油價(jià)格的上漲，使得船東對(duì)燃油成本更加關(guān)注。對(duì)集裝箱船等中高速船而言，可以通過適當(dāng)降低船速以減少燃油消耗；但對(duì)散貨船而言，再降低航速將失去競爭力。

該船前期選擇6種不同主機(jī)方案進(jìn)行比較，見表1。 在目標(biāo)功率范圍內(nèi)，MAN B&W和W?rtsil?均有合適機(jī)型。然而W?rtsil?機(jī)型轉(zhuǎn)速較高，功率也略高，非電噴機(jī)及標(biāo)準(zhǔn)增壓器的電噴機(jī)綜合油耗沒有優(yōu)勢(shì)。使用特種增壓器的機(jī)型雖然綜合油耗最低，但其購置成本以及維護(hù)成本高，也非最優(yōu)方案。比較MAN B&W三種方案后發(fā)現(xiàn)，Mark 8機(jī)型可滿足NOX排放TireⅡ的要求，而且通過降功率使用，綜合油耗更低。此外，考慮到成本，沒有選擇電噴機(jī)，而最終選擇MAN B&W 6S70MC-C8。

1.3.4 操縱性

該船為肥大船型，操縱性問題應(yīng)予以足夠重視［4］，設(shè)計(jì)中可通過適當(dāng)增加舵面積來提高操縱性。該船的舵面積比接近1.7%，能確保良好的操縱性。

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方案

作為常規(guī)散貨船，僅就設(shè)計(jì)而言，并沒有太多技術(shù)難點(diǎn)，因此最重要的就是技術(shù)指標(biāo)。該船有兩處技術(shù)難點(diǎn)：第一個(gè)是快速性指標(biāo)，該船需要兼顧設(shè)計(jì)吃水和結(jié)構(gòu)吃水的航速；第二個(gè)是控制空船重量。下文將對(duì)這兩點(diǎn)分別論述。

2.1 快速性

該船為肥大型船，為達(dá)到快速性指標(biāo)要求，對(duì)線型提出了較高的要求。該船未按常規(guī)設(shè)置球艏，而是選用直立艏柱。這樣可以加長水線長度，合理優(yōu)化半進(jìn)流角，降低前肩興波。同時(shí)艏部沒有外飄，能夠減小出入水時(shí)對(duì)船體外板的砰擊。在壓載航行時(shí)，沒有球艏出入水，可以在一定程度上減小阻力。直立艏柱在不同吃水條件下阻力變化不大，在不同的裝載工況下都有較好的阻力性能。而船模試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該船具有非常優(yōu)越的阻力性能。

在設(shè)計(jì)初期，運(yùn)用從荷蘭水池MARIN引進(jìn)的CFD計(jì)算軟件GMS和RAPID進(jìn)行線型設(shè)計(jì)和優(yōu)化，得到一個(gè)阻力性能比較優(yōu)越的初步線型；隨后又請(qǐng)MARIN對(duì)線型進(jìn)行了兩輪優(yōu)化（鑒于該船阻力性能優(yōu)越，因此MARIN重點(diǎn)對(duì)尾部線型進(jìn)行優(yōu)化）。在優(yōu)化時(shí)將結(jié)構(gòu)吃水的航速與設(shè)計(jì)吃水的航速置于同等重要的位置，最終設(shè)計(jì)槳的預(yù)報(bào)航速達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.2 空船質(zhì)量

為達(dá)到設(shè)計(jì)的載重量，需要對(duì)空船質(zhì)量進(jìn)行有效的控制。該船的結(jié)構(gòu)質(zhì)量占空船質(zhì)量的80%以上，因此控制結(jié)構(gòu)質(zhì)量成為控制空船質(zhì)量的主要內(nèi)容。為此主要采取以下措施：

（1）對(duì)貨艙段進(jìn)行分艙優(yōu)化，降低設(shè)計(jì)彎矩，同時(shí)兼顧工藝要求，盡量簡化工藝；

（2）強(qiáng)化精細(xì)分析，在滿足強(qiáng)度和疲勞的前提下，減輕結(jié)構(gòu)鋼料質(zhì)量；

（3）采用NAPA STEEL軟件進(jìn)行三維建模，準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)質(zhì)量及高強(qiáng)度鋼比例。

對(duì)總體專業(yè)而言，主要是控制合理的分艙，降低設(shè)計(jì)彎矩，從源頭控制結(jié)構(gòu)質(zhì)量。對(duì)貨艙區(qū)進(jìn)行分艙優(yōu)化，首先需要確定貨艙區(qū)的前后端位置。由于貨艙后端與機(jī)艙相連，因此主機(jī)確定以后，機(jī)艙前端壁位置基本可以固定。該船的機(jī)艙長度與好望角型船基本相同，并且預(yù)留了壓載水處理裝置的空間。而前端的位置受較多因素控制，包括艏樓位置、錨鏈艙以及系泊布置等。一般而言，貨艙段越長對(duì)彎矩控制越有利，但前端受上述因素影響不可能無限制前移，而且艏部線型較窄，對(duì)艙容的貢獻(xiàn)較小。

確定貨艙區(qū)前后端壁以后，隨即可對(duì)分艙進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)CSR規(guī)范要求［5］，需要考慮完整工況和貨艙進(jìn)水工況下的船體強(qiáng)度。雖然進(jìn)水工況下的波浪彎矩是完整工況下波浪彎矩的80%，但是對(duì)該船而言，進(jìn)水工況的彎矩遠(yuǎn)大于完整工況，實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制基本都是進(jìn)水工況。中拱最大值一般出現(xiàn)在壓載出港第9艙進(jìn)水或隔艙裝載工況第1艙或第2艙進(jìn)水；中垂最大值一般出現(xiàn)在均勻裝載工況第5或第6艙進(jìn)水，而且進(jìn)水工況的中垂彎矩遠(yuǎn)大于中拱彎矩，因此中垂成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制因素。

在進(jìn)行分艙調(diào)整時(shí)，不僅需要考慮如何降低彎矩，同時(shí)還需考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)框的位置、施工工藝等問題。影響進(jìn)水工況彎矩的主要因素包括艙容、分艙位置等。

常規(guī)散貨船分艙一般中間艙段貨艙長度相同，僅首尾貨艙稍長或稍短，此類設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是中間貨艙段艙容相同，施工建造工藝方便。但中間貨艙進(jìn)水工況下的中垂彎矩較大。對(duì)該船而言，若按此設(shè)計(jì)，則第5艙、第6艙進(jìn)水時(shí)的中垂彎矩成為結(jié)構(gòu)的限制彎矩。結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加較多，并不是優(yōu)化選擇。

該船的中垂彎矩包絡(luò)線對(duì)應(yīng)的初始工況為均質(zhì)載荷。通過對(duì)中垂彎矩包絡(luò)線的分析發(fā)現(xiàn)，若包絡(luò)線在最大值附近近似為水平（見圖1），則可證明，當(dāng)中間幾個(gè)艙進(jìn)水后，產(chǎn)生的最大中垂值基本一致，并不會(huì)因某一個(gè)艙的進(jìn)水中垂而限制整船的進(jìn)水彎矩。由此，說明該分艙充分利用了結(jié)構(gòu)構(gòu)件，對(duì)空船質(zhì)量控制較有利；相反，如果中垂包絡(luò)線的最大值出現(xiàn)在某一較小范圍內(nèi)，則證明不同的貨艙進(jìn)水產(chǎn)生的彎矩差異較大。如果該彎矩成為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)彎矩，說明該分艙并未充分利用結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

圖1 不同分艙方案彎矩值比較

經(jīng)過多方案比較，最終選擇了分艙方案3，該方案同時(shí)兼顧施工工藝和降低彎矩的要求，且最大限度加大貨艙容積。雖然中拱最大值和剪力最大值有一定增加，但減小了中垂的最大值，對(duì)控制結(jié)構(gòu)質(zhì)量起到了積極的作用。圖2為三種不同分艙方案的剪力值比較。

圖2 不同分艙方案剪力值比較

3 結(jié) 論

由于該船型的載重量比普通好望角型散貨船高10%～15%，因此，單位質(zhì)量貨物運(yùn)輸成本比好望角型更低，該船型也因此而受到較多船東的青睞。截至2010年4月，共有8個(gè)國家和地區(qū)的船東訂購該型船約35艘［1］。該船型由于具有較大的貨艙艙容、較低的燃油消耗、較高的航速、以及能夠適應(yīng)更多港口的吃水，因此在澳大利亞-中國航線以及澳大利亞-日本航線具有更大的競爭優(yōu)勢(shì)。

［1］IHS.The swift rise of Newcastlemax［J］.IHS Fairplay，22 April 2010：10

［2］MAN Diesel&Turbo.Propulsion Trends in Bulk Carriers［EB/OL］.MAN B&W Diesel Group Copenhagen，Denmark，2006［2012-08-23］.http：//www.mandieselturbo.com/Papers/Propulsion_trends_in_bulk_carriers.

［3］PWCS.KOORAGANG COAL TERMINAL［EB/OL］.［2012-08-23］http：//www.pwcs.com.au/pages/terminals/kooragang.php.

［4］中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)：總體分冊(cè)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1998：515.

［5］BV.Common Structural Rules for Bulk Carriers［M］.International Association of Classification Societies Ltd.July 2010.