最小推进功率要求对舵面积预估的影响

谢敏，蔡跃胜，吴安

(沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)

由于对能效设计指数(energy efficiency design index,EEDI)的要求越来越高,新船舶开发中普遍采用降功率设计。为避免导致不利海况下的操纵性危险，MEPC在2013通过了RESOLUTION MEPC.232(65)“不利海况下保持操纵性的最小推进功率导则”，2015年发布RESOLUTION MEPC.262(68)修正案，进一步严格要求，并适用于2015年11月16日及以后新签合同的液货船、散货船和兼用船，这对新船舵面积的设计产生了不可忽视的影响，尤其是大幅度降功率设计的船舶，为满足最小推进功率导则及修正案，舵面积需相应明显加大。

1 相关规范依据及其影响

1.1 EEDI背景

国际海事组织(IMO)海洋环境保护委员会(MEPC)2011/7/15-62届大会通过了MEPC.203(62)，把有关新船能效设计指数(EEDI)纳入MARPOL AnexVI，于2013年1月1日生效。适用于散货船、液化气船、液货船、集装箱船、杂货船、冷藏货船和兼装货船(兼装散装干货和液货)共7种船型，并要求EEDI(单位为g/(t·nmile) CO2)在参考线值的基础上按3阶段折减，阶段I(2015.1.1—2019.12.31)，阶段II(2020.1.1—2024.12.31)，阶段III(2025.1.1以后)，折减逐步由10%提升到30%。目前的最新发展是2015/5/15-68届会议MEPC.263(68)[1]：对MEPC.245(66)[2]指南修正。

由于EEDI折减系数目前最大30%，今后还可能推出更大的降幅力度。所以，在新船设计中趋向采用各种节能，增效和减排的技术措施。目前提出的大致有船体线型优化及节能装置；降低空船重量；推进系统优化；采用低阻涂料和气模减阻；动力系统优化(包含指定的最大持续功率SMCR选点优化，配合降低航速，LNG，燃料电池等)；新能源利用(包含风能、太阳能、潮汐能等)；能源综合梯级利用(包含冷却水、蒸汽余热利用废油气回收利用)。其中动力系统SMCR优化降功率是简易且效果确切的措施,因而在新船舶开发中被普遍采用。

1.2 最小推进功率导则要点

MEPC在2013通过了RESOLUTION MEPC.232(65)“不利海况下保持操纵性的最小推进功率导则”[3]，2015年发布RESOLUTION MEPC.262(68)修正案[4]，进一步严格要求，并适用于2015年11月16日及以后新签合同的船舶。目的在于使船舶符合船舶能效规则中规定的EEDI要求时，仍具有足够的装机功率以满足在恶劣海况下维持操纵性的要求。

1.2.1 评估等级

评估等级1：最小功率标准值评估(方法一)。船舶装机功率不小于该特定船型设定的最小功率标准值，则该船应视作在恶劣海况下具有足够的装机功率维持操纵性。

最小功率标准值=a×(DWT)+b

(1)

式中：DWT为船舶载重t；a和b为表1中给出的液货船、散货船和兼用船的参数。

表1 不同船型确定最小功率标准值时参数a和b的取值

所有主推进发动机的总装机最大持续功率值MCR不应小于最小功率标准值，其中最大持续功率值为国际防止空气污染证书EIAPP中规定的值[5]。

评估等级2：简化评估(方法二)。基于下列原则，即如果船舶具有足够的装机功率在逆风顶浪中以一定的前进航速行驶，则其也能在任意方向的风浪中保持航向。船舶在逆风顶浪中的最小前进航速由船舶设计所决定，而使船舶达到最小前进航速要求，即船舶满足保持航向的要求。例如，具有较大舵面积的船舶即使其发动机功率较小也能保持航向；与此相似，具有较大侧向受风面积的船舶较之较小侧向受风面积的船舶需要具有更大的功率保持航向。

1.2.2 评估程序的步骤

1)界定逆风顶浪中所需的前进航速，确保在所有任意方向的风浪中保持航向。

2)评估装机功率是否足以在逆风顶浪中达到所需的前进航速。

1.2.3 界定所需的船舶前进航速

在逆风顶浪中所需的船舶相对于水的前进航速Vs取下列二值的大者：最小航行速度Vnav；或最小保持航向速度Vck。

最小航行速度Vnav使船舶在风暴来临前有足够的时间离开沿海区域，以降低航行风险和船舶在风浪作用下大幅运动所造成的风险。最小航行速度设为4.0 kn。

简化评估中的最小保持航向速度Vck使船舶在所有任意方向的风浪中保持航向。该速度的定义基于参考保持航向速度Vck,ref，与0.9%经船宽修正浸没舵面积AR，以及实际舵面积有关。

Vck=Vck,ref-10.0×(AR%-0.9)

(2)

式中：Vck为最小保持航向速度，kn；Vck,ref为参考保持航向速度，kn；AR%为实际舵面积AR与经船宽修正浸没舵面积ALS,cor的比值，即AR%=AR/ALS,cor×100%。

经船宽修正浸没舵面积的计算为

ALS,cor=LppTm(1.0+25.0(Bwl/Lpp)2)

(3)

式中：Lpp为垂线间长，m；Bwl为水面线处船宽，m；Tm为船中吃水，m。

对于高升力舵或其他替代操舵装置，应使用与常规舵面积等同的舵面积。

散货船、液货船和兼用船的参考保持航向速度Vck,ref根据正面受风面积AFW与侧面受风面积ALW之比AFW/ALW予以界定。

1)AFW/ALW≤0.1时，取9.0 kn；AFW/ALW≥0.40时，取4.0 kn。

2)对AFW/ALW的中间值，在0.1～0.4之间由线性插值得到。

1.2.4 装机功率评估程序

评估在最大吃水工况下以上述所需的船舶前进航速Vs进行。评估原则为，计及推力减额分数t，船舶推进系统能在转速n提供所需的螺旋桨推力T，用于克服包括船体静水阻力Rcw、附体阻力Rapp、空气阻力Rair和波浪增阻Raw在内的船舶总阻力：

T=(Rcw+Rapp+Rair+Raw)/(1-t)

(4)

在导则中，波浪增阻Raw需在规则波中以所需的船舶前进航速Vs进行增阻试验或用经主管机关验证的等效方法获得；而其他阻力有相应的推导公式(具体见导则)。在获得波浪增阻Raw后，按导则里的推导公式推导出船舶在规定的恶劣海况下逆风顶浪中以航速Vs保持前进所需最小装机功率。

1.3 规则对舵面积的影响

1)目前新接船普遍面临EEDI阶段II(2020.1.1—2024.12.31)，普遍折减20%以上。新船开发中必须将EEDI的因素纳入考虑。

2)评估等级适用方面，从表1中看出，液货船参数b在新版本中降幅比较大。

也就是说，新的中小型液货船及兼装船受影响比较大，即由于EEDI降功率措施，更可能不适用评估等级1——最小功率标准值评估，只能适用评估等级2——简化评估(方法二)进行评估。在此评估条件下，此类液货船必须考虑规则造成的影响，即可能导致舵面积增大。

3)最小保持航向速度Vck取4 kn时，对推进功率的要求最低，而对舵面积影响最大。舵面积参数需要在船模试验前期确定，而如果前期舵面积估计不足而船体布局已确定，将导致设计上的巨大风险。因而对开发阶段的中小型液货船，有必要考虑基于最小保持航向速度Vck=4.0 kn进行估算取值。

2 某型液货船实例分析

2.1 评估等级确定

最小功率标准值=a×(DWT)+b=0.065 2×49 000+5 960.3=9 155.1

本船装机功率SMCR为7 820 kW，小于以上标准，因此本船不能采用评估等级1，须采用评估等级2。

2.2 简化评估计算

导则规定船舶相对于水的前进航速Vs，取下列二值的大者：最小航行速度Vnav；或最小保持航向速度Vck。而最小航行速度Vnav设为4.0 kn。因此,从降低船舶设计难度角度，把最小保持航向速度Vck设为4.0 kn是合适的，即船舶能以满足规范要求的最低航速在逆风顶浪中保持航向航行。本船在获取波浪增阻的船模试验方案确认阶段即确定Vck设为4.0 kn。这是本船船模试验的基础，即本船以4.0 kn航速在有义波高4.0 m、谱峰周期7.0～15.0 s规则波中逆风顶浪保持航向航行，波浪增阻船模试验结果见图1。

图1 规则波中波浪增阻阻力

基于船模试验结果，按照简化评估的装机功率评估程序得到的评估结果见表2，在不利海况下保持操纵性的最小推进功率为2 362 kW,小于配备的主机功率7 820 kW，装机功率符合要求。

由于本船配载的为柴油机，故还需考虑发动机的转矩-速度限制。表2也列出了评估的要求转矩和主机限制转矩——要求的转矩与主机最大持续转矩与要求的转矩相比，占比最大为80.0%,有20%的余量。图2显示在风浪中所需的主机转矩均在主机的限制转矩曲线下，表示配置的主机能提供不利海况下保持操纵性所需的转矩。综上所述：该型船舶的装机功率符合不利海况下保持操纵性的最小推进功率的要求。

表2 最小装机功率计算结果汇总

图2 转速-转矩

船舶相对于水的前进航速Vs，与设计相关的是基于参考保持航向速度Vck,ref，与0.9%经船宽修正浸没舵面积AR，以及实际舵面积有关。

Vck=Vck,ref-10.0×(AR%-0.9)

(5)

式中：AR%为实际舵面积AR与经船宽修正浸没舵面积ALS,cor的比值，AR%=AR/ALS,cor×100%。

经船宽修正浸没舵面积的计算为

ALS,cor=LppTm(1.0+25.0(Bwl/Lpp)2)

因此得到

AR=AR%×LppTm(1+25×(Bwl/Lpp)2)/100

(6)

Vck,ref根据正面受风面积AFW与侧面受风面积ALW之比AFW/ALW予以界定。

本船Lpp垂线间长179.5 m，Bwl水面线处船宽32.2 m，Tm船中吃水13.2 m，AFW为710，ALW为1 900，AFW/ALW为0.373 7，由线性插值得到Vck,ref=4.44 kn；

代入式(5)得到AR%=0.944。

再代入式(6)得到AR=40.36 m2。

本船型舵升力系数1.21，考虑到NACA升力系数1.1，本船Vck=4.0 kn所需舵面积最小为36.69 m2。实际舵面积37.53 m2，满足导则要求。

以前进航速Vs=4.0 kn时所需最小舵面积为基准，本船舵面积增减带来的前进航速Vs变化见表3。

表3 舵面积-前进航速Vs对应表

可见，Vck=4.0 kn时的舵面积是关键临界值，如果再增大舵面积降低Vck(<4.0 kn)，会增加操纵性设计成本，同时又不能降低逆风顶浪中所需的前进航速Vs，即增大舵面积不会再降低推进功率要求；减小舵面积提高Vck(>4.0 kn)，船舶在恶劣海况中将需以更高的航速才能逆风顶浪保持航向航行，即需要更高的推进功率，并且舵面积的减小将导致前进航速Vs以更高的比例增加，则所需的推进功率将急剧增加。所以为使船舶在不利海况下保持操纵性所需的装机功率最小，速度Vck需取4 kn，因此有相应最小舵面积的要求。

2.3 与常规经验公式比较及实际操纵性效果

参考原IACS规范Chapter 10 Hull Outfitting Section 1 Rudder and Manoeuvring Arrangement[6]及原GL规范Part14Sec14[7]舵面积计算公式：

AR=c1c2c3c4×1.75LT/100=0.9×(1/1.21)×1×1×1.75×179.5×13.2/100=30.8 m2

式中：L为船长，179.5 m；T为夏季吃水，13.2 m。

与上节所需舵面积比较：36.69/30.8=1.19，差值接近1/5。

即由于EEDI的因素以及新最小功率导则的要求，新船开发要求的舵面积明显增大。因此，最小功率导则的要求成为决定此类尺度液货船舵面积的关键因素。

进行船模操纵性试验及实船操纵性试验，结果显示操纵性能指标均达到IMO MSC.137(76)操纵性衡准[8]及MSC/Circular.1053注释说明[9]的要求，同时有合理的裕度，见表4。

表4 操纵性试验结果汇总

3 结论

随着EEDI规则推进阶段的升级，主机降功率设计越来越常见，而最小推进功率导则新版的实施，导致评估等级2——简化评估更为多见，这往往导致舵面积要求明显大于常规估算的舵面积。尤其对于中小型液货船，常规航行所需的装机功率远远低于评估等级1-最小功率标准值评估，也即难以满足评估等级1的要求，需按评估等级2-简化评估，必须在前期进行充分的考虑；而基于最小保持航向速度估算舵面积是比较合理而且可行的，同时对避免设计风险具有重要意义。所涉及的最小推进功率导则目前仍是暂行规则，如有后续修订，值得进一步跟踪。