320總噸遠(yuǎn)洋雙甲板拖網(wǎng)漁船船型優(yōu)化設(shè)計

李 納，梁建生

(1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點實驗室，上海 200092;2 海洋試點國家實驗室深藍(lán)漁業(yè)工程聯(lián)合實驗室，山東 青島 266237)

為了穩(wěn)定中國過洋性漁業(yè)，確保遠(yuǎn)洋捕撈競爭力，應(yīng)積極開展遠(yuǎn)洋雙甲板拖網(wǎng)漁船新船型開發(fā)，及時更新老舊漁船，增加競爭優(yōu)勢，以鞏固和擴(kuò)大國際漁業(yè)合作規(guī)模，提高產(chǎn)量，降低成本，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益得到進(jìn)一步的提升，實現(xiàn)遠(yuǎn)洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。隨著計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和計算機(jī)流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)在船舶水動力學(xué)上的成功應(yīng)用，國內(nèi)漁船設(shè)計研發(fā)能力有了很大提升，張亞等[2-3]建立了考慮網(wǎng)具、網(wǎng)板大小的拖網(wǎng)漁船船型優(yōu)化模型，對漁船進(jìn)行多目標(biāo)的船型技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證；謝永和等[4]通過CFD研究了拖網(wǎng)漁船的水動力節(jié)能技術(shù)。國外發(fā)達(dá)國家利用數(shù)字化設(shè)計建造技術(shù)研發(fā)出適應(yīng)能力強(qiáng)、高效、生態(tài)、節(jié)能、環(huán)保型專業(yè)化深遠(yuǎn)海作業(yè)漁船，在船用柴油發(fā)動機(jī)上使用創(chuàng)新的熱回收技術(shù)(ORC)，可減少高達(dá)10%的溫室氣體排放，提高了發(fā)動機(jī)燃料效率[5]；在漁船動力裝置上優(yōu)化配比可調(diào)槳與新型能源LNG等[6]，提高船舶整個運(yùn)行范圍內(nèi)的推進(jìn)效率，從而降低運(yùn)行成本。

320總噸遠(yuǎn)洋雙甲板拖網(wǎng)漁船是標(biāo)準(zhǔn)化更新改造的主流船型，在船型研究設(shè)計中以標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計理念[7]對船型采用綜合分析方法，進(jìn)行系統(tǒng)的多層次對比分析研究，采取多項節(jié)能措施和節(jié)能技術(shù)，并通過船模阻力試驗和CFD分析，進(jìn)一步優(yōu)化船型，對機(jī)電設(shè)備、主導(dǎo)航儀器以及艙室布局、捕撈裝備、冷凍保鮮設(shè)備等進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化配置、設(shè)計與布局，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代遠(yuǎn)洋漁船的快速性、適航性、適居性和適漁性等綜合性能優(yōu)良的特點。

1 船型參數(shù)優(yōu)化

1.1 設(shè)計指導(dǎo)

中小型漁船影響快速性的最主要因素為長寬比L/B、方形系數(shù)CB和棱形系數(shù)CP[8]。前者由主尺度限界和裝載量重量平衡確定，后者是通過設(shè)計選定。影響穩(wěn)性和耐波性的主要參數(shù)有：寬度吃水比B/d、干舷船寬比f/B、初穩(wěn)性高GM、水線面系數(shù)CWP、長寬比L/B、棱形系數(shù)CP和受風(fēng)面積[9-13]等。現(xiàn)代漁船設(shè)計中，既講求快速性，也注重耐波性，以求得協(xié)調(diào)和平衡，希望漁船在真實海況下具有較好的抗風(fēng)浪能力，減少避風(fēng)時間損失，獲得一定海況概率下的最好工作效率。

在快速性控制上，選出既定尺度和CB后，通過數(shù)值分析選擇最佳CP、浮心位置和進(jìn)水角。在穩(wěn)性控制上，盡量按高等級安全能級(近海航區(qū)作業(yè)船穩(wěn)性按遠(yuǎn)海航區(qū)設(shè)計)考慮，以有效抵御小型漁船常會遭遇的突發(fā)危險海情。在耐波性控制上，根據(jù)理論與實踐經(jīng)驗相結(jié)合，通過與高等級安全性和良好快速性綜合協(xié)調(diào)的原則達(dá)成參數(shù)合理匹配。

1.2 船型主尺度優(yōu)化

1.2.1 立方數(shù)和總噸控制

涉及國外登記的遠(yuǎn)洋漁船，總噸控制至關(guān)重要，本船控制總噸GT=320～330。

拖網(wǎng)漁船總噸(GT)與立方數(shù)(CN)關(guān)系如圖1所示。由回歸平均線得到320總噸拖網(wǎng)漁船應(yīng)在1 400～1 500 m3范圍內(nèi)控制立方數(shù)，由于現(xiàn)代遠(yuǎn)洋漁船比過去漁船船型豐滿度趨大，故應(yīng)按下限甚至更小控制立方數(shù)[7]。

1.2.2 基于總噸控制的立方數(shù)尺度選擇

國內(nèi)320總噸附近雙甲板拖網(wǎng)漁船船寬多為B=8～9 m，目前發(fā)展趨勢船寬趨大化，歐洲現(xiàn)代雙甲板漁船船寬一般都大于9 m。從充分保障安全性、拖網(wǎng)漁船主要追求拖力等因素考慮，本船取B=9 m。320總噸附近雙甲板拖網(wǎng)漁船型深D=5.5～6.4 m，平均5.75 m，本船從雙底層高、兩層甲板層高、魚艙裝載量，尤其是總噸控制等因素考慮，取D=5.90 m(最小層高2.15 m)。從控制立方數(shù)和總噸考慮，本船取：LPP=28.00 m，立方數(shù)CN=1 487。對應(yīng)本船尺度，長寬比L/B=3.11(因受總噸限制，數(shù)值偏小)。本船航速v=9.5 kn(經(jīng)濟(jì)航速)～10.5 kn(最大航速)，本船傅汝德數(shù)FN=0.29～0.32，相對航速較高，為彌補(bǔ)船長不足的缺憾和充分減阻，應(yīng)考慮增設(shè)球鼻艏。

通過設(shè)計循環(huán)，對上層布置空間嚴(yán)格把握并合理削減無利用價值容積，最終控制總噸GT≈320，凈噸NT≈96(以0.3GT限定)

1.2.3 排水量

(1)空船質(zhì)量重心控制。本船空船質(zhì)量重心基于優(yōu)秀母型船的分項計算結(jié)果分項換算修正而得。本船各質(zhì)量分項見圖2。

圖2 空船質(zhì)量分項

(2)設(shè)計排水量確定。本船的裝載情況(載重量和排水量)見表1。確定設(shè)計排水量Δ≈640 t。

表1 漁船裝載情況

1.2.4 設(shè)計吃水優(yōu)選

320總噸以上約9 m寬雙甲板拖網(wǎng)漁船一般設(shè)計吃水d=3.2～3.9 m。國內(nèi)漁船一般B/d較大，而歐洲漁船B/d一般控制在2.2～2.4。據(jù)英國造船研究協(xié)會B·S·R·A系列拖網(wǎng)漁船試驗資料，加大吃水對快速性、耐波性和推進(jìn)均有利?？紤]到本船裝載能力要求高，以及大直徑槳的艉框凈高要求，取較大吃水d=3.7 m，B/d=2.43。

1.2.5 裝載能力

通常用載重量系數(shù)衡量船舶裝載能力，也可變通為排水體積對立方數(shù)之比▽ /CN(m3/m3)。▽/CN表示在主尺度包絡(luò)矩形體內(nèi)可用于實際承受重量的比例，該值越大則船舶裝載能力越強(qiáng)，單甲板船比雙甲板船有優(yōu)勢。本船與母型船排水體積比立方數(shù)▽/CNN示于圖3。本船較其他雙甲板船高7%～20%，表明在控制總噸前提下具備較強(qiáng)裝載能力。

圖3 排水體積對立方數(shù)比

1.3 基于快速性能分析的船型系數(shù)優(yōu)化

1.3.1 方形系數(shù)CB

現(xiàn)行遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)漁船的CB范圍為0.64～0.68。本船根據(jù)設(shè)計排水量要求的重量平衡給出CB=0.665。

1.3.2 棱形系數(shù)CP

在本船尺度、功率、航速區(qū)域內(nèi)，CP是影響阻力的最主要船型參數(shù)。CP變化對有效功率EHP的影響見圖4，5條曲線分別對應(yīng)CM=0.88～0.96，CP=0.756～0.693。由圖4可見，CP小則阻力小，且分化十分嚴(yán)重。航速v=10 kn時，有利CP和不利CP造成的有效功率EHP偏差可達(dá)50%～100%。根據(jù)本船線型特點和光順需要，取CM=0.95，CP=0.699，處于阻力最小Cp取值。

圖4 棱形系數(shù)變化對有效功率的影響

1.3.3 浮心縱向位置LCB

LCB對阻力影響程度相對較小。LCB變化對有效功率EHP的影響見圖5。本船速域內(nèi)，LCB=-4%為最佳。LCB在-2.5%～-4.0%之間變化時阻力偏差約2%。當(dāng)LCB在-2.0%以前，阻力明顯上升。根據(jù)各種裝載情況基本平浮的浮態(tài)控制原則，確定本船LCB=-2.5%。

圖5 浮心縱向位置變化對有效功率的影響

1.4 基于綜合性能優(yōu)化的船型確定

1.4.1 球鼻艏和艏部線型

主尺度和主要船型系數(shù)確定后，重點考慮艏艉線型優(yōu)化以最終確定船型。艏部線型盡量減小半進(jìn)水角；根據(jù)國內(nèi)漁船發(fā)展特點，做大艏外飄以提高防上浪能力。球艏適用于0.26

球艏面積比、球艏相對長度、球艏前端點高度3個參數(shù)是決定球鼻艏減阻效果的最主要因素。根據(jù)已掌握的系列球艏試驗資料、實船應(yīng)用經(jīng)驗和CFD，確定本船球艏尺寸和形狀[15-16]，預(yù)期實際航速區(qū)間平均減阻8%。首部形狀如圖6所示。

1.4.2 球艉、艉框和艉部線型

寬整甲板面，能壓住浪的較肥大艉懸體。1)轂前球艉：根據(jù)系列試驗資料，轂前球艉對阻力影響不大，但能有效改善螺旋槳進(jìn)流，提高推進(jìn)效率3%～5%。2)艉框：尾懸體傾斜角大則艉框大，但阻力也大。鑒于本船以推力指標(biāo)為主，故根據(jù)能容納最大直徑導(dǎo)管槳的艉框需要確定。一般雙甲板拖網(wǎng)漁船導(dǎo)管槳直徑D與吃水d之比D/d=0.55～0.70，根據(jù)本船主機(jī)功率、齒輪箱速比，優(yōu)化確定了槳的大直徑D=2.6 m，D/d≈0.70[17]。艉框根據(jù)納槳需要配合設(shè)計，并配有較大下沉量的船底立龍骨。系統(tǒng)設(shè)計中需協(xié)調(diào)考慮主機(jī)、齒輪箱部位線型的適配、最佳軸線傾角、導(dǎo)管周邊間隙、周邊結(jié)構(gòu)剛性等關(guān)聯(lián)因素[18]。3)艉滑道下端圓柱圓心位置：各種載況時應(yīng)始終位于水面上下，應(yīng)避免縱傾過大或過小，使滑道底部過分浸埋或拋空。本船除出港和到港狀態(tài)以外，其余捕魚工況時，滑道底端圓弧中心位置距水面變化范圍不超過0.20 m，有效保證起網(wǎng)操作的安全便捷。

圖6 船艏形狀

滑道寬度根據(jù)用戶使用需要確定，滑道上緣橫滾筒位置根據(jù)適度艉弧確定。尾部形狀如圖7所示。

圖7 船艉形狀

1.4.3 對耐波性有利的船型

本船豐滿舯部有利舭龍骨作用的最大限度發(fā)揮，結(jié)合大立龍骨，能最大限度緩和橫搖。本船的各種裝載情況橫搖固有周期T=7.5～10 s，適航性良好。

1.5 螺旋槳性能優(yōu)化

拖網(wǎng)漁船存在自由航行和拖網(wǎng)作業(yè)兩種推進(jìn)工況，常規(guī)螺旋槳難以做到兩種工況同時最優(yōu)(與單一工況船槳相比)，如按自由工況最佳設(shè)計則拖曳工況效能發(fā)揮只有70%～80%。根據(jù)我國遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)漁船實際情況，結(jié)合航行時間與捕撈時間概率以及大拖力的實際需求，引入時間概率的最佳螺旋槳參數(shù)優(yōu)化理論，研究配置導(dǎo)管槳。

根據(jù)本船主機(jī)功率、齒輪箱速比優(yōu)化確定了槳的直徑D=2.6 m，系柱拉力對主機(jī)功率比T/P=0.215(588 kW主機(jī)系柱推力120.00 kN，比常規(guī)螺旋槳提高近30%)，達(dá)到國內(nèi)外中小型漁船領(lǐng)先水平。

2 線型優(yōu)化

依托漁船數(shù)字化研發(fā)平臺，通過比較分析，利用適合中小型漁船的荷蘭水池 Oosterveld海船剩余阻力回歸多項式對目標(biāo)船型阻力特性進(jìn)行理論分析[19]；研究基于Flow-3D軟件對目標(biāo)船型阻力特性進(jìn)行CFD阻力分析[20-22]；同時，通過船模拖曳試驗分析目標(biāo)船型阻力特性。通過以上綜合分析，可提高遠(yuǎn)洋中小型漁船阻力特性分析的精確性和準(zhǔn)確度，并研究形成目標(biāo)拖網(wǎng)漁船低阻力船型性能優(yōu)化技術(shù)方案，為船型功率匹配和優(yōu)化提供技術(shù)方案(圖8)。

圖8 阻力數(shù)值模擬與試驗比較

本漁船船型疊加球艏、球艉節(jié)能措施及其船模試驗比較分析，實現(xiàn)船型降阻節(jié)能優(yōu)化，同比降阻5%～10%。根據(jù)中國遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)漁船實際情況，包括漁場和港口狀況，在使用可調(diào)槳不切實際的情況下，通過多重比較優(yōu)化，結(jié)合航行時間與捕撈時間概率以及大拖力的實際需求，研究配置導(dǎo)管槳，采用大直徑低速螺旋槳以及船機(jī)槳優(yōu)化匹配，可提高3%～5%的推進(jìn)效率。

3 分艙、布置和漁撈系統(tǒng)的優(yōu)化

3.1 分艙

分艙中要充分考慮穩(wěn)性、浮態(tài)、艙容、機(jī)艙長度等因素的交互影響，特別是魚艙和油艙滿足實際需要的分配比例。本船合理分艙后，魚艙容積Vf≈211 m3，油艙容積Vo≈182 m3，續(xù)航里程R≈6 000 n mile(海里)，自持天數(shù)RS≥60 d。魚艙和油艙總占有率(Vf+Vo)/CN(魚艙和油艙總凈容積÷立方數(shù))處國內(nèi)外拖網(wǎng)漁船領(lǐng)先水平。本船與母型船的比較示于圖9(本船帶制淡水裝置，淡水量可不做比較)。

3.2 艙室布置

艙室布置中協(xié)調(diào)考慮漁撈系統(tǒng)與生活區(qū)間的穿插關(guān)系和搭配比例，在漁撈操作便捷可靠前提下盡量改善居住標(biāo)準(zhǔn)，滿足各項布置條件。本船定員較多，又有中外船員分居要求，設(shè)計中做到盡量合理。本船布置上的一些特點如下：1)造型美觀；2)在船長和總噸受限情況下構(gòu)造短上層建筑，盡量增大漁撈甲板面積；3)居室空間活動余地適中，增大廚房和衛(wèi)生間，因中外船員生活習(xí)慣不同，廚衛(wèi)間分開使用；4)內(nèi)裝環(huán)保、牢固、明快；5)生活區(qū)間通風(fēng)采光良好，各居室均有明窗，駕駛室四面環(huán)窗；6)實現(xiàn)小船煙囪與門型架的整體式(圖10)。

圖9 魚艙和油艙總占有率

3.3 漁撈系統(tǒng)

拖網(wǎng)漁船甲板漁撈設(shè)備布置方式基本相同。本船在漁撈設(shè)備和相關(guān)構(gòu)件(如機(jī)艙棚)的布置中盡量做到操作甲板面積大、中間空敞尺度寬。并有如下創(chuàng)新點：1)采用分列式大拉力絞綱機(jī)，絞機(jī)四周留出較大開敞空間，方便操作；2)對應(yīng)門架[23]下設(shè)液壓甲板艙蓋，下設(shè)不銹鋼魚池，吊包后可直接倒卸魚貨至下甲板魚池內(nèi)進(jìn)行分揀和裝盤冷凍，垃圾通過魚池邊槽道卸出船外；3)優(yōu)化了魚品搬運(yùn)、處理、冷凍、入艙、出艙流程。

4 液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

針對中國遠(yuǎn)洋捕撈漁船捕撈裝備技術(shù)落后、操作安全性差、傳動效率低等問題，320總噸遠(yuǎn)洋雙甲板拖網(wǎng)漁船采用液壓高效傳動技術(shù)，研發(fā)液壓傳動漁撈甲板設(shè)備，同時結(jié)合漁船工況特點，采用主機(jī)前端(PTO)驅(qū)動液壓站[24-25]，達(dá)到了節(jié)能目的。采用PTO動力分動箱驅(qū)動4臺液壓泵的技術(shù)方案，節(jié)省了設(shè)備經(jīng)費和所占機(jī)艙空間，同時4臺液壓泵可互為備用，提高系統(tǒng)冗余性，使捕撈機(jī)械液壓系統(tǒng)動力設(shè)備安全性得到提高。

5 結(jié)語

依托船型優(yōu)化綜合方法和節(jié)能技術(shù)的研究成果開發(fā)了320總噸遠(yuǎn)洋雙甲板拖網(wǎng)漁船。該船按照標(biāo)準(zhǔn)化理念設(shè)計，依托數(shù)字化設(shè)計平臺，具有歐洲船型特點，同時適合國內(nèi)遠(yuǎn)洋漁業(yè)企業(yè)的實際情況，相比國內(nèi)同類型漁船系統(tǒng)裝備，技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能水平優(yōu)勢明顯。該船示范應(yīng)用節(jié)能20%以上，捕撈效率提高了20%，實現(xiàn)增產(chǎn)增收，達(dá)到了“安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保、適居”的目標(biāo)要求，為中國遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)漁船標(biāo)準(zhǔn)化更新改造提供了技術(shù)支撐。與發(fā)達(dá)國家相比，漁船配套裝備技術(shù)仍有差距，特別是通導(dǎo)設(shè)備和助漁儀器，國產(chǎn)化率極低。今后應(yīng)加強(qiáng)遠(yuǎn)洋漁船配套裝備技術(shù)研究，提高捕撈效率；突破助導(dǎo)航儀器關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)國產(chǎn)的遠(yuǎn)洋漁船配套儀器。