企業標準化船舶航速修正方法

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

航速試驗是實船試航的重要試驗之一，試驗結果直接表征航速是否滿足合同要求，如不達標，可能導致罰款或棄船，并影響船廠建造聲譽。合同或建造規格書一般規定理想環境條件(即無風無浪且深水)下的航速，而實際上實船試航往往難以在理想環境條件下進行。對于外高橋船廠(以下簡稱SWS)的試航船來說，部分船舶試航在天氣條件理想的情況下進行，航速測試結果直接滿足合同要求。然而更多的船舶受風浪等環境因素影響，原始測量結果達不到合同航速指標，必須按照規格書約定的航速修正方法，考慮環境因素進行航速修正后，得出理想環境下的航速結果。

縱觀國外的各修正方法，其考慮的修正因素各不相同，以ISO/FDIS 15016為例：2002考慮的較為全面，其方法涉及對風、潮流、波浪、操舵、水溫、航行狀態和淺水的修正。但概念模糊，難以操作，并未得到廣泛推廣。而BSRA測速分析標準方法(BSRA即英國造船研究協會，以下簡稱BSRA方法)[1]易于實現，目前被普遍采用，但BSRA也存在缺陷，例如其未考慮波浪和涌浪對航速帶來的不利影響。

SWS 175KBC/177KBC/176KBC/206KBC、105K/108KAFRAMA、316K/297KVLCC規格書中均提到按照BSRA方法進行航速修正。

BSRA方法給出了風、潮流、淺水修正的計算方法，但對于浪沒有具體的修正方法，按照實際經驗，如遇到測速海況比較惡劣，浪比較大的時候，僅依照BSRA方法修正難以達到合同規定條件下的航速要求。因此，考慮結合實船修正的經驗，并采用第24屆ITTC 推薦的測速分析方法(以下簡稱ITTC2005方法)[2]中浪的修正方法，形成SWS航速修正企業標準，將風、潮流、海表面波浪、淺水等因素對航速的影響納入標準中。

1 測試條件及試驗

1.1 測試條件

并非任何海況下的測速結果都能進行航速修正，航速修正時必須滿足下測速條件。

1)風力不大于蒲氏風級6級。

2)波浪的最大波高ξ1/10不大于3.0 m。

1.2 測速試驗

所有測速試驗都應進行往返航次測試，如果風力較大，則應選擇順風和逆風航向。

在測速試驗中航向角應保持在±3°內；舵角保持在±5°內。

進行測速試驗前，記錄下述數據。①試驗船名、海域、日期;②艏、舯、艉部的吃水;③測速區域的水深，海水密度，海水溫度，大氣溫度，大氣壓力;④測風儀距水面高度。

每航次記錄以下數據。①航向角；②相對風速和風向；③浪和涌大小；④螺旋槳轉速、船舶對地速度和軸功率。

2 航速修正

需要準備的資料如下。總布置圖、靜水力表；船模試驗報告；螺旋槳設計資料。

2.1 風的分析

根據測速試驗記錄值：相對風速VRW、相對風向以及船舶對地速度VG、船舶航向角，以及真風風速VTW，真風風向構成矢量三角形，以此來觀察測速區域的風速風向狀態。

VWT=Vg+VRW

(1)

2.2 風的修正計算

1)風對船的阻力RAA由空氣動壓作用于水面以上的船體上而形成，通過船艏風阻力因子CAA計算。

RAA=CAA×(1/2×ρ×AT×VRW2)

(2)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；AT水線以上橫投影面積，m2。

2)CAA可以通過下述公式計算(公式由常規商船整船模型風洞試驗得出)

CAA=A0+A1×2A1/LOA2+A2×2AT/B2+A3×LOA/B+A4×S/LOA+A5×C/LOA+A6×M

(3)

式中LOA為總長，m;B船寬，m;S側投影周長(不計水線長及細長船體舾裝件，如桅桿，通風筒等)，m;M在側投影上顯著的桅桿或立柱的數量;C從艏部到側投影形心的水平距離，m;A0,A1, …A6的值[3]查表取得，該表由風洞試驗結果給出，相對風同船艏的夾角不同，則對應的值不同。

3)在確定CAA的試驗中，其邊界層近似于風傾斜作用于海面。這里針對實際的邊界層流速不同增加一個邊界層流速的修正因子，Φ1，另外增加一個表示航速試驗中不同的測風儀高度對CAA的修正的修正因子，Φ2。

因此，艏部風阻力系數為

CAA1=CAA×Φ1×Φ2

(4)

式中：

式中n取值如下。

集裝箱船n=11，拖撈船，n=10，其他船n=9.5。

4)計算風阻力RAA及風消耗的功率PSW。

RAA=CAA1×(1/2×ρ×AT×VRW2)=

AT/C×CAA1×VRW2

式中C=5.838(1+0.00 366t)×1 012.5/Pa；其中：t為大氣溫度，C°；Pa為大氣壓力， mbar。

PSW=PEW/ηD

(6)

2.3 浪的修正計算

采用ITTC2006推薦的浪阻力計算公式。

RWV= 0.64×ξW2×B2×CB×ρA×1/LOA

(7)

式中：ξW為浪高，m;ρA為海水密度，t/m3。

此處浪高ξW為浪高(wave)和涌高(swell)的合成浪高。

(8)

式中：ξwave為浪高，m;：ξswell為涌高，m。

2.4 潮流分析

1)在風和浪的修正之后，假定沒有潮流存在的情況下，無風無浪的的軸功率和航速數據應落在一根光滑的功率速度曲線上(對地速度與修正后的軸功率)，有潮流存在的情況下，上述值形成不同航向的曲線近似平行。

2)取測量點到平均線的水平距離為潮流速度，以時間為橫坐標軸繪制潮流速度曲線。

3)依據各潮流速度點，繪制潮流速度隨時間變化的趨勢線，把每個航次(即每個時間)對應趨勢線上的潮流速度回歸到1)，重復1)到3)，直到得到各航次的潮流速度點同趨勢線比較吻合，取曲線上的潮流速度對各航速進行潮流速度修正。

2.5 淺水修正

如果測速水域水深不滿足下式，則需要進行淺水修正計算。

(9)

式中：h為試驗區水深，m;d為設計型吃水，m；V為試驗預計達到的最大航速，kn；Lbp為垂線間長，m。

采用Lackenby公式進行淺水修正。

ΔVS/VS= 0.1242(AM/h2-0.05)+

1-[tanh (gh/vS2)]1/2

(10)

式中：ΔVvs在淺水中損失的航速，kn;VS船舶相對水流的速度，kn;vS船舶對水速度，m/s;h為試驗區水深，m。

2.6 修正匯總及航速預報

依據最后的修正功率和速度，繪制試航狀態對應的航速曲線，再繪制模型試驗各狀態下的速度曲線，用比例法繪制其他各狀態的實船航速曲線，并預報考核點航速。

3 結論

本文所介紹的航速修正標準方法主要基于BSRA方法，并采用ITTC2005浪修正公式彌補BSRA方法缺陷。根據目前實船經驗，該修正標準適用于10萬t級以上一般排水型低速船舶，對于特殊船型，需要通過實船進一步檢驗其合理性。另外，實船航速修正過程需要大量的輸入數據，這就需要在試航前精心準備，在試航測速試驗過程中需要仔細測量并采集試驗數據，盡可能降低航速修正過程中的修正誤差，提高航速修正結果的準確度。建議公司建立數據庫，盡可能收集所有船舶的航速數據，并對該數據庫進行整理分析，為進一步檢驗和完善該標準提供依據。