螺旋槳轉(zhuǎn)速裕度和EEDI最小功率評(píng)估的探討

黃光兵

摘要： 針對(duì)IMO對(duì)船舶EEDI最小裝機(jī)功率的要求，以某64000噸散貨船為研究對(duì)象，通過選定的主機(jī)型號(hào)匹配不同轉(zhuǎn)速裕度的螺旋槳，利用法規(guī)中第二層次簡化評(píng)估方法，對(duì)船舶裝機(jī)功率的合規(guī)性進(jìn)行了計(jì)算和分析，表明螺旋槳設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速裕度的大小對(duì)于基于該方法的評(píng)估結(jié)果有一定的影響，且其影響幅度和船型波浪增阻的大小有著直接的關(guān)系，為降低船舶EEDI最小裝機(jī)功率，提升船舶EEDI水平提供了一條蹊徑。

Abstract： According to IMO's requirements for minimum installed power of EEDI， a 64000 DWT bulk carrier is taken as the research object. The compliance of the ship's installed power is calculated and analyzed by using the simplified method i.e. the second level method stipulated in the regulations by selecting the main engine type to match the propeller with different light running margin. The results show that the light running margin of propeller has a certain influence on the evaluation results based on this method and the amplitude of the influence is directly related to the size of the wave-increased resistance of the ship， which provide a practicable solution to reduce the minimum allowable installed propulsion power and improve the attained EEDI level of a vessel.

關(guān)鍵詞： EEDI最小功率;螺旋槳轉(zhuǎn)速裕度;波浪增阻

Key words： EEDI minimum installed power;propeller light running margin;wave-increased resistance

中圖分類號(hào)：F407.474? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）19-0051-02

0? 引言

根據(jù)MARPOL附則VI相關(guān)規(guī)定，自2025年1月1日起，簽訂合同的新造船必須滿足Phase 3階段EEDI相關(guān)要求。以2萬載重噸以上的散貨船為例，其EEDI值相對(duì)于目前的要求要再降低10%以上，即要低于基線值30%以上。

現(xiàn)階段，考慮相關(guān)技術(shù)的成熟性和建造成本，降低主機(jī)裝機(jī)功率仍然是提升船舶EEDI水平最為有效的手段，但是受到IMO決議MEPC.232（65）中關(guān)于船舶最小功率的要求的限制，裝機(jī)功率也無法過度降低，必須要考慮保持船舶在惡劣海況下的操縱性能，確保船舶航行安全。據(jù)了解，目前市場上新退出的6～10萬噸級(jí)散貨船，為了滿足當(dāng)前的EEDI法規(guī)要求，其設(shè)計(jì)裝機(jī)功率一般都無法滿足第一層次中基線評(píng)估的要求，而是要通過第二層次的簡化評(píng)估法來滿足最小功率的要求。但簡化評(píng)估方法需要用到船舶的波浪增阻數(shù)值，該數(shù)值一般需要依靠船模的波浪增阻試驗(yàn)獲得。

法規(guī)中第二層次簡化評(píng)估方法的基本原理是，在給定的風(fēng)浪條件下，如果船舶裝機(jī)功率足夠大，能在迎風(fēng)迎浪的條件下以規(guī)范要求的最小航速保持航行，那么該船也能在其他任何浪向、風(fēng)向下保持航行。簡化評(píng)估流程主要可分為兩步，一是確定給定風(fēng)浪條件下的最小航速，二是評(píng)估船舶主機(jī)是否能夠提供足夠的動(dòng)力使船舶在迎風(fēng)、迎浪條件下以上述最小航速保持航行，即螺旋槳負(fù)載應(yīng)小于主機(jī)持續(xù)運(yùn)行工況下對(duì)應(yīng)的功率限值[1]。

對(duì)于采用低速機(jī)的船型，MAN B&W公司目前推薦選取的轉(zhuǎn)速裕度范圍為4%～10%。在船型設(shè)計(jì)中，結(jié)合實(shí)際情況[2]，一般選用5%～7%。轉(zhuǎn)速裕度設(shè)定的過低，惡劣海況下航行時(shí)容易出現(xiàn)主機(jī)過載情況，且易導(dǎo)致主機(jī)加速過程緩慢，轉(zhuǎn)速裕度設(shè)定過高，則會(huì)影響螺旋槳推進(jìn)效率，以及主機(jī)無法滿負(fù)荷運(yùn)行。

基于上述船舶最小功率計(jì)算原理和轉(zhuǎn)速裕度的設(shè)定情況，在機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)時(shí)，如果適當(dāng)增加螺旋槳的轉(zhuǎn)速裕度，可以使得給定負(fù)載下對(duì)應(yīng)的螺旋槳的轉(zhuǎn)速增加，則對(duì)應(yīng)的主機(jī)功率限值也會(huì)相應(yīng)增加，那么在選定的主機(jī)SMCR點(diǎn)不變時(shí)，船舶滿足最小功率要求會(huì)更加容易。但是，增加轉(zhuǎn)速裕度，會(huì)導(dǎo)致靜水狀態(tài)螺旋槳推進(jìn)效率降低，需要結(jié)合其對(duì)船舶快速性的不利影響，對(duì)船舶運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性和船舶EEDI水平進(jìn)行綜合評(píng)估。本文以某60000噸級(jí)船型為例，匹配兩種不同輕轉(zhuǎn)裕度的螺旋槳，采用第二層次的評(píng)估方法，對(duì)船舶最小功率的合規(guī)性進(jìn)行校核，分析螺旋槳轉(zhuǎn)速裕度對(duì)于船舶最小功率評(píng)估的影響。

本文中船舶的波浪增阻值參照某已做過波浪增阻試驗(yàn)的母型船進(jìn)行估算，兩個(gè)螺旋槳敞水性能參數(shù)和船型快速性數(shù)據(jù)取自國外權(quán)威水池的敞水試驗(yàn)和自航試驗(yàn)結(jié)果。

1? 主機(jī)參數(shù)的計(jì)算

主機(jī)持續(xù)運(yùn)行工況下的功率限制線根據(jù)MAN B&W公司提供的計(jì)算方法[3]進(jìn)行計(jì)算。

擇選機(jī)型為MAN B&W6G50ME-C9.6，SMCR點(diǎn)功率值為7600kW，轉(zhuǎn)速為87r/min。

2? 螺旋槳選型

根據(jù)主機(jī)廠家的推薦，轉(zhuǎn)速裕度一般為4%～10%，本次研究選用的兩個(gè)螺旋槳，其中螺旋槳1轉(zhuǎn)速裕度為8.0%，螺旋槳2轉(zhuǎn)速裕度為4.2%，具體參數(shù)見表1。

3? 最小功率的評(píng)估

最小功率的評(píng)估按照IMO決議MEPC.232（65）中第二層次規(guī)定的方法進(jìn)行。

①最小前進(jìn)航速。

船舶頂風(fēng)頂浪前進(jìn)時(shí)，最小前進(jìn)航速計(jì)算：

Vnav=4.0kn

Vck=Vck，ref-10.0×（AR%-0.9）=4.80節(jié)

Vck，ref=4.84節(jié)，根據(jù)決議MEPC.232（65）第3.7條由線性插值法求得風(fēng)浪中最小前進(jìn)航速：Vs=Max（Vnav，Vck）=4.80kn。

②波浪增阻。

波浪增阻參照母型船和經(jīng)驗(yàn)公式求得，結(jié)果見表2。

③最小裝機(jī)功率評(píng)估。

該評(píng)估在船舶最大吃水狀態(tài)下，以要求的風(fēng)浪中最小前進(jìn)航速前進(jìn)的狀態(tài)下進(jìn)行，該狀態(tài)下所需要的推力計(jì)算

T=（Rcw+Rair+Raw+Rapp）/（1-t）

其中，

Rapp為附體阻力，根據(jù)附體濕面積，取1%Rcw。

螺旋槳進(jìn)速因子J查螺旋槳敞水曲線可獲得，KQ（J）通過螺旋槳敞水曲線查得，相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率假定為1.0。根據(jù)計(jì)算方法，最小功率評(píng)估計(jì)算見表3和表4。

由表3和表4計(jì)算結(jié)果可知，在型線和主機(jī)選型相同的情況下，選用1號(hào)螺旋槳，可以滿足法規(guī)第二層次方法對(duì)于船舶最小推進(jìn)功率的評(píng)估要求，選用2號(hào)螺旋槳，則無法滿足該要求。對(duì)于船舶快速性的影響：①船模試驗(yàn)表明，使用2號(hào)槳，同樣設(shè)計(jì)功率下，其設(shè)計(jì)航速較1號(hào)槳快約0.05節(jié);②根據(jù)多條姐妹船的試航測速的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比，使用2號(hào)槳的船舶航速較1號(hào)船快約0.1節(jié)，即航速降低1%不到。故以本次研究為例，1號(hào)槳轉(zhuǎn)速裕度增加約3.8%時(shí)，其推進(jìn)效率較2號(hào)槳推進(jìn)效率下降約2%～4%。

4? 結(jié)論

①增加螺旋槳的輕轉(zhuǎn)裕度，相當(dāng)于船舶在風(fēng)浪中以特定航速航行時(shí)，給主機(jī)留有了更大的儲(chǔ)備功率。所以，在主機(jī)選型和螺旋槳設(shè)計(jì)階段，適當(dāng)增加螺旋槳的轉(zhuǎn)速裕度，可以有效降低按照IMO法規(guī)第二層次評(píng)估方法要求的船舶最小裝機(jī)功率限值。一般來說，波浪增阻越大，螺旋槳輕轉(zhuǎn)裕度的大小對(duì)于第二層次評(píng)估的結(jié)果影響越明顯。

②對(duì)于采用第二層次評(píng)估方法的進(jìn)行最小裝機(jī)功率評(píng)估的船型，如在波浪增阻試驗(yàn)后，計(jì)算結(jié)果表明既定的船舶裝機(jī)功率無法滿足法規(guī)最小功率的要求，可以通過適當(dāng)加大螺旋槳輕轉(zhuǎn)裕度的方式來嘗試滿足評(píng)估要求。

③船型波浪增阻的大小，對(duì)第二層次方法的評(píng)估結(jié)果有較大的影響，故以優(yōu)化EEDI為目標(biāo)的船型設(shè)計(jì)中，可以適當(dāng)考慮波浪增阻的優(yōu)化比重，必要時(shí)可適當(dāng)考慮犧牲快速性指標(biāo)或者載重量指標(biāo)，以達(dá)到盡可能降低船舶裝機(jī)功率，提升船舶EEDI水平的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏錦芳，王杉，蘇甲，陳京普.船舶最小推進(jìn)功率跟蹤研究[J].中國造船，2014（4）：20-25.

[2]吳小平.船舶螺旋槳輕轉(zhuǎn)裕度探討[J].船舶與海洋工程，2017，33（5）.

[3]MAN B&W Load Limits for MAN B&W Two-Stroke Engines.