航速修正標(biāo)準(zhǔn)中的變載試驗(yàn)系數(shù)分析

楊 斌，楊 敏，劉 剛，吳思瑩

（1. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 上海外高橋造船有限公司，上海 200135）

0 引 言

2009年，國(guó)際海事組織（International Maritime Organization, IMO）發(fā)布了《船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（Energy Efficiency Design Index, EEDI）自愿驗(yàn)證臨時(shí)導(dǎo)則》，規(guī)定航速數(shù)據(jù)和功率數(shù)據(jù)需采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization of Standardization, ISO）ISO 15016—2002或等同標(biāo)準(zhǔn)的航速修正方法來修正[1]。2015年5月，海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（Maritime Environment Protection Committee, MEPC）第68次會(huì)議審議通過了ISO 15016—2015航速修正方法，規(guī)定該方法適用于2015年9月1日及以后進(jìn)行EEDI試航驗(yàn)證的船舶，因此深入研究ISO 15016—2015航速修正方法具有重要意義[2]。為保證EEDI驗(yàn)證的可靠性和可操作性，ISO 15016—2015航速修正方法引入了近年來提出的風(fēng)阻力計(jì)算、波浪增阻計(jì)算和流修正等方法，以直接功率法為基礎(chǔ)，提出變載試驗(yàn)系數(shù)和自航因子增量等概念，對(duì)試航數(shù)據(jù)的分析方法進(jìn)行全面的更新[2]。但是，ISO 15016—2015航速修正方法中關(guān)于變載試驗(yàn)和變載試驗(yàn)系數(shù)的相關(guān)描述較少。由于以前的船模報(bào)告不提供變載試驗(yàn)系數(shù)，當(dāng)前使用較廣泛的STAIMO航速修正軟件一般會(huì)采取默認(rèn)值，且由于定義不同，變載試驗(yàn)系數(shù)nξ會(huì)取負(fù)值，與計(jì)算值大小相反。諸如此類，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際操作產(chǎn)生意見分歧和各項(xiàng)修正的問題。

可認(rèn)為變載試驗(yàn)是自航試驗(yàn)的一個(gè)特例，本文基于船模自航試驗(yàn)闡述變載試驗(yàn)的概念和操作步驟，結(jié)合船模自航試驗(yàn)和ISO 15016—2015航速修正方法變載試驗(yàn)系數(shù)計(jì)算方法，提出完善的變載試驗(yàn)系數(shù)計(jì)算過程和使用方法。該方法能彌補(bǔ)ISO 15016—2015航速修正方法缺少的相關(guān)公式和計(jì)算步驟，使變載試驗(yàn)系數(shù)的計(jì)算更加清晰，從而解決由此產(chǎn)生的試航問題。此外，以某礦砂船自航試驗(yàn)為例，驗(yàn)證該計(jì)算方法的有效性。

1 自航試驗(yàn)

自航試驗(yàn)方法分為純粹自航法和強(qiáng)制自航法2種，我國(guó)的試驗(yàn)水池一般都采用強(qiáng)制自航法。強(qiáng)制自航法是指在船模自航試驗(yàn)中，螺旋槳的推進(jìn)力T和強(qiáng)制拖曳力z需共同作用。由于強(qiáng)制拖曳力z可由阻力儀來調(diào)節(jié)，故船模的航速與拖車速度vm相等且保持不變。船模阻力Rm通過阻力試驗(yàn)得到，螺旋槳轉(zhuǎn)速nm、推力T和扭矩QB由動(dòng)力儀測(cè)得，強(qiáng)制力z由阻力儀測(cè)得[3]，tm為船模推力減額分?jǐn)?shù)，因此力的平衡式為

一般地，針對(duì)某船模的航速vm，需進(jìn)行5次強(qiáng)制力不同的自航試驗(yàn)（z1、z2、z3、z4和z5），因強(qiáng)制力不同，為使5次自航保持vm不變，要求螺旋槳轉(zhuǎn)速nm、推力T和扭矩QB隨之變化。船模水池報(bào)告中只體現(xiàn)船舶在實(shí)船自航點(diǎn)的數(shù)據(jù)。圖1為船模自航試驗(yàn)布置圖。

圖1 船模自航試驗(yàn)布置圖

2 變載試驗(yàn)

對(duì)于MARIN水池等少數(shù)采用純粹自航法進(jìn)行自航試驗(yàn)的水池，需補(bǔ)充進(jìn)行變載試驗(yàn)。相較于正常的自航試驗(yàn)，變載試驗(yàn)的不同點(diǎn)在于要求在航速恒定的條件下，通過改變4種固定的螺旋槳負(fù)荷狀態(tài)來進(jìn)行4組自推進(jìn)試驗(yàn)，這4種固定的螺旋槳負(fù)荷狀態(tài)為

船舶在理想環(huán)境下航行時(shí)的功率和轉(zhuǎn)速等體現(xiàn)負(fù)荷狀態(tài)的數(shù)據(jù)屬于實(shí)船自航點(diǎn)條件數(shù)據(jù)。船舶在試航時(shí)會(huì)受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素的影響，一般情況下，風(fēng)、浪、流等產(chǎn)生的阻力ΔR為船模阻力試驗(yàn)中獲得的實(shí)船總阻力Rid的-10%～20%。阻力對(duì)船舶航行的影響體現(xiàn)在螺旋槳的負(fù)荷狀態(tài)方面，導(dǎo)致螺旋槳處于輕載或重載狀態(tài)[4]。因此，變載試驗(yàn)實(shí)質(zhì)上是模擬固定的螺旋槳負(fù)荷狀態(tài)，預(yù)估船舶性能的自航試驗(yàn)。

3 變載試驗(yàn)系數(shù)

在同一航速狀態(tài)下，船舶變載試驗(yàn)系數(shù)為定值，分別為：反映螺旋槳推進(jìn)效率隨額外阻力線性變化的變載試驗(yàn)系數(shù)pξ；螺旋槳軸速度隨功率線性變化的變載試驗(yàn)系數(shù)nξ；螺旋槳軸速度隨速度線性變化的變載試驗(yàn)系數(shù)vξ。

3.1 變載試驗(yàn)系數(shù)ξp

在ISO 15016—2015航速修正直接功率法中，最終修正的理想條件下的輸送功率PDid的計(jì)算式為

式(3)中：PDms為測(cè)量輸送功率；vs為實(shí)船航速。

HPLC切換波長(zhǎng)法同時(shí)測(cè)定健脾止瀉寧顆粒中鹽酸小檗堿和黃芩苷的含量 ……………………………… 黃傳俊等（10）：1324

雖然在實(shí)際航速修正過程中并不能直接得到實(shí)船在不同螺旋槳負(fù)荷狀態(tài)下的實(shí)際推進(jìn)效率但可通過船舶性能預(yù)報(bào)得到理想條件下的推進(jìn)效率ηDid和變載試驗(yàn)得到的預(yù)報(bào)推進(jìn)效率ηDms，從而得到推進(jìn)效率分?jǐn)?shù)與額外阻力分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系。因此，引入變載試驗(yàn)系數(shù)ξp，該系數(shù)是ηDms/ηDid隨變化且過（0,1）點(diǎn)的斜率，線性表達(dá)式為采用最小二乘法求解式(4)，求出斜率pξ。在求出變載試驗(yàn)系數(shù)pξ之后，輸出功率PDid的修正公式為

圖2 采用最小二乘法擬合的近似曲線

3.2 變載試驗(yàn)系數(shù)ξn和ξv

在直接功率法中，修正之后的螺旋槳轉(zhuǎn)速nid與變載系數(shù)nξ和vξ之間的關(guān)系為

不同于ξp和ξn，變載系數(shù)ξv的計(jì)算需有一個(gè)過渡的過程（見圖4）。

通過變載試驗(yàn)得到的轉(zhuǎn)速n隨Rid+ΔR線性變化，其中Rid通過阻力試驗(yàn)得到且首先擬合不同航速下的轉(zhuǎn)速n與阻力Rid+ΔR的線性表達(dá)式，以已開展變載試驗(yàn)的14kn、15kn和16kn航速為例繪制曲線?？梢姡泻剿俚那€都相互平行且過點(diǎn)（該點(diǎn)通過正常的自推進(jìn)試驗(yàn)獲得），由此得到13kn和17kn航速的曲線。

假設(shè)實(shí)船的航速最接近16kn，以16kn航速的(Rid,n)點(diǎn)為基準(zhǔn)，作一條垂直線，交于所有航速的曲線，從上向下依次得到交點(diǎn)

圖3 使用最小二乘法擬合的近似曲線

圖4 不同航速下螺旋槳轉(zhuǎn)速與負(fù)載變化擬合曲線

在螺旋槳轉(zhuǎn)速與航速變化圖中做出上述5個(gè)點(diǎn)，通過最小二乘法求出斜率vξ。

至此，3個(gè)變載系數(shù)pξ、vξ和nξ都已求出，用這3個(gè)變載系數(shù)替代試航中的未知數(shù)據(jù)，進(jìn)行航速修正并求得最終的修正功率和修正轉(zhuǎn)速。

4 實(shí)例計(jì)算

本文基于某40萬t礦砂船船模阻力試驗(yàn)、自航試驗(yàn)和變載試驗(yàn)，計(jì)算變載試驗(yàn)系數(shù)pξ、vξ和nξ，并將其與水池報(bào)告數(shù)據(jù)相對(duì)比?？紤]到15% sea magin(海上風(fēng)浪裕度)并結(jié)合以往的礦砂船試航航速狀況，需測(cè)量16kn航速下的變載試驗(yàn)系數(shù)pξ、vξ和nξ。

4.1 變載試驗(yàn)系數(shù)ξp

表1為通過船模試驗(yàn)實(shí)船性能預(yù)報(bào)得到的理想推進(jìn)效率ηDid數(shù)據(jù)和通過變載試驗(yàn)得到的推進(jìn)效率ηDms數(shù)據(jù)。

表1 16kn航速船舶推進(jìn)效率預(yù)報(bào)

圖5 曲線

4.2 變載系數(shù)ξn

通過正常的船舶性能預(yù)報(bào)得到的修正之后的螺旋槳轉(zhuǎn)速nid、功率Pid和通過變載試驗(yàn)測(cè)得的螺旋槳轉(zhuǎn)速nms、功率Pms見表2。

表2 16kn航速船舶主機(jī)功率預(yù)報(bào)

圖6 曲線

4.3 變載系數(shù)ξv

通過阻力試驗(yàn)得到阻力Rid，通過船舶性能預(yù)報(bào)得到螺旋槳轉(zhuǎn)速n（見表3）。

表3 阻力試驗(yàn)和主機(jī)功率預(yù)報(bào)

由表3可知：當(dāng)航速為16kn時(shí)，4種螺旋槳負(fù)荷狀態(tài)下的（Rid+ΔR）分別為1442.8 kN、1603.1 kN、1763.4 kN和1923.7 kN；當(dāng)航速為13～17kn時(shí)，(Rid,n)=[(999.67, 44.7), (1162.25, 48.2), (1355.98, 51.8),(1603.06, 55.9), (1883.32, 59.8)]。

變載試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，nms=(54.4, 56.1, 57.7, 59.1) r/min。

變載系數(shù)vξ的計(jì)算步驟如下：

圖7 曲線

圖8 曲線

5 結(jié) 語

本文為解決船舶航速修正中確定變載試驗(yàn)系數(shù)的問題，深入研究了ISO 15016—2015航速修正方法，主要得出以下結(jié)論：

1) 變載試驗(yàn)衍生于自航試驗(yàn)，不同點(diǎn)在于變載試驗(yàn)規(guī)定了螺旋槳負(fù)荷狀態(tài)。在變載試驗(yàn)系數(shù)pξ、nξ和vξ的數(shù)據(jù)引用方面，除了必不可少的變載試驗(yàn)數(shù)據(jù)以外，還需引用阻力試驗(yàn)和自推進(jìn)試驗(yàn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)。

2) 本文介紹了變載試驗(yàn)系數(shù)的數(shù)據(jù)引用和計(jì)算方法，并以某40萬t礦砂船船模阻力試驗(yàn)、自航試驗(yàn)和變載試驗(yàn)為依據(jù)，計(jì)算了變載試驗(yàn)系數(shù)pξ、nξ和vξ，并將其與水池報(bào)告值相對(duì)比，驗(yàn)證了所提出計(jì)算方法的有效性。