摘" " 要：當前國內(nèi)海上風電運維船仍以傳統(tǒng)鋼質(zhì)低速船為主，受其耐波性及靠泊能力影響每年可作業(yè)時間短。隨著海上風電從沿海近岸向近海、深遠?？焖侔l(fā)展，離岸距離愈來愈遠，對風電運維船的專業(yè)化要求也越來越高，其線型設計也向高航速、高耐波性、高舒適度等方向發(fā)展，本文介紹國內(nèi)外高速雙體風電運維船的主要線型設計元素及其對比，供船型研發(fā)參考。

關鍵詞：風電運維船；深V折角線型；圓舭折角線型；半小水線面；船首；方型尾

中圖分類號：U661.1" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Hull Line Design and Comparison of High Speed Catamaran

Offshore Wind Power Crew Transfer Vessels

LIN Chunxin1，" ZHAN Xibo1，" XU Fanglei2，" LI Yanfeng1

（ 1. Afai Southern Shipyard （Panyu Guangzhou） Ltd.，" Guangzhou 511431;" 2. CCS Guangzhou Drawing Approval Center，" Guangzhou 510290 ）

Abstract： At present， China's offshore wind power operation and maintenance vessels are still dominated by traditional steel low-speed crew transfer vessels （CTVs）. Influenced by the seakeeping and berthing ability， the annual operation time is short. With the rapid development of offshore wind power from coastal to offshore and far-reaching sea， the offshore distance is getting farther and farther， and the professional requirements for offshore wind power CTVs are getting higher and higher. The hull line design also need to develop towards the direction of high speed， high seakeeping and high comfort. This paper will introduce the main hull line design elements of high speed catamaran offshore wind power CTVs at home and abroad and their comparison， for reference of ship type research and development.

Key words： offshore wind power CTVs;" deep V knuckle hull line;" round bilge knuckle hull line;" semi-SWATH; bow;" transom stern

1" " "引言

隨著國內(nèi)海上風電從2015年以前的沿海近岸到現(xiàn)今近海、深遠海風電場的高速建設，其海上運維需求也快速增長，風電運維船（本文指以接送人員上下海上風電樁為主的運維船）也得到了快速發(fā)展，從近岸時采用的簡單快艇、交通艇，到改裝租借的漁船、交通船，再到專門的單體鋼質(zhì)運維船、專業(yè)的鋁合金雙體高速風電運維船，目前市場仍處于復合發(fā)展的狀態(tài)，各種船型都有在使用和建造，且仍以航速10 kn左右的鋼質(zhì)低速船為主。

近年，海上風電場距離岸基的距離由10海里以內(nèi)發(fā)展到30海里外，平均浪高也由0.5 m-1.5 m提高到2.5-3.0 m，低速運維船航行時長由1 h內(nèi)延長到3 h，遠超過運維人員乘船約80 min的耐受區(qū)間，運維人員抵達風電場時大部分已暈船。從運維人員乘坐的舒適度、頂靠接送人員上下風電樁的安全性、每年實際可作業(yè)期等方面評估，現(xiàn)有鋼質(zhì)低速運維船已不能滿足新建風電場的運維需求[1]，因此國內(nèi)風電場的開發(fā)商、運營商逐漸意識到全方位提高海上風電運維船性能的重要性，從2018年開始逐步打造專業(yè)的高速雙體風電運維船船隊。

當前國內(nèi)高速雙體風電運維船需求已達到25 kn航速，但市場上的主建船型船長大部分在20-26 m之間，抗浪高能力1.5-2 m，整體上仍處于沿海近岸船型的技術狀態(tài)，船長30 m及以上級別的較少，在線型設計上留給設計師的操作、發(fā)揮的空間不多，導致其往往只能先解決船舶某方面的性能問題，如偏向快速性則耐波性較差，偏向耐波性或裝載能力則航速較低等。

對比近年國際上歐洲、澳洲市場新交付的兼顧快速性、耐波性、大裝載量的高速雙體風電運維船，其主流設計船長已經(jīng)發(fā)展到32 m，最大船長甚至突破35 m。同時，對于大裝載量（60-80 t）、小裝載量（35-40t）的不同需求，其在線型設計上也已區(qū)分開，逐漸融合不同船型特點進行設計，見圖1。由于租賃費用限制，設備配置及油耗對國內(nèi)風電運維船的造價及運維成本影響較大，因此應更多從線型設計上著手來提高船舶性能，由于國內(nèi)南北方海上風電場海浪波長差異大，在成本可控前提下應盡可能拉長船長，以滿足各風場的使用需求[2]。本文主要探討30 m級及以上的鋁合金高速雙體風電運維船的線型設計。

2" " 高速雙體風電運維船線型設計與對比

2.1" "深V折角線型及其對比

風電運維船的作業(yè)環(huán)境常有風浪，特別大風天氣如遇風機運轉(zhuǎn)故障，更需要及時維護，因此鑒于深V折角線型優(yōu)良的耐波性，國際上早期、國內(nèi)當前的高速雙體風電運維船大部分采用深V折角線型，其主要特點是橫剖面呈V字型，舭部呈折角尖舭形，底部橫向斜升角較大（一般大于20°），由艏到舯呈由大到小的變化，舯到艉則設計成不變或較小變化，以增加艉部排水體積，橫剖線均呈直線或近似直線，典型深V折角線型橫剖面如圖2（a）所示。

由于其吃水比相當?shù)膱A舭線型深，尖舭的折角線對船舶的橫搖、縱搖運動都有比圓舭線型更大的阻尼作用，垂向加速度較低，在同等情況下橫搖和縱搖幅度均比圓舭線型小，艏部沖擊加速度小，高海況中其船體砰擊的概率低[3]。

由于風電運維船的作業(yè)特性，除了滿足高海況下高速航行的需求外，還需盡可能提高零航速下頂靠風電樁的穩(wěn)定性，除了主推及操縱系統(tǒng)、靠樁橡膠系統(tǒng)配備外，近期國際主流船型又結(jié)合小水線面船型高耐波性的特點進行線型優(yōu)化，在船舶水線處設計成適當內(nèi)凹的I型折角線型，如圖2（b）所示。

英輝為了提高零航速狀態(tài)下頂靠風電樁時的穩(wěn)定性，在典型深V折角線型基礎上，在艏舯部水線處設計成適當內(nèi)凹的Ⅱ型折角線型，如圖2（c）所示，增加舭部折角線對運維船橫搖、縱搖的附加阻尼。同時，適當內(nèi)凹的線型平行段可進一步減少風浪中運維船水線處的興波阻力，平衡整船阻力，維持較好的快速性。

深V折角線型相當尺度及吃水下條件下排水量較小，適用于中小裝載量需求的高速雙體風電運維船。

2.2" "圓舭折角線型及其對比

圓舭折角線型的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其優(yōu)良的快速性，且同等尺度下具備更大的裝載能力，能夠為風電場同時段不同建設進度的片區(qū)提供人員接送、供水、供貨、臨時應急供油等多類型服務，符合海上風電產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的需求，為近期國際高速雙體風電運維船主流線型之一。

圓舭折角線型的主要特點是在舯艉橫剖面舭部設置折角線，呈折角線接圓弧狀，典型橫剖面如圖3（a）所示，圓弧由艏到艉呈由大到小的變化，其片體舯艏部與圓舭線型相似，艏橫剖面有較大的底部斜升角，縱向較瘦削，水線處進流角較小，有利于減少船體在波浪中的沖擊，有效減少興波阻力。舯艉部線型較為豐滿，可提供較大的尾部浮力。由圓舭線型逐漸過渡為折角線型，斜升角逐漸減少，在尾封板處趨于零度，有利于增大水動力作用[3]。

相對圓舭線型，圓舭折角線型增加了橫搖阻尼，并通過尾部升力的增加減少阻力，同時改善船舶在波浪中的橫搖，即保持了圓舭線型的快速性，又有較佳的耐波性[4]。

如前文所述，由于運維船的作業(yè)特性，近期國際主流市場在線型設計上結(jié)合小水線面船型高耐波性的特點進行線型優(yōu)化，把圓舭折角線型水線處設計成適當內(nèi)凹的I型折角線型，如圖3（b）所示；Ⅱ型折角線型，如圖3（c）所示，提高舭部對橫搖、縱搖的附加阻尼，進一步提高運維船航行、頂靠作業(yè)中的穩(wěn)定性。同時，該設計可減少運維船水線處的興波阻力，平衡整船阻力，兼顧快速性、耐波性[5]。

圓舭折角線型相當尺度及吃水條件下排水量較大，適用于大裝載量需求的高速雙體風電運維船。

2.3nbsp; "船首、船尾形狀對比

在國內(nèi)外高速雙體風電運維船的設計中，設計師們也根據(jù)不同地區(qū)風場的運營海況，并結(jié)合碼頭條件等，設計出各具功能特點的船首、船尾縱向形狀。

1）船首縱向形狀

常用的船首縱向形狀[6]，有以下幾種：

（1）斜船首：如圖4（a），斜船首最為常見，不僅高速雙體風電運維船，國內(nèi)大部分鋼質(zhì)低速運維船均采用該設計，其主要優(yōu)點在于前傾的首柱使得水線以上的水線面積迅速增加，有利于減小船舶在迎浪航行中的縱搖和升沉運動，從風電運維船經(jīng)常頂靠作業(yè)的安全性考慮，采用傾斜的首柱對規(guī)避水下部分船體的碰撞也更為有利；

（2）垂直首：如圖4（b）（實線），近年在成熟的國際高速雙體風電運維船及國內(nèi)高速客船上較為常見。在同等尺度下，其設計水線比斜船首長，水線處進水角更小，可減少船舶高速航行中的興波阻力，其縱向體積比斜船首大，船首浮力分布更為合理，迎浪航行中縱搖和升沉運動比斜船首小，高速航態(tài)更加平穩(wěn)。采用該設計時，一般可把船首安裝頂靠橡膠護舷的結(jié)構(gòu)前伸適當距離，規(guī)避水下部分船體碰撞的風險；

（3）小球鼻艏：如圖4（c），近年在國際成熟的高速雙體風電運維船設計上較為常見，為完全沒入設計水線下的穿浪型小球鼻艏，其橫剖面形狀通常采用深V形或圓弧尖削形，拉長船首片體長度，減小其入水角，使得高速航行時船首興波小，興波阻力小。同時也增大了船首的縱搖阻尼，避免高海況航行時船首底部出水，從而減少波浪的拍擊，提高運維船的耐波性。其縱向體積較大，儲備浮力大，較多應用在大裝載量的高速雙體風電運維船上；

（4）斧艏：如圖4（b）（虛線），近年在國際及國內(nèi)高速雙體風電運維船的設計上偶有出現(xiàn)，其片體縱向形狀近似斧頭，在深V折角線型上應用較多，其首柱設計延伸到基線以下一定深度，能夠改善運維船縱搖和升沉運動，降低其在高海況中高速航行的抨擊概率[7]。其阻力與垂直艏近似，采用該設計時，同樣需結(jié)合運維船頂靠作業(yè)的特性，船首頂樁區(qū)域距斧艏水下部分應留有一定距離，避免碰撞破損。因船首吃水較一般船型深，不適合在潮間帶使用，在淺灘、沿海區(qū)域運營時需注意避免擱淺。

2）船尾形狀

在高速航行狀態(tài)下，方型尾可使得水流具有足夠的動能以克服黏性的影響迅速脫離艉封板，產(chǎn)生虛長度效應，顯著減少船體的興波，降低興波阻力，而且其排水體積較大，可減少船舶高速航行中的尾傾現(xiàn)象，改善阻力提高航速，因此在高速雙體風電運維船的設計中幾乎均采用方型尾。

方型尾的特點是將船尾端設計為刀切式平直狀，各水線面的尾部形狀接近方形，或呈弧形方角[6]，以下主要結(jié)合不同類型推進器來介紹國內(nèi)外設計常用的方型尾：

（1）開式方型尾：如圖5（a），為內(nèi)凹弧形（實線）或斜線形（虛線）開式方型尾，其水線下的設計融入巡洋艦型尾的特點，保留平齊的舷側(cè)板及尾封板，能防止高速航行時尾部浸水過多，尾部水流能較平坦地離開船體，使航行阻力減小。同時，尾部甲板面積較大有利于舵機布置，螺旋槳及舵葉安裝為開放式，施工簡單，是用于布置定距或可調(diào)距螺旋槳的典型設計，在高速雙體風電運維船、國內(nèi)大部分鋼質(zhì)低速運維船中均有較多應用；

（2）平齊式方型尾：如圖5（b），一般用于噴水泵推進船（實線）或舵槳推進船（虛線），在國際高速雙體風電運維船的設計中較為常見，除了平齊的舷側(cè)板及尾封板外，基于所選推進器的特性及安裝要求，把船尾部底板也設計為平齊式。其對比開式方型尾有更大的排水體積，可平衡噴水泵或舵槳推進器在船尾端的重量，減少運維船本身的尾傾。特別運維船在25 kn及以上的高航速航行時，推進器區(qū)域的伴流流速高，形成較大負壓把船尾往下吸，該設計可以提供更多的浮力，把船尾往上抬，平衡推進器伴流對船尾的高吸力作用，對高速航行的航態(tài)改善作用尤為明顯；

（3）隧道式方型尾：如圖5（c），通過在近似噴水泵推進船的平齊式方型尾中嵌入定制化螺旋槳隧道而來（圖示虛線），在國際雙體風電運維船，特別是航速25 kn以上的螺旋槳推進船的設計中較為常見。該半包圍隧道式設計融合噴水泵推進器流道的特點，使得螺旋槳的尾流更為集中，其主要性能優(yōu)勢與平齊式方型尾相似，通過船尾提供更大的浮力來改善運維船的高速航態(tài)，提高螺旋槳推進效率，減少船舶阻力。此外，選用該設計時也可通過適當加大隧道（圖示點劃線），并增大螺旋槳直徑來提高螺旋槳推進效率，提升航速[8]。

3" " 結(jié)語

本文探討了線型設計的主要元素在國內(nèi)外高速雙體風電運維船的應用，在選用上述各設計時，還需同時評估水線下形狀與推進器之間伴流的吸力作用、與附體設計的相互作用及其對水流流線的影響，通過所展示的案例，跟業(yè)內(nèi)的設計師們、船東客戶們交流學習，拋磚引玉，在后續(xù)項目的設計實踐中，共同打造同等甚至超越國外成熟市場上優(yōu)秀產(chǎn)品的國內(nèi)自主設計產(chǎn)品群。

參考文獻

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