螺旋桨转速裕度和EEDI最小功率评估的探讨

黄光兵

摘要： 针对IMO对船舶EEDI最小装机功率的要求，以某64000吨散货船为研究对象，通过选定的主机型号匹配不同转速裕度的螺旋桨，利用法规中第二层次简化评估方法，对船舶装机功率的合规性进行了计算和分析，表明螺旋桨设计转速裕度的大小对于基于该方法的评估结果有一定的影响，且其影响幅度和船型波浪增阻的大小有着直接的关系，为降低船舶EEDI最小装机功率，提升船舶EEDI水平提供了一条蹊径。

Abstract： According to IMO's requirements for minimum installed power of EEDI， a 64000 DWT bulk carrier is taken as the research object. The compliance of the ship's installed power is calculated and analyzed by using the simplified method i.e. the second level method stipulated in the regulations by selecting the main engine type to match the propeller with different light running margin. The results show that the light running margin of propeller has a certain influence on the evaluation results based on this method and the amplitude of the influence is directly related to the size of the wave-increased resistance of the ship， which provide a practicable solution to reduce the minimum allowable installed propulsion power and improve the attained EEDI level of a vessel.

关键词： EEDI最小功率;螺旋桨转速裕度;波浪增阻

Key words： EEDI minimum installed power;propeller light running margin;wave-increased resistance

中图分类号：F407.474                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）19-0051-02

0  引言

根据MARPOL附则VI相关规定，自2025年1月1日起，签订合同的新造船必须满足Phase 3阶段EEDI相关要求。以2万载重吨以上的散货船为例，其EEDI值相对于目前的要求要再降低10%以上，即要低于基线值30%以上。

现阶段，考虑相关技术的成熟性和建造成本，降低主机装机功率仍然是提升船舶EEDI水平最为有效的手段，但是受到IMO决议MEPC.232（65）中关于船舶最小功率的要求的限制，装机功率也无法过度降低，必须要考虑保持船舶在恶劣海况下的操纵性能，确保船舶航行安全。据了解，目前市场上新退出的6～10万吨级散货船，为了满足当前的EEDI法规要求，其设计装机功率一般都无法满足第一层次中基线评估的要求，而是要通过第二层次的简化评估法来满足最小功率的要求。但简化评估方法需要用到船舶的波浪增阻数值，该数值一般需要依靠船模的波浪增阻试验获得。

法规中第二层次简化评估方法的基本原理是，在给定的风浪条件下，如果船舶装机功率足够大，能在迎风迎浪的条件下以规范要求的最小航速保持航行，那么该船也能在其他任何浪向、风向下保持航行。简化评估流程主要可分为两步，一是确定给定风浪条件下的最小航速，二是评估船舶主机是否能够提供足够的动力使船舶在迎风、迎浪条件下以上述最小航速保持航行，即螺旋桨负载应小于主机持续运行工况下对应的功率限值[1]。

对于采用低速机的船型，MAN B&W公司目前推荐选取的转速裕度范围为4%～10%。在船型设计中，结合实际情况[2]，一般选用5%～7%。转速裕度设定的过低，恶劣海况下航行时容易出现主机过载情况，且易导致主机加速过程缓慢，转速裕度设定过高，则会影响螺旋桨推进效率，以及主机无法满负荷运行。

基于上述船舶最小功率计算原理和转速裕度的设定情况，在机桨匹配设计时，如果适当增加螺旋桨的转速裕度，可以使得给定负载下对应的螺旋桨的转速增加，则对应的主机功率限值也会相应增加，那么在选定的主机SMCR点不变时，船舶满足最小功率要求会更加容易。但是，增加轉速裕度，会导致静水状态螺旋桨推进效率降低，需要结合其对船舶快速性的不利影响，对船舶运营经济性和船舶EEDI水平进行综合评估。本文以某60000吨级船型为例，匹配两种不同轻转裕度的螺旋桨，采用第二层次的评估方法，对船舶最小功率的合规性进行校核，分析螺旋桨转速裕度对于船舶最小功率评估的影响。

本文中船舶的波浪增阻值参照某已做过波浪增阻试验的母型船进行估算，两个螺旋桨敞水性能参数和船型快速性数据取自国外权威水池的敞水试验和自航试验结果。

1  主机参数的计算

主机持续运行工况下的功率限制线根据MAN B&W公司提供的计算方法[3]进行计算。

择选机型为MAN B&W6G50ME-C9.6，SMCR点功率值为7600kW，转速为87r/min。

2  螺旋桨选型

根据主机厂家的推荐，转速裕度一般为4%～10%，本次研究选用的两个螺旋桨，其中螺旋桨1转速裕度为8.0%，螺旋桨2转速裕度为4.2%，具体参数见表1。

3  最小功率的评估

最小功率的评估按照IMO决议MEPC.232（65）中第二层次规定的方法进行。

①最小前进航速。

船舶顶风顶浪前进时，最小前进航速计算：

Vnav=4.0kn

Vck=Vck，ref-10.0×（AR%-0.9）=4.80节

Vck，ref=4.84节，根据决议MEPC.232（65）第3.7条由线性插值法求得风浪中最小前进航速：Vs=Max（Vnav，Vck）=4.80kn。

②波浪增阻。

波浪增阻参照母型船和经验公式求得，结果见表2。

③最小装机功率评估。

该评估在船舶最大吃水状态下，以要求的风浪中最小前进航速前进的状态下进行，该状态下所需要的推力计算

T=（Rcw+Rair+Raw+Rapp）/（1-t）

其中，

Rapp为附体阻力，根据附体湿面积，取1%Rcw。

螺旋桨进速因子J查螺旋桨敞水曲线可获得，KQ（J）通过螺旋桨敞水曲线查得，相对旋转效率假定为1.0。根据计算方法，最小功率评估计算见表3和表4。

由表3和表4计算结果可知，在型线和主机选型相同的情况下，选用1号螺旋桨，可以满足法规第二层次方法对于船舶最小推进功率的评估要求，选用2号螺旋桨，则无法满足该要求。对于船舶快速性的影响：①船模试验表明，使用2号桨，同样设计功率下，其设计航速较1号桨快约0.05节;②根据多条姐妹船的试航测速的统计数据对比，使用2号桨的船舶航速较1号船快约0.1节，即航速降低1%不到。故以本次研究为例，1号桨转速裕度增加约3.8%时，其推进效率较2号桨推进效率下降约2%～4%。

4  结论

①增加螺旋桨的轻转裕度，相当于船舶在风浪中以特定航速航行时，给主机留有了更大的储备功率。所以，在主机选型和螺旋桨设计阶段，适当增加螺旋桨的转速裕度，可以有效降低按照IMO法规第二层次评估方法要求的船舶最小装机功率限值。一般来说，波浪增阻越大，螺旋桨轻转裕度的大小对于第二层次评估的结果影响越明显。

②对于采用第二层次评估方法的进行最小装机功率评估的船型，如在波浪增阻试验后，计算结果表明既定的船舶装机功率无法满足法规最小功率的要求，可以通过适当加大螺旋桨轻转裕度的方式来尝试满足评估要求。

③船型波浪增阻的大小，对第二层次方法的评估结果有较大的影响，故以优化EEDI为目标的船型设计中，可以适当考虑波浪增阻的优化比重，必要时可适当考虑牺牲快速性指标或者载重量指标，以达到尽可能降低船舶装机功率，提升船舶EEDI水平的目的。

参考文献：

[1]魏锦芳，王杉，苏甲，陈京普.船舶最小推进功率跟踪研究[J].中國造船，2014（4）：20-25.

[2]吴小平.船舶螺旋桨轻转裕度探讨[J].船舶与海洋工程，2017，33（5）.

[3]MAN B&W Load Limits for MAN B&W Two-Stroke Engines.