極地破冰型阿芙拉油船的線型設計

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

目前，全球航運重心正逐步轉向北極航道。與傳統環球海上航行航線相比，北極航道暢通后將使這些地區的國際貿易航線航程縮短6 000～8 000 km，可節省40%的航運成本，且能避開索馬里海盜威脅[1]。因此，新型極地冰區船舶市場前景良好。IMO制定的POLAR CODE極地規則2017年1月1日起強制生效,凡是擬進入極地水域營運的船舶均需要滿足POALR CODE的要求，應根據該要求開發滿足極地規則的冰級為PC6的極地阿芙拉油船。

1 冰級要求及特點

1.1 IACS PC冰級劃分

IACS Polar Class中對冰況的相關描述見表1，其中，PC6指能夠在夏/秋季布滿中等厚度當年冰齡的極地海域中獨自運營的鋼制船舶[2]。

1.2 IACS PC船舶冰級特點

除法國船級社(BV)有特殊要求外，包括DNV在內的其他船級社對于Polar Class 6冰級要求的船舶，認可使用常規船艏或球鼻艏來進行破冰活動。此冰級要求下的冰層較薄，破冰采用“連續式”破冰法,即主要靠螺旋槳的力量和船頭(船尾)將冰層劈開撞碎。因此，認為可以使用常規阿芙拉型油船船艏作為此PC 6級冰區航行油船的線型[3-5]。

表1 Polar Class 描述

對于常規型油船船艏，船舶與冰碰撞區域主要集中于球鼻艏出及船舶肩部(首部向肩部過度區域)。但是由于常規型油船的艏部較為臃腫，肩部線性變化較大，導致其與冰面發射碰撞時，容易割傷船體外板和舷側結構[6]。

而對于破冰型船艏，主要依靠水線處部分進行碎冰和排冰。破冰之后，碎冰隨船頭(或船艉)的水下部分移動至船舶兩側和底部。破冰船艏線型的設計需要考慮有利于減小冰面和碎冰對船體的壓力，通過控制線型來達到減少冰面碰撞面積，同時控制碎冰向船舶兩側移動而非船底。

1.3 破冰型船艏形式

1)削瘦型船艏。一般而言，船艏越削瘦，冰面受到的直接壓力越大，同時向舷側的分力越大，更易向兩側排冰，同時碎冰數量減少，可有效防止碎冰通過船底流向尾部推進裝置。因此，現代破冰船船艏的形狀往往削瘦。另外，削瘦且凸出的船艏更利于保證船舶穿過碎冰和破冰時的方向穩定性。

2)艏柱角度與船艏水線下部分。艏柱角度往往是破冰型船舶設計時第一需要考慮的因素。與普通船舶不同，小角度的艏柱角度有利于破冰時對冰面的擠壓。BV要求PC6船舶艏柱角度至少小于60°以保證船的破冰和排冰性能，但其他船級社對PC6級船沒有此類硬性要求。艏柱往往呈S形，以保證破冰部分的角度平緩。船艏部分水線下部分為橫剖面呈V型或勺型，一方面，在破冰時能有效減少破冰阻力；另一方面，盡量使碎冰向船舶舷側移動而不是船底，且碎冰不通過船尾推進裝置。

3)折角。破冰型油船型線多樣，但每種型線都在船舶水線上及水線下部分間做了折角(knuckle)處理，以保證碎冰不會向上堆積，見圖1。

圖1 新型破冰船艏

已有的研究表明，帶有折線的前體下部比流線型的船體更好的具有破冰性能。船舶折線及其下方較為平緩的船體被設計成用來排開碎冰。之后浮力會將這些浮冰推向兩側冰層的下方。

4)艏犁(底部冰刀)。某些強力破冰型船艏會在船艏底部設置艏犁，當大塊浮冰沿著船體縱剖線撞擊艏犁，浮冰就被推到側邊，見圖2。

圖2 帶艏犁破冰船艏

2 破冰線型設計與破冰性能評估

破冰型線設計對于破冰性能所需達到效果如下[7-8]。

1)使破冰阻力最小化。

2)破冰或推冰航行時具有良好的方向穩定性。

3)減少到達螺旋槳處的碎冰，保護船艉推進裝置。

4)保證船舶的操縱性能。

5)破冰同時保證船體強度滿足要求。

盡管強調破冰能力，但是由于PC6油船在絕大部分時間里航行于開闊的無冰海域，如果一味追求破冰性能而忽略敞水性能，對船舶的經濟性亦有很大的影響。

綜合考慮，船艏的設計必須滿足：1)破冰性能要求；2)結構強度要求；3)冰區及敞水水域的經濟性。在船艏設計時，因考慮航行海域，船東要求以及船級社要求等綜合因素選擇合適的方案。

2.1 初步線型方案

方案A。原型Aframax油船線型(球鼻艏，垂直邊緣)。

方案B。艏部改為破冰線型阿芙拉線型。

見圖3，相關參數見表2。

2.2 初步線型冰載荷估算與破評估

船舶經過冰區時，船艏區域與海面上碎冰碰撞示意于圖4。

為保證船艏的結構強度足以承受碰撞時冰對船身的壓力，PC和各大船級社對冰載荷的計算方式進行了規定：對于PC6與PC7船舶，不僅需考慮船艏區域的冰載荷，還需考慮船身過渡區域的冰載荷。由于船艏區域線型變化大，各部分的形狀與特征角度相差較多，因此計算時，將船艏區域及過渡區域平均分為4份，見圖5。

圖3 艏部線型方案

參數方案A方案BLOA/m249.000249.078B/m4444D/m2424T/m13.513.5UWIL(碎冰上沿)/m1515水線處艏柱角 γ/(°)9048水線角 α/(°)3230

圖4 冰區航行碎冰碰撞模型

在UIWL高度(一般為結構吃水上方，本船為水線15 m處)每個分割區域中點處為取值點，根據“Requirements concerning POLAR CLASS”中的計算公計算該點的單點冰載荷值，再計算每一區域的平均冰載荷壓力。

對方案A的阿芙拉原型球鼻艏和方案B的破冰型船艏的109K阿芙拉進行計算。其特征角度見表3，計算結果見表4。

圖5 艏及過度區域劃分

船艏區域位置/m方案Aα/(°)β/(°)方案Bα/(°)β/(°)239.2554003130239.8732302526220.4911002424211.109002020

結果表明，使用破冰型船艏所受冰載荷遠小于原型阿芙拉球鼻艏型船艏。

表4 冰載荷計算結果

2.3 改進線型及分析

對于垂直船艏及球鼻艏船，冰載荷大小與破冰處進水角α直接相關。對于所選Aframax油船原型球鼻船艏來說，由于船艏形狀較為臃腫，船艏部分破冰高度進水角可達40°以上。如在船艏前段觸冰，則冰載荷過大，導致結構加強不足，按結構初步計算，需安裝43 mm左右的厚鋼板,因此，如仍需使用原型船艏，則必須對船艏進行削尖改型，減小船艏方形系數，將船艏部分破冰高度進水角減少為至少33°，才能滿足結構要求。同時，削瘦船艏更利于破冰排冰的要求。

實際上PC6級的油輪每年的大部分時間是航行在不存在浮冰的開闊海域，一味強調破冰性能，必然會造成在普通海域的靜水阻力性能大大降低，反而造成運營成本的上升。因此，考慮對Aframax油船的球鼻型船艏進行適量的削尖改造，形成方案C，見圖6。

圖6 修改后的艏部線型示意

方案C仍有球鼻艏和垂直邊緣，僅水下部分進水角減小以滿足破冰要求。具體特征角度見表5。冰載荷計算結果見表6。計算結果表明方案C仍然滿足冰強度要求。

表5 方案C各區域特征角

表6 方案C冰載荷計算結果

3 設計吃水靜水阻力計算

對方案A、B、C進行靜水阻力計算，利用CFD軟件，評估其在設計吃水下從8～18 kn航速的靜水阻力性能(原阿芙拉船型設計航速為14.5 kn)，并與原型性能進行對比，結果見圖7～9。

圖7 黏粘性阻力系數Cf對比

圖8 壓差阻力系數Cp對比

圖9 總阻力系數Ct對比

黏性阻力與船長及雷諾系數相關：對于船型相似，長度相同的船舶，黏性阻力基本相同，由圖7可得，粘性阻力相差最大為1.4%。

但是壓差阻力(興波阻力)受船型影響巨大，見圖8。在目標的設計航速，由于球鼻艏得存在，壓差阻力在這一階段會顯著降低，但是在低航速和高航速階段相比比沒有球鼻艏的船舶阻力略大。

總阻力等于粘性阻力加壓差阻力，見圖9。方案C在設計航速時，阻力相較破冰船型降低了約10.2%。

4 結論

鑒于PC6破冰油輪大部分時間航行在無冰海域，因此需充分考慮其在無冰海域的阻力性能，經過綜合評估，認為方案C，即經削瘦船艏的阿芙拉線型較為符合要求，在滿足破冰性能的同時，還能保證一定的無冰海域水動力性能。對于球艏首，未來還可針對削瘦后的船型進行優化，進一步優化其水動力性能。需要注意的是，現階段破冰性能驗證工作僅論證結構對于破冰船艏的要求是否滿足，對于船舶實際破冰排冰能力優異程度需繼續探討或進行水池試驗。同時還需注意，PC6級別船舶由于對船艏形狀沒有嚴格限制(除BV外)，但是否存在相關的冰區航行限制，需由船級社向船東進行說明。