企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化船舶航速修正方法

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

航速試驗(yàn)是實(shí)船試航的重要試驗(yàn)之一，試驗(yàn)結(jié)果直接表征航速是否滿足合同要求，如不達(dá)標(biāo)，可能導(dǎo)致罰款或棄船，并影響船廠建造聲譽(yù)。合同或建造規(guī)格書一般規(guī)定理想環(huán)境條件(即無(wú)風(fēng)無(wú)浪且深水)下的航速，而實(shí)際上實(shí)船試航往往難以在理想環(huán)境條件下進(jìn)行。對(duì)于外高橋船廠(以下簡(jiǎn)稱SWS)的試航船來(lái)說(shuō)，部分船舶試航在天氣條件理想的情況下進(jìn)行，航速測(cè)試結(jié)果直接滿足合同要求。然而更多的船舶受風(fēng)浪等環(huán)境因素影響，原始測(cè)量結(jié)果達(dá)不到合同航速指標(biāo)，必須按照規(guī)格書約定的航速修正方法，考慮環(huán)境因素進(jìn)行航速修正后，得出理想環(huán)境下的航速結(jié)果。

縱觀國(guó)外的各修正方法，其考慮的修正因素各不相同，以ISO/FDIS 15016為例：2002考慮的較為全面，其方法涉及對(duì)風(fēng)、潮流、波浪、操舵、水溫、航行狀態(tài)和淺水的修正。但概念模糊，難以操作，并未得到廣泛推廣。而BSRA測(cè)速分析標(biāo)準(zhǔn)方法(BSRA即英國(guó)造船研究協(xié)會(huì)，以下簡(jiǎn)稱BSRA方法)[1]易于實(shí)現(xiàn)，目前被普遍采用，但BSRA也存在缺陷，例如其未考慮波浪和涌浪對(duì)航速帶來(lái)的不利影響。

SWS 175KBC/177KBC/176KBC/206KBC、105K/108KAFRAMA、316K/297KVLCC規(guī)格書中均提到按照BSRA方法進(jìn)行航速修正。

BSRA方法給出了風(fēng)、潮流、淺水修正的計(jì)算方法，但對(duì)于浪沒(méi)有具體的修正方法，按照實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，如遇到測(cè)速海況比較惡劣，浪比較大的時(shí)候，僅依照BSRA方法修正難以達(dá)到合同規(guī)定條件下的航速要求。因此，考慮結(jié)合實(shí)船修正的經(jīng)驗(yàn)，并采用第24屆ITTC 推薦的測(cè)速分析方法(以下簡(jiǎn)稱ITTC2005方法)[2]中浪的修正方法，形成SWS航速修正企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將風(fēng)、潮流、海表面波浪、淺水等因素對(duì)航速的影響納入標(biāo)準(zhǔn)中。

1 測(cè)試條件及試驗(yàn)

1.1 測(cè)試條件

并非任何海況下的測(cè)速結(jié)果都能進(jìn)行航速修正，航速修正時(shí)必須滿足下測(cè)速條件。

1)風(fēng)力不大于蒲氏風(fēng)級(jí)6級(jí)。

2)波浪的最大波高ξ1/10不大于3.0 m。

1.2 測(cè)速試驗(yàn)

所有測(cè)速試驗(yàn)都應(yīng)進(jìn)行往返航次測(cè)試，如果風(fēng)力較大，則應(yīng)選擇順風(fēng)和逆風(fēng)航向。

在測(cè)速試驗(yàn)中航向角應(yīng)保持在±3°內(nèi)；舵角保持在±5°內(nèi)。

進(jìn)行測(cè)速試驗(yàn)前，記錄下述數(shù)據(jù)。①試驗(yàn)船名、海域、日期;②艏、舯、艉部的吃水;③測(cè)速區(qū)域的水深，海水密度，海水溫度，大氣溫度，大氣壓力;④測(cè)風(fēng)儀距水面高度。

每航次記錄以下數(shù)據(jù)。①航向角；②相對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向；③浪和涌大??；④螺旋槳轉(zhuǎn)速、船舶對(duì)地速度和軸功率。

2 航速修正

需要準(zhǔn)備的資料如下?？偛贾脠D、靜水力表；船模試驗(yàn)報(bào)告；螺旋槳設(shè)計(jì)資料。

2.1 風(fēng)的分析

根據(jù)測(cè)速試驗(yàn)記錄值：相對(duì)風(fēng)速VRW、相對(duì)風(fēng)向以及船舶對(duì)地速度VG、船舶航向角，以及真風(fēng)風(fēng)速VTW，真風(fēng)風(fēng)向構(gòu)成矢量三角形，以此來(lái)觀察測(cè)速區(qū)域的風(fēng)速風(fēng)向狀態(tài)。

VWT=Vg+VRW

(1)

2.2 風(fēng)的修正計(jì)算

1)風(fēng)對(duì)船的阻力RAA由空氣動(dòng)壓作用于水面以上的船體上而形成，通過(guò)船艏風(fēng)阻力因子CAA計(jì)算。

RAA=CAA×(1/2×ρ×AT×VRW2)

(2)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；AT水線以上橫投影面積，m2。

2)CAA可以通過(guò)下述公式計(jì)算(公式由常規(guī)商船整船模型風(fēng)洞試驗(yàn)得出)

CAA=A0+A1×2A1/LOA2+A2×2AT/B2+A3×LOA/B+A4×S/LOA+A5×C/LOA+A6×M

(3)

式中LOA為總長(zhǎng)，m;B船寬，m;S側(cè)投影周長(zhǎng)(不計(jì)水線長(zhǎng)及細(xì)長(zhǎng)船體舾裝件，如桅桿，通風(fēng)筒等)，m;M在側(cè)投影上顯著的桅桿或立柱的數(shù)量;C從艏部到側(cè)投影形心的水平距離，m;A0,A1, …A6的值[3]查表取得，該表由風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果給出，相對(duì)風(fēng)同船艏的夾角不同，則對(duì)應(yīng)的值不同。

3)在確定CAA的試驗(yàn)中，其邊界層近似于風(fēng)傾斜作用于海面。這里針對(duì)實(shí)際的邊界層流速不同增加一個(gè)邊界層流速的修正因子，Φ1，另外增加一個(gè)表示航速試驗(yàn)中不同的測(cè)風(fēng)儀高度對(duì)CAA的修正的修正因子，Φ2。

因此，艏部風(fēng)阻力系數(shù)為

CAA1=CAA×Φ1×Φ2

(4)

式中：

式中n取值如下。

集裝箱船n=11，拖撈船，n=10，其他船n=9.5。

4)計(jì)算風(fēng)阻力RAA及風(fēng)消耗的功率PSW。

RAA=CAA1×(1/2×ρ×AT×VRW2)=

AT/C×CAA1×VRW2

式中C=5.838(1+0.00 366t)×1 012.5/Pa；其中：t為大氣溫度，C°；Pa為大氣壓力， mbar。

PSW=PEW/ηD

(6)

2.3 浪的修正計(jì)算

采用ITTC2006推薦的浪阻力計(jì)算公式。

RWV= 0.64×ξW2×B2×CB×ρA×1/LOA

(7)

式中：ξW為浪高，m;ρA為海水密度，t/m3。

此處浪高ξW為浪高(wave)和涌高(swell)的合成浪高。

(8)

式中：ξwave為浪高，m;：ξswell為涌高，m。

2.4 潮流分析

1)在風(fēng)和浪的修正之后，假定沒(méi)有潮流存在的情況下，無(wú)風(fēng)無(wú)浪的的軸功率和航速數(shù)據(jù)應(yīng)落在一根光滑的功率速度曲線上(對(duì)地速度與修正后的軸功率)，有潮流存在的情況下，上述值形成不同航向的曲線近似平行。

2)取測(cè)量點(diǎn)到平均線的水平距離為潮流速度，以時(shí)間為橫坐標(biāo)軸繪制潮流速度曲線。

3)依據(jù)各潮流速度點(diǎn)，繪制潮流速度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)線，把每個(gè)航次(即每個(gè)時(shí)間)對(duì)應(yīng)趨勢(shì)線上的潮流速度回歸到1)，重復(fù)1)到3)，直到得到各航次的潮流速度點(diǎn)同趨勢(shì)線比較吻合，取曲線上的潮流速度對(duì)各航速進(jìn)行潮流速度修正。

2.5 淺水修正

如果測(cè)速水域水深不滿足下式，則需要進(jìn)行淺水修正計(jì)算。

(9)

式中：h為試驗(yàn)區(qū)水深，m;d為設(shè)計(jì)型吃水，m；V為試驗(yàn)預(yù)計(jì)達(dá)到的最大航速，kn；Lbp為垂線間長(zhǎng)，m。

采用Lackenby公式進(jìn)行淺水修正。

ΔVS/VS= 0.1242(AM/h2-0.05)+

1-[tanh (gh/vS2)]1/2

(10)

式中：ΔVvs在淺水中損失的航速，kn;VS船舶相對(duì)水流的速度，kn;vS船舶對(duì)水速度，m/s;h為試驗(yàn)區(qū)水深，m。

2.6 修正匯總及航速預(yù)報(bào)

依據(jù)最后的修正功率和速度，繪制試航狀態(tài)對(duì)應(yīng)的航速曲線，再繪制模型試驗(yàn)各狀態(tài)下的速度曲線，用比例法繪制其他各狀態(tài)的實(shí)船航速曲線，并預(yù)報(bào)考核點(diǎn)航速。

3 結(jié)論

本文所介紹的航速修正標(biāo)準(zhǔn)方法主要基于BSRA方法，并采用ITTC2005浪修正公式彌補(bǔ)BSRA方法缺陷。根據(jù)目前實(shí)船經(jīng)驗(yàn)，該修正標(biāo)準(zhǔn)適用于10萬(wàn)t級(jí)以上一般排水型低速船舶，對(duì)于特殊船型，需要通過(guò)實(shí)船進(jìn)一步檢驗(yàn)其合理性。另外，實(shí)船航速修正過(guò)程需要大量的輸入數(shù)據(jù)，這就需要在試航前精心準(zhǔn)備，在試航測(cè)速試驗(yàn)過(guò)程中需要仔細(xì)測(cè)量并采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，盡可能降低航速修正過(guò)程中的修正誤差，提高航速修正結(jié)果的準(zhǔn)確度。建議公司建立數(shù)據(jù)庫(kù)，盡可能收集所有船舶的航速數(shù)據(jù)，并對(duì)該數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行整理分析，為進(jìn)一步檢驗(yàn)和完善該標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。