某型交通艇船舶污底对航行性能影响的实船试验分析

周宏伟1，张益诚2，詹淑湖1，卢希贤1，姚震球，袁伟

(1.75608部队，广东 深圳 518054；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064；3.江苏科技大学，江苏 镇江 212008)

船舶如果长时间停留在某一港口，水线下船体和螺旋桨会附着较多的海洋生物从而导致船舶污底，进而影响到船舶的航速和油耗。某型交通艇服役海域相对固定，特别是当长期在热带海域服役时，水体营养丰富，污底会成倍增长，航速会急剧下降。波罗的海国际航运公会(BIMCO)于2012年10月起草了船舶污底条款[1]，规定“如果船舶在热带或非热带水域“在某地、锚地或泊位停留时间或来回移动时间的总和超过15 d，承租人有义务对船体进行清污”。交通艇对航速的要求较高，需要及时清污，但是若参照此规定执行全部船体清污保养，将耗时过长、开支巨大。随着环保政策的陆续颁布，坞修时高毒性防污油漆的使用也受到了一定限制，交通艇船舶污底现象愈加突出，现有的研究[2]较少针对交通艇开展实船试验进行分析论证，也较少涉及不同部位(水线下船体和螺旋桨)污底对航速的影响程度的研究。同时，在负荷限制范围内，能否通过局部清污以达到保持航速和减少清污耗费的目的，也缺乏相应的探计。为此，首先进行污底故障的判定与勘验，然后分两阶段进行污底清洁和实船试航试验，为局部清污提供理论依据。

1 故障勘验与分析

1.1 基本情况

某型交通艇2艘(A、B)，深V型艇体，艇长60.1 m，型宽8.4 m，满载排水量413 t，配有4台TBD620V16主机(额定功率为2 032 kW×4)，设计最大航速不低于30 kn。

2018年12月A艇结束小修，试航最大速度为26.8 kn(满载，4台主机转速1 730 r/min)。2019年5月，该艇航速下降到12 kn左右(满载，4台主机转速为1 000 r/min)，同时出现主机负荷增大、排温增高的现象，战、技术性能达不到设计要求。

B艇于2019年6月小修结束，试航最大速度为27.5 kn(满载，4台主机转速为1 730 r/min)。2020年6月左右，该艇航速下降到12.5 kn(满载，4台主机转速为1 000 r/min)，4台主机均出现负荷增大、排温增高的现象。同时，该艇1#主机在4×750、4×850和4×1 000车令下，转速无法提升至车令目标转速(偏低20～100 r/min)。

1.1.1 静态勘验

该型交通艇布局紧凑，轴系距底板空间狭小，未安装遥测功率仪，主机功率只能参照油门刻度。同时，为方便分析主机超负荷运转情况，使用Heinzmann DC2软件，读取每个转速下主机允许给定的最大油门齿条格数，拟制4台主机设定的负荷限制曲线(与B艇2#主机7月16日动态勘验运行工况图类似)。

对两艇船底进行探查摄像，检查螺旋桨、舵叶、轴系、船底板和舷侧水下部分的污底情况，均发现海生物附着严重，海生物主要为藤壶，船底表面凸凹不平，污损FG5级，螺旋桨平均附着厚度均为5～10 mm；水线下船体海生物附着A艇比B艇严重，面状分布，覆盖面积达50%～70%。

1.1.2 动态勘验

2020年7月10日、7月16日分别对A艇、B艇进行动态故障勘验，检查主机、齿轮箱、轴系、舵的工作状态和船体的震动情况。经勘验，发现两艇传动系统运行正常、船体无异常震动，主机出现负荷增大、排温增高、油耗升高的现象(记录数据见表1)，在车令为4×1 000时，主机负荷接近限制线，涡后排温过高(A艇在车令为4×1 000时，涡后排温接近报警线550 ℃)，主机转速无法继续提升，航速仅为12～13 kn，远低于设计航速。

表1 A、B艇动态勘验结果

1.2 故障分析

将A艇、B艇4台主机静态勘验的负荷限制参数与动态勘验的各工况油门刻度进行对比分析，以主机转速(r/min)和油门刻度(%)构建坐标系，发现两艇主机工况均与负荷限制变化曲线重合。以B艇2#主机为例，见图1。

图1 B艇2#主机7月16日动态勘验运行工况

1.2.1 船舶阻力R

船舶航行时，船舶总阻力R与船速V的平方呈正比，计算公式为R=ARV2(其中AR为阻力系数，与污底程度、船体线型、海情等因素有关)。因此，从水下勘验结果可以看出，两艇船底污损严重，水线下船底表面凸凹不平，表面粗糙度变大，船体流线型降低，阻力系数AR增大，船体阻力R增加，主机负荷显著增大。

1.2.2 螺旋桨推进性能

海生物附着在螺旋桨表面后，螺旋桨叶表面粗糙度变大、切面厚度增加、线型被改变。采用计算流体力学的方法对螺旋桨淌水试验流场进行模拟，通过设置桨叶壁面粗糙度参数模拟海生物附着情况，研究结果表明：当等效壁面粗糙度增加时，推力系数Kt逐步减小、力矩系数Kq逐步增加，螺旋桨推进性能显著下降。在相同进速条件下，引起螺旋桨转矩增大和推力损失，螺旋桨特性曲线变陡，则会导致螺旋桨与主机动力的不匹配现象，见图2。

图2 出现船舶污底时的螺旋桨推进性能

船底光滑时，主机与螺旋桨配合的工作点为a；当出现污底、航行阻力增大时，若供油量保持不变时，主机转速下降至n2(n2

1.2.3 综合分析

对两艇故障勘验的数据进行分析，基本判定两艇航速下降的原因为水线下船体污损和螺旋桨海生物附着，航行阻力增大，螺旋桨推进性能降低，转矩增加[4]，推力损失，主机负荷增大，主机供油量大幅增加，直至供油量与负荷限制曲线重合，导致负荷限制保护、油量供给限制，主机转速难以继续提升，航速达不到设计值[5]。

2 分阶段实船试验与分析

为分析水线下船体污损和螺旋桨海生物附着对航行性能的影响程度，分两阶段对B艇进行污底清洁和实船试验：①螺旋桨清洁完成后，进行第一阶段动态试航和数据采集；②水线下船体清洁完成后，进行第二阶段动态试航和数据采集。试验水域位珠江口深圳公共航道，气象为4级以下海况，试验艇污损达到FG5级，深V型艇体，排水量均为409 t，对每个车令进行2次数据采集(往返一次，即两个单程)。

2.1 螺旋桨清洁后试验

在B艇螺旋桨清洁完成后(水线下船底污损保持不变)，7月17日进行实船试验和试航数据采集。与7月16日故障勘验数据进行对比。

1)螺旋桨海生物附着后，螺旋桨推进性能下降，大幅增大主机负荷，极易触发负荷限制。清洁螺旋桨后，主机负荷下降，主机负荷限制消除，主机转速可以持续提升，当升至1 700 r/min时，航速达到25.12 kn(见图3、4)。

图3 B艇2#主机7月17日试验运行工况

图4 B艇7月17日试验航速

2)螺旋桨附着海生物后，船舶航速严重下降。主机转速为1 100 r/min，航速下降2.52 kn，随着转速提高，航速进一步大幅下降(见图5)。

图5 螺旋桨海生物附着后航速下降值与主机转速的关系

3)螺旋桨附着海生物后，主机油耗大幅增加。在主机平均转速为1 100 r/min时，同比增加5.47%，主机转速愈高，上升趋势愈明显(见图6)。

图6 螺旋桨海生物附着后油耗增加值与主机转速的关系

2.2 水线下船底清洁后试验

在清洁完B艇水线下船底(船舶污底全部清除)后，7月20日进行实船试验，记录采集试航数据。与7月17日试验数据进行对比。

1)水线下船体污损引起的航速下降值与主机转速呈正比，下降幅度较为平缓。在主机达到最大转速1 860 r/min时，航速将下降1.8 kn(见图7)。

图7 水线下船体污损后航速下降值与主机转速的关系

2)将水线下船体污损对油耗的影响分为2个区间：①主机转速在650～1 350 r/min之间，油耗的增加幅度较为平缓，增加量为1%～2%；②主机转速在1 350～1 860 r/min之间，油耗随主机转速的提升而快速增加，增加量为4%～8%(见图8)。

图8 水线下船体污损后油耗增加值与主机转速的关系

3 结论

1)螺旋桨附着海生物后，将导致航速严重下降，油耗大幅增加，在主机转速为1 100 r/min时，航速下降2.52 kn，油耗增加5.47%，并随着转速提高，变化程度逐步增加，进而引发主机负荷限制，航速无法提升。

2)水线下船体污损引起的航速下降值与主机转速呈正比，下降程度较为平缓，结合实验数据与数值趋势线，下降幅度为3.67～6.16%，在主机达到最大转速1 860 r/min时，航速将下降1.8 kn。

3)主机转速在650～1 350 r/min区间，水线下船体污损引起油耗增加值较小，为1%～2%；主机转速在1 500～1 860 r/min区间时，油耗随主机转速的提升而快速增加，增加值为4%～8%。

4)综合分析两个阶段的实船试验数据，发现螺旋桨海生物附着会显著引起航速下降、油耗升高，为航行性能的主要影响因素；水线下船体污损，为次要影响因素。该深V型、FG5级污损交通艇，螺旋桨海生物附着占船舶污底总影响的权重值为68.68%～77.14%。

从研究结果可以看出，螺旋桨海生物附着对于深V型高速艇的航行性能影响显著。在使用维护中，应定期对螺旋桨附着海生物进行检查，视情清洁除污；一旦出现因船舶污底造成的航速严重下降故障，注意综合衡量船体清洁检修时间与成本，优先清理螺旋桨表面附着物。