（船舶与海洋工程专业论文）最大灵便型成品油船总体性能研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文研究目标是研究符合最新国际公约、规范、规则等要求及作国际航行并能通过 巴拿马运河，其主要总体性能指标达到或接近国际先进水平的最大灵便型成品油船。 本文通过母型船优化研究方法，主要研究内容如下： 1 按国际航行的最大灵便型成品油船的主尺度进行综合分析优化，确定主尺度； 2 线型优化，取得低阻力性能的优良线型； 3 经济型分舱布置研究，完成分舱布置； 4 适装运化学品研究。 通过研究分析，达到了研究目的，获得了研究成果。 关键词：最大灵便型；成品油船；总体性能 大连理工大学硕士学位论文格式规范 g e n e r a lp e r f o r m a n c er e s e a r c ho fh a n d y m a xp r o d u c tt a n k e r a b s t r a c t n l em a i nc o n t e n to f t h es u b j e c tr e s e a r c h ： t h e t a r g e to ft h es u b j e c tr e s e a r c h ：o b t a i n e dah a n d y m a xp r o d u c tt a n k e r ，w h i c hf u l f i l l e d w i t ht h eu p d a t e di n t e r n a t i o n a lc o n v e n t i o n sa n dr e g u l a t i o n s 、c l a s s i f i c a t i o ns o d e t yr u l e sa n d h e r sg e n e r a lp e r f o r m a n c ec r i t e r i ao rc a p a b i l i t yw i l la c h i e v eo re x c e e di n t e r n a t i o n a ll e v e l b a s eo nm o t h e rv e s s e lr e s e a r c hm e t h o da n da b o v em e n t i o n e dt a r g e t ，t h em a i nc o n t e n t so f t h es u b j e c tr e s e a r c ha sf o l l o w s ： ( 1 ) o b t a i na l lo p t i m i z e dh a n d y m a xt y p ep r o d u c tt a n k e r sm a i nd i m e n s i o n sa f t e rd e t a i l r e s e a r c ha n da n a l y s i s ； ( 2 )o b t a i na l lo p t i m i z e dh a n d y m a xt y p ep r o d u c tt a n k e r sl i n e sa f t e rd e t a i lr e s e a r c ha n d a n a l y s i sa n dm o d e lt e s t ； ( 3 ) o b t a i n a l lo p t i m i z e da n de c o n o m i c a ls u b d i v i s i o nb a s eo nt h es t a b i l i t ya n ds t r e n g t h a n db a l l a s tw a t e re x c h a n g ep l a na to p e ns e af a c t o r sa n ds oo n ； ( 4 ) o b t a i na u p d a t e dc h e m i c a lc a r g o l i s ta f t e rd e t a i lr e s e a r c ha n da n a l y s i s k e yw o r d s ：h a n d y m a x ；p r o d u c tt a n k e r ；g e n e r a lp e r f o r m a n c e i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 二丑年月自 大连理工大学硕士学位论文 己l言 _ l = j口 通过工程硕士学位几年时间的非脱产学习，结合自己在造船企业( 大连船舶重工 集团公司) 设计技术领域( 船舶及海洋工程设计研究所) 十多年学习、工作经历，感觉 有一定收获。尤其是在经过十几门工程硕士学位所必须的专业课学习之后，感觉收获较 大。首先是得益于大连理工大学曾经教育过我的老师及船厂设计技术领域的诸多前辈对 我的技术思维给予了较大的拨乱反正，对船体设计技术有了更进一步的认识。 此论文涉及的研究内容在本人工作过程中曾经立题做了相应研究，通过此次研究 并结合曾经的研究收获，发现以前的认识没有上升到现在学术领域高度，尽管论文本身 难以全面而系统概括总结所有研究过程及细节，仅仅局限在研究结论上。同时，随着船 体设计技术及科研开发的无止境发展，这一临时高度将很快被包括我在内的后人所超 越，这也是我殷切希望的。 灵活性是处理和解决问题的基本方式方法，也是最好的方式方法。这让我联想到 船舶运输及船舶制造，认为灵便型船舶无论在什么样的市场背景下都存在不可忽视的基 本需求，主要体现在航运需求和建造能力；因为她操作运输灵活于其他民用船舶、设计 建造也灵活于其他民用船舶，这属于是存在性。但是航运企业还必须追求利益最大化， 对于灵便型船舶，在综合研究其它因素后的最大灵便性船舶满足这一要求，这属于必然 性。这是本人为什么选择最大灵便型船舶作为关注和研究对象的直接原因。 船舶类型分门别类，最大灵便型船舶也不例外。船舶类型主要分为军用攻击类、 军用辅助类、民用运输类、客船类、民用工程类等等；其中民用运输类船舶主要以散货 船、油船、集装箱船三大类为主，在学术领域分为a 、b 两种类型，其中a 型属于液货 船、b 型为非液货船，a 、b 型又有很多分支，比如a 型分为原油船、成品油船、化学 品船、l n g 、l p g 等，对于b 型船舶具体分支不再赘述。在民用船舶中以油船和散货 船最为广泛使用，油船中原油船不能运载成品油，成品油船却可以运载原油，经过研究 还可以运载数量可观的n i 类化学品，更加灵活。这属于本人为什么选择最大灵便型成 品油船作为关注和研究对象的最主要原因。 随着经济进步和科技发展，航运界和造船界在原有基础上得到很大发展。造船界 原有大型造船企业做强作大、新兴造船企业蓬勃发展，绝大多数要么坚守建造最大灵便 型船舶、要么从此起步。航运界也是这样，原有大型航运企业做强作大、新兴航运企业 蓬勃发展，绝大多数要么坚守最大灵便型船队、要么从此起步，最大灵便型船舶建造、 运输成为大家的主要支撑。这属于本人为什么选择最大灵便型成品油船作为关注和研究 对象的重要要原因之一。 大连理工大学硕士学位论文格式规范 具体到航运界和造船界，相关国际组织及船舶法定检验机构组织对船舶各方面的 要求，尤其是对安全方面及环保方面提出了更高更具体的要求；在安全方面，和船舶总 体性能密切相关的就是船舶的稳性，也就是说抗倾覆能力，不但要求在航行过程中有足 够的完整稳性及破损稳性，在港口装卸货物时对液体货物船要求具备足够的完整稳性 ( 如m a r p o lr e g u l 盯i o n2 5 a ) 以达到能自由装卸的目的和功能：这也和环保要求 紧密联系，环保和安全本来就是相互依赖在一起。比方说，m a r p o l 不但要求油船的 设计要满足防止油污的泄漏导致环境污染，而且在第2 0 届国际海事会上将如何避免因 船舶压载水传播导致的海洋微生物的传播而导致的环境污染提到议事日程上，有很多港 口当局已对迸港船舶要求强制执行：这也使得船舶设计考虑的要素更多了。目前，对于 新造船，船东总是要求在设计时就得对此进行周密考虑并提供详细的压载水管理方案。 比方说，根据国际海事组织的规定，所有油船其载重量大于5 0 0 0 d w t 者均要设置双底 双壳，尤其是要求淘汰大量的单壳油船，这将意味着这些单壳油船将在短期内被拆解； 与此同时，安全问题在此基础上还得从新考虑，由于货物重心提高了，原有的分舱设计 就难以满足船舶稳性的要求。从船东方面分析，由于航运业的兴旺使市场对船舶需求旺 盛，大量单壳油船的近期淘汰从而导致船舶供给的缺口突然增大，为维持航运市场的需 求，新造油轮的需求将迎来一个高潮。为了使自己的利益最大化和快速抢占航运市场， 所有的航运公司都希望在最短的时间、花费尽可能少的钱订购到尽可能多的船以扩充自 己的承运能力；而造船企业确希望能以最低的成本达到船东要求及相关国际公约、规则 及法定检验组织的要求。这属于本人为什么选择最大灵便型成品油船作为关注和研究对 象的重要原因之二。 本文本着上述诸多方面原因，在研究中对最大灵便型成品油船按国际流行尺度进行 优化选择。在总体性能方面按最新的国际公约、规则及法定检验机构的规范要求进行优 化研究，并从标准化设计和尽可能降低设计、建造成本的角度考虑，形成性能优良的最 大灵便型成品油船研究成果，用于造船界、航运界及科研界今后在最大灵便型成品油船 具体项目的经营、开发、设计、科研等领域内相关工作时参考。本文研究的最终目的要 获得一个总体性能优良，达到国内外先进水平，满足当前有关最新的国际公约、规章、 规则的最大灵便型成品油船总体设计思路，并能兼运若干种国际上常运的化学品。因此 文的主要研究内容有如下几个部分： ( 1 ) 按作国际航行并能通过巴拿马运河的最大灵便型成品油船，对其主尺度进行 分析、优化确定；将来能被广大船东所接受。并进行主机选型研究。 ( 2 ) 在已选定主机及优化确定的航速的基础上，通过线型优化设计及船模试验优 化，取得低阻力性能的优良线型。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 在满足当前最新的国际公约、国际规则的前提下，根据船舶完整稳性及破损 稳性要求、船舶压载水管理要求及船舶强度要求进行经济型分舱研究。 ( 4 ) 适装运化学品研究。 本文在研究时主要要求满足的最新的国际公约、国际规则包括： ( 1 ) 国际海上人命安全公约s o l a s 及至本文完成日前生效的各种修正案。 ( 2 ) 国际防污染公约m a r p o l 附则i 及至本子专题完成日前生效的各修正案。 ( 3 ) 1 9 6 6 年国际载重线公约i c l l 及8 8 年议定书。 ( 4 )巴拿马运河规则a c p 。 本文在指导教师的指导下，经过较长时间收集、研究、分析和整理，对国内外最大 灵便型成品油船作了大量分析、研究和计算工作，经过较长时间地研究，目前最大灵便 型成品油船的总体性能研究工作已经完成。其间也广泛听取各界专家意见，最终取得了 比较满意的结果；主要目的就是要研究出按作国际航行并能通过巴拿马运河的最大灵便 型成品油船，将来能被广大船东所接受，并期望能为造船界和航运界带来丰厚的回报。 大连理工大学硕士学位论文格式规范 1船舶主尺度优化确定 1 1 船舶主尺度优化目标 获得国际航行的最大灵便型船主尺度，并且能顺利通过巴拿马运河。 鉴于引言所阐述的各种立题研究原因和在考虑国际流行尺度趋势的前提下，本文优 化研究确定船舶主尺度的具体目标是：在设计吃水船舶载重量约为4 0 0 0 0t ；在船舶结构 吃水时，船舶载重量约为4 6 0 0 0t ；货舱容积约为5 3 0 0 0m 3 ；在设计吃水时，当主机发 出持续使用功率并考虑1 5 海上储备时的服务航速为1 4 5k n ( 此航速为此型船多数采 用的经济航速) ；船舶续航力为1 8 0 0 0m i l e 。 在造船和航运领域，实际情况也是这样，当船东向造船企业提出需求时，往往也是 提出诸如载重量、航速、货舱容积、续航力等关键主要要素；载重量参数体现了船舶的 大小、航速体现了船舶航行快慢、货舱容积进一步体现了船舶的大小及货物可载取向、 续航力则体现了船舶在海上单程航行所能达到的持久性能。在有限的价格范围内各参数 综合因素( 常常以海军系数表示) 越高越好，也表明越先进。造船企业也一般是这样， 时刻掌握各大航运公司投资动态级船队建设动态，时常向其抛售自己开发的各种不同的 产品，总是以核心主尺度介绍、达成一致意见后才能继续接下来的技术细节谈判、最终 目的是完成一个具体项目的商务谈判和合同的签署，达到经营目的。 船舶设计领域所涉及到的船舶主尺度主要包括：载重量、航速、续航力、货舱容积、 各种船长、船宽、型深、吃水、方形系数等内容，她们在船舶总体性能中作用巨大，必 须要经过优化研究确定，才能设计建造出成功的产品、继续占领较长一段时间同类产品 市场，否则还需要较短时间间隔的优化升级。具体分析研究请看下文。 1 2 船舶主尺度优化确定 为了达到上述主尺度的优化确定目标，全面考虑国际流行趋势，必须开展县有类似 船型资料收集、整理工作。本人在相当长的一段时间内进行了大量的调研和资料收集工 作；对国内大型造船企业、相关船级社和尽可能多的航运公司进行了最广泛的调查了解； 通过各种渠道，如业界朋友、较大型行业刊物及网络工具等，来收集灵便型油船、化学 品船的主要要素，甚至还参考了相当数量的散货船主要要素资料。最后统计出1 5 0 型近 千艘灵便型船主尺度资料，结合本人设计建造最大灵便型船舶的一些基本经验，选择了 如表1 1 、1 2 所列举的液货船船型作为重点研究、分析、比较及参考的对象，开展本船 主要要素的优化研究、最终确定这一系列工作。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 1 船舶载重量确定 载重量的确定是基于上述调研后，根据近十年的流行趋势及对后十年的宏观预测而 确定的；在设计吃水时载重量约为4 0 0 0 0t 、在结构吃水时约为4 6 0 0 0t ；载重量指标将 作为其它主尺度优化的依据。为了保证船东有较灵活的选择性，在实际研究时选择了以 此为下限，人为地预留了定的余量；在实际研究中还发现，该型船的载重量不是特别 大连理工大学硕士学位论文格式规范 关键的要素，对于最大灵便型成品油船，其最大夏季载重线时的载重量出现在4 0 0 0 0 t - 5 0 0 0 0t 区域；然而，最广泛出现的区域为4 5 0 0 0t 一4 7 0 0 0t 区域之间。 1 2 2 船舶货舱舱容确定 货舱容积确定原理和载重量确定原理基本类似，同时考虑到船舶营运过程中对货物 密度的可适应程度；达到提高船舶营运效率及经济效益。保证船舶尽量在满载吃水时航 行，适当的货舱容积是非常重要的；如果货舱舱容太小，在货舱已全部装满时还没有达 到设计载重量，则降低了船舶营运效率及经济效益、损害了船东的利益，这样的船舶产 品是不会受到欢迎的；反之，如果货舱容积太大，船东虽然可以在满足设计载重量的前 提下更灵活的配载不同密度的货物，但因太大的货舱容积所导致的船舶尺度增加、进而 带来的造价增加，这是造船企业不愿接受的。在载重量确定的前提下，理想的货舱容积 对造船企业和造船船东都是受益的。基于以上几个方面的分析，本文选择5 3 0 0 0m 3 货舱 容积来确定船舶主尺度是非常合理的，在实际的研究中发现，以此为基础，尽量提高船 舶舱容利用率也是在保证消费者的前提下降低造船成本行之有效的方法之一；在此选定 的货舱舱容的基础上，可运均质货品的密度约为o 8 5t m 3 ，也就是说绝大多数的成品油 货物可实现均质运输而不会出现因资源闲置而造成船东的浪费；如果要同时运输多种不 同品种的货品，就更加方便并可以随心所欲的配载，因为此船将设计成为可同时装载1 4 种不同货品的灵便型成品油船并可装运3 1 种化学品。 1 2 3 船舶航速确定 本文研究确定船型服务航速为1 4 5h ，此服务航速为此型船多数船东采用的经济航 速。经过上述的资料收集，发现近十年流行且具备发展前景的灵便型船介于布置地位型 船和载重型船舶之间，液货船更偏向于载重型船舶；其服务航行速度均在1 4 o 虹到15 0 h 区间内。运用科学理论是不难分析出其中缘由的；首先，由于主机发出功率、螺旋桨 收到功率是航速的三因次函数，这说明在载重量一定的前提下要利用提高船舶内在动力 驱动来提高船舶航行速度是不经济的，尤其是肥大的载重量型船舶；也有科学研究通过 对固定航线、仅仅在航速上存在差异的多艘船舶进行各自的经济利润的分析研究，最终 得出的结论是：对于最大灵便型液体货物运输船舶，通过盲目提高航行速度以提高营运 效益是不现实的，其理想航速也在1 4 0k n 到1 5 0k n 区间内；对于集装箱船及各类滚装 船，由于其单位货品的运费很高、装卸货物时间极短，采用提高航行速度这种方法是有 很高效果的：但航行速度也不是可以无限增大，它也存在一个理想的航行速度范围，超 过此范围，将会事倍功半；其主要决定因素是由于主机发出功率、螺旋桨收到功率是航 速的三因次函数。其次，航行速度的增加导致主机功率增加、主机功率增加导致主机尺 大连理工大学硕士学位论文 寸加大、主机尺寸加大导致机舱容积加大、机舱容积加大导致其它辅助性机械加大及货 舱容积减少、最终影响到船舶载重量和船舶造价这些关键指标也是不可忽视的重要原 因。 所以，本型船选取1 4 5k n 航速作为在主机发出持续使用功率并考虑1 5 海上储备 时的服务航速。并在研究过程中拟提高船舶海军常数来改善船舶性能以达到或超过国际 先进水平。 1 2 4 船舶船长确定 船长是船舶主尺度中最关键因素之一，主要分为垂线间长或两柱间长、船舶总长、 规范船长、结构船长及水线船长等；船长对船舶载重量、货舱舱容、船舶造价的影响都 很大。在船舶设计时，由于国际公约、规则及船级社规范对不同的船长有不同的要求； 所以，在分析优化船长时要求综合考虑这些因素，合理解决好各种矛盾。 合理的船长对船舶本身的其它性能也有较大影响；理论证明，船长越大，船舶载 重量增加最明显、舱容增大、船舶造价增多、船舶阻力性能得到改善、推进效率提高、 船舶稳性得到改善、船舶耐波性能明显改善等。任何矛盾都有它相反的一面，船长增加 也存在其不利的一面；比如说：规范、公约的限制更加苛刻、要求设置的横向舱壁数量 增加、要求设置的最小干弦增加、要求满足的破损范围扩大等；这也导致船舶造价成本 上升及对停泊码头也有较高要求。 1 2 4 1 船舶垂线间长确定 根据船之科学对1 9 9 0 年以后建造的最大灵便型成品油船统计资料而得出该型 船垂线间长经验公式为l b p = 6 0 4 7 l n d w t - 4 7 0 ，当以设计吃水时的载重量4 0 0 0 0t 计算 时l b p = 1 7 0 81 t ，当以结构吃水时的载重量4 6 0 0 0t 计算时l b p = 1 7 7 9m ：通过查阅近几 年已投入使用的该型产品，发现l b p 正好介于以上两数之间；由于船长相对于船宽和型 深来讲是影响船舶造价及增加空船重量最敏感的因素，且油船一般均为肥大型船，所以 l b p 不能取大；综合各种因素及考虑国际流行尺度，船舶垂线间长取l b p = 1 7 2 0 0m ； l b p b = 5 3 4 2 ，该参数符合5 3 5 6 国际流行l b p b 参数范围。 1 2 4 2 船舶总长确定 在考虑到各种因素后，船舶总长根据设计线型取1 8 0 0 0m 。根据相关船厂已造产品 c p 4 6 0 、c p 4 5 0 系列，这种最大灵便型液体货物运输船其总长不超过该长度有利于船舶 停泊码头的灵活选择。 主尺度优化分析是一项相对复杂的工作，在此不展开。 大连理工大学硕士学位论文格式规范 1 2 5 船舶船宽确定 船宽也是船舶主尺度中最关键因素之一；主要分为船舶型宽和船舶最大宽度。船宽 对船舶载重量、船舶舱容等参数有较大影响，但最主要的影响因素是船舶稳性。宽度越 大、稳性越高、船舶的横摇周期就越短、船员的舒适感越差；反之亦然，它也是若干矛 盾的统一。合理解决这些矛盾是船舶设计和本项目所考虑的重点之一。 根据本型船的要求，本船属于可顺利通过巴拿马运河的最大灵便型成品油船，由于 巴拿马运河对船舶最大宽度限制是3 2 3 1m ，结合该船型近十年流行宽度及考虑到以后 的发展要求，选取本船型宽为3 2 2 0m ，考虑其外板厚度，也在许可范围内。 1 2 6 船舶型深确定 船舶型深对船舶舱容、船舶吨位的影响最为显著。要达到子专题任务书所要求的 5 3 0 0 0m 3 货舱舱容，同时考虑到船舶干舷要求，为了满足国际载重线公约8 8 年议定书 对1 _ , 1 5 0m 船舶破舱稳性要求，须满足b 型船干舷，本船的最小型深取1 8 0 0m 。 1 2 7 船舶空船重量确定 基于上述船舶主要尺度的确定，为了确定船舶吃水，先对本船空船重量进行预估。 为了较为准确地预估出空船重量，先假定了本船初步的分舱布置，按与母型船的差异逐 项进行修正核算出空船重量，而不是使用经验公式进行计算，最后再用经验公式进行校 核。 预先假定本船为尾机型、设尾楼、货舱区域为双底双壳并分为六对货舱及一对污 油水舱、设中纵槽型舱壁和槽型横舱壁、所有槽型舱壁均设置上下壁墩、甲板骨架在甲 板上面、货舱外设置六对l 压载舱。 由于相关船厂设计建造的c p 4 5 0 系列产品非常优秀，受到船东及船级社的高度评 价，而且其主尺度和本子专题项目所考虑的最大灵便型成品油船的主尺度非常接近，所 以选择c p 4 5 0 系列产品为母型进行本船空船重量估算，并限定本船和c p 4 5 0 系列产品 一样在货舱区域配备3 0 高强度钢。c p 4 5 0 系列产品与本船其它不同之处有：由于c p 4 5 0 系列产品为i m oi i 型化学品船，一些货舱因可装载高密度化学品而存在重货加强；比 本船多三道槽型横舱壁和一道水密压载舱横舱壁；相关的货物操作管系及货舱内铁舾重 量减少：主机型号改变而导致的主、辅机械设备重量减少；船舶型深不同所产生的重量 差异；由于设置p m a 所引起的重量增加。具体分析如下： c p 4 5 0 系列船倾斜试验空船重量：。1 1 6 5 0t 扣除重货加强：3 5 0t 型深减少而使空船重量减少：18 0t 大连理工大学硕士学位论文 货舱横舱壁减少3 对后重量减少：一5 4 0 t 货舱减少3 对后甲板管系重量减少：9 0t 货舱减少3 对后货油操作设备及铁舾重量减少：一6 0t 主机型号6 s 6 0 m c 改为5 s 6 0 m c 后重量减少：- 5 0t 其它辅助机械设备重量减少：1 0 0t 设置p m a 后直接增加重量：8 0t 设置p m a 后间接增加重量：。6 0t 槽型纵横舱壁带壁墩空船最终预估重量：1 0 4 0 0t 1 2 8 船舶吃水确定 本船吃水分为设计吃水、结构吃水，结构吃水为最大夏季载重线处吃水。设计吃水 确定原则是根据载重量、航速及相关国际公约、法规及船级社规范对稳性的要求综合考 虑确定；设计吃水为1 1 0 0m 。结构吃水所考虑的因素除了考虑确定设计吃水时所考虑 的因素外，还考虑了在此吃水下的船舶干舷及顺利通行于巴拿马运河，最终确定为1 2 2 0 l r l 。这样一来船舶载重量量、干舷均满足相关要求。设计吃水和结构吃水尺度均保证在 国际流行值范围内。 1 2 9 船舶方形系数确定 在船舶两柱间长、型宽、设计吃水、结构吃水、空船重量确定后，船舶在吃水和结 构吃水下的方形系数可以确定。对于最大灵便型成品油船，根据以往的设计经验，影响 其排水量的船体外皮及附体系数多在1 0 0 2 1 0 0 2 之间，船舶载重量越大，该系数越小： 对于更大吨位的船舶，该系数更小：对于小船，附体系数则偏大，1 0 0 0 0 d w t 吨位货物 运输船，该系数可达船1 0 0 6 ，对于更小吨位的非货物运输船，其附体系数可达1 0 1o 。 对于本船，通过以往的设计经验及相关基础，该值的选取在偏于保守的前提下，在设计 吃水和结构吃水时均按1 o 考虑，这样处理可为载重量预留一定的裕度空间约1 0 0t ；同 时，在实际操作时，有必要再给设计吃水时载重量预留3 0 0t 裕度、给结构吃水时载重 量预留4 0 0 吨裕度，这样在以后的方案设计，尤其是船舶线型设计也预留一定空间。 本船在设计吃水时船舶方形系数为： ( 4 0 0 0 0 + 1 0 4 0 0 + 3 0 0 ) 1 0 2 5 + 1 7 2 + 3 2 2 + 11 归o 8 1 2 本船在结构吃水时船舶方形系数为： ( 4 6 0 0 0 + 10 4 0 0 + 4 0 0 ) l 。0 2 5 + 17 2 + 3 2 2 1 2 2 = 0 8 2 0 这两个方型系数符合国内外同型船的范围。 2 2 1 0 船舶主尺度分析 大连理工大学硕士学位论文格式规范 根据以上几个方面的简要叙述，基本确定本文所研究的最大灵便型成品油船的主尺 度如下： 总长18 0 0 0m 垂线间长。1 7 2 0 0m 型深18 0 0m 型宽3 2 2 0m 设计吃水1 1 0 0m 结构吃水1 2 2 0m 设计吃水时载重量4 0 0 0 0t 结构吃水时载重量- - 4 6 0 0 0t 设计航速( 15 s e am a r g i n ) 1 4 5k n 货舱舱容5 3 0 0 0m 3 续航力18 0 0 0m i l e 关于船舶主尺度确定，也作了大量的优化工作，尤其是对船长、船宽、设计吃水三 要素作了优化工作。以船长优化为例简要介绍如下： 首先，在保持其它主要尺度不变的前提下，分别对不同的船长、船宽及设计吃水进 行了船舶阻力经验计算及理论分析；得出的结论是： 在其它参数不变仅仅在小范围内增加船长时( 假定为增加船舶平行舯体的长度) ， 由于船宽和吃水不变，b t 保持不变，因为航速确定为经济型航速，所以在此b t 下对 船舶推进、阻力的改善不是特别明显，基本是同比例增加趋势或平稳过度，这说明在此 航速下，船舶阻力主要来源于由湿面积决定的摩擦阻力；这表明由于船长增加而导致湿 面积决定的摩擦阻力增加引起的船舶动力加大的不经济因素正好抵消由于船舶长度增 加而导致船舶载重量加大的积极因素，在某种程度上这不经济因素还大于积极因素，船 舶海军常数基本保持稳定并有下降趋势，达不到更良好的效果，除非将船舶的线型进行 优化，方可再提高其海军常数；同时，在初期投入相对增大，因为船长加大将带来总纵 强度要求以大于1 的因次关系不断加大；在相同的b f f 及型深时，当船长加大到典型的 巴拿马最大型成品油船船长时，要求的许用总纵弯矩可达2 1 0 0 0 0t m ，其海军常数还较 最大灵便型成品油船低不少，表明其经济性能不好、船舶的造价也不科学，于是就采取 加大型深及提高吃水来弥补损失的海军常数及提高的总纵强度，这也是当今为什么巴拿 马最大型成品油船的载重量要超过7 5 0 0 0 载重吨的真正原因即提高并不理想的海军常数 决定的经济效益；但是，船舶总纵强度是以大于1 因次关系随船长增加( 最大灵便型成 品油船一般在1 1 0 0 0 0t m - 1 2 5 0 0 0t m ，而巴拿马最大型成品油船一般在1 8 0 0 0 0 大连理工大学硕士学位论文 t m 一2 2 0 0 0 0t m ) ，对于造船企业，从所承接的同一时期的产品价格上并没有反应出这 一点，这也是船东特别青睐巴拿马最大型成品油船并希望越做越大的真正原因。对于较 大范围内增加船长，就不是本子专题要研究的课题，因为研究对象至少也算是巴拿马最 大型成品油船。 相反，如果在较小范围内减少船长( 假定为减少船舶平行舯体的长度) ，在此b t 下的海军常数明显下降，通过分析研究表明此时船舶的总阻力减少幅度应小于1 因次关 系，由载重量决定的海军常数则基本按1 因次关系下降，也表明船舶阻力性能在相对恶 化。 船舶总体性能设计是一宏观工程设计，对于船长改变特别微小的相关比较及优化就 失去了意义，而且效果也不明显。 表1 3 流行参数统计表 再看本船的l b 及b t 参数为5 3 4 2 及2 9 2 7 ，属于流行、理想参数范围内。主 尺度相关参数及比例比较见表1 3 流行参数统计表。 类似船长优化分析一样，本文也就其它主要要素进行了研究及优化设计工作，由于 涉及的知识领域较狭窄，而细说起来又不是三言两语能表达，在此就不赘述。 大连理工大学硕士学位论文格式规范 2 船舶主机功率估算及主机选型研究 参照母型船及其他相似船舶相关主机资料，根据既定目标( 既确定较合理的海军常 数) 可以确定主机功率。由于相同功率下可选择的主机有多种型号。对于本文所研究的 船型所应选择的主机，当主机气缸缸径较小时，要达到要求的输出功率、则主机转速及 气缸数量要增加、导致螺旋桨的效率较低及主机纵向尺寸较大、增大了机舱长度和船舶 造价；但也存在可降低油耗的优点。反之，当缸径较大时，在确定的输出功率下可减少 主机气缸的数量、降低螺旋桨的转速、提高螺旋桨效率、缩短机舱长度、节省船舶造价、 提高舱容利用率；但也可能存在增加了主机初始投入成本，出现大材小用及油耗相对提 高的不足。同一种型号的主机存在不同的设计转速，转速越高，其油耗却越小。在缸径 相同时，主机的冲程参数也不一样，分为长冲程和短冲程，由于长冲程主机的转速较高， 在可比条件下不利于提高螺旋桨效率，所以一般不选择长冲程主机：经过综合比较，选 用长冲程、较大缸径的主机也有先例。同时，在缸径相同下，也存在紧凑型主机，由于 其相对造价偏高，在机舱布置紧张时才逼迫使用。本文所选择主机也借鉴了某造船厂设 计建造的c p 4 5 0 、c p 4 6 0 两行船2 0 余条成功设计经验，这两型船主机选择思路和上文 一致，线型设计合理，船、机、桨匹配优良。本船确定的主机参数为： 主机型号m a nb & w5 s 6 0 m cm kv i i 主机最大功率( l 1 点) 1 0 2 0 0k wx1 0 5r p m 最大使用功率s m c r 8 0 5 0k wx9 6 5r p m 持续使用功率c s r7 2 4 5k w 9 3r p m 此时油耗约为1 6 1 0g & w h 由于本船的机舱尺度可以布置开，同时货舱容积也能满足要求，所以排除使用紧凑 型机；根据确定的经济型航速，而螺旋桨往往在较低转速下可达到良好的船、机、桨配 合，所以在选择主机时排除了选用长冲程主机；对于本船，选择了常规短冲程机型。对 于选择的m a nb w5 s 6 0 m cm kv 型主机，其最大持续功率发生的l 1 点功率为 1 0 2 0 0k w ，而选用的最大持续功率为8 0 5 0k w 约为l 1 点处功率的8 0 ，处于该机型油 耗最低位置；而持续使用功率7 2 4 5k w 为l 1 点处功率的7 2 4 ，也处在该机型油耗极 低位置区间( 7 0 9 0 ) ，当螺旋桨设计转速预留裕度时其经济性是异常优秀的。如果 选用m a nb & w6 s 5 0 m cv i 机型，在s m c r 状态，仅油耗就比选用所选的m a nb & w 5 s 6 0 m cv i 高6 8g k w h ，也就是说在新船使用的前几年，每天仅主机就会多用1 31 4t 油，一年会节约燃料费用约1 5 万美元；更不用说缸数的增加所导致的维修保养的不便。 当然，选用m a nb & w5 s 6 0 m cv i i 机型也存在初期投资较高及自身较重等缺点。 大连理工大学硕士学位论文 船舶线型优化研究及试验 主尺度确定后，综合船舶主尺度、方型系数及主机参数所决定的船舶输出功率等关 键参数，可以确定本船线型。确定船舶线型采取了优化设计的研究办法；在此过程中又 分为两个阶段；首先，通过先进的设计手段和优秀的设计软件- n a p a 从理论上进行线 型优化设计；其次，通过船模试验进一步进行线型优化。 在理论分析、优化确定本船线型阶段，选择了某船厂设计建造的c p 4 5 0 系列产品为 线型设计的母型船。其原因如下： c p 4 5 0 系列产品是一型优秀的产品，她起源于同一船厂设计建造的c p 4 6 0 系列产 品，在此基础上设计而成。4 5 0 0 0 吨化学品船的主尺度和本文研究的最大灵便型船主尺 度非常接近；她拥有优秀的线型及极其优异的船、机、桨配合；通过对一系列9 艘船的 航海试验及理论分析发现基本不会出现滑脱现象；我们对该船的设计非常熟悉；我们的 研究基于此船也代表了我们对设计永远追求进步，同时她也代表了我们的真正设计水 平。 4 5 0 0 0 吨化学品船的主尺度和本文研究的最大灵便型成品油船主尺度非常接近，仅 仅型深不同，本文研究的最大灵便型成品油船型深1 8 0 0m 而4 5 0 0 0 d w t 化学品船的型 深为1 8 7 0m ；在此基础上运用n a p a 总体性能设计计算软件进行线型变换设计：我们 在广泛参考国内外该船型的线型特点后认为，根据目前本文研究的最大灵便型成品油船 所选定的方型系数看，属于低功率、经济航速下的肥大型、载重量型船，要有效减少船 舶阻力、提高船舶效率取决于船舶线型的首尾进流段和去流段的形状；设计出优秀的进 流段和去流段线型是减少船舶总阻力的有效手段。由于该型最大灵便型成品油船的去流 段线型设计我公司已积累了较丰富的经验，c p 4 6 0 及c p 4 5 0 系列产品线型的尾去流段在 几次模型试验及1 5 次航海测速试验检验证明是非常成熟的，代表了最大灵便型成品油 船尾去流段线型的国内外先进水平。在对本文研究的最大灵便型成品油船线型的设计时 基于以上分析，在保持船舶后体线型基本不变的前提下，着重考虑了船舶前体，尤其是 船首线型方案，并提交了多种球首方案供船模试验。在实际模型试验时，一共做了三种 球首方案：其中第一种方案为：在c p 4 5 0 线型基础上，通过改变吃水、变换船型设计的 s v 球首、球尾，与c p 4 5 0 线型相比，前体变化较大、从1 7 站1 9 5 站设计吃水宽度减 小、球首位置略高、尾部线型基本不变；在第一种方案模型试验结果分析、计算基础上， 从减少阻力、提高推进效率着手，进一步改善尾部伴流场和船、机、桨配合，设计开发 了第二种方案，第二种方案为：较低水滴型球首，从1 7 站1 9 5 站设计吃水宽度增加， 使首部进水流平缓，尾部排水量上移，通过模型试验，取得了很好效果；考虑到第一种 大连理工大学硕士学位论文格式规范 方案首伸出长度较大，球首面积也较大，综合第一二种方案特点，设计了第三种方案， ： 第三种方案为：球首高度提高，球首面积介于第一方案及第二种方案之间，近乎于s v 球首，尾部同第二种方案。第二种方案为本子专题项目船采用方案。 三个方案的主尺度、船型参数及主机参数对照如表3 1 三方案主要参数比较表。 表3 1 三方案主要参数比较表 项目方案1方案2 方案3 设计压载结构 设计压载结构设计压载结构 比较内容单位 吃水吃水吃水吃水吃水吃水吃水吃水吃水 总长l o a 加 1 8 01 8 01 8 01 8 01 8 01 8 01 8 01 8 01 8 0 水线长l w lm1 7 5 。81 7 2 ，3 31 7 6 ，l1 7 5 81 6 9 6 81 7 6 2 51 7 5 81 7 2 0 21 7 6 0 垂线间长l p pm1 7 21 7 21 7 21 7 2 1 7 21 7 21 7 21 7 21 7 2 型宽b m3 2 23 2 23 2 2 3 2 23 2 23 2 23 2 23 2 23 2 2 首吃水t f m1 1 0 6 4 21 2 21 1 06 4 21 2 21 1 06 4 21 2 2 尾吃水t a m 1 1 09 0 11 2 21 1 09 0 11 2 21 1 09 0 11 2 2 方型系数c b0 81 40 7 8 7 80 8 2 3o 81 40 7 8 7 80 8 2 30 81 4 0 7 8 7 80 8 2 3 型排水体积v 4 9 5 9 03 3 6 6 05 5 5 4 14 9 5 9 0 3 3 6 6 05 5 5 4 14 9 5 9 03 3 6 6 05 5 5 4 1 湿面积s7 9 5 06 7 3 28 4 0 68 0 1 5 6 7 4 68 4 5 27 9 9 78 4 4 56 7 4 7 舯剖系数c m 0 9 9 5 2 0 9 9 31 0 9 9 5 6 0 9 9 6 10 9 9 4 40 9 9 6 50 9 9 610 9 9 4 40 。9 9 6 5 棱型系数c p0 818 00 7 9 3 20 8 2 5 60 817 20 7 9 2 20 8 2 4 9o 817 20 7 9 2 20 8 2 4 9 浮心纵位置l2 7 5 32 7 5 32 7 5 32 7 5 32 7 5 32 7 5 32 7 5 32 7 5 32 7 5 3 长宽比l b5 3 4 25 3 4 25 3 4 25 3 4 25 3 4 2 5 3 4 25 3 4 25 3 4 25 3 4 2 宽度吃水比b t2 9 2 72 9 2 72 9 2 72 9 2 72 9 2 7 2 9 2 72 9 2 72 9 2 72 9 2 7 球首l 鞘山p 1 8 21 8 21 8 21 8 2 1 8 21 8 21 8 21 8 21 8 2 球首h 聃胡咕 5 4 5 5 5 4 5 55 4 5 55 4 5 55 4 5 55 4 5 55 4 5 55 4 5 55 4 5 5 到喵b 球首长b 1 8 4 1 1 8 4 11 8 4 11 8 4 11 8 4 11 8 4 11 8 4 11 8 4 11 8 。4 1 球首a 2 0 站a m 1 1 1 5 51 1 1 5 51 1 1 5 51 1 1 5 51 1 1 5 51 1 1 5 51 1 1 5 51 1 1 5 51 1 1 5 5 试验内容见表3 2 船舶线型优化试验内容统计表。 本船设计吃水时试验结果比较见表3 3 船舶线型优化试验结果比较表。 从表一3 3 船舶线型优化试验结果比较表可以看出，方案2 比方案1 在设计航速 v = 1 4 5k n 时阻力低7 5 8 ，推力减额t 及伴流分数w 均减少；推进效率提高1 7 。由于方 案一1 7 站以前的设计水线宽度较小，对l b 较小的船舶进流段有推水现象。对b t 较 大的船舶因l b 较小，则b t 变大对阻力自航影响明显。方案3 比方案2 球首高度较高， 前体设计吃水宽度略变大，阻力有所增加。 经过确定的线型，其主要参数如下： 大连理工大学硕士学位论文 总 长18 0 0 01 1 1 垂线间长1 7 2 0 0m 型 深18 0 0m 型 宽3 2 2 0r r l 设计吃水1 1 0 0m 结构吃水1 2 2 0m 表3 2 船舶线型优化试验内容统计表 方案l 方案2方案3 试验状态 设计压载结构 设计压载结构设计压载 结构 堕查哒 堕查 吃水吃水吃水吃水 吃水吃水 阻力试验是 是是是 是 。1 一一 自航试验是 是是 是是是 伴流试验 是 流线测试 是 表一3 3 船舶线型优化试验结果比较表 _ - - - - _ 。- 。- _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ - _ - - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - _ - - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ - - _ 。_