（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）浮油回收船总体性能研究.pdf

摘要 浮油回收船是用于回收并处理海上溢油的一种作业船舶，是海洋环境保护的 主要设备。由于其船型开发和使用的历史较短，技术水平与收油效率均较低，在 目前海洋环境污染日趋严重的情况下，有必要从总体性能方面进行进一步的研究 和开发。 本课题的主要内容是根据对该船型的作业任务要求，针对以下几方面进行了 前期论证： 1 、船型论证和优化：针对单、双体船型，从船舶与收油装置的配合、船舶 的航行性能及浮油回收作业性能等多方面综合分析、对比论证，确定了更适合浮 油回收作业要求的双体船型方案，然后以尺度比为变量、以快速性和经济性为目 标函数进行了系列船型优化，得到了最优尺度方案，并给出了基本线型和总布置 设计。 2 、推进与操纵系统：针对浮油回收船需兼具高速自航与低速作业的航行性 能要求，分析比较了目前主要推进方式的优缺点，提出采用一只小功率3 6 0 。全 回转舵桨与两只普通螺旋桨联合使用的组合推进系统，从总的航行性能方面对适 宜的配置进行了讨论，并给出了具体的设计方法和不同功率配置的计算结果，为 设计方案的制定提供参考。 3 、作业海况及耐波性：针对船舶作业工况的多样性和所研究采用的双体船 型，对其耐波性主要指标进行了估算，以确定其可维持作业的最恶劣海况。 关键词：浮油回收船方案优化推进系统全回转舵桨耐波性 a b s t r a c t o i lr e c o v e r ys h i pi sak i n do fd u t i f u lm a r i n ev e h i c l eu s e df o r r e c o v e r i n ga n d p r o c e s s i n ge x c e s s i v eo i lo nt h es e a ，i tb e l o n g st oo n eo ft h ef a c i l i t i e sf o rm 疵n e e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n d u et ot h el i m i t e dh i s t o r yo fi t sd e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o n ，i tm a i n t a i n sr e l a t i v e l yal o wl e v e lo fs k i l la n do i l r e c o v e r yr a t e w i t ht h e d e t e r i o r a t i o no fm a r i n ep o l l u t i o n ，i t sn e c e s s a r yt og e n e r a t ea 如r t h e rr e s e a r c ha l l d d e v e l o p m e n to nt h eg e n e r a lb a s i sf o ri t sa p p l i c a t i o n t h er e s e a r c ho ft h i si s s u ei sb a s e do nt h er e q u i r e m e n to f i t sa p p l i c a t i o n ，m a i n l v f o c u s e do nt h ep r i o rd e m o n s t r a t i o no ft h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h ed e m o n s t r a t i o na n d o p t i m i z a t i o no fs h i pt y p e ：a c c o r d i n gt ot h em o n o h u l l a n dc a t a m a r a n ，w eo f f e rac o m p r e h e n s i v e a n a l y s i sa n dc o m p a r i n gd e m o n s t r a t i o no n t h es h i ps h a p e ，t h ec o o p e r a t i o no fo i lr e c o v e r yf a c i l i t i e s ，t h es a i l i n g a b i l i t yo fm a r i l l e v e h i c l ea n dt h ea c t u a la b i l i t yo f o i lr e c o v e r y ，a n de n s u r eam o r e a p p r o p r i a t es c h e m eo f c a t a m a r a nf o ro i lr e c o v e r y ，t h e nw ed e s i g nas e r i a ls h i po p t i m i z i n gm e t h o d a c c o r d i n g t op a r a m e t e ro fm a i n p r o p o r t i o no fp r i n c i p a ld i m e n s i o na n dq u o t ao f m a r i n ee c o n o m y a n d r a p i d i t y a tl a s t ，w eo f f e rt h eb e s ts c a l ea n dt h eg e n e r a la r r a n g e m e n to ft h e f u n d a m e n t a ls h a p e 2 t h es y s t e m o f p r o p u l s i o na n do p e r a t i o n ：a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fo i l r e c o v e r ys h i pf o ri t sh i g h 。s p e e ds a i l i n ga n d i n c h i n gs a i l i n go fa p p l i c a t i o n ，w ep r o p o s e a p r o p u l s l o ns y s t e mt oc o o p e r a t i v e l yg e n e r a t ear u d d e r p r o p e l l e r sa n d t w o r e g u l a r p r o p e l l e r s ，b a s e do na n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h ep r o sa n dc o n so fc u r r e n t p r o p u l s i o n m e t h o d t h e nw ea r o u s et h ed i s c u s s i o no f p r o p e rd i s p o s eo nt h e g e n e r a ls a i l i n ga b i l i t y m o r e o v e r ，w eo f f e rad e t a i l e dd e s i g nm e t h o da n d c a l c u l a t i n gr e s u l to fd i f 诧r e n t d i s p o s e ，a n dd e f i n i t e l yp r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h ed r a f to fi t sd e s i mp r o p o s a l 3 t h em a r i n ec o n d i t i o na n d s e a k e e p i n ga b i l i t yo fi t sa p p l i c a t i o n ：a c c o r d i n gt ot h e m u l t i f o r t u i t yo f t h eo p e r a t i n gm o d e ，w ea n a l y s i st h es e a k e e p i n gi n d e x o f t h ec a t a m a r a n l b r ma d o p t e d ，a n de n s u r et h ew o r s ts e ac o n d i t i o no f t h i so i lr e c o v e r ys h i p k eyw o r d s ：o i lr e c 。v e r y s h i p ，。p t i m i z a t i 。ns c h e m e ，p r o p u l s i o ns y s t e m ， r u d d e r p r o p e l l e r s ，s e a k e e p i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：珂火，星青 签字日期：2 0 07 年月2 ve l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：耿，星。菊导师躲怒啦 签字日期：z 汐口7 年，月2 口e l 签字日期：么加7 年月夕。日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究课题的提出 第一章绪论弟一早三百下匕 针对我国海洋环境保护的紧迫性，有关海事部门于2 0 0 6 年向交通部申报研 制一型新型浮油回收船，本课题是研制项目的前期论证部分。近年来，由于海上 运输、海洋资源开发和海上军事装备的迅猛发展，海洋环境受到的威胁从形式 上到数量上都在以前所未有的态势日益增长，严酷的现实使得人们要从一个新 的高度来认识和解决海洋污染问题。作为海洋环保主要设备的浮油回收船是一 型历史较短的船型，从目前来看，其发展水平与形势要求并不相适应，因此在研 制新船之际，有必要在总结以往经验的基础上，扩展设计思想，开发其新一代 船型。本课题研究内容是根据作业任务要求，进行前期船型论证，针对关键技 术问题，找出解决途径，提供定性和定量分析，给出论证方案设计的主要结果， 为船东进一步确定船舶设计任务书提供参考依据。 1 2 研制任务要求 1 、船舶用途 本船应具有应对广西沿海2 0 0 t 规模溢油事故的应急处置能力，须适于在广 西沿海近岸开阔水域以及港区进行溢油围控及清除作业，并可兼作港区巡航、 事故调查取证、船舶油污水和垃圾回收以及港区小范围油污水和垃圾日常清除回 收作业之用。 2 、船型 本船为柴油机驱动的钢质船舶。具体船型根据船舶总体性能、总体布置、驱 动传动型式、操作使用要求和综合节能等进行综合论证选取。 3 、航区 本船作业于有限1 类航区；设计与建造时须满足中国船级社钢质海船入级 与建造规范、浮油回收船检验指南及海事局船舶与海上设施法定检验规则 最新版本的要求。 4 、尺度限制 ( 1 ) 总长：约5 0 m 。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 满载吃水：不大于2 9 m 。 有关尺度根据船舶航行性能及总体布置要求，在设计时经综合考虑后确定。 当主要性能与主尺度发生矛盾时，以主要性能为主选择最佳尺度。 5 、航速与续航力 ( 1 ) 航速 船舶主要负责北部湾广西沿海及防城港、钦州、北海三市港口群的船舶溢油 污染事故应急处置，以广西海事局钦州沿海海巡基地为基点，基本覆盖半径为 6 0 海里的海域范围，要求在4 5 小时内赶到事故海域。因此，船舶应具有较高 快速性，以争取溢油应急反应时间，要求在深静水、蒲氏风力4 级、主机最大连 续功率下轻载出港试航航速不低于1 3 k n 。 船舶线形和附体应按综合节能要求，提供最佳的船身效率和推进效率。同时， 主机选型应能保证提供合理的功率级差。 ( 2 ) 续航力和自持力 本船续航力在满足5 0 0 海里距离调遣情况下，在充分考虑持续作业能力和应 急航速的基础上论证选择。本船自持力不小于7 天。 6 、专业和其它机电设备 ( 1 ) 配备复合式收油机垃圾回收装置1 套； ( 2 ) 配备围油拦布放装置2 套； ( 3 ) 配备消油剂喷洒装置2 套； ( 4 ) 配备充气站一套； ( 5 ) 配备回收油驳运泵系统1 套； ( 6 ) 配备固定式水泡沫消防系统2 台套。 7 、舱室布置和定员 本船舱室应根据船舶结构、安全、作业、生活需要以及设施布置要求在方案 设计时进行综合考虑布置，要求具有一定的作业面积和游步甲板空间。船舶外观 要求形象威严、美观大方，并按交通部着色徽记标志的规定规划设计。 本船设会议室兼指挥室1 间、事故分析室( 设备问) 1 间、日常工作间1 间、 机舱监控室1 间，其他舱室在方案设计中论证布置。 本船船员7 人，工作人员( 乘员) 1 4 人，配置铺位不少于2 1 个。 1 3 海上浮油回收船的发展概、兄【1 】【2 】【3 】【4 】【5 】【6 】【7 】【8 】 地球上7 0 的面积为海洋所覆盖，对人类的生存条件影响极大。上个世纪以 来随着石油制品用于船舶动力和海上油田开发，海洋污染问题目益严重，其中最 2 主要的问题便是石油及其制品的排放和泄漏。这些石油污染所造成危害是多方面 的，不但危及到海洋生物和鸟类的生存，直接影响到了渔业及其它水产业等，而 日还破坏了被污染浅水域及其海岸线的环境和生态平衡。海上石油污染的特点是 因风浪和洋流作用扩展速度很快、影响周期长因此对溢油事故等，应立即采取 紧急的应对措施。 实际上，近五十年来人们才逐渐认识到海洋石油污染危害的严重性海上溢 油防范的历史也比较短。第二次世界大战之前，人们对环境保护的意识还很淡薄 后来随着船舶溢油事故的逐渐增多，溢油污染带来巨大损失，才引起了沿海国家 及国际组织对海洋环保的关注。1 9 5 4 年国际上通过了第一个防止海洋和沿海环 境污染的公约，但当时仅对油污排放进行了规定，并没有提及溢油的处理，e 世 纪八十年代以前。也没有国家将溢油应急处理问题列入法律范畴。然而随着海洋 石油的勘探开发及航运业的迅猛发展严酷的事实使人们认识到仅制定防污染公 约还远远不能保护海洋环境。因钻井装置井喷、海底输油管道阀门和油泵漏油、 海面储油罐及油船破损漏油等事故时有发生，目前每年因溢油事故而流入海洋江 河的石油约3 0 0 5 0 0 万吨。中国作为海卜石油运输量仅次于美国和e l 本的沿海 大国，海洋环境污染情况也很严重，据统计。1 9 7 3 年至2 0 0 3 年，我国治海共发 ，七船舶溢油事故2 3 5 3 次，平均35 天就发生一起。特别是近几年，重大船舶油 污事故频繁发生给国家利益和海洋环境等带来了巨大的损失。据统计，每年排 大海的石油达1 15 万顿，并呈增长趋势，我国近海海域的石油浓度已达到 00 5 5 m g a ，引起了相关部门的高度重视。 上个世纪七十年代起，以美国、日本和法同为代表的些发达国家开始投资 研发溢油应急回收技术而浮油回收船则是该领域屉主要的设备。近些年来，针 对不同海域和需求，各种各样的浮油回收船因需而生，主要型式如下所示： 1 、较早期的葙形浮油回收船：收油机嵌于船艏中部( 如图卜1 所示) 。 麟函 图11 葙形浮油回收船 图1 2 拖带充气式围油栏的 浮油回收船 津大学 位* 女第一 绪论 2 、拖带充气式围油栏的浮油回收船：利用充气式围油栏集中海面浮油井进 行回收围油栏排气后可以船l 卷车收放于甲板上( 如图卜2 所示) 。 3 、有转盘式收油机的浮油回收船( 如图1 3 所示) 。 鄹i 图卜3 装有转盘式收油机的 浮油回收船 圈卜4 装有刷式收油机的 浮油回收船 4 、装有刷式收油机的浮油回收船( 如图卜4 所示) 中国是一个海洋大国，海域辖区辽阔，海岸带和海洋资源丰富，沿海地区的 经济发展和人口增长快速但同时也给海洋和海岸带的环保工作造成巨大压力。 就目前的情况看，我国沿海地区还有为数不少的单壳小油轮，其结构状况、 通信导航水平等都较低另一方面我国的海洋石油开采也很需要兼顾石油勘探开 发服务的船型。我国自上个世纪八十年代起，开始了对浮油刚收船型的研究开发： 如广州船舶及海洋工程公司设计了3 l5 m 船长、9 0 m 3 回收舱容的溢油回收船。1 9 9 6 年，同家提h 海洋事业发展的战略，并按照羼际公约的规定实行海洋开发、管理 和保护。1 9 9 8 年中国船级社颁发了“浮油回收船检验指南”此后曾通过改装已 有简易双体船、加装通剧型收油机的方式建造了一艘浮油回收船。另外，我国第 一艘专门设计的海r 浮油回收船“碧海一号”也于2 0 0 5 年底正式投入使剧。通 过咀上研制活动，在溢油控制、回收和清除方面积累了很多经验，为提高我国的 溢油应急反应能力奠定了一定的基础。 周内的一些浮油回收船，如下所示： 1 、图卜5 为由海上石油钻探辅助作业船改装的职体浮油回收船。 * 津夫 学位论i# 一$ 绪* 图5 改装的双体浮油回收船 2 、图卜6 、卜7 为“碧海l 号”3 7 米浮油回收船 图卜6 碧海l 号图卜7 碧海1 号 总的来讲目前国际国内应片j 于浮油回收的船型大致有三种：日常维护型、 大量回收掣和清扫船”1 。日常维护型浮油回收船主要作业于港口承域，对浮油和 瓦斯泄漏等事故进行应急处理，此类船多为很小型的简易双体船，载重量仅几十 吨，回收油装置有倾斜板式、涡卷式、动态斜面式等多种，布置在两片体之间， 大晕回收型浮油回收船则除回收浮油外还具有抢救和消防的功能，载重量较大 通常将污油载回岸r 处理也可立即处理，此类船基本t 都为单体船。清扫船土 要用于清洁海面漂浮物一般配备有油水分离器、除油器等，也可用于清除浮油 或进行消防、冲洗作业。 1 4 本课题研究的意义 我同时浮油回收船的研究近一二年才刚剐起步，山以e 资料分析口丁看出目前 天津大学硕士学位论文第一章绪论 我国正在应用的浮油回收船为数很少，且多为小船，其不足之处在于： l 、作业能力低，应急能力差： 2 、收油设备效能原理有待提高 以往建造浮油回收船有的是改装旧船，有的是新船，但都是加装通用型的成 品收油机。虽然这种方式简单易行，但实践工作中越来越暴露出不足之处，例如 将浮油回收设备当作船舶配套产品看待来选择收油机，选择范围一般仅限于通用 型的成品收油机，不能使浮油回收船达到最佳配置。较大的浮油回收船都有大的 污油舱，船舶的吨位较大，这样配置单一功能的通用型收油机实际上是浪费了船 舶的能力。另外，由于船型的限制，收油设备与船体配合不好，其效能很难得到 充分发挥，收油效率较低。 3 、浮油回收船功能单一，平时利用率低 已有的浮油回收船，旧船因受改装条件的限制，新造船因受经费限制，目标 都比较限于单纯的溢油回收功能，航行与其它功能很低，平时利用率很低。 这种形势下，为对我圜海域内突发溢油事故作出迅速有效的应急反应，进一 步提高溢油事故的处理能力和日常使用的经济性，研究设计一种高性能、多功能 的浮油回收船是非常必要的。 1 5 课题研究的关键问题 一种适应于当今海洋利用和开发的新型浮油回收船，它的航行性能和运载性 能应以能满足以下要求为主： 1 、收油设备与船型的配合 将浮油回收船的浮油回收功能定位为主功能，采用浮油回收专业同船舶专业 共同设计的方式来进行浮油回收船的设计，使收油设备与船型更好地配合。 2 、推进系统须同时满足较高的和很低的两个航速要求 高速( 应急航速) ：按任务要求，浮油回收船的自由航速应达到1 3 k n ，其装 载能力为2 0 0 t 时，船长应为5 0 m 左右，佛氏数已达到o 3 左右，接近高速船， 需要的功率较大。 低速( 作业航速) ：浮油回收船进行拖放和回收围油栏时，若采用单船直线 拖带，航速应不超过8 k n ：进行扫油和转移浮油的作业时，若采用单船曲线拖带， 则航速应不超过4 k n ，若采用双船u 型拖带则航速应不超过l k n 。 通常船舶采用的柴油机动力机械传动推进系统，由于柴油机受最低稳定转速 和功率的限制，难于同时满足高速和极低速的航行要求，而且低速时由于缺乏尾 部伴流，普通舵设备失效大。目前，有浮油回收船采用双舵桨或调距桨作为推进 6 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 装置，虽然满足了航速要求，但其成本较高，低速时主机功率利用率低，且操纵 性仍不理想，因此有必要研究更适合此类船舶的航行与作业要求的推进系统。 3 、优良的低速操纵性 回收浮油时，船舶的航速很低，有时需要静止甚至是后退，有时需要横移或 原地旋转。低速时由于缺乏尾部伴流，常规舵失效较大，很难适应浮油回收船作 业需求，可采用的方法是设置首尾侧推器等装置，提高其操纵性能，但造价较高， 而且加装首尾侧推器对船舶结构和阻力都有不利影响。另外，侧推器仅在系、离 泊和在受限水域中机动时才启用，这也造成资源浪费。 4 、多功能、高航海性能的要求 为提高船舶利用率，向多功能方向开发，一方面从尺度和布置上对需要的舱 容和甲板面积进行规划，另一方面对船舶耐波性作出评价。 5 、专门的安全性的要求1 浮油回收船需满足规范对其安全性的很高的要求。 1 6 研究方法途径 1 、总结已有成果 参考已有的“胜利5 0 2 浮油回收船 改造经验及“碧海一号”单体浮油回收 船的设计、建造和使用经验，针对目前浮油回收船的缺点与不足进行改善和加强， 使设计的船型更有利于发挥收油设备的性能。 2 、推进与操纵系统配置方式开发研究 分析总结现有推进方式的优缺点，针对浮油回收船特殊的航速要求提出适合 的推进系统，在满足推进性能的前提下以节省功率为目标进行优化配置。 3 、图形规划与程序计算综合优化研究 如前所述，要达到船舶的多功能化，须从船舶布置地位和船型尺度两方面综 合考虑，图形规划侧重于满足船舶功能要求，而以船型尺度为参数进行的程序计 算主要是定量分析船舶航海性能，两者须交叉兼顾进行。 4 、防火 应1 9 9 8 年中国船级社颁发的“浮油回收船检验指南”的规范精神，在此基础 上对船体各部分进行优化设置，以求达到良好的使用性和经济性。 7 天津大学硕士学位论文第二章浮油回收船船型论证及优化 第二章船型选择论证 船型是一个广义的概念，本文所述船型系指：有些船舶在规定任务下可采用 外形、总体规划或原理有着质的差别的不同船型，例如客船、作业船尤其是新研 发船舶等，因此在设计之初就要作出选择。本课题所研究的浮油回收船，因其采 用新设备和多功能性故也面临此问题。该船型的选择对船舶技术与经济性能、营 运条件、作业效果等方面都将产生重大影响。因此有必要首先对可行的船型方案 结合定性与定量分析进行选择论证，依据评价指标或结论，选择技术与经济性能 最佳或较好的船型方案，以此作为初步和技术设计的基础和依据。 2 1 船型选择初步考虑【1 o 】【1 1 】 目前使用较广泛的海上作业船船型除常规单体船外，还有常规双体船、小水 线面双体船等。对于浮油回收船，从定性分析来看，可以得出以下初步结论： 1 、常规的单体船型方案是可行的。 2 、双体船型：以其稳性好，甲板面积大，操纵性和抗漂移好等优点日益见 多地用于海上作业船和客渡船上，但由于船舶自重大，故受限于载重量。浮油回 收船虽然需要较大的载重量，但是不是作为以运输为主的载重型船，可以作为考 虑方案。 3 、小水线面双体船：由于其快速性和极好的耐波性能，适合用于一些要求 全海候航行的船舶，如客船、渡船、声纳监听船、高速海难救助船等，但其载重 能力较常规双体船更差，用于浮油回收船一是性能无须如此高，二是费效比过高， 经济上不划算。 因此，下面着重分析比较常规单体船和双体船型。 单体浮油回收船和双体浮油回收船的布置草图如下图2 1 、2 2 所示： 天津大学硕士学位论文 第二章浮油回收船船型论证及优化 图2 - 1 单体浮油回收船布置草图 ， 、 、 1 白 广 p lj t l l i j l 糊机l j l 一 一 衄皿 酬恤喇i 一 一 。t 一。1 。r 一一 i l jlj 一 一 l 娃ll 舶吲 弋 舟ll j 晚 _ 1 l l ， 图2 2 双体浮油回收船布置草图 2 2 浮油回收装置对船型选择的影响 1 、浮油回收装置的选择 对于浮油回收船来讲，应将浮油回收功能定位为主功能，因此，在船舶设计 初始阶段，对回收装置的选择就变得至关重要。 以往使用的浮油回收装置多为单一型设备，如撇油器、吸油拖栏、吸油毡、 油捞子等，因溢油性质、溢油量和海况的不同，其使用方式及作用都不尽相同， 9 * = 章捍油回收船型论优化 并且为了达到易于为不同的船舶加装选崩，其容量有限不能做得太大。因此 这种单一型的收油设各往往只适应于某种特定条件，在复杂条件下都存在着缺陷 和不足，不能胜任回收作业“。 近年来的发展方向是使用一种船用型复合式收油机。该收油机是将不同类型 的单一型收油设备组合成一个整体而成，根据收汕任务要求与船舶配合设计，专 项制造用于浮油回收船上。因设计时其重量和体积是经与船舶设计协调确定，因 此可以较充分地发挥收油功能。无疑地，对于本研发船型采用复合式收油机是 适宜的。但是，由以下可见，同样是采用复台式收油机，而使异j 不同的胎型，从 发挥收油功能来看仍有很大差别。 2 、复合式收油机对船型选择的影响 采用复合式收油机的一种做法是使用常规单体船常用方法是平时将收油机 置于甲板上，作业时须依靠吊机吊放到船侧海面( 如下图23 所示) ，在其前面 有围油栏使浮油集中，作业时需要较多的辅助人力，收放速度较慢，且必须使用 回转吊机。由于限制因素较多，因此重量和体积都不能做大( 如3 7 米浮油回收 船) 。也有人提出将收油机嵌于船艏与船一体化但可升降，作业时降至海面。然 而可以想象的是：因船艏形状改变较大，高速航行时阻力会剧增；收油机前仍需 围油栏围拢来流集油而h 收油机后面之流不畅。另外，单体船漂浮垃圾的回收 必须使用船用吊机和人工辅助操作，并且从目前使剧的情况来看，回收垃圾需要 停顿，且漂浮垃圾和海面溢油一般情况下不可以同时进行作业。 图2 - 3 单件浮油回收船收油机的布放 另一种做法是采用职体船，可将收油机置于船巾两片体之间与船体体化， 町完全利用机械装置控制升降，布放和回收速度快易于船员操作。不川时以起 天津大学硕士学位论文第二章浮油回收船船型论证及优化 升装置提起不影响船舶高速航行时的阻力。当溢油面积较小时，双体船可利用 两片体的作业自行收油，如上图2 2 双体浮油回收船布置草图所示；当溢油面积 较大时，可用“v 型三船联合作业形式借助两条拖轮拖带围油栏前行，而 浮油回收船将两片体中间部分对着围油栏凹形底部收油，另外，双体船( 安装了 船用型复合式收油机) 可以全部实现机械化操作，而且回收作业基本不需要停顿。 另外回收漂浮垃圾和回收油可以同时进行。如下图2 4 所示： 图2 - 4 三船联合收油作业 ， ， ， ， 一 一 一 一 一 一 、 、 、 由以上可见采用双体船型，有条件将收油机做大，可扩大扫油面积。 2 3 船舶性能对船型选择的影响 1 、快速性 除回收浮油外，任务要求浮油回收船能够应急赶往事故海域，日常要执行调 查取证、监管海域和海上交通任务，因此对自由航行要求较高。 现由以下两个方面考虑船型对船舶快速性的影响： ( 1 ) 本船自由航行时，佛氏为0 3 左右，从阻力性能，卜看，使用单体船和 双体船型效果相当： ( 2 ) 从推进效率上看，使用双体船有利，因为每个片体为单车叶船，车叶 置于有利的伴流之中，附体阻力比单体双车叶船减少1 5 - - 2 0 ，而且两车叶 之间的干扰因片体问距很大而大为减少，所以可获得较高的推进效率心引。 2 、总布置 天津大学硕士学位论文第二章浮油回收船船型论证及优化 本船要求船舶具有足够的舱室和一定的游步甲板面积以兼作为交通船搭载 作业和其他人员。为满足这一点，也最好采用双体船。据统计，同排水量的双体 船有效甲板面积较单体船大5 0 左右。另外，双体船船宽相对较大，上层建 筑有更多的布置空间，有利于满足以上要求。 3 、风浪中维持作业能力 双体船b t 相对较大，具有较好的稳性和抗风浪能力，两个片体又可为收油 机提供良好的屏蔽，收油机的封闭装置可以可靠地阻挡油水层，因此在风浪较大 时仍可有效地工作。 单体船快速导引围油栏和收油机在风浪较大时无法阻挡和封闭油水层，此时 无法有效的进行收油作业。 4 、操纵性 在满足相同使用要求的情况下，双体船船长一般较单体船短，其水下部分的 侧面积较小，加上双体船两桨、舵间距较大，使双体船能获得较单体船更好的操 纵性能。两车叶一正一倒时，船可以原地回转。另外，实践也证明双体船具有良 好的航向稳定性。 双体船由于其回收作业是在两片体间进行的，航行状态的改变对作业影响不 大：单体船当航速改变或回转时，对其围油栏和收油机的展开都有一定影响，需 要复位时间。 5 、耐波性 双体船稳性较好是众所公认的，相应带来的争论就是横摇问题。双体船的横 摇周期较短，横摇衰减很快，当遭遇强浪后，可以很快恢复原来低周期低摆幅的 状况，不象单体船将继续摇摆到较大角度，当第二个浪到来时会造成摇摆迭加， 产生更大的摇摆。因此双体船型更有利于避免大风浪中的摇摆共振。 另一方面，双体船的横摇周期虽短，但是横摇角也很小，其横摇可以看作时 两个片体的升沉运动，当波浪是长涌( 波陡度比2 0 ) 时，横摇角9 。，如遇 波陡较大的短波，则因双体船宽度较大而缓解了波陡的影响，模型试验表明，当 波陡为1 2 。时，模型最大横摇角仅为1 0 。左右。 双体船横摇的一个特殊缺点是由于船宽大，反应快，在遇到恶劣的横浪时船 舶舷边加速度较大，可达0 2 5 9 ，但从比较来看，单体船在同样恶劣海况下共振 时也可达到0 2 5 9 。可以注意的是：当双体船片体间距等于片体宽度b 时，横摇 加速度几乎是很小的，而片体中心距为2 2 5 倍片体宽度时，谐摇及加速度的 情况都是较好的。 双体船和单体船在纵摇特性方面是相当的。 以 二表明：在大风浪中双体船的耐波性不必多虑。具体定量分析见第五章所 1 2 天津大学硕士学位论文第二章浮油回收船船型论证及优化 不o 2 4 船体结构 单体船结构较简单，主要的承受迎浪及随浪航行时的总纵弯曲强度。 双体船两片体间由连接桥连接，结构受力较为复杂，除总纵弯曲外，横向弯 曲力矩和扭矩、斜浪中连接桥的扭转及纵横弯曲、横浪中的横弯曲、波浪冲击及 下潜时的水压力等都是关系到双体船结构安全的重要载荷，还要考虑到由于一个 片体搁浅、触礁、碰撞而导致另一片体在惯性作用下对连接桥产生冲击的危险情 况。这就对连接桥的强度有较高的要求，例如连接桥结构需在船舶纵中线及两片 体的内舷处都需具有足够的强度，并且沿整个船长的横向承载构件应均匀分布， 此外，双体船还需注意连接桥与片体之间连接节点的强度和有效性，有的需要采 取加强措施，因此双体船的结构较单体船复杂很多，自重大，据统计一般双体船 结构重量比同吨位的单体船舶重2 0 - - - 3 0 。 而且，由于剪切应力产生的部位并不像弯曲应力那样离片体较近、受肋板两 端边界条件的影响较大，因此船体刚度增加时，只有弯曲应力随之增加，剪切应 力分布并没有很大的变化，这是目前双体船普遍存在的问题，抗横弯能力过剩、 而抗扭能力不足。 由以上分析可知，双体船在结构方面重量大，设备与载荷分置于两个片体内 而带来许多不便，因此在设计和建造上要做更多的技术处理。 2 5 船舶经济性 船舶经济性主要从以下三方面考虑： ( 1 ) 造价：双体船除片体结构外，还有连结桥结构，因此空船重量比同载 重量的单体船大约2 0 ，并需要配置较大的锚等舾装设备，这都增加了其建造 成本。 ( 2 ) 营运开支：主要是燃料费用。双体船排水量比单体船大约1 5 ，阻力 高约1 0 ，但其推进效率较高，风浪中增阻小，因此，在总的功率需求方面单、 双体船基本持平。 ( 3 ) 考虑船舶功能与恶劣海况中的作业性能等，双体船的费效比较低。 根据以上分析，浮油回收船的经济性能还需要通过对船舶总的技术一经济综 合评价权衡得出。 天津大学硕士学位论文第二章浮油回收船船型论证及优化 2 6 船型方案的确定 本船为海上作业船，应以满足浮油回收作业性能为主，根据前面综合分析比 较，双体船在收油机的选择布置和设备机械化的实现上，总的清污作业功能明显 优于单体船，自由航速下( v s 1 3 o k n ) 阻力性能好，对于船舶的多功能化有更 大的扩展空间，另外在稳性、操纵性以及航态变化时保持作业的能力等多方面都 具有较优的性能。 双体船的不足之处是船体结构重量大，直接影响到船舶初投资。为此本文做 了定量分析，结果表明：在航速和功率相同的情况下，双体船船体重量的确是比 单体船型增加了2 0 左右。 但是，从总的权衡来看，还是选择双体船型为宜。 1 4 天津大学硕士学位论文 第二章浮油回收船船型论证及优化 第三章船舶方案设计 本章在选择双体船作为浮油回收船船型的基础上，给出船舶总体性能方面的 方案设计。 3 1 船舶主尺度优化选择【1 4 】f 1 5 】【1 6 】【1 7 1 8 】 自由航速是本船最重要性能要求之一，船舶尺度的改变，对船舶快速性中的 阻力性能有很大影响，对浮油回收船其它作业性能的影响不大。因此，首先以其 轻载状态下的快速性能为目标函数进行船型尺度优化，然后效核其它性能。 本课题采用正交设计法选优。 变量：由主尺度水线间长l 、片体宽度b 、方形系数c b 、片体中心距k 和吃 水t 等形成的尺度比l b 、b t 、k l 和c b ： 目标函数：阻力( 有效功率p e ( k w ) ) ，造价和营业费用( 万元) ； 方案优化中若以绝对尺度为变量，则会产生部分没有比较价值的不可行方 案，因此这里选用主尺度比为参数进行优化。 双体船尺度如下图3 一l 所示： c j 鬣 船竟b 图3 1 优化范围，根据现有国内双体作业船的统计资料，尺度要素范围大致如下： 片体长宽比l b 片体宽度吃水比b t 片体间距船长比k l 犁深吃水比d t 7 1 2 1 5 2 2 1 9 2 6 1 4 1 9 1 5 天津大学硕士学位论文 第二章浮油回收船船型论证及优化 方形系数c b 0 5 4 - - 0 6 3 本船要求船长为5 0 m 左右，吃水不超过2 9 m ，载货量2 0 0 t ，所需油水暂定 为5 0 t ，所需排水量的迭代初值取为a = 7 5 0 t 。根据上面资料统计的结果选则主 尺度比为参数变量的取值如下表3 - i 所示： 表3 - i 1 泌： l bb tk lc b 取值 l 8 o1 6o 2 0 o 5 6 2 9 01 8 0 2 2 0 5 9 31 0 02 oo 2 40 6 2 在满足排水量要求的基础上，可根据下式( 3 - i ) 算得船舶各项主尺度： 三= 哼a ) l ，唁l ) ，2 _ ( 秽h 1 _ 1 0 3 l c 6 ) 专 6 = c 争 丁= 6 c 争 d = t + 1 5 0 b = k + b c ，= c 、 c 。 ( 3 - i ) 上表3 1 中选取了可确定船舶主尺度的四个尺度比参数，每个参数在资料统 计范围内选取了三个变量值，则总共有4 3 = 6 4 个方案，若全部计算，工作量较 大，这里首先采用正交设计方法进行初步优化。根据变量的个数和变量取值的水 平数，对应数学家们已经构造出的正交表，可从上面6 4 个方案中选出3 2 = 9 个 方案，如下表3 2 所示： 表3 - 2 ：厶( 3 4 ) 正交表 淤兰三 l bb 1k lc b 方案取值 1l1l1 2l222 31333 1 6 天津大学硕士学位论文第二章浮油回收船船型论证及优化 42l23 5223l 623l2 73l32 83213 93321 上表中每一行方案中各参数的值为表3 - 1 中该变量所对应的参数变量的序 号，转换为具体的参数变量取值如下表3 3 所列： 表3 3 ： 磊桊三 l 佑b tk lc b 方案取值 l81 60 2 0o 5 6 281 80 2 2o 5 9 382 00 2 4o 6 2 491 60 2 2o 6 2 591 8o 2 40 5 6 692 o0 2 0o 5 9 71 01 60 2 4o 5 9 81 01 80 2 00 6 2 91 02 oo 2 2o 5 6 3 1 1 重量浮力平衡 上面各方案的主尺度虽然是在同一假定排水量下算得，但由于采用的尺度比 不同，所以空船重量也不尽相同，瘦长的方案空船重量大，但各方案要求的载重 量相同( d w = 2 5 0 t ) ，因此需要进一步调整尺度使其重量与浮力保持平衡。另外， 上面计算没有考虑到船宽的变化对连接桥和上层建筑的影响，计算中需对空船重 量进行修正。根据已有双体船资料统计，初步估算的结果：船宽b 每增加1 米， 船体钢料重量w h 约增加6 ，而基准船宽是满足b = 3 b 情况下的船宽。 1 、船体钢料重量 1 7 天津大学硕士学位论文第二章浮油回收船船型论证及优化 = k c kx l x 2 b x d ( 3 2 ) 式中：七修正系数，k = 1 + ( b 一3 b ) x6 ； q 船体钢料重量系数，取c k = 0 1 7 ； 2 、木作舾装重量 w r = c rx l x 2 b x d ( 3 3 ) 式中：c ，木作舾装重量系数，取c ，= 0 0 5 2 ； 3 、机电重量 在还未确定主机功率的方案论证阶段，初步假定船体机电重量定为7 5 t ； 空船重量：三形= + 孵+ ( 3 - 4 ) 则：彬= d w + l w ( 3 - 5 ) 国w = ：彬一 ( 3 - 6 ) 如果国d w 0 0 0 1 则可认为重量浮力平衡，否则需调整 6 , 5 = n 6 1 9 w( 3 - 7 ) 其中诺曼系数= 1 【l c 警+ ；警+ ；冬h c 3 埘 则：a 。= a + 抛( 3 - 9 ) 循环计算主尺度及各项重量，直至6 d w d w o 3 ，属于中速双体船，片体型线可选用性能较优的单体船型 线变化得到。对于首尾等局部型线特点有以下考虑： 1 、由于本船方形系数和棱形系数都较小，因此船体较细长，且首尾比较尖 2 l 天津大学硕士学位论文第二章浮油回收船船型论证及优化 瘦，考虑这些基本特点，本船不设平行中体； 2 、片体内侧形状：有平直和曲面内侧舷两种。当排水体积傅汝德数 e v = v 4 9 v 3 在1 1 1 5 范围内时，曲面内侧舷阻力比平直内侧舷低1 0 左 右，本船e 口= 1 3 4 2 ，因此选用曲面内侧舷。另外本船并没有达到高速双体船的 范围内，因此片体采用常规对称型即可，舭部为圆舭； 3 、进流段形状：有直线型、凹型和微凹型三种。本船属于中高速船，剩余 阻力占主要成份，随着f n 的增加，兴波阻力不断增大，并且范围由首部向后延 长，为避免形成高压区，进流段内曲线应保持和缓变化，因此采用直线形或微凹 形对减小剩余阻力有利； 4 、首部横剖线形状：一般有v 型、中v 型、中u 型和u 型四种。v 型湿表面 积较小，首部下沉时浮力和阻尼力矩增大，可降低纵摇及升沉运动，减缓船底抨 击，另外还可以降低钢料重量，增大储备浮力，但采用v 型剖面兴波阻力较大， 一般低速丰满船使用较多；u 型剖面，重量集中在下部，水线较削瘦，兴波阻力 小，但耐波性较v 型剖面差。本船以满足低速作业性能为主，为获得更好的耐波 性能，首部选择v 型的横剖线形状： 5 、尾部横剖面形状：有v 型、u 型和球尾三种。v 型尾部纵剖线及斜剖线都 比较平顺，水流不易分离，阻力性能较好，但螺旋桨处伴流不均；球尾由于在舭 部产生舭涡，增大伴流分数，船身效率高，但阻力性能较差；u 型介于两者之间。 本船考虑机舱布置，尾部采用u 型横剖面形状； 绘制型线时，用改造优秀母型船型线的方法，在水动力性能较有把握，另外 为便于安装全回转舵桨，船艉底部线型设计较平缓。 具体型线设计如图3 2 、3 3 所示： 图3 2 天津大学硕士学位论文 第二章浮油回收船船型论证及优化 掣i- i i 窝 4 ：、i 尽：i 莓i 、：基 c 、= i 卜、 r 、二 j i 帅 i i 盼九 l 勿ji 。= # o k ； llli - i i lii l 嗣 i 、 。 1 人 、 ii錾 _ | 、。：h 、 ” 1 1 i j 烈 、| | | ： i f。 | i f o一 l i l l劓 图3 3 型线图 2 3 llii _ 吣 兹2 煳 燃 黝 黝 l| 黝 y ! i 1 f | f l n 寸一 ； m l l ，i l 一 l 一一 l iii ，卜lr卜lr卜l 天津大学硕士学位论文第二章浮油回收船船型论证及优化 3 3 总布置设计 本船肋骨间距为6 0 0 m m ，总体布置采用艉机型，船舶主体由艉至首依次设有 艉压载舱、舵桨舱、机舱、货油泵舱兼隔离舱、污油舱、首压载舱( 下) 和器材 舱( 上) 淡水舱和首尖舱。除机舱设双层底外，其它均为单底。 本船为单甲板船，主甲板中后部设置的甲板室为主要的生活区与工作区。甲 板室共有三层，甲板问高分别为： 主甲板至居住甲板