裴志勇，吳深毅，吳衛(wèi)國

（高性能船舶技術(shù)教育部重點實驗室（武漢理工大學(xué)），武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北 武漢 430063）

寬扁肥大型江海直達多用途船關(guān)鍵技術(shù)

裴志勇，吳深毅，吳衛(wèi)國

（高性能船舶技術(shù)教育部重點實驗室（武漢理工大學(xué)），武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北 武漢 430063）

對江海直達船舶狀況和制約其發(fā)展因素進行分析，以載量大、油耗低、經(jīng)濟性好為目標，分析江海直達船型關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑。將理論分析、數(shù)值計算和模型試驗等研究方法結(jié)合起來，開發(fā)出寬扁肥大型江海直達多用途船，從油耗、運輸效率和船體鋼料重量等三個方面對開發(fā)船的技術(shù)性能進行了比較分析。

寬扁肥大船型；江海直達船；多用途船；技術(shù)性能指標

DOI編碼：10.13646/j.cnki.42-1395/u.2016.10.002

1　研究背景

長江黃金水道是聯(lián)接?xùn)|部沿海開放、中部崛起和西部大開發(fā)國家戰(zhàn)略的戰(zhàn)略大通道，支撐著長江流域大物流、綜合運輸體系和沿江七省二市經(jīng)濟社會發(fā)展。2013年，長江干線貨運量達19.2億噸，連續(xù)9年排世界內(nèi)河貨運量第一，但由于沿線碼頭狀況、航道水深等諸多因素的限制，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)運方式不僅耗時、增加營運成本，而且會產(chǎn)生貨損和貨差，難以提高運輸效率，已遠遠滿足不了長江中上游地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的需要。

江海直達運輸由于減少中間環(huán)節(jié)、消除了貨損、大幅降低運輸成本且提高運輸效率而深受船東和貨主的歡迎。隨著港口、碼頭等基礎(chǔ)建設(shè)的逐步推進和航道疏浚工作的進行，現(xiàn)時的狀況較以前有較大改變，當前的航運市場迫切需要一型能較好適應(yīng)現(xiàn)行條件的，吃水淺、載量大、油耗低、綠色節(jié)能環(huán)保的江海直達多用途船，運輸鐵礦石、煤炭、水泥及熟料等從寧波舟山港到武漢新港，以及從武漢新港載運集裝箱到上海洋山港。

2　長江航運發(fā)展制約因素

由于各種原因，長江上現(xiàn)有船型及運輸方式嚴重制約著航運發(fā)展，主要表現(xiàn)在：

一是船型老化。為了適應(yīng)改革開放以來對鐵礦石和煤炭等原料的大量需求，從美國引進性能優(yōu)異的大開口內(nèi)河雙殼散貨船代替了以前的甲板船成為中堅力量，該類船存量較多，航運公司又無足夠財力快速實現(xiàn)轉(zhuǎn)型，船型老化的局面就不可避免地形成了。

二是中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)太多，效率低下。進口散貨如果運往內(nèi)陸，都要先通過遠洋運輸?shù)竭_國內(nèi)深水海港，如寧波、上海，減載后運到長江下游港口，再換河船運往內(nèi)地碼頭。這種多環(huán)節(jié)的中轉(zhuǎn)運輸耗時、貨損貨差大、營運成本高，且還可能造成對周邊水域或岸邊的污染。

三是現(xiàn)實中的江海直達船完全按海船設(shè)計。沒有考慮江海通航航線的水文氣象條件，性能上既沒有達到海船的優(yōu)勢，也沒能發(fā)揮內(nèi)河船的優(yōu)勢。

四是航道條件的自身不足。由于航道水深的限制，現(xiàn)有裝運鐵礦石和煤的散貨船枯水期都得減載運行。另外，航道的彎曲半徑也制約著船舶的長度，進而限制其載運能力。

進行江海直達船舶技術(shù)的研究并開發(fā)江海直達運輸已是當前社會發(fā)展所必需，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益，代表著先進的生產(chǎn)力，值得大力推廣。

3　江海直達船舶關(guān)鍵技術(shù)

江海直達航線涵蓋從內(nèi)河至入海口的江段以及從入?？谥裂睾８劭诘暮６?，船舶在風(fēng)浪很小的江段遭受的波浪載荷較小，但長江自然航道的水深和寬度對其操縱性有著特殊要求；船舶在海段遭受的風(fēng)浪較大，結(jié)構(gòu)強度和適航性是要重點關(guān)注的問題。江海直達船舶與內(nèi)河船和海船均有顯著的不同，因而不宜采用內(nèi)河船規(guī)范的思想或海船規(guī)范的思想來進行設(shè)計。

受長江航道特別是中游航道水深的限制，新一代江海直達船型因大型化而呈寬、淺、肥大的特點，常規(guī)船型難以滿足性能要求，必須采用理論與試驗相結(jié)合的研究方法，攻克寬扁、淺吃水船型在安全技術(shù)、節(jié)能技術(shù)、綠色技術(shù)應(yīng)用等方面的關(guān)鍵技術(shù)，以達到安全、降耗和環(huán)保的目標。新一代江海直達船型的主要關(guān)鍵技術(shù)有：

1）基于全壽命周期經(jīng)濟性分析的尺度優(yōu)化；

2）基于水動力性能計算與試驗的線型優(yōu)化設(shè)計；

3）節(jié)能減排應(yīng)用技術(shù)；

4）淺吃水寬扁肥大船型適航性技術(shù)；

5）以減重增載為目的的結(jié)構(gòu)多約束優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。

4　寬扁肥大型江海直達多用途船設(shè)計方案

4.1設(shè)計方案

將現(xiàn)有航道、碼頭狀況作為約束條件，基于模糊數(shù)學(xué)層次分析法，對江海直達船可能的尺度方案從經(jīng)濟性、技術(shù)性和環(huán)境性三個方面進行綜合評估和比選，遵循安全可靠、節(jié)能環(huán)保、技術(shù)先進、經(jīng)濟適用的原則，得到可行的尺度方案，經(jīng)后續(xù)的水動力性能計算分析、船模試驗，進行線型優(yōu)化確定最終的船型。

本船為航行于中國沿海及長江A、B航區(qū)，主要裝載鐵礦石、煤炭、水泥熟料、鋼材、棉花等散貨從寧波舟山到武漢，裝載集裝箱從武漢到上海大小洋山的江海直達多用途船舶，最大載重量14550t，最大載箱量808TEU。船舶總長136.5米，垂線間長130.0米，型寬25.6米，型深8.6米，設(shè)計吃水和結(jié)構(gòu)吃水分別為5.5米和6.3米，配船員14人。

船體為鋼質(zhì)、單甲板、雙機、雙槳、雙舵、方尾、雙尾鰭、球鼻首、傾斜首柱，由兩臺中速柴油機配齒輪箱驅(qū)動五葉大側(cè)斜適伴流理論槳推進，配備兩只由液壓舵機驅(qū)動的懸掛舵。

4.2技術(shù)性能指標

衡量船舶設(shè)計方案優(yōu)劣一般可從噸千米油耗、運輸效率和單位載貨量船體鋼料重量等三個方面進行評價。本文中，將開發(fā)的寬扁肥大型江海直達多用途船跟武漢國裕物流集團公司的12400DWT散貨船從上述三個方面進行對比分析。

噸千米油耗RFD（g/（t*km）表示載重量、航速、主機耗油率三者之間的關(guān)系，其值越小表明船舶的載重量大、航速高但主機耗油率小，最能反應(yīng)所設(shè)計船型的優(yōu)劣。噸千米油耗RFD可表示為：

式中，F(xiàn)c為日燃油耗量，t/d；DW表示設(shè)計吃水下載重量，t；Vs為服務(wù)航速，km/h。

表1　噸千米油耗對比

船舶的運輸效率可描述為運輸消耗的單位能量可獲得的產(chǎn)值（載貨量*航距），據(jù)此，運輸效率的表達式如下：

在進行運輸效率比較時，由于設(shè)計方案與已有船舶均采用傳統(tǒng)燃料石油作為推進能源，值相同，只需將不同船舶的進行比較即可。

在當前節(jié)能環(huán)保時代主旋律下，船體結(jié)構(gòu)輕量化已成為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的必然發(fā)展方向，“減重增載”成為船體結(jié)構(gòu)研究的熱點，反映出船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的水平。采用單位載貨量船體鋼料重量進行比較，如表3所示。

表2　運輸效率比較

表3　單位載貨量對應(yīng)船體鋼料重量比較

5　結(jié)論及未來研究

本研究是在工信部高新船舶技術(shù)專項“江海直達換代開發(fā)”支持下完成的一型航行于武漢至寧波舟山或上海洋山間的載量大、油耗低、節(jié)能環(huán)保、寬扁肥大型江海直達多用途船。該船型的成功開發(fā)符合節(jié)能減排時代主旋律，對“長江黃金水道”建設(shè)、“一帶一路”等國家戰(zhàn)略的實施具有積極意義，對促進中部地區(qū)崛起戰(zhàn)略部署、武漢新港長江航運中心建設(shè)可起到較大的促進作用。2014年6月由工信部裝備司和教育部科技司聯(lián)合組織了專家驗收，研究成果達到國際領(lǐng)先水平。

當前正在進行工信部高新船舶技術(shù)專項“江海直達節(jié)能環(huán)保集裝箱示范船開發(fā)”（研發(fā)周期2015.1-2017.12），目標是開發(fā)出700箱以上、均箱日油耗較現(xiàn)有船型降低20%以上的節(jié)能環(huán)保型集裝箱示范船。通過各項技術(shù)成果的應(yīng)用，所開發(fā)的千箱級江海直達集裝箱船較目前長江上營運的能效最佳船舶平均單箱日油耗降低約23%，已經(jīng)過水池試驗驗證，并將在明年實現(xiàn)實船建造。

在江海直達船舶技術(shù)研究過程中，跟南岸普頓大學(xué)、代爾夫特理工大學(xué)、杜伊斯堡-艾森大學(xué)、羅斯特克大學(xué)、里斯本大學(xué)等知名高校以及法國船級社內(nèi)河船舶審圖中心、俄羅斯船舶工程局等研究機構(gòu)建立了廣泛的聯(lián)系和合作研究，目前，武漢理工大學(xué)發(fā)起的“中歐江海聯(lián)運技術(shù)研究中心”正在積極籌建中。