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(guó)大田;2.三星重工業(yè)公司，韓國(guó)大田）摘要 2006年, 在北極地區(qū)航運(yùn)潛力不斷增長(zhǎng)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(jì)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(jì)出來，并通過模型試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。其中在阿克北極科技有限公司和三星船模水池的分別進(jìn)行了冰區(qū)和開闊水域試驗(yàn)。本文介紹了破冰油輪的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和性能評(píng)估,并介紹船型特

2、點(diǎn)以及有關(guān)冰區(qū)阻力的冰區(qū)特征。簡(jiǎn)介 近期由于巨大儲(chǔ)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(cè)，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(duì)北極破冰貨船市場(chǎng)很感興趣，并且已經(jīng)準(zhǔn)備很長(zhǎng)一段時(shí)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(jì)。2005年三星重工運(yùn)用自己的技術(shù)開發(fā)了世界首個(gè)，結(jié)合破冰和運(yùn)輸貨油兩個(gè)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(yùn)輸?shù)娜掖┧笥洼喌脑O(shè)計(jì)建造訂單。這也韓國(guó)造船企業(yè)第一次進(jìn)軍全球破冰油輪市場(chǎng)。 為了在這個(gè)市場(chǎng)上擁有主動(dòng)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(guó)的不同航線下的燃油效率。該船設(shè)計(jì)為110K噸級(jí)，是世界上最大的北極破冰油輪。尾部設(shè)計(jì)雙尾吊艙推進(jìn)以達(dá)到良好的操縱性。所有的船型都通過流體動(dòng)力學(xué)模擬來優(yōu)化在開闊水域的性能。通過長(zhǎng)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(jì)指南，來實(shí)現(xiàn)最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性，包括在北

4、極和波羅的海的抗冰能力。 本文認(rèn)為，破冰油輪船體的概念設(shè)計(jì)與航線有很大關(guān)系，因?yàn)樗P(guān)系到船體設(shè)計(jì)參數(shù)和冰區(qū)阻力，在概念設(shè)計(jì)階段，當(dāng)施加冰區(qū)阻力影響時(shí)需要考慮一些問題。這些問題可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)。 ·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(píng)估 ·考慮不同航線下的船體概念設(shè)計(jì)研究對(duì)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(jī)功率提升30%情況下，要求滿足在LU7級(jí)冰區(qū)航速不低于3節(jié)，在開闊海域目標(biāo)速度不低于16節(jié)。這個(gè)項(xiàng)目最終的目標(biāo)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)，一

5、共設(shè)計(jì)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(jìn)行了冰區(qū)和開闊海域兩工況下的航行性能試驗(yàn)表1 主要要素破冰油輪（70K）破冰油輪（A-Max）總長(zhǎng)（m）257.0 267.0 型寬（m）34.0 43.8 型深（m）21.0 21.0 設(shè)計(jì)吃水（m）14.0 15.0 載重量（t）70000110000航速（Kn）16.0 16.0 冰區(qū)等級(jí)LU6LU7下表2介紹了設(shè)計(jì)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(qiáng)型船首雙尾吊艙式模型試驗(yàn)項(xiàng)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(jìn)行了冰區(qū)模型試驗(yàn)。測(cè)試的目標(biāo)是找到尖瘦型船首和雙尾吊艙式船尾的最優(yōu)設(shè)計(jì)，并且要滿足俄羅斯船級(jí)社LU7等級(jí)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(duì)滿載、壓載工況時(shí)的正車和倒車運(yùn)行進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)。船型B和C是測(cè)試主機(jī)功率，同時(shí)評(píng)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(cè)評(píng)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(yàn)結(jié)果得到的。船型A和船型C的試驗(yàn)可以總結(jié)為以下試驗(yàn)項(xiàng)目·平坦海冰、航道海冰、冰脊試驗(yàn)·敞水試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)船型研究為了獲得一個(gè)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(qiáng)型船首，強(qiáng)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(jìn)在喀拉海冰穿梭油輪。為了滿足良好的操縱性，尾部設(shè)計(jì)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(yàn)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(dòng)到冰面上。這與主船體船首形狀密切相關(guān)。同時(shí),下方的兩張圖片顯示的是航道海冰試驗(yàn)時(shí)的特征。由于兩種船首的不同，兩者有明顯的區(qū)別。對(duì)比圖3下面兩張圖，可以看出碎冰流動(dòng)方式分為側(cè)向和底部流動(dòng)。為提高在航道海冰下的除冰性能,冰區(qū)加強(qiáng)型的船首應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成平直水線。肋骨結(jié)構(gòu)和水線角設(shè)計(jì)應(yīng)考慮航線的實(shí)

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(diǎn)虛線表示船型C，圓形點(diǎn)虛線表示船型B，方形點(diǎn)實(shí)線表示船型A，結(jié)果顯示，三個(gè)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(qiáng)型船首圖1 破冰油輪設(shè)計(jì)照片 船型A 尖瘦型船首 船型C 冰區(qū)加強(qiáng)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(qiáng)型船首平坦海冰試驗(yàn)航道海冰試驗(yàn)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(qiáng)型船首圖5 船型A和船型C的波形比較敞水性能評(píng)估 為了驗(yàn)證采用相同船尾的尖瘦型船首和冰區(qū)加強(qiáng)型船首的敞水性能，進(jìn)行了流體動(dòng)力學(xué)研究，并在三星船模水池進(jìn)行了敞水性能試驗(yàn)。試驗(yàn)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(huì)產(chǎn)生很大的阻力。圖6總結(jié)來說，冰區(qū)加強(qiáng)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(jì)在初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)完L/B,B/T,Cb等參數(shù)后，需要確定冰的厚度等級(jí)，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(duì)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?jī)A斜角和肋骨傾斜角航道海冰條件下的船體概念設(shè)計(jì)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(jì)。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(duì)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(duì)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(jì)水線面角度都起主要作用。平坦海冰阻力在航速3節(jié)時(shí)測(cè)

12、量，航道海冰阻力在航速5節(jié)時(shí)測(cè)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(píng)估圖9中的平坦海冰阻力曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。這意味著，肋骨傾斜角是破冰船是一個(gè)主要的設(shè)計(jì)參數(shù)。航道海冰阻力曲線與試驗(yàn)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(jì)者應(yīng)注意水線角度。總結(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(shí)開闊水域的航行性能也很優(yōu)秀。通過船型設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)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(jì)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(jì)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