企业标准化船舶航速修正方法

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

航速试验是实船试航的重要试验之一，试验结果直接表征航速是否满足合同要求，如不达标，可能导致罚款或弃船，并影响船厂建造声誉。合同或建造规格书一般规定理想环境条件(即无风无浪且深水)下的航速，而实际上实船试航往往难以在理想环境条件下进行。对于外高桥船厂(以下简称SWS)的试航船来说，部分船舶试航在天气条件理想的情况下进行，航速测试结果直接满足合同要求。然而更多的船舶受风浪等环境因素影响，原始测量结果达不到合同航速指标，必须按照规格书约定的航速修正方法，考虑环境因素进行航速修正后，得出理想环境下的航速结果。

纵观国外的各修正方法，其考虑的修正因素各不相同，以ISO/FDIS 15016为例：2002考虑的较为全面，其方法涉及对风、潮流、波浪、操舵、水温、航行状态和浅水的修正。但概念模糊，难以操作，并未得到广泛推广。而BSRA测速分析标准方法(BSRA即英国造船研究协会，以下简称BSRA方法)[1]易于实现，目前被普遍采用，但BSRA也存在缺陷，例如其未考虑波浪和涌浪对航速带来的不利影响。

SWS 175KBC/177KBC/176KBC/206KBC、105K/108KAFRAMA、316K/297KVLCC规格书中均提到按照BSRA方法进行航速修正。

BSRA方法给出了风、潮流、浅水修正的计算方法，但对于浪没有具体的修正方法，按照实际经验，如遇到测速海况比较恶劣，浪比较大的时候，仅依照BSRA方法修正难以达到合同规定条件下的航速要求。因此，考虑结合实船修正的经验，并采用第24届ITTC 推荐的测速分析方法(以下简称ITTC2005方法)[2]中浪的修正方法，形成SWS航速修正企业标准，将风、潮流、海表面波浪、浅水等因素对航速的影响纳入标准中。

1 测试条件及试验

1.1 测试条件

并非任何海况下的测速结果都能进行航速修正，航速修正时必须满足下测速条件。

1)风力不大于蒲氏风级6级。

2)波浪的最大波高ξ1/10不大于3.0 m。

1.2 测速试验

所有测速试验都应进行往返航次测试，如果风力较大，则应选择顺风和逆风航向。

在测速试验中航向角应保持在±3°内；舵角保持在±5°内。

进行测速试验前，记录下述数据。①试验船名、海域、日期;②艏、舯、艉部的吃水;③测速区域的水深，海水密度，海水温度，大气温度，大气压力;④测风仪距水面高度。

每航次记录以下数据。①航向角；②相对风速和风向；③浪和涌大小；④螺旋桨转速、船舶对地速度和轴功率。

2 航速修正

需要准备的资料如下。总布置图、静水力表；船模试验报告；螺旋桨设计资料。

2.1 风的分析

根据测速试验记录值：相对风速VRW、相对风向以及船舶对地速度VG、船舶航向角，以及真风风速VTW，真风风向构成矢量三角形，以此来观察测速区域的风速风向状态。

VWT=Vg+VRW

(1)

2.2 风的修正计算

1)风对船的阻力RAA由空气动压作用于水面以上的船体上而形成，通过船艏风阻力因子CAA计算。

RAA=CAA×(1/2×ρ×AT×VRW2)

(2)

式中：ρ为空气密度，kg/m3；AT水线以上横投影面积，m2。

2)CAA可以通过下述公式计算(公式由常规商船整船模型风洞试验得出)

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

(3)

式中LOA为总长，m;B船宽，m;S侧投影周长(不计水线长及细长船体舾装件，如桅杆，通风筒等)，m;M在侧投影上显著的桅杆或立柱的数量;C从艏部到侧投影形心的水平距离，m;A0,A1, …A6的值[3]查表取得，该表由风洞试验结果给出，相对风同船艏的夹角不同，则对应的值不同。

3)在确定CAA的试验中，其边界层近似于风倾斜作用于海面。这里针对实际的边界层流速不同增加一个边界层流速的修正因子，Φ1，另外增加一个表示航速试验中不同的测风仪高度对CAA的修正的修正因子，Φ2。

因此，艏部风阻力系数为

CAA1=CAA×Φ1×Φ2

(4)

式中：

式中n取值如下。

集装箱船n=11，拖捞船，n=10，其他船n=9.5。

4)计算风阻力RAA及风消耗的功率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为大气温度，C°；Pa为大气压力， mbar。

PSW=PEW/ηD

(6)

2.3 浪的修正计算

采用ITTC2006推荐的浪阻力计算公式。

RWV= 0.64×ξW2×B2×CB×ρA×1/LOA

(7)

式中：ξW为浪高，m;ρA为海水密度，t/m3。

此处浪高ξW为浪高(wave)和涌高(swell)的合成浪高。

(8)

式中：ξwave为浪高，m;：ξswell为涌高，m。

2.4 潮流分析

1)在风和浪的修正之后，假定没有潮流存在的情况下，无风无浪的的轴功率和航速数据应落在一根光滑的功率速度曲线上(对地速度与修正后的轴功率)，有潮流存在的情况下，上述值形成不同航向的曲线近似平行。

2)取测量点到平均线的水平距离为潮流速度，以时间为横坐标轴绘制潮流速度曲线。

3)依据各潮流速度点，绘制潮流速度随时间变化的趋势线，把每个航次(即每个时间)对应趋势线上的潮流速度回归到1)，重复1)到3)，直到得到各航次的潮流速度点同趋势线比较吻合，取曲线上的潮流速度对各航速进行潮流速度修正。

2.5 浅水修正

如果测速水域水深不满足下式，则需要进行浅水修正计算。

(9)

式中：h为试验区水深，m;d为设计型吃水，m；V为试验预计达到的最大航速，kn；Lbp为垂线间长，m。

采用Lackenby公式进行浅水修正。

ΔVS/VS= 0.1242(AM/h2-0.05)+

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

(10)

式中：ΔVvs在浅水中损失的航速，kn;VS船舶相对水流的速度，kn;vS船舶对水速度，m/s;h为试验区水深，m。

2.6 修正汇总及航速预报

依据最后的修正功率和速度，绘制试航状态对应的航速曲线，再绘制模型试验各状态下的速度曲线，用比例法绘制其他各状态的实船航速曲线，并预报考核点航速。

3 结论

本文所介绍的航速修正标准方法主要基于BSRA方法，并采用ITTC2005浪修正公式弥补BSRA方法缺陷。根据目前实船经验，该修正标准适用于10万t级以上一般排水型低速船舶，对于特殊船型，需要通过实船进一步检验其合理性。另外，实船航速修正过程需要大量的输入数据，这就需要在试航前精心准备，在试航测速试验过程中需要仔细测量并采集试验数据，尽可能降低航速修正过程中的修正误差，提高航速修正结果的准确度。建议公司建立数据库，尽可能收集所有船舶的航速数据，并对该数据库进行整理分析，为进一步检验和完善该标准提供依据。