7 000 m3多用途乙烯运输船快速性研究

葛明臣， 管凤武， 胡 平

（1.航运技术与安全国家重点实验室，上海200135；2.上海欧得利船舶工程有限公司，上海200023）

0 引 言

乙烯运输船是一种半冷半压液化气船，以－104°C压力容器式液货舱（C型独立舱）载运液化气体，主要用于载运乙烯，丙烷，丁烷，丙烯，氯乙烯，二甲醚等货品。

优化船型应满足以下要求。

1.由于乙烯运输船需穿行于江河沿海水域的液化气站和化工厂，要求浅吃水。

2.IGC规则要求任意位置破损后船舶状态衡准，要求有较高破舱稳性。

3.甲板上设备、管路复杂，要有较大横向甲板面积以便通道顺畅。

4.为节省材料，液罐直径达到12.28 m，船长大大缩短。然而，由于液罐直径较大，液罐与船体的连接结构也较大，再加上250 mm厚的隔热保温层，为合理布置舱内通道及液罐与船体间间隙，船宽要远大于同宽度的其他货运船只。

5.由于液化气船载货密度较小，设计载货密度为0.68 kg／m3，因此在满载状态下相对其他货运船只，对船舶的尾倾倾向校正不足，要求船的浮心位置必须设计在船中附近。

6.相对其他货运船，其机舱内需安装数台喷淋泵、货物加热泵等大型设备，发电机容量相对巨大，集控室内配电板多，采用二冲程低速机推进，要求船机舱布置合理。

7.由于运输过程中要进行降温再液化操作，耗能较大，需要尽量提高航速，缩短航行时间，即要求快速性。

1 主尺度优化

船体主尺度、船型系数及尺度比是表示船体大小、形状、肥瘦程度的几何参数，这些参数对船舶的设计、建造和性能有重要影响。母型船主尺度见表1。

采用该尺度需加大方形系数来增加排水量，这必定会降低船舶的快速性能，因此须对该尺度做优化。

（1）优化尺度降低方形系数提高快速性能；

（2）优化主机，降低主机转速，尽量增大螺旋桨最佳直径，提高推进效率。

优化主尺度后，目标船主尺度见表2。

表1 母型船主尺度

表2 目标船主尺度

由表2可知，增加船宽和吃水，方形系数大幅减小，长宽比仍然接近6.0，船宽吃水比接近2.8，该尺度比对提高快速性和线性优化十分有利。

母型船螺旋桨直径3.8 m，5叶。优化主机参数并调整齿轮箱减速比，使用航速预报系统对目标船预估，螺旋桨最佳直径4.2 m，较母型船螺旋桨直径提高10.5%，敞水效率提高3.5%。

2 线型优化

在服务航速为15 kn时，对应的傅氏数Fn＝0.23，为方形系数为0.74的中速船，兴波阻力在总阻力中的比重较大。为降低兴波阻力，前体设计了1个较大的SV球艏，横剖面呈梨形，球艏均在设计水线以下。Lb／Lpp为3.67%，使进流段加长，进流角减小，通过球艏与船首兴波的有利干扰来减小兴波阻力。球艏参数见表3。

表3 球艏特征 %

艉部设计成球艉。采用球艉船型的优点是伴流分布均匀，推进效率高，并可改善艉部振动。

浮心位于舯后，后体丰满且去流段较短，易引起漩涡、增加粘压阻力。因此，将排水量尽量堆积在船侧，收缩螺旋桨上方的艉部线型，并尽量使整个艉部线型光顺，使该处流场的水流从船底经螺旋桨顺利流出。

初步线型确定后，采用非线性势流软件RAPID对初始线型进行评估，通过计算船体波系特性、船体表面压力场分布，定性分析船体线型优化的改善方向。

计算状态设定为设计吃水T为6.6 m，航速Vs为15 kn，允许自由纵倾和升沉（见图1～图4）。

CFD计算结果表明，对于Fn＝0.23的船型，该线型艏艉兴波较小，压力分布均匀，可进行船模试验。

3 船模试验研究

该船模试验研究在上海船舶运输科学研究所拖曳水池中进行。

1）试验用船模为木制，桨模采用库存侧斜桨。

螺旋桨敞水试验由敞水动力仪测量；阻力试验带舵，由R63测量；自航试验采用强迫自航方法，用R25测量；伴流试验采用五孔毕托耙进行测量。全部试验由计算机进行数据采集分析。

模型试验照片见图5、图6，可以看出，波形状态与CFD计算结果吻合，波形平稳，艏部无破波。

图1 波形分布

图2 半宽处纵切波分布

图3 船体表面压力分布

图4 自由面压力分布

图5 船模照片

图6 船模试验

2）试验结果分析计算

船模阻力计算使用二因次方法；自航分析采用等推力方法；实船预估采用1978年15届ITTC单桨船预估方法进行。试验结果见图7、图8、表4。

图7 设计状态有效功率曲线

图8 压载状态有效功率曲线

表4 自航试验结果（T＝6.6／6.6 m）

与母型船相比，设计吃水下，目标船排水量多出1 100 t，而阻力降低10%，推进效率提高10%，节能效果明显。

4 压载纵倾优化

在压载状态，原压载吃水为Tf／Ta＝4.0／5.5 m，由于艏吃水正处于球鼻艏最宽处，致使水线进角太“钝”，造成球艏波破碎，导致阻力增大。如若装载状态许可，改变纵倾状态，增大或减小艏吃水，则可降低压载阻力。综合考虑后，采用保持艉吃水不变，艏吃水增加至4.5 m，额外补充一组压载吃水纵倾优化试验，结果表明，在12.5～15 kn，阻力降低明显，最高达到6%（见图8），推进效率也提高1%～3%。

5 结 语

通过对7 000 m3LEG船进行尺度优化和线型优化，降低方形系数、增大螺旋桨直径，并采用CFD软件对线型做前期优化分析，船模试验验证表明节能效果显著，设计吃水状态下收到功率较母型船降低近20%。并且通过压载状态纵倾优化试验，证明油耗降低最高达9%。市场上类似船型主机在5 000～6 000 k W，多数服务航速在14.5～15 kn，主机4 170 k W，航速＞15 kn。可见，该7 000 m3多用途乙烯运输船线型快速性处于领先水平的。

［1］ 1978 ITTC Perf or mance Prediction Method［S］.1978.

［2］ 盛振邦，刘应中.船舶原理［M］.上海：上海交通出版社，2003.

［3］ 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.