周荣安 刘敏
（民生轮船股份有限公司， 重庆 400011）
摘要：针对内河船舶大型化的发展趋势，以1300车滚装船为研究对象，从船型选取、性能、总布置及强度等方面分别进行了分析，同时对不同尾部形式进行试验对比，并进一步通过实船进行验证，结果表明采用球首浅涡尾线型优于其他船型，具有广阔的应用前景。
关键词：船型选取；球首浅涡尾；滚装船
Abstract: With the development trend of the inland ships upsizing, the paper adopts 1300-car type roll-on/roll-off ship as the study object and has made analysis from such aspects as ship type selection, characteristics, general layout as well as strength. Meanwhile, the paper also makes comparisons on different stern types through experiment and verifies it through real ships. The result shows that bulbous bow shallow whorl stern is better than other types and has an extensive prospect of application.
Key words: ship type selection, bulbous bow shallow whorl stern, roll-on/roll-off ship
0 前言
随着长江沿线汽车制造工业走廊的形成，汽车工业迅猛发展。随着长江三峡大坝建成，三峡形成库区，航道得以改善。水运物流成本低，质量高，运输量大，优势明显，因此水运滚装运输已是汽车生产商的首选运输方式。给长江水运整车物流运输带来了前所未有的发展机遇。其年增长率平均达到30.46％， 部分地区高达102.35％ 。
船舶大型化是最大的节能技术。节能降耗减排，安全、环保成为人们关注的焦点，船舶大型化由于单位载量投资少、油耗少，碳排放量减少，对社会资源的耗用更少，成为最大的节能技术。内河商品汽车运输滚装船的开发和建设，已引起船公司的高度重视和大力投入。船舶的大型化、标准化以及如何利用科学技术创新来达到提高快速性、节能降耗减排，安全、环保成为人们关注的焦点。本文就目前长江上最大的1300车商品汽车运输滚装船开发设计中的有关问题作粗浅的分析及探讨。
1 船型的选取
1.1 主尺度的基本确定
本船需全年航行于重庆至上海，因此受到船闸、枯水水位及库区桥梁限高等限制，本船属位置布置型船舶，由于受总高及吃水影响，要提高装载量只能加大型宽，本船考虑车辆布置及结构尺寸后型宽加大到
1.2 线型的选取
平头船拍击较大，对大型深的船并不适合，目前大型船舶已很少采用。球首船与尖首船比较增加了湿表面积，相应增加了摩擦阻力；本船满载时要保证良好浮态需将货物重心尽量前移，大球首由于距浮心较远对本船浮态有一定负面影响；球首设计仍然没有象螺旋桨设计有现成的图谱供参考，目前仍只能定性分析再通过船模实验验证，设计成本高；对于Fr=0.2左右的船舶，兴波阻力占比很小，从这一点来讲，设置球鼻艏对于降低船舶阻力似乎意义不大。但根据目前对球首减阻机理的深入研究，不同速度和形状的船舶，减阻机理是不同的，球首对高速船主要是减少兴波阻力，低速船设置球鼻艏可以整流和减小首部水线半进流角，从而达到减阻的目的。
通常在船首底部会发生大量漩涡，并产生埋首现象，从而增加阻力。这是由于舷侧的水流绕过舭部斜向进入船底，与船底原来向后的水流交叉相混．形成漩涡。安装具有整流作用的合适球鼻艏后，可以改善首部流场，降低鼻涡阻力和减少埋首现象。
同时，安装球鼻艏后，首部船体前伸，该处横剖面面积曲线的陡度和首部水线半进流角减小（控制在12o~15o以内），这可改善船首柱附近的水压力分布，因而缓和了船首破波情况，降低了破波阻力。
因此，采用球鼻艏是可行的和有效的，这一点在此前开发的类似船舶上已经得到了很好的验证，本船最终选用小球首线型。
1.2.2 尾部线型的选取
由于吃水受限，本船的吃水较小，必然限制螺旋桨的直径，从而降低了螺旋桨的敞水效率。
螺旋桨的敞水效率ηo与其负荷系数Bp相关，螺旋桨的负荷越重，Bp越大，敞水效率ηo越低，反之亦然。
式中：N----- 每分钟螺旋桨转速（rpm）；
PD ----- 螺旋桨敞水收到马力（英制）；
VA----- 螺旋桨进速。
由上式可以看出，在设计航速、螺旋桨转速给定的前提下，只有降低螺旋桨的收到功率，才能降低Bp，从而提高ηo。采用三台主机以后，在总功率相同的情况下，单机功率由总功率的1/2降为1/3，Bp明显减小，从而提高螺旋桨的敞水效率。
由于本船的船宽很宽，吃水较浅，考虑到本船 船宽 / 吃水 比达到7. 75，比较适宜设置三桨，螺旋桨呈倒三角形布置（中桨拖后），螺旋桨纵向间距约为1倍螺旋桨直径，可有力地减少三桨之间的干扰。另外，边桨的轴线开档拉开以后，艉部线型更加流畅，可以降低剩余阻力。
故本船采用三机三桨是可行的和有效的，且应尽量拉开三个螺旋桨之间的间距。
根据500车等项目的设计经验，本船初始设计的原型船为球首三尾线型，边桨采用对称双外歪尾，外歪10度，为边桨提供预旋流。原型船在华中理工水池做了船模实验，达不到预定航速，后尝试用当前国内尚无人用过的球首浅涡尾线型配内旋桨。目前长江船舶主流船型为外歪尾和双尾鳍，而涡尾船型应用不多。实际上涡尾是蜗槽尾、隧道尾、方尾、球尾、螺旋桨导管及鳍尾等的综合体，它们的有机结合使涡尾船体对桨产生了有利干扰，增大船身效应，使流动状态亦较常规船不同，在低速（Fn=0.2左右）就形成了方尾船在Fn=0.45左右才出现的假尾现象，其“虚长度”使有效水线长大幅度增长，如下图所示：
经大量船模试验与实船航行发现有下列五种作用：
(1) 形成假层，涡尾与中央隧道的纵流作用，能使船模自航试验在Fr＞0.20左右时就形成假尾，从而使船体阻力显著降低。
(2) 消减尾浪，理论上和实际测试均说明，涡尾的兴波高度比常规船尾有显著降低。
(3) 提高推进效率，Q．P．C值主要依靠推力减额t的减小、伴流分数的提高和涡尾的反桨效率而获得提高。
(4) 回收螺旋桨尾流中的旋转能量，由于涡尾能诱导反桨的预旋流，从而有可能将尾流变成向后喷射的直流，减少螺旋桨尾流因旋转而带走的大量能量。
(5) 消减振动，由于在涡槽尾处轴向与周向的伴流，大体上都沿着以涡尾中心为圆心的圆周上均匀分布，而且，桨轴中心线和涡尾的中心线重合．故螺旋桨各叶片上同一半径处的叶原体旋转一周所遇到的水流基本上也是均匀的，加上消耗在螺旋桨尾流中的功率大量减少，因此，作用在船体上的机械振动将显著减小。
平头涡尾线型在上世纪90年代曾有川江客船使用过，而影响涡尾船型推广的原因，据船东反映主要有以下不足：平头拍击大；深涡尾尾部线型复杂，加工精度要求高，对厚板加工就更加困难；深涡尾存在回转力滞后现象和倒车启动滞后现象，驾驶员普遍认为内旋桨操纵性不如外旋桨好；深涡尾由于机舱内凹较多，损失浮力和空间，对浮态调整也有不利影响；内旋桨水流激振较大，机舱噪音和振动较大；可能是由于线型复杂，实船加工精度达不到的原因，实船航速与船模实验有差距。
而本船所选浅涡尾设计为了保证和原线型未改型部分线型的光顺性，最终出来的线型特征更像普通不对称尾鳍，如下图所示：
浅涡尾与深涡尾相比有较大改善，加工难度与外歪尾相当，由于是浅涡尾没有深隧道尾的特征或隧道尾的径深比很小，原深涡尾存在的回转力滞后现象和倒车启动滞后现象在本船上发生的可能性将微乎其微，这可以从把本浅涡尾视为不对称的鳍尾的角度加以理解，因为目前还没有因为采用不对成鳍尾对操纵性产生不利影响的报道。
船模实验表明，改型船与原型船比较，在排水量相同的情况下，船舶阻力无明显改善，而在吃水 T =
船模阻力实验数据对比表
| 吃水
| 不同航速船模阻力实验数据对比（航速km/h, 原型阻力设为1） | ||||||||||
| 20.0 | 21.0 | 22.0 | 23.0 | 24.0 | 24.5.0 | 25.0 | 25.5 | 26 | 26.5 | 27 | |
| | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| | 1.018 | 1.013 | 1.012 | 1.014 | 1.007 | 0.999 | 0.998 | 0.999 | 0.996 | 0.994 | 0.996 |
| | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| | 1.022 | 1.008 | 1.008 | 1.012 | 1.023 | 1.018 | 1.014 | 1.012 | 1.016 | 1.014 | 1.020 |
说明：T =
T =
但是自航实验却表明新线型有更好的推进效率，具体数据如下表：
船模自航实验总体推进效率Q.P.C数据对比表
| 吃水
| 不同航速船模总体推进效率Q.P.C实验数据对比（航速km/h, 原型设为1） | |||
| 22.0 | 23.0 | 24.0 | 25.0 | |
| | 0.593 | 0.575 | 0.569 | 0.542 |
| |
| 0.641 | 0.647 | 0.645 |
| 节能 |
| 11.5％ | 13.7％ | 19％ |
| | 0．584 | 0.575 | 0.562 | 0.542 |
| | 0.604 | 0.609 | 0.613 | 0.605 |
| 节能 | 3.4％ | 5.9％ | 9.1％ | 11.6％ |
而总体推进效率Q.P.C提高，主要受益于船身效率的提高，具体数据如下：
吃水T =
| 航速（km/h） | 中桨 | 边桨 | ||||
| 原型 | 改进型 | 提高 | 原型 | 改进型 | 提高 | |
| 22 | 0.990 |
|
| 1.080 |
|
|
| 23 | 1.014 | 1.070 | 5.5％ | 1.046 | 1.346 | 28.7％ |
| 24 | 1.029 | 1.067 | 3.7％ | 1.019 | 1.343 | 31.8％ |
| 25 | 1.051 | 1.056 | 0.5％ | 1.011 | 1.348 | 33.3％ |
吃水T =
| 航速（km/h） | 中桨 | 边桨 | ||||
| 原型 | 改进型 | 提高 | 原型 | 改进型 | 提高 | |
| 22 | 1.003 | 1.075 | 7.2％ | 1.066 | 1.287 | 20.7％ |
| 23 | 0.983 | 1.072 | 9.1％ | 1.043 | 1.288 | 23.5％ |
| 24 | 1.001 | 1.066 | 6.5％ | 1.033 | 1.265 | 22.5％ |
| 25 | 0.956 | 1.060 | 10.9％ | 0.995 | 1.258 | 26.4％ |
从表中看出，浅涡尾有较好的船身效率,尤其边桨船身效率大幅提高，而设计吃水T =
本船尾部线型选用的浅涡尾线型，船模自航实验达到了设计航速要求。
2 性能比较
由于球首浅涡尾船型并未检索到同型船，只能将长江上已有较优秀的三机三桨船进行比较,按常规，比较各船在设计航速下的海军部系数，即：
C=Δ2/3*V3/PS
式中：C --------- 海军部系数
Δ --------- 排水量（t）
V --------- 设计航速 （km/h ）
PS ------------ 主机功率以额定收到功率计（kw）
内河三机三桨船海军部系数对比表
| 类别 | | | 60车重型滚装船 | 本船 |
| 总 长 LOA(m) | 99.0 |
| 108 | 119.53 |
| 水线长LWL(m) | 95.0 | 97.5 | 103.5 | 115.3 |
| 垂线间长LPP(m) |
| 95 | 101.5 | 112.8 |
| 型宽B(m) | 16.2 | 18.8 | 22.2 | 21.7 |
| 设计吃水T (m) | 2.4 | 2.6 | 2.6 | 2.8 |
| 排水量 Δ (t) | 2935.4 | 3097 | 3898 | 4774 |
| 宽吃水比 B/T | 6.75 | 7.23 | 8.54 | 7.75 |
| 长宽比 L/B | 5.864 | 5.186 | 4.662 | 5.313 |
| 方型系数 Cb | 0.783 | 0.667 | 0.665 | 0.697 |
| 排水量 Δ (t) | 2935.4 | 3097 | 3898 | 4774 |
| 设计航速 km/h | 22.0 | 25.0 | 21.56 | 25.35 |
| 主机功率 Ps (kw) | 1344.8 | 1688.1 | 1229.18 | 2117 |
| 海军部系数 C | 1623.2 | 1966.6 | 2019.4 | 2181.7 |
由于海军部系数能较全面地反映各船的阻力和推进性能，从上表可知，本船是一艘较为优秀的船型。对三桨船线型，特别是尾部线型、三桨的布置、三桨之间的干扰及机理，如何把多桨间的不利干扰变为有利干扰还待深入研究。
3 总布置及强度
本船共9层载车甲板，主甲板下设两层载车甲板，主甲板以上6层载车甲板，标准载车量按豪华轿车考虑不小于1300辆，车辆装载量不小于2210吨。
为保证总纵强度，本船为双甲板船，主甲板与第一载车甲板参与总纵强度。
内法规和CCS规范对商品车运输滚装船相关要求在不断完善中，目前对商品车滚装船甲板间横向结构稳定性尚无要求。由于大型商品车滚装船为便于装车，货舱区支柱等横向结构数量和尺寸都尽量减少，横向结构是必须考虑的，本船针对横向强度做了理论计算和结构加强。
为保证足够的舵效，本船设有三部襟翼舵。
本船为提高装卸效率和减少船员劳动强度，每舷设有一液压跳板。
4 实船验证
本船型共两艘已陆续投入使用，并已完成 重庆------上海 往返航行，经航行实验，证明航速与船模实验基本一致。
本船舵效满足使用要求，与外旋桨操作无明显差异。
本船各港装卸车正常，因甲板宽、支柱少，装卸方便。
机舱振动和噪音较民生500车大。
由于本船为双甲板船，主甲板与第一载车甲板之间侧壁板要参与总纵强度，导致位于主甲板上的缆桩等系泊设备处开口受限，给操作带来一些不便。
5 经济性
本船主机可使用燃料油。
因无相关资料，本船仅对比民生500车内河商品汽车滚装船做一简单比较：
每标准车位投资节约约 20％
单航次油耗每车位节约约 35％
经济性显著。
6 结论
1、通过对阻力试验对比及实船验证，表明采用球首浅涡尾线型优于其他船型，具有广阔的应用前景。
2、更大船宽/吃水比的内河船舶的发展将是一种必然的趋势，为适应这种趋势，三桨或多桨船的开发是一个值得研究的方向，浅涡尾内旋桨所带来的船身效率的提高是一个值得研究的课题。因此桨的布置、三桨之间的干扰及机理，以及如何将多桨船螺旋桨之间的不利干扰变为有利干扰还有待进一步研究和探讨。
参考文献(References)：
[1]华中科技大学交通科学与工程学院船舶和海洋工程水池实验室 《1300车模型阻力自航实验报告》
[2]武汉金鼎船舶设计有限公司 《民生1300车商品汽车运输滚装船型线分析报告》
