船舶是资金、技术、人力的高度集合体,不过,由于人们对海洋的了解有限以及现有技术发展程度的限制,船舶一旦建造完成,再对其开展全面优化则难度极大且须付出高昂的代价。如何在设计阶段采取措施使船舶具备良好的适航性、经济性和强大的功能,是所有船舶设计师孜孜以求的目标。要实现这一目标,不仅需要设计师们的聪明才智,更需要合理的工具及科学的方法。拖曳水池的发明与运用为广大的船舶设计师提供了这个便利。合理而高效地利用水池,不仅可以让船舶大师们在图纸上设计出具备优异性能的船舶,更可以为今后新船型的研发积累宝贵的一手数据。
2009年,七〇八所一座现代化大型拖曳水池正式投入使用。自 “服役”以来,该水池先后开展了超过200项试验,成为中船集团乃至我国造船行业船型开发、优化工作的“利器”。以拖曳水池为典型代表,近年来,七〇八所着眼于长远可持续发展战略目标,始终坚持技术引领和能力提升,不断加强科研基础能力建设,以国家工程实验室、重点实验室、技术中心等创新平台为载体,以创新技术产品引领未来市场需求,自主开发和设计出多型具有世界先进水平的民用船舶和海洋工程装备,填补了我国造船业多项空白,为实现中华民族“海上中国梦”提供了强有力的装备支撑。
依托拖曳水池
提升创新能力
“工欲善其事,必先利其器”。在设计过程中,为了探知船舶真实的性能,需要在海洋波浪的模拟环境中试航,而拖曳水池就好比是“人造海洋”,能以不同速度拖曳船模,并模拟各种波浪条件。七〇八所的拖曳水池具备模拟各类复杂海况的功能,其造波消波系统、计算机辅助系统、水池轨道、拖车等相关配套设施各具特色,能为船型开发及优化工作提供包括线型优化、计算流体力学(CFD)计算、耐波性和操纵性计算、螺旋桨和节能装置设计、船模快速性和操纵性试验等在内的多种实验数据。
在开展常规船舶试验的基础上,七〇八所积极利用新水池开展了高速船、多体船等高性能船舶的快速性、耐波性等试验,为相关船型的开发及优化提供了大量翔实的数据。除具有常规拖曳水池功能外,该新型拖曳水池还具有两大独特功能,即斜浪中耐波性试验和浅水模拟。据了解,该水池装备了目前国内独一无二的拖曳水池侧面造波装置,并完成了有关船型的航速首斜浪、正横浪和尾斜浪的船舶模型试验,成功进行了常规造波水池中难以开展的、航速较高的船舶模型横浪、斜浪试验。此外,该水池还配备了可升降平台,开展了船模变水深试验及气垫船试验和遥控遥测自航模型试验技术研究。在具体应用方面,该所结合新型挖泥船模型试验,成功研究出导管桨模型试验方法,提升了拖曳水池船模快速性的模型试验能力。同时,该所还开展了海洋平台在水中航行时遭遇各种阻力的试验,为海洋平台拖航状态的功率配置提供了精确的基础数据。自启用以来,该拖曳水池已开展了超过200项试验,船型涉及超大型油船(VLCC)、20.8万吨散货船、20000TEU超大型集装箱船等三大主流船型,科考、渔政等公务船,气垫船、多体船等高性能船,海洋钻井平台、大型挖泥船等船舶及海洋工程产品,为新船型研发和性能优化提供了强有力的技术支持,有效满足了中船集团乃至我国船舶行业相关战略产品的开发及优化需求。
通过利用拖曳水池,船舶设计师们可以轻松并精确地了解船舶在海洋航行中的状况,提高船舶研发设计的准确性,为人类快速提升船舶性能打开了一扇“窗”。但如何实现举一反三,化“利器”为创新能力,成为七〇八所研发团队面临的新挑战。为此,该所研发团队不断挖掘新水池的潜力,一方面添置相关的仪器设备,另一方面积极开发新技术,拓展新水池的试验领域。近几年来,该团队开发了三向伴流测试仪,可开展常规桨和吊舱桨的三向伴流试验,目前应用该技术的船舶已经达到40多艘,且均性能稳定;开发了具有国内领先水平的吊舱桨的敞水和自航试验装置,以及吊舱桨敞水和自航试验方法,为吊舱桨的深入研究打下了基础;深入开展了包括补偿导管、舵球、毂帽鳍、不对称尾鳍、不对称船尾、导管鳍等在内的各类节能装置试验并将其试验结果应用于实船;利用水池的可升降假底,开展了船模变水深试验及气垫船试验和遥控遥测自航模型试验技术,并开发了船模试验录像设备,可实时大屏幕显示和全程记录试验过程,使之成为分析研究乃至教学的重要资料。
不仅如此,新水池的建成及使用,还为船型的自动优化、螺旋桨开发以及CFD应用等领域的研究提供了重要的试验验证手段。在船型自动优化方面,该所基础研究团队针对船舶在多种吃水、多种航速情况下的性能展开了相关技术攻关,初步形成了综合优化能力,并将有关技术应用到了VLCC,6800TEU、9400TEU、1.6万TEU集装箱船,3.8万立方米耙吸式挖泥船等船型的优化中,较好地提升了相应船型的性能。此外,由该所研发团队开发的自动及人工优化技术也先后应用于“远望7”号、5万吨油船、7万吨油船等30余型船舶上,为提升船舶的水动力性能作出了积极的贡献。在螺旋桨设计方面,经过水池验证并已用于实船的螺旋桨包括2.2万~11.5万吨级油船、20.8万吨散货船、6500立方米液化石油气(LPG)船、1.4万立方米液化天然气(LNG)船、1100TEU集装箱船、训练船、科考船等数十型船舶上。同时,为了顺利开展模型自航试验,该研发团队还完成了数百个初始螺旋桨的设计、桨模制作和试验,既为该所开发绿色船型提供了有力的支撑,也为今后的技术改进与应用储备了基础数据。此外,该所还组织了包括“多桨船螺旋桨设计技术研究”“大型LNG船螺旋桨设计技术研究”“螺旋桨设计及试验研究”“冰级螺旋桨特殊要求研究”“调距桨设计研究”等课题的研究,取得了明显的成果。针对某多桨船的模型试验结果表明,优化设计的螺旋桨不但敞水效率高于原型,船机桨匹配良好,而且空泡起始航速提高2.5节,脉动压力降低40%,模型辐射总声级大幅下降。
未来,七〇八所将进一步挖掘拖曳水池的潜力,使之成为持续研发新型绿色船舶及海洋工程装备的“利器”,成为铸造和提升七〇八所创新能力的永恒动力,为建设造船强国贡献力量。
搭建研发平台
拓宽创新之路
国家级重点实验室、工程中心、创新中心等创新平台是国家和行业开展重大工程研发、重大基础研究的载体,也是衡量一个院所创新能力和实力的重要标志。目前,七〇八所已拥有船舶设计技术国家工程中心、海洋工程总装研发设计国家工程实验室和多个创新中心,为持续创新搭建了重要平台。
根据国家发展和改革委员会《关于实施新兴产业重大工程包的通知》的要求,今年年初,七〇八所联合上海外高桥造船有限公司、上海船厂船舶有限公司、沪东中华造船(集团)有限公司、中船黄埔文冲船舶有限公司、广船国际有限公司、上海船舶工艺研究所等单位共同申报了“海洋工程总装研发设计国家工程实验室”项目。目前,国家发改委已正式批复在该所设立海洋工程总装研发设计国家工程实验室,这是中船集团唯一一个国家级海洋工程创新平台,对提升其海洋工程总体研发设计能力具有重要意义。
七〇八所的喷水推进技术重点实验室为提升船舶载体综合性能提供了重要技术支撑,将促进我国喷水推进技术体系的完善,加速提升喷水推进技术装备体系源头技术创新与成果转化能力,有利于加速形成我国喷水推进技术领域高水平人才的聚集地,从而提高我国喷水推进技术的行业水平与国际竞争力。在提升常规螺旋桨设计能力的基础上,该所还不断拓展新能力。针对无轴轮缘推进器具有低噪声特点,该所从2014年开始研发这一新型推进器桨叶的设计方法,同时,开发其水动力数值计算手段。优化后的设计方案使得设计效率显著提高,并获模型试验证实;形成数值计算方法,结果与模型试验结果定性一致,为该类推进器方案水动力评估提供了有力的技术支撑,为设计优化提供了有效的手段。
基础共性技术研究方面,七〇八所重点开展了基于营运的船型综合优化方法研究、非线性波浪载荷及船体结构性能研究、数值水池等创新专项和国家自然科学基金项目研究,构建高效可靠的综合优化、耦合分析和性能预报平台,不断完善数值水池、模型试验、实船测试和虚拟测试等研究手段,为船舶、海工装备、高端船用装备开发设计提供技术支撑。
七〇八所通过加强科研课题管理,强化前期统筹协调和计划刚性控制,开展了20000TEU级以上超大型集装箱船、极地多用途集装箱船、中型豪华邮轮、10万吨半潜船、第七代超深水钻井船、圆筒型浮式生产储油船(FPSO)、半潜式生产平台、浮式液化天然气生产储卸装置(FLNG)、数值水池、吊舱桨和大型浮式结构物等项目以及喷水推进装置设计技术等基础产品的研究工作。同时,该所为保持持续创新的活力,还出台了一批支撑创新的配套政策,制定了《科研激励管理办法》,加大对承担科研任务、创新平台建设、知识产权、成果奖励等的激励力度;制定了《扬帆计划实施办法》和《高级专家管理办法》等,并正在筹建一批“大师工作室”,建立和完善技术和管理人才成长“双通道”,让科技创新之路越走越宽。