某型交通艇船舶污底對航行性能影響的實船試驗分析

周宏偉1，張益誠2，詹淑湖1，盧希賢1，姚震球，袁偉

(1.75608部隊，廣東 深圳 518054；2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064；3.江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212008)

船舶如果長時間停留在某一港口，水線下船體和螺旋槳會附著較多的海洋生物從而導致船舶污底，進而影響到船舶的航速和油耗。某型交通艇服役海域相對固定，特別是當長期在熱帶海域服役時，水體營養(yǎng)豐富，污底會成倍增長，航速會急劇下降。波羅的海國際航運公會(BIMCO)于2012年10月起草了船舶污底條款[1]，規(guī)定“如果船舶在熱帶或非熱帶水域“在某地、錨地或泊位停留時間或來回移動時間的總和超過15 d，承租人有義務(wù)對船體進行清污”。交通艇對航速的要求較高，需要及時清污，但是若參照此規(guī)定執(zhí)行全部船體清污保養(yǎng)，將耗時過長、開支巨大。隨著環(huán)保政策的陸續(xù)頒布，塢修時高毒性防污油漆的使用也受到了一定限制，交通艇船舶污底現(xiàn)象愈加突出，現(xiàn)有的研究[2]較少針對交通艇開展實船試驗進行分析論證，也較少涉及不同部位(水線下船體和螺旋槳)污底對航速的影響程度的研究。同時，在負荷限制范圍內(nèi)，能否通過局部清污以達到保持航速和減少清污耗費的目的，也缺乏相應(yīng)的探計。為此，首先進行污底故障的判定與勘驗，然后分兩階段進行污底清潔和實船試航試驗，為局部清污提供理論依據(jù)。

1 故障勘驗與分析

1.1 基本情況

某型交通艇2艘(A、B)，深V型艇體，艇長60.1 m，型寬8.4 m，滿載排水量413 t，配有4臺TBD620V16主機(額定功率為2 032 kW×4)，設(shè)計最大航速不低于30 kn。

2018年12月A艇結(jié)束小修，試航最大速度為26.8 kn(滿載，4臺主機轉(zhuǎn)速1 730 r/min)。2019年5月，該艇航速下降到12 kn左右(滿載，4臺主機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min)，同時出現(xiàn)主機負荷增大、排溫增高的現(xiàn)象，戰(zhàn)、技術(shù)性能達不到設(shè)計要求。

B艇于2019年6月小修結(jié)束，試航最大速度為27.5 kn(滿載，4臺主機轉(zhuǎn)速為1 730 r/min)。2020年6月左右，該艇航速下降到12.5 kn(滿載，4臺主機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min)，4臺主機均出現(xiàn)負荷增大、排溫增高的現(xiàn)象。同時，該艇1#主機在4×750、4×850和4×1 000車令下，轉(zhuǎn)速無法提升至車令目標轉(zhuǎn)速(偏低20～100 r/min)。

1.1.1 靜態(tài)勘驗

該型交通艇布局緊湊，軸系距底板空間狹小，未安裝遙測功率儀，主機功率只能參照油門刻度。同時，為方便分析主機超負荷運轉(zhuǎn)情況，使用Heinzmann DC2軟件，讀取每個轉(zhuǎn)速下主機允許給定的最大油門齒條格數(shù)，擬制4臺主機設(shè)定的負荷限制曲線(與B艇2#主機7月16日動態(tài)勘驗運行工況圖類似)。

對兩艇船底進行探查攝像，檢查螺旋槳、舵葉、軸系、船底板和舷側(cè)水下部分的污底情況，均發(fā)現(xiàn)海生物附著嚴重，海生物主要為藤壺，船底表面凸凹不平，污損FG5級，螺旋槳平均附著厚度均為5～10 mm；水線下船體海生物附著A艇比B艇嚴重，面狀分布，覆蓋面積達50%～70%。

1.1.2 動態(tài)勘驗

2020年7月10日、7月16日分別對A艇、B艇進行動態(tài)故障勘驗，檢查主機、齒輪箱、軸系、舵的工作狀態(tài)和船體的震動情況。經(jīng)勘驗，發(fā)現(xiàn)兩艇傳動系統(tǒng)運行正常、船體無異常震動，主機出現(xiàn)負荷增大、排溫增高、油耗升高的現(xiàn)象(記錄數(shù)據(jù)見表1)，在車令為4×1 000時，主機負荷接近限制線，渦后排溫過高(A艇在車令為4×1 000時，渦后排溫接近報警線550 ℃)，主機轉(zhuǎn)速無法繼續(xù)提升，航速僅為12～13 kn，遠低于設(shè)計航速。

表1 A、B艇動態(tài)勘驗結(jié)果

1.2 故障分析

將A艇、B艇4臺主機靜態(tài)勘驗的負荷限制參數(shù)與動態(tài)勘驗的各工況油門刻度進行對比分析，以主機轉(zhuǎn)速(r/min)和油門刻度(%)構(gòu)建坐標系，發(fā)現(xiàn)兩艇主機工況均與負荷限制變化曲線重合。以B艇2#主機為例，見圖1。

圖1 B艇2#主機7月16日動態(tài)勘驗運行工況

1.2.1 船舶阻力R

船舶航行時，船舶總阻力R與船速V的平方呈正比，計算公式為R=ARV2(其中AR為阻力系數(shù)，與污底程度、船體線型、海情等因素有關(guān))。因此，從水下勘驗結(jié)果可以看出，兩艇船底污損嚴重，水線下船底表面凸凹不平，表面粗糙度變大，船體流線型降低，阻力系數(shù)AR增大，船體阻力R增加，主機負荷顯著增大。

1.2.2 螺旋槳推進性能

海生物附著在螺旋槳表面后，螺旋槳葉表面粗糙度變大、切面厚度增加、線型被改變。采用計算流體力學的方法對螺旋槳淌水試驗流場進行模擬，通過設(shè)置槳葉壁面粗糙度參數(shù)模擬海生物附著情況，研究結(jié)果表明：當?shù)刃П诿娲植诙仍黾訒r，推力系數(shù)Kt逐步減小、力矩系數(shù)Kq逐步增加，螺旋槳推進性能顯著下降。在相同進速條件下，引起螺旋槳轉(zhuǎn)矩增大和推力損失，螺旋槳特性曲線變陡，則會導致螺旋槳與主機動力的不匹配現(xiàn)象，見圖2。

圖2 出現(xiàn)船舶污底時的螺旋槳推進性能

船底光滑時，主機與螺旋槳配合的工作點為a；當出現(xiàn)污底、航行阻力增大時，若供油量保持不變時，主機轉(zhuǎn)速下降至n2(n2

1.2.3 綜合分析

對兩艇故障勘驗的數(shù)據(jù)進行分析，基本判定兩艇航速下降的原因為水線下船體污損和螺旋槳海生物附著，航行阻力增大，螺旋槳推進性能降低，轉(zhuǎn)矩增加[4]，推力損失，主機負荷增大，主機供油量大幅增加，直至供油量與負荷限制曲線重合，導致負荷限制保護、油量供給限制，主機轉(zhuǎn)速難以繼續(xù)提升，航速達不到設(shè)計值[5]。

2 分階段實船試驗與分析

為分析水線下船體污損和螺旋槳海生物附著對航行性能的影響程度，分兩階段對B艇進行污底清潔和實船試驗：①螺旋槳清潔完成后，進行第一階段動態(tài)試航和數(shù)據(jù)采集；②水線下船體清潔完成后，進行第二階段動態(tài)試航和數(shù)據(jù)采集。試驗水域位珠江口深圳公共航道，氣象為4級以下海況，試驗艇污損達到FG5級，深V型艇體，排水量均為409 t，對每個車令進行2次數(shù)據(jù)采集(往返一次，即兩個單程)。

2.1 螺旋槳清潔后試驗

在B艇螺旋槳清潔完成后(水線下船底污損保持不變)，7月17日進行實船試驗和試航數(shù)據(jù)采集。與7月16日故障勘驗數(shù)據(jù)進行對比。

1)螺旋槳海生物附著后，螺旋槳推進性能下降，大幅增大主機負荷，極易觸發(fā)負荷限制。清潔螺旋槳后，主機負荷下降，主機負荷限制消除，主機轉(zhuǎn)速可以持續(xù)提升，當升至1 700 r/min時，航速達到25.12 kn(見圖3、4)。

圖3 B艇2#主機7月17日試驗運行工況

圖4 B艇7月17日試驗航速

2)螺旋槳附著海生物后，船舶航速嚴重下降。主機轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，航速下降2.52 kn，隨著轉(zhuǎn)速提高，航速進一步大幅下降(見圖5)。

圖5 螺旋槳海生物附著后航速下降值與主機轉(zhuǎn)速的關(guān)系

3)螺旋槳附著海生物后，主機油耗大幅增加。在主機平均轉(zhuǎn)速為1 100 r/min時，同比增加5.47%，主機轉(zhuǎn)速愈高，上升趨勢愈明顯(見圖6)。

圖6 螺旋槳海生物附著后油耗增加值與主機轉(zhuǎn)速的關(guān)系

2.2 水線下船底清潔后試驗

在清潔完B艇水線下船底(船舶污底全部清除)后，7月20日進行實船試驗，記錄采集試航數(shù)據(jù)。與7月17日試驗數(shù)據(jù)進行對比。

1)水線下船體污損引起的航速下降值與主機轉(zhuǎn)速呈正比，下降幅度較為平緩。在主機達到最大轉(zhuǎn)速1 860 r/min時，航速將下降1.8 kn(見圖7)。

圖7 水線下船體污損后航速下降值與主機轉(zhuǎn)速的關(guān)系

2)將水線下船體污損對油耗的影響分為2個區(qū)間：①主機轉(zhuǎn)速在650～1 350 r/min之間，油耗的增加幅度較為平緩，增加量為1%～2%；②主機轉(zhuǎn)速在1 350～1 860 r/min之間，油耗隨主機轉(zhuǎn)速的提升而快速增加，增加量為4%～8%(見圖8)。

圖8 水線下船體污損后油耗增加值與主機轉(zhuǎn)速的關(guān)系

3 結(jié)論

1)螺旋槳附著海生物后，將導致航速嚴重下降，油耗大幅增加，在主機轉(zhuǎn)速為1 100 r/min時，航速下降2.52 kn，油耗增加5.47%，并隨著轉(zhuǎn)速提高，變化程度逐步增加，進而引發(fā)主機負荷限制，航速無法提升。

2)水線下船體污損引起的航速下降值與主機轉(zhuǎn)速呈正比，下降程度較為平緩，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值趨勢線，下降幅度為3.67～6.16%，在主機達到最大轉(zhuǎn)速1 860 r/min時，航速將下降1.8 kn。

3)主機轉(zhuǎn)速在650～1 350 r/min區(qū)間，水線下船體污損引起油耗增加值較小，為1%～2%；主機轉(zhuǎn)速在1 500～1 860 r/min區(qū)間時，油耗隨主機轉(zhuǎn)速的提升而快速增加，增加值為4%～8%。

4)綜合分析兩個階段的實船試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)螺旋槳海生物附著會顯著引起航速下降、油耗升高，為航行性能的主要影響因素；水線下船體污損，為次要影響因素。該深V型、FG5級污損交通艇，螺旋槳海生物附著占船舶污底總影響的權(quán)重值為68.68%～77.14%。

從研究結(jié)果可以看出，螺旋槳海生物附著對于深V型高速艇的航行性能影響顯著。在使用維護中，應(yīng)定期對螺旋槳附著海生物進行檢查，視情清潔除污；一旦出現(xiàn)因船舶污底造成的航速嚴重下降故障，注意綜合衡量船體清潔檢修時間與成本，優(yōu)先清理螺旋槳表面附著物。