《《少无压载水船舶研究设想》-公开DOC·毕业论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《少无压载水船舶研究设想》-公开DOC·毕业论文（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、少/无压载水船舶研究设想 摘要：到目前为止，面对外来海洋生物入侵构成的威胁仍然没有一个十分理想的解决方案。因此研究更实用、更经济合算的防止压载水污染的处理方法势在必行，无压载水船舶理念应运而生。无压载水船舶技术应用在多种船型上将是未来船舶设计的热点。关键词：少/无压载水船舶0背景据报道，每年全球船舶携带的压载水超过120亿吨，平均每立方米压载水有浮游动植物1.1亿个，已被确认约有500种生物物种是由船舶压载水传播入侵。因此，船舶压载水特别是远洋船舶压载水的随意排放，已被全球环保基金组织（GEF）列为海洋面临的“四大危害”之一。国际船舶压载水和沉积物管理与控制公约已于2004年2月13日国际海事
2、组织在伦敦召开的成员国外交大会上通过，成为强制性国际法律公约。该公约要求部分新造船在2009年达到船上压载水处理的生物和卫生标准，且到2016年所有船舶都要满足这些标准。在全球加紧研制推出压载水处理设备的同时，美国、荷兰和日本的研究机构独辟蹊径，率先研发无压载水舱船舶，以期从根本解决压载水污染问题。日本革新型无压舱水（NOBS）油轮的适航性和运营性现在已经达到国际海事组织法律法规标准。革新型无压舱水油轮特别适合于海洋环境保护法律法规日趋严峻的当代社会，完全符合国际海事组织（IMO）颁布的船舶操作规范等法律法规。尽管迄今还没有一种完全可以实际使用和有竞争力的无压舱水船舶设计方案，但日本NOBS设
3、计研究成果表明，无压舱水船舶设计理念和方案完全切实可行，至少让悲观的人们看到从根本上解决压舱水问题的曙光。国际航运与世界经济、国际贸易紧密联系，当今世界贸易的货物有80%以上是通过国际航运承担的。2008年以前，随着我国外贸出口量的持续上升，大量资本进入航运领域，运力过剩初现端倪。2008年国际金融危机后，航运市场一度出现了短期反弹上升，给市场以航运将迅速恢复的信号，导致造船订单出现较大幅度增长。进入2012年，航运企业面临运价下降、成本全面上涨的困境。燃油成本、船员工资、融资成本等持续上涨，导致行业亏损大幅度增加，这将直接导致新造船订单的急剧减少。因此研究节能、环保型船舶成为船舶行业最重要也
4、是唯一的出路。目前，大部分远洋货轮空载离港时，都需要灌入一定量的压载水。如图1所示。具不完全估计，每年约有120亿吨的压载水在全球转移。在深海更换压载水是目前最有效、最具实用性的防止船舶压载水污染的方法。到目前为止，面对外来海洋生物入侵构成的威胁仍然没有一个十分理想的解决方案。因此研究更实用、更经济合算的防止压载水污染的处理方法势在必行，无压载水船舶理念应运而生。无压载水船舶技术应用在多种船型上将是未来船舶设计的热点。图1 压载水排放流程1 国内外发展现状1.1国外发展现状船舶压载水是为了保证船舶航行时的稳定性而采取的一种手段，虽说这是必须的，但所带来的危害却也是显而易见的，除了给海洋环境带来
5、污染外，还会耗费大量的人力、物力。如何在不使用压载水的情况下确保船舶航行时的稳定性，这一课题无疑成为各方研究人员现阶段的重点目标。就目前而言，较为人们所知晓的无压载水船舶理念有三种（如图2、图3所示），分别为美国密西根大学研发设计的贯通流系统船体（Through-Flow System Hull）、日本造船研究中心（SRC）提出的无压载水船舶（NOBS）理念、荷兰代尔夫特大学研究的单一结构船体（Monomaran）。其中，日本和荷兰的无压载水船舶理念较相近，均是以改变船体浮性以达到无压载水目的。图2 常规船体、NOBS船体、“Monomaran”船体比较图美国贯通流系统船体是目前各类无压载水船
6、舶设计中最有创意的一种，最早由密歇根大学于2001年提出其概念设计，并于2004年申请了专利，其实验假想对象为远洋货船。其设计思路是取消压载水舱，代之以两条开放的大型管道。船舶压载状态时管道的前后盖子打开，海水流入，船舶出航后海水从管道自前向后流动，保持船舶平衡；货船载货航行时，关上前后盖子将海水排放掉。密歇根大学在大型水槽中对这种新型船舶进行了试验，结果表明这种船舶不仅能保持良好的稳定性，而且由于船底安装的两条大型管道中海水自前向后流动，水流可起到帮助螺旋桨推进器加快旋转的作用，能提高航速并达到节省燃油和减排的目的，最多可节省7.3%的船舶动力。从结构上来讲，为了稳定性、安全性、装载量能方面
7、同于典型远洋散货船，该型设计在船体结构方面需做出不少改变，如为了能布置足够的压载水管路，内底需有所增高，如此为了确保足够的装载量，船深必然也随之加大，见图4。然而，贯通流系统船体的最大缺点是增加了船舶航行中的阻力，进而降低了船舶的动力效率。不过由于从船尾排出的水使进入螺旋桨的水流变得更平滑，从而可提高一些推进效率，但从最新的模拟试验结果来看，效果并不明显。但是从总体来看，船舶动力需求较常规船舶降低保守估计约为1.6%，经济性稍好。图3 贯穿流系统船体示意图图4 典型远洋散货船和贯穿流系统船结构比较日本NOBS理念开发起始于2001年，由日本造船研究中心（SRC）提出。2003年，该项目在设计方
8、面的研究开发进入新阶段，开始了历时3年的水池试验联合项目。该项目由日本船舶技术研究协会主持，日本基金会支持，合作伙伴包括三菱重工（MHI）、SRC以及NI等。NOBS理念完全不同于之前的压载水管理方法，它是对船体的一种重新设计。主要通过采用横向倾斜船底设计，使中线的位置比拥有较方、较平坦船底的传统货船更深，从而实现空船在不使用压载水的情况下也可拥有足够的吃水深度以避免船首抨击和螺旋桨飞车，同时可充分确保船舶在大多数海况下的安全。不过船上也将设置2个小型备用压载舱以应对极端海况。采用该设计后，船体排水量将有所下降，而长、宽及吃水方面在设计时就比传统船型更大。由于NOBS从外形上看比较像英文字母“
9、V”，因此也被人们称之为V型船体（V-shaped hull）。NOBS理念的关键优势在于它可为船东省去昂贵的压载水处理系统及之后的相关维护费用。日本研究机构提出的V型船身无压载水舱超大型油船（VLCC）设计。其最大特点是船舶的船体下半部分更加细长，船底呈现向下突出的V型，使船舶在空载时能保持足够的吃水深度。其中一种V型设计方案的代号为“最佳”，其船舶型宽增至70米，满载吃水19.10米，载重量超过30万吨，可航行在波斯湾等无水深限制的航道。该型船并非完全没有压载水舱，而是设计有备用水舱。在同样环境下，传统VLCC则必须载有80000吨压载水，可见无压载水舱VLCC的优势十分明显。不仅如此，V
10、型船身设计还可以最大限度地让船体“瘦身”，减少船舶航行阻力，经测算，“最佳”型无压载水舱VLCC比传统VLCC所受阻力小33% 。不过，由于无压载水舱船舶需要优化船舶结构，还要选用超强度钢材，因此单船造价要比传统VLCC高650万美元左右。当然，增加的成本完全可以在船舶运营过程中通过节约动力消耗收回。另一种设计理念是船体采用单一结构。由荷兰研究人员提出的单一船体型船舶目前已在代尔夫理工大学（TU Delft）试造成功，载重量4000吨，航速14节。该船型的设计理念和日本的NOBS相似，也是以改变船体浮性达到无压载水的目的。其特点就是通过在船底部位设置一个内凹，从外形看像双体船，但实际上还是单体
11、结构。采用该型设计后，船舶在轻载时也可拥有较深吃水，避免了螺旋桨飞车等情况，保证了航行时的稳定性。不过由于船体与水接触面增大，因此与传统船型相比水阻将较大，油耗也将有所增加。同时，该型船船底两侧采用的向下“蝉翼”设计，可产生空气润滑作用，从而减少了部分阻力。此外，该型船的发动机废气排放并非向上排放到空气，而是向下通过船底凹处向船尾方向排放，在发挥其所谓空气润滑功能的同时，也使得废气中二氧化碳、一氧化碳、各种颗粒污染物和硫化物溶解在海水中，从而减少了对海洋空气和港口码头环境所造成的危害。从试航检测来看，其性能基本达到了真正无压载水舱船舶的设计要求。1.2国内发展现状少/无压载水船舶作为一种新的船
12、舶设计理念已经在国外展开了相关的研究，而在国内还研究甚少。在国内船舶领域，仅有少数研院所、高校开展就V型无压载水方案的型线设计的研究。但是都处在探索、研发阶段，尚无应用在远洋和运输船舶上的案例。2研究目的为了应对国际社会对环境和安全要求的日益严格，造船业必须大力发展绿色、低碳、环境友好型船舶，推进造船业的可持续发展。少/无压载水船舶成功研制,不仅可以彻底解决压载水的污染问题,还能带来节能等效果以及降低压载水处理系统带来的营运成本,从而从根本上解决船舶压载水问题。船舶压载水对多数空载状态下的船舶而言是必不可少的，它的作用一是在船舶空载航行时使船舶保持一定深度的吃水安全航行；二是在船舶载货的状态下
13、用压载水在各压载舱之间的压载和调节，达到最佳的浮态，保证船舶安全、经济航行。但压载水本身所带来的危害已长期广泛地存在，这种危害不仅是眼前的，而且是长远的和深刻的。全球船舶压载水转运量年均达到上百亿吨，由此而引发的污染、外来生物入侵，给各国海域带来了严重的环境问题，也给全球航运业造成严重的损失。目前正在发展的压载水处理系统大多采取物理和化学处理方式相结合的办法，容易在杀死压载水中生物的同时带来二次污染；且压载水处理装置价格昂贵。如果成功研发出少/无压载水舱船舶，不仅可以彻底解决压载水污染问题，还能节约能源，将直接带来相当可观的经济利润。3主要研究内容少/无压载水船舶理念完全不同于之前的压载水管理
14、方法，它是对船体的一种重新设计。通过特殊船型设计，实现空船在不使用或少使用压载水的情况下也可拥有足够的吃水深度，确保船舶在大多数海况下的安全航行。针对少/无压载水船舶设计展开研究，采用少/无压载水设计理念的船舶可在不使用压载水的情况下航行于远洋环境中（正常海况），在满足所有标准要求及安全性、适航性等相关规范，并在保证经济性的情况下，研究并确定少/无压载水设计理念在实际船舶中的应用，为国内乃至全球船舶/航运业以及全球环境做出一点贡献。可以从以下几点着手：通过对少/无压载水船舶和常规船舶在船型、适航性能、快速性能、操纵性能、结构设计以及经济性分析等方面的对比，研究少/无压载水船舶在未来船舶的优势。
15、3.1船型研究少/无压载水船型理念完全不同于之前的压载水管理方法，它是对船体的一种重新设计。主要通过采用横向倾斜船底设计，使船舶的下半部分的船体更加细长,船底呈现明显向下突出的V型,使少/无压载水船舶吃水深度避免船首的抨击和螺旋桨飞车，同时可充分确保船舶在大多数海况下的安全。不过船上也将设置几个小型备用压载舱以应对极端海况。采用该设计后，船体排水量将有所下降，而长、宽及吃水方面在设计时就比传统船型更大。3.2适航性研究将少/无压载水船舶的运动性、波阻性以及波浪中的纵向弯矩与常规船舶比较，其适航性满足IMO相关标准。3.3快速性研究少/无压载水船型最大特点是船舶的船体下半部分更加细长，船底呈现向
16、下突出的V型，使得在吃水相当时排水量少，因此可大大减少船舶航行阻力。其次，虽然常规船型在满载情况下推进性能比少/无压载水船舶稍好一些，但在空载情况时，少/无压载水船舶的航行性能更好。3.4操纵性能研究少/无压载水船舶与常规船舶在船舶的旋回性能、保向性能、停船形能以及初始回转性能等方面相当。3.5结构设计少/无压载水船舶需增加刚性强度来抵抗由于增加的船宽引起的船体纵向弯矩，因此需考虑增加高强度钢的使用率来减少由于船型变化增加的船舶自重，满足结构规范要求。3.6经济性分析少/无压载水船舶和常规船舶在船舶初始投资，包括船舶油耗、钢料重量、船模试验等支出比较，以及船舶由于压载水处理方面获得的经济因素。船舶在特定航线，航运货物时船舶的回收年限等方面对于两种船型的经济性分析比较。4 初步研究方案
