(中國船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

隨著社會(huì)對(duì)船舶溫室氣體排放的關(guān)注，有關(guān)船舶能效方面的法規(guī)和規(guī)范相繼出臺(tái)實(shí)施。就內(nèi)河運(yùn)輸船舶而言，所要滿足的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)其中之一就是CO2排放指標(biāo)和燃料消耗指標(biāo)[1]。中國船級(jí)社也發(fā)布了《內(nèi)河綠色船舶規(guī)范》，規(guī)范就內(nèi)河船舶有關(guān)能效指數(shù)(EEDI)驗(yàn)證流程和能效要求進(jìn)行規(guī)定。按照綠色規(guī)范要求[2]，船舶能效指數(shù)驗(yàn)證包括設(shè)計(jì)階段的初步驗(yàn)證和試航階段的最終驗(yàn)證，初步驗(yàn)證一般基于水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)或者數(shù)值計(jì)算結(jié)果，而最終驗(yàn)證則基于實(shí)船測(cè)試的結(jié)果并作為EEDI最終判定的依據(jù)。內(nèi)河船舶大多采用雙槳雙舵布置，初步驗(yàn)證所預(yù)報(bào)的實(shí)船航速功率性能和最終驗(yàn)證實(shí)船測(cè)試結(jié)果之間的差異及預(yù)報(bào)分析流程的相關(guān)研究較少?？紤]對(duì)1 000車長江商品汽車滾裝船進(jìn)行實(shí)船航速功率性能，結(jié)合試航測(cè)試，進(jìn)行EEDI驗(yàn)證。

1 驗(yàn)證船舶主要信息

驗(yàn)證船型為長江新型1 000車商品汽車滾裝船，航行于內(nèi)河A、B、C航區(qū)以及J級(jí)航段。該船采用球艏和雙尾線型設(shè)計(jì)，船舶三維線型見圖1，船舶主尺度與主機(jī)、輔機(jī)的主要信息見表1。

圖1 1 000車滾裝船三維模型

表1 目標(biāo)船舶主尺度、主機(jī)和輔機(jī)信息

2 實(shí)船航速功率預(yù)報(bào)

2.1 實(shí)船有效功率曲線

EEDI初步驗(yàn)證的水池試驗(yàn)包括船模阻力試驗(yàn)、螺旋槳槳模的敞水試驗(yàn)和自航試驗(yàn)。試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果，采用二因次換算得到實(shí)船有效功率，對(duì)于無舭龍骨船，實(shí)船總阻力系數(shù)為

CTs=CFs+CRs+ΔCF+CAA

(1)

式中：CFs為實(shí)船摩擦阻力系數(shù)，由ITTC1957公式得到；CRs為實(shí)船剩余阻力系數(shù)，根據(jù)船模試驗(yàn)得到；ΔCF為粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)。

(2)

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

(3)

其中：AT為船體水線上受風(fēng)面積，m2；Sw為船體濕表面積，m2。

實(shí)船總阻力RTs及有效功率PEs計(jì)算如下。

(4)

PEs=RTs·Vs

(5)

式中：ρ為15 ℃時(shí)的淡水密度，999.04 kg/m3；Vs為實(shí)船航速，m/s。

由于本船的設(shè)計(jì)航速為22 km/h，在設(shè)計(jì)航速附近區(qū)間[15 km/h,27 km/h]，每間隔1 km/h進(jìn)行相似速度下的船模阻力測(cè)試，根據(jù)船模阻力測(cè)試結(jié)果，按照以上方法換算得到實(shí)船的總阻力RTs及有效功率PEs，結(jié)果見圖2。

2.2 螺旋槳實(shí)槳敞水性能

基于螺旋槳槳模敞水試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步換算得到實(shí)槳的敞水性能結(jié)果，槳模和實(shí)槳主要參數(shù)見表2。

表2 目標(biāo)船舶槳型參數(shù)

螺旋槳槳模敞水試驗(yàn)采用定轉(zhuǎn)速變進(jìn)速方法，槳模和實(shí)槳的性能曲線采用以下方法換算：同一進(jìn)速系數(shù)J下，實(shí)槳和槳模的推力系數(shù)KT和轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ關(guān)系見下式，下標(biāo)s和m分別代表實(shí)槳和槳模。

KTs=KTm-ΔKT

(6)

KQs=KQm-ΔKQ

(7)

式中：ΔKT、ΔKQ分別為尺度作用對(duì)推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響。

(8)

(9)

其中：Zp為螺旋槳槳葉數(shù)；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(shí)槳在0.75R處切面的阻力系數(shù)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(shí)槳的表面粗糙度，30×10-6m；Re為螺旋槳模雷諾數(shù)。

基于螺旋槳槳模敞水性能試驗(yàn)結(jié)果，采用以上方法，進(jìn)行螺旋槳實(shí)槳和模型槳之間的性能換算。槳模敞水試驗(yàn)采用定轉(zhuǎn)速、變進(jìn)速的方式進(jìn)行測(cè)量，分別進(jìn)行左右兩槳槳模的敞水性能測(cè)試，槳模及實(shí)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(shí)槳敞水性能

2.3 實(shí)船航速功率計(jì)算

實(shí)船航速功率性能預(yù)報(bào)需要實(shí)船的有效功率曲線、螺旋槳實(shí)槳的敞水特性、實(shí)船的推進(jìn)效率和自航因子。其中，有效功率曲線通過船模阻力試驗(yàn)換算得到，螺旋槳特性通過槳模的敞水性能試驗(yàn)得到，而推進(jìn)效率各部分和自航因子通過自航試驗(yàn)換算得到。自航試驗(yàn)測(cè)得對(duì)應(yīng)船速下的螺旋槳轉(zhuǎn)速np、摩擦阻力修正FD、船后槳模推力Tm和轉(zhuǎn)矩QBm。船后螺旋槳模型的推力系數(shù)KTm和轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQBm為

(13)

(14)

根據(jù)用等推力法查找螺旋槳槳模敞水性能曲線，得到槳模進(jìn)速系數(shù)J、敞水轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ0m，敞水效率η0m，相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率ηRm、推力減額分?jǐn)?shù)tm和伴流分?jǐn)?shù)ωm。

實(shí)船的伴流分?jǐn)?shù)按照ωs為

ωs=(tm+0.04)+

(15)

螺旋槳實(shí)槳進(jìn)速VAs為

VAs=(1-ωs)Vs

(16)

實(shí)船的推力減額分?jǐn)?shù)與相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率無尺度作用，即和船模水池試驗(yàn)結(jié)果保持一致。

tm=ts

ηRs=ηRm

(17)

實(shí)船船身效率ηHs為

(18)

螺旋槳發(fā)出的總推力Ts為

(19)

本船為雙槳推進(jìn)，單槳推力應(yīng)為Ts/2。根據(jù)單槳推力，得到螺旋槳單槳的載荷系數(shù)KT/J2。

(20)

螺旋槳載荷系數(shù)KT/J2對(duì)于一定航速而言是以常數(shù)，根據(jù)螺旋槳實(shí)槳的敞水性能繪制得到實(shí)槳的進(jìn)速系數(shù)Js-載荷系數(shù)KT/J2曲線，經(jīng)插值得到對(duì)應(yīng)航速下的實(shí)槳的進(jìn)速系數(shù)J，該點(diǎn)表示實(shí)船螺旋槳的工作點(diǎn)，并由此得到實(shí)槳的敞水效率和轉(zhuǎn)矩系數(shù)等數(shù)據(jù)。對(duì)于雙槳推進(jìn)船舶，敞水效率η0s取左右兩槳的平均值。

實(shí)船的推進(jìn)效率ηD為

ηD=η0s·ηHs·ηRs

(21)

實(shí)槳轉(zhuǎn)速Ns為

(22)

所需要的主機(jī)功率Ps為

(23)

式中：ηs為軸系傳遞效率，本船取ηs=0.94。

實(shí)船性能預(yù)估見圖5～7。

圖5 實(shí)船航速-主機(jī)功率預(yù)估

圖6 實(shí)船航速-推進(jìn)效率預(yù)估

圖7 實(shí)船航速-螺旋槳轉(zhuǎn)速預(yù)估

3 實(shí)船測(cè)試驗(yàn)證

3.1 測(cè)試流程及狀態(tài)

EEDI的最終驗(yàn)證要進(jìn)行實(shí)船的航速功率測(cè)試，測(cè)試按照ITTC及相應(yīng)的國標(biāo)要求的流程進(jìn)行[3-6]。

實(shí)船測(cè)試地點(diǎn)為長江武漢沌口水域，在試驗(yàn)開始前，記錄測(cè)試水域的環(huán)境條件和船舶狀態(tài)，其中水域環(huán)境條件包括水深、浪高、風(fēng)力、風(fēng)向、氣溫、水溫和氣壓等信息，船舶狀態(tài)包括船舶艏、舯、艉3個(gè)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(shí)船測(cè)試水域環(huán)境條件和船舶狀態(tài)信息見表3～4。

表3 實(shí)船測(cè)試時(shí)環(huán)境條件

表4 實(shí)船測(cè)試時(shí)船舶狀態(tài)

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

實(shí)船測(cè)試吃水狀態(tài)和水池試驗(yàn)吃水工況相對(duì)應(yīng)，均為船舶設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)。航速-功率測(cè)試選擇4個(gè)不同的主機(jī)工況進(jìn)行，對(duì)應(yīng)的主機(jī)名義轉(zhuǎn)速分別為，每工況各進(jìn)行上水和下水2個(gè)航次的測(cè)量。在測(cè)速過程中船舶保持直線航行，同時(shí)進(jìn)行左、右主機(jī)軸功率和油耗率的測(cè)量。其中航速測(cè)試采用DGPS測(cè)量系統(tǒng)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(jù)實(shí)船測(cè)試結(jié)果得到1 000車商品汽車滾裝船的航速-功率關(guān)系曲線，以及船舶主機(jī)功率-油耗關(guān)系曲線，依此作為船舶EEDI最終驗(yàn)證時(shí)的75%主機(jī)功率下的航速和燃油消耗率的參數(shù)?；谒卦囼?yàn)預(yù)報(bào)航速主機(jī)功率曲線和實(shí)船測(cè)試的船舶航速-功率點(diǎn)對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果見圖8，4個(gè)點(diǎn)分別為實(shí)船測(cè)試的4個(gè)主機(jī)工況點(diǎn)?？梢钥闯觯谒卦囼?yàn)預(yù)報(bào)的船舶航速功率曲線和實(shí)船測(cè)試的數(shù)據(jù)點(diǎn)吻合度很好。

圖8 水池預(yù)報(bào)和實(shí)船測(cè)試的船舶航速-功率關(guān)系

在此基礎(chǔ)上計(jì)算EEDI的驗(yàn)證航速，基于水池試驗(yàn)預(yù)報(bào)得到船舶75%功率下的航速為24.54 km/h，基于實(shí)船測(cè)試得到船舶75%功率下的航速24.42 km/h，兩者之間的相對(duì)誤差小于1%。實(shí)船測(cè)試得到船舶主機(jī)功率-油耗關(guān)系見圖9，由此得到船舶左、右主機(jī)分別對(duì)應(yīng)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(cè)得輔機(jī)50%功率下的燃油消耗率為228.73 g/kW·h。

圖9 實(shí)船測(cè)試船舶主機(jī)功率-油耗曲線

4 EEDI計(jì)算與評(píng)估

4.1 Attained EEDI計(jì)算

根據(jù)《內(nèi)河綠色船舶規(guī)范》要求計(jì)算船舶實(shí)際達(dá)到的Attained EEDI為50.496。

(24)

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

4.2 EEDI評(píng)價(jià)

根據(jù)《內(nèi)河綠色船舶規(guī)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(shè)計(jì)指數(shù)要求為

Attained EEDI≤RLV

(26)

顯然，該船能效滿足要求。

5 結(jié)論

1)初步驗(yàn)證預(yù)報(bào)的實(shí)船航速功率曲線和實(shí)船最終驗(yàn)證測(cè)試得到船舶航速功率點(diǎn)基本吻合。初步驗(yàn)證所預(yù)報(bào)的實(shí)船在75%主機(jī)功率下的航速為24.54 km/h，最終驗(yàn)證測(cè)得的實(shí)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(shí)船航速功率性能預(yù)估能夠用于EEDI初步驗(yàn)證。

2)基于該船實(shí)船測(cè)試得到的基準(zhǔn)航速及主機(jī)燃油消耗率等數(shù)據(jù)，計(jì)算該船的Attained EEDI，該船能效達(dá)到內(nèi)河綠色船舶-1的要求。