謝敏，蔡躍勝，吳安

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

由于對(duì)能效設(shè)計(jì)指數(shù)(energy efficiency design index,EEDI)的要求越來越高,新船舶開發(fā)中普遍采用降功率設(shè)計(jì)。為避免導(dǎo)致不利海況下的操縱性危險(xiǎn)，MEPC在2013通過了RESOLUTION MEPC.232(65)“不利海況下保持操縱性的最小推進(jìn)功率導(dǎo)則”，2015年發(fā)布RESOLUTION MEPC.262(68)修正案，進(jìn)一步嚴(yán)格要求，并適用于2015年11月16日及以后新簽合同的液貨船、散貨船和兼用船，這對(duì)新船舵面積的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了不可忽視的影響，尤其是大幅度降功率設(shè)計(jì)的船舶，為滿足最小推進(jìn)功率導(dǎo)則及修正案，舵面積需相應(yīng)明顯加大。

1 相關(guān)規(guī)范依據(jù)及其影響

1.1 EEDI背景

國際海事組織(IMO)海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(MEPC)2011/7/15-62屆大會(huì)通過了MEPC.203(62)，把有關(guān)新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)納入MARPOL AnexVI，于2013年1月1日生效。適用于散貨船、液化氣船、液貨船、集裝箱船、雜貨船、冷藏貨船和兼裝貨船(兼裝散裝干貨和液貨)共7種船型，并要求EEDI(單位為g/(t·nmile) CO2)在參考線值的基礎(chǔ)上按3階段折減，階段I(2015.1.1—2019.12.31)，階段II(2020.1.1—2024.12.31)，階段III(2025.1.1以后)，折減逐步由10%提升到30%。目前的最新發(fā)展是2015/5/15-68屆會(huì)議MEPC.263(68)[1]：對(duì)MEPC.245(66)[2]指南修正。

由于EEDI折減系數(shù)目前最大30%，今后還可能推出更大的降幅力度。所以，在新船設(shè)計(jì)中趨向采用各種節(jié)能，增效和減排的技術(shù)措施。目前提出的大致有船體線型優(yōu)化及節(jié)能裝置；降低空船重量；推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化；采用低阻涂料和氣模減阻；動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化(包含指定的最大持續(xù)功率SMCR選點(diǎn)優(yōu)化，配合降低航速，LNG，燃料電池等)；新能源利用(包含風(fēng)能、太陽能、潮汐能等)；能源綜合梯級(jí)利用(包含冷卻水、蒸汽余熱利用廢油氣回收利用)。其中動(dòng)力系統(tǒng)SMCR優(yōu)化降功率是簡易且效果確切的措施,因而在新船舶開發(fā)中被普遍采用。

1.2 最小推進(jìn)功率導(dǎo)則要點(diǎn)

MEPC在2013通過了RESOLUTION MEPC.232(65)“不利海況下保持操縱性的最小推進(jìn)功率導(dǎo)則”[3]，2015年發(fā)布RESOLUTION MEPC.262(68)修正案[4]，進(jìn)一步嚴(yán)格要求，并適用于2015年11月16日及以后新簽合同的船舶。目的在于使船舶符合船舶能效規(guī)則中規(guī)定的EEDI要求時(shí)，仍具有足夠的裝機(jī)功率以滿足在惡劣海況下維持操縱性的要求。

1.2.1 評(píng)估等級(jí)

評(píng)估等級(jí)1：最小功率標(biāo)準(zhǔn)值評(píng)估(方法一)。船舶裝機(jī)功率不小于該特定船型設(shè)定的最小功率標(biāo)準(zhǔn)值，則該船應(yīng)視作在惡劣海況下具有足夠的裝機(jī)功率維持操縱性。

最小功率標(biāo)準(zhǔn)值=a×(DWT)+b

(1)

式中：DWT為船舶載重t；a和b為表1中給出的液貨船、散貨船和兼用船的參數(shù)。

表1 不同船型確定最小功率標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)參數(shù)a和b的取值

所有主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的總裝機(jī)最大持續(xù)功率值MCR不應(yīng)小于最小功率標(biāo)準(zhǔn)值，其中最大持續(xù)功率值為國際防止空氣污染證書EIAPP中規(guī)定的值[5]。

評(píng)估等級(jí)2：簡化評(píng)估(方法二)?；谙铝性瓌t，即如果船舶具有足夠的裝機(jī)功率在逆風(fēng)頂浪中以一定的前進(jìn)航速行駛，則其也能在任意方向的風(fēng)浪中保持航向。船舶在逆風(fēng)頂浪中的最小前進(jìn)航速由船舶設(shè)計(jì)所決定，而使船舶達(dá)到最小前進(jìn)航速要求，即船舶滿足保持航向的要求。例如，具有較大舵面積的船舶即使其發(fā)動(dòng)機(jī)功率較小也能保持航向；與此相似，具有較大側(cè)向受風(fēng)面積的船舶較之較小側(cè)向受風(fēng)面積的船舶需要具有更大的功率保持航向。

1.2.2 評(píng)估程序的步驟

1)界定逆風(fēng)頂浪中所需的前進(jìn)航速，確保在所有任意方向的風(fēng)浪中保持航向。

2)評(píng)估裝機(jī)功率是否足以在逆風(fēng)頂浪中達(dá)到所需的前進(jìn)航速。

1.2.3 界定所需的船舶前進(jìn)航速

在逆風(fēng)頂浪中所需的船舶相對(duì)于水的前進(jìn)航速Vs取下列二值的大者：最小航行速度Vnav；或最小保持航向速度Vck。

最小航行速度Vnav使船舶在風(fēng)暴來臨前有足夠的時(shí)間離開沿海區(qū)域，以降低航行風(fēng)險(xiǎn)和船舶在風(fēng)浪作用下大幅運(yùn)動(dòng)所造成的風(fēng)險(xiǎn)。最小航行速度設(shè)為4.0 kn。

簡化評(píng)估中的最小保持航向速度Vck使船舶在所有任意方向的風(fēng)浪中保持航向。該速度的定義基于參考保持航向速度Vck,ref，與0.9%經(jīng)船寬修正浸沒舵面積AR，以及實(shí)際舵面積有關(guān)。

Vck=Vck,ref-10.0×(AR%-0.9)

(2)

式中：Vck為最小保持航向速度，kn；Vck,ref為參考保持航向速度，kn；AR%為實(shí)際舵面積AR與經(jīng)船寬修正浸沒舵面積ALS,cor的比值，即AR%=AR/ALS,cor×100%。

經(jīng)船寬修正浸沒舵面積的計(jì)算為

ALS,cor=LppTm(1.0+25.0(Bwl/Lpp)2)

(3)

式中：Lpp為垂線間長，m；Bwl為水面線處船寬，m；Tm為船中吃水，m。

對(duì)于高升力舵或其他替代操舵裝置，應(yīng)使用與常規(guī)舵面積等同的舵面積。

散貨船、液貨船和兼用船的參考保持航向速度Vck,ref根據(jù)正面受風(fēng)面積AFW與側(cè)面受風(fēng)面積ALW之比AFW/ALW予以界定。

1)AFW/ALW≤0.1時(shí)，取9.0 kn；AFW/ALW≥0.40時(shí)，取4.0 kn。

2)對(duì)AFW/ALW的中間值，在0.1～0.4之間由線性插值得到。

1.2.4 裝機(jī)功率評(píng)估程序

評(píng)估在最大吃水工況下以上述所需的船舶前進(jìn)航速Vs進(jìn)行。評(píng)估原則為，計(jì)及推力減額分?jǐn)?shù)t，船舶推進(jìn)系統(tǒng)能在轉(zhuǎn)速n提供所需的螺旋槳推力T，用于克服包括船體靜水阻力Rcw、附體阻力Rapp、空氣阻力Rair和波浪增阻Raw在內(nèi)的船舶總阻力：

T=(Rcw+Rapp+Rair+Raw)/(1-t)

(4)

在導(dǎo)則中，波浪增阻Raw需在規(guī)則波中以所需的船舶前進(jìn)航速Vs進(jìn)行增阻試驗(yàn)或用經(jīng)主管機(jī)關(guān)驗(yàn)證的等效方法獲得；而其他阻力有相應(yīng)的推導(dǎo)公式(具體見導(dǎo)則)。在獲得波浪增阻Raw后，按導(dǎo)則里的推導(dǎo)公式推導(dǎo)出船舶在規(guī)定的惡劣海況下逆風(fēng)頂浪中以航速Vs保持前進(jìn)所需最小裝機(jī)功率。

1.3 規(guī)則對(duì)舵面積的影響

1)目前新接船普遍面臨EEDI階段II(2020.1.1—2024.12.31)，普遍折減20%以上。新船開發(fā)中必須將EEDI的因素納入考慮。

2)評(píng)估等級(jí)適用方面，從表1中看出，液貨船參數(shù)b在新版本中降幅比較大。

也就是說，新的中小型液貨船及兼裝船受影響比較大，即由于EEDI降功率措施，更可能不適用評(píng)估等級(jí)1——最小功率標(biāo)準(zhǔn)值評(píng)估，只能適用評(píng)估等級(jí)2——簡化評(píng)估(方法二)進(jìn)行評(píng)估。在此評(píng)估條件下，此類液貨船必須考慮規(guī)則造成的影響，即可能導(dǎo)致舵面積增大。

3)最小保持航向速度Vck取4 kn時(shí)，對(duì)推進(jìn)功率的要求最低，而對(duì)舵面積影響最大。舵面積參數(shù)需要在船模試驗(yàn)前期確定，而如果前期舵面積估計(jì)不足而船體布局已確定，將導(dǎo)致設(shè)計(jì)上的巨大風(fēng)險(xiǎn)。因而對(duì)開發(fā)階段的中小型液貨船，有必要考慮基于最小保持航向速度Vck=4.0 kn進(jìn)行估算取值。

2 某型液貨船實(shí)例分析

2.1 評(píng)估等級(jí)確定

最小功率標(biāo)準(zhǔn)值=a×(DWT)+b=0.065 2×49 000+5 960.3=9 155.1

本船裝機(jī)功率SMCR為7 820 kW，小于以上標(biāo)準(zhǔn)，因此本船不能采用評(píng)估等級(jí)1，須采用評(píng)估等級(jí)2。

2.2 簡化評(píng)估計(jì)算

導(dǎo)則規(guī)定船舶相對(duì)于水的前進(jìn)航速Vs，取下列二值的大者：最小航行速度Vnav；或最小保持航向速度Vck。而最小航行速度Vnav設(shè)為4.0 kn。因此,從降低船舶設(shè)計(jì)難度角度，把最小保持航向速度Vck設(shè)為4.0 kn是合適的，即船舶能以滿足規(guī)范要求的最低航速在逆風(fēng)頂浪中保持航向航行。本船在獲取波浪增阻的船模試驗(yàn)方案確認(rèn)階段即確定Vck設(shè)為4.0 kn。這是本船船模試驗(yàn)的基礎(chǔ)，即本船以4.0 kn航速在有義波高4.0 m、譜峰周期7.0～15.0 s規(guī)則波中逆風(fēng)頂浪保持航向航行，波浪增阻船模試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 規(guī)則波中波浪增阻阻力

基于船模試驗(yàn)結(jié)果，按照簡化評(píng)估的裝機(jī)功率評(píng)估程序得到的評(píng)估結(jié)果見表2，在不利海況下保持操縱性的最小推進(jìn)功率為2 362 kW,小于配備的主機(jī)功率7 820 kW，裝機(jī)功率符合要求。

由于本船配載的為柴油機(jī)，故還需考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩-速度限制。表2也列出了評(píng)估的要求轉(zhuǎn)矩和主機(jī)限制轉(zhuǎn)矩——要求的轉(zhuǎn)矩與主機(jī)最大持續(xù)轉(zhuǎn)矩與要求的轉(zhuǎn)矩相比，占比最大為80.0%,有20%的余量。圖2顯示在風(fēng)浪中所需的主機(jī)轉(zhuǎn)矩均在主機(jī)的限制轉(zhuǎn)矩曲線下，表示配置的主機(jī)能提供不利海況下保持操縱性所需的轉(zhuǎn)矩。綜上所述：該型船舶的裝機(jī)功率符合不利海況下保持操縱性的最小推進(jìn)功率的要求。

表2 最小裝機(jī)功率計(jì)算結(jié)果匯總

圖2 轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩

船舶相對(duì)于水的前進(jìn)航速Vs，與設(shè)計(jì)相關(guān)的是基于參考保持航向速度Vck,ref，與0.9%經(jīng)船寬修正浸沒舵面積AR，以及實(shí)際舵面積有關(guān)。

Vck=Vck,ref-10.0×(AR%-0.9)

(5)

式中：AR%為實(shí)際舵面積AR與經(jīng)船寬修正浸沒舵面積ALS,cor的比值，AR%=AR/ALS,cor×100%。

經(jīng)船寬修正浸沒舵面積的計(jì)算為

ALS,cor=LppTm(1.0+25.0(Bwl/Lpp)2)

因此得到

AR=AR%×LppTm(1+25×(Bwl/Lpp)2)/100

(6)

Vck,ref根據(jù)正面受風(fēng)面積AFW與側(cè)面受風(fēng)面積ALW之比AFW/ALW予以界定。

本船Lpp垂線間長179.5 m，Bwl水面線處船寬32.2 m，Tm船中吃水13.2 m，AFW為710，ALW為1 900，AFW/ALW為0.373 7，由線性插值得到Vck,ref=4.44 kn；

代入式(5)得到AR%=0.944。

再代入式(6)得到AR=40.36 m2。

本船型舵升力系數(shù)1.21，考慮到NACA升力系數(shù)1.1，本船Vck=4.0 kn所需舵面積最小為36.69 m2。實(shí)際舵面積37.53 m2，滿足導(dǎo)則要求。

以前進(jìn)航速Vs=4.0 kn時(shí)所需最小舵面積為基準(zhǔn)，本船舵面積增減帶來的前進(jìn)航速Vs變化見表3。

表3 舵面積-前進(jìn)航速Vs對(duì)應(yīng)表

可見，Vck=4.0 kn時(shí)的舵面積是關(guān)鍵臨界值，如果再增大舵面積降低Vck(<4.0 kn)，會(huì)增加操縱性設(shè)計(jì)成本，同時(shí)又不能降低逆風(fēng)頂浪中所需的前進(jìn)航速Vs，即增大舵面積不會(huì)再降低推進(jìn)功率要求；減小舵面積提高Vck(>4.0 kn)，船舶在惡劣海況中將需以更高的航速才能逆風(fēng)頂浪保持航向航行，即需要更高的推進(jìn)功率，并且舵面積的減小將導(dǎo)致前進(jìn)航速Vs以更高的比例增加，則所需的推進(jìn)功率將急劇增加。所以為使船舶在不利海況下保持操縱性所需的裝機(jī)功率最小，速度Vck需取4 kn，因此有相應(yīng)最小舵面積的要求。

2.3 與常規(guī)經(jīng)驗(yàn)公式比較及實(shí)際操縱性效果

參考原IACS規(guī)范Chapter 10 Hull Outfitting Section 1 Rudder and Manoeuvring Arrangement[6]及原GL規(guī)范Part14Sec14[7]舵面積計(jì)算公式：

AR=c1c2c3c4×1.75LT/100=0.9×(1/1.21)×1×1×1.75×179.5×13.2/100=30.8 m2

式中：L為船長，179.5 m；T為夏季吃水，13.2 m。

與上節(jié)所需舵面積比較：36.69/30.8=1.19，差值接近1/5。

即由于EEDI的因素以及新最小功率導(dǎo)則的要求，新船開發(fā)要求的舵面積明顯增大。因此，最小功率導(dǎo)則的要求成為決定此類尺度液貨船舵面積的關(guān)鍵因素。

進(jìn)行船模操縱性試驗(yàn)及實(shí)船操縱性試驗(yàn)，結(jié)果顯示操縱性能指標(biāo)均達(dá)到IMO MSC.137(76)操縱性衡準(zhǔn)[8]及MSC/Circular.1053注釋說明[9]的要求，同時(shí)有合理的裕度，見表4。

表4 操縱性試驗(yàn)結(jié)果匯總

3 結(jié)論

隨著EEDI規(guī)則推進(jìn)階段的升級(jí)，主機(jī)降功率設(shè)計(jì)越來越常見，而最小推進(jìn)功率導(dǎo)則新版的實(shí)施，導(dǎo)致評(píng)估等級(jí)2——簡化評(píng)估更為多見，這往往導(dǎo)致舵面積要求明顯大于常規(guī)估算的舵面積。尤其對(duì)于中小型液貨船，常規(guī)航行所需的裝機(jī)功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于評(píng)估等級(jí)1-最小功率標(biāo)準(zhǔn)值評(píng)估，也即難以滿足評(píng)估等級(jí)1的要求，需按評(píng)估等級(jí)2-簡化評(píng)估，必須在前期進(jìn)行充分的考慮；而基于最小保持航向速度估算舵面積是比較合理而且可行的，同時(shí)對(duì)避免設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。所涉及的最小推進(jìn)功率導(dǎo)則目前仍是暫行規(guī)則，如有后續(xù)修訂，值得進(jìn)一步跟蹤。