袁 萍 黃 婧

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，長(zhǎng)江水上船舶密度持續(xù)增加，各類(lèi)石油、化工產(chǎn)品的消耗量也隨之增大，運(yùn)輸船舶的數(shù)量和危險(xiǎn)貨物的運(yùn)量相應(yīng)大幅增加，溢油事故的發(fā)生幾率也隨之提高．

長(zhǎng)江中型多功能溢油回收船的建設(shè)是結(jié)合《國(guó)家水上交通安全監(jiān)管和救助系統(tǒng)布局規(guī)劃》的要求，配合沿江船舶溢油應(yīng)急設(shè)備庫(kù)的建設(shè)，在轄區(qū)分散配置多艘中型多功能溢油回收船，其他區(qū)域配置小型機(jī)動(dòng)收油機(jī)，依托轄區(qū)水域污染事故應(yīng)急反應(yīng)決策支持系統(tǒng)，滿足轄區(qū)水域的船舶污染防治和溢油應(yīng)急反應(yīng)的需要，通過(guò)組織社會(huì)各方力量，在轄區(qū)水域具備對(duì)抗100t水上溢油事故的能力．根據(jù)現(xiàn)階段溢油防控的迫切需求，首批船將配置在武漢海事局、江蘇海事局等轄區(qū)．

30m級(jí)內(nèi)河雙體浮油回收船是為江蘇海事局開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的首批中型多功能溢油應(yīng)急處置船，用于長(zhǎng)江江蘇段水域船舶溢油事故的應(yīng)急處置．該船為專業(yè)溢油應(yīng)急處置船，當(dāng)轄區(qū)內(nèi)出現(xiàn)重大溢油事故時(shí)能夠在最快的時(shí)間內(nèi)到達(dá)指定地點(diǎn)，作為溢油現(xiàn)場(chǎng)指揮中心，主要功能為：溢油回收、臨時(shí)儲(chǔ)存、應(yīng)急輔助卸載和溢油圍控、消油劑噴灑等．其輔助功能為：航道溢油監(jiān)視、油輪過(guò)駁監(jiān)護(hù)、溢油及污染源監(jiān)視監(jiān)控、溢油處理裝備運(yùn)送、溢油應(yīng)急信息傳輸和支持溢油事故調(diào)查取證，兼顧港區(qū)內(nèi)船舶油污水和垃圾回收等，也可用于溢油應(yīng)急專業(yè)訓(xùn)練并支持水上交通巡邏等作業(yè)．日?？勺鳛閷?duì)長(zhǎng)江海事系統(tǒng)下屬支隊(duì)的工作船、艇的供油船（油類(lèi)閃點(diǎn)＞60℃）．系統(tǒng)最大回收油能力為60m3／h，浮油回收艙艙容74m3．該船航區(qū)為長(zhǎng)江A級(jí)航區(qū)，既要滿足25km／h的應(yīng)急響應(yīng)航速，又要在溢油清除作業(yè)1～4kn低速時(shí)保持穩(wěn)定，同時(shí)具備良好的操縱性能．

1 主尺度及船型研究

根據(jù)工可批復(fù)及設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求，船長(zhǎng)30 m，輕載設(shè)計(jì)吃水不超過(guò)1．5m．

水面溢油回收的最關(guān)鍵設(shè)備是收油機(jī)（撇油機(jī)），收油機(jī)在水面收集浮油的過(guò)程就是油水分離的過(guò)程．世界各國(guó)的收油機(jī)種類(lèi)繁多，值得借鑒的是在上世紀(jì)90年代，美國(guó)采用完全開(kāi)放式的統(tǒng)一招標(biāo)，將各國(guó)有代表性的收油機(jī)（如堰式、盤(pán)式、刷式、帶式、真空式、繩式、動(dòng)態(tài)斜面式、機(jī)械式、收油網(wǎng)等）在美國(guó)環(huán)保署的實(shí)驗(yàn)池中，分別倒入真的各種油，模擬各種真實(shí)海況（不同流速、波浪等）進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試比較，以選擇各項(xiàng)性能指標(biāo)和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性最好的溢油收油機(jī)（有定量和定性評(píng)估報(bào)告）經(jīng)綜合分析，以內(nèi)置式動(dòng)態(tài)斜面收油機(jī)（DIP）為最佳，到目前為止世界各國(guó)已選購(gòu)365套DIP收油機(jī)．DIP收油機(jī)分內(nèi)置式和側(cè)掛式2種．首艘海上溢油回收船也選用了美國(guó)內(nèi)置式動(dòng)態(tài)斜面收油機(jī)（DIP）．收油機(jī)裝在首部主體內(nèi)，配有首門(mén)，收油效果較好；但為配合安裝收油機(jī)及平直的首門(mén)，首部線型較肥，航行時(shí)興波阻力較大．后續(xù)船上為了解決首部興波問(wèn)題采用了側(cè)收式內(nèi)置式收油機(jī)，舷側(cè)開(kāi)門(mén)收油．這種內(nèi)置式收油機(jī)要占用艙內(nèi)一定的空間，往往在大型溢油回收船上采用．

該船船長(zhǎng)只有30m左右，還要有70m3左右的溢油回收艙容，甲板布置及艙容都很緊張，設(shè)計(jì)航速為25km／h，弗勞德數(shù)Fr為0．395，接近過(guò)渡艇船型，興波阻力占到總阻力的65%～70%，由于排水量較大（方形系數(shù)約0．64）如果采用單體船型，長(zhǎng)度排水量系數(shù)只有6左右，首興波阻力會(huì)很大；采用雙體船型，片體較纖瘦，長(zhǎng)度排水量系數(shù)在8左右，從而降低首興波阻力．為此在船型選擇時(shí)對(duì)單體和雙體船型布置，內(nèi)置式及側(cè)掛式等多個(gè)方案的進(jìn)行了比較分析．

方案一 雙體／內(nèi)置式收油機(jī)船型方案

雙體船的收油機(jī)布置在2個(gè)片體間，僅作業(yè)時(shí)降至水里，收油機(jī)不作業(yè)時(shí)可上升收藏于甲板面，維修保養(yǎng)方便，且不增加附體阻力．收油機(jī)不接觸江水，與船體水下結(jié)構(gòu)沒(méi)有任何關(guān)系，既不影響船舶的型線設(shè)計(jì)，對(duì)船舶的快速性能也沒(méi)有任何影響［1－2］．此外，雙體船的2個(gè)片體可以起到掃油臂的作用，可以有效縮短掃油臂的長(zhǎng)度；同時(shí)，收油機(jī)作業(yè)時(shí)才需要下降接觸水面，這就有利于收油機(jī)的保養(yǎng)維護(hù)．

對(duì)于內(nèi)河雙體船而言，其穩(wěn)性、操縱性、快速性指標(biāo)均較單體船為優(yōu)；但是相對(duì)于單體船而言，雙體船造價(jià)略高，同樣船長(zhǎng)的情況下，空船排水量略大，有效裝載量較小，表現(xiàn)在污油艙的容量較單體船方案為?。畧D1為安裝在連接橋間的收油機(jī)．

方案二 單體／船首內(nèi)置式收油機(jī)船型方案

本方案收油機(jī)放置在船體首部，船體首部結(jié)構(gòu)需要配合收油機(jī)的使用要求作出適應(yīng)性改動(dòng)，并采用2扇可開(kāi)閉的船艏門(mén)作為首部船體線型．在工作狀態(tài)，首門(mén)打開(kāi)，收油機(jī)的掃油臂伸至水面，收油機(jī)開(kāi)始進(jìn)行收油工作．

圖1 安裝在連接橋間的收油機(jī)

對(duì)本方案而言，首門(mén)的加工比較復(fù)雜，一方面必須與船體首部結(jié)構(gòu)相配合；另一方面，由于加工工藝的限制，首門(mén)外型以垂直平面為主，增加了船舶首部型線處理的難度，引起較大興波阻力，影響船舶正常航行狀態(tài)時(shí)的快速性能．此外，由于制造加工工藝的限制，首門(mén)結(jié)合部位只可能做到風(fēng)雨密，布置在首部的內(nèi)置收油機(jī)有一部分長(zhǎng)期浸沒(méi)在水中對(duì)收油機(jī)的使用保養(yǎng)也是不利的．且首部安裝收油機(jī)的部位由于開(kāi)有一道槽，這就使得船舶損失了這個(gè)部位一定的排水量．

方案三 單體／內(nèi)嵌式收油機(jī)船型方案

本方案的2臺(tái)收油機(jī)布置在單體船的兩舷并開(kāi)有側(cè)門(mén)．相較與方案二而言，對(duì)船舶的快速性能影響小一些，相較與方案一而言，該船船體結(jié)構(gòu)重量要小些．

方案二、方案三兩側(cè)船體內(nèi)都要內(nèi)嵌收油機(jī)，要損失一定的排水量，甲板作業(yè)面積也很緊張，雙體船的收油機(jī)布置在2個(gè)片體間，僅作業(yè)時(shí)降至水里，平時(shí)收起不與水接觸，維修保養(yǎng)方便，且不增加附體阻力．而單體船的收油機(jī)布置在首部（船首內(nèi)置）或舷側(cè)（兩舷內(nèi)嵌），船體結(jié)構(gòu)上均需開(kāi)門(mén)，收油機(jī)長(zhǎng)期與水接觸，維修保養(yǎng)需上塢．雙體方案較單體方案有較大的甲板作業(yè)面積，船長(zhǎng)較短經(jīng)濟(jì)性較好，片體瘦削，高速時(shí)阻力較小，雙體船的操縱性及回轉(zhuǎn)性較好，2個(gè)片體能保證它有良好的航向穩(wěn)定性．不足的是雙體船片體瘦削，排水量較為緊張．綜合比較后選擇雙體船型，設(shè)全回轉(zhuǎn)舵槳裝置兩套，回轉(zhuǎn)靈活，能保證低速作業(yè)航行時(shí)回轉(zhuǎn)及穩(wěn)定性能．該船的主尺度及主要參數(shù)見(jiàn)表1．

表1 主尺度及主要參數(shù)

2 船模試驗(yàn)及分析研究

1）推進(jìn)方式比選 該船設(shè)計(jì)航速為25 km／h，F(xiàn)r為0．395，接近過(guò)渡艇船型，但作為溢油回收船，要求回收油工作航速1～4kn時(shí)穩(wěn)定，操縱靈活，為此進(jìn)行了多種推進(jìn)方式的比選，見(jiàn)表2．

表2 推進(jìn)方式比較

全回轉(zhuǎn)舵槳在日常管理和維護(hù)保養(yǎng)方面最簡(jiǎn)單，實(shí)船業(yè)績(jī)較多，可作為首選方案［3－4］．而針對(duì)于該船航速高、Fr高達(dá)0．395的情況，選用不帶導(dǎo)管的全回轉(zhuǎn)舵槳可能更有利于快速性能并進(jìn)行了試驗(yàn)比較．

2）線型優(yōu)化：采用尖艏、縱流尾型． 船首線型盡量尖瘦以減小興波阻力，尾部去流段縱剖線盡量平順，使螺旋槳來(lái)流順暢．適當(dāng)?shù)母⌒奈恢萌≡隰焙螅?．8%Lwl左右．由于航道要求吃水較淺，為保證舵槳安全使用，防止產(chǎn)生氣蝕和空泡，為避免全回轉(zhuǎn)舵槳工作時(shí)空氣吸入影響效率，對(duì)尾部線型進(jìn)行了優(yōu)化對(duì)比試驗(yàn)．尾部片體線型見(jiàn)圖2．

圖2 尾部片體線型

圖3 為尾部片體線型，左側(cè)片體為常規(guī)尾型，右側(cè)為優(yōu)化尾型．右側(cè)7站至尾封板兩側(cè)改為逐漸向下向后形成邊整流鰭尾，防止空氣吸入并有整流作用［5－6］．

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案確定后，對(duì)不同吃水、不同尾型、帶導(dǎo)管的全回轉(zhuǎn)舵槳和不帶導(dǎo)管的全回轉(zhuǎn)舵槳等船型方案的船模進(jìn)行快速性試驗(yàn)，試驗(yàn)狀態(tài)表見(jiàn)表3，模型尾部帶導(dǎo)管的整流鰭尾型見(jiàn)圖3．

圖3 帶導(dǎo)管的整流鰭尾型

表3 試驗(yàn)狀態(tài)表

由模型阻力換算至實(shí)船阻力時(shí)采用付汝德法（Froude’s Method），摩擦阻力系數(shù)計(jì)算采用I．T．T．C．—1957公式，其表達(dá)式為

模型－實(shí)船換算摩擦阻力補(bǔ)貼系數(shù)取為△Cfs＝0．4×10－3，所有的阻力試驗(yàn)結(jié)果全部換算至標(biāo)準(zhǔn)水溫t＝15℃的淡水狀態(tài)，換算結(jié)果中附加了5%的阻力貯備．附體濕表面積均計(jì)入阻力換算中．

試驗(yàn)狀態(tài)4即改型的整流鰭尾型，試驗(yàn)狀態(tài)5即尾部園舭常規(guī)線型；試驗(yàn)狀態(tài)1和2中的全附體即帶導(dǎo)管和呆木，試驗(yàn)狀態(tài)3是去掉呆木和舭龍骨但保留導(dǎo)管；試驗(yàn)狀態(tài)4和5中光體是指去掉呆木、舭龍骨、導(dǎo)管．有效功率預(yù)報(bào)曲線見(jiàn)圖4．

圖4 實(shí)船有效功率曲線

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

1）在設(shè)計(jì)吃水1．5m時(shí)，試驗(yàn)狀態(tài)4和5即尾部圓舭常規(guī)線型，光體即改型的整流鰭尾型對(duì)比：改為整流鰭尾型后，阻力沒(méi)有增加，阻力和圓舭常規(guī)線型很接近，在設(shè)計(jì)航速25km／h附近還有所下降；說(shuō)明整流鰭尾不但能防止空氣吸入并且有一些整流作用．

2）帶導(dǎo)管的全回轉(zhuǎn)舵槳和不帶導(dǎo)管的全回轉(zhuǎn)舵槳阻力比較：即只保留導(dǎo)管的試驗(yàn)狀態(tài)3和試驗(yàn)狀態(tài)4與5中光體阻力相比，從阻力曲線和有效馬力值可以看出，帶導(dǎo)管的阻力增加了約30%，導(dǎo)管的設(shè)置可以提供較大推力，往往適用于中、低速船舶，功率負(fù)荷大于25的重載工況下，在較高速船上要結(jié)合操縱性和快速性能綜合考慮其適用性，可以選擇不采用導(dǎo)管．

綜合分析：

1）從總布置方面考慮，由于本船吃水較小，如果采用帶導(dǎo)管舵槳時(shí)，由于導(dǎo)管占據(jù)了槳葉上部空間，舵槳下緣將突出到基線以下約200mm（見(jiàn)圖5），這樣對(duì)航行安全不利．如果取消導(dǎo)管，舵槳下緣可基本處于基線附近．

圖5

2）圖6是根據(jù)船模試驗(yàn)阻力數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)情況，由舵槳廠家提供的舵槳推力和航速預(yù)報(bào)．其曲線為本船不帶導(dǎo)管狀態(tài)時(shí)的船模換算阻力曲線（未考慮5%阻力附加值），以及不帶導(dǎo)管時(shí)的舵槳推力曲線（由肖特爾公司提供），交點(diǎn)處即為設(shè)計(jì)航速，約為13．65kn，再進(jìn)一步考慮船模換算的5%阻力附加值，設(shè)計(jì)航速約13．5kn．

圖6 航速預(yù)報(bào)圖

3）為便于分析帶導(dǎo)管舵槳、不帶導(dǎo)管舵槳對(duì)推力的影響，將帶導(dǎo)管時(shí)的舵槳推力曲線（也由肖特爾公司提供）也在圖6中同時(shí)列出．（注：采用帶導(dǎo)管的舵槳后，由于此時(shí)的船舶阻力曲線大幅提高，曲線交點(diǎn)約為12．5kn，請(qǐng)參見(jiàn)圖7及圖5所示的推力曲線和有效功率曲線．

從圖7可以看出，帶導(dǎo)管與不帶導(dǎo)管相比，在低速狀態(tài)（小于10．5kn航速）時(shí)，舵槳的推力值為帶導(dǎo)管狀態(tài)大于不帶導(dǎo)管狀態(tài)；而在大于10．5 kn航速以后，舵槳的推力值為不帶導(dǎo)管狀態(tài)大于帶導(dǎo)管狀態(tài)．換言之，在高速狀態(tài)下，舵槳不帶導(dǎo)管時(shí)有利，船舶航速較高；而在低速狀態(tài)下，舵槳帶導(dǎo)管時(shí)有利．鑒于本船巡航狀態(tài)占據(jù)其使用壽命的絕對(duì)多數(shù)，從保證巡航速度、提高節(jié)能減排效果考慮，采用不帶導(dǎo)管舵槳是有利的．

而在低速狀態(tài)下，雖然采用不帶導(dǎo)管的舵槳作為推進(jìn)裝置，與采用帶導(dǎo)管的舵槳相比，其推力有所下降，但由于本船尺度較小，且為360°全回轉(zhuǎn)舵槳，對(duì)于船舶的操縱性能的不利影響是基本可以忽略的．

4）尾型采用整流鰭尾型．

3 結(jié)論及建議

在研發(fā)設(shè)計(jì)中，在選擇雙體船型方案后，對(duì)該船的快速性能進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，針對(duì)尾部線型優(yōu)化比較、帶導(dǎo)管全回轉(zhuǎn)舵槳和不帶導(dǎo)管全回轉(zhuǎn)舵槳等不同船型方案進(jìn)行了船模試驗(yàn)和分析研究，從船型選擇、尾型優(yōu)化及推進(jìn)方式等幾個(gè)方面綜合考慮，解決了船舶裝載和布置、輕載快速性能和低速穩(wěn)定操縱性等矛盾，取得了較為理想的結(jié)果，首制船各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求．

通過(guò)發(fā)現(xiàn)船模試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：

1）帶導(dǎo)管全回轉(zhuǎn)舵槳對(duì)航速影響較大，不采用導(dǎo)管時(shí)在同樣吃水條件下螺旋槳直徑可以取得略大一些，效率高一些，在相同主尺度和主機(jī)功率下，航速相差約1kn，故對(duì)航速要求較高的船舶不建議采用帶導(dǎo)管螺旋槳作為推進(jìn)方式．

2）由于吃水較淺，為配合使用舵槳，尾部可采用邊整流鰭線型，對(duì)減小阻力，防止產(chǎn)生氣蝕和空泡都有好處．

3）收油機(jī)安裝在片體之間，安裝導(dǎo)軌處舷側(cè)應(yīng)盡量設(shè)計(jì)為平行垂直段，保證導(dǎo)軌能安裝在船體內(nèi)側(cè)，對(duì)船舶快速性能影響減到最??；雙體船對(duì)排水量的變化較敏感，所以在預(yù)估重量重心時(shí)需要力求準(zhǔn)確，留有余量．

［1］王國(guó)強(qiáng)，董世湯．船舶螺旋槳理論與應(yīng)用［M］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007．

［2］陳 進(jìn)．18m 航道快艇設(shè)計(jì)［J］．船海工程，2012，41（2）：55－58．

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