试验确定最小功率的方法及其与基线法对比

2020-07-08丁惊雷吴思莹甘水来

船舶与海洋工程 2020年3期

丁惊雷，吴思莹，甘水来

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

0 引言

为满足逐步升级的船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index, EEDI）的要求，减小主机功率是最便捷的方式之一。由于主机功率过小无法保证船舶在恶劣海况下安全航行，国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）推出了《恶劣海况下维持船舶操纵性的最小推进功率临时导则（2013）》（以下简称《导则》）[1]。该《导则》给出了 2种最小功率评估法，即基线评估法（以下简称LEVEL1）和简化评估法（以下简称LEVEL2），在采用LEVEL1评估不能满足要求时，可采用LEVEL2进行评估。

本文根据《导则》，以某典型船舶为例，介绍采用LEVEL2的评估流程和方案，并分析基于LEVEL2对主机进行功率验证的相关注意事项，给出工程实践中，在进行船舶开发设计时，满足EEDI要求的最小功率验证流程，同时对采用LEVEL2得到的评估结果和采用LEVEL1得到的评估结果进行比较。

1 主机功率的验证

本文以某货船为例进行最小功率评估，其满足 EEDI Phase 2的主机装机功率（Specified Maximum Continuous Rating, SMCR）不能大于22400kW的要求。

1.1 LEVEL1评估

根据《导则》，船舶的SMCR应大于Pmin，Pmin的计算式为

式(1)中：TDW为船舶载重量；a和b为《导则》中给出的相关船型的参数。

采用LEVEL1得到的最小功率为26850kW，选取的主机功率22400kW无法满足采用LEVEL1确定的最小功率的要求，因此采用LEVEL2进行验证确认。

1.2 LEVEL2评估

采用LEVEL2评估分为2个步骤：

1) 确定迎风、迎浪下的最小安全速度，通过理论计算确定风阻力和静水阻力，通过试验确定波浪增阻，得到总阻力，计算出需要的螺旋桨推力；

2) 采用选定的螺旋桨和主机进行验证，校核主机发出的扭矩是否比螺旋桨需要的扭矩大，以确定是否满足最小功率要求。

1.2.1 总阻力计算

确定船舶保持安全航行要求的最小前进航速vS，计算式为

式(2)～式(4)中：vkn为最小航向稳定航速；vref为相对航行稳定航速，按MEPC.232(65)附录3.7的规定取值；AR为实际舵面积；LPP为两柱间长；Tm为船中部吃水；BWL为船水线宽。

本文所述目标船vS=5.7kn，该航速是理论估算风阻力、静水阻力和通过船模试验得到波浪增阻的基础。

风阻力的计算式为

式(5)和式(6)中：Cair为风阻系数，可通过模型试验或根据经验选取；ρa为空气的密度；AF为船的迎风面积；vrw为相对风速；vw为平均风速，按Resolution MEPC.232(65)_1.1选取。本文所述目标船Rair= 267.5kN。

静水阻力的计算式为

式(7)～式(10)中：ρ为水的密度；S为船的湿面积；CB为方形系数；v为水的黏性系数。该船

波浪增阻Rapp的值由水池试验得到，试验在欧洲某水池进行，结果见表1。

表1 风阻力、静水阻力、波浪增阻及要求的螺旋桨推力

螺旋桨推力的计算式为

式(11)中：t为推力减额系数，可通过模型试验或水池试验，根据Resolution MEPC.232(65)附录3.13选取。

在开展波浪增阻试验时，应注意以下事项：

1) 波谱峰周期应为（0→∞），但事实上各水池仅选取其中一段进行试验，具体选取范围由水池决定。

2) 试验通常是在规则波下进行的，试验中的波高不是 MEPC.232(65)中规定的波高，通常通过水池试验，根据相关要求确定，将规则波下的结果转换为实船波浪增阻，计算式为

当然，该试验也可在不规则波下进行[2]，试验结果的推算不能采用上述方法进行。

3) 波浪增阻试验不是船级社必须开展的项目，船级社可不参与该试验。

1.2.2 LEVEL2的验证计算

通常情况下，采用LEVEL2验证最小推进功率是委托船舶试验水池进行的，因此会局限于单一螺旋桨配单一功率已确定的主机，只有1个验证结果。事实上，采用LEVEL2确定的总阻力或螺旋桨推力只与选定船的几何外形有关，若有总阻力或要求的螺旋桨推力，可根据不同船东的需求进行多桨多主机多功率验证。例如：A船东要求A桨配A主机的SMCR1，B船东可能要求B桨配B主机的SMCR1，而C船东可能要A桨配B主机的SMCR2等，每个组合均需给出验证证明。下面具体给出验证过程。

根据表1中的螺旋桨推力，结合螺旋桨敞水特性试验，计算要求的螺旋桨转速和扭矩，有

式(17)～式(19)中：PD为螺旋桨的收到功率；n为螺旋桨的转速；DP为螺旋桨的直径；KQ(J)为螺旋桨的转矩系数曲线；Q为螺旋桨的扭矩；Qmax（n）为指定转速下的主机最大扭矩。

本文选取2型主机，取2种螺旋桨（同直径）进行多方案比较验证。根据螺旋桨的敞水性能和主机特性-扭矩转速限制线，得到各螺旋桨需要的扭矩和各主机能提供的扭矩，见表2。

表2 2种螺旋桨需要的扭矩及主机能提供的扭矩

由表2可知：

1) 2种螺旋桨均能满足LEVEL2的要求，差异不大，换言之，同直径螺旋桨对LEVEL2验证结果的影响较小。

2) 主机A在抵抗恶劣海况方面略优于主机B，但没有太大区别，因此主机可根据船东的要求及其他具体情况来选择。

1.3 满足EEDI Phase 2要求采用《导则》验证最小推进功率的设计思路

根据《导则》的技术要求制订最小推进功率验证流程，具体见图1。

图1 最小功率验证的设计流程

根据图1的设计流程，编制出实用的EXCEL计算表格，实现采用试验数据进行多方案快速有效验证的途径。采用EXCEL表格具有界面友好、操作方便和效率高的优势，使用性良好。

2 LEVEL1与LEVEL2的比较

本文采用 LEVEL2确定的最小推进功率对上海外高桥造船有限公司部分常规大型大方型系数船进行调查，结果见表3。

表3 采用LEVEL2评估方法确定的最小推进功率对SWS部分船进行的调查

由表3可知，采用LEVEL2得到的最小推进功率比采用LEVEL1确定的主机功率小得多，但这并不是采用LEVEL2得到的最小推进功率的最小值。由表2可知，采用LEVEL2确定的主机功率仍存在裕度，可更小。然而，不能因为存在裕度就不断降低主机功率，主机功率的最终确定必须考虑该功率是否能满足船东的日常航行需要。虽然波浪增阻可采用公式进行估算[3]，但采用公式估算的结果与试验结果存在较大的差异。这里认为波浪增阻较早开展比较好。

这里认为2种评估方法的关注点有本质区别。

1) LEVEL1确定的最小推进功率是主机在最大转速下可输出的最大功率，根据以往正常航行状态下的统计数据确定该基准线，仅与船型和载重量有关。从体量上来考虑，只要选用的功率比基线上载重量对应的最小功率值大即可，考核的是一个点，该基准线是历史经验值形成的基线，事实上并不一定满足现在的设计和使用需求。

2) LEVEL2是验证已选定的螺旋桨与主机的结合体所确定的功率是否满足恶劣海况下安全航行的需求，与螺旋桨的敞水性能和主机的扭矩性能直接相关，着眼点是主机和螺旋桨克服风浪中船舶的阻力，保障船舶安全航行的性能，是从能力上来考虑的。

这里认为LEVEL2的方法更符合现代设计理念。