彭必業(yè)

(中船重工(武漢)船舶與海洋工程裝備設計有限公司，武漢 430064)

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“華虎”號多功能工作船型線設計

彭必業(yè)

(中船重工(武漢)船舶與海洋工程裝備設計有限公司，武漢 430064)

“華虎”號是一艘為深水海域油氣資源勘探開采工程裝備提供多種配套作業(yè)服務的多用途海洋工程輔助船，介紹該船開發(fā)設計中型線設計關鍵技術，從該類船舶主要尺度、船舶布置特征角度出發(fā)，闡述其型線設計要點。

多功能工作船；型線設計

“華虎”號海上多功能工作船總裝機功率達16 000 kW，是目前我國全自主設計建造的最大功率的海洋平臺工作船，見圖1?？蔀楹Ｑ笫豌@進平臺提供遠洋拖航、深水操錨、貨物供應、守護等服務，兼有對外消防、深海起吊、ROV水下遙控機器人和飽和潛水支持等功能，航行于無限航區(qū)[1-5]。其主尺度見表1。結合“華虎”號的自由航速較高、低速拖力較大、船舶布置緊湊等特點，介紹在概念設計階段之型線設計中所考慮的重點問題。

圖1　“華虎”號外觀

參數數值參數數值總長/m89.20總噸位6172垂線間長/m79.20凈噸位1851型寬/m22.00航區(qū)無限航區(qū)主甲板型深/m9.00入級CCS

1　主尺度

型線設計的優(yōu)劣直接關系到船舶的浮性、穩(wěn)性、快速性和耐波性，其中浮性決定了船舶裝載量即經濟性。所以，型線設計非常重要。

在“華虎”號船型參數選取上，參考借鑒國內現有技術基礎，即武船承建的兩型高附加值工程船“海洋石油681”與“海洋石油691”號。“華虎”號艏部型線采用SV型球艏設計方案，艉部采用與大直徑導管螺旋槳相配合的型線設計方案，所形成的船體型表面給人以敦實穩(wěn)重感(見圖2)，具體船型參數見表2。

圖2　船體型表面空間幾何建模

“海洋石油681”號是目前世界上最先進的多功能工程船之一，同時具備供應、操錨、拖曳、水下工程支持等功能，在三型船中該船擁有最大的船舶尺度、主機功率和螺旋槳直徑，從而保證它具備強大的海上拖曳能力，為我國最大的海上半潛式平臺“海洋石油981”保駕護航。但由于其尺度大、功能多造成船舶造價高、設備多、空船重，該船裝載率反而較低，建造經濟性和運營經濟性都不太高。

表2　“華虎”與“海洋石油681”船型參數對比值

設計師希望將“華虎”號打造成一艘功能上僅次于“海洋石油681”，但運營經濟性更好的多功能工程船。所以，其方形系數選為0.80以上，使其具備更強的貨物運載能力。 最終，“華虎”號的裝載量系數達0.468，高于“海洋石油681”的0.406。以武船承建的國際先進的專用平臺供應船VS483MKⅢ為例，裝載量系數處于0.5～0.6的范圍?！叭A虎”號作為三用工作船兼顧一定的平臺供應能力，其裝載量系數接近0.47是處于同類船型的先進水平。

由于“華虎”號同“海洋石油681”一樣需具備深海錨作功能，對船舶穩(wěn)性提出較高要求，所以這兩型船的船寬均取為22 m。“華虎”號在水線面系數和浮心縱向位置等方面與其他兩型船處于同一水平，從而保證其貨物裝載合理性。

綜上，“華虎”號的尺度特點是短小肥大，這就注定了該船布置設計的緊湊性要求和型線設計有難度。

2　型線設計與總布置

對于多功能海洋工程船而言，優(yōu)異的船舶性能固然是型線設計的重要指標，但合理有效的實現海工功能才是該類船舶設計的最終目的。型線設計與總布置設計的相互作用實現了大型海工設備在船舶上的合理安置，從而保障船舶實現海工功能。

2.1大槳徑導管螺旋槳布置

“華虎”號作為遠洋拖船和操錨船使用時，需要在低航速下具備較大的拖力，通常該類船舶以最大推進功率下所能發(fā)揮出的系柱拖力指標來評判拖帶能力。為獲得滿意的系柱拖力，該船采用主機總功率16 000 kW，并以大直徑導管螺旋槳配合主機。其導管通常采用加速導管對槳盤面來流進行加速，從而使螺旋槳在船舶低航速下盡可能獲得較高的進速系數來提高推力，且導管的機翼型剖面所形成的附加推力對總拖力產生貢獻。

容納艉部的大直徑螺旋槳布置見圖3，“華虎”號艉部型線進行了精心設計，一方面采用下沉式呆木保護導管下緣不受淺水航道海床碰撞，呆木下緣距離船舶基線下沉1.1 m；另一方面，根據CCS《鋼制海船入級規(guī)范》第2篇2.14.4條對推進器凈空的規(guī)定[6]，為避免螺旋槳激振對船體的不良影響，螺旋槳與船殼板之間的距離間隙應保證不小于0.14DP(DP為螺旋槳直徑，4.6 m)，故間隙為0.644 m?！叭A虎”號在設計時考慮到該類船舶通常在低速大功率拖曳狀態(tài)下會由于螺旋槳負載大造成嚴重激勵，所以設計螺旋槳葉稍上緣與船體最小距離1.1 m。

圖3　導管螺旋槳布置

由于“華虎”號載貨區(qū)域位于船舶中艉部，載貨航行工況下船舶重心位于船舯之后。為獲得較好的航態(tài)，滿載吃水的浮心應設計在船舯之后與重心匹配。但是，大槳徑導管螺旋槳布置導致槳軸所在縱剖高度大，造成該區(qū)域排水量損失。為挽回損失的排水量，尾部橫剖面采用槽道形式，使螺旋槳軸距船側區(qū)域的橫剖面向下凸形成槽道。尾部槽道橫剖設計不僅可以滿足大槳徑船型浮心設計要求，其槽道的水動力誘導效應還能對槳盤面來流起到整流作用，從而更好地匹配大直徑導管螺旋槳。

2.2配合機艙區(qū)域布置的考慮

“華虎”號這類船舶多為艏機型船舶，上層建筑與機艙均布置于船舶艏部，主機安裝于雙層底高度。如圖4所示，機艙縱向位置位于12～16號站內(全船從艉垂線向艏垂線共劃分為20站，艉垂線為0號站，艏垂線為20號站)。對雙槳船而言，螺旋槳間距太小將會造成兩螺旋槳葉稍靠近，螺旋槳轉動時引起葉柵效應，從而降低推進效率、增大螺旋槳激振。為此，雙槳船槳軸間距推薦取為一半船寬左右，“華虎”號取為10 m。同時，“華虎”號總裝機功率大，采用四臺主柴油機驅動，占用空間非常大，且主機擺放區(qū)域靠船舷方向需預留1.7 m左右的檢修空間，該區(qū)域實現雙殼保護需考慮縱艙壁的施工空間等，所以該船12～16號站內雙層底高度水線半寬需設計得盡量大，以滿足以上空間布局要求。不過，該類船舶由于船長較短，而機艙通常位于船舶舯前，該區(qū)域過大的半寬也有可能會在自由航行狀態(tài)引起肩部興波，需要通過球鼻艏的綜合設計來緩解由此帶來的阻力。

圖4　機艙底布置示意

3　設計結論

精心的型線設計保障實現了全船功能布局，從“華虎”號和“海洋石油681”號的實船試航數據對比總結分析“華虎”號在船舶快速性和系柱拖力方面的性能表現。

3.1快速性

“華虎”號實船試航報告顯示該船在壓載吃水5.0 m下全速航行的穩(wěn)定航速可達16.4 kn[7]。將“華虎”號與“海洋石油681”船的快速性指標進行對比分析(見表3)可以看出，“華虎”號的單位排水量航速所消耗主機功率小于“海洋石油681”船，顯然，“華虎”號的快速性能優(yōu)于“海洋石油681”。

3.2船舶系柱拖力

“華虎”號實船拖樁試驗顯示，在吃水6.9 m、主機全功率運行工況下，該船系柱拖力最大可達2 960 kN。將“華虎”號與“海洋石油681”船的系柱拖力參數進行對比分析(見表4)可以看出，“華虎”號的單位拖力所消耗主機功率遠小于國際最先進的“海洋石油681”船，其拖航經濟性指標處于同類產品領先水平。

表3　“華虎”號與“海洋石油681”快速性對比

表4　“華虎”號與“海洋石油681”系柱拖力對比

4　結論

1)為在船舶艉部布置更大直徑的大拖力導管螺旋槳，需綜合考慮艉體縱剖線與槳葉稍的間隙距離和縱剖線去流角度控制，從而避免尾流分離。

2)艉部槽道式橫剖面設計一方面要考慮船舶排水量和浮心縱向位置的調整，另一方面更應充考慮在低速和高速航行兩種狀態(tài)下尾流場對螺旋槳的整流作用。

3)該類船舶重點機器布置區(qū)域，如機艙區(qū)域，應充分考慮型線設計所能提供的布置空間，也必須考慮由此可能產生的肩部興波效應。

[1] 許晶，楊奕，楊佑宗，等.新型海洋救助船主要尺度選擇、線型設計及研究[C]∥《中國造船》創(chuàng)刊60周年紀念大會.中國造船，2008,49:91-98.

[2] 楊佑宗, 許晶，鄭梓萌.近海工程船主要尺度要素及線型設計特點與分析[J].船舶工程，2005，27(1)：19-23.

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[5] 蘇甲，陳京普，楊奕.海洋平臺三用工作船的線型優(yōu)化研究[C]∥第二十五屆全國水動力學研討會暨第十二屆全國水動力學學術會議文集，2013：887-892.

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[7] 楊奕，16 000 kW 海洋平臺工作船快速性試驗研究[R].無錫：中國船舶科學研究中心，2012.

Lines Design of the HUA HU Multi-Purpose Offshore Vessel

PENG Bi-ye

(CSIC (Wuhan) Marine and Offshore Engineering Co. Ltd., Wuhan 430064, China)

The Hua Hu ship is a multi-purpose offshore vessel for ocean engineering of oil and gas development and production in deepwater. The key technologies in the lines design of the vessel are studied. From the views of the principal and main parameters of this kind of ship, as well as the arrangement characteristics, the key points in the lines design are analyzed in detail.

multi-purpose offshore vessel; lines design

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.026

2015-05-25

2015-08-04

國家發(fā)改委2013年海洋工程裝備研發(fā)及產業(yè)化專項

彭必業(yè)(1983-),男,學士,工程師

U662.2

A

1671-7953(2016)01-0129-04

研究方向:海洋工程船舶及特種船舶總體設計

E-mail:dev@csicmoe.com;pengbiye@sina.com