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新概念少压载水&防泥沙船型的技术分析

来源:中国船检  2018-02-28  我要评论  

导读:

针对现有船型和概念船型不能完全解决专用压载舱防泥沙、少压载水、结构重量增加、GM值增大、横摇周期减少、建造难度增大等问题,CCS提出了一种新概念少压载水&防泥沙VLCC船型设计方法,其目的是保证在满足MARPOL公约所要求油船专用压载舱的最小压载吃水的前提下,有利于清除压载舱内的泥沙,减少能耗,降低建造成本、达到节能的目的。

针对现有船型和概念船型不能完全解决专用压载舱防泥沙、少压载水、结构重量增加、GM值增大、横摇周期减少、建造难度增大等问题,CCS提出了一种新概念少压载水&防泥沙VLCC船型设计方法,其目的是保证在满足MARPOL公约所要求油船专用压载舱的最小压载吃水的前提下,有利于清除压载舱内的泥沙,减少能耗,降低建造成本、达到节能的目的。通过对母型船、概念船型及新概念船型的主尺度数据、结构重量等计算数据的对比,验证了本文方法的可行性及经济性,希望对国内乃至全球船舶/航运业以及全球环境提供新的思路。

空载状态下,船舶压载水对大多数的船舶而言是必须的,它的作用一是在船舶空载航行时使船舶保持一定深度的吃水安全航行;二是在船舶载货状态下用压载水在各压载舱之间的压载和调节,达到最佳的浮态,保证船舶安全、经济航行。与此同时,它还给海洋环境带来了污染,耗费大量成本。

为应对国际社会对环境和安全日益严格的要求,造船业必须大力发展绿色、低碳、环境友好型船舶,推进造船业的可持续发展。我国港口水域多泥沙,给船舶带来了安全隐患且增加了环境和人工成本,因此降低泥沙的淤积量,就变成了与减少空船重量相比,降低能耗更经济、也是更可靠的措施。

少/无压载水船舶不仅可以彻底解决压载水的污染问题,还能带来节能等效果以及降低压载水处理系统带来的营运成本,从而从根本上解决船舶压载水问题。少/无压载水船舶理念完全不同于之前的压载水管理方法,它是对船体的一种重新设计。通过特殊船型设计,实现空船在不使用或少使用压载水的情况下也可拥有足够的吃水深度,确保船舶在大多数海况下的安全航行。针对少/无压载水船舶设计展开研究,采用少/无压载水设计理念的船舶可在不使用压载水的情况下航行于远洋环境中(正常海况),在满足所有标准要求及安全性、适航性等相关规范,并在保证经济性的情况下,研究并确定少/无压载水设计理念在实际船舶中的应用,为国内乃至全球船舶/航运业以及全球环境做出一点贡献。

1现有船型或概念船型

通常VLCC压载舱有两种典型布置形式:常规型(如图1所示)和经济型(如图2所示)。常规型的分舱方案可以在相同主尺度下使得货油舱舱容最大化,但满载/压载状态下的中垂/中拱静水弯矩较大;经济型是设计有中压载舱,损失了部分货油舱舱容,但可以降低满载/压载状态下的中垂/中拱静水弯矩;还可以通过调整双壳宽度,增加舱容。

图1:常规型

图2:常规型

VLCC的典型横剖面布置分为两种(如图3所示),主要区别是横向撑材的布置方案不同,分别在中货舱/边货舱。

图3:典型横剖面布置型式

目前无压载水船舶理念有三种(如图4所示),分别为美国密西根大学研发设计的贯通流系统船体(Through-Flow System Hull)、日本造船研究中心(SRC)提出的无压载水船舶(NOBS)和超低压载水船舶(MIBS)理念、荷兰代尔夫特大学研究的单一结构船体(Monomaran)。其中,日本和荷兰的无压载水船舶理念较相近,均是以改变船体浮性以达到无压载水目的。

图4:无压载水船舶理念

贯通流系统船体设计思路是取消压载水舱,代之以两条开放的大型管道,优点是船舶能保持良好的稳定性,缺点是型深、吃水加大,船舶航行中的阻力加大,进而降低了船舶的动力效率。

日本NOBS船型主要特点是NOBS船增加了船宽,纵向弯矩增大,船体重量增加,建造成本上升;横摇周期较小,约为常规船型的2/3;满载状态下的阻力增量与常规船型相比增加14%,空载减小了17%;建造难度加大:肥大型船身,龙骨平坦的部分宽度较小,船底倾斜度较大。

单一结构船体设计理念和日本的NOBS相似,也是以改变船体浮性达到无压载水的目的。其特点就是通过在船底部位设置一个内凹,从外形看像双体船,但实际上还是单体结构,该船型缺点也与NOBS类似,底部的双体结构也存在建造难度大的问题。

2012年DNV发布了未来超级油轮VLCC新概念船-Triality,该船型采用V型船体,与NOBS概念类似。2015年大连船舶重工集团有限公司推出一种压载水最小化的超大型油船(VLCC),该船采用梯形底部结构(见图5),将减少40%的压载水使用量,从而减少对压载水处理能力和能耗的需求,以提升船舶的经济性能和环保性能。上述两种船型也存在NOBS同样的缺点。

图5:梯形船剖面示意图

2新概念船型

为减少压载水且尽量避免NOBS的缺点,在研究现有船型和概念船型的基础上,提出了一种新概念少压载水&防泥沙VLCC船型(见图6)。

图6:新概念船型示意图

(1) 变换原理

本方案的实质是减少压载吃水和舭部排水体积相结合的方法使得压载排水量减少,主要方法如下:

1)通过减少双层底高度和增加双壳宽度的方法,保证货油舱舱容不变;

2)通过舭部线型修改,可采用单圆弧/双圆弧/多圆弧、椭圆弧、直线等舭部线型形式,通过减少舭部体积的方式降低压载吃水下的排水量;

3)通过设置全宽平内底,设置双层底空舱减少压载舱容积;设置舭部压载舱,并通过该压载舱降低压载水的重量重心,避免少压载水船型的GM过大的影响;平内底与舭部外壳相交处设置舭龙骨,减少横摇周期;压载舱底部平坦,实现防泥沙功能。

4)保证满载排水量不变的方法有:增加满载吃水或增加船宽(船长);根据经验,船宽对结构的重量贡献要小于吃水/船长,最经济的是通过增加船宽来达到满载排水量不变的目的。

(2) 船型方案对比

本文基于母型船,根据不同的舭部半径和船宽,给出了4种新船型方案,并在NAPA软件中实现了方案3的船体型线、舱室、装载等计算。通过计算,方案3能满足满载/压载吃水不变,货舱容积不变,压载舱容积减少的目的。

(3) 方案3分析

文中提到NOBS的各种缺点,方案3能否克服是本文研究的重点。

首先是船体结构重量问题。本文采用CCS最新的HCSR规范软件对方案3和母型船分别进行了结构规范强度校核(具体剖面见图8),计算结果表明单位长度结构重量基本不变。

其次,方案3与母型船、MIBS船型的GM值和横摇周期对比数据(见表)。方案3的GM值和船体重量与母型船接近,但MIBS的GM值明显偏大,接近母型船的2倍。GM值和船宽会影响船的横摇周期。

表:方案对比结果

由以上分析:方案3与其他少压载水船型相比:1)方案船型重心高度低,GM值小。其他船型,GM值在满载和压载下均超过规范的许用值70%以上;横摇周期是常规船型的2/3或更小,舒适性差;不满足现有规范体系;2)空船重量基本不变,结构设计更合理。其他船型,空船重量增加2000吨以上,建造成本增加;舭部结构刚度差;斜底底部存在抨击问题,建造施工等难度大等。

(4) 驾驶室可视范围

根据SOLAS公约要求,驾驶室可视范围应大于两个船身以上的长度或 500 m(取其小者)。根据母型船盲区图可知:在8.0m及以上吃水时,首尾倾吃水差不超过6m时均满足驾驶室视野要求;本方案压载工况吃水8.6m时,纵倾差在4.7m范围内,满足公约要求。

(5)新概念船型总结

通过以上具体分析,可知方案3具有以下突出的优点:

1)少压载水

运营过程中压载水最多可减少2w吨左右,接近原最小压载吃水的30%,正常压载的20%。压载水置换能耗可降低约30%,压载水过滤能耗可最少降低约30%。压载泵功率占发电机总功率的56.7%,则发电机功率可降低30%左右,可提高船舶的能效指数。

2)减少建造/运营成本

双层底区域为空舱,PSPC要求降低,能减少约20-30%施工成本;结构更不易腐蚀,降低营运成本。

3)防泥沙功能

压载舱底部为水平面,利于排除泥沙等杂物及人员行走,利于检验与维护,防泥沙性能更优良;与现有的防泥沙船型相比可减少一套压载水管系。

4)船体结构变化

双层底区域为空舱,腐蚀余量减少,该区域结构重量减少;底边舱内底板处结构过渡更合理,可减少应力水平;船舶舭部结构刚度增大,其他布置有利于提高船体梁整体刚度;结构重量基本保持不变。

5)其他优点

与常规船型相比,仅舭部线型改变,重心高度,GM值变化幅度小。舭部可设置舭龙骨,船宽增加幅度较小,横摇周期减小幅度小,对舒适性的影响较小。

3CCS技术服务

通过对新概念船型的技术分析,充分说明本概念船型市场前景可期,CCS将对新概念船型做进一步综合评估,具体内容包括总体布置、性能(含快速性、耐波性等)、公约适用性、装载工况、完整稳性、破舱稳性、结构详细设计、经济性、实用性等方面;还将进行HCSR结构规范计算和有限元优化;结合CFD计算和模型试验进行线型优化,EEDI 验证等。在此基础上,CCS还可根据航线进行量身定制不同主尺度结合的经济船型;进一步结合绿色船舶、智能船舶、无人船舶等先进技术,提出新概念船的整体方案,为业界提供新的思路。

希望业界能够与CCS开展进一步合作,为国内乃至全球船舶/航运业以及全球环境做出应有的贡献。

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