长江1 000车滚装船EEDI验证分析

(中国船级社武汉规范研究所，武汉 430022)

随着社会对船舶温室气体排放的关注，有关船舶能效方面的法规和规范相继出台实施。就内河运输船舶而言，所要满足的强制性标准其中之一就是CO2排放指标和燃料消耗指标[1]。中国船级社也发布了《内河绿色船舶规范》，规范就内河船舶有关能效指数(EEDI)验证流程和能效要求进行规定。按照绿色规范要求[2]，船舶能效指数验证包括设计阶段的初步验证和试航阶段的最终验证，初步验证一般基于水池试验数据或者数值计算结果，而最终验证则基于实船测试的结果并作为EEDI最终判定的依据。内河船舶大多采用双桨双舵布置，初步验证所预报的实船航速功率性能和最终验证实船测试结果之间的差异及预报分析流程的相关研究较少。考虑对1 000车长江商品汽车滚装船进行实船航速功率性能，结合试航测试，进行EEDI验证。

1 验证船舶主要信息

验证船型为长江新型1 000车商品汽车滚装船，航行于内河A、B、C航区以及J级航段。该船采用球艏和双尾线型设计，船舶三维线型见图1，船舶主尺度与主机、辅机的主要信息见表1。

图1 1 000车滚装船三维模型

表1 目标船舶主尺度、主机和辅机信息

2 实船航速功率预报

2.1 实船有效功率曲线

EEDI初步验证的水池试验包括船模阻力试验、螺旋桨桨模的敞水试验和自航试验。试验船模及桨模的缩尺比均为14.866 5。

基于船模阻力的水池试验结果，采用二因次换算得到实船有效功率，对于无舭龙骨船，实船总阻力系数为

CTs=CFs+CRs+ΔCF+CAA

(1)

式中：CFs为实船摩擦阻力系数，由ITTC1957公式得到；CRs为实船剩余阻力系数，根据船模试验得到；ΔCF为粗糙度补贴系数。

(2)

其中：ks取平均值150×10-6m；Lwl为船舶实际水线长，m；CAA为空气阻力系数。

(3)

其中：AT为船体水线上受风面积，m2；Sw为船体湿表面积，m2。

实船总阻力RTs及有效功率PEs计算如下。

(4)

PEs=RTs·Vs

(5)

式中：ρ为15 ℃时的淡水密度，999.04 kg/m3；Vs为实船航速，m/s。

由于本船的设计航速为22 km/h，在设计航速附近区间[15 km/h,27 km/h]，每间隔1 km/h进行相似速度下的船模阻力测试，根据船模阻力测试结果，按照以上方法换算得到实船的总阻力RTs及有效功率PEs，结果见图2。

2.2 螺旋桨实桨敞水性能

基于螺旋桨桨模敞水试验结果进一步换算得到实桨的敞水性能结果，桨模和实桨主要参数见表2。

表2 目标船舶桨型参数

螺旋桨桨模敞水试验采用定转速变进速方法，桨模和实桨的性能曲线采用以下方法换算：同一进速系数J下，实桨和桨模的推力系数KT和转矩系数KQ关系见下式，下标s和m分别代表实桨和桨模。

KTs=KTm-ΔKT

(6)

KQs=KQm-ΔKQ

(7)

式中：ΔKT、ΔKQ分别为尺度作用对推力系数和转矩系数的影响。

(8)

(9)

其中：Zp为螺旋桨桨叶数；P/Dp为0.75R处的螺距比；b/Dp为0.75R处切面弦长与直径之比；ΔCD为桨模及实桨在0.75R处切面的阻力系数之差，即：

ΔCD=CDm-CDs

(10)

(11)

(12)

其中：b为0.75R处的切面弦长；t/b为0.75R处的厚度比；Kp为实桨的表面粗糙度，30×10-6m；Re为螺旋桨模雷诺数。

基于螺旋桨桨模敞水性能试验结果，采用以上方法，进行螺旋桨实桨和模型桨之间的性能换算。桨模敞水试验采用定转速、变进速的方式进行测量，分别进行左右两桨桨模的敞水性能测试，桨模及实桨的敞水性能见图3、4。

图3 螺旋桨桨模敞水性能

图4 螺旋桨实桨敞水性能

2.3 实船航速功率计算

实船航速功率性能预报需要实船的有效功率曲线、螺旋桨实桨的敞水特性、实船的推进效率和自航因子。其中，有效功率曲线通过船模阻力试验换算得到，螺旋桨特性通过桨模的敞水性能试验得到，而推进效率各部分和自航因子通过自航试验换算得到。自航试验测得对应船速下的螺旋桨转速np、摩擦阻力修正FD、船后桨模推力Tm和转矩QBm。船后螺旋桨模型的推力系数KTm和转矩系数KQBm为

(13)

(14)

根据用等推力法查找螺旋桨桨模敞水性能曲线，得到桨模进速系数J、敞水转矩系数KQ0m，敞水效率η0m，相对旋转效率ηRm、推力减额分数tm和伴流分数ωm。

实船的伴流分数按照ωs为

ωs=(tm+0.04)+

(15)

螺旋桨实桨进速VAs为

VAs=(1-ωs)Vs

(16)

实船的推力减额分数与相对旋转效率无尺度作用，即和船模水池试验结果保持一致。

tm=ts

ηRs=ηRm

(17)

实船船身效率ηHs为

(18)

螺旋桨发出的总推力Ts为

(19)

本船为双桨推进，单桨推力应为Ts/2。根据单桨推力，得到螺旋桨单桨的载荷系数KT/J2。

(20)

螺旋桨载荷系数KT/J2对于一定航速而言是以常数，根据螺旋桨实桨的敞水性能绘制得到实桨的进速系数Js-载荷系数KT/J2曲线，经插值得到对应航速下的实桨的进速系数J，该点表示实船螺旋桨的工作点，并由此得到实桨的敞水效率和转矩系数等数据。对于双桨推进船舶，敞水效率η0s取左右两桨的平均值。

实船的推进效率ηD为

ηD=η0s·ηHs·ηRs

(21)

实桨转速Ns为

(22)

所需要的主机功率Ps为

(23)

式中：ηs为轴系传递效率，本船取ηs=0.94。

实船性能预估见图5～7。

图5 实船航速-主机功率预估

图6 实船航速-推进效率预估

图7 实船航速-螺旋桨转速预估

3 实船测试验证

3.1 测试流程及状态

EEDI的最终验证要进行实船的航速功率测试，测试按照ITTC及相应的国标要求的流程进行[3-6]。

实船测试地点为长江武汉沌口水域，在试验开始前，记录测试水域的环境条件和船舶状态，其中水域环境条件包括水深、浪高、风力、风向、气温、水温和气压等信息，船舶状态包括船舶艏、舯、艉3个位置吃水以及船舶排水量和载重吨等信息。1 000车长江商品汽车滚装船实船测试水域环境条件和船舶状态信息见表3～4。

表3 实船测试时环境条件

表4 实船测试时船舶状态

3.2 测试结果分析

实船测试吃水状态和水池试验吃水工况相对应，均为船舶设计吃水状态。航速-功率测试选择4个不同的主机工况进行，对应的主机名义转速分别为，每工况各进行上水和下水2个航次的测量。在测速过程中船舶保持直线航行，同时进行左、右主机轴功率和油耗率的测量。其中航速测试采用DGPS测量系统完成，取同一工况上水/下水速度的平均值作为船舶在该工况下的静水航速。

根据实船测试结果得到1 000车商品汽车滚装船的航速-功率关系曲线，以及船舶主机功率-油耗关系曲线，依此作为船舶EEDI最终验证时的75%主机功率下的航速和燃油消耗率的参数。基于水池试验预报航速主机功率曲线和实船测试的船舶航速-功率点对比验证结果见图8，4个点分别为实船测试的4个主机工况点。可以看出，基于水池试验预报的船舶航速功率曲线和实船测试的数据点吻合度很好。

图8 水池预报和实船测试的船舶航速-功率关系

在此基础上计算EEDI的验证航速，基于水池试验预报得到船舶75%功率下的航速为24.54 km/h，基于实船测试得到船舶75%功率下的航速24.42 km/h，两者之间的相对误差小于1%。实船测试得到船舶主机功率-油耗关系见图9，由此得到船舶左、右主机分别对应的EEDI燃油消耗率分别为221.8 g/kW·h和221.2 g/kW·h。同样方法测得辅机50%功率下的燃油消耗率为228.73 g/kW·h。

图9 实船测试船舶主机功率-油耗曲线

4 EEDI计算与评估

4.1 Attained EEDI计算

根据《内河绿色船舶规范》要求计算船舶实际达到的Attained EEDI为50.496。

(24)

式中：PME为主机功率，kW；PAE为辅机功率，kW；SFCYME(i)为主机燃油消耗率，g/kW·h；SFCYAE(i)为辅机燃油消耗率，g/kW·h；CFME(i)为主机碳转换系数，取3.206；CFAE(i)为主机碳转换系数，取3.206；feff(i)为采用新能源、新技术，取0；Capacity为载重吨，对于本船为1 700 t;Vref为EEDI基准航速，kn。

4.2 EEDI评价

根据《内河绿色船舶规范》，汽车滚装船的极限值RLV为53.719。

RLV=a×b-c

(25)

绿色船舶-1能效设计指数要求为

Attained EEDI≤RLV

(26)

显然，该船能效满足要求。

5 结论

1)初步验证预报的实船航速功率曲线和实船最终验证测试得到船舶航速功率点基本吻合。初步验证所预报的实船在75%主机功率下的航速为24.54 km/h，最终验证测得的实船75%功率下的航速24.42 km/h，两者差距较小。本文所采用的实船航速功率性能预估能够用于EEDI初步验证。

2)基于该船实船测试得到的基准航速及主机燃油消耗率等数据，计算该船的Attained EEDI，该船能效达到内河绿色船舶-1的要求。