船舶大型化與我國的船舶技術(shù)發(fā)展

船舶大型化與我國的船舶技術(shù)發(fā)展

1淺黨支部船結(jié)構(gòu)及分類自1960年以來，以石油為主導(dǎo)的船只呈現(xiàn)出大規(guī)模發(fā)展的趨勢。船舶大型化有兩個(gè)方面的含義:其一,船舶絕對幾何尺度大大增加;其二,船舶的方型系數(shù)Cb達(dá)到0.8以上,形成肥大型船。船舶大型化后,裝載量大幅度提高,取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。到了70年代,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,25～30萬噸的油輪占世界油輪總的50%;接著,散貨船、多用途船也迅速大型化。由于受航道水深的制約,大型化船舶的吃水不可能再有明顯的增加,于是出現(xiàn)了淺吃水肥大船,其船型特征是:長寬比L/B<5.5,寬度吃水比B/T>2.8,方型系數(shù)Cb=0.80～0.835。到80年代,在淺吃水肥大船的基礎(chǔ)上,發(fā)展了超淺吃水船(USDV),這時(shí)B/T可達(dá)到6.4,一些特種船舶,如模塊運(yùn)輸船,其B/T甚至更大。到了90年代,在世界先進(jìn)的造船國家,淺吃水船、超淺吃水船的相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步完善;我國也有幾型淺吃水肥大船成功地投入營運(yùn),技術(shù)難度更大的超淺吃水船也開始出現(xiàn)。常規(guī)船、淺吃水肥大船、超淺吃水船的區(qū)分,關(guān)鍵在B/T的取值。一般認(rèn)為,B/T<2.8為常規(guī)船,B/T在2.8～4為淺吃水船,B/T>4則為超淺吃水船。在上述各檔區(qū)間,各國所造出的船的噸位、B/T等也不盡相同。這是根據(jù)各具體的貨源、運(yùn)距、航道水深、潮差及港口設(shè)施等綜合論證后確定的。所以,淺吃水船、超淺吃水船是一個(gè)相對的概念:對于較深的航道條件,可造出噸位、尺度很大的淺吃水船或超淺吃水船;對于較淺的航道條件,超淺吃水船的噸位、尺度就相應(yīng)地較小?？偟闹笇?dǎo)思想是提高船舶對港口、航道水深的適應(yīng)性,讓造出的船舶具有盡可能多的裝載量和較好的營運(yùn)效益。時(shí)至21世紀(jì)之初,回顧世界船舶技術(shù)的發(fā)展歷程,集裝箱船獲得了長足的進(jìn)展,已經(jīng)出現(xiàn)可裝載6000TEU以上的第六代超巴拿馬型的集裝箱船;并據(jù)資料,有70%的貨物可用集裝箱船裝運(yùn)。但在物流中,仍有大量的礦砂、煤炭、散裝化肥以及原油仍須由散貨船或液貨船裝運(yùn)。淺吃水船、超淺吃水船仍然可在散、液貨運(yùn)送中發(fā)揮著不可或缺的作用,表現(xiàn)出久遠(yuǎn)的生命力。所以,淺吃水船、超淺吃水船的節(jié)能、高效、低成本始終是擺在船舶研究者面前的研究課題,并且這些研究完全符合我國沿海港口航道水深較淺的國情。2船尾、船階在較高、集中于常規(guī)船型見圖2早期,國外有人提出,單槳淺吃水船的L/B不能小于5,B/T不宜大于4。這種提法反映了淺吃水船在技術(shù)上有一系列難題;至于超淺吃水船,似乎成了禁區(qū)。的確,這類船舶在快速性、操縱性、耐波性等方面,存在著與常規(guī)船舶不同的地方,各項(xiàng)性能指標(biāo)一般都趨于惡化。就快速性而言,這類船舶線型豐滿、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(jìn)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(shè)計(jì)是個(gè)難點(diǎn),但若采用雙尾鰭,將尾部設(shè)計(jì)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(jìn)效率有利。就操縱性而言,這種船型的回轉(zhuǎn)性比常規(guī)船好,但其航向穩(wěn)定性和應(yīng)舵跟從性卻往往較差。在淺水中,它的航向穩(wěn)定性會(huì)有所好轉(zhuǎn),但隨水深減小,舵葉前緣的軸向平均伴流分?jǐn)?shù)會(huì)明顯增加,敞航時(shí)舵效很差。若采用雙機(jī)雙槳雙舵,對解決操縱性問題有利。就耐波性而言,淺吃水船及超淺吃水船寬度寬,吃水淺,初穩(wěn)性GM大,其橫搖自搖周期比相當(dāng)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、螺旋漿出水等現(xiàn)象嚴(yán)重起來。把超淺吃水船的概念應(yīng)用到小噸位船的設(shè)計(jì)上,碰到的問題會(huì)更多。3船型方案的確定本文研究的對象,是一艘在航道最小水深為2.5米并需利用潮差進(jìn)行航行的運(yùn)煤船。據(jù)實(shí)際水深條件,若把該船設(shè)計(jì)成常規(guī)船型,則至多是條排水量為600多噸的小船,其載貨量非常有限。為了提高營運(yùn)經(jīng)濟(jì)效益,裝載量最好能提高到1500噸左右,這就必須采用超淺吃水船型。經(jīng)論證,主尺度如表1所示,船型方案的型線示意圖參見圖1。在初步設(shè)計(jì)階段,首先面臨著這樣一些問題:a)在設(shè)定的主機(jī)功率下,新船的航速能否達(dá)到預(yù)定要求?b)它在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)如何,是否滿足使用要求?c)這類船舶舯剖面系數(shù)很大,船又很扁,安裝舭龍骨有沒有作用?如果不裝,其阻力性能是否有所得益?d)該船所服務(wù)的航區(qū)時(shí)常有較大的風(fēng)浪,在風(fēng)浪中航行,失速是否嚴(yán)重?螺旋槳出水概率如何?前者關(guān)系到營運(yùn)效益,后者關(guān)系到設(shè)計(jì)中螺旋槳直徑和槳軸浸深的研究;e)在風(fēng)浪中航行,是否會(huì)出現(xiàn)頻繁的首底部砰擊,這又是進(jìn)行首部線型優(yōu)化、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)以及壓載艙布置等設(shè)計(jì)工作時(shí)需要了解的。本文旨在解決上述問題。4船模及龍骨安裝根據(jù)水池尺度和造波頻率范圍,考慮到阻力試驗(yàn)和波浪試驗(yàn)的需要,確定試驗(yàn)船模的縮尺比為20。船模為木質(zhì),表面噴漆、打蠟,在第19站安裝一根?1的激流絲。舭龍骨安裝在第5站至第15站。在波浪試驗(yàn)中,船模的重心高度、慣性矩及慣性半徑系數(shù)參見表2。4.1水體阻力及功率拖曳阻力試驗(yàn)安排4種測試狀態(tài):船模不帶舵、不裝舵龍骨,測定超載、滿載、壓載狀態(tài)下的船體阻力,以及船模不帶舵、裝舭龍骨滿載時(shí)的船體阻力。測試結(jié)果用Schuster公式進(jìn)行水池阻塞修正,用概率修勻函數(shù)消除隨機(jī)影響,摩擦阻力系數(shù)采用′57ITTC公式,用二因次法換算到15°C海水中實(shí)船的有效功率。粗糙度補(bǔ)貼取ΔCf=0.0004。4.2抗波性試驗(yàn)4.2.1自由單次搖晃試驗(yàn)船模滿載正浮,對安裝舭龍骨和不裝舭龍骨兩種狀態(tài)進(jìn)行靜水中自由橫搖衰減試驗(yàn)。4.2.2混充填試驗(yàn)船模滿載、正浮、零速,分安裝舭龍骨和不裝舭龍骨兩種狀態(tài),作橫浪試驗(yàn)。試驗(yàn)波高6cm,波頻范圍0.6～1.5s-1。據(jù)測試結(jié)果作出橫搖頻率響應(yīng)曲線,并預(yù)報(bào)實(shí)船橫搖。4.2.3船模和帶波者ls-對策船模滿載、正浮、帶舭龍骨、進(jìn)速1.035m/s(相當(dāng)于實(shí)船航速9kn),及壓載、尾傾、帶舭龍骨、進(jìn)速1.094m/s(相當(dāng)于實(shí)船航速9.5kn),作迎浪試驗(yàn)。試驗(yàn)波高6cm,波頻范圍0.4～0.85s-1。同步測出船模的縱搖、升沉、波浪中的阻力,同時(shí)用鉭絲測出尾部相對運(yùn)動(dòng)。從而得到迎浪航行時(shí)縱搖、升沉、阻力增加、尾部相對運(yùn)動(dòng)的頻率響應(yīng)曲線,并預(yù)報(bào)實(shí)船縱向運(yùn)動(dòng)。4.2.4ittc單參數(shù)譜和雙參數(shù)譜預(yù)報(bào)船舶運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則波波譜,可采用ITTC單參數(shù)譜和雙參數(shù)譜,也可采用光易譜。本文采用ITTC單參數(shù)譜及雙參數(shù)譜:S(ω)=Aω5exp(?Bω4)(m2/s)S(ω)=Aω5exp(-Bω4)(m2/s)其中單參數(shù)譜:A=0.78,B=3.11H21/3;雙參數(shù)譜:A=173H21/3/T4,B=691/T4(此處T為特征周期)5試驗(yàn)結(jié)果及大型超平水船的設(shè)計(jì)建議5.1功能降低,影響有效功率阻力性能試驗(yàn)結(jié)果(實(shí)船有效功率曲線)參見圖2,其中滿載有效功率曲線可作為預(yù)報(bào)航速的依據(jù)。從營運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性看,該船的服務(wù)航速似不宜太高。從圖2可知,裝上舭龍骨后,船舶的總阻力增加不多。在設(shè)計(jì)航速附近,舭龍骨引起的阻力增加在2%以內(nèi)。與同樣噸位的常規(guī)船型比,超淺吃水船每載重噸的有效功率要高;但與同樣吃水的常規(guī)船型比,超淺吃水船每載重噸的有效功率要低。這既是超淺吃水船的弱點(diǎn)所在,也是超淺吃水船的魅力所在。一般說來,增加船長可使有效功率降低,但引起造價(jià)增加;減少一些方型系數(shù),有效功率明顯降低,但排水量有所減少;船寬的增加,對造價(jià)影響較小,但要處理好進(jìn)流角和控制尾部流場分離。如采用一小球首,有利于處理好進(jìn)流角問題,并通過首部線型的變化,使流經(jīng)船底和流經(jīng)船側(cè)的水流合理分配,盡量減小流線轉(zhuǎn)折。當(dāng)設(shè)計(jì)船速高些時(shí),這樣處理就會(huì)顯示出優(yōu)越性。本船采用雙尾形式,這無疑是好的,已為以往的經(jīng)驗(yàn)所證實(shí)。經(jīng)驗(yàn)還表明,船尾采用尾柱比用尾軸架好,而不對雙尾鰭又比尾柱好。本船尾部采用尾柱,是為了防止?jié)O網(wǎng)卷入螺旋槳。其實(shí),其阻力性能和耐波性能都不及不對稱雙尾鰭。5.2海洋不易生產(chǎn)有參與景觀的設(shè)備從自由橫搖衰減試驗(yàn)測出,船舶滿載正浮時(shí),加裝舭龍骨,橫搖固有周期為5.24秒;不裝舭龍骨,則為5.21秒。測試記錄參見圖3。兩者相差無幾,安裝舭龍骨后稍大。這和理論上的結(jié)論是一致的。橫搖周期如此之短,這是超淺吃水船的概念用在小船設(shè)計(jì)的必然結(jié)果。中國沿海5秒周期的波浪出現(xiàn)頻率很高,所以應(yīng)該采取措施。首部若能采用中、小水線面線型,尾部采用較大的雙尾鰭,使排水量適當(dāng)下移,對降低GM值有效;同時(shí),可考慮適當(dāng)增加雙層底高度,加大頂邊水艙容積,盡量提高船舶的重心高度,使自搖周期得以加大。5.3進(jìn)一步減搖提高壓載質(zhì)量耐波性試驗(yàn)的結(jié)果見圖4～圖8。從圖4看出,裝舭龍骨時(shí)船舶的橫搖頻率響應(yīng)曲線與不裝舭龍骨差異很大。所以,盡管設(shè)想過,對B/T很大的船可不裝舭龍骨,而試驗(yàn)結(jié)果表明,對于超淺吃水船,舭龍骨的作用仍在很大,設(shè)計(jì)中不可省去,甚至應(yīng)該盡可能加大它的面積。從波浪試驗(yàn)得出縱搖、升沉、阻力增加及相對運(yùn)動(dòng)頻率響應(yīng)曲線,從而預(yù)報(bào)實(shí)船在波浪上運(yùn)動(dòng)的各項(xiàng)特征值。預(yù)報(bào)結(jié)果列于表3及表4。從預(yù)報(bào)結(jié)果看,該超淺吃水船橫搖性能尚可,但在較高海況下,橫搖值還是大了些,在設(shè)計(jì)中有必要進(jìn)一步采取一些減搖措施。縱搖的情況,滿載時(shí)尚好;高海況壓載航行縱搖較大。該運(yùn)煤船在回程空放時(shí),需增加一些壓載。設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮壓載水艙的容積。升沉的情況,滿載狀態(tài)和壓載狀態(tài)相當(dāng)。縱搖和升沉值若能控制在較小的范圍內(nèi),可使船舶的相對運(yùn)動(dòng)減小,那么螺旋槳出水飛車、首部砰擊、波浪中失速都會(huì)相應(yīng)地緩和下來。減少首部水線面面積,采用小球首和尾部使用較大的尾鰭,使排水量下移,減少波浪的擾動(dòng)力,增加阻尼力,對改善船舶的縱向運(yùn)動(dòng)有較明顯的效果。建議在設(shè)計(jì)中采用。從預(yù)報(bào)值看來,風(fēng)浪中的阻力增加較為嚴(yán)重。鑒此,采用前述的方法顯得很有必要。壓載時(shí)槳出水概率較大,有必要考慮減小槳直徑和采取較大的槳軸浸深。盡管大直徑低轉(zhuǎn)速螺旋槳具有較高的效率,然而,螺旋槳一旦出水,則無效率可言。這里可考慮用概率方法,在槳螺旋出水和效率之間進(jìn)行權(quán)衡優(yōu)化。另外,增加壓載也是解決問題的途徑之一。試驗(yàn)觀察得到,在壓載尾傾狀態(tài)下迎浪航行,船首出現(xiàn)砰擊(在試驗(yàn)波頻0.65～0.75附近)。為減小砰擊力,設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮適當(dāng)修改首部線型,并在壓載水艙布置時(shí),考慮改變縱傾狀態(tài),兼顧解決砰擊問題。首底部的局部加強(qiáng)應(yīng)在設(shè)計(jì)中予以考慮。6付款時(shí)1根據(jù)阻力性能試驗(yàn)結(jié)果，該船的靜水阻力性能仍然良好從試驗(yàn)得出的有效功率曲線可作為預(yù)報(bào)航速的依據(jù)。若采用建議的措施,可望其阻力性能獲得一定的改善。2根據(jù)耐心能預(yù)測的情況，該船在海況下能夠滿足使用要求但需進(jìn)一步改善