最小推進功率要求對舵面積預估的影響

謝敏，蔡躍勝，吳安

(滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129)

由于對能效設計指數(energy efficiency design index,EEDI)的要求越來越高,新船舶開發中普遍采用降功率設計。為避免導致不利海況下的操縱性危險，MEPC在2013通過了RESOLUTION MEPC.232(65)“不利海況下保持操縱性的最小推進功率導則”，2015年發布RESOLUTION MEPC.262(68)修正案，進一步嚴格要求，并適用于2015年11月16日及以后新簽合同的液貨船、散貨船和兼用船，這對新船舵面積的設計產生了不可忽視的影響，尤其是大幅度降功率設計的船舶，為滿足最小推進功率導則及修正案，舵面積需相應明顯加大。

1 相關規范依據及其影響

1.1 EEDI背景

國際海事組織(IMO)海洋環境保護委員會(MEPC)2011/7/15-62屆大會通過了MEPC.203(62)，把有關新船能效設計指數(EEDI)納入MARPOL AnexVI，于2013年1月1日生效。適用于散貨船、液化氣船、液貨船、集裝箱船、雜貨船、冷藏貨船和兼裝貨船(兼裝散裝干貨和液貨)共7種船型，并要求EEDI(單位為g/(t·nmile) CO2)在參考線值的基礎上按3階段折減，階段I(2015.1.1—2019.12.31)，階段II(2020.1.1—2024.12.31)，階段III(2025.1.1以后)，折減逐步由10%提升到30%。目前的最新發展是2015/5/15-68屆會議MEPC.263(68)[1]：對MEPC.245(66)[2]指南修正。

由于EEDI折減系數目前最大30%，今后還可能推出更大的降幅力度。所以，在新船設計中趨向采用各種節能，增效和減排的技術措施。目前提出的大致有船體線型優化及節能裝置；降低空船重量；推進系統優化；采用低阻涂料和氣模減阻；動力系統優化(包含指定的最大持續功率SMCR選點優化，配合降低航速，LNG，燃料電池等)；新能源利用(包含風能、太陽能、潮汐能等)；能源綜合梯級利用(包含冷卻水、蒸汽余熱利用廢油氣回收利用)。其中動力系統SMCR優化降功率是簡易且效果確切的措施,因而在新船舶開發中被普遍采用。

1.2 最小推進功率導則要點

MEPC在2013通過了RESOLUTION MEPC.232(65)“不利海況下保持操縱性的最小推進功率導則”[3]，2015年發布RESOLUTION MEPC.262(68)修正案[4]，進一步嚴格要求，并適用于2015年11月16日及以后新簽合同的船舶。目的在于使船舶符合船舶能效規則中規定的EEDI要求時，仍具有足夠的裝機功率以滿足在惡劣海況下維持操縱性的要求。

1.2.1 評估等級

評估等級1：最小功率標準值評估(方法一)。船舶裝機功率不小于該特定船型設定的最小功率標準值，則該船應視作在惡劣海況下具有足夠的裝機功率維持操縱性。

最小功率標準值=a×(DWT)+b

(1)

式中：DWT為船舶載重t；a和b為表1中給出的液貨船、散貨船和兼用船的參數。

表1 不同船型確定最小功率標準值時參數a和b的取值

所有主推進發動機的總裝機最大持續功率值MCR不應小于最小功率標準值，其中最大持續功率值為國際防止空氣污染證書EIAPP中規定的值[5]。

評估等級2：簡化評估(方法二)。基于下列原則，即如果船舶具有足夠的裝機功率在逆風頂浪中以一定的前進航速行駛，則其也能在任意方向的風浪中保持航向。船舶在逆風頂浪中的最小前進航速由船舶設計所決定，而使船舶達到最小前進航速要求，即船舶滿足保持航向的要求。例如，具有較大舵面積的船舶即使其發動機功率較小也能保持航向；與此相似，具有較大側向受風面積的船舶較之較小側向受風面積的船舶需要具有更大的功率保持航向。

1.2.2 評估程序的步驟

1)界定逆風頂浪中所需的前進航速，確保在所有任意方向的風浪中保持航向。

2)評估裝機功率是否足以在逆風頂浪中達到所需的前進航速。

1.2.3 界定所需的船舶前進航速

在逆風頂浪中所需的船舶相對于水的前進航速Vs取下列二值的大者：最小航行速度Vnav；或最小保持航向速度Vck。

最小航行速度Vnav使船舶在風暴來臨前有足夠的時間離開沿海區域，以降低航行風險和船舶在風浪作用下大幅運動所造成的風險。最小航行速度設為4.0 kn。

簡化評估中的最小保持航向速度Vck使船舶在所有任意方向的風浪中保持航向。該速度的定義基于參考保持航向速度Vck,ref，與0.9%經船寬修正浸沒舵面積AR，以及實際舵面積有關。

Vck=Vck,ref-10.0×(AR%-0.9)

(2)

式中：Vck為最小保持航向速度，kn；Vck,ref為參考保持航向速度，kn；AR%為實際舵面積AR與經船寬修正浸沒舵面積ALS,cor的比值，即AR%=AR/ALS,cor×100%。

經船寬修正浸沒舵面積的計算為

ALS,cor=LppTm(1.0+25.0(Bwl/Lpp)2)

(3)

式中：Lpp為垂線間長，m；Bwl為水面線處船寬，m；Tm為船中吃水，m。

對于高升力舵或其他替代操舵裝置，應使用與常規舵面積等同的舵面積。

散貨船、液貨船和兼用船的參考保持航向速度Vck,ref根據正面受風面積AFW與側面受風面積ALW之比AFW/ALW予以界定。

1)AFW/ALW≤0.1時，取9.0 kn；AFW/ALW≥0.40時，取4.0 kn。

2)對AFW/ALW的中間值，在0.1～0.4之間由線性插值得到。

1.2.4 裝機功率評估程序

評估在最大吃水工況下以上述所需的船舶前進航速Vs進行。評估原則為，計及推力減額分數t，船舶推進系統能在轉速n提供所需的螺旋槳推力T，用于克服包括船體靜水阻力Rcw、附體阻力Rapp、空氣阻力Rair和波浪增阻Raw在內的船舶總阻力：

T=(Rcw+Rapp+Rair+Raw)/(1-t)

(4)

在導則中，波浪增阻Raw需在規則波中以所需的船舶前進航速Vs進行增阻試驗或用經主管機關驗證的等效方法獲得；而其他阻力有相應的推導公式(具體見導則)。在獲得波浪增阻Raw后，按導則里的推導公式推導出船舶在規定的惡劣海況下逆風頂浪中以航速Vs保持前進所需最小裝機功率。

1.3 規則對舵面積的影響

1)目前新接船普遍面臨EEDI階段II(2020.1.1—2024.12.31)，普遍折減20%以上。新船開發中必須將EEDI的因素納入考慮。

2)評估等級適用方面，從表1中看出，液貨船參數b在新版本中降幅比較大。

也就是說，新的中小型液貨船及兼裝船受影響比較大，即由于EEDI降功率措施，更可能不適用評估等級1——最小功率標準值評估，只能適用評估等級2——簡化評估(方法二)進行評估。在此評估條件下，此類液貨船必須考慮規則造成的影響，即可能導致舵面積增大。

3)最小保持航向速度Vck取4 kn時，對推進功率的要求最低，而對舵面積影響最大。舵面積參數需要在船模試驗前期確定，而如果前期舵面積估計不足而船體布局已確定，將導致設計上的巨大風險。因而對開發階段的中小型液貨船，有必要考慮基于最小保持航向速度Vck=4.0 kn進行估算取值。

2 某型液貨船實例分析

2.1 評估等級確定

最小功率標準值=a×(DWT)+b=0.065 2×49 000+5 960.3=9 155.1

本船裝機功率SMCR為7 820 kW，小于以上標準，因此本船不能采用評估等級1，須采用評估等級2。

2.2 簡化評估計算

導則規定船舶相對于水的前進航速Vs，取下列二值的大者：最小航行速度Vnav；或最小保持航向速度Vck。而最小航行速度Vnav設為4.0 kn。因此,從降低船舶設計難度角度，把最小保持航向速度Vck設為4.0 kn是合適的，即船舶能以滿足規范要求的最低航速在逆風頂浪中保持航向航行。本船在獲取波浪增阻的船模試驗方案確認階段即確定Vck設為4.0 kn。這是本船船模試驗的基礎，即本船以4.0 kn航速在有義波高4.0 m、譜峰周期7.0～15.0 s規則波中逆風頂浪保持航向航行，波浪增阻船模試驗結果見圖1。

圖1 規則波中波浪增阻阻力

基于船模試驗結果，按照簡化評估的裝機功率評估程序得到的評估結果見表2，在不利海況下保持操縱性的最小推進功率為2 362 kW,小于配備的主機功率7 820 kW，裝機功率符合要求。

由于本船配載的為柴油機，故還需考慮發動機的轉矩-速度限制。表2也列出了評估的要求轉矩和主機限制轉矩——要求的轉矩與主機最大持續轉矩與要求的轉矩相比，占比最大為80.0%,有20%的余量。圖2顯示在風浪中所需的主機轉矩均在主機的限制轉矩曲線下，表示配置的主機能提供不利海況下保持操縱性所需的轉矩。綜上所述：該型船舶的裝機功率符合不利海況下保持操縱性的最小推進功率的要求。

表2 最小裝機功率計算結果匯總

圖2 轉速-轉矩

船舶相對于水的前進航速Vs，與設計相關的是基于參考保持航向速度Vck,ref，與0.9%經船寬修正浸沒舵面積AR，以及實際舵面積有關。

Vck=Vck,ref-10.0×(AR%-0.9)

(5)

式中：AR%為實際舵面積AR與經船寬修正浸沒舵面積ALS,cor的比值，AR%=AR/ALS,cor×100%。

經船寬修正浸沒舵面積的計算為

ALS,cor=LppTm(1.0+25.0(Bwl/Lpp)2)

因此得到

AR=AR%×LppTm(1+25×(Bwl/Lpp)2)/100

(6)

Vck,ref根據正面受風面積AFW與側面受風面積ALW之比AFW/ALW予以界定。

本船Lpp垂線間長179.5 m，Bwl水面線處船寬32.2 m，Tm船中吃水13.2 m，AFW為710，ALW為1 900，AFW/ALW為0.373 7，由線性插值得到Vck,ref=4.44 kn；

代入式(5)得到AR%=0.944。

再代入式(6)得到AR=40.36 m2。

本船型舵升力系數1.21，考慮到NACA升力系數1.1，本船Vck=4.0 kn所需舵面積最小為36.69 m2。實際舵面積37.53 m2，滿足導則要求。

以前進航速Vs=4.0 kn時所需最小舵面積為基準，本船舵面積增減帶來的前進航速Vs變化見表3。

表3 舵面積-前進航速Vs對應表

可見，Vck=4.0 kn時的舵面積是關鍵臨界值，如果再增大舵面積降低Vck(<4.0 kn)，會增加操縱性設計成本，同時又不能降低逆風頂浪中所需的前進航速Vs，即增大舵面積不會再降低推進功率要求；減小舵面積提高Vck(>4.0 kn)，船舶在惡劣海況中將需以更高的航速才能逆風頂浪保持航向航行，即需要更高的推進功率，并且舵面積的減小將導致前進航速Vs以更高的比例增加，則所需的推進功率將急劇增加。所以為使船舶在不利海況下保持操縱性所需的裝機功率最小，速度Vck需取4 kn，因此有相應最小舵面積的要求。

2.3 與常規經驗公式比較及實際操縱性效果

參考原IACS規范Chapter 10 Hull Outfitting Section 1 Rudder and Manoeuvring Arrangement[6]及原GL規范Part14Sec14[7]舵面積計算公式：

AR=c1c2c3c4×1.75LT/100=0.9×(1/1.21)×1×1×1.75×179.5×13.2/100=30.8 m2

式中：L為船長，179.5 m；T為夏季吃水，13.2 m。

與上節所需舵面積比較：36.69/30.8=1.19，差值接近1/5。

即由于EEDI的因素以及新最小功率導則的要求，新船開發要求的舵面積明顯增大。因此，最小功率導則的要求成為決定此類尺度液貨船舵面積的關鍵因素。

進行船模操縱性試驗及實船操縱性試驗，結果顯示操縱性能指標均達到IMO MSC.137(76)操縱性衡準[8]及MSC/Circular.1053注釋說明[9]的要求，同時有合理的裕度，見表4。

表4 操縱性試驗結果匯總

3 結論

隨著EEDI規則推進階段的升級，主機降功率設計越來越常見，而最小推進功率導則新版的實施，導致評估等級2——簡化評估更為多見，這往往導致舵面積要求明顯大于常規估算的舵面積。尤其對于中小型液貨船，常規航行所需的裝機功率遠遠低于評估等級1-最小功率標準值評估，也即難以滿足評估等級1的要求，需按評估等級2-簡化評估，必須在前期進行充分的考慮；而基于最小保持航向速度估算舵面積是比較合理而且可行的，同時對避免設計風險具有重要意義。所涉及的最小推進功率導則目前仍是暫行規則，如有后續修訂，值得進一步跟蹤。