能效設計指數(shù)EEDI功率曲線的直接計算方法

朱永峨，孫 武，李 路，溫苗苗，石 珣

（中國船級社上海規(guī)范研究所，上海 200135）

0 引 言

2013年1月1日，船舶能效規(guī)則將對新建的散貨船、氣體運輸船、油船、集裝箱船、普通貨船、冷藏貨船和兼裝船強制生效[1]，屆時，這些船舶必須滿足：

式中Attained EEDI按照下式計算[2]：

式中： Vref系指：船舶在假定無風無浪條件下75%發(fā)動機軸功率（扣除軸帶發(fā)電機功率）以及最大設計裝載工況（裝載量）下在深水中的航速（kn）。

從 Vref的定義可知， Vref值應從符合定義條件的功率曲線（即：輸出功率 PB－航速V）取得，如圖 1所示。

能效設計指數(shù)（EEDI）規(guī)則，從船舶能效和溫室氣體減排的法定要求角度，要求將船舶功率曲線列入EEDI技術文件中送審。如果測速試航是在壓載狀態(tài)下進行，還必須借助于滿載和壓載工況的水池試驗預報相應的功率曲線，然后通過壓載狀態(tài)試航所得功率曲線與相同狀態(tài)的水池試驗預報的功率曲線相比較，推算出實船滿載工況（夏季載重吃水工況）的功率曲線[3]，故在船舶設計階段，正確估算或預報上述狀態(tài)下的功率曲線對于能效設計指數(shù)具有極為重要的意義[4]。

功率曲線是在螺旋槳已設計完成、所考慮船舶吃水和浮態(tài)下的阻力和各推進參數(shù)已確定的基礎上，基于船體－螺旋槳－主機相互作用的原理進行計算的。對此，以往較多采用“航行特性曲線”的分析方法[5]，該方法直接應用螺旋槳敞水性能曲線(KT- KQ- J )，假定一組轉速，再對每個轉速假定一組航速，進行迭代計算得出功率曲線，稱為功率曲線的間接計算法。

當前，國際拖曳水池委員會（ITTC）在其性能預報方法的指導性文獻[6]中，利用螺旋槳敞水性能圖譜(KT- KQ- J )得出 KT/J2系數(shù)，預報實船性能，參照其原理，本文應用 KT/J2系數(shù)，給出了驗證船舶功率曲線的直接計算法，相對于間接計算法更為清晰、簡便。

圖1 功率曲線

1 驗證能效設計指數(shù) EEDI功率曲線直接計算方法

在船體、主機和螺旋槳已確定的基礎上，根據(jù)船－機－槳相互作用的原理，對確定的船舶狀態(tài)（排水量和浮態(tài)）下，驗證功率曲線的直接計算方法，包括計算的已知條件和計算流程，給出如下：

1) 已知條件（以EEDI條件為例）：夏季載重吃水、無風無浪深水有效功率曲線（ PE- VS曲線），經(jīng)驗方法估算或船模試驗預報；伴流分數(shù)w（定值或船速的函數(shù)），經(jīng)驗方法估算或船模試驗預報得出；推力減額分數(shù)t（定值或船速的函數(shù)），經(jīng)驗方法估算或船模試驗預報得出；相對旋轉效率 ηR（定值或船速的函數(shù)），經(jīng)驗方法估算或船模試驗預報得出；軸系效率 ηS（無變速齒輪箱時通常取0.98）；螺旋槳敞水特性曲線 J - KT- KQ，系列圖譜或敞水試驗得出；海水密度ρ（通常取1.025 t/m3）。上述數(shù)據(jù)如取自船模試驗，則應為實尺度預報值。

2) 計算流程

假定航速VS / kn VS1 VS2 VS3 VS4計算航速vS / m/s 0.5144VS1 0.5144VS2 0.5144VS3 0.5144VS4伴流分數(shù) w w1 w2 w3 w4進速 va=vS（1-w）/m/s va1 va2 va3 va4船舶阻力 R＝PE/ vs / kN R1 R2 R3 R4推力減額 t t1 t2 t3 t4螺旋槳推力 T＝R/（1-t）/ kN T1 T2 T3 T4 ln 2 T KT 1(=ln )ln Dv ρv22a DJ T a ρ 2 21根據(jù)螺旋槳敞水特性繪出螺旋槳ln J ln Dv 2 3 4 T a ρ 22 22 2 ln Dv T a ρ 2 23 ln Dv T a ρ 4 KT ～J曲線，見圖2(J )2在圖2所示ln J(J )KT ～J曲線上由2 ln ρ 查出進速系數(shù)J T v D2 2 a J1螺旋槳轉速n JD J2 J3 J4= / 1/s n1 n2 n3 n4 va螺旋槳性征曲線上查得扭矩系數(shù)KQ KQ1 KQ2 KQ3 KQ4螺旋槳收到功率 35 2 P n D K D =πρQ / kW PD1 PD2 PD3 PD4要求的主機功率Pηη×B = / kW PB1 PB2 PB3 PB4 PD S R由繪出VS ～ PB曲線，即EEDI功率曲線在VS ～ PB曲線上可查得主機功率為75%MCR相應的航速，即計算Attained EEDI的Vref

3) 說明

上述計算流程也相應得出螺旋槳轉速－船速曲線（SnV-曲線），見算例。

2 算 例

ITTC PROJECT 123（SHIP MODEL ： M-4567，PROP.MODEL：P-89）[6]。

2.1 已知數(shù)據(jù)

1) 船舶參數(shù)，見表1。

表1 船舶參數(shù)

2) 螺旋槳參數(shù)，見表2。

表2 螺旋槳參數(shù)

3) 螺旋槳實尺度敞水特性，見表3。

表3 螺旋槳實尺度敞水特性

4) 實尺度有效功率、伴流分數(shù)、推力減額分數(shù)、相對旋轉效率，見表4。

表4 螺旋槳實尺度敞水特性

5) 其他參數(shù)，見表5。

表5 其他參數(shù)

2.2 螺旋槳特性輔助曲線 (l n(K T / J 2 )～ J)計算（表6）

表6 輔助曲線計算

2.3 功率曲線計算（表7）

表7 功率曲線計算

2.4 計算結果

2.4.1 功率曲線，如圖3所示。

2.4.2 轉速曲線，如圖4所示。

2.4.3 說明

以上功率PD和轉速n的計算結果與文獻[6]中的預報比較見表8?？梢钥闯觯合嗤剿傧?，收到功率的平均誤差小于1%，轉速的平均誤差小于0.4%。

圖3 ITTC PROJECT 123 功率曲線

圖4 ITTC PROJECT 123 轉速曲線

表8 計算結果與預報比較

[1] IMO MEPC. 203(63)決議. 經(jīng)1978年議定書修訂的1973年國際防止船舶造成污染公約的1977年議定書附則修正案[S].

[2] IMO MEPC.1/Circ.681通函. 新船能效設計指數(shù)計算方法的臨時指南[S] .

[3] IMO MEPC.1/Circ.682通函. 能效設計指數(shù)自愿驗證的臨時指南[S] .

[4] 李 路，王慧芳. 新船能效設計指數(shù)主要參數(shù)影響分析[J]. 船舶與海洋工程，2012, (4)： 54-59.

[5] 盛振邦，劉應中. 船舶原理[M]. 上海：上海交通大學出版社，2004.

[6] 7.5-02-03-01.4, ITTC – Recommended Procedures and Guidelines [S].