基于轴功率-航速关系的船舶污损监测法改进

闵少松，张子龙，彭 飞

(海军工程大学舰船工程系，武汉430033)

基于轴功率-航速关系的船舶污损监测法改进

闵少松，张子龙，彭 飞

(海军工程大学舰船工程系，武汉430033)

针对现有基于轴功率-航速关系的污损监测法对航行条件限制较多的问题,提出考虑不同浪、风和排水量情况下的船舶航行阻力修正计算方法,扩大监测数据的许用范围。采集两型船的实船航行数据,并进行处理,同等污损条件下计算结果与实际情况对比表明,改进的污损监测法可行,给出实船污损监测评估准则。

轴功率;航速;污损监测;阻力修正

船舶污损会导致航行阻力增加、燃油及温室气体排放增多、水下设备性能下降、航行噪声增大、水线以下结构腐蚀加剧、防污漆活性降低,等［1］。近年来,通过船舶性能监测来评估船体污损程度,以便采取合理的除污措施,成为解决污损问题的有效手段。目前性能监测主要采用轴功率-航速关系监测,其原理为航行阻力随污损生长而增加,导致同样航速下轴功率增加,通过轴功率增量大小可以评估船体污损程度［2］。在实际应用轴功率-航速关系监测法时,为了排除外部环境及航行状态对轴功率的影响,对风、浪及排水量等条件要求极高,导致监测的范围较小,效率较低。

针对这一问题,考虑对航行中波浪、风和排水量进行修正,以期达到扩大监测范围,提高监测效率的目的。

1 轴功率-航速关系监测流程

通常只获得轴功率-航速数据不能够对污损进行精确监测。以轴功率-航速关系监测船舶污损依赖于航行阻力的变化,而航行条件中浪、风、海流和排水量都会影响船舶的航行阻力,会对轴功率-航速关系产生干扰。所以必须将不同污损程度下的轴功率-航速关系在同一航行条件下对比,才能反映出真实的污损影响［3］。

为此,建立轴功率-航速关系的基准线,基准线能够反映出清洁船体的功率航速特性;之后在实际航行中搜集轴功率、航速,以及环境数据,再修正波浪、风、海流和排水量的影响。这样,将实际航行条件修正到与基准相同,最后从相同航速下的轴功率增量推导出船体污损程度。

基准线的作用是反应清洁船体条件下的轴功率-航速关系,所以在建立基准线时,船体应该是清洁的,同时保持匀速直航且航行海域风浪、水流等因素影响较小。由此提出基准线建立条件,见表1。

表1 基准条件

以上数据项目中,航速差值是指GPS航速与计程仪航速的差值,用于排除海流的影响。航速及轴功率变化率、舵角和航向的限制条件用于保证船舶匀速直航。风、浪的限制条件用于避免环境因素对轴功率的影响。在实际航行过程中,需要排除影响因素建立轴功率-航速曲线,需采集的数据项目见表2。

表2 数据采集项目

一般实际航行中采集到的数据很难满足基准条件的要求,因此对这些数据进行修正以放宽监测法对航行条件的要求。对采集到的各项数据按照浪、风和排水量的顺序进行修正,各修正方法如下。

1)波浪阻力。采用Salvesen计算公式［4-7］。

R7的计算公式为

式中:ω1——遭遇频率,ω1=ω+KU cosβ。

2)风阻力。采用第24届ITTC会议给出的经验计算式［8］。

式中:Ca——风阻力系数;

At——水线以上部分在横截面上的投影面积;

Va——风和船的相对速度,Va=V-Vwcosφ。

其中:Vw——风速;

φ——风速和船速的夹角。

3)排水量。假设同一船型在不同排水量条件下海军部系数相同,利用海军部系数法,在相同航速下其轴功率为［9-10］

式中:Δ1,SHP1——船舶建立基准线时的排水量和轴功率;

Δ2,SHP2——实际航行中的排水量和轴功率。

2 监测方法应用与验证

A、B采集两型船的实际航行数据,之后将轴功率-航速关系监测方法应用在两型船上,对比监测结果与船体实际污损,验证监测方法的可行性。A、B船基本参数见表3。

表3 数据采集项目

根据A船实船试验结果建立基准线,之后收集A船的航海数据,时间跨度从该船上次进坞重新涂装后12～24个月,共1年时间。排除波浪、风的干扰后对部分排水量变化较大的监测点进行修正,共得到13个监测点数据,见表4。

表4 轴功率修正结果(A船) kW

B船相关数据处理方法类同,共得到9个监测点数值,见表5。由于B船排水量变化较小,不再对该船排水量进行修正。

对A船进行浪、风和排水量的修正,分析浪、风和排水量在轴功率修正量中所占比重,对比见图1。

表5 轴功率修正结果(B船) kW

图1 A船浪、风和排水量的修正比例

由图1可见,波浪阻力增值相对风阻力对轴功率的影响更大。对于A船而言,当排水量变化较大时,则排水量应该是主要的修正对象。在各种影响因素中,波浪阻力增值总是会增加轴功率,而风的影响有时则可能会起到减小轴功率的作用。排除影响因素后,各监测点相对基准线的功率增加量见图2。

图2 A船轴功率功率增加量变化情况

由图2可见,在5号监测点前轴功率增加了4%～15%,之后增加至25%以上,整体呈逐渐增加的趋势。在13号监测点对船体污损情况进行勘验,此时距上次A船涂装约24个月。结果见图3。

当轴功率增加量在25%以上,船体已经出现了片状的钙质污损且污损的面积比较大,螺旋桨已经完全被钙质污损覆盖。此时船体污损程度已经比较严重,污损对船舶的航行性能已经产生了较大影响。

图3 A船水线下船体勘验情况

对B船浪、风和排水量的修正,分析各项修正值在轴功率修正量中所占比重,见图4。

图4 B船浪、风和排水量的修正比例

对于水线以上船体面积较大的船,由航速增加而产生的风阻力迅速增加,部分监测点显示对风阻力的修正甚至超过了波浪阻力增值的修正。排除影响因素后,各监测点相对基准曲线的功率增加量见图5。

图5 B船轴功率功率增加量变化情况

由图5可见,从4号监测点就开始轴功率增加量达到15%以上,6号监测点开始轴功率增加20%以上。在4号监测点对该船水线以下污损情况进行了勘验,距船B上次涂装约8个月,当轴功率增加量在15%左右,主船体出现了点状钙质污损,螺旋桨开始出现钙质污损,见图6。

3 结论

改变以往筛选监测数据以排除影响因素的方法,通过阻力修正扩大了监测数据的许用范围,提高了污损监测的效率。两船计算结果表明,监测结果同船体污损程度相符,对浪、风和排水量的修正有效。

图6 B船水线以下船体勘验情况

浪、风和装载等参数主要依靠船员定时填写,数据的精度和容量有限;并且对波浪阻力增值的计算基于切片理论,精度难以控制。如何自动准确地获取这些数据并进一步提高修正精度是污损监测下一步的主要研究方向之一。

［1］SCHULTZM P,BENDICK JA,HOLM ER.Economic impactof biofouling on a naval surface ship［J］.Biofouling,2011,27(1):87-98.

［2］张明明,赵 文,于世超.我国海洋污损生物的研究概况［J］.水产科学,2008,27(10):545-546.

［3］WALKER M,ATKINS I.Surface ship hull and propeller foulingmanagement［C］∥The Royal Institution of Naval Architects.Bath,2007:9-12.

［4］ARRIBASF P.Somemethods to obtain the added resistance of a ship advancing in waves［J］.Ocean Engineering,2007(34):946-955.

［5］夏利清,范佘明.船舶在波浪中阻力增加预报研究进展［J］.船舶,2005(6):6-8.

［6］杜丽华.实海域远洋渔船波浪増阻和失速预报［D］.武汉理工大学,2012.

［7］蒋永旭,董国祥,高家镛.肥大型运输船在波浪中阻力增加及失速预报［J］.上海船舶运输科学研究所学报,2010,33(2):104-109.

［8］赵 强,苏 甲,陈京普.集装箱船风阻力的数值模拟研究［C］∥第十一届全国水动力学学术会议, 2012:1008-1011.

［9］李舜杰,刘东风.舰船轴功率测量与应用研究［J］.中国修船,2010,23(5):14-16.

［10］丁立斌.船舶装载及波浪载荷对船舶推进轴系的影响研究［D］.江苏科技大学,2012.

On the Fouling Monitoring Method of Ships Based on the Relationship of SHP and Speed

M IN Shao-song,ZHANG Zi-long,PENG Fei
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

Aiming at the problem of that the current foulingmonitoringmethod hasmany strict limitations of the voyage condition,amodified calculatingmethod of the running resistance of ships is presented,which can take into account the different situations ofwind,wave and displacement.The voyage data of two ships is collected and processed.The calculation results are compared with the real fouling condition,showing that the proposedmethod is feasible.An evaluation criteria of the foulingmonitoring for real ships is set forth.

shaft horsepower;speed;foulingmonitoring;resistance amendment

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.035

U672.7

A

1671-7953(2015)03-0146-04

2014-12-25

修回日期:2015-01-09

国防科研项目

闵少松(1978-),男,博士,讲师

研究方向:舰船维修

E-mail:minshaosng@163.com