國內(nèi)散貨船螺旋槳選型及經(jīng)濟(jì)性分析

孫海曉,王翊

(上海船舶研究設(shè)計院,上海 201203)

隨著內(nèi)貿(mào)散貨運輸市場不斷優(yōu)化,近幾年新造國內(nèi)散貨船市場逐漸升溫,國內(nèi)散貨船日益大型化,航運市場地位日益凸顯[1],各大設(shè)計公司也陸續(xù)推出標(biāo)桿船型以搶占市場。這些船型的共同特點是選用轉(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)計狀態(tài)下的主機(jī)油耗水平,因此新船型的設(shè)計指標(biāo)較老一代船型有著明顯的提高。然而,基于國內(nèi)散貨運輸?shù)奶攸c,船舶通常在一半以上的航線處于空載航行狀態(tài)。為此,對國內(nèi)散貨船全航線周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

1 國內(nèi)散貨船航線特點

我國內(nèi)貿(mào)散貨運輸?shù)闹饕浧窞槊禾俊⒌V石、礦建材料,以及糧食,其中煤炭占比最大。我國煤炭資源主要分布在山西、陜西及內(nèi)蒙古西部(簡稱“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配,由此形成了“西煤東調(diào)”“北煤南運”的格局[2]。水路運輸在“北煤南運”中起著重要作用,其中最為活躍的航線為環(huán)渤海港口群至長三角港口群和環(huán)渤海港口群至珠江三角洲港口群。國內(nèi)散貨船航線的主要特點如下。

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,特點是航道的水深較深,水面寬,能進(jìn)出大型船舶[3];長江沿線,南京至長江口,船舶受航道吃水限制,碼頭以50 000 t級為主,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級的散貨船。因此,從事我國內(nèi)貿(mào)散貨運輸?shù)纳⒇洿嘁?0 000 t級的船舶為主。

2)航線范圍主要位于我國沿海及主要內(nèi)河區(qū)域,航程較短。根據(jù)海圖測量,從秦皇島港口碼頭至南京港口碼頭,航程約為800 n mile,見圖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。由于國內(nèi)散貨運輸貨品比較單一,且貨品供需關(guān)系具有明顯方向性,一個航次內(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)。從船舶整個服務(wù)生命周期來看,考慮船舶母港、接貨港、維修、檢驗等因素,船舶一半以上的航程會處于壓載航行狀態(tài)。

2 國內(nèi)散貨船船型特點

國內(nèi)散貨船是一種主要參與內(nèi)貿(mào)散貨運輸?shù)拇?通常懸掛中華人民共和國國旗,滿足中國海事局《國內(nèi)航行法定檢驗技術(shù)規(guī)則》,2019年之前建造的內(nèi)貿(mào)散貨船按照中國船級社《國內(nèi)航行海船入級規(guī)則》和《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》,航區(qū)為“國內(nèi)近海航區(qū)”,授予“CSAD”系列船級符號;隨著《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》和《鋼質(zhì)海船入級規(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”系列船級符號,對應(yīng)的航區(qū)符號為“R1”。相對于無限航區(qū)散貨船,國內(nèi)散貨船主要有以下特點。

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

2)由于內(nèi)貿(mào)散貨運輸航線較短,國內(nèi)散貨船通常配置續(xù)航力約為4 000～6 000 n mile,實際營運時,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)時船舶的螺旋槳的浸沒率比較低。

3)內(nèi)河航行時吃水受限,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。國內(nèi)散貨船通常設(shè)有設(shè)計吃水和結(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

近年來新造的國內(nèi)散貨船普遍采用大直徑螺旋槳的設(shè)計理念,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)散貨運輸特點,國內(nèi)散貨船通常一半以上的航程處于空載航行狀態(tài),此時,采用大直徑螺旋槳設(shè)計方案,也往往會帶來一些問題。

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狀態(tài),采用大直徑螺旋槳,空載航行時需要壓載更多的壓載水,以滿足螺旋槳的浸沒要求,而采用直徑相對較小的螺旋槳,需要的壓載水量相對也較少,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,螺旋槳激振力會有所增加;壓載航行時,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 螺旋槳選型對比

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

圖3 螺旋槳選型敞水效率對比

圖4 螺旋槳選型對應(yīng)的航速功率

可見,采用大直徑螺旋槳匹配低速柴油機(jī)的設(shè)計方案,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,螺旋槳對應(yīng)轉(zhuǎn)速需同時下降約15%。

3.3 主機(jī)選型對比

根據(jù)螺旋槳選型計算結(jié)果,船舶設(shè)計狀態(tài)下選定的主機(jī)功率點見表1。

表1 主機(jī)選型對比表

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

圖5 主機(jī)選型范圍

為達(dá)到設(shè)計吃水13 kn設(shè)計指標(biāo)要求,主機(jī)的常用功率點統(tǒng)一選為75%的主機(jī)額定功率,并按照國內(nèi)運輸船舶常規(guī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)計入10%海況裕度。同一主機(jī)型號下,采用不同螺旋槳選型方案下的主機(jī)油耗對比見圖6。

圖6 同機(jī)型不同螺旋槳方案下油耗對比

采用較大轉(zhuǎn)速的主機(jī),由于螺旋槳功率點更接近主機(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螺旋槳方案對應(yīng)的主機(jī)單位油耗在常用功率點比較接近,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。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)計方案,確實有利于提高船舶的設(shè)計油耗指標(biāo)。

3.4 船型影響對比

螺旋槳選型同船型設(shè)計密切相關(guān),船舶正常航行時需滿足螺旋槳浸沒要求,尤其船舶壓載狀態(tài)下,艉部吃水較小,船舶有一定的艉傾,此時還應(yīng)考慮船舶的視線要求,盲區(qū)長度范圍不超過法規(guī)要求[4],這些均需要通過船舶自身攜帶的壓載水調(diào)節(jié)船舶浮態(tài),進(jìn)而實現(xiàn)航行要求。此外,不同螺旋槳直徑下,對應(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,螺旋槳浸沒等要求更容易實現(xiàn)。為消除由于螺旋槳浸沒率不同導(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率(螺旋槳浸沒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,此時視線可通過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應(yīng)的船舶壓載狀態(tài)時艏艉吃水及需攜帶的壓載水量見表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

按照通常的國內(nèi)散貨船設(shè)計,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。國內(nèi)散貨船一個航程中通常包含2次壓載水排出和注入操作,該船配有2臺壓載泵,單臺排量1 000 m3/h,電力驅(qū)動,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,一個航程內(nèi)壓載水操作油耗量對比見表3。

表3 不同螺旋槳選型下壓載水操作油耗對比

3.5 全航程經(jīng)濟(jì)性

由于受試驗條件限制,所研究船型僅具備首吃水4.30 m和尾吃水7.10 m對應(yīng)的壓載狀態(tài)模型試驗數(shù)據(jù)結(jié)果,對應(yīng)直徑6.5 m螺旋槳方案,其他螺旋槳選型方案對應(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)效率計算到船舶自航狀態(tài),見圖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,船舶整個航程中均按照13.0 kn航速計算主機(jī)實際功率,并計入10%海況裕度,這樣可保證船舶去程和返程時間相同,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)見表4。

表4 不同螺旋槳選型全航程油耗對比

注:*含壓載水操作。

可見在全航程條件下,采用小直徑5.5 m螺旋槳的設(shè)計方案,較大直徑6.5 m螺旋槳設(shè)計方案,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,確實有利于提高船舶在設(shè)計狀態(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帶來一定的負(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要求,相應(yīng)的會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。對于國內(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)計方案,船舶的經(jīng)濟(jì)性反而處于劣勢。

本文還存在諸多不足之處,由于受試驗條件限制,采用較小直徑螺旋槳方案時,壓載航行有效功率依靠海軍系數(shù)法進(jìn)行換算,較試驗壓載狀態(tài)更淺吃水狀態(tài)下的船舶自航因子參照了壓載狀態(tài)下的模型試驗數(shù)據(jù);以船舶油耗數(shù)據(jù)作為單一目標(biāo)進(jìn)行計算,實際國內(nèi)散貨船的設(shè)計中,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題的影響。