北極破冰油船船型發(fā)展研究

1、北極破冰油船船型發(fā)展研究Park Hyung-Gil1, Jung Hyun-Chae2, Lee Yong-Chul1, Ahn Sung-Mok1 and Hwangbo Seung-Myun1 (1.三星船模水池, 韓國大田;2.三星重工業(yè)公司，韓國大田）摘要 2006年, 在北極地區(qū)航運潛力不斷增長背景下，三星重工有限公司開始研究高性能破冰油輪。隨著極冰融化，經(jīng)濟往來也愈加活躍，一系列具有相同船尾，但首部不同的船型被研發(fā)設(shè)計出來，并通過模型試驗對其性能進行了評價。其中在阿克北極科技有限公司和三星船模水池的分別進行了冰區(qū)和開闊水域試驗。本文介紹了破冰油輪的基礎(chǔ)設(shè)計和性能評估,并介紹船型特

2、點以及有關(guān)冰區(qū)阻力的冰區(qū)特征。簡介 近期由于巨大儲量的天然氣和石油資源，北極地區(qū)的開發(fā)需求迅速增加。Fearnley Consultants AS在2005年4月預(yù)測，在未來10年內(nèi)，俄羅斯西伯利亞的石油出口量將從1800萬增加到9000萬噸。因此，商用破冰船的發(fā)展有望成為近期船舶建造的主要課題。 在這種的背景下，三星重工對北極破冰貨船市場很感興趣，并且已經(jīng)準備很長一段時間。自2001年以來，三星重工和芬蘭阿克北極科技公司和加拿大海洋科技研究所等合作，研究北極型破冰貨船和波羅的海型油船的優(yōu)化設(shè)計。2005年三星重工運用自己的技術(shù)開發(fā)了世界首個，結(jié)合破冰和運輸貨油兩個功能的70000噸破冰油輪。

3、并且在2005年收到Sovcomflot公司為瓦蘭代港口運輸?shù)娜掖┧笥洼喌脑O(shè)計建造訂單。這也韓國造船企業(yè)第一次進軍全球破冰油輪市場。 為了在這個市場上擁有主動權(quán)，三星重工研發(fā)了一系列具有鮮明首部形式的的破冰油輪，其中有線型尖瘦的、過渡溫和的和傳統(tǒng)形式的首部。這些是為了提高從喀拉海到歐洲或美國的不同航線下的燃油效率。該船設(shè)計為110K噸級，是世界上最大的北極破冰油輪。尾部設(shè)計雙尾吊艙推進以達到良好的操縱性。所有的船型都通過流體動力學(xué)模擬來優(yōu)化在開闊水域的性能。通過長期的研究積累，這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也具有了很好的冰區(qū)航行性能。 有了這些結(jié)果，三星重工制定了船體設(shè)計指南，來實現(xiàn)最佳的燃油經(jīng)濟性，包括在北

4、極和波羅的海的抗冰能力。 本文認為，破冰油輪船體的概念設(shè)計與航線有很大關(guān)系，因為它關(guān)系到船體設(shè)計參數(shù)和冰區(qū)阻力，在概念設(shè)計階段，當(dāng)施加冰區(qū)阻力影響時需要考慮一些問題。這些問題可以總結(jié)為以下幾點。 ·破冰模式和破冰阻力的關(guān)系 ·冰區(qū)環(huán)境的比較 ·開闊海域航行性能的評估 ·考慮不同航線下的船體概念設(shè)計研究對象 如表1所示，新的破冰船比三星重工在建的70K DWT破冰油輪載重量更大。在主機功率提升30%情況下，要求滿足在LU7級冰區(qū)航速不低于3節(jié)，在開闊海域目標速度不低于16節(jié)。這個項目最終的目標是開發(fā)出兼顧冰區(qū)和開闊海域兩種航線下的最優(yōu)船型。為了實現(xiàn)目標，一

5、共設(shè)計了三種船首，并于2006年，分別在阿克北極技術(shù)公司和三星船模水池進行了冰區(qū)和開闊海域兩工況下的航行性能試驗表1 主要要素破冰油輪（70K）破冰油輪（A-Max）總長（m）257.0 267.0 型寬（m）34.0 43.8 型深（m）21.0 21.0 設(shè)計吃水（m）14.0 15.0 載重量（t）70000110000航速（Kn）16.0 16.0 冰區(qū)等級LU6LU7下表2介紹了設(shè)計研究船型的型式。表2 研究范圍船首船尾備注船型A尖瘦型破冰船首雙尾吊艙式雙向式船型B緩和型破冰船首雙尾吊艙式船型C冰區(qū)加強型船首雙尾吊艙式模型試驗項目2006年7月，三星重工和阿克北極科技公司合作，為喀拉

6、海域研制的船型A進行了冰區(qū)模型試驗。測試的目標是找到尖瘦型船首和雙尾吊艙式船尾的最優(yōu)設(shè)計，并且要滿足俄羅斯船級社LU7等級要求：在不低于2.5節(jié)航速下能打破1.67m厚度的冰其中包含20cm厚度的雪。并在不同冰區(qū)條件，對滿載、壓載工況時的正車和倒車運行進行相同的實驗。船型B和C是測試主機功率，同時評估不同船首在冰區(qū)和開闊水域條件下航行性能。船型B的冰區(qū)和敞水性能預(yù)測評估，是基于分別在阿克北極技術(shù)公司和三星船模水池的相似船型試驗結(jié)果得到的。船型A和船型C的試驗可以總結(jié)為以下試驗項目·平坦海冰、航道海冰、冰脊試驗·敞水試驗?zāi)Ｐ驮囼灤脱芯繛榱双@得一個適應(yīng)航線的良好的船型，已經(jīng)開

7、發(fā)了一系列的船型，如圖1所示的船型A和船型C，船型A是尖瘦型破冰船首，側(cè)重于破冰性能。另一方面，除了雙向破冰能力外，船型B破冰油輪在開闊水域還具有有良好的操縱性。船型B和船型A很相似，但縱剖面傾角更大。船型C是傳統(tǒng)冰區(qū)加強型船首，強調(diào)在波羅的海的通航性能。作為航行在喀拉海的穿梭油輪，雙尾吊艙系統(tǒng)具有良好倒車性能，尖瘦型破冰船首具有良好的正車性能。為得到良好操縱性，和極端冰制弓前進在喀拉海冰穿梭油輪。為了滿足良好的操縱性，尾部設(shè)計為雙尾鰭，如圖1所示。碎冰圖案和冰區(qū)阻力通常我們了解，破碎的冰紋是衡量船體表面抗冰阻力的方法。尖瘦型船首和傳統(tǒng)型船首的破碎冰跡分別如圖2的左側(cè)和右側(cè)所示。尖瘦型船首有適

8、當(dāng)?shù)睦吖切螤?，它的冰紋顯示出明顯規(guī)則的圓形，而右圖2傳統(tǒng)型船首顯示零散的冰塊。通常，圓形冰紋更適合于破冰船，而右圖碎冰冰紋更適于除冰性能。平坦海冰和航道海冰的破冰現(xiàn)象圖3顯示了在冰況試驗中，尖瘦型船首和傳統(tǒng)型船首的碎冰形狀。圖3左上顯示, 尖瘦型船首把碎冰壓入冰面以下, 圖3右上顯示所示傳統(tǒng)型船首的碎冰向上移動到冰面上。這與主船體船首形狀密切相關(guān)。同時,下方的兩張圖片顯示的是航道海冰試驗時的特征。由于兩種船首的不同，兩者有明顯的區(qū)別。對比圖3下面兩張圖，可以看出碎冰流動方式分為側(cè)向和底部流動。為提高在航道海冰下的除冰性能,冰區(qū)加強型的船首應(yīng)盡量設(shè)計成平直水線。肋骨結(jié)構(gòu)和水線角設(shè)計應(yīng)考慮航線的實

9、際情況以及開闊海域的性能表現(xiàn)。圖4顯示了破冰和清冰能力的比較。其中左圖菱形點虛線表示船型C，圓形點虛線表示船型B，方形點實線表示船型A，結(jié)果顯示，三個形狀船首的除冰性能有很大的差異。右圖顯示了船型A和船型C的在航道海冰條件下的性能。結(jié)果表明船型A更滿足破冰和除冰要求，而船型C的航道海冰條件表現(xiàn)更好。船型A 尖瘦型船首船型B 緩和型船首船型C 冰區(qū)加強型船首圖1 破冰油輪設(shè)計照片 船型A 尖瘦型船首 船型C 冰區(qū)加強型船首圖2 船型A和船型C的碎冰形狀船型A 尖瘦型船首 船型C 冰區(qū)加強型船首平坦海冰試驗航道海冰試驗圖3 船型A和船型C破冰方式比較圖4 不同類型船首的抗冰能力比較船型A 尖瘦型船

10、首 船型C 冰區(qū)加強型船首圖5 船型A和船型C的波形比較敞水性能評估 為了驗證采用相同船尾的尖瘦型船首和冰區(qū)加強型船首的敞水性能，進行了流體動力學(xué)研究，并在三星船模水池進行了敞水性能試驗。試驗結(jié)果如圖5和圖6顯示。尖瘦縱剖面的船型A產(chǎn)生的波形與船體C相似，但在船首前面部分出現(xiàn)破波現(xiàn)象。在開闊水域，這種波浪破碎的現(xiàn)象會產(chǎn)生很大的阻力。圖6總結(jié)來說，冰區(qū)加強型的船首在開闊水域比尖瘦型船首性能高5%。船型參數(shù)與冰區(qū)阻力平坦海冰條件下的船體概念設(shè)計在初步設(shè)計階段，設(shè)計完L/B,B/T,Cb等參數(shù)后，需要確定冰的厚度等級，然后確定平坦海冰條件下船首剖面傾斜角、肋骨傾斜角的最佳值。它們對破冰性能有主要影響

11、。圖7表示船首剖面傾斜角和肋骨傾斜角。通常船首剖面傾斜角和肋骨傾斜角建議不超過25.0度。圖7 影響破冰阻力的首部傾斜角和肋骨傾斜角航道海冰條件下的船體概念設(shè)計圖8顯示了不同船首的水線形狀，這些船型都是在2005年為波羅的海航線設(shè)計。水線B弧度比水線A更小，并且選為最終的船型曲線。通常推薦波羅的海船型在19.75站，半寬水線斜率是不超過50.0度。圖8 水線形狀對除冰阻力影響的比較船型參數(shù)和冰區(qū)阻力為了研究船船型參數(shù)和冰區(qū)阻力的關(guān)系，首先是要找到在平坦海冰和航道海冰條件下，哪些參數(shù)對冰區(qū)阻力起主要作用。一系列研究表明，在不同條件下肋骨角度和設(shè)計水線面角度都起主要作用。平坦海冰阻力在航速3節(jié)時測

12、量，航道海冰阻力在航速5節(jié)時測量。圖9表示這些船型參數(shù)和冰區(qū)阻力之間的關(guān)系。圖9 平坦海冰和航道海冰阻力評估圖9中的平坦海冰阻力曲線與試驗結(jié)果吻合良好。這意味著，肋骨傾斜角是破冰船是一個主要的設(shè)計參數(shù)。航道海冰阻力曲線與試驗結(jié)果也很吻合。所以為得到良好的破冰性能，肋骨傾斜角應(yīng)該盡可能減少。另一方面，要有良好除冰性能，設(shè)計者應(yīng)注意水線角度?？偨Y(jié) 研究表明，新型A-Max破冰油輪，在平坦海冰和航道海冰條件下都表現(xiàn)出色，同時開闊水域的航行性能也很優(yōu)秀。通過船型設(shè)計和模型試驗的研究，三星重工以及掌握了破冰油輪冰區(qū)船型的設(shè)計技術(shù)。下面總結(jié)了目前研究中的一些主要結(jié)論·在平坦海冰條件下，船首剖面傾

13、斜角和肋骨傾斜角不超過25.0度，能得到最好破冰能力。·在航道海冰條件下，破冰船的除冰能力取決于19.5和19.75站的水線角。盡可能設(shè)計瘦削的水線，這樣能盡可能減少航道海冰的阻力。引用St. Johns, Newfoundland , Labrador,CANADA,8-13 August 2004.25th Symposium on Naval Hydrodynamics Juurmaa, K., Mattsson., t., Wilkman, G.(2001). The development of the new Double Acting Ships for ice ope

14、ration, POAC 01, Ottawa, Canada Kim, H-S, Ha, M-K, Ahn, D., Kim S-H and Park, J-W. (2005). Development of 115K Tanker Adopting Baltic Ice Class 1A, International Offshore & Polar Engineering Conference (ISOPE), Seoul. Pekka Salmi, Sauli Immonen, Ann-Cristin Forsén, Göran Wilkman(2001) Developmentof a new bow form for operation in brash ice channels, POAC 01, Ottawa, Canada Jongwoo Park , Suhyung Kim(2006). Ice strengthening performance and forebody