无压载型船的研究进展及其在渔业船型中的开发应用

刘大路，于欣，贾敬蓓，孙凤胜，栾天

(大连海洋大学 航海与船舶工程学院，辽宁 大连116023)

进入21世纪以来，为了节约能源、减少排放和保护环境，世界上一些主要海洋国家开展了无压载水船型的研究，并取得了较大的进展［1］。无压载水船型的研究主要是针对大型远洋运输船舶而进行的。在远洋运输业，大型油轮、散货船和集装箱船等是承担世界大部分国际货运量的主力运输船型，它们也是造成海洋环境污染和外来生物入侵的主要责任者之一［1-5］。经过十几年的研究，美国、日本和荷兰等国家的研究人员取得了重要成果，创立了一些具有革命性意义的新船型理念，对未来船型的发展方向进行了极具意义的开拓和探索［1-2，6-9］。目前，关于无压载水船型的研究，已经成为世界范围内船型研究领域的热点问题之一，在中国也对其开展了极为广泛地研究和论证［9］。中国是世界主要渔业大国之一，渔船数量十分庞大，截至2011年底，远洋渔船数量达到1546 艘，其他各类海洋渔船的数量为283 141 艘［10-13］。对未来渔船船型的研究和开发问题，一直是很多相关领域研究人员最为关心的问题。尽管大多数渔船和渔业辅助船的压载方式与货船不同，但仍然可以借鉴这些新的设计理念，开展新型渔业船舶的研究，探讨其发展前景，在节能减排、保护海洋环境、提高渔船的经济效益等方面，将具有十分重大和深远的意义［5，11］。

1 无压载水船型的概述

传统的船舶，尤其是商用运输船舶，出于航行安全的需要一般在底部设置若干个压载水舱(集装箱船的边舱也可以作为压载水舱)，舱内装载压载水［14-15］。压载水的作用主要有两个方面:一方面，在空载航行时，能使船舶保持一定深度的吃水;另一方面，在载货状态下，通过对各个压载水舱之间的压载水量进行调节，使船舶达到较佳的航行姿态，以保证船舶能够安全顺利地航行于特定水域。压载对船舶航行安全是非常必要的，但是它所带来的弊端和危害也是十分明显的。首先，空载航行时压载水舱内装满海水，由于船舶重量增加，导致船舶油耗增加，对营运经济性不利;其次，当船舶抵达目的港后装载货物时，水舱内压载水的排放，造成当地海洋环境的污染。全球船舶压载水年排放量已经超过100亿t［2］，国际航行船舶的压载水排放引发了严重的外来生物入侵和环境污染问题，给世界主要海洋国家带来巨大的经济损失。有资料表明，平均每立方米压载水含有浮游生物约1.1亿个，并且已经确认约有500种物种是由船舶压载水排放传播入侵的［2］。因此，船舶压载水的排放，特别是国际航行船舶的压载水的排放，已被全球环境基金组织列为当前海洋环境所面临的四大危害之一。

目前，解决压载水污染问题的措施很多，如使用化学药剂，加热、电解和紫外线处理技术，压载水置换技术和惩罚性收费等［2］。但是这些技术和措施费用高、耗时长、效率低，不仅使船舶营运成本增加，而且技术措施本身还可能导致二次污染。因此，船舶压载水排放问题已经成为一个世界性的难题，亟待解决。进入21世纪以来，美国、日本和荷兰等国的学者另辟新径，从改善船型着手，建立起以无压载水为理想船型的新理念［1］。无压载水船舶是指在无压载水或恶劣海况下仅需少量压载水，就能够满足稳性、装载等多项性能要求的船舶。目前，世界主要海洋国家正在加大力度展开与无压载水船舶相关的研究，该研究结果在船运业和其他相关行业将具有良好的应用前景。

2 几种无压载水船的设计理念

目前，国际上较为流行的无压载水船舶设计理念有3种，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(non-ballast water ships，NOBS)理念和荷兰代尔夫特大学试制建造的单一结构船体(moromaran)。日本和荷兰的理念较为接近，都是通过改变船体浮性来达到无压载水的目的［1-2］。

2.1 贯通流系统船体

贯通流系统船体是目前各类无压载水船舶设计中最有创意的一种理念。2001年，密西根大学的研究人员转变思维，认为压载水是为了减小船舶的浮力，而不是为了增加重量，并因此提出了无压载水船舶的概念。2004年，密西根大学的米歇尔·帕森斯博士在美国造船与轮机工程协会年会上发表了关于无压载水船设计的论文，并着重讨论了贯通流系统船体技术［15］。

贯通流系统被用于替代货舱水线以下纵向结构的传统型压载水舱，其最显著特点是将传统的封闭式水舱改变为前后开放式。在船首水线下设置进水口，船尾设置出水口。当空船出港时，将大型管道的前后盖子打开，海水连续地从进水口进入水舱，然后再迅速地从排水口排出，既可以起到压载水舱的作用，又可以减小船舶的负荷。这种设计理念是为了减小船舶的浮力，而不是为了增加船舶的重量。水舱内的水流速度，由进出水口处的压力控制。流经贯通流水舱的海水始终是当地的海水，船舶不会把海水从一个地方带到另一个地方，这样既可以阻止压载水中的非本土生物入侵，又无需使用昂贵的杀菌设备或其他相关设备，因此符合国际海事组织(IMO)有关环境保护的规定。严格地说，该设计理念并不是纯粹的无压载水船舶，在某种意义上，更类似于潜艇。从结构上看，为了使之具备和传统远洋货船相同的载货量、稳性和安全性，在结构设计上需要进行较大的改动。为了能够布置足够的压载水管路，内底高度就需要增加;而为了确保装载量，船舶深度也必然随之增加。因此，这样的设计理念不适合旧船改建，而仅适合于建造新船。从经济性角度看，密西根大学的模型试验结果和计算机模拟试验结果均表明，贯通流系统船体所用钢材和相同尺度的传统货船相比较有所增加，因此建造成本也将上升。此外新系统中采用大量的管路、阀门等，也将使造船成本进一步增加。尽管如此，由于不再需要传统船舶的水处理系统，总体成本将有所降低。该型船舶的最大缺点是增加了船舶航行中的阻力，船舶快速性变差。

2.2 NOBS 理念船体

瑞典哥德堡渣尔墨斯大学的安德斯·乌尔瓦森(Anders Ulvarson)教授最早提出了无压载水舱超大型油轮船体的设计构想［2，4］。日本的研究机构在此基础上提出了V 型船体无压载水舱超大型油轮的设计理念［2］。从2001年起，日本造船研究中心(SRC)在日本基金会的大力资助和推动下，开始致力于研究开发无压载水舱船舶［7］。2003年，项目研究进入实质性阶段，日本船舶技术研究协会将其提升为“日本国家工程项目”等级，并促成日本造船研究中心(SRC)、三菱重工(MHI)、石川岛播磨重工(IHI)和日本船级社(NK)等研究单位和工厂合作，联合成立了日本NOBS 设计建造研究所［1］。研究的主要目标是，在满足所有造船标准和规范要求，并具有良好经济性的前提下，研究并确定无压载水舱船舶理念的可行性，最终形成了NOBS 船舶设计新理念。

NOBS 设计理念，是指将船底设计成横向倾斜的形式，船底内船体重心的位置与传统的方底或平底商船相比较，具有更大的深度，船底呈明显向下突出的V 型，从而可以实现当船舶空载航行时，不使用压载水也可具有足够的吃水深度，以避免首底抨击和螺旋桨飞车，可充分确保船舶在大多数海况下的航行安全［4］。由于NOBS 理念船舶从外形上看类似于英文字母“V”，因此又称之为V 型船体(V-shaped hull)。NOBS 理念船舶的核心优势在于，可使船舶免除配备造价昂贵的压载水处理系统，以及相关的设备维护和保养。但出于对极端海况下航行安全的考虑，船上仍设置2 个小型备用压载水舱，可根据海洋天气和海面风浪情况，适时决定在备用水舱中打入压载水，确保航行安全。

NOBS 研究所模仿苏伊士型油轮和VLCC，分别采用8 个模型进行了水池试验和结构计算，并得到如下结论:

(1)NOBS 理念油轮的模型在正常海况和恶劣海况下，都能保证远洋航行的安全性。

(2)传统船型在满载状态下的推进性能比NOBS 理念船型稍好，而在空载状态下后者好于前者;NOBS 的平均航行性能比传统型高出6.4%，主机动力和耗油量平均可节省至少5%，减轻了对环境造成的污染。

(3)NOBS 理念船型经过在摇荡运动、阻力性能和波浪弯矩等方面的验证试验表明，NOBS 船型的适航性和操纵性均满足IMO 相关标准的要求。与传统船型相比，NOBS 船型具有更大的横摇阻尼，在设计时可考虑不设置舭龙骨。由于船宽增大，横摇周期也增大，有利于改善耐波性能。

(4)结构计算分析表明，NOBS 理念船型的船体拥有足够的强度，满足所有相关标准和规范的要求。

(5)由于船宽增加和船体一些部位需要局部加强，致使NOBS 船体的建造钢料费用增加10%左右。但综合起来看，由于油耗的减少、推进性能的提高和压载水处理系统费用的节省，足以弥补结构材料费用增加所造成的损失。

由此认为，根据NOBS 理念设计的船型能够满足甚至超出其预期目标。尽管模型试验对象为油轮，但这一理念完全可推广应用到散货船、集装箱船和渔船等船舶类型上，很有希望成为新一代的环保型船型。

2.3 单一结构船体

荷兰的研究人员最先提出了单一结构船体型船舶的概念，并在代尔夫特理工大学(TU Delft)试制成功一艘样船，载重量4000 t，设计航速可达14 kn［1］。单一结构船体船型的设计理念类似于NOBS船型，也是通过改变船体浮性达到无需使用压载水的目的。该型船是在船底设置一个向后开放的内凹，即将船底中线附近的船体移至两舷，从外形上看似乎是双体船，但实际上仍是单体结构。其主要优势体现在当船舶在轻载或空载状态航行时，也可拥有较深的吃水，从而确保了航行时的稳性，避免或减轻了首底抨击、螺旋桨飞车等摇荡运动响应的程度。

但与传统船型相比，单一结构船体与水的接触面积增大很多，造成水阻力大幅度增加，油耗也随之增加。帕森思(Parsons)博士认为，通过在船底两侧垂向设置“蝉翼”装置，它们所产生的空气润滑作用，可将阻力增加的程度限制在最低限度之内［3］。此外，该型船的另外一个优点是，其主机废气排放不像传统型船那样直接向上排放到空气中，而是向下通过船底内凹，朝尾部方向排放。这样不仅产生利于减小阻力的空气润滑作用，而且也使废气中的一氧化碳、二氧化碳、各种颗粒状污染物和硫化物，能够溶解于海水中，从而减轻了对海洋空气和港口码头环境所造成的危害。

综上所述，3种无压载水船型理念不仅能够使新型船舶最大程度地取消使用压载水，避免本土受外来物种的入侵，保护海洋环境，而且还能使新型船的推进性能得到改善、油耗降低、耐波性能与操纵性能提高等。这些都为发展渔船新船型提供了重要的启示，虽然渔船的压载方式和运输船舶不同，但仍然可参照这些理念，对未来渔船船型做出一些规划和设想，使得渔业生产能够以更经济、更安全、更环保的方式进行［15-16］。

3 渔业船舶压载的特征

包括渔业生产船和渔业辅助船在内的渔业船舶，其压载方式与运输船舶不同，主要采用固定压载。由于航行和作业海区的复杂多样性、捕捞作业的特殊性和渔获物保鲜与运输等方面的要求，渔船船型与常规船舶差别很大，一般要求较低的重心，且对其最低吃水深度有严格的限制［14-15，17］。因此，渔业船舶通常均需要有压载，使船舶获得以下的益处:一是，在船底设置压载，可降低船舶重心，从而提高船舶稳性［10，16，18］;二是，通过调整压载的纵向位置，可以获得适合的尾纵倾，方便装备大直径螺旋桨，有利于推进性能的提高;三是，通过设置压载，增加了船舶吃水，有利于改善航向稳定性和耐波性能［19-20］。

渔业船舶采用固定压载方式，主要是因为渔船在任何载况下都需要压载，并且对于不同载况，其压载要求也基本一致。因此，没有必要象运输船舶那样设置压载水系统，直接设置固定压载即可。固定压载的材料主要是钢铁或水泥，按照设计要求固定在船底。一般还在船首底部预留一部分空间，根据船舶建成下水后的实际情况，适当调节固定压载的重量和重心位置，以获得理想的吃水深度和尾纵倾。

固定压载的重量，依据渔船类型和作业方式的不同，差别较大。对于拖网渔船，一般为空船重的5 ～10%;对于围网渔船，固定压载重量更大些，有时甚至达到空船重的20%以上;对于基地加工船，一般约为空船重的6 ～8%［10］。

渔船需要一定的压载，但使用压载带来的弊端也极为明显。设置固定压载使得船舶排水量没有得到充分利用，在同等尺度情况下，舱容减少，载渔量、燃油和淡水装载量减少;由于吃水增加，造成水阻力增加，能耗增大，同时其他性能也受到一定程度的影响;设置固定压载，必然使造船成本提高，造成材料、人力和其他方面的浪费［10，18，20］。

4 无压载渔船船型的设想和建议

中国渔业船舶数量巨大，其中大型远洋渔船的数量也逐年增加。针对传统的渔船船型存在的弊端，开展新型远洋渔业船型的研究非常必要和迫切［10］。无压载水船型，虽然适合于大型商用运输船舶，但无疑也为构想未来渔业船型提供了启示和参考［21-23］。本研究中，结合无压载水船型设计理念，提出了两种无压载渔船船型的设想。

(1)采用日本NOBS 设计理念，即所谓V 型船体。该船型具有以下优点:一是，V 型船体具有较大的船宽，即可满足稳性要求，还有利于形成较大的甲板面积，便于布置各类甲板机械设备，并增大作业和加工空间;二是，远洋渔船航行和作业海况恶劣，需要具有较好的耐波性能，V 型船体具有这一优势，尤其在减小纵摇、抨击、上浪和飞溅等方面，为安全航行和生产提供了有利的保障［3-5］;三是，V 型船体具有较好的推进性能，优良的尾部型线十分有利于提高推进效率，从而达到节约油耗、减少环境污染、降低营运成本、提高劳动生产率的目的［24］;四是，由于不使用或减少固定压载，可以使排水量得到较充分的利用，有利于增大舱容，进而增大载渔量、燃油装载量和淡水装载量，同时还有利于减轻船体重量，降低钢材使用量，从而降低造船成本［25］。

(2)采用单一船体结构形式，即假双体船体。其优势基本上类似于V 型船体理念［26-30］。作者根据假双体船体概念，设计了一种大型远洋渔船船型如图1和图2所示。

该船型的主要参数及主要特征如下:

总长为89.011 m，设计水线长为86.460 m，垂线间长为84.950 m;型宽为15.250 m，设计水线宽为15.251 m;设计吃水为5.633 m，船中位置为42.475 m(距尾);平均板厚为11 mm，附体系数为1.0005;总排水体积为5506.9 m3，排水量为5644.5 t;方形系数为0.7546，棱形系数为0.7644，垂向棱形系数为0.8165;湿面积为1900.3 m2;浮心纵向位置为-1.021%(41.592 m)，浮心垂向位置为3.063 m;进角为88.496°;水线面面积为1192.1 m2，水线面系数为0.9202，水线面漂心位置为39.119 m;中剖面面积为84.802 m2，中剖面系数为0.9872;侧面积为478.61 m2，侧面积中心坐标为(43.598 m，2.854 m);横稳性高为6.893 m，纵稳性高为117.38 m。

图1 假双船体渔船船型——横向图Fig.1 Hypocritical catamaran fishing ship type—viewed from bow end

图2 假双船体渔船船型——侧仰图Fig.2 Hypocritical catamaran fishing ship type—viewed ventral－laterally

经过初步的理论分析和数值模拟可知，该船型船宽较大，稳性得到保障;尾部型线流畅，有利于提高推进性能;耐波性好，纵摇、抨击、上浪和飞溅等问题得到很大程度的缓解;甲板宽大，有利于布置加工设备和渔获物处理;鱼舱容积大，燃油和淡水装载量大，有利于增加自持力。因此，该船型适合于远洋航行和作业要求。

远洋渔船船型的发展与国家经济发展程度、先进科学技术的应用水平、国际地位影响的高低和未来海洋资源的竞争程度等密切相连。开展未来渔船船型的研究，是一个需要综合性全方位考虑的重大课题，其研究意义和范畴应不仅仅局限于渔船性能本身的要求，而是应顾及到多方面的考虑和决策。

［1］Kotinis M，Parsons M G，Lamb T，et al.Development and Investigation of the Ballast Free Ship Concept［M］.New York:Society of Naval Architects and Marine Engineers，2005.

［2］Takagi A.The Ultimate Solution［M］//Non-Ballast Water Ships(NOBS).Tokyo:Shipbuilding Research Center of Japan，2006.

［3］Tatinclaux J C.On the wave resistance of surface effect ships［J］.Trans SNAME，1975，83:51-66.

［4］Taylor T E，Kerwin J E，Scherer J O.Waterjet pump design and analysis using a coupled liftingsurface and RANS procedure［M］//International Conference，Waterjet Propulsion:Latest Developments.London:The Royal Institution of Naval Architects，1998.

［5］Lee T，Van T.The effect of waterjet-hull interaction on thrust and propulsive efficiency［C］.SNAME，1991.

［6］张荣忠.国外关于无压载水舱船舶的探索［J］.航海技术，2005(5):64-66.

［7］翁石光.船舶压载水对生态环境的威胁及其对策的探讨［J］.航海技术，2005(5):36-38.

［8］张荣忠.日本造船研究所船舶无压载水革新设计［J］.世界海运，2007，30(2):31-33.

［9］冷翠华.无压载水舱船舶加速驶来［N］.中国船舶报，2008-09-03(3).

［10］贾复.渔船设计［M］.北京:农业出版社，1990.

［11］周彤.中国海洋渔船图集［M］.北京:农业部渔业船舶检验局，2009.

［12］农业部渔业局.2011年中国渔业统计年鉴［M］.北京:农业出版社，2012.

［13］孙霄峰，刘俊荣，赵艳秋，等.渔船模拟器中中层拖网的建模与仿真［J］.大连海洋大学学报，2012，27(3):284-288.

［14］林杰人.船舶设计原理［M］.北京:国防工业出版社，1981.

［15］顾敏童.船舶设计原理［M］.上海:上海交通大学出版社，1988.

［16］李树范，纪卓尚，王世.船舶设计原理［M］.大连:大连理工大学出版社，1988.

［17］黄渝祥.工程经济学［M］.上海:同济大学出版社，1985.

［18］李树范.运输船舶可行性分析［M］.大连:大连理工大学出版社，1990.

［19］王世连，刘寅东.船舶设计原理［M］.大连:大连理工大学出版社，2000.

［20］中国船舶工业总公司编.船舶设计实用手册［M］.北京:国防工业出版社，2002.

［21］张德洪.运输船舶船型技术经济论证方法［M］.北京:人民交通出版社，1993.

［22］蒋维清.船舶原理［M］.大连:大连海事大学出版社，1998.

［23］李树范.技术经济与船型论证［M］.大连:大连理工大学出版社，1992.

［24］陈昕.玻璃钢渔船与渔船节能减排技术［M］.沈阳:辽宁省海洋与渔业厅，2009.

［25］中华人民共和国渔业船舶检验局.1993年国际渔船安全公约［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［26］纪卓尚.油船总体设计［M］.大连:大连理工大学出版社，1994.

［27］李树范.VLCC 船型与主尺度优化论证［M］.北京:国防工业出版社，1995.

［28］谢新连.船舶运输管理与经营［M］.大连:大连海事大学出版社，1997.

［29］王肇赓，龚昌奇.运输船舶设备与系统［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［30］盛振邦，刘应中.船舶原理［M］.上海:上海交通大学出版社，2003.