惡劣海況下維持操縱性的最小推進(jìn)功率臨時導(dǎo)則淺析

沈文娜

（上海臻元船舶科技有限公司 上海200052）

引 言

2011年7月11日～15日，國際海事組織（IMO）在英國倫敦總部召開了海上環(huán)境保護(hù)委員會MEPC第62屆會議，并以MEPC.203（62）決議的形式通過了包括EEDI在內(nèi)的國際防止船舶污染海洋公約（MARPOL）附則VI有關(guān)船舶能效規(guī)則的修正法案，即增加第四章關(guān)于新船能效設(shè)計指數(shù)（Energy Efficiency Design Index，簡稱EEDI）和船舶能效管理計劃（SEEMP）要求，于2013年1月1日正式生效。該修正案第21.5條還要求船舶的裝機(jī)功率應(yīng)不小于IMO制定指南中所定義的惡劣海況下維持船舶操縱性所需要的最小推進(jìn)功率，但是除了MSC.136（76）制定平靜海況的操縱性標(biāo)準(zhǔn)外，對于惡劣海況的定義及對船舶操縱性的要求國際上并未有明確規(guī)定。為此，IMO建議制定惡劣海況下維持船舶操縱性的最小推進(jìn)功率臨時導(dǎo)則，以保證船舶在惡劣海況和天氣下能夠安全航行。2013年5月13日至17日在英國倫敦召開的國際海事組織海上環(huán)境保護(hù)委員會第65屆會議（MEPC65）審議和修正了以MSC-MEPC.2/Circ.11散發(fā)的“2012年惡劣海況下維持船舶操縱性的最小推進(jìn)功率臨時導(dǎo)則”，形成“2013惡劣海況下維持船舶操縱性的最小推進(jìn)功率臨時導(dǎo)則”（簡稱“最小功率導(dǎo)則”）,并以MEPC.232（65）決議的形式發(fā)布。該導(dǎo)則制定目的是為了協(xié)助主管機(jī)關(guān)和被認(rèn)可的組織在驗證船舶是否滿足能效設(shè)計指數(shù)規(guī)定的EEDI值要求時，驗證其裝機(jī)功率是否滿足惡劣海況下維持操縱性的要求。

1 最小功率導(dǎo)則簡述

1.1 適用范圍

（1）該臨時導(dǎo)則僅適用于滿足EEDI第0階段的船舶；

（2）該臨時導(dǎo)則僅適用于載重量為20 000 t以上的散貨船、油船和兼裝船3種船型；

（3）該導(dǎo)則適用于傳統(tǒng)推進(jìn)方式的船舶，不適用于非常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)的船舶；

（4）該臨時導(dǎo)則適用于無限航區(qū)航行的船舶；否則主管機(jī)關(guān)將考慮航行區(qū)域內(nèi)的限制條件。

1.2 惡劣海況定義

惡劣海況定義參見表1。

表1 惡劣海況對應(yīng)不同船長的參數(shù)表

對于沿海水域，應(yīng)考慮譜峰參數(shù)為3.3的JONSWAP波浪譜。

1.3 評估方法

該臨時導(dǎo)則給出兩種評估方法，可從兩個不同的等級進(jìn)行：

（1）最小功率曲線評估；

（2）簡化評估。

船舶的裝機(jī)功率只要能滿足兩個等級評估中的任何一個等級評估所要求的最小功率都可以認(rèn)為該船滿足在惡劣海況下維持操縱性要求的最小功率。

2 最小推進(jìn)功率評估方法

2.1 最小功率曲線評估法

式中：a，b為船型系數(shù)；DWT為指船舶的載重量，t。

由圖1可見，最小功率曲線隨著載重量線性變化。在相同載重量時，散貨船對最小功率的要求比油船小。

表2 不同船型a和b 參數(shù)表

圖1 最小功率曲線

最小功率曲線評估法是一種比較簡單的評估方法，如果船舶的最大持續(xù)功率MCR或指定最大持續(xù)功率SMCR大于計算得到的最小功率，可認(rèn)為該船滿足船舶維持操縱性要求的最小功率的要求，也就不需要用簡化評估法再去評估。如果船舶的MCR或SMCR小于計算求得的最小功率，則需用簡化評估法進(jìn)一步評估。

2.2 簡化評估

簡化評估流程的原則：具有足夠裝機(jī)功率的船舶，在逆風(fēng)迎浪中以一定的前進(jìn)航速行駛時，應(yīng)能在任意方向的風(fēng)壓下保持航向。本流程中的簡化僅考慮船舶沿船長方向做定常運動；通過調(diào)節(jié)船舶在逆風(fēng)迎浪中可達(dá)到所需的前進(jìn)航速，評估其在風(fēng)浪中保持航向的最小主機(jī)功率。

簡化評估流程分為以下兩步：

（1）確定船舶在逆風(fēng)迎浪時保證航向穩(wěn)定性的最小航速。

（2）根據(jù)最小航速計算出所需的最小主機(jī)功率，并與裝機(jī)功率進(jìn)行比較。如計算求得的最小功率小于主機(jī)功率，則裝機(jī)功率滿足要求；反之則不滿足。

2.2.1 惡劣海況下最小航速Vs的確定

船舶航行時的航速分為最小航行速度Vnav和最小保持航向速度Vck。

惡劣海況下最小航速Vs是指船舶在逆風(fēng)迎浪的情況下能夠保證航向穩(wěn)定性的最小航速，即

（1）最小航行速度Vnav

維持船舶前進(jìn)最小航行速度Vnav保證船舶在風(fēng)暴來臨之前有足夠的時間離開沿海區(qū)域，以降低航行風(fēng)險和船舶在不利航向波浪作用下過度運動的風(fēng)險。設(shè)定Vnav= 4.0 kn。

（2）最小保持航向速度Vck

維持航向穩(wěn)定性的最小速度Vck保證船舶在任意方向的風(fēng)壓作用時都可以維持穩(wěn)定的航向。

式中：Vck，ref為維持航向參考速度，單位kn。對于散貨船、油船和兼用船，Vck，ref值取決于船舶正投影受風(fēng)面積AFW和側(cè)投影受風(fēng)面積ALW的比值。

AR%為舵的實際面積AR與經(jīng)船寬修正后船舶側(cè)向浸沒面積ALS，cor的比值。

式中：AR為舵的實際面積，對于高升力舵，其舵面積應(yīng)是等效于常規(guī)舵面積的面積；ALS，cor為經(jīng)船寬修正后的船舶側(cè)向浸沒面積。

式中：LPP為船舶的垂線間長，m；

Tm為船中吃水，m；

Bwl為船寬，m。

2.2.2 裝機(jī)功率評估

裝機(jī)功率應(yīng)能夠保證船舶在最大吃水時維持上述第2.2.1節(jié)計算求得最小航速為Vs航行時所需的最小推進(jìn)功率。最小推進(jìn)功率計算流程如圖2所示。

圖2 所需最小推進(jìn)功率計算流程

如果實船最大裝機(jī)功率大于計算得到的所需最小推進(jìn)功率，則實船裝機(jī)功率滿足要求；反之則需調(diào)整主機(jī)功率以滿足最小推進(jìn)功率的要求。

3 以118 000載重噸散貨船為例分析最小功率評估過程

3.1 船舶參數(shù)

3.2 惡劣海況參數(shù)的選取

垂線間長LPP= 254 m>250 m，據(jù)惡劣海況的定義，其參數(shù)見表3。

表3 惡劣海況參數(shù)表

3.3 最小功率曲線評估法要求的最小裝機(jī)功率

最小功率曲線值

由于11 031 kW<13 560 kW，所以裝機(jī)功率可以滿足船舶在惡劣海況下安全航行的要求。根據(jù)最小推進(jìn)功率臨時導(dǎo)則，則無需再用簡化評估的方法進(jìn)行評估。

3.4 簡化評估

3.4.1 最小航速Vs的確定

式中：Vnav= 4.0 kn

根據(jù)式（3），插值計算求得Vck，ref= 5.67 kn

故Vs= 4.0 kn

3.4.2 裝機(jī)功率評估

（1）螺旋槳克服船舶總阻力所需推力T的計算

根據(jù)MEPC .232（65）計算導(dǎo)則，船舶在惡劣海況下維持操縱性需要克服總阻力包括靜水阻力Rcw、附體阻力Rapp、空氣阻力Rair和波浪增阻Raw。

① 靜水阻力Rcw的計算

對于散貨船、油船和兼用船，靜水阻力可不考慮波浪阻力的影響

式中：ρ為水的密度，1 025.9 kg/m3；

S為裸船體濕表面積，對本船，S=16 262 m2；

Vs為最小航速，對本船，Vs= 4.0 kn = 4.0×0.514 4 = 2.06 m/s。

k為形狀系數(shù)，該值應(yīng)從船模試驗獲得，如果無法從船模試驗獲得，也可根據(jù)經(jīng)驗公式計算求得，參見式（10）。

對于本船，k= 0.270 0。CF為摩擦阻力系數(shù)，

式中：υ為水的粘性系數(shù)，取υ=1.188 2×10-6m2/s，所以本船的靜水阻力，代入數(shù)據(jù)計算得Rcw= 45 025.7 N。

② 附體阻力Rapp的計算

關(guān)于附體阻力Rapp如何計算，MEPC.232（65）決議中并未給定明確方法。本文用Holtrop-Mennen阻力回歸計算中附體阻力的計算方法進(jìn)行計算，即

式中：SAPP為附體的濕表面積, m2；CF見式（11）；1+k2為附體的形狀因子。

對于本船，主要考慮舵和舭龍骨引起的附體阻力，對應(yīng)的形狀因子和濕表面積參見表4。

表4 附體阻力參數(shù)表

本船附體阻力：Rapp= 3.2 N。

從數(shù)值上可見附體阻力對總阻力的影響很小，可以忽略不計。

③ 空氣阻力Rair的計算

式中：Cair為空氣阻力系數(shù)，該系數(shù)可根據(jù)船模試驗或者經(jīng)驗數(shù)據(jù)獲得；對本船，根據(jù)船模試驗，Cair= 0.85。

ρa為空氣密度，kg/m3； 可根據(jù)船模試驗取值，對本船，ρa=1.225 5 kg/m3。

AF為船體和上建正受風(fēng)面積，m2，對本船，AF= 755.7 m2。

Vw，rel為船舶相對風(fēng)速，m/s，指根據(jù)MEPC.232（65）導(dǎo)則1.1中要求的風(fēng)速Vw與船舶惡劣海況下最小航速Vs的和；對本船，Vw，rel=Vw+Vs=19.0+4.0×0.514 4 = 21.06 m/s。

所以本船的空氣阻力Rair=174 569.5 N。

④ 波浪增阻Raw的計算

式中：Raw（Vs，ω）/ξa2為波浪增阻二階傳遞函數(shù)，與前進(jìn)航速Vs（m/s）、波浪頻率ω（rad/s）、波幅ξa（m）和波譜Sξξ（m2s）有關(guān)。波浪增阻可以按照ITTC 7.5-02 07-02.1和7.5-02 07-02.2推薦的耐波性試驗程序試驗得到，或者使用主管機(jī)關(guān)認(rèn)可的理論方法進(jìn)行計算得到。

根據(jù)筆者在計算過程中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用式（15）求解Raw在實船設(shè)計中并不可行。作為變通，筆者采用ITTC-7.5-04-01-01.附錄D.3的簡化公式進(jìn)行計算：

B為型寬，對本船，B= 43 m；

LBWL為計算水線95%型寬處至船首的距離，如圖3所示。

圖3 LBWL計算示意圖

對本船，LBWL= 34.5 m，所以本船極限增阻Raw= 913424.3 N。

⑤ 推力減額分子t的計算

推力減額因子t可從船模試驗或經(jīng)驗公式得到。默認(rèn)的保守估算是

式中：w為指伴流分?jǐn)?shù)，伴流分?jǐn)?shù)w也可從船模試驗獲得，也可根據(jù)表5計算求得。

對本船，從船模試驗獲取w值，w= 0.387。

⑥ 螺旋槳克服總阻力所需推力T的計算

表5 伴流分?jǐn)?shù)w的建議值

（2）所需最小裝機(jī)功率的計算

所需最小裝機(jī)功率的計算過程如圖4所示。

圖4 所需最小裝機(jī)功率的計算

① 螺旋槳特性曲線

根據(jù)螺旋槳設(shè)計槳敞水性能試驗，本船螺旋槳特性曲線如圖5所示：

圖5 螺旋槳特性曲線

② 螺旋槳進(jìn)速系數(shù)J的確定（圖6）

圖6 螺旋槳進(jìn)速系數(shù)J的確定

③ 螺旋槳所需轉(zhuǎn)速n（r/s）的確定

④ 螺旋槳轉(zhuǎn)速為n時所需的推進(jìn)功率PD，見圖7所示。

圖7 推進(jìn)功率PD的確定

⑤ 所需主機(jī)最小功率MCRmin

對本船，軸系效率為98%，則

3.4.3 探討和歸納

對上述簡化評估提出探討并歸納如下：

（1）維持航向穩(wěn)定性最小航速VCK的計算方法

筆者認(rèn)為VCK計算公式引用的參數(shù)AR%計算公式表達(dá)有誤。根據(jù)AR%的定義，AR%應(yīng)指舵實際面積AR與經(jīng)船寬修正船舶側(cè)向浸沒面積ALS，cor比值的百分?jǐn)?shù)，即而非從實例計算結(jié)果來看，如果應(yīng)用計算，則得到AR%=0.011,代入式（2）得到VCK=14.56 kn。很顯然這個計算結(jié)果是不合理的，但這一點需由主管機(jī)關(guān)確認(rèn)。

（2）附體阻力Rapp計算方法未明確規(guī)定

MEPC.232（65）決議并未明確給出附體阻力的計算方法。中國船級社在CCS通函“中國船級社（2014年）通函第6號總第490號”中規(guī)定附體阻力需通過水池試驗獲得。但是，筆者認(rèn)為通過水池試驗獲得附體阻力的方法并不可行，因為這意味著需要至少在結(jié)構(gòu)吃水時增加裸船船模試驗，從而增加船模試驗成本。本文采納德國漢堡水池的建議，應(yīng)用Holtrop-Mennen阻力回歸的方法進(jìn)行理論計算。從計算結(jié)果來看，附體阻力對于總阻力的影響很小，可以忽略不計。

（3）波浪增阻Raw的計算方法求解繁瑣

MEPC.232（65）決議中雖然給出波浪增阻的計算公式，積分計算公式表面看似并不復(fù)雜，但是求解過程卻很繁瑣復(fù)雜，不適用于實船設(shè)計；如果通過船模耐波性試驗獲得，又將大大增加船型研究的時間、成本和費用。

本文的計算僅限于筆者自己的理解，用于對本計算的探討，準(zhǔn)確性需與主管機(jī)關(guān)進(jìn)一步確認(rèn)。從計算結(jié)果看，通過簡化評估方法計算求得的最小推進(jìn)功率遠(yuǎn)小于最小功率曲線法計算求得值，這也是引進(jìn)簡化評估法的意義所在。

4 結(jié) 論

MEPC.232（65）決議的發(fā)布為MARPOL附則VI第21.5條要求的執(zhí)行提供了規(guī)范依據(jù)，但是通過上文的表述，筆者認(rèn)為現(xiàn)階段簡化評估方法在實船設(shè)計中的可行性較差，建議采用最小功率曲線值法進(jìn)行評估。

［1］ 2013 Interim Guidelines for Determining Minimum Propulsion Power to Maintain Manoeuverability of Ships in Adverse Conditions.Resolution MEPC.232 （65）［S］.2013.

［2］ ITTC- Recommended Procedures and Guidelines Speed and Power Trails, Part 2 Analysis of Speed/Power Trail Data［S］.2012.

［3］ 中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計實用手冊 總體分冊［M］.國際工業(yè)出版社，1998.

［4］ 中國船級社.中國船級社（2014）通函第6號總第298號［S］.2014.