提高江海貨船的營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性

蔡惠禮

(江蘇省鎮(zhèn)江船廠集團(tuán)公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，長(zhǎng)江和沿海的貨運(yùn)迅速增長(zhǎng)，各種類型的貨船被遍布在沿江和沿海的小型船廠內(nèi)建造，廣大船東希望擁用滿足裝運(yùn)要求的節(jié)能船舶以獲得良好的營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性。

1 江海貨船的現(xiàn)狀分析

近20年來(lái)，從灘涂造船迅速發(fā)展起來(lái)的民營(yíng)造船業(yè)早成為江海貨運(yùn)的產(chǎn)業(yè)支撐，民營(yíng)船廠經(jīng)營(yíng)機(jī)制靈活，造船價(jià)格低廉，在一定程度上船東決定著所造船舶的性能，多數(shù)采用來(lái)料加工的方式建造，甚至由船東租用船廠的船臺(tái)造船?；谖覈?guó)船用材料、配套設(shè)備產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，造船工藝的不斷更新，勞動(dòng)力的規(guī)模和素質(zhì)在造船實(shí)踐中鍛煉提升，船舶修造和營(yíng)運(yùn)管理規(guī)范、規(guī)則等不斷完善以及對(duì)船舶法定檢驗(yàn)的加強(qiáng)，促使江海貨運(yùn)事業(yè)不斷進(jìn)步。作者對(duì)數(shù)百艘正在江海航線上營(yíng)運(yùn)的散貨船、集裝箱船和油船等8種類型的貨船作了統(tǒng)計(jì)，其主要量度和性能參數(shù)見(jiàn)表1。

大量的中小型貨船，其性能差異較大，但也反映出了一些規(guī)律性的現(xiàn)象:

(1)江船和江海直通的貨船一般都采用雙機(jī)雙槳的推進(jìn)方式，集裝箱和干散貨都可裝載(以下簡(jiǎn)稱“集散兩用”)以及船舶吃水受不同航區(qū)影響的貨船往往采用變吃水設(shè)計(jì)，江船船型較海船肥大，方形系數(shù)相差5%以上，特別是長(zhǎng)江砂船常用特別肥大的線型，方形系數(shù)高達(dá)0.86以上。

海船均采用球鼻艏和球尾線型，江海航行的貨船基本上采用雙機(jī)雙槳和球鼻艏，尾部大多采用有拖泥板的尾框，以保證舵槳在航行中的安全。

(2)貨船主機(jī)均選用國(guó)產(chǎn)中、高速柴油機(jī)，主機(jī)功率BHP相對(duì)于船舶排水量△是較小的，其中尤以長(zhǎng)江砂船為最小。BHP/Δ值一般在0.22 kW/t以內(nèi)，集裝箱船和甲板貨船的BHP/Δ值較高，干散貨、成品油船和化學(xué)品船其次，大宗散貨船最低。

(3)船舶的設(shè)計(jì)航速低，一般都是在9～12 kn左右，其中以集裝箱船最高，長(zhǎng)江大宗散貨船最低，船的相對(duì)速度(傅汝德數(shù))Fn值一般都在0.2以下，屬于低速和超低速的范疇。實(shí)際營(yíng)運(yùn)中的各類貨船，特別是大宗型散貨船，往往人為地讓主機(jī)在(70～90)%的額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)減速航行，從而造成實(shí)際的Fn數(shù)更低的航行狀態(tài)。

(4)許多船東希望同一艘船既要航行區(qū)域廣，又要可裝載貨物的種類多，還要造價(jià)低，當(dāng)然都要求投產(chǎn)后營(yíng)運(yùn)成本小。這些要求有些是矛盾的，營(yíng)運(yùn)中的貨船不同程度地反映出了這種相互牽制的要求所造成的現(xiàn)狀。

隨著國(guó)家對(duì)水運(yùn)和造船行業(yè)監(jiān)管的不斷完善，在綠色船舶的方向性指引下，對(duì)船舶規(guī)范、規(guī)則、公約和航運(yùn)管理的日趨嚴(yán)格，江海航行的貨船正在不斷地體現(xiàn)著時(shí)代的進(jìn)步。

2 船、機(jī)、槳的良好匹配是貨船經(jīng)濟(jì)營(yíng)運(yùn)的關(guān)鍵

螺旋槳把主機(jī)發(fā)出的功能轉(zhuǎn)變?yōu)榭朔昂叫凶枇λ枰耐屏?，江海航行的貨船在水域環(huán)境、載貨需求和營(yíng)運(yùn)周期等各種條件的影響下，如何充分發(fā)揮主機(jī)的能量，最大限度地提高推進(jìn)效率，使船體、機(jī)組和螺旋槳處在一個(gè)高效的體系內(nèi)工作，這是營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性的重要課題。

造船行業(yè)把低轉(zhuǎn)速、大直徑螺旋槳作為船舶節(jié)能降耗的一個(gè)重要措施。長(zhǎng)江全線和沿海航線上一定噸位的貨船會(huì)受到航道的影響，螺旋槳直徑和它的安裝要求受到航道和艉框尺寸的限制。實(shí)際上，對(duì)一定排水量的船體，選用相應(yīng)的主機(jī)功率和臺(tái)數(shù)后，有一個(gè)最佳尾軸轉(zhuǎn)速和最佳螺旋槳直徑的匹配問(wèn)題，衡量匹配方案的優(yōu)劣，就看推進(jìn)效率是否達(dá)到最好的結(jié)果。

分析貨船的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)數(shù)量的船舶其尾軸轉(zhuǎn)速過(guò)高，螺旋槳效率因此而受到壓制，而且發(fā)現(xiàn)有些船即使在選定的尾軸轉(zhuǎn)速下也未能使槳的直徑達(dá)到最佳值。探究其原因:有的是設(shè)計(jì)的尾框不能容納最佳直徑的螺旋槳，有的是螺旋槳安裝位置過(guò)高或船尾線型肥胖，當(dāng)船舶空載時(shí)難以確保槳的葉梢完全沉浸在水下，這種現(xiàn)象在雙槳江船上較易出現(xiàn)。但也有即使尾框條件許可卻不恰當(dāng)?shù)厥褂弥睆捷^小的螺旋槳。

經(jīng)調(diào)查，現(xiàn)有單機(jī)貨船的尾軸轉(zhuǎn)速一般都選擇在130～200 r/min的范圍內(nèi)，雙機(jī)貨船都選擇在200～350 r/min的范圍內(nèi)。所以單槳船的螺旋槳敞水效率 η0=48% ～54%，雙槳船的 η0=49% ～57%，這是影響推力的重要原因。江海貨船的螺旋槳轉(zhuǎn)速和敞水效率見(jiàn)表2。

長(zhǎng)江和沿海航道對(duì)貨船的主尺度制約逐漸寬松，這為提高貨船的經(jīng)濟(jì)性提供了環(huán)境條件。船舶設(shè)計(jì)如能抓住船、機(jī)、槳的匹配這一關(guān)鍵，那么新建或改造貨船時(shí)，相當(dāng)部分的貨船推進(jìn)效率提高3%～5%左右、甚至更高都是有可能實(shí)現(xiàn)的，為此建議單機(jī)和雙機(jī)貨船的尾軸轉(zhuǎn)速分別降低到120 r/min和200 r/min以內(nèi)。如果航道條件允許船的尾框合理放大，則低轉(zhuǎn)速、大直徑的螺旋槳將會(huì)顯示其明顯的節(jié)能降耗效果。

表2 江海貨船的螺旋槳轉(zhuǎn)速和敞水效率

在同樣的船、機(jī)條件下，螺旋槳直徑的增大，使螺旋槳參數(shù)發(fā)生有利的變化，其中包含螺距比的下降和盤面比的減小，這也促使螺旋槳敞水效率提高。

船和槳處在同一個(gè)體系中運(yùn)行，它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中各自形成的速度場(chǎng)又相互影響，考慮江海貨船的阻力和推力，要顧及到船和槳在航行中應(yīng)盡量降低它們之間的相互影響所帶來(lái)的能量消耗，即利用伴流、減小推力減額、改善槳的迎流和尾流。所以正確選用船體主尺度和船型系數(shù)，根據(jù)不同的傅汝德數(shù)借鑒優(yōu)良的船體線型，通過(guò)船模試驗(yàn)、實(shí)船試航測(cè)定和營(yíng)運(yùn)實(shí)踐等，不斷改進(jìn)和創(chuàng)新各類貨船船型，為船、機(jī)、槳的優(yōu)良匹配創(chuàng)立新的成果。

3 江海貨船的經(jīng)濟(jì)航速

船舶航行阻力理論告訴我們:總阻力主要由摩擦阻力RF、漩渦阻力RE和興波阻力RW組成，它們都與航速VS密切相關(guān)。本文討論的江海貨船其Fn≤0.2，屬于低速船的范疇，在總阻力中摩擦阻力RF占65% ～80%，并與成正比，RF與船體濕表面積和船殼表面的光滑程度相關(guān);漩渦阻力RE占總阻力的15% ～25%，并與成正比，RE與船體線型、特別是船體后部的形狀相關(guān);興波阻力RW一般只占總阻力的10%以下，它與成比例，RW與船體的豐滿度和形狀相關(guān)，特別是首部船型的影響大。

根據(jù)船舶推進(jìn)理論:船速的降低和螺旋槳轉(zhuǎn)速的升高都會(huì)使螺旋槳的功率系數(shù)BP值升高，如果螺旋槳直徑又受到限制，則槳的敞水效率將更低。采用肥大型船體，如果尾線型不佳，則將影響螺旋槳工作的流場(chǎng)而使推力降低，這正是貨船總體設(shè)計(jì)時(shí)需要關(guān)注的重點(diǎn)。

當(dāng)螺旋槳發(fā)出的有效推馬力PTE等于克服船舶阻力所需主機(jī)功率的有效利用部分——有效馬力PE時(shí)，這個(gè)平衡點(diǎn)就是維持船舶等速航行的航速VS，如圖1所示。

貨船在航線上營(yíng)運(yùn)，需要有一個(gè)恰當(dāng)?shù)暮剿?，過(guò)高則能耗大、不經(jīng)濟(jì)，過(guò)低則不能滿足貨運(yùn)的要求，也不一定是經(jīng)濟(jì)的，那么什么樣的速度才是經(jīng)濟(jì)航速呢?這是投資造船和貨船營(yíng)運(yùn)中的重要課題，應(yīng)該防止一些認(rèn)識(shí)上的偏差而導(dǎo)致投資效益不佳和營(yíng)運(yùn)成本上升。從分析的幾個(gè)常見(jiàn)現(xiàn)象，可看出影響貨船航速和營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性因素。

(1)為了降低新船造價(jià)，采用較小的船體尺度獲取盡量大的載貨量，從而使船型肥而短，螺旋槳在一個(gè)不是良好的流場(chǎng)中運(yùn)轉(zhuǎn)，造成船行阻力大，航速很低。有的還將肥胖船型的長(zhǎng)江砂船改造為江海通用的多用途貨船，盡管貨船的裝機(jī)功率增加了，但實(shí)際營(yíng)運(yùn)效果卻并不理想。

長(zhǎng)江砂船是肥胖的超低速船型，它是順?biāo)d運(yùn)大宗散貨(砂、煤等)，返程因是空載逆水航行，故航行阻力大為減少，常利用潮汐或近岸回流等作低速返航。這只是一種在特定條件下的低投資貨運(yùn)，一旦失去了這種條件，若仍要套用這種低造價(jià)船型，那必然達(dá)不到經(jīng)濟(jì)營(yíng)運(yùn)的目的。

(2)在條件較差的船廠實(shí)施低價(jià)造船，往往會(huì)忽視船體線型的光順，船殼明顯變形、焊縫粗糙、不規(guī)則，忽視打磨和涂裝工藝，因而投產(chǎn)使用后航速不佳并迅速形成污底而增加附加阻力。有的新船在施工中隨意改變?cè)O(shè)計(jì)圖，有的無(wú)原則地遷就一些不合理的需求，從而造成摩擦和漩渦阻力上升，或使螺旋槳的工作流場(chǎng)變差。其后果是降低航速而影響營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性，甚至涉及到船舶使用的可靠性。

(3)大幅度降低主機(jī)的轉(zhuǎn)速(≤80%的主機(jī)額定轉(zhuǎn)速)運(yùn)行，并以此作為“節(jié)油”的措施。這種人為降速營(yíng)運(yùn)是否就是采用了經(jīng)濟(jì)航速呢?

主機(jī)采用標(biāo)定轉(zhuǎn)速和略低于標(biāo)定轉(zhuǎn)速作持續(xù)運(yùn)行是充分發(fā)揮船舶裝機(jī)功率的表現(xiàn)，所有船用柴油機(jī)的負(fù)荷特性曲線指明:在主機(jī)轉(zhuǎn)速下降的同時(shí)，主機(jī)功率同步直線下降，而燃油消耗率卻在低于額定轉(zhuǎn)速的90%后將明顯上升，所以用降低主機(jī)轉(zhuǎn)速使貨船減速航行與貨船用經(jīng)濟(jì)航速營(yíng)運(yùn)是不同的概念。

貨船的航速對(duì)不同的航線和不同的貨運(yùn)要求是有區(qū)別的。在確定的航線上，有定點(diǎn)的裝卸港口，根據(jù)所需運(yùn)輸?shù)呢浳?，提供適應(yīng)的貨船來(lái)承運(yùn)，可以選擇2種或多種貨船方案，進(jìn)行綜合性技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，從中選出貨運(yùn)成本低、內(nèi)部收益率高和投資回收期短的優(yōu)選方案，并以此作為投資建造新船的依據(jù)。那么優(yōu)選方案中的貨船營(yíng)運(yùn)航速就是經(jīng)濟(jì)航速，應(yīng)以此航速作為投資新貨船的設(shè)計(jì)依據(jù)。

對(duì)貨船航速應(yīng)考慮主機(jī)有一點(diǎn)儲(chǔ)備功率，以克服航行過(guò)程中遭遇突加阻力或非常狀態(tài)下確保運(yùn)輸周期的需要，但不應(yīng)過(guò)多地保留，否則是對(duì)船舶資源的浪費(fèi)。

4 螺旋槳對(duì)貨船營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性的影響

船、機(jī)、槳的不當(dāng)匹配是江海貨船中需要改進(jìn)的重點(diǎn)問(wèn)題，有些新船在船東已定機(jī)組后尋找所需載貨量的設(shè)計(jì)圖，往往把船舶設(shè)計(jì)費(fèi)和螺旋槳制造費(fèi)的低廉作為選配的依據(jù)。有的設(shè)計(jì)遷就船東提供的主機(jī)和離合器速比，造成貨船螺旋槳的直徑并不是最佳狀態(tài)，不僅螺距比較大，而且盤面比也很隨意地過(guò)大選取，其后果是推進(jìn)效率降低，螺旋槳的重量卻不低。

貨船的螺旋槳設(shè)計(jì)應(yīng)將它的直徑、螺距和盤面比這3個(gè)要素作為密切關(guān)聯(lián)和相互制約的重要要素來(lái)對(duì)待。常出現(xiàn)的主機(jī)負(fù)荷“過(guò)重”、“嫌輕”或排氣溫度“過(guò)高”等各種表象，往往是螺旋槳首先被質(zhì)疑。因要解決主機(jī)轉(zhuǎn)速被壓制的“過(guò)重”或排氣溫度“過(guò)高”而采取切割葉梢的辦法卻不一定能奏效，甚至出現(xiàn)了“排溫未降、航速變小”的后果。實(shí)際上產(chǎn)生主機(jī)負(fù)荷過(guò)重的原因除螺旋槳的因素外，也很有可能與主機(jī)、增壓器和排氣系統(tǒng)等存在的問(wèn)題相關(guān)，故必須找準(zhǔn)病因才能根除。螺旋槳設(shè)計(jì)出現(xiàn)“過(guò)重”現(xiàn)象一般是忽視了主機(jī)在實(shí)際環(huán)境中的出功能力或低估了船舶航行阻力的實(shí)際狀態(tài)。

螺旋槳理論指出，槳葉盤面比的選定應(yīng)在不發(fā)生空泡的條件下取最小值。江海航行的各類貨船，裝機(jī)功率較小，如能充分利用航道水深，設(shè)計(jì)出適當(dāng)大的槳徑，可較容易避免空泡而采用較小的盤面比，從而使槳的敞水效率提高。

槳葉的外形是影響螺旋槳效率的，本文推薦使用一種有別于Troost B型槳的經(jīng)驗(yàn)葉形，已被許多江海貨船的航行實(shí)踐所肯定。它與B形槳的區(qū)別是:槳葉伸張輪廓在葉根區(qū)收窄，隨邊在下半部呈內(nèi)凹，葉面積在葉片的上半部擴(kuò)大，縱斜加大，如圖2所示。相對(duì)于船體，貨船的主機(jī)功率較低，容易使槳葉強(qiáng)度滿足規(guī)范的相應(yīng)要求，而葉根部葉寬縮小、可使葉柵作用的不利影響減小。葉梢區(qū)面積的擴(kuò)大對(duì)避免空泡有利，而縱斜可以減小因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)外力。這種葉形可使推力在葉面上的分布比較平均，尾流中能量損耗相對(duì)較小。

圖2 槳葉伸張輪廓比較

江海貨船螺旋槳的葉數(shù)應(yīng)采用4葉，只有極少數(shù)尾軸轉(zhuǎn)速高，槳的直徑不受限制的雙槳船上采用3葉，但應(yīng)與4葉槳的敞水效率作出比較后采用。至于有些江海貨船采用5葉槳，其推進(jìn)效率是比不上4葉槳的。5葉槳甚至6葉槳應(yīng)在大功率的大型貨船上使用，它們轉(zhuǎn)速低，槳的最佳直徑可隨葉數(shù)的增高而相應(yīng)減小，所以5葉及5葉以上的槳在一些大功率艦船上使用。

貨船螺旋槳的鑄造和加工質(zhì)量已越來(lái)越受到關(guān)注，那種不控制鑄件化學(xué)成分和機(jī)械性能，加工粗糙而造成葉片間重量不平衡，螺距超差等現(xiàn)象，其后果是推進(jìn)效率低和船體振動(dòng)。

5 多用途、變吃水貨船的營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性

船東希望江海航行的貨船既能適應(yīng)不同貨物的裝載，又能擴(kuò)大航行的水域，以靈活地應(yīng)對(duì)貨運(yùn)市場(chǎng)，多用途貨船(特別是集散兩用船)和變吃水貨船就是這種需求的體現(xiàn)。集裝箱貨船還需要裝載不同尺度和不同貨種的集裝箱，包括冷藏集裝箱、危險(xiǎn)品集裝箱等，長(zhǎng)江貨船希望能在長(zhǎng)江全線通航，或能江海直通、甚至可在近海航行，這些愿望是可以理解的，也是可以實(shí)現(xiàn)的，但這樣的“萬(wàn)能船”必然是造價(jià)高，營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性較差。因?yàn)樵诓煌氖褂脿顟B(tài)下有些功能受影響，有的功能被閑置，所以船舶設(shè)計(jì)只能滿足主要的營(yíng)運(yùn)目標(biāo)，可兼顧次要的營(yíng)運(yùn)面。為此船東在投資決策新船和改造舊船前應(yīng)該有科學(xué)的預(yù)見(jiàn)和論證，正確把握運(yùn)輸市場(chǎng)的現(xiàn)狀和發(fā)展，使自己的貨船滿足主要的市場(chǎng)并兼顧必要的營(yíng)運(yùn)，從而將貨船的功能發(fā)揮出優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)前江海直達(dá)、集散兩用的變吃水貨船在航行實(shí)踐中已經(jīng)積累了許多知識(shí)，例如集散兩用貨船一般應(yīng)以裝運(yùn)集裝箱為主來(lái)設(shè)計(jì)，裝干散貨是備用。對(duì)裝載的集裝箱種類應(yīng)按需要而分區(qū)布置，如裝載危險(xiǎn)品的集裝箱，其中包含裝載煙花爆竹的集裝箱等，必須在船上采取隔離、降溫、消防、防爆等安全設(shè)施后才能安全營(yíng)運(yùn)。

航行于三峽大壩以上的各類貨船，已制定有標(biāo)準(zhǔn)船型的主尺度和航速及主機(jī)功率等要素值。若要求貨船能在長(zhǎng)江全線通航則應(yīng)以某級(jí)航區(qū)作為船舶設(shè)計(jì)的主要航區(qū)來(lái)對(duì)待，所以一般的江海直通的貨船應(yīng)不考慮能兼顧在三峽以上通航。

以集裝箱為主的貨船在裝載散貨時(shí)，吃水和排水量往往會(huì)加大，在長(zhǎng)江不同航區(qū)航行的散貨船，由于載貨量不同也使船舶吃水和排水量發(fā)生變化。為防止出現(xiàn)螺旋槳的負(fù)荷變化而帶給主機(jī)的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以主要載荷狀態(tài)為主，兼顧次要的營(yíng)運(yùn)狀況，不可使主機(jī)在超負(fù)荷下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)然，在航行中利用水流、潮汐等自然能來(lái)達(dá)到節(jié)能減排的目的是應(yīng)予鼓勵(lì)的。

提高江海貨船的營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性已成為船東和相關(guān)專業(yè)人員的重要課題。長(zhǎng)期以來(lái)貨船的設(shè)計(jì)、建造和使用實(shí)踐所積累的知識(shí)是研究和發(fā)展的基礎(chǔ)，我國(guó)對(duì)運(yùn)輸船舶的各種規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和公約正日趨嚴(yán)格和完善，采用先進(jìn)的技術(shù)、工藝，大力推進(jìn)節(jié)能降耗，提高船舶和配套設(shè)備的性能，減小或消除對(duì)環(huán)境的污染，對(duì)營(yíng)運(yùn)者(船舶的建造和使用人)的保護(hù)等有效措施促使江海貨船的使用功能逐漸提升和營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性不斷提高。在科學(xué)發(fā)展觀的指引下，為提高貨船營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)不斷探索江海水運(yùn)的新方式和改革水運(yùn)管理體制，合作研制適應(yīng)江海航道，滿足水運(yùn)市場(chǎng)需要的節(jié)能、環(huán)保和營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良的新船型。