縱傾調(diào)整對(duì)三大主力船型航行性能的影響

宋 磊，童 駿，孫江龍

（1.華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，武漢 430074；2.船舶數(shù)據(jù)技術(shù)與支撐軟件湖北省工程研究中心，武漢 430074；3.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

0 引言

為了獲取更高效的航運(yùn)利潤(rùn)以及滿足更苛刻的碳排放標(biāo)準(zhǔn)，通過降低航行阻力進(jìn)而減小主機(jī)功率是一種直接的方法，船舶縱傾調(diào)整可改變水下形狀進(jìn)而改變航行阻力，是一種簡(jiǎn)單便捷的方法。涂海文等［6］通過對(duì)4 250TEU集裝箱船的縱傾調(diào)整研究，開發(fā)指導(dǎo)船舶不同工況下航行最佳縱傾數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)庫(kù)集成于軟件中指導(dǎo)實(shí)船運(yùn)營(yíng)，最終結(jié)果表明對(duì)該集裝箱船可得到4%～6%的減阻效果；馮佰威［7］通過對(duì)某油船設(shè)計(jì)吃水工況進(jìn)行數(shù)值仿真和模型試驗(yàn)，得出船舶在不同航速下尤其是較高時(shí)找到一個(gè)使阻力最小的縱傾角，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)擬合出阻力最小估算公式；孫江龍［8］以18 000DWT散貨船為研究對(duì)象，將數(shù)值仿真結(jié)果與模型試驗(yàn)比對(duì)來驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，進(jìn)而通過數(shù)值仿真來預(yù)報(bào)不同縱傾阻力變化情況，得出對(duì)該散貨船首傾時(shí)最大能有2.36%的減阻效果。邵勇［9］通過實(shí)際營(yíng)運(yùn)發(fā)現(xiàn)，縱傾調(diào)整建立在船舶全面監(jiān)控并在具備技術(shù)人員的指導(dǎo)下，能夠進(jìn)一步降低運(yùn)營(yíng)成本，每年可省2%左右的燃油消耗。

為了更具一般性探究縱傾姿態(tài)調(diào)整對(duì)三大主流船型節(jié)能減排的效果，本文選取3 艘典型船舶，以模型試驗(yàn)的方式，分別討論在結(jié)構(gòu)吃水、設(shè)計(jì)吃水、空載吃水3 種裝載工況下縱傾調(diào)整對(duì)航行所需主機(jī)功率的影響，可為實(shí)船運(yùn)營(yíng)提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 試驗(yàn)對(duì)象及方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

三艘典型主力貨運(yùn)船型為：13 500TEU 集裝箱船（集裝箱船）、46 000 t 成品油船（成品油船）和47 500DWT散貨船（散貨船），其主要尺度對(duì)比如表1所示。試驗(yàn)時(shí)按照一定縮尺比λ 制作木質(zhì)模型，對(duì)模型表面進(jìn)行打磨光順后噴漆處理，模型線型與實(shí)船一致，尺度呈一定比例，3 艘模型如圖1 所示。

表1 船舶主要尺度

圖1 3艘典型主力貨運(yùn)船型

1.2 試驗(yàn)原理及方法

試驗(yàn)在船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，如圖2 所示，模型重心處布置拖曳點(diǎn)，拖曳點(diǎn)上鋼絲繩通過兩個(gè)導(dǎo)輪2 次導(dǎo)向最終與水平方向阻力儀相連，阻力儀另一端與拖車固定，試驗(yàn)時(shí)拖車帶動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)，阻力傳感器測(cè)量的力即為模型的阻力。模型前后裝有2 個(gè)用于限制模型橫向位移與搖擺的導(dǎo)航桿，模型重心垂向干舷以上裝有夾持板，與拖車夾持機(jī)構(gòu)配合，避免拖車帶動(dòng)模型啟動(dòng)和剎車時(shí)拉力過大造成傳感器超載［10］。

由模型阻力換算至實(shí)船有效功率時(shí)采用傅汝德法［11］（Froude’s Method），將船模阻力Rt分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr，無因次化后即船模阻力系數(shù)Ct分為摩擦阻力系數(shù)Cf和剩余阻力系數(shù)Cr，傅汝德法認(rèn)為實(shí)船和模型剩余阻力系數(shù)相等，摩擦阻力系數(shù)計(jì)算采用1957-ITTC公式，其表達(dá)式為

圖2 試驗(yàn)示意圖

實(shí)船總阻力系數(shù)：

式中：ΔCf為粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)，其值根據(jù)實(shí)船長(zhǎng)度不同取值不同［11］，對(duì)于集裝箱船船長(zhǎng)為366 m，ΔCf取-0.2 ×10-3；對(duì)于成品油船和散貨船，船長(zhǎng)介于150～200 m之間，ΔCf取0.2 ×10-3。

2．3 飲食和身體活動(dòng)的態(tài)度情況 被調(diào)查小學(xué)生中，32．5%選擇會(huì)因健康原因而改變飲食習(xí)慣，81．3%選擇應(yīng)積極參加體育活動(dòng)，選擇會(huì)為減肥或控制體重而“鍛煉”的比例（37．8%）高于“控制飲食”的比例（24．2%），以上在性別、年級(jí)和城鄉(xiāng)間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P值均＜0．05）。見表3。

實(shí)船總阻力

有效功率（kW）

主機(jī)收到功率

式中：ηD為推進(jìn)效率；ηS為軸系傳送效率；ηG為減速裝置效率。

1.3 試驗(yàn)工況

3 艘模型試驗(yàn)工況如表2 所示，試驗(yàn)工況吃水相對(duì)船舶結(jié)構(gòu)的位置如圖3 所示。每艘船舶均選擇結(jié)構(gòu)吃水、設(shè)計(jì)吃水和空載吃水3 個(gè)工況，分別代表著船舶在營(yíng)運(yùn)過程中準(zhǔn)許最大載重工況、設(shè)計(jì)載重工況和空船壓載載重工況［12］。設(shè)計(jì)吃水一般處于船舶球鼻艏剛剛沒入水線位置；結(jié)構(gòu)吃水比設(shè)計(jì)吃水稍高；空載吃水根據(jù)不同球鼻艏形狀處于船舶球鼻艏最尖端以下或以上。船舶縱傾調(diào)整主要改變其水下形狀，水下形狀改變?cè)斐绅鹤枇Ω淖儯傋枇Πl(fā)生改變；其中球鼻艏產(chǎn)生的波與船體產(chǎn)生的波在首部發(fā)生相位偏移，抑制首波的幅值，減小能量的損耗，達(dá)到減小興波阻力的效果［13］。因此針對(duì)船舶在不同吃水工況縱傾調(diào)整方向也有所不同，對(duì)于設(shè)計(jì)吃水和結(jié)構(gòu)吃水，球鼻艏均完全沒入水中，可進(jìn)行首傾（縱傾值為負(fù)）和尾傾（縱傾值為正）方向調(diào)整；對(duì)于空載狀態(tài)，由于船舶球鼻艏有一半沒入水中，將產(chǎn)生較大興波阻力，同時(shí)，由于吃水較小，為保證船尾螺旋槳有足夠浸深，將船模往尾傾（縱傾值為正）方向調(diào)整［14］。

表2 試驗(yàn)工況信息

圖3 試驗(yàn)工況下吃水相對(duì)船舶結(jié)構(gòu)的位置

2 結(jié)果及分析

以船舶平浮狀態(tài)為基準(zhǔn)，縱傾調(diào)整后相對(duì)平浮主機(jī)功率增減百分比［15］定義如下：

通過比較不同縱傾值下各航速主機(jī)功率相對(duì)平浮增減值可判斷縱傾調(diào)整對(duì)航行性能的影響。

2.1 集裝箱船試驗(yàn)結(jié)果

（1）吃水d=16.0 m。如圖4（a）所示，船舶調(diào)整至尾傾狀態(tài)主機(jī)功率增大，在航速14～23 kn 范圍內(nèi)主機(jī)功率增大明顯，且隨著尾傾幅度增大，船舶主機(jī)功率增幅變大，在尾傾trim=4 m 時(shí)最大增幅達(dá)到15%左右；相反，船舶調(diào)整至首傾狀態(tài)船舶主機(jī)功率將減小，綜合考慮將船舶調(diào)整至首傾trim=-2 m 時(shí)效果最好。

（2）吃水d=13.5 m。如圖4（b）所示，船舶調(diào)整至尾傾狀態(tài)僅在航速為22 和23 kn 時(shí)主機(jī)功率有降低的現(xiàn)象，其他航速較低時(shí)主機(jī)功率相對(duì)平浮均有所增加。船舶調(diào)整至首傾值-0.5～-3 m 范圍內(nèi)主機(jī)功率降低，綜合考慮將船舶調(diào)整至首傾trim=-2 m時(shí)效果最好，對(duì)于大部分航速主機(jī)功率降低3%～4%。

（3）吃水d=7.5 m。如圖4（c）所示，船舶調(diào)整至尾傾狀態(tài)主機(jī)功率將得到一定降低，當(dāng)尾傾trim=0.5、3.5 和4 m時(shí)，船舶航速高于17 kn時(shí)主機(jī)功率降低明顯；將船舶調(diào)整至首傾狀態(tài)主機(jī)功率將增加。綜合考慮對(duì)于本工況將船舶調(diào)整至尾傾trim=4 m 時(shí)效果最好，主機(jī)功率降低5%以上。

圖4 集裝箱船試驗(yàn)結(jié)果

2.2 成品油船試驗(yàn)結(jié)果

（1）吃水d=12.0 m。如圖5（a）所示，將船舶調(diào)整至尾傾狀態(tài)主機(jī)功率增加明顯，隨著尾傾幅度的變大，主機(jī)功率增大的幅度也變大；將船舶調(diào)整至首傾狀態(tài)主機(jī)功率將減小，隨著首傾幅度增大，船舶主機(jī)功率降低幅度將變大。綜合全航速考慮，將船舶調(diào)整至首傾trim=-2 m 時(shí)效果最好，主機(jī)功率將降低2%～3%。

（2）吃水d=10.2 m。如圖5（b）所示，縱傾調(diào)整對(duì)船舶主機(jī)功率的影響因速度區(qū)間而呈現(xiàn)出不同現(xiàn)象。將船舶調(diào)整至首傾狀態(tài)，在航速小于11 kn 時(shí)主機(jī)功率降低，航速超過11 kn 后主機(jī)功率相對(duì)平浮增大；將船舶調(diào)整至尾傾狀態(tài)，航速小于11 kn 時(shí)主機(jī)功率將增大，航速超過11 kn 后主機(jī)功率明顯降低。綜合考慮，航速小于11 kn 時(shí)，將船舶調(diào)整至首傾trim=-3 m效果最好，航速超過11 kn 時(shí)，將船舶調(diào)整至尾傾trim=1.3 m效果最好。

（3）吃水d=6.3 m。如圖5（c）所示，將船舶調(diào)整至尾傾狀態(tài)，當(dāng)航速低于8 kn 時(shí)主機(jī)功率將增大，航速超過8 kn后主機(jī)功率降低明顯，且主機(jī)功率降低幅度隨著縱傾幅度增大而增大。綜合考慮將船舶調(diào)整至尾傾trim=3 m 時(shí)效果最好，主機(jī)功率減小可達(dá)5%左右。

圖5 成品油箱試驗(yàn)結(jié)果

2.3 散貨船試驗(yàn)結(jié)果

（1）吃水d=11.2 m。如圖6（a）所示，將船舶調(diào)整至尾傾狀態(tài)，航速低于13 kn 時(shí)主機(jī)功率降低明顯，尤其是尾傾值trim=1.2 m 狀態(tài)時(shí)，常用航速10～13 kn區(qū)間主機(jī)功率下降超過5%；將船舶調(diào)整至首傾trim=-0.5 m狀態(tài)，主機(jī)功率將降低3%～4%，為本工況最佳航行縱傾。

（2）吃水d=10.7 m。如圖6（b）所示，將船舶調(diào)整至尾傾狀態(tài)，尾傾程度較小時(shí)，主機(jī)功率將增加，當(dāng)尾傾超過trim=2.0 m 時(shí)，主機(jī)功率將降低；將船舶調(diào)整至首傾狀態(tài)時(shí)，主機(jī)功率將增大，僅在高速時(shí)會(huì)出現(xiàn)降低現(xiàn)象。綜合考慮將模型調(diào)整至尾傾trim=2.5 m時(shí)效果最好，主機(jī)功率將降低5%以上。

（3）吃水d=4.5 m。如圖6（c）所示，將船舶調(diào)整至尾傾狀態(tài)，當(dāng)航速不超過10 kn 時(shí)主機(jī)功率將增大，當(dāng)航速超過10 kn 時(shí)，主機(jī)功率將降低。綜合考慮可知將船舶調(diào)整至尾傾trim=2.2 m 為最佳航行工況，能夠?qū)崿F(xiàn)全速度范圍內(nèi)主機(jī)功率降低，且在航速較高時(shí)降幅可達(dá)6%。

圖6 散貨船試驗(yàn)結(jié)果

2.4 結(jié)果匯總分析

縱傾調(diào)整對(duì)3 艘船主機(jī)功率詳細(xì)影響情況如表3～5 所示，其中綠色用“good”表示主機(jī)功率減小；紅色用“poor”表示主機(jī)功率將增大；黃色“fair”表示主機(jī)功率變化不明顯或受速度影響呈現(xiàn)增減不一的結(jié)果。

表3 集裝箱船縱傾調(diào)整主機(jī)功率變化表

表4 成品油船縱傾調(diào)整主機(jī)功率變化表

表5 散貨船調(diào)整主機(jī)功率變化表

3 結(jié)論

通過模型試驗(yàn)獲取船模阻力數(shù)據(jù)，根據(jù)相似原理換算至實(shí)船，預(yù)估船舶在不同載重工況、不同縱傾下主機(jī)功率，分析結(jié)果可知縱傾調(diào)整對(duì)航行性能影響顯著，以降低運(yùn)營(yíng)成本為目的對(duì)研究的3 艘船舶有如下結(jié)論：

（1）集裝箱船在結(jié)構(gòu)吃水d=16 m和設(shè)計(jì)吃水d=13.5 m時(shí)調(diào)整至首傾trim=-2 m狀態(tài)航行效果最佳；在空載吃水d=7.5 m時(shí)調(diào)整至尾傾trim=4 m狀態(tài)航行效果最佳。

（2）成品油船在結(jié)構(gòu)吃水d=12 m時(shí)調(diào)整至首傾主機(jī)功率減小，首傾值trim=-2 m 時(shí)效果最佳，主機(jī)功率將降低2%～3%；設(shè)計(jì)吃水d=10.2 m 時(shí)，在航速小于11 kn時(shí)，將船舶調(diào)整至首傾trim=-2 m效果最佳，在航速超過11 kn 時(shí)將船舶調(diào)整至尾傾trim=1.3 m效果最佳；在空載吃水d=6.3 m 時(shí)，將船舶調(diào)整至尾傾trim=3 m 時(shí)效果最佳，除了低速7 kn 和8 kn外其余航速主機(jī)功率將減小5%左右。

（3）散貨船在結(jié)構(gòu)吃水d=11.2 m 時(shí)，將船舶調(diào)整至首傾trim=-0.5 m航行效果最佳；設(shè)計(jì)吃水d=10.7 m時(shí)將船舶調(diào)整至尾傾d=2.5 m 航行效果最佳；空載吃水d=4.5 m 時(shí)將船舶調(diào)整至尾傾trim=2.2 m航行效果最佳。