北极破冰油船船型发展研究

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。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70KDWT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

总长（m） 型宽（m） 型深（m） 设计吃水（m） 载重量（t） 航速（Kn） 冰区等级 表1 主要要素 破冰油轮（70K） 破冰油轮（A-Max） 257.0 267.0 34.0 43.8 21.0 21.0 14.0 15.0 70000 110000 16.0 16.0 LU6 LU7

下表2介绍了设计研究船型的型式。

表2 研究范围

船型A 船型B 船型C 船首 尖瘦型破冰船首 缓和型破冰船首 冰区加强型船首 船尾 双尾吊舱式 双尾吊舱式 双尾吊舱式 备注 双向式 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