賀立敏， 季 盛， 文逸彥， 喬繼潘

(1. 中遠(yuǎn)海運(yùn)發(fā)展股份有限公司，上海 200135；2. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

萬(wàn)箱級(jí)集裝箱船實(shí)船航速功率測(cè)試與分析

賀立敏1， 季 盛2， 文逸彥2， 喬繼潘2

(1. 中遠(yuǎn)海運(yùn)發(fā)展股份有限公司，上海 200135；2. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

依據(jù)ISO 15016—2015試航規(guī)程，中海集裝箱運(yùn)輸股份有限公司與上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所聯(lián)合開發(fā)實(shí)船航速功率測(cè)試與分析處理系統(tǒng)，基于運(yùn)營(yíng)船舶對(duì)其快速性能進(jìn)行測(cè)試研究。通過(guò)某萬(wàn)箱級(jí)集裝箱船滿載載況下運(yùn)營(yíng)快速性能實(shí)船測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的適用性，可為今后實(shí)船測(cè)試和運(yùn)營(yíng)船舶快速性能評(píng)估提供一套行之有效的輔助工具。

ISO 15016—2015試航規(guī)程；實(shí)船航速-功率測(cè)試分析系統(tǒng)；實(shí)船試驗(yàn)；滿載狀態(tài)

0 引 言

航速作為衡量船舶性能的重要指標(biāo)之一，一直受船舶設(shè)計(jì)單位、船廠和船舶所有人的高度關(guān)注[1]。實(shí)船航速測(cè)定試驗(yàn)[2-4]作為檢驗(yàn)船舶快速性的重要手段，直接影響著船舶的順利交付，是船舶研制和建造過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)實(shí)船試航測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可檢驗(yàn)和改進(jìn)理論研究中的數(shù)學(xué)模型，從而提高模型試驗(yàn)相關(guān)分析的精度[5]。

實(shí)船航速測(cè)定試驗(yàn)通常僅在試航時(shí)進(jìn)行，能直觀反映出新造船的快速性能，但在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，受機(jī)器磨合、船員對(duì)船舶的熟悉程度和外部污底變化等因素影響，實(shí)船快速性能在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中與交付時(shí)存在差別，隨時(shí)間的推移而發(fā)生一定的變化。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為運(yùn)營(yíng)約2 a的船舶能真實(shí)反映實(shí)船實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)的快速性能。概述常規(guī)新造船實(shí)船試航航速測(cè)定方法，依照ISO 15016—2015[6]試航規(guī)程搭建實(shí)船航速功率測(cè)試與分析處理系統(tǒng)，利用已投入運(yùn)營(yíng)的萬(wàn)箱級(jí)集裝箱船開展運(yùn)營(yíng)船舶滿載工況下的試航測(cè)試，基于該系統(tǒng)對(duì)試航數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究模型試驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)船測(cè)定結(jié)果的相關(guān)性，驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性，為以后實(shí)船測(cè)試及航速預(yù)報(bào)提供參考。同時(shí)，為監(jiān)測(cè)船舶狀態(tài)和評(píng)估船舶運(yùn)營(yíng)狀況提供輔助工具。

1 實(shí)船航速功率試驗(yàn)方法

實(shí)船航速功率試驗(yàn)的目的是通過(guò)測(cè)量船舶航速、主機(jī)功率與轉(zhuǎn)速和海況環(huán)境等數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行修正計(jì)算，得到實(shí)船在理想環(huán)境或合同規(guī)定環(huán)境下的航速功率曲線，用以驗(yàn)證船舶航速功率是否達(dá)到相關(guān)要求。

1.1測(cè)試內(nèi)容

通過(guò)在航運(yùn)公司調(diào)研，篩選出設(shè)備及運(yùn)營(yíng)狀況較好、投入運(yùn)營(yíng)約2 a的船舶，最終選定某萬(wàn)箱級(jí)集裝箱船作為船舶快速性能實(shí)船測(cè)試的對(duì)象，測(cè)試工況為滿載工況。統(tǒng)計(jì)該船1 a內(nèi)的運(yùn)營(yíng)資料，選取最常用的滿載運(yùn)營(yíng)吃水12.2 m作為船舶的測(cè)試吃水，在碼頭根據(jù)貨代公司常用的配載方案完成集裝箱配載后，調(diào)整壓載水接近所需吃水，在航行過(guò)程中進(jìn)行營(yíng)運(yùn)船實(shí)船航速功率驗(yàn)證試驗(yàn)。該試驗(yàn)主要測(cè)試的船舶參數(shù)包括艏艉吃水、排水量、航速、軸轉(zhuǎn)速、軸功率和航向等；測(cè)試的環(huán)境參數(shù)包括波高、浪向、水深、水溫、氣溫、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向等。

1.2航速試驗(yàn)海域

為盡量消除不可預(yù)期環(huán)境因素的影響，ISO 15016—2015對(duì)船舶試航海域的環(huán)境條件進(jìn)行限制，主要包括海域位置、風(fēng)、浪、水深和流等。

1) 航速功率試驗(yàn)應(yīng)選擇在遮蔽的海域進(jìn)行，以盡量避免小船和商業(yè)交通的干擾。由于此次試航的對(duì)象為營(yíng)運(yùn)船舶，因此試航海域選擇太平洋海域。

2) 對(duì)于本船垂線間長(zhǎng)(Lpp)>100 m的船舶，測(cè)試風(fēng)速應(yīng)不超過(guò)蒲氏六級(jí)。

為消除不規(guī)則流速的影響，盡量避免在不規(guī)則流域?yàn)檫M(jìn)行航速試驗(yàn)。

1.3測(cè)試流程

出航前，測(cè)試組上船安裝并校驗(yàn)實(shí)船航速功率采集系統(tǒng)，并根據(jù)液位遙測(cè)系統(tǒng)的信息檢驗(yàn)船舶吃水的一致性，記錄船舶裝載情況。當(dāng)船舶駛?cè)牒r相對(duì)溫和的深水海域之后，測(cè)試人員開始準(zhǔn)備實(shí)船測(cè)試。船舶迎浪停船1 h進(jìn)行狀態(tài)確認(rèn)，主要包括軸功率測(cè)量設(shè)備校驗(yàn)、雷達(dá)測(cè)波、吃水觀測(cè)、水溫測(cè)量和水密度測(cè)量；當(dāng)各狀態(tài)確認(rèn)無(wú)誤之后，開始進(jìn)行實(shí)船航速測(cè)定試驗(yàn)。在不同功率工況下，船舶均保持直線航行，盡量少操舵，操舵角≤5°；盡量選擇迎浪或隨浪航行，航向角與浪向夾角≤45°。待航速穩(wěn)定之后，開始測(cè)速。用差分全球定位系統(tǒng)(Differential Global Position System，DGPS)記錄船舶運(yùn)動(dòng)軌跡及航速，記錄時(shí)間一般為5～10 min，相應(yīng)的測(cè)速距離應(yīng)>1 mile，將數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上進(jìn)行分析。根據(jù)ISO 15016—2015相關(guān)規(guī)范，實(shí)船測(cè)試路徑見(jiàn)圖1。

2 實(shí)船航速功率測(cè)試與分析處理系統(tǒng)

實(shí)船航速功率驗(yàn)證試驗(yàn)中應(yīng)用的測(cè)試與分析處理系統(tǒng)見(jiàn)圖2，主要包括實(shí)船數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、螺旋槳軸功率測(cè)量系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)、風(fēng)速儀、波浪雷達(dá)、測(cè)深儀和數(shù)據(jù)修正處理系統(tǒng)。

在測(cè)試過(guò)程中，軸扭矩、軸轉(zhuǎn)速、船位、船向、對(duì)地航速、對(duì)地航向、相對(duì)風(fēng)速和相對(duì)風(fēng)向由實(shí)船數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連續(xù)同步采集；有效波高和波周期單獨(dú)進(jìn)行采集及記錄；水深信息采用實(shí)船已有的測(cè)深儀設(shè)備采集，通過(guò)美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)( National Electrical Manufacturers Association，NEMA)分配器進(jìn)行信號(hào)隔離分配輸出。由于該船舵機(jī)間與駕駛室連線的距離>160 m，無(wú)法可靠連接舵機(jī)信號(hào)，此次測(cè)試舵角信號(hào)未采集，試驗(yàn)人員在自動(dòng)舵中設(shè)置限制，以確保測(cè)試段舵角變化≤5°。測(cè)試方法和設(shè)備介紹如下。

2.1雙DGPS

對(duì)地航速、對(duì)地航向、艏向和船位等信息由安裝在駕駛室頂部羅經(jīng)甲板上的雙DGPS測(cè)得，測(cè)試系統(tǒng)雙DGPS安裝位置見(jiàn)圖3。

2.2軸功率測(cè)量

螺旋槳轉(zhuǎn)速功率由安裝在槳軸的軸功率測(cè)量系統(tǒng)采集，該系統(tǒng)的安裝位置見(jiàn)圖4。軸功率為軸扭矩與轉(zhuǎn)速的乘積。測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)軸上的應(yīng)變片測(cè)量軸的周向偏差，計(jì)算得到槳軸扭矩；軸轉(zhuǎn)速通過(guò)光學(xué)傳感器獲得。在開始測(cè)試之前，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校零。

2.3相對(duì)風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量

相對(duì)風(fēng)速和相對(duì)風(fēng)向由超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀測(cè)得。在理想狀況下，風(fēng)速風(fēng)向儀的安裝位置應(yīng)盡可能高且離船體越遠(yuǎn)越好。由于該船的雷達(dá)桅在船舶高速航行時(shí)振動(dòng)幅度過(guò)大，最終選擇將風(fēng)速風(fēng)向儀安裝在羅經(jīng)甲板左舷的欄桿上，具體安裝位置見(jiàn)圖5。在測(cè)試中，通過(guò)與實(shí)船已有風(fēng)速儀測(cè)得的數(shù)據(jù)相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)吻合度良好。

2.4波浪測(cè)量

波浪的測(cè)量通過(guò)波浪雷達(dá)測(cè)量和船長(zhǎng)目測(cè)2種方法進(jìn)行。波浪雷達(dá)安裝于船首，便于測(cè)量雷達(dá)至水面的垂向距離；雷達(dá)內(nèi)部裝有的運(yùn)動(dòng)傳感器，用于測(cè)量并修正船舶運(yùn)動(dòng)對(duì)垂向距離的影響。波浪雷達(dá)具體安裝位置見(jiàn)6。在試驗(yàn)時(shí)，正頂浪停船，利用波浪雷達(dá)測(cè)量有義波高和波周期，同時(shí)由船長(zhǎng)進(jìn)行波浪觀測(cè)，雷達(dá)測(cè)量的波高與目測(cè)值非常接近，試驗(yàn)選取雷達(dá)測(cè)量值作為采集記錄數(shù)據(jù)。

2.5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集信號(hào)見(jiàn)表1，在測(cè)試過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行連續(xù)、同步采集。水深參數(shù)通過(guò)實(shí)船自帶的測(cè)深儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 航速功率驗(yàn)證試驗(yàn)

以此次航速功率試驗(yàn)為例，說(shuō)明測(cè)試與分析處理系統(tǒng)的計(jì)算過(guò)程。

3.1航速功率試驗(yàn)條件與測(cè)量結(jié)果

試驗(yàn)前，在出發(fā)港分別通過(guò)左舷和右舷吃水標(biāo)志對(duì)液位遙測(cè)系統(tǒng)傳感器的精度進(jìn)行校對(duì)，發(fā)現(xiàn)船首、船中、船尾吃水傳感器的誤差<1%，實(shí)船排水量與模型試驗(yàn)差值=0.36%，該差值≤2%。試驗(yàn)海域由船長(zhǎng)根據(jù)班次計(jì)劃和氣導(dǎo)信息選定，最后選擇在太平洋進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，測(cè)試區(qū)域的水深均>300 m，無(wú)需進(jìn)行淺水修正。

表1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集信號(hào)

為獲得一條較為合理的實(shí)船航速試驗(yàn)曲線，根據(jù)規(guī)范要求，通常需測(cè)量3～6個(gè)航速功率點(diǎn)，每個(gè)航速功率點(diǎn)需在同一航線上至少往返航行2次。考慮到運(yùn)營(yíng)船舶的航行安全和設(shè)備性能，降低此次試航高功率點(diǎn)的取值，選定50%MCR，65%MCR，75%MCR(往返2次)和85%MCR進(jìn)行測(cè)試。試航船舶相關(guān)參數(shù)和測(cè)試條件見(jiàn)表2。

表2 試航船舶相關(guān)參數(shù)和測(cè)試條件

3.2航速功率試驗(yàn)結(jié)果分析計(jì)算

在實(shí)船試驗(yàn)時(shí)，受海洋環(huán)境條件的影響，試驗(yàn)條件非理想狀況，根據(jù)所記錄的海況條件，基于ISO 15016—2015相關(guān)規(guī)則，采用實(shí)船航速功率分析處理系統(tǒng)對(duì)實(shí)船測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，理想條件下的修正結(jié)果見(jiàn)表3。

修正后的功率航速曲線見(jiàn)圖7，修正結(jié)果點(diǎn)為相同功率設(shè)定航次的平均值。修正結(jié)果曲線擬合采用相關(guān)系數(shù)法，即將模型試驗(yàn)結(jié)果與試航功率65%MCR及65%MCR以上的試航修正結(jié)果相對(duì)比，獲得平均的相關(guān)系數(shù)Cp，利用該系數(shù)對(duì)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行倒推，獲取實(shí)船修正結(jié)果的擬合曲線。

由實(shí)船航速功率分析處理系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果可知，滿載載況下的Cp為1.002，與模型試驗(yàn)值吻合良好，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性；各功率點(diǎn)往返航次的實(shí)船測(cè)試結(jié)果與模型試驗(yàn)值非常接近，功率誤差較小，最大偏差僅為2.2%，既能很好地反映實(shí)際運(yùn)營(yíng)船舶的快速性能，也能從側(cè)面反映出模型試驗(yàn)航速預(yù)報(bào)精度。

4 結(jié) 語(yǔ)

集裝箱船由于裝載問(wèn)題在實(shí)船試航階段很難實(shí)現(xiàn)滿載試航測(cè)試，通常通過(guò)壓載試航結(jié)合模型試驗(yàn)外推滿載試航指標(biāo)，存在一定的不確定性。通過(guò)萬(wàn)箱級(jí)集裝箱船運(yùn)營(yíng)工況下的實(shí)船試航，驗(yàn)證集裝箱船航速預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確性，為提高模型試驗(yàn)相關(guān)分析的精度提供很好的工程依據(jù)。

表3 航速功率試航修正結(jié)果

此外，在研究IMO相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，開發(fā)實(shí)船航速功率測(cè)試與分析處理系統(tǒng)，通過(guò)萬(wàn)箱級(jí)集裝箱船實(shí)船測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，為今后實(shí)船交船測(cè)試和營(yíng)運(yùn)性能測(cè)試提供一套行之有效的輔助工具，為后續(xù)能耗監(jiān)測(cè)和能效管理提供基礎(chǔ)。

[1] 顧溟宇，王言英，張佳寧.實(shí)船航速試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)分析計(jì)算機(jī)自動(dòng)化[J].中國(guó)造船，2009，50(3)：135-145.

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[6] ISO. Ships and marine technology—Guidelines for the assessment of speed and power performance by analysis of speed trial data: ISO 15016—2015[S].2015.

Speed-PowerMeasurementAnalysisforSeaTrialof10000TEUContainerShip

HELimin1，JISheng2，WENYiyan2，QIAOJipan2
(1. COSCO SHIPPING Development Co.,Ltd.,Shanghai 200135; 2. State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135，China)

This paper introduces a speed-power measurement and analysis system, developed jointly by China Shipping Container Lines Company Limited and Shanghai Ship & Shipping Research Institute, for sea trial of ships based on ISO 15016—2015 trial procedures. The system has been used successfully for the sea trial of a 10 000 TEU container ship under the full load condition.

ISO 15016—2015 trial procedures; ship borne speed-power measurement and analysis system; sea trial; full load condition

2017-04-14

工信部高技術(shù)船舶科研計(jì)劃項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝[2014]502號(hào))

賀立敏(1961—)，男，上海人，工程師，主要從事柴油機(jī)應(yīng)用及管理、船舶經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理研究。

1674-5949(2017)02-0013-06

U661.3

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