楊春華， 嚴(yán)孝欽， 陳曉瑩， 袁紅良， 宋　煒

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129)

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大型LNG船雙艉鰭線(xiàn)型設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析

楊春華， 嚴(yán)孝欽， 陳曉瑩， 袁紅良， 宋煒

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129)

摘要針對(duì)大型LNG船淺吃水的特點(diǎn)，通過(guò)船模試驗(yàn)的方法，從螺旋槳的內(nèi)旋、外旋以及不同的舵角設(shè)計(jì)方面對(duì)雙艉鰭線(xiàn)型阻力與推進(jìn)性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析，研究了適合大型LNG船型的船體線(xiàn)型型式及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。研究結(jié)果表明，在大型LNG船線(xiàn)型設(shè)計(jì)過(guò)程中，雙艉鰭船型設(shè)計(jì)方案比單艉船型設(shè)計(jì)方案在船舶推進(jìn)性能方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。 采用雙艉鰭線(xiàn)型設(shè)計(jì)方案并配合舵角及螺旋槳旋向的設(shè)計(jì)，可有效提高大型LNG船的推進(jìn)性能。

關(guān)鍵詞大型 LNG船雙艉鰭線(xiàn)型舵角優(yōu)化螺旋槳旋向

1LNG船船型發(fā)展介紹

隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的日益增強(qiáng)，天然氣在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)所占的比重越來(lái)越大，作為取代煤、石油等傳統(tǒng)能源的環(huán)境友好型清潔能源，受到世界各國(guó)的青睞。世界范圍內(nèi)，液化天然氣(LNG)的產(chǎn)地分布極其不平衡，目前已探知的LNG產(chǎn)地主要分布在中東、澳大利亞、巴布亞新幾內(nèi)亞、尼日利亞、馬來(lái)西亞與印度尼西亞等國(guó)家和地區(qū)。而LNG的消費(fèi)大國(guó)則主要分布在歐洲、日本、韓國(guó)、中國(guó)與印度等國(guó)家和地區(qū)。LNG出口與進(jìn)口的方式主要是管道運(yùn)輸與海上運(yùn)輸，而管道運(yùn)輸又受到諸多條件限制，所以采用LNG船通過(guò)海上運(yùn)輸是解決LNG產(chǎn)地與消費(fèi)國(guó)家分布不平衡問(wèn)題的一種有效途徑。

LNG船經(jīng)過(guò)了將近60年的發(fā)展，單船貨艙艙容從12×104m3～14×104m3發(fā)展到如今16×104m3～17×104m3，甚至更大的21×104m3、26×104m3船型，船型大型化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。但是，當(dāng)前接收LNG船的專(zhuān)用碼頭還是以陸地固定式碼頭為主，這些LNG碼頭受到港口地理?xiàng)l件等限制，不能自由地改造或擴(kuò)建。這些碼頭的長(zhǎng)度、裝卸臂的高度、港口的水深等因素限制了大型LNG船船型的主尺度。目前，分析世界主要LNG船碼頭發(fā)現(xiàn)，LNG船長(zhǎng)基本限制在300 m左右，吃水在11.5 m附近。因此，LNG船型的發(fā)展受到港口等條件限制，而船舶大型化的經(jīng)濟(jì)性又越來(lái)越高，這就必須考慮LNG船船型的多樣化來(lái)滿(mǎn)足港口等的限制條件，又滿(mǎn)足船型大型化的需求。

2雙艉鰭線(xiàn)型的發(fā)展與應(yīng)用

根據(jù)已發(fā)表的資料來(lái)看，我國(guó)曾經(jīng)在20世紀(jì)80年代對(duì)雙艉、雙艉鰭等特殊線(xiàn)型的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究，并且在內(nèi)河和沿海的船型以及部分特殊的船型上有廣泛的應(yīng)用，但在大型海洋運(yùn)輸船舶上的應(yīng)用研究卻不多。雙艉鰭線(xiàn)型的研究與應(yīng)用主要集中在方型系數(shù)>0.8以及傅氏系數(shù)<0.15的低速肥大船型上。

國(guó)外對(duì)雙艉鰭線(xiàn)型在各種船型上的應(yīng)用研究比較廣泛，不僅將雙艉鰭線(xiàn)型應(yīng)用在70 m船寬的蘇伊士油輪上，也廣泛地應(yīng)用在15×104m3～26×104m3的LNG船上,而且在超大型集裝箱船上也進(jìn)行了廣泛研究。而這幾種船型與上面提到的大方型系數(shù)、低速船型相比較是方型系數(shù)在0.65～0.8，傅氏系數(shù)>0.18的中等方型系數(shù)、快速船型。由于應(yīng)用的船型及船型參數(shù)差別較大，因此必須有針對(duì)性地對(duì)阻力性能、推進(jìn)性能以及操縱性能等水動(dòng)力性能進(jìn)行專(zhuān)題研究。

3雙艉鰭線(xiàn)型在大型LNG船上的應(yīng)用分析

由于LNG裝卸貨碼頭以及港口水深限制，使得大型LNG船的船寬吃水比(B/T)達(dá)到了3.5～4.5，研究雙艉鰭線(xiàn)型并將其應(yīng)用到該船型上預(yù)計(jì)會(huì)收到比較好的效果。為此，我們有針對(duì)性地在17.2×104m3低速機(jī)推進(jìn)LNG船以及17.4×104m3、22×104m3電力推進(jìn)LNG船的線(xiàn)型設(shè)計(jì)以及船模試驗(yàn)項(xiàng)目中進(jìn)行了攻關(guān)與研究，取得了較為理想的效果。并通過(guò)17.4×104m3LNG船的雙艉鰭線(xiàn)型與單艉線(xiàn)型的船模試驗(yàn)，驗(yàn)證了雙艉鰭線(xiàn)型無(wú)論是阻力還是推進(jìn)性能都有較大地提高。

3.1船型參數(shù)

船型參數(shù)如表1所示。

表1　船型參數(shù)

3.2雙艉鰭特征參數(shù)

3.2.1雙艉鰭中心線(xiàn)寬度的設(shè)計(jì)

對(duì)上述三個(gè)船型尺度比進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雙艉鰭片體中心線(xiàn)寬度集中在船寬的35%～40%之間。在此之前，國(guó)內(nèi)對(duì)于雙艉鰭船型的研究主要集中在片體中心線(xiàn)寬度為船寬的50%或更大的范圍內(nèi)。雙艉鰭線(xiàn)型在油輪、集裝箱船與LNG船上的應(yīng)用需要考慮實(shí)際機(jī)艙的布置。通常，雙艉鰭片體中心線(xiàn)寬度占船寬的比例越大，機(jī)艙的布置難度就越高。例如，對(duì)于低速機(jī)推進(jìn)的LNG船型來(lái)說(shuō)，該比例越大，雙主機(jī)布置難度就越高，特別是現(xiàn)在需要滿(mǎn)足燃油艙保護(hù)的機(jī)艙布置就顯得尤為困難。然而，對(duì)于采用電力推進(jìn)的LNG船型來(lái)說(shuō)，該比例越大，兩個(gè)螺旋槳之間的干擾就越小，推進(jìn)效率就會(huì)越高。因此，艉鰭寬度的選擇更多的是從機(jī)艙布置角度出發(fā)來(lái)進(jìn)行選取，在機(jī)艙布置能夠滿(mǎn)足的前提下，應(yīng)盡可能加大片體中心線(xiàn)的距離，以減小雙槳之間的相互影響。

3.2.2雙艉鰭片體尺寸的設(shè)計(jì)

雙艉鰭片體尺寸的大小直接影響到后體的阻力性能、推進(jìn)性能與伴流場(chǎng)的均勻程度。因此，從快速性的角度來(lái)講，雙艉鰭片體的設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)盡可能小。但雙艉鰭線(xiàn)型的設(shè)計(jì)又與機(jī)艙的布置密切相關(guān)，受到雙艉軸系設(shè)計(jì)與布置的限制，以及雙艉鰭片體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制。故雙艉鰭片體的設(shè)計(jì)既要滿(mǎn)足機(jī)艙的布置、艉軸設(shè)計(jì)以及雙艉鰭片體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等要求，又要兼顧快速性需求。

3.2.3舯縱剖線(xiàn)的設(shè)計(jì)

舯縱剖線(xiàn)的設(shè)計(jì)對(duì)雙艉鰭內(nèi)側(cè)線(xiàn)型的形狀影響較大，而且起點(diǎn)越前，與基線(xiàn)的夾角越小，對(duì)阻力性能越好，也可以降低艉部流線(xiàn)的分離。但考慮到LNG船的貨艙圍護(hù)系統(tǒng)施工要求，不希望由于艉鰭的形狀而使貨艙結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，以及影響到貨艙圍護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工，因此舯縱剖線(xiàn)的起點(diǎn)盡可能起始于機(jī)艙前端壁，并在設(shè)計(jì)艉鰭線(xiàn)型時(shí)盡可能使舯縱剖線(xiàn)與基線(xiàn)的夾角最小。

3.3雙艉鰭推進(jìn)性能分析

3.3.1雙艉鰭線(xiàn)型與單艉鰭線(xiàn)型的比較

目前普遍存在的同級(jí)別船型，有的采用單艉船型，有的采用雙艉鰭船型。我們就同一船型，在主尺度、總布置要求都相同的情況下，分別設(shè)計(jì)了單艉線(xiàn)型與雙艉鰭線(xiàn)型，通過(guò)對(duì)船模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出：雙艉鰭方案的總推進(jìn)效率比單艉線(xiàn)型要高出4.5%。通常認(rèn)為雙艉鰭線(xiàn)型的濕表面積比單艉線(xiàn)型要大3%，阻力會(huì)有所增加，但試驗(yàn)結(jié)果卻得到了相反的結(jié)論，雙艉鰭線(xiàn)型的阻力比單艉線(xiàn)型低了6%，在設(shè)計(jì)航速點(diǎn)，總的螺旋槳收到功率低了近11%，如圖1所示。

3.3.2螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向?qū)ν七M(jìn)效率的影響

通過(guò)模型試驗(yàn)，對(duì)同一船型螺旋槳不同旋向進(jìn)行了試驗(yàn)研究，螺旋槳旋向示意圖如圖2所示。

表2列出了該船型的螺旋槳內(nèi)旋、外旋模型試驗(yàn)結(jié)果。綜合對(duì)比螺旋槳敞水效率、船身效率以及總的推進(jìn)效率，結(jié)果如表2所示。

圖1　單槳、雙槳線(xiàn)型推進(jìn)性能比較

圖2　螺旋槳內(nèi)外旋向示意圖

表2　螺旋槳內(nèi)外旋效率對(duì)比表

從表2中數(shù)據(jù)可以看出：內(nèi)旋槳的敞水效率并不比外旋槳的高，但在設(shè)計(jì)航速點(diǎn)的船身效率卻高出8%，導(dǎo)致總的推進(jìn)效率高出5%。

3.3.3初始舵角對(duì)阻力與推進(jìn)性能的影響

除了對(duì)螺旋槳的內(nèi)、外旋向進(jìn)行了比較試驗(yàn)外，同時(shí)也在不同螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向的情況下，對(duì)不同的初始舵角設(shè)置在阻力與推進(jìn)性能方面進(jìn)行了研究，如圖3所示。考慮到布置以及實(shí)船軸系安裝的復(fù)雜性，并沒(méi)有對(duì)螺旋槳軸傾斜軸系對(duì)阻力與推進(jìn)性能的影響進(jìn)行研究。

圖3　舵角示意圖

圖4　線(xiàn)型優(yōu)化、螺旋槳旋向及舵角優(yōu)化組合對(duì)比圖

從同一船型的幾次優(yōu)化線(xiàn)型的試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖4)可以看出：線(xiàn)型不同，最佳舵角也不同，但最佳舵角相對(duì)于螺旋槳內(nèi)旋與外旋條件下的趨勢(shì)沒(méi)有變化。

在同一設(shè)計(jì)航速下，舵中心線(xiàn)與船體中心線(xiàn)不同的夾角情況下的推進(jìn)功率也有較大差別，達(dá)到2.5%～3%，有的線(xiàn)型甚至達(dá)到6%。但是，水池為了方便比較，往往直接進(jìn)行自航試驗(yàn)，并不對(duì)不同舵角時(shí)的阻力情況進(jìn)行比較或驗(yàn)證。因此，通過(guò)完整地比較不同舵角時(shí)的阻力與自航試驗(yàn)結(jié)果，得到的效果并沒(méi)有那么好， 0°與3°舵角的阻力與自航完整的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)只降低了0.6%的功率，并沒(méi)有達(dá)到僅僅通過(guò)自航試驗(yàn)得到的2%的效果，比較結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同舵角自航試驗(yàn)比較圖

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4總結(jié)

(1) 對(duì)比分析單艉鰭線(xiàn)型與雙艉鰭線(xiàn)型的阻力與自航模型試驗(yàn)結(jié)果?？芍瑥目焖傩阅艿慕嵌葋?lái)講，采用雙艉鰭線(xiàn)型設(shè)計(jì)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，比較適用于船寬吃水比(B/T)大于3.5的大型船舶，如LNG船等。

(2) 對(duì)比分析螺旋槳不同旋向的試驗(yàn)結(jié)果?？芍瑢?duì)于雙艉鰭設(shè)計(jì)的船型，內(nèi)旋槳推進(jìn)性能遠(yuǎn)好于外旋槳，對(duì)于其他采用雙艉鰭設(shè)計(jì)的船型，在選擇旋槳旋轉(zhuǎn)方向時(shí)具有一定的借鑒意義。 不過(guò)，具體船型還需要從船體振動(dòng)、軸系布置、操縱性能以及螺旋槳的效率等方面綜合考慮。

(3) 對(duì)比分析舵角優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？芍?，對(duì)于大型LNG船，舵角的優(yōu)化對(duì)提高推進(jìn)性能幅度較小。但是考慮到試驗(yàn)及布置的復(fù)雜性，本次試驗(yàn)并沒(méi)有對(duì)螺旋槳軸線(xiàn)與船體中心線(xiàn)的不同夾角對(duì)阻力與推進(jìn)的影響進(jìn)行研究。因此，傾斜軸系設(shè)計(jì)與舵角優(yōu)化的組合工況對(duì)船舶推進(jìn)性能的影響還需進(jìn)一步研究。該研究取得的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)采用雙艉鰭線(xiàn)型設(shè)計(jì)的超大型集裝箱船與油輪等船型具有一定的借鑒作用。

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基金項(xiàng)目：工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝[2012]534號(hào))。

作者簡(jiǎn)介：楊春華(1983-)，男，工程師，研究方向?yàn)榇翱傮w性能設(shè)計(jì)。

中圖分類(lèi)號(hào)U662

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

On the Key Point of Twin-skeg Hull Line Design of Large LNG Carrier

YANG Chun-hua, YAN Xiao-qin, CHEN Xiao-ying, YUAN Hong-liang, SONG Wei

(Hudong Zhonghua Shipbuilding(Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

AbstractAiming at the specialty of the shallow draft for large LNG carriers, and via the model test method, the key affect factors like propeller rotation direction, initial rudder angle setting have been studied in this article to analysis the twin-skeg hull resistance and propulsion performance, and the hull line type with design points of large LNG ship type were studied. The study shows that in the hull line design of large LNG carrier, twin-skeg hull line design has big advantage when compare with the single-skeg hull line design. Adopt the twin-skeg hull line design can improve the propulsion performance of large LNG carrier.

KeywordsLarge LNG carrierTwin-skeg hull lineRudder angle optimizationPropeller rotation direction