企业标准化船舶航速修正方法
2019-11-30
(上海外高桥造船有限公司,上海 200137)
航速试验是实船试航的重要试验之一,试验结果直接表征航速是否满足合同要求,如不达标,可能导致罚款或弃船,并影响船厂建造声誉。合同或建造规格书一般规定理想环境条件(即无风无浪且深水)下的航速,而实际上实船试航往往难以在理想环境条件下进行。对于外高桥船厂(以下简称SWS)的试航船来说,部分船舶试航在天气条件理想的情况下进行,航速测试结果直接满足合同要求。然而更多的船舶受风浪等环境因素影响,原始测量结果达不到合同航速指标,必须按照规格书约定的航速修正方法,考虑环境因素进行航速修正后,得出理想环境下的航速结果。
纵观国外的各修正方法,其考虑的修正因素各不相同,以ISO/FDIS 15016为例:2002考虑的较为全面,其方法涉及对风、潮流、波浪、操舵、水温、航行状态和浅水的修正。但概念模糊,难以操作,并未得到广泛推广。而BSRA测速分析标准方法(BSRA即英国造船研究协会,以下简称BSRA方法)[1]易于实现,目前被普遍采用,但BSRA也存在缺陷,例如其未考虑波浪和涌浪对航速带来的不利影响。
SWS 175KBC/177KBC/176KBC/206KBC、105K/108KAFRAMA、316K/297KVLCC规格书中均提到按照BSRA方法进行航速修正。
BSRA方法给出了风、潮流、浅水修正的计算方法,但对于浪没有具体的修正方法,按照实际经验,如遇到测速海况比较恶劣,浪比较大的时候,仅依照BSRA方法修正难以达到合同规定条件下的航速要求。因此,考虑结合实船修正的经验,并采用第24届ITTC 推荐的测速分析方法(以下简称ITTC2005方法)[2]中浪的修正方法,形成SWS航速修正企业标准,将风、潮流、海表面波浪、浅水等因素对航速的影响纳入标准中。
1 测试条件及试验
1.1 测试条件
并非任何海况下的测速结果都能进行航速修正,航速修正时必须满足下测速条件。
1)风力不大于蒲氏风级6级。
2)波浪的最大波高ξ1/10不大于3.0 m。
1.2 测速试验
所有测速试验都应进行往返航次测试,如果风力较大,则应选择顺风和逆风航向。
在测速试验中航向角应保持在±3°内;舵角保持在±5°内。
进行测速试验前,记录下述数据。①试验船名、海域、日期;②艏、舯、艉部的吃水;③测速区域的水深,海水密度,海水温度,大气温度,大气压力;④测风仪距水面高度。
每航次记录以下数据。①航向角;②相对风速和风向;③浪和涌大小;④螺旋桨转速、船舶对地速度和轴功率。
2 航速修正
需要准备的资料如下。总布置图、静水力表;船模试验报告;螺旋桨设计资料。
2.1 风的分析
根据测速试验记录值:相对风速VRW、相对风向以及船舶对地速度VG、船舶航向角,以及真风风速VTW,真风风向构成矢量三角形,以此来观察测速区域的风速风向状态。
VWT=Vg+VRW
(1)
2.2 风的修正计算
1)风对船的阻力RAA由空气动压作用于水面以上的船体上而形成,通过船艏风阻力因子CAA计算。
RAA=CAA×(1/2×ρ×AT×VRW2)
(2)
式中:ρ为空气密度,kg/m3;AT水线以上横投影面积,m2。
2)CAA可以通过下述公式计算(公式由常规商船整船模型风洞试验得出)
CAA=A0+A1×2A1/LOA2+A2×2AT/B2+A3×LOA/B+A4×S/LOA+A5×C/LOA+A6×M
(3)
式中LOA为总长,m;B船宽,m;S侧投影周长(不计水线长及细长船体舾装件,如桅杆,通风筒等),m;M在侧投影上显著的桅杆或立柱的数量;C从艏部到侧投影形心的水平距离,m;A0,A1, …A6的值[3]查表取得,该表由风洞试验结果给出,相对风同船艏的夹角不同,则对应的值不同。
3)在确定CAA的试验中,其边界层近似于风倾斜作用于海面。这里针对实际的边界层流速不同增加一个边界层流速的修正因子,Φ1,另外增加一个表示航速试验中不同的测风仪高度对CAA的修正的修正因子,Φ2。
因此,艏部风阻力系数为
CAA1=CAA×Φ1×Φ2
(4)
式中:
式中n取值如下。
集装箱船n=11,拖捞船,n=10,其他船n=9.5。
4)计算风阻力RAA及风消耗的功率PSW。
RAA=CAA1×(1/2×ρ×AT×VRW2)=
AT/C×CAA1×VRW2
式中C=5.838(1+0.00 366t)×1 012.5/Pa;其中:t为大气温度,C°;Pa为大气压力, mbar。
PSW=PEW/ηD
(6)
2.3 浪的修正计算
采用ITTC2006推荐的浪阻力计算公式。
RWV= 0.64×ξW2×B2×CB×ρA×1/LOA
(7)
式中:ξW为浪高,m;ρA为海水密度,t/m3。
此处浪高ξW为浪高(wave)和涌高(swell)的合成浪高。
(8)
式中:ξwave为浪高,m;:ξswell为涌高,m。
2.4 潮流分析
1)在风和浪的修正之后,假定没有潮流存在的情况下,无风无浪的的轴功率和航速数据应落在一根光滑的功率速度曲线上(对地速度与修正后的轴功率),有潮流存在的情况下,上述值形成不同航向的曲线近似平行。
2)取测量点到平均线的水平距离为潮流速度,以时间为横坐标轴绘制潮流速度曲线。
3)依据各潮流速度点,绘制潮流速度随时间变化的趋势线,把每个航次(即每个时间)对应趋势线上的潮流速度回归到1),重复1)到3),直到得到各航次的潮流速度点同趋势线比较吻合,取曲线上的潮流速度对各航速进行潮流速度修正。
2.5 浅水修正
如果测速水域水深不满足下式,则需要进行浅水修正计算。
(9)
式中:h为试验区水深,m;d为设计型吃水,m;V为试验预计达到的最大航速,kn;Lbp为垂线间长,m。
采用Lackenby公式进行浅水修正。
ΔVS/VS= 0.1242(AM/h2-0.05)+
1-[tanh (gh/vS2)]1/2
(10)
式中:ΔVvs在浅水中损失的航速,kn;VS船舶相对水流的速度,kn;vS船舶对水速度,m/s;h为试验区水深,m。
2.6 修正汇总及航速预报
依据最后的修正功率和速度,绘制试航状态对应的航速曲线,再绘制模型试验各状态下的速度曲线,用比例法绘制其他各状态的实船航速曲线,并预报考核点航速。
3 结论
本文所介绍的航速修正标准方法主要基于BSRA方法,并采用ITTC2005浪修正公式弥补BSRA方法缺陷。根据目前实船经验,该修正标准适用于10万t级以上一般排水型低速船舶,对于特殊船型,需要通过实船进一步检验其合理性。另外,实船航速修正过程需要大量的输入数据,这就需要在试航前精心准备,在试航测速试验过程中需要仔细测量并采集试验数据,尽可能降低航速修正过程中的修正误差,提高航速修正结果的准确度。建议公司建立数据库,尽可能收集所有船舶的航速数据,并对该数据库进行整理分析,为进一步检验和完善该标准提供依据。