長江1 000車滾裝船EEDI驗證分析

(中國船級社武漢規范研究所，武漢 430022)

隨著社會對船舶溫室氣體排放的關注，有關船舶能效方面的法規和規范相繼出臺實施。就內河運輸船舶而言，所要滿足的強制性標準其中之一就是CO2排放指標和燃料消耗指標[1]。中國船級社也發布了《內河綠色船舶規范》，規范就內河船舶有關能效指數(EEDI)驗證流程和能效要求進行規定。按照綠色規范要求[2]，船舶能效指數驗證包括設計階段的初步驗證和試航階段的最終驗證，初步驗證一般基于水池試驗數據或者數值計算結果，而最終驗證則基于實船測試的結果并作為EEDI最終判定的依據。內河船舶大多采用雙槳雙舵布置，初步驗證所預報的實船航速功率性能和最終驗證實船測試結果之間的差異及預報分析流程的相關研究較少。考慮對1 000車長江商品汽車滾裝船進行實船航速功率性能，結合試航測試，進行EEDI驗證。

1 驗證船舶主要信息

驗證船型為長江新型1 000車商品汽車滾裝船，航行于內河A、B、C航區以及J級航段。該船采用球艏和雙尾線型設計，船舶三維線型見圖1，船舶主尺度與主機、輔機的主要信息見表1。

圖1 1 000車滾裝船三維模型

表1 目標船舶主尺度、主機和輔機信息

2 實船航速功率預報

2.1 實船有效功率曲線

EEDI初步驗證的水池試驗包括船模阻力試驗、螺旋槳槳模的敞水試驗和自航試驗。試驗船模及槳模的縮尺比均為14.866 5。

基于船模阻力的水池試驗結果，采用二因次換算得到實船有效功率，對于無舭龍骨船，實船總阻力系數為

CTs=CFs+CRs+ΔCF+CAA

(1)

式中：CFs為實船摩擦阻力系數，由ITTC1957公式得到；CRs為實船剩余阻力系數，根據船模試驗得到；ΔCF為粗糙度補貼系數。

(2)

其中：ks取平均值150×10-6m；Lwl為船舶實際水線長，m；CAA為空氣阻力系數。

(3)

其中：AT為船體水線上受風面積，m2；Sw為船體濕表面積，m2。

實船總阻力RTs及有效功率PEs計算如下。

(4)

PEs=RTs·Vs

(5)

式中：ρ為15 ℃時的淡水密度，999.04 kg/m3；Vs為實船航速，m/s。

由于本船的設計航速為22 km/h，在設計航速附近區間[15 km/h,27 km/h]，每間隔1 km/h進行相似速度下的船模阻力測試，根據船模阻力測試結果，按照以上方法換算得到實船的總阻力RTs及有效功率PEs，結果見圖2。

2.2 螺旋槳實槳敞水性能

基于螺旋槳槳模敞水試驗結果進一步換算得到實槳的敞水性能結果，槳模和實槳主要參數見表2。

表2 目標船舶槳型參數

螺旋槳槳模敞水試驗采用定轉速變進速方法，槳模和實槳的性能曲線采用以下方法換算：同一進速系數J下，實槳和槳模的推力系數KT和轉矩系數KQ關系見下式，下標s和m分別代表實槳和槳模。

KTs=KTm-ΔKT

(6)

KQs=KQm-ΔKQ

(7)

式中：ΔKT、ΔKQ分別為尺度作用對推力系數和轉矩系數的影響。

(8)

(9)

其中：Zp為螺旋槳槳葉數；P/Dp為0.75R處的螺距比；b/Dp為0.75R處切面弦長與直徑之比；ΔCD為槳模及實槳在0.75R處切面的阻力系數之差，即：

ΔCD=CDm-CDs

(10)

(11)

(12)

其中：b為0.75R處的切面弦長；t/b為0.75R處的厚度比；Kp為實槳的表面粗糙度，30×10-6m；Re為螺旋槳模雷諾數。

基于螺旋槳槳模敞水性能試驗結果，采用以上方法，進行螺旋槳實槳和模型槳之間的性能換算。槳模敞水試驗采用定轉速、變進速的方式進行測量，分別進行左右兩槳槳模的敞水性能測試，槳模及實槳的敞水性能見圖3、4。

圖3 螺旋槳槳模敞水性能

圖4 螺旋槳實槳敞水性能

2.3 實船航速功率計算

實船航速功率性能預報需要實船的有效功率曲線、螺旋槳實槳的敞水特性、實船的推進效率和自航因子。其中，有效功率曲線通過船模阻力試驗換算得到，螺旋槳特性通過槳模的敞水性能試驗得到，而推進效率各部分和自航因子通過自航試驗換算得到。自航試驗測得對應船速下的螺旋槳轉速np、摩擦阻力修正FD、船后槳模推力Tm和轉矩QBm。船后螺旋槳模型的推力系數KTm和轉矩系數KQBm為

(13)

(14)

根據用等推力法查找螺旋槳槳模敞水性能曲線，得到槳模進速系數J、敞水轉矩系數KQ0m，敞水效率η0m，相對旋轉效率ηRm、推力減額分數tm和伴流分數ωm。

實船的伴流分數按照ωs為

ωs=(tm+0.04)+

(15)

螺旋槳實槳進速VAs為

VAs=(1-ωs)Vs

(16)

實船的推力減額分數與相對旋轉效率無尺度作用，即和船模水池試驗結果保持一致。

tm=ts

ηRs=ηRm

(17)

實船船身效率ηHs為

(18)

螺旋槳發出的總推力Ts為

(19)

本船為雙槳推進，單槳推力應為Ts/2。根據單槳推力，得到螺旋槳單槳的載荷系數KT/J2。

(20)

螺旋槳載荷系數KT/J2對于一定航速而言是以常數，根據螺旋槳實槳的敞水性能繪制得到實槳的進速系數Js-載荷系數KT/J2曲線，經插值得到對應航速下的實槳的進速系數J，該點表示實船螺旋槳的工作點，并由此得到實槳的敞水效率和轉矩系數等數據。對于雙槳推進船舶，敞水效率η0s取左右兩槳的平均值。

實船的推進效率ηD為

ηD=η0s·ηHs·ηRs

(21)

實槳轉速Ns為

(22)

所需要的主機功率Ps為

(23)

式中：ηs為軸系傳遞效率，本船取ηs=0.94。

實船性能預估見圖5～7。

圖5 實船航速-主機功率預估

圖6 實船航速-推進效率預估

圖7 實船航速-螺旋槳轉速預估

3 實船測試驗證

3.1 測試流程及狀態

EEDI的最終驗證要進行實船的航速功率測試，測試按照ITTC及相應的國標要求的流程進行[3-6]。

實船測試地點為長江武漢沌口水域，在試驗開始前，記錄測試水域的環境條件和船舶狀態，其中水域環境條件包括水深、浪高、風力、風向、氣溫、水溫和氣壓等信息，船舶狀態包括船舶艏、舯、艉3個位置吃水以及船舶排水量和載重噸等信息。1 000車長江商品汽車滾裝船實船測試水域環境條件和船舶狀態信息見表3～4。

表3 實船測試時環境條件

表4 實船測試時船舶狀態

3.2 測試結果分析

實船測試吃水狀態和水池試驗吃水工況相對應，均為船舶設計吃水狀態。航速-功率測試選擇4個不同的主機工況進行，對應的主機名義轉速分別為，每工況各進行上水和下水2個航次的測量。在測速過程中船舶保持直線航行，同時進行左、右主機軸功率和油耗率的測量。其中航速測試采用DGPS測量系統完成，取同一工況上水/下水速度的平均值作為船舶在該工況下的靜水航速。

根據實船測試結果得到1 000車商品汽車滾裝船的航速-功率關系曲線，以及船舶主機功率-油耗關系曲線，依此作為船舶EEDI最終驗證時的75%主機功率下的航速和燃油消耗率的參數。基于水池試驗預報航速主機功率曲線和實船測試的船舶航速-功率點對比驗證結果見圖8，4個點分別為實船測試的4個主機工況點。可以看出，基于水池試驗預報的船舶航速功率曲線和實船測試的數據點吻合度很好。

圖8 水池預報和實船測試的船舶航速-功率關系

在此基礎上計算EEDI的驗證航速，基于水池試驗預報得到船舶75%功率下的航速為24.54 km/h，基于實船測試得到船舶75%功率下的航速24.42 km/h，兩者之間的相對誤差小于1%。實船測試得到船舶主機功率-油耗關系見圖9，由此得到船舶左、右主機分別對應的EEDI燃油消耗率分別為221.8 g/kW·h和221.2 g/kW·h。同樣方法測得輔機50%功率下的燃油消耗率為228.73 g/kW·h。

圖9 實船測試船舶主機功率-油耗曲線

4 EEDI計算與評估

4.1 Attained EEDI計算

根據《內河綠色船舶規范》要求計算船舶實際達到的Attained EEDI為50.496。

(24)

式中：PME為主機功率，kW；PAE為輔機功率，kW；SFCYME(i)為主機燃油消耗率，g/kW·h；SFCYAE(i)為輔機燃油消耗率，g/kW·h；CFME(i)為主機碳轉換系數，取3.206；CFAE(i)為主機碳轉換系數，取3.206；feff(i)為采用新能源、新技術，取0；Capacity為載重噸，對于本船為1 700 t;Vref為EEDI基準航速，kn。

4.2 EEDI評價

根據《內河綠色船舶規范》，汽車滾裝船的極限值RLV為53.719。

RLV=a×b-c

(25)

綠色船舶-1能效設計指數要求為

Attained EEDI≤RLV

(26)

顯然，該船能效滿足要求。

5 結論

1)初步驗證預報的實船航速功率曲線和實船最終驗證測試得到船舶航速功率點基本吻合。初步驗證所預報的實船在75%主機功率下的航速為24.54 km/h，最終驗證測得的實船75%功率下的航速24.42 km/h，兩者差距較小。本文所采用的實船航速功率性能預估能夠用于EEDI初步驗證。

2)基于該船實船測試得到的基準航速及主機燃油消耗率等數據，計算該船的Attained EEDI，該船能效達到內河綠色船舶-1的要求。