縱傾調整對三大主力船型航行性能的影響

宋 磊，童 駿，孫江龍

（1.華中科技大學船舶與海洋工程學院，武漢 430074；2.船舶數據技術與支撐軟件湖北省工程研究中心，武漢 430074；3.武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

0 引言

為了獲取更高效的航運利潤以及滿足更苛刻的碳排放標準，通過降低航行阻力進而減小主機功率是一種直接的方法，船舶縱傾調整可改變水下形狀進而改變航行阻力，是一種簡單便捷的方法。涂海文等［6］通過對4 250TEU集裝箱船的縱傾調整研究，開發指導船舶不同工況下航行最佳縱傾數據庫，將數據庫集成于軟件中指導實船運營，最終結果表明對該集裝箱船可得到4%～6%的減阻效果；馮佰威［7］通過對某油船設計吃水工況進行數值仿真和模型試驗，得出船舶在不同航速下尤其是較高時找到一個使阻力最小的縱傾角，并根據仿真數據擬合出阻力最小估算公式；孫江龍［8］以18 000DWT散貨船為研究對象，將數值仿真結果與模型試驗比對來驗證數值計算的準確性，進而通過數值仿真來預報不同縱傾阻力變化情況，得出對該散貨船首傾時最大能有2.36%的減阻效果。邵勇［9］通過實際營運發現，縱傾調整建立在船舶全面監控并在具備技術人員的指導下，能夠進一步降低運營成本，每年可省2%左右的燃油消耗。

為了更具一般性探究縱傾姿態調整對三大主流船型節能減排的效果，本文選取3 艘典型船舶，以模型試驗的方式，分別討論在結構吃水、設計吃水、空載吃水3 種裝載工況下縱傾調整對航行所需主機功率的影響，可為實船運營提供指導依據。

1 試驗對象及方法

1.1 試驗對象

三艘典型主力貨運船型為：13 500TEU 集裝箱船（集裝箱船）、46 000 t 成品油船（成品油船）和47 500DWT散貨船（散貨船），其主要尺度對比如表1所示。試驗時按照一定縮尺比λ 制作木質模型，對模型表面進行打磨光順后噴漆處理，模型線型與實船一致，尺度呈一定比例，3 艘模型如圖1 所示。

表1 船舶主要尺度

圖1 3艘典型主力貨運船型

1.2 試驗原理及方法

試驗在船模拖曳水池實驗室進行，如圖2 所示，模型重心處布置拖曳點，拖曳點上鋼絲繩通過兩個導輪2 次導向最終與水平方向阻力儀相連，阻力儀另一端與拖車固定，試驗時拖車帶動模型運動，阻力傳感器測量的力即為模型的阻力。模型前后裝有2 個用于限制模型橫向位移與搖擺的導航桿，模型重心垂向干舷以上裝有夾持板，與拖車夾持機構配合，避免拖車帶動模型啟動和剎車時拉力過大造成傳感器超載［10］。

由模型阻力換算至實船有效功率時采用傅汝德法［11］（Froude’s Method），將船模阻力Rt分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr，無因次化后即船模阻力系數Ct分為摩擦阻力系數Cf和剩余阻力系數Cr，傅汝德法認為實船和模型剩余阻力系數相等，摩擦阻力系數計算采用1957-ITTC公式，其表達式為

圖2 試驗示意圖

實船總阻力系數：

式中：ΔCf為粗糙度補貼系數，其值根據實船長度不同取值不同［11］，對于集裝箱船船長為366 m，ΔCf取-0.2 ×10-3；對于成品油船和散貨船，船長介于150～200 m之間，ΔCf取0.2 ×10-3。

2．3 飲食和身體活動的態度情況 被調查小學生中，32．5%選擇會因健康原因而改變飲食習慣，81．3%選擇應積極參加體育活動，選擇會為減肥或控制體重而“鍛煉”的比例（37．8%）高于“控制飲食”的比例（24．2%），以上在性別、年級和城鄉間差異均有統計學意義（P值均＜0．05）。見表3。

實船總阻力

有效功率（kW）

主機收到功率

式中：ηD為推進效率；ηS為軸系傳送效率；ηG為減速裝置效率。

1.3 試驗工況

3 艘模型試驗工況如表2 所示，試驗工況吃水相對船舶結構的位置如圖3 所示。每艘船舶均選擇結構吃水、設計吃水和空載吃水3 個工況，分別代表著船舶在營運過程中準許最大載重工況、設計載重工況和空船壓載載重工況［12］。設計吃水一般處于船舶球鼻艏剛剛沒入水線位置；結構吃水比設計吃水稍高；空載吃水根據不同球鼻艏形狀處于船舶球鼻艏最尖端以下或以上。船舶縱傾調整主要改變其水下形狀，水下形狀改變造成黏壓阻力改變，總阻力發生改變；其中球鼻艏產生的波與船體產生的波在首部發生相位偏移，抑制首波的幅值，減小能量的損耗，達到減小興波阻力的效果［13］。因此針對船舶在不同吃水工況縱傾調整方向也有所不同，對于設計吃水和結構吃水，球鼻艏均完全沒入水中，可進行首傾（縱傾值為負）和尾傾（縱傾值為正）方向調整；對于空載狀態，由于船舶球鼻艏有一半沒入水中，將產生較大興波阻力，同時，由于吃水較小，為保證船尾螺旋槳有足夠浸深，將船模往尾傾（縱傾值為正）方向調整［14］。

表2 試驗工況信息

圖3 試驗工況下吃水相對船舶結構的位置

2 結果及分析

以船舶平浮狀態為基準，縱傾調整后相對平浮主機功率增減百分比［15］定義如下：

通過比較不同縱傾值下各航速主機功率相對平浮增減值可判斷縱傾調整對航行性能的影響。

2.1 集裝箱船試驗結果

（1）吃水d=16.0 m。如圖4（a）所示，船舶調整至尾傾狀態主機功率增大，在航速14～23 kn 范圍內主機功率增大明顯，且隨著尾傾幅度增大，船舶主機功率增幅變大，在尾傾trim=4 m 時最大增幅達到15%左右；相反，船舶調整至首傾狀態船舶主機功率將減小，綜合考慮將船舶調整至首傾trim=-2 m 時效果最好。

（2）吃水d=13.5 m。如圖4（b）所示，船舶調整至尾傾狀態僅在航速為22 和23 kn 時主機功率有降低的現象，其他航速較低時主機功率相對平浮均有所增加。船舶調整至首傾值-0.5～-3 m 范圍內主機功率降低，綜合考慮將船舶調整至首傾trim=-2 m時效果最好，對于大部分航速主機功率降低3%～4%。

（3）吃水d=7.5 m。如圖4（c）所示，船舶調整至尾傾狀態主機功率將得到一定降低，當尾傾trim=0.5、3.5 和4 m時，船舶航速高于17 kn時主機功率降低明顯；將船舶調整至首傾狀態主機功率將增加。綜合考慮對于本工況將船舶調整至尾傾trim=4 m 時效果最好，主機功率降低5%以上。

圖4 集裝箱船試驗結果

2.2 成品油船試驗結果

（1）吃水d=12.0 m。如圖5（a）所示，將船舶調整至尾傾狀態主機功率增加明顯，隨著尾傾幅度的變大，主機功率增大的幅度也變大；將船舶調整至首傾狀態主機功率將減小，隨著首傾幅度增大，船舶主機功率降低幅度將變大。綜合全航速考慮，將船舶調整至首傾trim=-2 m 時效果最好，主機功率將降低2%～3%。

（2）吃水d=10.2 m。如圖5（b）所示，縱傾調整對船舶主機功率的影響因速度區間而呈現出不同現象。將船舶調整至首傾狀態，在航速小于11 kn 時主機功率降低，航速超過11 kn 后主機功率相對平浮增大；將船舶調整至尾傾狀態，航速小于11 kn 時主機功率將增大，航速超過11 kn 后主機功率明顯降低。綜合考慮，航速小于11 kn 時，將船舶調整至首傾trim=-3 m效果最好，航速超過11 kn 時，將船舶調整至尾傾trim=1.3 m效果最好。

（3）吃水d=6.3 m。如圖5（c）所示，將船舶調整至尾傾狀態，當航速低于8 kn 時主機功率將增大，航速超過8 kn后主機功率降低明顯，且主機功率降低幅度隨著縱傾幅度增大而增大。綜合考慮將船舶調整至尾傾trim=3 m 時效果最好，主機功率減小可達5%左右。

圖5 成品油箱試驗結果

2.3 散貨船試驗結果

（1）吃水d=11.2 m。如圖6（a）所示，將船舶調整至尾傾狀態，航速低于13 kn 時主機功率降低明顯，尤其是尾傾值trim=1.2 m 狀態時，常用航速10～13 kn區間主機功率下降超過5%；將船舶調整至首傾trim=-0.5 m狀態，主機功率將降低3%～4%，為本工況最佳航行縱傾。

（2）吃水d=10.7 m。如圖6（b）所示，將船舶調整至尾傾狀態，尾傾程度較小時，主機功率將增加，當尾傾超過trim=2.0 m 時，主機功率將降低；將船舶調整至首傾狀態時，主機功率將增大，僅在高速時會出現降低現象。綜合考慮將模型調整至尾傾trim=2.5 m時效果最好，主機功率將降低5%以上。

（3）吃水d=4.5 m。如圖6（c）所示，將船舶調整至尾傾狀態，當航速不超過10 kn 時主機功率將增大，當航速超過10 kn 時，主機功率將降低。綜合考慮可知將船舶調整至尾傾trim=2.2 m 為最佳航行工況，能夠實現全速度范圍內主機功率降低，且在航速較高時降幅可達6%。

圖6 散貨船試驗結果

2.4 結果匯總分析

縱傾調整對3 艘船主機功率詳細影響情況如表3～5 所示，其中綠色用“good”表示主機功率減小；紅色用“poor”表示主機功率將增大；黃色“fair”表示主機功率變化不明顯或受速度影響呈現增減不一的結果。

表3 集裝箱船縱傾調整主機功率變化表

表4 成品油船縱傾調整主機功率變化表

表5 散貨船調整主機功率變化表

3 結論

通過模型試驗獲取船模阻力數據，根據相似原理換算至實船，預估船舶在不同載重工況、不同縱傾下主機功率，分析結果可知縱傾調整對航行性能影響顯著，以降低運營成本為目的對研究的3 艘船舶有如下結論：

（1）集裝箱船在結構吃水d=16 m和設計吃水d=13.5 m時調整至首傾trim=-2 m狀態航行效果最佳；在空載吃水d=7.5 m時調整至尾傾trim=4 m狀態航行效果最佳。

（2）成品油船在結構吃水d=12 m時調整至首傾主機功率減小，首傾值trim=-2 m 時效果最佳，主機功率將降低2%～3%；設計吃水d=10.2 m 時，在航速小于11 kn時，將船舶調整至首傾trim=-2 m效果最佳，在航速超過11 kn 時將船舶調整至尾傾trim=1.3 m效果最佳；在空載吃水d=6.3 m 時，將船舶調整至尾傾trim=3 m 時效果最佳，除了低速7 kn 和8 kn外其余航速主機功率將減小5%左右。

（3）散貨船在結構吃水d=11.2 m 時，將船舶調整至首傾trim=-0.5 m航行效果最佳；設計吃水d=10.7 m時將船舶調整至尾傾d=2.5 m 航行效果最佳；空載吃水d=4.5 m 時將船舶調整至尾傾trim=2.2 m航行效果最佳。