北极破冰油船船型发展研究

1、北极破冰油船船型发展研究Park Hyung-Gil1, Jung Hyun-Chae2, Lee Yong-Chul1, Ahn Sung-Mok1 and Hwangbo Seung-Myun1 (1.三星船模水池, 韩国大田;2.三星重工业公司，韩国大田）摘要 2006年, 在北极地区航运潜力不断增长背景下，三星重工有限公司开始研究高性能破冰油轮。随着极冰融化，经济往来也愈加活跃，一系列具有相同船尾，但首部不同的船型被研发设计出来，并通过模型试验对其性能进行了评价。其中在阿克北极科技有限公司和三星船模水池的分别进行了冰区和开阔水域试验。本文介绍了破冰油轮的基础设计和性能评估,并介绍船型特

2、点以及有关冰区阻力的冰区特征。简介 近期由于巨大储量的天然气和石油资源，北极地区的开发需求迅速增加。Fearnley Consultants AS在2005年4月预测，在未来10年内，俄罗斯西伯利亚的石油出口量将从1800万增加到9000万吨。因此，商用破冰船的发展有望成为近期船舶建造的主要课题。 在这种的背景下，三星重工对北极破冰货船市场很感兴趣，并且已经准备很长一段时间。自2001年以来，三星重工和芬兰阿克北极科技公司和加拿大海洋科技研究所等合作，研究北极型破冰货船和波罗的海型油船的优化设计。2005年三星重工运用自己的技术开发了世界首个，结合破冰和运输货油两个功能的70000吨破冰油轮。

3、并且在2005年收到Sovcomflot公司为瓦兰代港口运输的三艘穿梭油轮的设计建造订单。这也韩国造船企业第一次进军全球破冰油轮市场。 为了在这个市场上拥有主动权，三星重工研发了一系列具有鲜明首部形式的的破冰油轮，其中有线型尖瘦的、过渡温和的和传统形式的首部。这些是为了提高从喀拉海到欧洲或美国的不同航线下的燃油效率。该船设计为110K吨级，是世界上最大的北极破冰油轮。尾部设计双尾吊舱推进以达到良好的操纵性。所有的船型都通过流体动力学模拟来优化在开阔水域的性能。通过长期的研究积累，这些基础数据也具有了很好的冰区航行性能。 有了这些结果，三星重工制定了船体设计指南，来实现最佳的燃油经济性，包括在北

4、极和波罗的海的抗冰能力。 本文认为，破冰油轮船体的概念设计与航线有很大关系，因为它关系到船体设计参数和冰区阻力，在概念设计阶段，当施加冰区阻力影响时需要考虑一些问题。这些问题可以总结为以下几点。 ·破冰模式和破冰阻力的关系 ·冰区环境的比较 ·开阔海域航行性能的评估 ·考虑不同航线下的船体概念设计研究对象 如表1所示，新的破冰船比三星重工在建的70K DWT破冰油轮载重量更大。在主机功率提升30%情况下，要求满足在LU7级冰区航速不低于3节，在开阔海域目标速度不低于16节。这个项目最终的目标是开发出兼顾冰区和开阔海域两种航线下的最优船型。为了实现目标，一

5、共设计了三种船首，并于2006年，分别在阿克北极技术公司和三星船模水池进行了冰区和开阔海域两工况下的航行性能试验表1 主要要素破冰油轮（70K）破冰油轮（A-Max）总长（m）257.0 267.0 型宽（m）34.0 43.8 型深（m）21.0 21.0 设计吃水（m）14.0 15.0 载重量（t）70000110000航速（Kn）16.0 16.0 冰区等级LU6LU7下表2介绍了设计研究船型的型式。表2 研究范围船首船尾备注船型A尖瘦型破冰船首双尾吊舱式双向式船型B缓和型破冰船首双尾吊舱式船型C冰区加强型船首双尾吊舱式模型试验项目2006年7月，三星重工和阿克北极科技公司合作，为喀拉

6、海域研制的船型A进行了冰区模型试验。测试的目标是找到尖瘦型船首和双尾吊舱式船尾的最优设计，并且要满足俄罗斯船级社LU7等级要求：在不低于2.5节航速下能打破1.67m厚度的冰其中包含20cm厚度的雪。并在不同冰区条件，对满载、压载工况时的正车和倒车运行进行相同的实验。船型B和C是测试主机功率，同时评估不同船首在冰区和开阔水域条件下航行性能。船型B的冰区和敞水性能预测评估，是基于分别在阿克北极技术公司和三星船模水池的相似船型试验结果得到的。船型A和船型C的试验可以总结为以下试验项目·平坦海冰、航道海冰、冰脊试验·敞水试验模型试验船型研究为了获得一个适应航线的良好的船型，已经开

7、发了一系列的船型，如图1所示的船型A和船型C，船型A是尖瘦型破冰船首，侧重于破冰性能。另一方面，除了双向破冰能力外，船型B破冰油轮在开阔水域还具有有良好的操纵性。船型B和船型A很相似，但纵剖面倾角更大。船型C是传统冰区加强型船首，强调在波罗的海的通航性能。作为航行在喀拉海的穿梭油轮，双尾吊舱系统具有良好倒车性能，尖瘦型破冰船首具有良好的正车性能。为得到良好操纵性，和极端冰制弓前进在喀拉海冰穿梭油轮。为了满足良好的操纵性，尾部设计为双尾鳍，如图1所示。碎冰图案和冰区阻力通常我们了解，破碎的冰纹是衡量船体表面抗冰阻力的方法。尖瘦型船首和传统型船首的破碎冰迹分别如图2的左侧和右侧所示。尖瘦型船首有适

8、当的肋骨形状，它的冰纹显示出明显规则的圆形，而右图2传统型船首显示零散的冰块。通常，圆形冰纹更适合于破冰船，而右图碎冰冰纹更适于除冰性能。平坦海冰和航道海冰的破冰现象图3显示了在冰况试验中，尖瘦型船首和传统型船首的碎冰形状。图3左上显示, 尖瘦型船首把碎冰压入冰面以下, 图3右上显示所示传统型船首的碎冰向上移动到冰面上。这与主船体船首形状密切相关。同时,下方的两张图片显示的是航道海冰试验时的特征。由于两种船首的不同，两者有明显的区别。对比图3下面两张图，可以看出碎冰流动方式分为侧向和底部流动。为提高在航道海冰下的除冰性能,冰区加强型的船首应尽量设计成平直水线。肋骨结构和水线角设计应考虑航线的实

9、际情况以及开阔海域的性能表现。图4显示了破冰和清冰能力的比较。其中左图菱形点虚线表示船型C，圆形点虚线表示船型B，方形点实线表示船型A，结果显示，三个形状船首的除冰性能有很大的差异。右图显示了船型A和船型C的在航道海冰条件下的性能。结果表明船型A更满足破冰和除冰要求，而船型C的航道海冰条件表现更好。船型A 尖瘦型船首船型B 缓和型船首船型C 冰区加强型船首图1 破冰油轮设计照片 船型A 尖瘦型船首 船型C 冰区加强型船首图2 船型A和船型C的碎冰形状船型A 尖瘦型船首 船型C 冰区加强型船首平坦海冰试验航道海冰试验图3 船型A和船型C破冰方式比较图4 不同类型船首的抗冰能力比较船型A 尖瘦型船

10、首 船型C 冰区加强型船首图5 船型A和船型C的波形比较敞水性能评估 为了验证采用相同船尾的尖瘦型船首和冰区加强型船首的敞水性能，进行了流体动力学研究，并在三星船模水池进行了敞水性能试验。试验结果如图5和图6显示。尖瘦纵剖面的船型A产生的波形与船体C相似，但在船首前面部分出现破波现象。在开阔水域，这种波浪破碎的现象会产生很大的阻力。图6总结来说，冰区加强型的船首在开阔水域比尖瘦型船首性能高5%。船型参数与冰区阻力平坦海冰条件下的船体概念设计在初步设计阶段，设计完L/B,B/T,Cb等参数后，需要确定冰的厚度等级，然后确定平坦海冰条件下船首剖面倾斜角、肋骨倾斜角的最佳值。它们对破冰性能有主要影响

11、。图7表示船首剖面倾斜角和肋骨倾斜角。通常船首剖面倾斜角和肋骨倾斜角建议不超过25.0度。图7 影响破冰阻力的首部倾斜角和肋骨倾斜角航道海冰条件下的船体概念设计图8显示了不同船首的水线形状，这些船型都是在2005年为波罗的海航线设计。水线B弧度比水线A更小，并且选为最终的船型曲线。通常推荐波罗的海船型在19.75站，半宽水线斜率是不超过50.0度。图8 水线形状对除冰阻力影响的比较船型参数和冰区阻力为了研究船船型参数和冰区阻力的关系，首先是要找到在平坦海冰和航道海冰条件下，哪些参数对冰区阻力起主要作用。一系列研究表明，在不同条件下肋骨角度和设计水线面角度都起主要作用。平坦海冰阻力在航速3节时测

12、量，航道海冰阻力在航速5节时测量。图9表示这些船型参数和冰区阻力之间的关系。图9 平坦海冰和航道海冰阻力评估图9中的平坦海冰阻力曲线与试验结果吻合良好。这意味着，肋骨倾斜角是破冰船是一个主要的设计参数。航道海冰阻力曲线与试验结果也很吻合。所以为得到良好的破冰性能，肋骨倾斜角应该尽可能减少。另一方面，要有良好除冰性能，设计者应注意水线角度。总结 研究表明，新型A-Max破冰油轮，在平坦海冰和航道海冰条件下都表现出色，同时开阔水域的航行性能也很优秀。通过船型设计和模型试验的研究，三星重工以及掌握了破冰油轮冰区船型的设计技术。下面总结了目前研究中的一些主要结论·在平坦海冰条件下，船首剖面倾

13、斜角和肋骨倾斜角不超过25.0度，能得到最好破冰能力。·在航道海冰条件下，破冰船的除冰能力取决于19.5和19.75站的水线角。尽可能设计瘦削的水线，这样能尽可能减少航道海冰的阻力。引用St. Johns, Newfoundland , Labrador,CANADA,8-13 August 2004.25th Symposium on Naval Hydrodynamics Juurmaa, K., Mattsson., t., Wilkman, G.(2001). The development of the new Double Acting Ships for ice ope

14、ration, POAC 01, Ottawa, Canada Kim, H-S, Ha, M-K, Ahn, D., Kim S-H and Park, J-W. (2005). Development of 115K Tanker Adopting Baltic Ice Class 1A, International Offshore & Polar Engineering Conference (ISOPE), Seoul. Pekka Salmi, Sauli Immonen, Ann-Cristin Forsén, Göran Wilkman(2001) Developmentof a new bow form for operation in brash ice channels, POAC 01, Ottawa, Canada Jongwoo Park , Suhyung Kim(2006). Ice strengthening performance and forebody