孫海曉,王翊

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院,上海 201203)

隨著內(nèi)貿(mào)散貨運(yùn)輸市場(chǎng)不斷優(yōu)化,近幾年新造國(guó)內(nèi)散貨船市場(chǎng)逐漸升溫,國(guó)內(nèi)散貨船日益大型化,航運(yùn)市場(chǎng)地位日益凸顯[1],各大設(shè)計(jì)公司也陸續(xù)推出標(biāo)桿船型以搶占市場(chǎng)。這些船型的共同特點(diǎn)是選用轉(zhuǎn)速更低的柴油機(jī)以及大直徑螺旋槳,提高螺旋槳的推進(jìn)效率,從而降低船舶設(shè)計(jì)狀態(tài)下的主機(jī)油耗水平,因此新船型的設(shè)計(jì)指標(biāo)較老一代船型有著明顯的提高。然而,基于國(guó)內(nèi)散貨運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn),船舶通常在一半以上的航線處于空載航行狀態(tài)。為此,對(duì)國(guó)內(nèi)散貨船全航線周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

1 國(guó)內(nèi)散貨船航線特點(diǎn)

我國(guó)內(nèi)貿(mào)散貨運(yùn)輸?shù)闹饕浧窞槊禾?、礦石、礦建材料,以及糧食,其中煤炭占比最大。我國(guó)煤炭資源主要分布在山西、陜西及內(nèi)蒙古西部(簡(jiǎn)稱(chēng)“三西地區(qū)”),而用煤“大戶”則集中在東部沿海和華中、華南地區(qū)。煤炭供需之間存在錯(cuò)配,由此形成了“西煤東調(diào)”“北煤南運(yùn)”的格局[2]。水路運(yùn)輸在“北煤南運(yùn)”中起著重要作用,其中最為活躍的航線為環(huán)渤海港口群至長(zhǎng)三角港口群和環(huán)渤海港口群至珠江三角洲港口群。國(guó)內(nèi)散貨船航線的主要特點(diǎn)如下。

1)吃水及載重噸限制。環(huán)渤海港口群主要以海港為主,自然條件較好,是煤炭的出發(fā)港,特點(diǎn)是航道的水深較深,水面寬,能進(jìn)出大型船舶[3];長(zhǎng)江沿線,南京至長(zhǎng)江口,船舶受航道吃水限制,碼頭以50 000 t級(jí)為主,南京以下12.5 m深水航道工程已于2018年4月竣工,南京下游航道已全程實(shí)現(xiàn)12.5 m水深;珠江三角洲港口群允許的船舶最大吃水在12.5～14.3 m之間,最小也可以?？?0 000 t級(jí)的散貨船。因此,從事我國(guó)內(nèi)貿(mào)散貨運(yùn)輸?shù)纳⒇洿嘁?0 000 t級(jí)的船舶為主。

2)航線范圍主要位于我國(guó)沿海及主要內(nèi)河區(qū)域,航程較短。根據(jù)海圖測(cè)量,從秦皇島港口碼頭至南京港口碼頭,航程約為800 n mile,見(jiàn)圖1;從秦皇島港口碼頭至珠江水域碼頭,航程約為1 400 n mile,見(jiàn)圖2。

圖1 秦皇島至南京航線

圖2 秦皇島至廣州航線

3)航線范圍內(nèi)船舶航行狀態(tài)不同。由于國(guó)內(nèi)散貨運(yùn)輸貨品比較單一,且貨品供需關(guān)系具有明顯方向性,一個(gè)航次內(nèi),船舶一半航程處于滿載狀態(tài),另一半航程處于壓載狀態(tài)。從船舶整個(gè)服務(wù)生命周期來(lái)看,考慮船舶母港、接貨港、維修、檢驗(yàn)等因素,船舶一半以上的航程會(huì)處于壓載航行狀態(tài)。

2 國(guó)內(nèi)散貨船船型特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)散貨船是一種主要參與內(nèi)貿(mào)散貨運(yùn)輸?shù)拇?通常懸掛中華人民共和國(guó)國(guó)旗,滿足中國(guó)海事局《國(guó)內(nèi)航行法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》,2019年之前建造的內(nèi)貿(mào)散貨船按照中國(guó)船級(jí)社《國(guó)內(nèi)航行海船入級(jí)規(guī)則》和《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》,航區(qū)為“國(guó)內(nèi)近海航區(qū)”,授予“CSAD”系列船級(jí)符號(hào);隨著《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》和《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》的技術(shù)要求趨于一致,2019年之后建造的內(nèi)貿(mào)散貨船,可授予“CSA”系列船級(jí)符號(hào),對(duì)應(yīng)的航區(qū)符號(hào)為“R1”。相對(duì)于無(wú)限航區(qū)散貨船,國(guó)內(nèi)散貨船主要有以下特點(diǎn)。

1)技術(shù)要求較低,空船重量相對(duì)較輕,相同尺度下載重量更大,設(shè)備使用維護(hù)費(fèi)用相對(duì)較低,經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于無(wú)限航區(qū)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸散貨船。

2)由于內(nèi)貿(mào)散貨運(yùn)輸航線較短,國(guó)內(nèi)散貨船通常配置續(xù)航力約為4 000～6 000 n mile,實(shí)際營(yíng)運(yùn)時(shí),為增加船舶的載貨能力,船舶通常僅配備總油水容積的一半甚至更少,壓載狀態(tài)時(shí)船舶的螺旋槳的浸沒(méi)率比較低。

3)內(nèi)河航行時(shí)吃水受限,目前南京至南通一線港口最小淡水吃水為11.36 m,下游吃水可達(dá)到11.8～12.5 m。國(guó)內(nèi)散貨船通常設(shè)有設(shè)計(jì)吃水和結(jié)構(gòu)吃水,以適應(yīng)不同港口碼頭的吃水要求。設(shè)計(jì)中需要限制船舶的縱傾,避免發(fā)生觸底,通常以縱傾不超過(guò)0.5 m為宜。

3 螺旋槳選型及經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 螺旋槳選型影響

近年來(lái)新造的國(guó)內(nèi)散貨船普遍采用大直徑螺旋槳的設(shè)計(jì)理念,并匹配更新?lián)Q代后轉(zhuǎn)速更低的柴油機(jī),從而提高螺旋槳的推進(jìn)效率。

但是,由于內(nèi)貿(mào)散貨運(yùn)輸特點(diǎn),國(guó)內(nèi)散貨船通常一半以上的航程處于空載航行狀態(tài),此時(shí),采用大直徑螺旋槳設(shè)計(jì)方案,也往往會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。

1)大直徑螺旋槳需要匹配低轉(zhuǎn)速柴油機(jī),而直徑相對(duì)較小的螺旋槳,相匹配的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速也較高,相同主機(jī)功率下,轉(zhuǎn)速越高越接近主機(jī)選型的L2～L4線,意味著主機(jī)單位油耗越低,相反地,轉(zhuǎn)速越低情況下主機(jī)的單位油耗越高。

2)船舶航行必須滿足螺旋槳全浸沒(méi)狀態(tài),采用大直徑螺旋槳,空載航行時(shí)需要壓載更多的壓載水,以滿足螺旋槳的浸沒(méi)要求,而采用直徑相對(duì)較小的螺旋槳,需要的壓載水量相對(duì)也較少,船舶的排水量自然也較小,有利于降低壓載狀態(tài)下主機(jī)的實(shí)際功率。另外,減少壓載水量也有利于提高船舶的能效水平,且有利于增加貨艙艙容。

3)大直徑螺旋槳通常更接近船體外板,螺旋槳激振力會(huì)有所增加;壓載航行時(shí),由于風(fēng)浪的影響,螺旋槳更容易出水,出現(xiàn)吸氣現(xiàn)象,導(dǎo)致螺旋槳推進(jìn)效率降低。

3.2 螺旋槳選型對(duì)比

以上海船舶研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)新一代5.1萬(wàn)t國(guó)內(nèi)散貨船為例,以該船的模型阻力試驗(yàn)及伴流試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ),螺旋槳采用圖譜設(shè)計(jì)方法,選用MAU系列螺旋槳圖譜,以便于對(duì)螺旋槳選型進(jìn)行橫向比較。以船舶設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)為初始輸入條件,選型得到的不同螺旋槳對(duì)應(yīng)的敞水效率見(jiàn)圖3,不同螺旋槳選型對(duì)應(yīng)的航速功率曲線見(jiàn)圖4。

圖3 螺旋槳選型敞水效率對(duì)比

圖4 螺旋槳選型對(duì)應(yīng)的航速功率

可見(jiàn),采用大直徑螺旋槳匹配低速柴油機(jī)的設(shè)計(jì)方案,相同航速下螺旋槳所需的收到功率最小;同樣,采用4葉螺旋槳情況下,直徑6.5 m螺旋槳較直徑6.0 m直徑螺旋槳,螺旋槳收到功率下降了約3.98%,為滿足機(jī)槳匹配效果,螺旋槳對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速需同時(shí)下降約15%。

3.3 主機(jī)選型對(duì)比

根據(jù)螺旋槳選型計(jì)算結(jié)果,船舶設(shè)計(jì)狀態(tài)下選定的主機(jī)功率點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 主機(jī)選型對(duì)比表

為便于比較同機(jī)型下螺旋槳轉(zhuǎn)速帶來(lái)的油耗差異,主機(jī)采用同一型號(hào)MAN-5S50-C9.7機(jī)型,見(jiàn)圖5。

圖5 主機(jī)選型范圍

為達(dá)到設(shè)計(jì)吃水13 kn設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,主機(jī)的常用功率點(diǎn)統(tǒng)一選為75%的主機(jī)額定功率,并按照國(guó)內(nèi)運(yùn)輸船舶常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)入10%海況裕度。同一主機(jī)型號(hào)下,采用不同螺旋槳選型方案下的主機(jī)油耗對(duì)比見(jiàn)圖6。

圖6 同機(jī)型不同螺旋槳方案下油耗對(duì)比

采用較大轉(zhuǎn)速的主機(jī),由于螺旋槳功率點(diǎn)更接近主機(jī)選型的L2～L4線,主機(jī)單位油耗較低,直徑6.0 m螺旋槳方案和直徑5.5 m螺旋槳方案對(duì)應(yīng)的主機(jī)單位油耗在常用功率點(diǎn)比較接近,主機(jī)高功率區(qū)間(80%額定功率以上),直徑5.5 m螺旋槳方案主機(jī)轉(zhuǎn)速更高,單位油耗更有優(yōu)勢(shì)。主機(jī)常用功率下,直徑6.0 m螺旋槳方案和直徑5.5 m螺旋槳方案,較直徑6.5 m螺旋槳方案,雖然單位油耗下降了約1.72%,但油耗下降率仍低于螺旋槳推進(jìn)效率提高值(3.98%)。因此就船舶滿載設(shè)計(jì)狀態(tài)而言,采用大直徑螺旋槳匹配低轉(zhuǎn)速柴油機(jī)的設(shè)計(jì)方案,確實(shí)有利于提高船舶的設(shè)計(jì)油耗指標(biāo)。

3.4 船型影響對(duì)比

螺旋槳選型同船型設(shè)計(jì)密切相關(guān),船舶正常航行時(shí)需滿足螺旋槳浸沒(méi)要求,尤其船舶壓載狀態(tài)下,艉部吃水較小,船舶有一定的艉傾,此時(shí)還應(yīng)考慮船舶的視線要求,盲區(qū)長(zhǎng)度范圍不超過(guò)法規(guī)要求[4],這些均需要通過(guò)船舶自身攜帶的壓載水調(diào)節(jié)船舶浮態(tài),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)航行要求。此外,不同螺旋槳直徑下,對(duì)應(yīng)螺旋槳的軸線高度也不同,在滿足主機(jī)布置要求前提下,直徑越小的螺旋槳,軸線高度相應(yīng)越低,螺旋槳浸沒(méi)等要求更容易實(shí)現(xiàn)。為消除由于螺旋槳浸沒(méi)率不同導(dǎo)致的推進(jìn)效率差異,不同螺旋槳選型情況下,按照相同的船舶螺旋槳浸沒(méi)率(螺旋槳浸沒(méi)率為螺旋槳位置軸線處至水面的距離與螺旋槳直徑的比值)調(diào)整船舶浮態(tài),配置相應(yīng)容量的壓載水,此時(shí)視線可通過(guò)加高上層建筑高度或者削減艏樓的方式滿足法規(guī)要求,與各螺旋槳選型方案對(duì)應(yīng)的船舶壓載狀態(tài)時(shí)艏艉吃水及需攜帶的壓載水量見(jiàn)表2。

表2 不同螺旋槳選型下船舶壓載狀態(tài)及攜帶壓載水量

按照通常的國(guó)內(nèi)散貨船設(shè)計(jì),船舶為單舷側(cè)結(jié)構(gòu),設(shè)頂邊壓載艙和底壓載艙,頂邊壓載艙通常采用重力式排放,頂邊壓載艙注入和底壓載艙的注入和排放操作,均需要借助壓載泵。以案例船為例,頂邊壓載艙壓載水量約占總壓載水量的1/3。國(guó)內(nèi)散貨船一個(gè)航程中通常包含2次壓載水排出和注入操作,該船配有2臺(tái)壓載泵,單臺(tái)排量1 000 m3/h,電力驅(qū)動(dòng),額定功率約132 kW,以發(fā)電機(jī)效率92%進(jìn)行估算,不同螺旋槳選型方案下,由于壓載水量的不同,一個(gè)航程內(nèi)壓載水操作油耗量對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 不同螺旋槳選型下壓載水操作油耗對(duì)比

3.5 全航程經(jīng)濟(jì)性

由于受試驗(yàn)條件限制,所研究船型僅具備首吃水4.30 m和尾吃水7.10 m對(duì)應(yīng)的壓載狀態(tài)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果,對(duì)應(yīng)直徑6.5 m螺旋槳方案,其他螺旋槳選型方案對(duì)應(yīng)的壓載狀態(tài),其有效功率數(shù)據(jù)根據(jù)海軍系數(shù)法[5]進(jìn)行換算,并根據(jù)選型螺旋槳推進(jìn)效率計(jì)算到船舶自航狀態(tài),見(jiàn)圖7。

圖7 不同螺旋槳選型壓載狀態(tài)的自航功率

為便于進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較,船舶整個(gè)航程中均按照13.0 kn航速計(jì)算主機(jī)實(shí)際功率,并計(jì)入10%海況裕度,這樣可保證船舶去程和返程時(shí)間相同,以秦皇島港口至南京港航線為例,航程約5 000 n mile,不同螺旋槳選型下船舶全航程的油耗數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 不同螺旋槳選型全航程油耗對(duì)比

注:*含壓載水操作。

可見(jiàn)在全航程條件下,采用小直徑5.5 m螺旋槳的設(shè)計(jì)方案,較大直徑6.5 m螺旋槳設(shè)計(jì)方案,船舶的油耗量可降低約4.0%。

4 結(jié)論

1)采用低轉(zhuǎn)速大直徑螺旋槳的設(shè)計(jì)理念,雖然主機(jī)單位油耗有所增加,但螺旋槳推進(jìn)效率得到明顯提升,效率的提高較油耗增加更為明顯,確實(shí)有利于提高船舶在設(shè)計(jì)狀態(tài)下的技術(shù)指標(biāo),有助于船舶推廣獲得訂單。

2)采用低轉(zhuǎn)速大直徑螺旋槳同樣也會(huì)帶來(lái)一定的負(fù)面作用,船舶的軸線高度需要隨著螺旋槳直徑的增加相應(yīng)抬高,船舶壓載狀態(tài)需攜帶更多的壓載水,以滿足螺旋槳的浸沒(méi)要求,相應(yīng)的會(huì)增加壓載水操作的處理量和能耗水平。

3)采用低轉(zhuǎn)速大直徑螺旋槳,船舶壓載狀態(tài)下需攜帶更多的壓載水,壓載航行狀態(tài)下排水量明顯增加,相同航速下船舶主機(jī)功率也有明顯提高。對(duì)于國(guó)內(nèi)散貨船,貨品供需關(guān)系具有明顯方向性,船舶一半以上的航程處于壓載狀態(tài),在全航程的條件下考慮船舶的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),采用低轉(zhuǎn)速大直徑螺旋槳的設(shè)計(jì)方案,船舶的經(jīng)濟(jì)性反而處于劣勢(shì)。

本文還存在諸多不足之處,由于受試驗(yàn)條件限制,采用較小直徑螺旋槳方案時(shí),壓載航行有效功率依靠海軍系數(shù)法進(jìn)行換算,較試驗(yàn)壓載狀態(tài)更淺吃水狀態(tài)下的船舶自航因子參照了壓載狀態(tài)下的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù);以船舶油耗數(shù)據(jù)作為單一目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,實(shí)際國(guó)內(nèi)散貨船的設(shè)計(jì)中,最終的壓載水量的確定還應(yīng)綜合考慮總縱強(qiáng)度、視線及首部拍擊等問(wèn)題的影響。