基于軸功率-航速關系的船舶污損監測法改進

閔少松，張子龍，彭 飛

(海軍工程大學艦船工程系，武漢430033)

基于軸功率-航速關系的船舶污損監測法改進

閔少松，張子龍，彭 飛

(海軍工程大學艦船工程系，武漢430033)

針對現有基于軸功率-航速關系的污損監測法對航行條件限制較多的問題,提出考慮不同浪、風和排水量情況下的船舶航行阻力修正計算方法,擴大監測數據的許用范圍。采集兩型船的實船航行數據,并進行處理,同等污損條件下計算結果與實際情況對比表明,改進的污損監測法可行,給出實船污損監測評估準則。

軸功率;航速;污損監測;阻力修正

船舶污損會導致航行阻力增加、燃油及溫室氣體排放增多、水下設備性能下降、航行噪聲增大、水線以下結構腐蝕加劇、防污漆活性降低,等［1］。近年來,通過船舶性能監測來評估船體污損程度,以便采取合理的除污措施,成為解決污損問題的有效手段。目前性能監測主要采用軸功率-航速關系監測,其原理為航行阻力隨污損生長而增加,導致同樣航速下軸功率增加,通過軸功率增量大小可以評估船體污損程度［2］。在實際應用軸功率-航速關系監測法時,為了排除外部環境及航行狀態對軸功率的影響,對風、浪及排水量等條件要求極高,導致監測的范圍較小,效率較低。

針對這一問題,考慮對航行中波浪、風和排水量進行修正,以期達到擴大監測范圍,提高監測效率的目的。

1 軸功率-航速關系監測流程

通常只獲得軸功率-航速數據不能夠對污損進行精確監測。以軸功率-航速關系監測船舶污損依賴于航行阻力的變化,而航行條件中浪、風、海流和排水量都會影響船舶的航行阻力,會對軸功率-航速關系產生干擾。所以必須將不同污損程度下的軸功率-航速關系在同一航行條件下對比,才能反映出真實的污損影響［3］。

為此,建立軸功率-航速關系的基準線,基準線能夠反映出清潔船體的功率航速特性;之后在實際航行中搜集軸功率、航速,以及環境數據,再修正波浪、風、海流和排水量的影響。這樣,將實際航行條件修正到與基準相同,最后從相同航速下的軸功率增量推導出船體污損程度。

基準線的作用是反應清潔船體條件下的軸功率-航速關系,所以在建立基準線時,船體應該是清潔的,同時保持勻速直航且航行海域風浪、水流等因素影響較小。由此提出基準線建立條件,見表1。

表1 基準條件

以上數據項目中,航速差值是指GPS航速與計程儀航速的差值,用于排除海流的影響。航速及軸功率變化率、舵角和航向的限制條件用于保證船舶勻速直航。風、浪的限制條件用于避免環境因素對軸功率的影響。在實際航行過程中,需要排除影響因素建立軸功率-航速曲線,需采集的數據項目見表2。

表2 數據采集項目

一般實際航行中采集到的數據很難滿足基準條件的要求,因此對這些數據進行修正以放寬監測法對航行條件的要求。對采集到的各項數據按照浪、風和排水量的順序進行修正,各修正方法如下。

1)波浪阻力。采用Salvesen計算公式［4-7］。

R7的計算公式為

式中:ω1——遭遇頻率,ω1=ω+KU cosβ。

2)風阻力。采用第24屆ITTC會議給出的經驗計算式［8］。

式中:Ca——風阻力系數;

At——水線以上部分在橫截面上的投影面積;

Va——風和船的相對速度,Va=V-Vwcosφ。

其中:Vw——風速;

φ——風速和船速的夾角。

3)排水量。假設同一船型在不同排水量條件下海軍部系數相同,利用海軍部系數法,在相同航速下其軸功率為［9-10］

式中:Δ1,SHP1——船舶建立基準線時的排水量和軸功率;

Δ2,SHP2——實際航行中的排水量和軸功率。

2 監測方法應用與驗證

A、B采集兩型船的實際航行數據,之后將軸功率-航速關系監測方法應用在兩型船上,對比監測結果與船體實際污損,驗證監測方法的可行性。A、B船基本參數見表3。

表3 數據采集項目

根據A船實船試驗結果建立基準線,之后收集A船的航海數據,時間跨度從該船上次進塢重新涂裝后12～24個月,共1年時間。排除波浪、風的干擾后對部分排水量變化較大的監測點進行修正,共得到13個監測點數據,見表4。

表4 軸功率修正結果(A船) kW

B船相關數據處理方法類同,共得到9個監測點數值,見表5。由于B船排水量變化較小,不再對該船排水量進行修正。

對A船進行浪、風和排水量的修正,分析浪、風和排水量在軸功率修正量中所占比重,對比見圖1。

表5 軸功率修正結果(B船) kW

圖1 A船浪、風和排水量的修正比例

由圖1可見,波浪阻力增值相對風阻力對軸功率的影響更大。對于A船而言,當排水量變化較大時,則排水量應該是主要的修正對象。在各種影響因素中,波浪阻力增值總是會增加軸功率,而風的影響有時則可能會起到減小軸功率的作用。排除影響因素后,各監測點相對基準線的功率增加量見圖2。

圖2 A船軸功率功率增加量變化情況

由圖2可見,在5號監測點前軸功率增加了4%～15%,之后增加至25%以上,整體呈逐漸增加的趨勢。在13號監測點對船體污損情況進行勘驗,此時距上次A船涂裝約24個月。結果見圖3。

當軸功率增加量在25%以上,船體已經出現了片狀的鈣質污損且污損的面積比較大,螺旋槳已經完全被鈣質污損覆蓋。此時船體污損程度已經比較嚴重,污損對船舶的航行性能已經產生了較大影響。

圖3 A船水線下船體勘驗情況

對B船浪、風和排水量的修正,分析各項修正值在軸功率修正量中所占比重,見圖4。

圖4 B船浪、風和排水量的修正比例

對于水線以上船體面積較大的船,由航速增加而產生的風阻力迅速增加,部分監測點顯示對風阻力的修正甚至超過了波浪阻力增值的修正。排除影響因素后,各監測點相對基準曲線的功率增加量見圖5。

圖5 B船軸功率功率增加量變化情況

由圖5可見,從4號監測點就開始軸功率增加量達到15%以上,6號監測點開始軸功率增加20%以上。在4號監測點對該船水線以下污損情況進行了勘驗,距船B上次涂裝約8個月,當軸功率增加量在15%左右,主船體出現了點狀鈣質污損,螺旋槳開始出現鈣質污損,見圖6。

3 結論

改變以往篩選監測數據以排除影響因素的方法,通過阻力修正擴大了監測數據的許用范圍,提高了污損監測的效率。兩船計算結果表明,監測結果同船體污損程度相符,對浪、風和排水量的修正有效。

圖6 B船水線以下船體勘驗情況

浪、風和裝載等參數主要依靠船員定時填寫,數據的精度和容量有限;并且對波浪阻力增值的計算基于切片理論,精度難以控制。如何自動準確地獲取這些數據并進一步提高修正精度是污損監測下一步的主要研究方向之一。

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On the Fouling Monitoring Method of Ships Based on the Relationship of SHP and Speed

M IN Shao-song,ZHANG Zi-long,PENG Fei
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

Aiming at the problem of that the current foulingmonitoringmethod hasmany strict limitations of the voyage condition,amodified calculatingmethod of the running resistance of ships is presented,which can take into account the different situations ofwind,wave and displacement.The voyage data of two ships is collected and processed.The calculation results are compared with the real fouling condition,showing that the proposedmethod is feasible.An evaluation criteria of the foulingmonitoring for real ships is set forth.

shaft horsepower;speed;foulingmonitoring;resistance amendment

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.035

U672.7

A

1671-7953(2015)03-0146-04

2014-12-25

修回日期:2015-01-09

國防科研項目

閔少松(1978-),男,博士,講師

研究方向:艦船維修

E-mail:minshaosng@163.com