試驗(yàn)確定最小功率的方法及其與基線法對比

丁驚雷，吳思瑩，甘水來

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

為滿足逐步升級的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（Energy Efficiency Design Index, EEDI）的要求，減小主機(jī)功率是最便捷的方式之一。由于主機(jī)功率過小無法保證船舶在惡劣海況下安全航行，國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）推出了《惡劣海況下維持船舶操縱性的最小推進(jìn)功率臨時(shí)導(dǎo)則（2013）》（以下簡稱《導(dǎo)則》）[1]。該《導(dǎo)則》給出了 2種最小功率評估法，即基線評估法（以下簡稱LEVEL1）和簡化評估法（以下簡稱LEVEL2），在采用LEVEL1評估不能滿足要求時(shí)，可采用LEVEL2進(jìn)行評估。

本文根據(jù)《導(dǎo)則》，以某典型船舶為例，介紹采用LEVEL2的評估流程和方案，并分析基于LEVEL2對主機(jī)進(jìn)行功率驗(yàn)證的相關(guān)注意事項(xiàng)，給出工程實(shí)踐中，在進(jìn)行船舶開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，滿足EEDI要求的最小功率驗(yàn)證流程，同時(shí)對采用LEVEL2得到的評估結(jié)果和采用LEVEL1得到的評估結(jié)果進(jìn)行比較。

1 主機(jī)功率的驗(yàn)證

本文以某貨船為例進(jìn)行最小功率評估，其滿足 EEDI Phase 2的主機(jī)裝機(jī)功率（Specified Maximum Continuous Rating, SMCR）不能大于22400kW的要求。

1.1 LEVEL1評估

根據(jù)《導(dǎo)則》，船舶的SMCR應(yīng)大于Pmin，Pmin的計(jì)算式為

式(1)中：TDW為船舶載重量；a和b為《導(dǎo)則》中給出的相關(guān)船型的參數(shù)。

采用LEVEL1得到的最小功率為26850kW，選取的主機(jī)功率22400kW無法滿足采用LEVEL1確定的最小功率的要求，因此采用LEVEL2進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)。

1.2 LEVEL2評估

采用LEVEL2評估分為2個(gè)步驟：

1) 確定迎風(fēng)、迎浪下的最小安全速度，通過理論計(jì)算確定風(fēng)阻力和靜水阻力，通過試驗(yàn)確定波浪增阻，得到總阻力，計(jì)算出需要的螺旋槳推力；

2) 采用選定的螺旋槳和主機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，校核主機(jī)發(fā)出的扭矩是否比螺旋槳需要的扭矩大，以確定是否滿足最小功率要求。

1.2.1 總阻力計(jì)算

確定船舶保持安全航行要求的最小前進(jìn)航速vS，計(jì)算式為

式(2)～式(4)中：vkn為最小航向穩(wěn)定航速；vref為相對航行穩(wěn)定航速，按MEPC.232(65)附錄3.7的規(guī)定取值；AR為實(shí)際舵面積；LPP為兩柱間長；Tm為船中部吃水；BWL為船水線寬。

本文所述目標(biāo)船vS=5.7kn，該航速是理論估算風(fēng)阻力、靜水阻力和通過船模試驗(yàn)得到波浪增阻的基礎(chǔ)。

風(fēng)阻力的計(jì)算式為

式(5)和式(6)中：Cair為風(fēng)阻系數(shù)，可通過模型試驗(yàn)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選??；ρa(bǔ)為空氣的密度；AF為船的迎風(fēng)面積；vrw為相對風(fēng)速；vw為平均風(fēng)速，按Resolution MEPC.232(65)_1.1選取。本文所述目標(biāo)船Rair= 267.5kN。

靜水阻力的計(jì)算式為

式(7)～式(10)中：ρ為水的密度；S為船的濕面積；CB為方形系數(shù)；v為水的黏性系數(shù)。該船

波浪增阻Rapp的值由水池試驗(yàn)得到，試驗(yàn)在歐洲某水池進(jìn)行，結(jié)果見表1。

表1 風(fēng)阻力、靜水阻力、波浪增阻及要求的螺旋槳推力

螺旋槳推力的計(jì)算式為

式(11)中：t為推力減額系數(shù)，可通過模型試驗(yàn)或水池試驗(yàn)，根據(jù)Resolution MEPC.232(65)附錄3.13選取。

在開展波浪增阻試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

1) 波譜峰周期應(yīng)為（0→∞），但事實(shí)上各水池僅選取其中一段進(jìn)行試驗(yàn)，具體選取范圍由水池決定。

2) 試驗(yàn)通常是在規(guī)則波下進(jìn)行的，試驗(yàn)中的波高不是 MEPC.232(65)中規(guī)定的波高，通常通過水池試驗(yàn)，根據(jù)相關(guān)要求確定，將規(guī)則波下的結(jié)果轉(zhuǎn)換為實(shí)船波浪增阻，計(jì)算式為

當(dāng)然，該試驗(yàn)也可在不規(guī)則波下進(jìn)行[2]，試驗(yàn)結(jié)果的推算不能采用上述方法進(jìn)行。

3) 波浪增阻試驗(yàn)不是船級社必須開展的項(xiàng)目，船級社可不參與該試驗(yàn)。

1.2.2 LEVEL2的驗(yàn)證計(jì)算

通常情況下，采用LEVEL2驗(yàn)證最小推進(jìn)功率是委托船舶試驗(yàn)水池進(jìn)行的，因此會(huì)局限于單一螺旋槳配單一功率已確定的主機(jī)，只有1個(gè)驗(yàn)證結(jié)果。事實(shí)上，采用LEVEL2確定的總阻力或螺旋槳推力只與選定船的幾何外形有關(guān)，若有總阻力或要求的螺旋槳推力，可根據(jù)不同船東的需求進(jìn)行多槳多主機(jī)多功率驗(yàn)證。例如：A船東要求A槳配A主機(jī)的SMCR1，B船東可能要求B槳配B主機(jī)的SMCR1，而C船東可能要A槳配B主機(jī)的SMCR2等，每個(gè)組合均需給出驗(yàn)證證明。下面具體給出驗(yàn)證過程。

根據(jù)表1中的螺旋槳推力，結(jié)合螺旋槳敞水特性試驗(yàn)，計(jì)算要求的螺旋槳轉(zhuǎn)速和扭矩，有

式(17)～式(19)中：PD為螺旋槳的收到功率；n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速；DP為螺旋槳的直徑；KQ(J)為螺旋槳的轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線；Q為螺旋槳的扭矩；Qmax（n）為指定轉(zhuǎn)速下的主機(jī)最大扭矩。

本文選取2型主機(jī)，取2種螺旋槳（同直徑）進(jìn)行多方案比較驗(yàn)證。根據(jù)螺旋槳的敞水性能和主機(jī)特性-扭矩轉(zhuǎn)速限制線，得到各螺旋槳需要的扭矩和各主機(jī)能提供的扭矩，見表2。

表2 2種螺旋槳需要的扭矩及主機(jī)能提供的扭矩

由表2可知：

1) 2種螺旋槳均能滿足LEVEL2的要求，差異不大，換言之，同直徑螺旋槳對LEVEL2驗(yàn)證結(jié)果的影響較小。

2) 主機(jī)A在抵抗惡劣海況方面略優(yōu)于主機(jī)B，但沒有太大區(qū)別，因此主機(jī)可根據(jù)船東的要求及其他具體情況來選擇。

1.3 滿足EEDI Phase 2要求采用《導(dǎo)則》驗(yàn)證最小推進(jìn)功率的設(shè)計(jì)思路

根據(jù)《導(dǎo)則》的技術(shù)要求制訂最小推進(jìn)功率驗(yàn)證流程，具體見圖1。

圖1 最小功率驗(yàn)證的設(shè)計(jì)流程

根據(jù)圖1的設(shè)計(jì)流程，編制出實(shí)用的EXCEL計(jì)算表格，實(shí)現(xiàn)采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多方案快速有效驗(yàn)證的途徑。采用EXCEL表格具有界面友好、操作方便和效率高的優(yōu)勢，使用性良好。

2 LEVEL1與LEVEL2的比較

本文采用 LEVEL2確定的最小推進(jìn)功率對上海外高橋造船有限公司部分常規(guī)大型大方型系數(shù)船進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果見表3。

表3 采用LEVEL2評估方法確定的最小推進(jìn)功率對SWS部分船進(jìn)行的調(diào)查

由表3可知，采用LEVEL2得到的最小推進(jìn)功率比采用LEVEL1確定的主機(jī)功率小得多，但這并不是采用LEVEL2得到的最小推進(jìn)功率的最小值。由表2可知，采用LEVEL2確定的主機(jī)功率仍存在裕度，可更小。然而，不能因?yàn)榇嬖谠６染筒粩嘟档椭鳈C(jī)功率，主機(jī)功率的最終確定必須考慮該功率是否能滿足船東的日常航行需要。雖然波浪增阻可采用公式進(jìn)行估算[3]，但采用公式估算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在較大的差異。這里認(rèn)為波浪增阻較早開展比較好。

這里認(rèn)為2種評估方法的關(guān)注點(diǎn)有本質(zhì)區(qū)別。

1) LEVEL1確定的最小推進(jìn)功率是主機(jī)在最大轉(zhuǎn)速下可輸出的最大功率，根據(jù)以往正常航行狀態(tài)下的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定該基準(zhǔn)線，僅與船型和載重量有關(guān)。從體量上來考慮，只要選用的功率比基線上載重量對應(yīng)的最小功率值大即可，考核的是一個(gè)點(diǎn)，該基準(zhǔn)線是歷史經(jīng)驗(yàn)值形成的基線，事實(shí)上并不一定滿足現(xiàn)在的設(shè)計(jì)和使用需求。

2) LEVEL2是驗(yàn)證已選定的螺旋槳與主機(jī)的結(jié)合體所確定的功率是否滿足惡劣海況下安全航行的需求，與螺旋槳的敞水性能和主機(jī)的扭矩性能直接相關(guān)，著眼點(diǎn)是主機(jī)和螺旋槳克服風(fēng)浪中船舶的阻力，保障船舶安全航行的性能，是從能力上來考慮的。

這里認(rèn)為LEVEL2的方法更符合現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念。

3 結(jié) 語

在得到波浪增阻試驗(yàn)結(jié)果之后，設(shè)計(jì)人員即可對最小功率進(jìn)行驗(yàn)證，在經(jīng)營中快速回應(yīng)不同船東對最小功率的關(guān)切，本文通過案例分析驗(yàn)證了該流程的可行性。根據(jù)編制的EXCEL表格，設(shè)計(jì)人員可方便地對同一船型進(jìn)行多槳多主機(jī)多功率的最小推進(jìn)功率方案驗(yàn)證，不需要通過船模水池試驗(yàn)來開展此項(xiàng)工作。

對采用LEVEL1和LEVEL2的結(jié)果進(jìn)行對比分析，通過實(shí)例驗(yàn)證了大方形系數(shù)船采用LEVEL1所得與采用LEVEL2所得結(jié)果存在巨大差異，說明這2種方法目標(biāo)不一致，文獻(xiàn)[4]也說明了這一點(diǎn)，需進(jìn)一步研究探討，對方法進(jìn)行修正，縮小二者之間的差距。