楊 斌，楊 敏，劉 剛，吳思瑩

（1. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 上海外高橋造船有限公司，上海 200135）

0 引 言

2009年，國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）發(fā)布了《船舶能效設(shè)計指數(shù)（Energy Efficiency Design Index, EEDI）自愿驗證臨時導則》，規(guī)定航速數(shù)據(jù)和功率數(shù)據(jù)需采用國際標準化組織（International Organization of Standardization, ISO）ISO 15016—2002或等同標準的航速修正方法來修正[1]。2015年5月，海洋環(huán)境保護委員會（Maritime Environment Protection Committee, MEPC）第68次會議審議通過了ISO 15016—2015航速修正方法，規(guī)定該方法適用于2015年9月1日及以后進行EEDI試航驗證的船舶，因此深入研究ISO 15016—2015航速修正方法具有重要意義[2]。為保證EEDI驗證的可靠性和可操作性，ISO 15016—2015航速修正方法引入了近年來提出的風阻力計算、波浪增阻計算和流修正等方法，以直接功率法為基礎(chǔ)，提出變載試驗系數(shù)和自航因子增量等概念，對試航數(shù)據(jù)的分析方法進行全面的更新[2]。但是，ISO 15016—2015航速修正方法中關(guān)于變載試驗和變載試驗系數(shù)的相關(guān)描述較少。由于以前的船模報告不提供變載試驗系數(shù)，當前使用較廣泛的STAIMO航速修正軟件一般會采取默認值，且由于定義不同，變載試驗系數(shù)nξ會取負值，與計算值大小相反。諸如此類，會導致實際操作產(chǎn)生意見分歧和各項修正的問題。

可認為變載試驗是自航試驗的一個特例，本文基于船模自航試驗闡述變載試驗的概念和操作步驟，結(jié)合船模自航試驗和ISO 15016—2015航速修正方法變載試驗系數(shù)計算方法，提出完善的變載試驗系數(shù)計算過程和使用方法。該方法能彌補ISO 15016—2015航速修正方法缺少的相關(guān)公式和計算步驟，使變載試驗系數(shù)的計算更加清晰，從而解決由此產(chǎn)生的試航問題。此外，以某礦砂船自航試驗為例，驗證該計算方法的有效性。

1 自航試驗

自航試驗方法分為純粹自航法和強制自航法2種，我國的試驗水池一般都采用強制自航法。強制自航法是指在船模自航試驗中，螺旋槳的推進力T和強制拖曳力z需共同作用。由于強制拖曳力z可由阻力儀來調(diào)節(jié)，故船模的航速與拖車速度vm相等且保持不變。船模阻力Rm通過阻力試驗得到，螺旋槳轉(zhuǎn)速nm、推力T和扭矩QB由動力儀測得，強制力z由阻力儀測得[3]，tm為船模推力減額分數(shù)，因此力的平衡式為

一般地，針對某船模的航速vm，需進行5次強制力不同的自航試驗（z1、z2、z3、z4和z5），因強制力不同，為使5次自航保持vm不變，要求螺旋槳轉(zhuǎn)速nm、推力T和扭矩QB隨之變化。船模水池報告中只體現(xiàn)船舶在實船自航點的數(shù)據(jù)。圖1為船模自航試驗布置圖。

圖1 船模自航試驗布置圖

2 變載試驗

對于MARIN水池等少數(shù)采用純粹自航法進行自航試驗的水池，需補充進行變載試驗。相較于正常的自航試驗，變載試驗的不同點在于要求在航速恒定的條件下，通過改變4種固定的螺旋槳負荷狀態(tài)來進行4組自推進試驗，這4種固定的螺旋槳負荷狀態(tài)為

船舶在理想環(huán)境下航行時的功率和轉(zhuǎn)速等體現(xiàn)負荷狀態(tài)的數(shù)據(jù)屬于實船自航點條件數(shù)據(jù)。船舶在試航時會受到風、浪、流等環(huán)境因素的影響，一般情況下，風、浪、流等產(chǎn)生的阻力ΔR為船模阻力試驗中獲得的實船總阻力Rid的-10%～20%。阻力對船舶航行的影響體現(xiàn)在螺旋槳的負荷狀態(tài)方面，導致螺旋槳處于輕載或重載狀態(tài)[4]。因此，變載試驗實質(zhì)上是模擬固定的螺旋槳負荷狀態(tài)，預(yù)估船舶性能的自航試驗。

3 變載試驗系數(shù)

在同一航速狀態(tài)下，船舶變載試驗系數(shù)為定值，分別為：反映螺旋槳推進效率隨額外阻力線性變化的變載試驗系數(shù)pξ；螺旋槳軸速度隨功率線性變化的變載試驗系數(shù)nξ；螺旋槳軸速度隨速度線性變化的變載試驗系數(shù)vξ。

3.1 變載試驗系數(shù)ξp

在ISO 15016—2015航速修正直接功率法中，最終修正的理想條件下的輸送功率PDid的計算式為

式(3)中：PDms為測量輸送功率；vs為實船航速。

HPLC切換波長法同時測定健脾止瀉寧顆粒中鹽酸小檗堿和黃芩苷的含量 ……………………………… 黃傳俊等（10）：1324

雖然在實際航速修正過程中并不能直接得到實船在不同螺旋槳負荷狀態(tài)下的實際推進效率但可通過船舶性能預(yù)報得到理想條件下的推進效率ηDid和變載試驗得到的預(yù)報推進效率ηDms，從而得到推進效率分數(shù)與額外阻力分數(shù)之間的關(guān)系。因此，引入變載試驗系數(shù)ξp，該系數(shù)是ηDms/ηDid隨變化且過（0,1）點的斜率，線性表達式為采用最小二乘法求解式(4)，求出斜率pξ。在求出變載試驗系數(shù)pξ之后，輸出功率PDid的修正公式為

圖2 采用最小二乘法擬合的近似曲線

3.2 變載試驗系數(shù)ξn和ξv

在直接功率法中，修正之后的螺旋槳轉(zhuǎn)速nid與變載系數(shù)nξ和vξ之間的關(guān)系為

不同于ξp和ξn，變載系數(shù)ξv的計算需有一個過渡的過程（見圖4）。

通過變載試驗得到的轉(zhuǎn)速n隨Rid+ΔR線性變化，其中Rid通過阻力試驗得到且首先擬合不同航速下的轉(zhuǎn)速n與阻力Rid+ΔR的線性表達式，以已開展變載試驗的14kn、15kn和16kn航速為例繪制曲線?？梢?，所有航速的曲線都相互平行且過點（該點通過正常的自推進試驗獲得），由此得到13kn和17kn航速的曲線。

假設(shè)實船的航速最接近16kn，以16kn航速的(Rid,n)點為基準，作一條垂直線，交于所有航速的曲線，從上向下依次得到交點

圖3 使用最小二乘法擬合的近似曲線

圖4 不同航速下螺旋槳轉(zhuǎn)速與負載變化擬合曲線

在螺旋槳轉(zhuǎn)速與航速變化圖中做出上述5個點，通過最小二乘法求出斜率vξ。

至此，3個變載系數(shù)pξ、vξ和nξ都已求出，用這3個變載系數(shù)替代試航中的未知數(shù)據(jù)，進行航速修正并求得最終的修正功率和修正轉(zhuǎn)速。

4 實例計算

本文基于某40萬t礦砂船船模阻力試驗、自航試驗和變載試驗，計算變載試驗系數(shù)pξ、vξ和nξ，并將其與水池報告數(shù)據(jù)相對比?？紤]到15% sea magin(海上風浪裕度)并結(jié)合以往的礦砂船試航航速狀況，需測量16kn航速下的變載試驗系數(shù)pξ、vξ和nξ。

4.1 變載試驗系數(shù)ξp

表1為通過船模試驗實船性能預(yù)報得到的理想推進效率ηDid數(shù)據(jù)和通過變載試驗得到的推進效率ηDms數(shù)據(jù)。

表1 16kn航速船舶推進效率預(yù)報

圖5 曲線

4.2 變載系數(shù)ξn

通過正常的船舶性能預(yù)報得到的修正之后的螺旋槳轉(zhuǎn)速nid、功率Pid和通過變載試驗測得的螺旋槳轉(zhuǎn)速nms、功率Pms見表2。

表2 16kn航速船舶主機功率預(yù)報

圖6 曲線

4.3 變載系數(shù)ξv

通過阻力試驗得到阻力Rid，通過船舶性能預(yù)報得到螺旋槳轉(zhuǎn)速n（見表3）。

表3 阻力試驗和主機功率預(yù)報

由表3可知：當航速為16kn時，4種螺旋槳負荷狀態(tài)下的（Rid+ΔR）分別為1442.8 kN、1603.1 kN、1763.4 kN和1923.7 kN；當航速為13～17kn時，(Rid,n)=[(999.67, 44.7), (1162.25, 48.2), (1355.98, 51.8),(1603.06, 55.9), (1883.32, 59.8)]。

變載試驗結(jié)果如表2所示，nms=(54.4, 56.1, 57.7, 59.1) r/min。

變載系數(shù)vξ的計算步驟如下：

圖7 曲線

圖8 曲線

5 結(jié) 語

本文為解決船舶航速修正中確定變載試驗系數(shù)的問題，深入研究了ISO 15016—2015航速修正方法，主要得出以下結(jié)論：

1) 變載試驗衍生于自航試驗，不同點在于變載試驗規(guī)定了螺旋槳負荷狀態(tài)。在變載試驗系數(shù)pξ、nξ和vξ的數(shù)據(jù)引用方面，除了必不可少的變載試驗數(shù)據(jù)以外，還需引用阻力試驗和自推進試驗中的相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)。

2) 本文介紹了變載試驗系數(shù)的數(shù)據(jù)引用和計算方法，并以某40萬t礦砂船船模阻力試驗、自航試驗和變載試驗為依據(jù)，計算了變載試驗系數(shù)pξ、nξ和vξ，并將其與水池報告值相對比，驗證了所提出計算方法的有效性。