基于EEDI綠色高能效沿海淺吃水散貨船型優(yōu)化

1、基于EEDI綠色高能效沿海淺吃水散貨船型優(yōu)化一、 緒論1.1 研究背景和目的隨著國際貿易和世界經濟的蓬勃發(fā)展，大型化乃至超大型船舶層出不窮，船舶功率節(jié)節(jié)攀升，由此而產生的CO2排放量接連上升。當下，環(huán)保理念逐漸深入人心，全球對于環(huán)境保護的重視程度也日益提高，船舶節(jié)能減排問題受到了造船界和航運界的普遍關注。IMO環(huán)境與保護委員會(MEPC)作為環(huán)保方面的國際權威組織也提出了一系列解決溫室氣體減排的措施方案，并針對于船舶領域開展了大量研究。2008年10月召開的MEPC第58次會議上提出將“新造船CO2設計指數(shù)”改為“新船能效設計指數(shù)(EEDI)”，EEDI便迅速成為國際海事界各方關注和爭論的焦點

2、。在MEPC第59次會議上，“新船EEDI計算方法臨時導則”又以通函方式獲得了通過，鼓勵各國政府在自愿的基礎上試用，以激勵船東和船舶設計者通過技術改進和使用節(jié)能技術使新造船舶自設計和建造時就盡可能達到較高的能效標準。而在MEPC第60次會議上，IMO更是決定將EEDI作為強制性要求納入MARPOL附則VI框架下，并制定了文本框架草案。在2010年9月召開的MEPC第61次會議上，IMO EEDI工作組進一步完善了強制性EEDI文本及導則，同時規(guī)定了適用于強制性EEDI要求的船舶類型、尺度以及四個階段的目標年限和折減率。在世界經濟大融合的背景下，實現(xiàn)大宗貨物的高效、經濟運輸是我國乃至世界各國的航

3、運部門面臨的課題。將遠洋運輸而來的大宗貨物通過內河水路運輸網絡既經濟有高效地運送到我國中西部發(fā)展中地區(qū)是我國航運部門面臨的一個重大課題。實行江海聯(lián)運是解決這一問題的必有之路。江海聯(lián)運可以釆用江海接駁分程轉運和江海直達兩種方式。江海直達運輸是一種不需要進行江船和海船的換裝，直接將貨物送至目的港的運輸方式。這種運輸方式有緩解中轉港的壓力、加快貨物送達速度、節(jié)約中轉費用、提高貨運質量和降低運輸成本等諸多優(yōu)點。采用江海直達運輸方式可充分發(fā)揮浙江省區(qū)位優(yōu)勢，充分利用長江黃金水道資源優(yōu)勢，加快沿海和內地物流業(yè)的發(fā)展。淺吃水船舶應運而生。然而，過去幾十年來，江海直達運輸大多釆用江船出?；蛘吆］喨虢@種比較落

4、后的方式來進行。由于江船難以適應海上風浪，江船出海運輸方式安全性嚴重不足;至于海輪入江，由于我國內河航道大部分水域屬于淺水航道，海輪吃水受到嚴格限制，其經濟效益較差。多方面的研究結果表明，無論是江輪出海還是海輪入江都無法充分發(fā)揮江海聯(lián)運的最大潛力。按照目前及今后IMO對CO2氣體排放日益嚴格的要求，采用過去傳統(tǒng)的江輪出海或者海輪入江的落后聯(lián)運方式勢必無法滿足EEDI的要求。因此，加快開發(fā)出適應EEDI新規(guī)的綠色高能效淺吃水新型散貨船型迫在眉睫。為了應對2013年實施的EEDI ( Energy Efficiency Design Index )國際新規(guī)，本研究通過引進、集成與自主創(chuàng)新，將船型優(yōu)

5、化技術和動力節(jié)能技術結合起來，開發(fā)具有“先天”的高能效品質可用于江海直達運輸?shù)臏\吃水高效節(jié)能散貨船新船型。本研究的實施將大力提升我國的船舶制造工業(yè)和航運業(yè)的國際競爭力。1.2 船舶能效設計的研究現(xiàn)狀2010年4月，DNV(挪威船級社)依靠最新的DNV標準推出“節(jié)能減排型”鯤騰(Quantum)集裝箱船新概念，主要目的是在讓集裝箱船舶運輸更多集裝箱的同時大幅減少燃油消耗，從而降低對環(huán)境的負面影響，并認為在3-5年后該船型將成為現(xiàn)實；2011年6月，德國勞氏船級社提出了北歐支線集裝箱船設計概念，旨在減少船舶運輸過程中二氧化碳排放的挑戰(zhàn)。可見，環(huán)保型船型已成為業(yè)界未來的研發(fā)趨勢，本文基于能效的船型研

6、究即是順應這一潮流，著眼于船舶能效設計指數(shù)加以展開。為提高船舶能效、減小船舶溫室氣體排放，國際上提出了大量措施和對策，主要集中在船舶的設計技術、營運和管理這三個方面，從而形成了三個具有針對性的能效指數(shù)：EEDI (船舶能效設計指數(shù))、EEOK（船舶能效運營指數(shù))、SEMP(船舶能效管理計劃)。船舶能效設計指數(shù)(EEDI)的目的是從設計階段刺激所有影響著船舶能效要素的革新和技術發(fā)展，并通過對現(xiàn)有船的統(tǒng)計分析設立排放基線，在基線的基礎上對新造船能效進行控制；船舶能效運營指數(shù)(EEOI)并非強制性措施，它主要用來比較在一段時間內，一個船隊中同類船舶的能源效率;船舶能效管理計劃(SEMP)是通過將能效

7、目標分解到每個可能提高燃油效率的操作當中，進而提高船舶能效的一個綜合性管理措施1。自新船能效設計指數(shù)EEDI提出伊始，這一能效指標便受到了業(yè)界的追捧，國內眾多船舶工作者針對這一問題開展了一系列深入研究，為國內船舶工業(yè)界應對EEDI的挑戰(zhàn)提供了相應的技術支撐。魏錦芳等2針對EEDI能效設計指數(shù)計算公式中的船舶失速系數(shù)fW進行了研究并提出一個系統(tǒng)的fW計算方法，其計算結果與試驗值和NMRI方法計算結果有著較好的吻合度。李百齊等3 4對EEDI的本質和影響因素進行了詳細的分析研究，以船舶的裝載量和船速為參考變量，按不同船舶類別分別建立了 EEDI的衡準基線、衡準基面，試驗的驗證結果也證明了該方法具有

8、較強的適用性。柳衛(wèi)東等5據(jù)國際海事組織(IMO)海上環(huán)境保護委員會(MEPC)關于船舶能效設計指數(shù)(EEDI)的議題和結論，對目前市場上主流的三型散貨船和三型油船進行了計算分析，指出隨著運輸船舶載重量的增大，其能效設計指數(shù)變得越來越難滿足基線公式的要求。劉雅玲6對新造船能效設計指數(shù)EEDI進行了分析和研究，提出了指數(shù)基線的回歸公式，并對減少二氧化碳排放可采取的措施進行了探討。從目前來看，能效設計指數(shù)EEDI才面世不久，所引起的關注和爭議很大，其計算公式中所包含的參數(shù)在定義和獲取方式上都有不盡合理之處，因此EEDI并不能科學全面地反映出船舶真正的能效，要想大力推廣使用，其可操作性還亟待加強。盡管

9、如此，可以預料的是在2013年全球范圍內強制執(zhí)行EEDI指標己是不可逆轉的，針對EEDI公式、基線和減排目標的理論研究工作需要進一歩加大努力和投入。二、 EEDI概述2.1EEDI公式及含義EEDI是衡量船舶能效水平的一個指標，簡單地說，EEDI公式是根據(jù)CO2排放量和貨運能力的比值來表示船舶的能效。EEDI是衡量船舶能效水平的一個指標，簡單地說，EEDI公式是根據(jù)CO2排放量和貨運能力的比值來表示船舶的能效，其分母表示船舶在規(guī)定的船速(Vref)下與載貨量(Capacity)之乘積，而分子可概括為兩部分，第一部分為主輔機的功率與所消耗燃油之乘積，第二部份為釆用新的節(jié)能技術減少燃油消耗所帶來的

10、船舶能效的提高部分。新造船的能效設計指數(shù)EEDI的計算公式如下：對式中各個參數(shù)的含義簡要解釋如下：CF為燃油的無量綱碳轉換系數(shù)，基于含碳量的多少將燃油消耗量轉換為CO2排放量，用t-CO2/t-Fuel表示。燃油類型不同值也不同，例如重燃油(HFO)的CF=3.1144；P表示主機和輔機的計算功率；Capacity為載重噸或總噸；Vref為特定功率和裝載條件下的船舶航速；SFC指柴油機經核定的特定燃油消耗量，g/kWh；fi系指對Capacity的修正系數(shù)；fj系指冰區(qū)加強修正系數(shù)；fw系指不同的風、浪流等不利海況下導致船舶航速降低的影響因素，可以理解為耐波性失速系數(shù)；feff系指反映了創(chuàng)新型

11、能效技術的利用系數(shù)。2.2 EEDI適用船型根據(jù)“新船能效設計指數(shù)計算方法的臨時導則”，EEDI計算公式適用于：客船、散貨船(包括散貨船、礦砂船、運煤船和散貨礦砂混裝船等)、油船(包括原油船、成品油船、化學品船、瀝青船及相應的混裝船等)、氣體運輸船(包括LNG運輸船、LPG運輸船等)、集裝箱船(包括集裝箱船、敞口集裝箱船等)、車輛運輸船、容積型滾裝船、載重型滾裝船、雜貨船、客滾船。其他船型如拖船、調查研究船、鋪管船、海洋工程船等的EEDI計算方法還在研究中。另外，對于柴油機-電力推進系統(tǒng)、蒸汽輪機推進系統(tǒng)或混合推進系統(tǒng)EEDI計算公式尚不適用7。根據(jù)MEPC第60次會議相關文件，EEDI計算公

12、式適用于400總噸及以上的全部新造船8。MEPC第62次會議通過的“決議MEPC.203(62)”在(MARPOL73/78公約附則VI“防止船舶造成空氣污染規(guī)則”中納入船舶能效新規(guī)則的修正案，將新的修正案作為附則的第4章，包括第19條第23條規(guī)定，第19條規(guī)定：EEDI能效規(guī)則適用于所有400總噸及以上的船舶；第20條獲得的能效設計指數(shù)(Attained EEDI)和第21條要求的能效設計指數(shù)(Required EEDI)不應適用于具有柴油-電力推進、渦輪推進或混合推進系統(tǒng)的船舶9。三、 淺吃水散貨船的總體性能改善3.1淺吃水散貨船主尺度優(yōu)選對船舶的主尺度在考慮航線、港口等條件的限制后，就是

13、船舶主尺度的優(yōu)選，一般船舶主尺度參數(shù)及其選擇方法如下：L-而淺吃水肥大型船長L的選擇，主要由船舶載重量和總布置決定，對該船主要任務、營運航線、航次及航過港口的具體情況予以綜合經濟分析論證，求出最合理的船舶噸位，營運航速，選取最佳船長。在主尺度選擇中，船長是最重要的參數(shù)。選定船長首先應滿足總布置要求，竭力使其緊湊。船長對阻力影響最大。摩擦阻力占船總阻力的6070%，由于船浸濕面積正比子，則摩擦阻力隨船長增加而增加。當設計排水量一定情況下，應適當增大船寬，減小長寬比，以降低船浸濕面積和降低船殼表面粗糙度影響，從而降低摩擦阻力。縮短船長對改善船舶操縱回轉機動性有利，還可相應減少船體結構自重量，當船長

14、增加1%時，船體結構自重量要增加1.7%左右。同時，以經濟性考慮，亦不宜選取較大的船長選取較短的船長，還可降低船在裝卸貨時?？看a頭的支付費用。設計中還應考慮到船長與波長之比值，應避免在L/A=0.81.3范圍內，否則，船產生劇烈的縱搖。一般確定此類型船長的經驗算式歸納如下:H.Bellford算式Lbp=6WD1/3-17 (m)根據(jù)以上綜合計算一艘排量45000DWT的船長取190米以內。B-船寬是淺吃水肥大型船的最主要尺度。首先，根據(jù)船的營運航線航道，以及港口的具體情況確定船寬，如經過巴拿馬運河水鬧，船寬限制在32.3米以內。因此，相當一部分船寬就限制在上述范圍內。其次，選擇船寬取決于設計

15、船的載貨情況，增加船寬可使貨艙容積增大，易于滿足載貨量要求，設計噸位愈大，載重效果愈好。增加船寬可相對加大貨船的開口寬度，便于裝卸貨物，易于滿足總布置要求，便于機船和鍋爐槍布置，亦可改善船員工作及生活處所條件。以船舶穩(wěn)性而言，增加船寬對滿足船舶初穩(wěn)性高度有利。增大船寬既不影響增加船舶重心高度，又不增加般側受風面積，以利改善船舶穩(wěn)性。船寬對阻力影響通常是通過L/B或和B/d權衡研究，低速船增加船寬，對阻力影響不顯著。但船寬過太，使上L/D值過小，導致興波阻力及形狀阻力顯著增加，此外，將導致船舶初穩(wěn)性高度h值過大，當船在大風浪中航行時產生劇烈搖蕩，迫使增大船的橫搖角和角加速度，影響主機正常運轉，增

16、加燃油消耗量，并使螺旋槳工作條件惡化(槳葉受水壓負荷不均，并產生葉片局部出水現(xiàn)象)，從而降低航速。在綜合權衡后，對淺水肥大型船宜取較大的船寬為佳10。對一般低速貨船或油船的船寬經驗估算式如下: 上組算式適用于WD=10000-50000噸的近海貨船，其系數(shù)k1和C1，均可在00.5范圍選取。通過綜合分析，與類似船型比對通過支持向量機優(yōu)選法確定船舶能無限航區(qū)航行并通過巴拿馬運河，控制船寬為32.30米以內。D-船舶型深選取應著重滿足船體總縱強度和扭轉強度及局部結構強度等要求，以及滿足機般布置和貨船容積要求。通常，可根據(jù)船舶干艘高度決定型深，從船體強度考慮，型深不宜過小。按我國海規(guī)規(guī)定：船長小于3

17、00米的船舶，船長與型深之比為Lbp/D<17，船寬與型澡之比為B/D<2.5。因此，對淺吃水肥大型船的型深不宜取得過小，可適當調節(jié)型深高度，以利改善船俸強度。Cb-淺吃水肥大型船的方型系數(shù)。一般選取在0.810.84范圍。該類型船選取Cb值時，主要考慮船舶載重量要與船寬協(xié)調。C值的大小，表示船舶水線以下的船體形狀的肥瘦程度，C值對摩擦阻力影響小，對剩余阻力影響大。而本類型船，摩擦阻力成分所占比例很大，因此，對C值選取可適當增大，同時考慮船的經濟，亦宜選取較大的方型系數(shù)。適用于淺吃水肥大型船計算C值公式，見下式：中橫剖面系數(shù)Cm-設計時取較大的中橫剖面系數(shù)C ，以改善艙室容積。一般

18、Cm可選取在0.995-0.997范圍。縱向棱形系數(shù)Cp-Cp=Cb+C(C=0.003-0.010)。水線面系數(shù)Cw-上海船研所算式Cw= 0.6Cb+0.386(適用肥大船)。標準船型主尺度必須通過大量的方案比較、分析、優(yōu)化后才能確定，是一個多目標的系統(tǒng)優(yōu)化工程。根據(jù)不同的要求，有不同的選擇。從船舶綜合效益出發(fā)，一般選擇投資償還期、船舶初投資、必須運費率和船舶年運輸能力等指標進行優(yōu)化。通常船型主尺度優(yōu)化的方法也比較多，如遺傳算法進化算法、支持向量機、神經優(yōu)化等等，基本這些優(yōu)化都是根據(jù)船型要進行建模，并通過數(shù)學模型計算后再與其它的優(yōu)化方法進行比對，再通過專業(yè)的知識的積累最終確定合適的船舶主尺

19、度。例如支持向量機優(yōu)化就是將支持向量機回歸算法引入船型要素數(shù)學模型中并進行實證分析。在搜集整理現(xiàn)有實船數(shù)據(jù)的基礎上，通過支持向量機回歸算法來建立船長、船寬、吃水、型深、空船重量的數(shù)學模型。3.2淺吃水散貨船的總體能效改善研究通過EEDI船舶能效設計指數(shù)計算公式的綜合分析可知，淺吃水散貨船在主尺度確認的情況下，可以通過以下方法來降低能效設計指數(shù)：一、通過船速(Vref)、主機額定功率(PME)，即通過降低主機功率來降低船速是最直接有效的降低EEDI指數(shù)的方法;同時通過提高同等功率下的航速來降低EEDI指數(shù)值，比如通過型線優(yōu)化、船、機、架匹配技術及高效螺旋架的使用等。二、通過提高船舶的載重量Cap

20、acity方法來降低EEDI指數(shù)值，通過高強鋼的使用、船體結構強度有限元優(yōu)化等方法降低空船的重量，提高載重量的方法實現(xiàn)EEDI值得降低。3.2.1船舶航速及功率匹配優(yōu)化改善能效水平船舶主尺度在確認以后，船舶總體設計最重要的內容就是船舶航速和主機功率的匹配，兩者的合理匹配對船舶能效指數(shù)EEDI水平有決定性作用。本節(jié)將對兩者的匹配進行深入的論述，特別是船舶降速、主機選型及主機降功率使用SMCR點的選擇。1) 減速航行及主機減額輸出對EEDI指數(shù)的改善上海海事大學物流研究所原所長徐劍華教授介紹，航速和燃油消耗呈立方關系，也就是說，如果航速降低2%，燃油消耗將減少8%，所以減速航行時立竿見影的11。如

21、今各設計院普遍釆用的應對EEDI新規(guī)的方法主要是降速航行。船舶減速航行，實質上是主機減功運行，即主機每循環(huán)的噴油量減少，使其有效功減少。當主機減功運行時，其功率大致與槳速(航速)成三次方比例降低。減速航行措施，就是利用這種特性，用航速稍為降低來換取大幅度的節(jié)省推進功率，從而節(jié)約燃油12。航運巨頭馬士基在2008年開始降低航速的方式來節(jié)約成本。其1.8萬標箱的3E船，燃油消耗比E級船低26%，比十年前建造的8000標箱的船平均單位箱位低大約50%。同時，減速航行可以幫助航運公司消耗部分運力，市場上稱為加船減速。以歐洲航線為例，以航班56天，8艘船，現(xiàn)在航班是70多天，10艘船，多投放2艘船。經過

22、計算，10艘船的燃油成本和管理費用比之前8艘船低。當然降速航行對船舶營運也有較大的影響，主要是對主機及其機械設備影響較大。船舶減速航行時主機工況偏離設計工況甚遠，各種性能參數(shù)的匹配可能嚴重失調，導致?lián)Q氣、燃燒、增壓效能以及熱狀態(tài)等一系列危及主機維持正常工況的問題。一般來講主機都是按照高速來設計，降速對機器的傷害很大，由于低速時滑油油壓不夠，造成活塞和缸套潤滑不良，主機燃燒室及掃氣系統(tǒng)迅速污染積炭，低溫腐蝕等不僅是機器本身，還有增壓器、鼓風機，一系列的設備磨損也會增大。因此，從船舶能效優(yōu)化的角度上講，應該盡量不使用這種方法來滿足能效設計指數(shù)EEDI要求。2) 淺吃水散貨船主機選型優(yōu)化改善能效主機

23、的選型主要考慮技術成熟、運行穩(wěn)定，同時噪音要小、振動小，還要經濟性好，重量輕，與其它性能匹配好，指標優(yōu)良等。主機選型及SMCR選點優(yōu)化，其實質是用可以輸出較大功率的柴油機輸出較小的輸出功率，或在同樣功率下降低主機轉速。前者影響主機的尺寸、重量、機搶長度、造價，而后者則影響螺旋槳的直徑及船舶尾吃水，這就需要在總體設計中全面的平衡和考慮。這里僅從油耗及EEDI的角度進行了對比。主機的選型還需要綜合考慮布置及成本。船東以往習慣于在市場情況不好的情況下，通過船舶減速航行來節(jié)省燃油消耗，降低成本，而市場好的情況下，則希望能夠提高航速增大收益。然而，隨著EEDI的強制執(zhí)行，以后的新建船舶，為了滿足EEDI

24、的減排要求，在設計中即需要限定主機的輸出，從而也限制了船舶的航速13。綜上所述，在船舶要求節(jié)能降耗的背景下，營運中的現(xiàn)有船舶(船、機、槳匹配后)，特別是老船型，適合釆用減速航行。而新船的設計必須考慮主機選型及SMCR選點優(yōu)化。3) 淺吃水散貨船的型線及水動力優(yōu)化改善能效船舶的型線優(yōu)化對新船型的開發(fā)至關重要，通過母型船的型線進行優(yōu)化，對船舶的載重量、空船重量、航速都有很大的影響。對于船舶的快速特性而言，淺吃水船舶線型豐滿、濕表面積大，傅氏數(shù)低，粘性阻力在總阻力中所占比例很大，安裝球首作用不大。而且船型短、寬，進流角大，尾部流場又極易分離，所以常規(guī)船型中較易解決的問題，這里卻顯得棘手。船尾設計是個

25、難點，但若釆用雙尾鰭，將尾部設計成縱流型，可延緩流線分離。形狀較為理想的尾鰭，對提高推進效率有利。就操縱性而言，這種船型的回轉性比常規(guī)船好，但其航向穩(wěn)定性和應航跟從性卻往往較差。在淺水中，它的航向穩(wěn)定性會有所好轉，但隨水深減小，舵葉前緣的軸向平均伴流分數(shù)會明顯增加，敞航時舵效很差若采用雙機雙槳雙舵，對解決操縱性問題有利。就耐波性而言，淺吃水船船寬度寬，吃水淺，初穩(wěn)性GM大，其橫搖自搖周期比相當噸位的常規(guī)船舶要小，橫搖的狀況惡化;另外，吃水淺，L/T大，這又使船首底部砰擊、波浪中失速、螺旋槳出水等現(xiàn)象嚴重起來。肥大型船的開發(fā)及優(yōu)化設計中，為縮短開發(fā)周期，減少船模的水池試驗次數(shù)，節(jié)省研究經費，引入

26、CFD技術開展選型工作，隨著計算機技術和CFD技術的結合，CFD程序預報正被廣泛應用在船型優(yōu)選中。通過優(yōu)選的船型再進行船模試驗，模型的試驗結果與程序的計算結果一起比對，獲得最優(yōu)型線。但已有母型船的型線隨著船舶設計技術和手段的不斷改進，成熟母型船的型線已經很優(yōu)秀，再提高對能效指數(shù)EEDI的優(yōu)化已經很有限。研究表明，優(yōu)秀的母型船型線優(yōu)化對EEDI的提高僅有2%，因此船舶型線及水動力優(yōu)化僅進行簡要論述。但型線與水動力的優(yōu)化是真正從總體設計優(yōu)化的角度改善能效，也是船舶設計著的主要工作。隨著船舶水動力節(jié)能技術的不斷成熟，船舶型線優(yōu)化后通過加裝水動力節(jié)能裝置，可以獲得更好的優(yōu)化效果。節(jié)能推進技術主要集中在

27、改善螺旋槳進流、改善槳葉所受壓力、減少槳葉所受摩擦力、更多利用本不能利用的能量、改善傳動軸系。螺旋槳在水中產生的能量損失主要有以下幾個方面：因槳葉表面摩擦力而造成的損失；因槳軸軸向射流而造成的損失，這部分能量損失占總能量損失的2/3；因螺旋槳葉梢禍旋而造成的損失；因槳轂禍旋而造成的損失。而克服這些損失就是新節(jié)能技術人員要做的。介紹幾種筆者收集的最新的水動力節(jié)能裝置：組合式水動力節(jié)能裝置、其他水動力節(jié)能措施（如轂帽鰭、預旋定子、Mewis Dudt系統(tǒng)、不對成船尾、扭曲舵等）。4) 船機槳匹配技術及高效螺旋槳使用對能效優(yōu)化作用船舶動力裝置是船舶正常航行、作業(yè)、停泊的機械裝置的綜合體。船舶主機作為

28、船舶的推進動力，按照螺旋槳特性將主機功率傳遞給船舶軸系，軸系最終把這些功率傳遞給螺旋槳，螺旋槳在水中旋轉產生推力，這些推力客服船舶航行的各種阻力使船舶保持一定的航速。如果柴油機與螺旋槳配合不合理將導致主機轉速上不去、船舶航速達不到、主機超負荷等一系列的問題，嚴重時甚至會產生主機拉敘，因此，螺旋槳與船舶主機匹配性能決定了船舶的快速性、安全性，需要對其進行優(yōu)化設計，以達到更好的匹配特性14。在某一工況下，船、機、槳的能量、轉速均相等，船、機、槳的這個點我們通常叫“配合點”，也叫“船、機、菜匹配的平衡點”。在船舶設計轉速和負荷條件下的配合點，稱為設計配合點，船舶在此點運行，就可得到設計航速，其螺旋槳

29、效率較高，但是此航速下不一定是經濟航速。當船、機、槳的某一方的能量和轉速變化，平衡點也變化，會形成新的平衡點，此平衡點會偏離設計平衡點，這時，轉速、功率和效率等參數(shù)都將發(fā)生變化。通過船舶原理可知:船舶的阻力等于螺旋槳的推力，因此我們可以把船、機、槳的匹配問題轉化成機、槳匹配的問題。因此，用槳的推進曲線，綜合代表船和槳的推進特性。而螺旋槳設計負荷點的確定是額定工況的配合點，一般把機、槳的特性曲線繪制在同一張功率-轉速特性圖上，并找到交點，該點即是額定工況配合點。3.2.2載重量的提高優(yōu)化改善能效在船體主尺度優(yōu)化、船體的水動力型線優(yōu)化完成后，要想繼續(xù)提高能效水平必須從船舶的載重量考慮，通過EEDI

30、能效計算公式可以知道，在船舶主尺度確定的情況下，載重量提高就意味著能效水平提高。要想提高載重量必須降低船舶的空船重量，這就涉及到船舶優(yōu)化設計的另一個方面:船舶結構優(yōu)化，通過船體結構的優(yōu)化可以獲得能效水平的提高。同時結構的優(yōu)化使得空船重量降低，空船重量的降低意味著船舶的建造成本的降低，所以可以獲得建造成本的降低和能效水平的提高雙重效果。船體結構重量占船舶空船重量的較大部分，結構的優(yōu)化對減輕空船重量意義重大，然而船舶設計是系統(tǒng)工程，需要總體、舾裝、結構、甲板機械、輪機、電氣等個專業(yè)的密切配合，這些專業(yè)的優(yōu)化也利于空船重量的減輕。而船舶主尺度是對空船重量影響最大，特別是船舶的長度。民用船舶的基本剖面

31、模數(shù)及波浪彎矩均與船長的平方成正比。因此，船長直接關系到船體鋼材消耗即空船重量15。較小的船舶主尺度能有效降低空船重量，但載重量將會降低，所以對能效指數(shù)EEDI的意義不大。1) 總體優(yōu)化船舶的總體涉及到船舶性能和空船重量的控制。對船舶的尾樓的設計遠洋船雖然沒有強制要求，但尾樓的設置易于在艉部上甲板布置槍室，尾樓的設置加大了船舶大傾角傾斜時的排水量，改善了船舶大傾角時的穩(wěn)性。尾樓的設置一定程度上增加了空船重量，對破槍穩(wěn)性不成問題時可以不設置尾樓，僅設甲板室就滿足要求了。甲板室的層數(shù)在滿足布置圖和駕駛室可視范圍的條件下越少越好。一般層高裝潢后不低于2米-2.1米。大部分船舶設置艏樓或增大脊弧的方法

32、來滿足船級社對船舶首甲板高度的要求.IACS對所有散貨船和油船及其兼用船都設置了艏樓，并對艏樓的位置、高度、長度作了明確規(guī)定16。艏樓的設置對駕駛室的可視范圍是有影響的。SOLAS公約要求從駕駛室位置所見的海綿視域，在所有吃水、縱傾、甲板裝貨情況下，自船艏前方任何一艘10°范圍，均不應該有兩個船身以上的長度或500米(取小者)遮擋17。巴拿馬管理委員會對通過巴拿馬運河的船舶規(guī)定在壓載航行時，從指揮位置的海面視域自船首前方不應有大于1.5倍船長的遮擋18。因此賄樓在滿足規(guī)范前提條件下，艏樓的選取應該盡量小。一般艏樓長度不小于干般船長的7%，這樣做是為了防止干艎有所折減。同時艏樓上甲板邊

33、線半寬不易過于豐滿，同時露天甲板為方便向兩翁排水一般設置有梁拱，但應避免在上層建筑好甲板室內設計梁拱，以避免使用大量敷料造成船舶重量增加。2) 結構優(yōu)化船舶設計時校核總縱強度時，要滿足強度的要求同時又不會使中剖面的縱向構件尺寸過于富裕，以降低船舶空船重量。在中橫剖面圖上，采用的縱向構件盡可能小，剖面模數(shù)較大，且結構工藝性好。雙舷側散貨船頂邊槍下的上部雙舷側結構應采用縱骨架式，雙舷側下部可采用橫骨架式結構。這種混合結構形式使雙舷側上部有較好的縱向強度，下部的舭部有較好的結構工藝性。同時通過縱向構件和橫向構件的優(yōu)化最終達到降低空船重量目的，提高載重量?？v向結構優(yōu)化橫向結構優(yōu)化3) 型材優(yōu)化船舶結構

34、中型材、T型材應用相當廣泛，用量也非常大，在傳統(tǒng)的船舶設計中一般只重視船舶的剛度、強度的要求，對船舶構件的重量沒有引起重視，通常船舶結構的設計按照規(guī)范計算所需要的最小剖面系數(shù)和最小慣性矩，然后人工查型材表來確定型材的大小和規(guī)格。滿足規(guī)范要求的型材的規(guī)格尺寸方案可以有很多，如果不進行優(yōu)化，船舶的空船重量將增加很多設計中橫梁、助骨、扶強材、縱骨等采用扁鋼、球扁鋼可以有效降低次要構件的重量。理論研究表明：對T型材用增加腹板高度的方法來達到增加剖面模數(shù)效果明顯，這種方法比用增加面積來增加剖面模數(shù)的效果更為明顯。如果腹板的厚度允許減少，在不增加腹板面積的條件下，增加腹板高度來獲得剖面模數(shù)的增加，這種做法

35、是相對比較經濟的做法。因為在不提高結構材料成本的情況下，能較大地提高結構的強度功能，從而提高它的使用價值19。T型材使用有其使用的原則，這種原則是:雖然較小的面積，但是剖面模數(shù)較大。4) 高強鋼的應用高強鋼的使用對船舶空船重量的減輕具有非常重要的作用。船體結構在使用期間要承受復雜的動態(tài)荷載，船舶的建造和組裝過程中，結構件會產生巨大的應力，船舶的無限航區(qū)的航行要經受赤道及兩極位置溫度變化的考驗，為了使船舶能在各種環(huán)境下連續(xù)航行，船體結構的完整性必須得到保證，所以對結構鋼及其配套用材提出很高的要求20。高強度鋼應用在船體結構中，最直接的效果是獲得截面尺寸更小的構件。減輕船體自重.這樣就能增加船舶的

36、載貨量、提高航速，船舶能效也會有明顯改善。此外，釆用高強度鋼還能節(jié)省焊接材料的消耗21。高強鋼的屈服極限一般為315-390Nfm2，而普通低碳鋼屈服極限為235Nfm2。高強鋼的優(yōu)點就是強度高，但弱點就是疲勞強度沒有明顯提高。高強鋼使用區(qū)域的部件，會產生應力集中的缺陷，造成構件的壽命的降低。高強鋼一般應用在船舶的強力構件中，對一些大型船的貨艙區(qū)域的縱向構件為強力構件釆用高強鋼，對這些區(qū)域的橫向構件也釆用高強鋼，如某VLCC船高強鋼的使用比例接近80%，空船重量可以減少18%-20%。從船舶結構基本知識可知:船舶的船體結構中，最大的總縱彎曲應力發(fā)生于強力甲板和底部的縱向構件，最大的局部應力發(fā)生

37、在底部和底部附件的縱橫構件中，如果在這些結構中采用高強度鋼，對構件的折減有顯著效果。但有些部位則不宜采用高強鋼，比如靠近船體梁中和軸附近的舷側結構與縱橫艙壁結構中，因為這些結構相對上述結構總縱彎曲應力、局部應力較低。還有就是水線附件范圍的舷側結構因承受波浪的交變載荷，容易產生疲勞裂紋。高強鋼的使用在一些船舶建造中應用比例相當高，整個貨般區(qū)結構全部采用高強鋼，而這種做法容易造成船體的剛度相對較弱，因此，必須嚴格的疲勞強度分析并獲得船級社批準。在船舶的建造過程中，由于高強鋼的使用，船舶的結構構件相應減薄，特別在構件的連接不連續(xù)或不對齊時，這些區(qū)域將會承受很高的應力，輝接的焊縫處也會產生剩佘應力22

38、，這些區(qū)域都存在潛在的破壞隱患，因此建造公差的控制就尤為重要了。高強鋼在使用中還會出現(xiàn)延期裂紋和再熱裂紋不利現(xiàn)象，但這些問題都可以通過相應的措施來防止，比如延期裂紋為防止冷裂紋的出現(xiàn)，施工時釆用低氫焊條，焊條要執(zhí)行嚴格的保溫措施。對再熱裂紋可以釆用對再熱裂紋不敏感的焊接材料，如釆用提高捍接線的能量和預熱溫度，并釆用強度較低的焊接材料?？傊邚婁摰氖褂每梢院艽蟪潭壬系慕档涂沾亓?，最終達到提高載重量的目的，對EEDI的能效指數(shù)的提高也非常重要，這也要求設計者掌握空船重量和船舶壽命的平衡點，去除使用高強鋼的不利因素。四、 結論及展望基于全球節(jié)能減排的大背景下，船舶行業(yè)節(jié)能減排勢在必行，隨著國際海

39、事組織(IMO)對新船能效設計指數(shù)的新規(guī)則的最終通過，隨著船舶節(jié)能減排在全球范圍內2013年1月1日開始實行，EEDI能效指數(shù)由書面研究落實在船舶相關的很多設備和領域中，我們能效研究相對較晚，對我們的船舶制造企業(yè)有較大的挑戰(zhàn)，國家也通入了大量的人力物力進行EEDI能效設計指數(shù)的研究。本文以大型的淺吃水散貨船為設計載體，進行能效設計指數(shù)改善的研究。首先針對EEDI能效設計指數(shù)計算公式展開分析，結論得出船舶能效設計改善必須從改善航速、載重量、新技術的改善等方面入手來改善能效。接下來釆用現(xiàn)代先進支持向量機優(yōu)化方法獲取最優(yōu)的船型主尺度。在主尺度確定的情況下，通過改善船舶航速展開進行能效技術的改善措施，通過船舶航速的降低的方法來降低主機油耗，獲得滿足要的EEDI指數(shù)，同時也可以通過主機的選型優(yōu)化及主機降功率使用等方法來獲得經濟航速。在船舶的阻力的研究后，通過水動力型線優(yōu)化，使得船舶獲得比母性船更優(yōu)的型線。對船、機、槳的匹配研究并獲得合適的匹配點，同時闡述了高能效螺旋槳及其它的水動力節(jié)能技術。在船舶型線確定的條件下，通過對空船重量進行優(yōu)化，獲得更高的船舶載重量。提高空船重量的方法分別從總體優(yōu)化、結構優(yōu)化、船體結構有限元方法優(yōu)化及高強鋼使用方面進行詳細闡述，獲得了預期的效果。對于EEDI能效