伍 銳， 季 盛， 陳昌運(yùn)， 文逸彥， 崔 健， 車霖源， 馬衛(wèi)星

(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)

2017-04-21

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

伍 銳(1983—)，男，四川內(nèi)江人，助理研究員，碩士，主要從事水動(dòng)力試驗(yàn)研究。E-mail:wurui@sssri.com

1000-4653(2017)03-0083-05

5668TEU集裝箱船球艏改型與浮態(tài)節(jié)能的實(shí)船驗(yàn)證

伍 銳， 季 盛， 陳昌運(yùn)， 文逸彥， 崔 健， 車霖源， 馬衛(wèi)星

(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)

針對(duì)目前集裝箱船大多處于偏離原設(shè)計(jì)狀態(tài)的低載貨量及降速航行狀態(tài)，快速性較差的問(wèn)題，提出球艏改型和浮態(tài)節(jié)能技術(shù)2種節(jié)能方案，并以5 668 TEU型集裝箱船為例對(duì)這2種節(jié)能方案進(jìn)行實(shí)船驗(yàn)證。研究分析該型集裝箱船的實(shí)際營(yíng)運(yùn)狀態(tài)特點(diǎn)，闡釋球艏改型與浮態(tài)節(jié)能的關(guān)系，擬定實(shí)船驗(yàn)證的技術(shù)路線。通過(guò)對(duì)2艘姊妹集裝箱船(原球艏船和改型球艏船)進(jìn)行試航，對(duì)球艏改型(船)和浮態(tài)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行實(shí)船驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證，球艏改型和浮態(tài)節(jié)能技術(shù)的效果明顯，且改型球艏船更加適應(yīng)低載貨量、降速航行的營(yíng)運(yùn)現(xiàn)狀。

集裝箱船；球艏改型；浮態(tài)節(jié)能；實(shí)船驗(yàn)證；試航

由于航運(yùn)市場(chǎng)持續(xù)低迷，目前集裝箱船實(shí)際營(yíng)運(yùn)的載況和航速均偏離原設(shè)計(jì)狀態(tài)，原設(shè)計(jì)球艏易露出水面，會(huì)對(duì)船體興波產(chǎn)生不利干擾，增大船舶的阻力。解決該問(wèn)題有以下2種方法[1-11]：

1)球艏改型方案。根據(jù)船舶營(yíng)運(yùn)情況，兼顧多個(gè)吃水和航速狀態(tài)，采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法優(yōu)選球艏方案，并進(jìn)行船模試驗(yàn)，確定實(shí)船球艏改型方案。

2)浮態(tài)優(yōu)化方案。通過(guò)調(diào)節(jié)縱傾實(shí)現(xiàn)節(jié)能。一般通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行縱傾節(jié)能研究，繪制縱傾節(jié)能譜線，并開發(fā)縱傾優(yōu)化應(yīng)用軟件。

這里根據(jù)5 668 TEU型集裝箱船營(yíng)運(yùn)狀態(tài)變化的特點(diǎn)，解釋球艏改型與浮態(tài)優(yōu)化的關(guān)系，并擬訂實(shí)船驗(yàn)證的技術(shù)路線。通過(guò)2艘姊妹集裝箱船(分別為原球艏船和改型球艏船)的實(shí)船試驗(yàn)，對(duì)球艏改型和浮態(tài)優(yōu)化的節(jié)能效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 營(yíng)運(yùn)狀態(tài)的變化特點(diǎn)

該型集裝箱船的設(shè)計(jì)吃水為12 m，原球艏高約11 m，設(shè)計(jì)航速約26 kn，為單載況優(yōu)化船型。對(duì)該船2012年全年的營(yíng)運(yùn)資料進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：

1)營(yíng)運(yùn)航速主要在16.0～20.5 kn，低于設(shè)計(jì)航速。

2)在12 m吃水以下營(yíng)運(yùn)的概率為60.7%，低于設(shè)計(jì)吃水。

3)營(yíng)運(yùn)浮態(tài)主要為艉傾狀態(tài)。

4)實(shí)際航行中原球艏高于設(shè)計(jì)值，達(dá)44.28%。分析認(rèn)為，將球鼻艏高度降低到9.5 m后，球艏出水率將降低到14.94%，能在大部分載況下發(fā)揮節(jié)能作用。

2 球艏改型與浮態(tài)優(yōu)化的關(guān)系

艉球艏改型與浮態(tài)優(yōu)化的關(guān)系示意見圖1。以平均吃水9.5 m為例，原球艏在平浮、艉傾和艏傾下均出水；改型球艏在平浮時(shí)正好與水面齊平，艏傾時(shí)埋于水面以下，艉傾時(shí)出水。球艏出水后起不到減小興波阻力的作用。因此，針對(duì)實(shí)際營(yíng)運(yùn)狀態(tài)的變化特點(diǎn)，降低球艏高度，并采用平浮或艏傾進(jìn)一步使球艏埋在水下一定深度，有利于減小興波阻力，降低主機(jī)能耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

圖1 球艏改型與浮態(tài)優(yōu)化的關(guān)系示意

3 技術(shù)路線

對(duì)于浮態(tài)優(yōu)化節(jié)能效果的實(shí)船驗(yàn)證，可通過(guò)改變縱傾，在相同航速下分別測(cè)量船舶在不同縱傾浮態(tài)下的軸功率，直接進(jìn)行功率比較來(lái)實(shí)現(xiàn)。

球艏改型節(jié)能實(shí)船驗(yàn)證很難滿足理想條件。原球艏船的污底情況與改型球艏船不同。實(shí)船試驗(yàn)時(shí)的吃水由營(yíng)運(yùn)情況決定，不能保證2艘船舶的實(shí)船試驗(yàn)在相同的吃水下進(jìn)行。因此，2艘船舶的實(shí)測(cè)功率不能直接比較。首先需對(duì)實(shí)船試驗(yàn)修正結(jié)果和模型試驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析，得到船模-實(shí)船功率相關(guān)因子后將模型試驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)果修正到實(shí)船，最后進(jìn)行相應(yīng)狀態(tài)下2艘船的軸功率比較。實(shí)船驗(yàn)證技術(shù)路線見圖2。

圖2 實(shí)船驗(yàn)證技術(shù)路線

4 實(shí)船試驗(yàn)

4.1實(shí)船試驗(yàn)方法

在船舶到達(dá)測(cè)試水域之后，記錄天氣和海況，依次按照16.0 kn，17.5 kn和19.0 kn航速直線航行，并保持主機(jī)轉(zhuǎn)速和航向不變(少操舵，避免大舵角)，進(jìn)行3個(gè)航速下的功率測(cè)試，每次測(cè)量時(shí)間≥10 min。在完成測(cè)試之后，調(diào)轉(zhuǎn)船頭，沿與原航向相反的航向進(jìn)行3個(gè)航速下的功率測(cè)試。合計(jì)完成往返各6個(gè)航次、3個(gè)航速的實(shí)船試驗(yàn)。

4.2原球艏船實(shí)船試驗(yàn)

4.2.1原球艏船實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1和表2，其中：統(tǒng)計(jì)浮態(tài)由2012年統(tǒng)計(jì)浮態(tài)回歸得到；最佳浮態(tài)由上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所研發(fā)的原球艏集裝箱船浮態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)得到。

4.2.2原球艏船實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用2012版國(guó)際拖曳水池會(huì)議(International Towing Tank Conference, ITTC)實(shí)船快速性試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正方法修正，分別得出16.0 kn，17.5 kn和19.0 kn航速下的軸功率與浮態(tài)節(jié)能的百分比(見表3和圖3)。

4.3改型球艏船實(shí)船試驗(yàn)

4.3.1改型球艏船實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4和表5，其中：統(tǒng)計(jì)浮態(tài)由2012年的統(tǒng)計(jì)浮態(tài)回歸得到；最佳浮態(tài)由上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所研發(fā)的改型球艏集裝箱船浮態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)得到。

4.3.2改型球艏船實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用2012版ITTC實(shí)船快速性試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正方法修正，分別得出16.0 kn，17.5 kn和19.0 kn航速下的軸功率與浮態(tài)節(jié)能的百分比(見表6和圖4)。

表1 原球艏船實(shí)船試驗(yàn)載況和環(huán)境條件記錄

表2 原球艏船實(shí)船試驗(yàn)航速功率記錄

表3 原球艏船不同浮態(tài)實(shí)船航速功率對(duì)比

5 船模-實(shí)船相關(guān)性分析

船模試驗(yàn)采用ITTC：1978標(biāo)準(zhǔn)預(yù)報(bào)方法預(yù)報(bào)實(shí)船功率。改球艏船剛出塢，污底的影響可忽略。由實(shí)船-船模相關(guān)分析可得相關(guān)功率因子Cp=1.03。原球艏船Cp的取值與改球艏船相同。經(jīng)分析，該船需再額外考慮污底影響導(dǎo)致的功率增加。

6 實(shí)船驗(yàn)證試驗(yàn)總結(jié)

對(duì)不同航速和吃水條件下的集裝箱船球艏改型和浮態(tài)節(jié)能數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，結(jié)果見表7。

因?yàn)閷?shí)船測(cè)試原球艏船平均吃水在12.5 m左右，表7中列出的原球艏船平均吃水9.5 m處的實(shí)船測(cè)試數(shù)據(jù)是在確定功率因子Cp后通過(guò)模型-實(shí)船換算方法計(jì)算出來(lái)的(各浮態(tài)下的艏艉吃水實(shí)際取值與改型球艏船實(shí)船測(cè)試中各浮態(tài)下的艏艉吃水一致)。改型球艏船平均吃水12.5 m數(shù)據(jù)采用相同方法處理的同時(shí)，考慮4%左右的污底影響，以便與原球艏船實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的污底影響保持一致。

表4 改型球艏船實(shí)船試驗(yàn)載況和環(huán)境條件記錄

表5 改型球艏船實(shí)船試驗(yàn)航速功率記錄

表6 改型球艏船不同浮態(tài)實(shí)船航速功率對(duì)比

圖3 原球艏船不同浮態(tài)實(shí)船功率對(duì)比

圖4 改型球艏船3種浮態(tài)實(shí)船功率對(duì)比

航速/kn平均吃水/m浮態(tài)節(jié)能/%原球艏船型改球艏船型平浮浮態(tài)最佳浮態(tài)平浮浮態(tài)最佳浮態(tài)球艏改型節(jié)能/%球艏改型與浮態(tài)優(yōu)化綜合節(jié)能/%統(tǒng)計(jì)浮態(tài)平浮浮態(tài)最佳浮態(tài)改型平浮浮態(tài)較原型統(tǒng)計(jì)浮態(tài)改型最佳浮態(tài)較原型統(tǒng)計(jì)浮態(tài)16．017．519．09．510．511．512．59．510．511．512．59．510．511．512．5預(yù)報(bào)實(shí)船預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)實(shí)船預(yù)報(bào)實(shí)船預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)實(shí)船預(yù)報(bào)實(shí)船預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)實(shí)船3．556．262．737．246．595．807．569．1413．351．254．200．836．554．704．297．045．4910．942．969．293．147．438．618．786．7411．4815．404．7712．773．076．137．976．320．9610．8013．618．6911．623．028．253．57-2．43-0．116．4811．52-12．57-9．443．95-0．51-13．022．034．832．305．733．844．114．756．069．35-0．352．562．545．681．023．874．183．546．642．776．783．066．726．306．586．239．1712．594．2310．743．406．835．504．681．368．7111．957．6411．523．5510．611．92-2．430．915．4012．32-10．81-10．041．58-0．74-11．462．076．302．016．403．683．623．795．629．850．034．211．495．471．042．482．352．516．452．117．062．676．914．204．744．046．7610．823．679．063．156．823．362．840．996．419．967．7710．773．6210．710．79-3．680．734．3811．42-8．02-8．310．71-1．03-8．96

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同營(yíng)運(yùn)狀態(tài)下的5 668 TEU型集裝箱船原球艏船和改球艏船進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)浮態(tài)優(yōu)化節(jié)能效果顯著。原球艏船在平均吃水12.5 m左右、航速16.0～19.0 kn范圍內(nèi)，最佳浮態(tài)節(jié)能效果達(dá)8.02%～12.57%，與模型試驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)果基本一致；改球艏船在平均吃水9.5 m左右、航速16.0～19.0 kn范圍內(nèi)，最佳浮態(tài)節(jié)能效果達(dá)5.47%～6.55%，與模型試驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)果基本一致。

2)球艏改型更加適應(yīng)集裝箱船低載貨量、降速航行的營(yíng)運(yùn)現(xiàn)狀。在相同航速和相同浮態(tài)下，輕載時(shí)球艏改型的節(jié)能效果更佳；在相同平均吃水和浮態(tài)下，低速時(shí)球艏改型的節(jié)能效果更佳；在統(tǒng)計(jì)浮態(tài)，航速為16.0 kn，平均吃水10.5 m狀態(tài)下，球艏改型節(jié)能效果最高可達(dá)8.61%。

在低航速和低吃水狀態(tài)下，改球艏船的平浮節(jié)能效果優(yōu)于原球艏船，充分證明球艏改型更加適應(yīng)集裝箱船低載貨量、降速航行的營(yíng)運(yùn)現(xiàn)狀。

3)球艏改型與浮態(tài)優(yōu)化綜合節(jié)能效果更加優(yōu)異。球艏改型和浮態(tài)優(yōu)化綜合節(jié)能效果優(yōu)于只采用浮態(tài)優(yōu)化措施的節(jié)能效果。在平均吃水10.5 m，航速16.0 kn時(shí)，球艏改型和浮態(tài)優(yōu)化的綜合節(jié)能效果(15.40%)優(yōu)于原球艏船的最佳浮態(tài)(9.29%)。

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FullScaleValidationofBulbousBowRetrofitandTrimOptimizationfor5668TEUContainerVessel

WURui,JISheng,CHENChangyun,WENYiyan,CUIJian,CHELinyuan,MAWeixing

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

Due to the weak shipping market, most container vessels are in a state of low cargoes and slow steaming at present, which deviates from the original design point, leading to poor power-speed performance. To solve this problem, two energy saving measures are proposed, i.e. bulbous bow retrofit and trim optimization energy-saving technologies, for a certain type of container vessel. The container ships’ navigational data are analyzed to master the characteristics of the navigation condition; The relationship between bulbous bow retrofit and trim optimization is studied to work out the technical route; Sea trials of two sister container vessels (an original bulbous bow ship and a retrofit bulbous bow ship) are carried out to validate the bulbous bow retrofit and trim optimization. It is proved that bulbous bow retrofit and trim optimization are effective for energy-saving, and the bulbous bow retrofit technology fits perfectly to the current status of low cargoes and slow steaming.

container vessel; bulbous bow retrofit; trim optimization; full scale validation; sea trial

U674.13+1

A