纵倾调整对三大主力船型航行性能的影响

宋 磊，童 骏，孙江龙

（1.华中科技大学船舶与海洋工程学院，武汉 430074；2.船舶数据技术与支撑软件湖北省工程研究中心，武汉 430074；3.武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

0 引言

为了获取更高效的航运利润以及满足更苛刻的碳排放标准，通过降低航行阻力进而减小主机功率是一种直接的方法，船舶纵倾调整可改变水下形状进而改变航行阻力，是一种简单便捷的方法。涂海文等［6］通过对4 250TEU集装箱船的纵倾调整研究，开发指导船舶不同工况下航行最佳纵倾数据库，将数据库集成于软件中指导实船运营，最终结果表明对该集装箱船可得到4%～6%的减阻效果；冯佰威［7］通过对某油船设计吃水工况进行数值仿真和模型试验，得出船舶在不同航速下尤其是较高时找到一个使阻力最小的纵倾角，并根据仿真数据拟合出阻力最小估算公式；孙江龙［8］以18 000DWT散货船为研究对象，将数值仿真结果与模型试验比对来验证数值计算的准确性，进而通过数值仿真来预报不同纵倾阻力变化情况，得出对该散货船首倾时最大能有2.36%的减阻效果。邵勇［9］通过实际营运发现，纵倾调整建立在船舶全面监控并在具备技术人员的指导下，能够进一步降低运营成本，每年可省2%左右的燃油消耗。

为了更具一般性探究纵倾姿态调整对三大主流船型节能减排的效果，本文选取3 艘典型船舶，以模型试验的方式，分别讨论在结构吃水、设计吃水、空载吃水3 种装载工况下纵倾调整对航行所需主机功率的影响，可为实船运营提供指导依据。

1 试验对象及方法

1.1 试验对象

三艘典型主力货运船型为：13 500TEU 集装箱船（集装箱船）、46 000 t 成品油船（成品油船）和47 500DWT散货船（散货船），其主要尺度对比如表1所示。试验时按照一定缩尺比λ 制作木质模型，对模型表面进行打磨光顺后喷漆处理，模型线型与实船一致，尺度呈一定比例，3 艘模型如图1 所示。

表1 船舶主要尺度

图1 3艘典型主力货运船型

1.2 试验原理及方法

试验在船模拖曳水池实验室进行，如图2 所示，模型重心处布置拖曳点，拖曳点上钢丝绳通过两个导轮2 次导向最终与水平方向阻力仪相连，阻力仪另一端与拖车固定，试验时拖车带动模型运动，阻力传感器测量的力即为模型的阻力。模型前后装有2 个用于限制模型横向位移与摇摆的导航杆，模型重心垂向干舷以上装有夹持板，与拖车夹持机构配合，避免拖车带动模型启动和刹车时拉力过大造成传感器超载［10］。

由模型阻力换算至实船有效功率时采用傅汝德法［11］（Froude’s Method），将船模阻力Rt分为摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr，无因次化后即船模阻力系数Ct分为摩擦阻力系数Cf和剩余阻力系数Cr，傅汝德法认为实船和模型剩余阻力系数相等，摩擦阻力系数计算采用1957-ITTC公式，其表达式为

图2 试验示意图

实船总阻力系数：

式中：ΔCf为粗糙度补贴系数，其值根据实船长度不同取值不同［11］，对于集装箱船船长为366 m，ΔCf取-0.2 ×10-3；对于成品油船和散货船，船长介于150～200 m之间，ΔCf取0.2 ×10-3。

2．3 饮食和身体活动的态度情况 被调查小学生中，32．5%选择会因健康原因而改变饮食习惯，81．3%选择应积极参加体育活动，选择会为减肥或控制体重而“锻炼”的比例（37．8%）高于“控制饮食”的比例（24．2%），以上在性别、年级和城乡间差异均有统计学意义（P值均＜0．05）。见表3。

实船总阻力

有效功率（kW）

主机收到功率

式中：ηD为推进效率；ηS为轴系传送效率；ηG为减速装置效率。

1.3 试验工况

3 艘模型试验工况如表2 所示，试验工况吃水相对船舶结构的位置如图3 所示。每艘船舶均选择结构吃水、设计吃水和空载吃水3 个工况，分别代表着船舶在营运过程中准许最大载重工况、设计载重工况和空船压载载重工况［12］。设计吃水一般处于船舶球鼻艏刚刚没入水线位置；结构吃水比设计吃水稍高；空载吃水根据不同球鼻艏形状处于船舶球鼻艏最尖端以下或以上。船舶纵倾调整主要改变其水下形状，水下形状改变造成黏压阻力改变，总阻力发生改变；其中球鼻艏产生的波与船体产生的波在首部发生相位偏移，抑制首波的幅值，减小能量的损耗，达到减小兴波阻力的效果［13］。因此针对船舶在不同吃水工况纵倾调整方向也有所不同，对于设计吃水和结构吃水，球鼻艏均完全没入水中，可进行首倾（纵倾值为负）和尾倾（纵倾值为正）方向调整；对于空载状态，由于船舶球鼻艏有一半没入水中，将产生较大兴波阻力，同时，由于吃水较小，为保证船尾螺旋桨有足够浸深，将船模往尾倾（纵倾值为正）方向调整［14］。

表2 试验工况信息

图3 试验工况下吃水相对船舶结构的位置

2 结果及分析

以船舶平浮状态为基准，纵倾调整后相对平浮主机功率增减百分比［15］定义如下：

通过比较不同纵倾值下各航速主机功率相对平浮增减值可判断纵倾调整对航行性能的影响。

2.1 集装箱船试验结果

（1）吃水d=16.0 m。如图4（a）所示，船舶调整至尾倾状态主机功率增大，在航速14～23 kn 范围内主机功率增大明显，且随着尾倾幅度增大，船舶主机功率增幅变大，在尾倾trim=4 m 时最大增幅达到15%左右；相反，船舶调整至首倾状态船舶主机功率将减小，综合考虑将船舶调整至首倾trim=-2 m 时效果最好。

（2）吃水d=13.5 m。如图4（b）所示，船舶调整至尾倾状态仅在航速为22 和23 kn 时主机功率有降低的现象，其他航速较低时主机功率相对平浮均有所增加。船舶调整至首倾值-0.5～-3 m 范围内主机功率降低，综合考虑将船舶调整至首倾trim=-2 m时效果最好，对于大部分航速主机功率降低3%～4%。

（3）吃水d=7.5 m。如图4（c）所示，船舶调整至尾倾状态主机功率将得到一定降低，当尾倾trim=0.5、3.5 和4 m时，船舶航速高于17 kn时主机功率降低明显；将船舶调整至首倾状态主机功率将增加。综合考虑对于本工况将船舶调整至尾倾trim=4 m 时效果最好，主机功率降低5%以上。

图4 集装箱船试验结果

2.2 成品油船试验结果

（1）吃水d=12.0 m。如图5（a）所示，将船舶调整至尾倾状态主机功率增加明显，随着尾倾幅度的变大，主机功率增大的幅度也变大；将船舶调整至首倾状态主机功率将减小，随着首倾幅度增大，船舶主机功率降低幅度将变大。综合全航速考虑，将船舶调整至首倾trim=-2 m 时效果最好，主机功率将降低2%～3%。

（2）吃水d=10.2 m。如图5（b）所示，纵倾调整对船舶主机功率的影响因速度区间而呈现出不同现象。将船舶调整至首倾状态，在航速小于11 kn 时主机功率降低，航速超过11 kn 后主机功率相对平浮增大；将船舶调整至尾倾状态，航速小于11 kn 时主机功率将增大，航速超过11 kn 后主机功率明显降低。综合考虑，航速小于11 kn 时，将船舶调整至首倾trim=-3 m效果最好，航速超过11 kn 时，将船舶调整至尾倾trim=1.3 m效果最好。

（3）吃水d=6.3 m。如图5（c）所示，将船舶调整至尾倾状态，当航速低于8 kn 时主机功率将增大，航速超过8 kn后主机功率降低明显，且主机功率降低幅度随着纵倾幅度增大而增大。综合考虑将船舶调整至尾倾trim=3 m 时效果最好，主机功率减小可达5%左右。

图5 成品油箱试验结果

2.3 散货船试验结果

（1）吃水d=11.2 m。如图6（a）所示，将船舶调整至尾倾状态，航速低于13 kn 时主机功率降低明显，尤其是尾倾值trim=1.2 m 状态时，常用航速10～13 kn区间主机功率下降超过5%；将船舶调整至首倾trim=-0.5 m状态，主机功率将降低3%～4%，为本工况最佳航行纵倾。

（2）吃水d=10.7 m。如图6（b）所示，将船舶调整至尾倾状态，尾倾程度较小时，主机功率将增加，当尾倾超过trim=2.0 m 时，主机功率将降低；将船舶调整至首倾状态时，主机功率将增大，仅在高速时会出现降低现象。综合考虑将模型调整至尾倾trim=2.5 m时效果最好，主机功率将降低5%以上。

（3）吃水d=4.5 m。如图6（c）所示，将船舶调整至尾倾状态，当航速不超过10 kn 时主机功率将增大，当航速超过10 kn 时，主机功率将降低。综合考虑可知将船舶调整至尾倾trim=2.2 m 为最佳航行工况，能够实现全速度范围内主机功率降低，且在航速较高时降幅可达6%。

图6 散货船试验结果

2.4 结果汇总分析

纵倾调整对3 艘船主机功率详细影响情况如表3～5 所示，其中绿色用“good”表示主机功率减小；红色用“poor”表示主机功率将增大；黄色“fair”表示主机功率变化不明显或受速度影响呈现增减不一的结果。

表3 集装箱船纵倾调整主机功率变化表

表4 成品油船纵倾调整主机功率变化表

表5 散货船调整主机功率变化表

3 结论

通过模型试验获取船模阻力数据，根据相似原理换算至实船，预估船舶在不同载重工况、不同纵倾下主机功率，分析结果可知纵倾调整对航行性能影响显著，以降低运营成本为目的对研究的3 艘船舶有如下结论：

（1）集装箱船在结构吃水d=16 m和设计吃水d=13.5 m时调整至首倾trim=-2 m状态航行效果最佳；在空载吃水d=7.5 m时调整至尾倾trim=4 m状态航行效果最佳。

（2）成品油船在结构吃水d=12 m时调整至首倾主机功率减小，首倾值trim=-2 m 时效果最佳，主机功率将降低2%～3%；设计吃水d=10.2 m 时，在航速小于11 kn时，将船舶调整至首倾trim=-2 m效果最佳，在航速超过11 kn 时将船舶调整至尾倾trim=1.3 m效果最佳；在空载吃水d=6.3 m 时，将船舶调整至尾倾trim=3 m 时效果最佳，除了低速7 kn 和8 kn外其余航速主机功率将减小5%左右。

（3）散货船在结构吃水d=11.2 m 时，将船舶调整至首倾trim=-0.5 m航行效果最佳；设计吃水d=10.7 m时将船舶调整至尾倾d=2.5 m 航行效果最佳；空载吃水d=4.5 m 时将船舶调整至尾倾trim=2.2 m航行效果最佳。