萬箱級集裝箱船實船航速功率測試與分析

賀立敏， 季 盛， 文逸彥， 喬繼潘

(1. 中遠海運發(fā)展股份有限公司，上海 200135；2. 上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135)

萬箱級集裝箱船實船航速功率測試與分析

賀立敏1， 季 盛2， 文逸彥2， 喬繼潘2

(1. 中遠海運發(fā)展股份有限公司，上海 200135；2. 上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135)

依據(jù)ISO 15016—2015試航規(guī)程，中海集裝箱運輸股份有限公司與上海船舶運輸科學(xué)研究所聯(lián)合開發(fā)實船航速功率測試與分析處理系統(tǒng)，基于運營船舶對其快速性能進行測試研究。通過某萬箱級集裝箱船滿載載況下運營快速性能實船測試，并對測試數(shù)據(jù)進行分析，驗證了該系統(tǒng)的適用性，可為今后實船測試和運營船舶快速性能評估提供一套行之有效的輔助工具。

ISO 15016—2015試航規(guī)程；實船航速-功率測試分析系統(tǒng)；實船試驗；滿載狀態(tài)

0 引 言

航速作為衡量船舶性能的重要指標(biāo)之一，一直受船舶設(shè)計單位、船廠和船舶所有人的高度關(guān)注[1]。實船航速測定試驗[2-4]作為檢驗船舶快速性的重要手段，直接影響著船舶的順利交付，是船舶研制和建造過程中的一個重要環(huán)節(jié)。通過對實船試航測得的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，可檢驗和改進理論研究中的數(shù)學(xué)模型，從而提高模型試驗相關(guān)分析的精度[5]。

實船航速測定試驗通常僅在試航時進行，能直觀反映出新造船的快速性能，但在長期運營過程中發(fā)現(xiàn)，受機器磨合、船員對船舶的熟悉程度和外部污底變化等因素影響，實船快速性能在實際運營過程中與交付時存在差別，隨時間的推移而發(fā)生一定的變化。根據(jù)經(jīng)驗認(rèn)為運營約2 a的船舶能真實反映實船實際運營時的快速性能。概述常規(guī)新造船實船試航航速測定方法，依照ISO 15016—2015[6]試航規(guī)程搭建實船航速功率測試與分析處理系統(tǒng)，利用已投入運營的萬箱級集裝箱船開展運營船舶滿載工況下的試航測試，基于該系統(tǒng)對試航數(shù)據(jù)進行分析，研究模型試驗預(yù)報結(jié)果與實船測定結(jié)果的相關(guān)性，驗證該系統(tǒng)的可靠性，為以后實船測試及航速預(yù)報提供參考。同時，為監(jiān)測船舶狀態(tài)和評估船舶運營狀況提供輔助工具。

1 實船航速功率試驗方法

實船航速功率試驗的目的是通過測量船舶航速、主機功率與轉(zhuǎn)速和海況環(huán)境等數(shù)據(jù)，并對其進行修正計算，得到實船在理想環(huán)境或合同規(guī)定環(huán)境下的航速功率曲線，用以驗證船舶航速功率是否達到相關(guān)要求。

1.1測試內(nèi)容

通過在航運公司調(diào)研，篩選出設(shè)備及運營狀況較好、投入運營約2 a的船舶，最終選定某萬箱級集裝箱船作為船舶快速性能實船測試的對象，測試工況為滿載工況。統(tǒng)計該船1 a內(nèi)的運營資料，選取最常用的滿載運營吃水12.2 m作為船舶的測試吃水，在碼頭根據(jù)貨代公司常用的配載方案完成集裝箱配載后，調(diào)整壓載水接近所需吃水，在航行過程中進行營運船實船航速功率驗證試驗。該試驗主要測試的船舶參數(shù)包括艏艉吃水、排水量、航速、軸轉(zhuǎn)速、軸功率和航向等；測試的環(huán)境參數(shù)包括波高、浪向、水深、水溫、氣溫、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向等。

1.2航速試驗海域

為盡量消除不可預(yù)期環(huán)境因素的影響，ISO 15016—2015對船舶試航海域的環(huán)境條件進行限制，主要包括海域位置、風(fēng)、浪、水深和流等。

1) 航速功率試驗應(yīng)選擇在遮蔽的海域進行，以盡量避免小船和商業(yè)交通的干擾。由于此次試航的對象為營運船舶，因此試航海域選擇太平洋海域。

2) 對于本船垂線間長(Lpp)>100 m的船舶，測試風(fēng)速應(yīng)不超過蒲氏六級。

為消除不規(guī)則流速的影響，盡量避免在不規(guī)則流域為進行航速試驗。

1.3測試流程

出航前，測試組上船安裝并校驗實船航速功率采集系統(tǒng)，并根據(jù)液位遙測系統(tǒng)的信息檢驗船舶吃水的一致性，記錄船舶裝載情況。當(dāng)船舶駛?cè)牒r相對溫和的深水海域之后，測試人員開始準(zhǔn)備實船測試。船舶迎浪停船1 h進行狀態(tài)確認(rèn)，主要包括軸功率測量設(shè)備校驗、雷達測波、吃水觀測、水溫測量和水密度測量；當(dāng)各狀態(tài)確認(rèn)無誤之后，開始進行實船航速測定試驗。在不同功率工況下，船舶均保持直線航行，盡量少操舵，操舵角≤5°；盡量選擇迎浪或隨浪航行，航向角與浪向夾角≤45°。待航速穩(wěn)定之后，開始測速。用差分全球定位系統(tǒng)(Differential Global Position System，DGPS)記錄船舶運動軌跡及航速，記錄時間一般為5～10 min，相應(yīng)的測速距離應(yīng)>1 mile，將數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)接嬎銠C上進行分析。根據(jù)ISO 15016—2015相關(guān)規(guī)范，實船測試路徑見圖1。

2 實船航速功率測試與分析處理系統(tǒng)

實船航速功率驗證試驗中應(yīng)用的測試與分析處理系統(tǒng)見圖2，主要包括實船數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、螺旋槳軸功率測量系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)、風(fēng)速儀、波浪雷達、測深儀和數(shù)據(jù)修正處理系統(tǒng)。

在測試過程中，軸扭矩、軸轉(zhuǎn)速、船位、船向、對地航速、對地航向、相對風(fēng)速和相對風(fēng)向由實船數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連續(xù)同步采集；有效波高和波周期單獨進行采集及記錄；水深信息采用實船已有的測深儀設(shè)備采集，通過美國電氣制造商協(xié)會( National Electrical Manufacturers Association，NEMA)分配器進行信號隔離分配輸出。由于該船舵機間與駕駛室連線的距離>160 m，無法可靠連接舵機信號，此次測試舵角信號未采集，試驗人員在自動舵中設(shè)置限制，以確保測試段舵角變化≤5°。測試方法和設(shè)備介紹如下。

2.1雙DGPS

對地航速、對地航向、艏向和船位等信息由安裝在駕駛室頂部羅經(jīng)甲板上的雙DGPS測得，測試系統(tǒng)雙DGPS安裝位置見圖3。

2.2軸功率測量

螺旋槳轉(zhuǎn)速功率由安裝在槳軸的軸功率測量系統(tǒng)采集，該系統(tǒng)的安裝位置見圖4。軸功率為軸扭矩與轉(zhuǎn)速的乘積。測量系統(tǒng)通過軸上的應(yīng)變片測量軸的周向偏差，計算得到槳軸扭矩；軸轉(zhuǎn)速通過光學(xué)傳感器獲得。在開始測試之前，對測量系統(tǒng)進行校零。

2.3相對風(fēng)速風(fēng)向測量

相對風(fēng)速和相對風(fēng)向由超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀測得。在理想狀況下，風(fēng)速風(fēng)向儀的安裝位置應(yīng)盡可能高且離船體越遠越好。由于該船的雷達桅在船舶高速航行時振動幅度過大，最終選擇將風(fēng)速風(fēng)向儀安裝在羅經(jīng)甲板左舷的欄桿上，具體安裝位置見圖5。在測試中，通過與實船已有風(fēng)速儀測得的數(shù)據(jù)相對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)吻合度良好。

2.4波浪測量

波浪的測量通過波浪雷達測量和船長目測2種方法進行。波浪雷達安裝于船首，便于測量雷達至水面的垂向距離；雷達內(nèi)部裝有的運動傳感器，用于測量并修正船舶運動對垂向距離的影響。波浪雷達具體安裝位置見6。在試驗時，正頂浪停船，利用波浪雷達測量有義波高和波周期，同時由船長進行波浪觀測，雷達測量的波高與目測值非常接近，試驗選取雷達測量值作為采集記錄數(shù)據(jù)。

2.5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集信號見表1，在測試過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對這些信號進行連續(xù)、同步采集。水深參數(shù)通過實船自帶的測深儀進行監(jiān)測。

3 航速功率驗證試驗

以此次航速功率試驗為例，說明測試與分析處理系統(tǒng)的計算過程。

3.1航速功率試驗條件與測量結(jié)果

試驗前，在出發(fā)港分別通過左舷和右舷吃水標(biāo)志對液位遙測系統(tǒng)傳感器的精度進行校對，發(fā)現(xiàn)船首、船中、船尾吃水傳感器的誤差<1%，實船排水量與模型試驗差值=0.36%，該差值≤2%。試驗海域由船長根據(jù)班次計劃和氣導(dǎo)信息選定，最后選擇在太平洋進行相關(guān)測試，測試區(qū)域的水深均>300 m，無需進行淺水修正。

表1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集信號

為獲得一條較為合理的實船航速試驗曲線，根據(jù)規(guī)范要求，通常需測量3～6個航速功率點，每個航速功率點需在同一航線上至少往返航行2次?？紤]到運營船舶的航行安全和設(shè)備性能，降低此次試航高功率點的取值，選定50%MCR，65%MCR，75%MCR(往返2次)和85%MCR進行測試。試航船舶相關(guān)參數(shù)和測試條件見表2。

表2 試航船舶相關(guān)參數(shù)和測試條件

3.2航速功率試驗結(jié)果分析計算

在實船試驗時，受海洋環(huán)境條件的影響，試驗條件非理想狀況，根據(jù)所記錄的海況條件，基于ISO 15016—2015相關(guān)規(guī)則，采用實船航速功率分析處理系統(tǒng)對實船測試數(shù)據(jù)進行分析，理想條件下的修正結(jié)果見表3。

修正后的功率航速曲線見圖7，修正結(jié)果點為相同功率設(shè)定航次的平均值。修正結(jié)果曲線擬合采用相關(guān)系數(shù)法，即將模型試驗結(jié)果與試航功率65%MCR及65%MCR以上的試航修正結(jié)果相對比，獲得平均的相關(guān)系數(shù)Cp，利用該系數(shù)對模型試驗結(jié)果進行倒推，獲取實船修正結(jié)果的擬合曲線。

由實船航速功率分析處理系統(tǒng)的計算結(jié)果可知，滿載載況下的Cp為1.002，與模型試驗值吻合良好，驗證了系統(tǒng)的可靠性；各功率點往返航次的實船測試結(jié)果與模型試驗值非常接近，功率誤差較小，最大偏差僅為2.2%，既能很好地反映實際運營船舶的快速性能，也能從側(cè)面反映出模型試驗航速預(yù)報精度。

4 結(jié) 語

集裝箱船由于裝載問題在實船試航階段很難實現(xiàn)滿載試航測試，通常通過壓載試航結(jié)合模型試驗外推滿載試航指標(biāo)，存在一定的不確定性。通過萬箱級集裝箱船運營工況下的實船試航，驗證集裝箱船航速預(yù)報方法的準(zhǔn)確性，為提高模型試驗相關(guān)分析的精度提供很好的工程依據(jù)。

表3 航速功率試航修正結(jié)果

此外，在研究IMO相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，開發(fā)實船航速功率測試與分析處理系統(tǒng)，通過萬箱級集裝箱船實船測試，驗證系統(tǒng)的可靠性，為今后實船交船測試和營運性能測試提供一套行之有效的輔助工具，為后續(xù)能耗監(jiān)測和能效管理提供基礎(chǔ)。

[1] 顧溟宇，王言英，張佳寧.實船航速試驗方法及數(shù)據(jù)分析計算機自動化[J].中國造船，2009，50(3)：135-145.

[2] 李曉嬌，蔣永旭，柳一點，等.基于ITTC的實船試航航速修正方法[J].船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師，2014(5)：1-4.

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[5] 夏利清，范佘明.實船測試航速修正方法評述[J].船舶工程，2005，27(6)：49-51.

[6] ISO. Ships and marine technology—Guidelines for the assessment of speed and power performance by analysis of speed trial data: ISO 15016—2015[S].2015.

Speed-PowerMeasurementAnalysisforSeaTrialof10000TEUContainerShip

HELimin1，JISheng2，WENYiyan2，QIAOJipan2
(1. COSCO SHIPPING Development Co.,Ltd.,Shanghai 200135; 2. State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135，China)

This paper introduces a speed-power measurement and analysis system, developed jointly by China Shipping Container Lines Company Limited and Shanghai Ship & Shipping Research Institute, for sea trial of ships based on ISO 15016—2015 trial procedures. The system has been used successfully for the sea trial of a 10 000 TEU container ship under the full load condition.

ISO 15016—2015 trial procedures; ship borne speed-power measurement and analysis system; sea trial; full load condition

2017-04-14

工信部高技術(shù)船舶科研計劃項目(工信部聯(lián)裝[2014]502號)

賀立敏(1961—)，男，上海人，工程師，主要從事柴油機應(yīng)用及管理、船舶經(jīng)濟運行管理研究。

1674-5949(2017)02-0013-06

U661.3

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