纵倾调整对三大主力船型航行性能的影响

第 40 卷第 2 期 2021 年 2 月Vol. 40 No. 2 Feb. 2021
ISSN 1006 -7167CN 31 -1707/T
宝參生科弦占摇虑
RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORY
DOI ： 10. 19927/j. cnki. syyt. 2021.02.004
纵倾调整对二大主力船型航行性能的影响
宋磊1，，童骏3，孙江龙1，
(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)
摘 要：以3艘典型海洋运输主力船型(13 500TEU 集装箱船、46 000 t 成品油轮和 47 500DWT 散货船)为研究对象，分别讨论其在结构吃水、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。

采用试验的方法获取缩比模型
阻力并换算至实船主机功率，比较同一载重不同纵倾下主机功率相对平浮增减值。

结果表明：三大主流船型纵倾姿态调整对主机功率影响显著，不同载重工况下将船 舶调整至最佳纵倾工况主机功率有3%〜4%的降低空间。

基于最小航行阻力原则
在实际运营时可将船舶调整至对应纵倾姿态。

关键词：三大船型；纵倾调整；主机功率
中图分类号:U 661 文献标志码:A
文章编号：1006 -7167(2021 )02 -0018 -05
Influence of Trim Optimization on Resistance Performance of Three Main Ship Types
SONG Lei 1，, TONG Jun 3, SUN jianglong 1，
(1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering , Huazhong University of Science and Technology ,
Wuhan 430074, China ； 2. Hubei Provincial Engineering Research Center of Data Techniques and
Supporting Software for Ships ( DTSSS ) , Wuhan 430074 , China ；
3. Wuhan Second Ship Design and Research Institute , Wuhan 430064, China )
Abstract : Taking three typical ocean freight main ship types ( 13 500TEU container ship , 46 000 tons product tanker
and 47 500DWT bulk carrier ) as the research object , the trimoptimizationof three loading conditions of structural draft , design draft and ballast draft are discussed , respectively. The test method is used to measure the resistance of the
reduction model and convert it to the power of the main engineof theship. The relative increase and decrease of the power of the main engine under the same load and different trim state are compared. The research results show that , the trim adjustment of the three major ship types has a significant effect on the power of the main engine. Under different load
conditions , the ships power is adjusted to the optimal trimming conditions. The main engine power has a 3% 〜 4% reduction space. During operation , the ship can be adjusted to the corresponding pitch state.
Key words : three major ship types ； trim adjustment ； monitor power
o 弓I 言
收稿日期：2020-06-03
基金项目:国家自然科学基金项目(51679097)
海洋运输是一种经济有效的运输方式,其具有载
作者简介:宋磊(1991 -)，男，湖北武汉人，硕士，实验师,主要研
运量大、运费低廉、天然航道等优势，国际贸易总运量■向为船舶实验技术。

的80%左右都是以船舶为载体的海洋运输完成⑴。

Tel. ： 150****6583 ； E-mail : song_lei@ hust. edu. cn
第2期宋磊，等：纵倾调整对三大主力船型航行性能的影响19
集装箱船、油船和散货船是船舶运输中三大主力船型,其完成的货运量约占海洋运输总货运量的80%〜90%2。

三大主力船型中集装箱船有较大的尺度、瘦长的球鼻鼻、相对而言较快的航速;油船和散货船都有较肥大的外形，船体结构设计上有较长的平行中体，扁平的球鼻鼻和较慢的航速。

从2008年金融危机至今,全球航运业处于低迷状态,船东为了盈利不得不提高货运效率,降低货运成本⑶；国际海事组织（IMO）保保委员会（MEPC）第56次会议首次提出强制性降低船舶航运过程中CO2的排放建议,并于第63、64次会议形成具体计算导则，提出极'船舶能效设计指数EEDI”微'船舶能效营运指数EEOI”标准⑷，其基准值自2020年1月1日起将执行更高的折减系数，船舶将面临更加严格的碳排放标准⑸。

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⑹通过对4250TEU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⑺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⑻以18000DWT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⑼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：3500TEU集装箱船（集装箱船）、46000t成品油船（成品油船）和47500DWT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入制作木质模型，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
类型
集装箱船成品油船散货船
实船模型实船模型实船模型
总长，厶OA/m366 6.655184.95 5.138199.99'5.263设计水线长，WL〃m350 6.3641805195.7 5.15
船宽,B/m48.20.87632.20.89432.260.849型深，/m30.20.54918.20.50616.20.426设计吃水，/m13.50.24510.20.28310.70.282结构吃水，s/m160.291120.33310.70.282排水量,/kg154791.(907.748172.71002.357359.21019.8设计航速,，/kn23 1.59514.6 1.25213 1.085方形系数,C b0.66110.80880.8444
棱形系数,C p0.67630.81210.8478
水线面系数,C w0.83200.89160.9409
中剖面系数,C m0.97750.99620.9960
缩尺比，入553638
（a）集装箱船
（b）成品油船
（c）散货船
图13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皿。

由模型阻力换算至实船有效功率时采用傅汝德法M（Froude'Method），将船模阻力的分为摩擦阻力即f和剩余阻力人r，无因次化后即船模阻力系数C
t
20第40卷
图2试验示意图
分为摩擦阻力系数C f和剩余阻力系数数，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
C0-075/八
Cf二dg心-2)(1)实船总阻力系数：
C t s-C f s+C r s+△C f-
C f s+(C t m-C G+△C f(2)式中:A C f为粗糙度补贴系数:其值根据实船长度不同取值不同［1］，对于集装箱船船长为366m,A C f取-0. 2X10-3；对于成品油船和散货船，船长介于150〜200 m之间,AC f取0.2X10-3o
实船总阻力
R ts二0-5C ts-P s亿S s(3)有效功率(kW)
p ES二R ts矽s/1000(4)
主机收到功率
p S-p Es/(n D
n S n G)(5)式中：n d为推进效率；n s为轴系传送效率；n g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［2］o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鼻形状处于船舶球鼻鼻最尖端以下或以上。

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;其中球鼻鼻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［3］o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，球鼻鼻均完全没入水中，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，由于船舶球鼻鼻有一半没入水中,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［4］o
表2试验工况信息
船型名称集装箱船成品油船散货船
航速/kn14,15,16,17,18,19,0,1,2,3吃水/m16.013.57.57,8,9,10,11,12,13,14,15
12.010.2 6.3
9,10,10.5,11,11.5,12,12.5,13,14
11.210.7 4.5
纵倾值(吃水差,首倾为负)/m
-3,-2.5,-2,
-1.5,-0.5,0,
0.75,1.5,2.25,3
-3,-2,-1,0,
0.5,1,1.5,2,3,
3.4,4
-2,-1.3,-0.
600.61.3 2.
53
00.51 1.52
2.53
-0.500.40.
8,1.2,1.6,2,2.5
0,1,1.4,1.8,2.2,
2.6,3,
3.4
(a)集装箱船(b)成品油船
图3试验工况下吃水相对船舶结构的位置
(c)散货船
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［5］定义如下：
相对平浮增减比二
纵倾调整后主机功率-平浮主机功率X［00%
衡状要组率率
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〃=16.0m。

如图4(a)所示，船舶调整至尾倾状态主机功率增大,在航速14〜23kn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=4m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=-2m时效果最好。

第2期
宋 磊，等：纵倾调整对三大主力船型航行性能的影响
2 1
(2)吃水d = 13.5 m
o 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。

-trim=-3.0 + trim=-2.5 + trim=-2.0 trim=-1.5 -^trim=-1.0 + trimT.5
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
航速,叫/kn
(a) d = 16. 0 m
亠 trim=-3.0 — trim=-2.5 ♦ trim=-2.0
trim=-1.5 -trim=-1.0
trim=-0.5
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
航速,叫/kn
-•- trim=-2.0-•- trim=-0.5
trim=1.5-•- trim=4.0trim=-3.0 trim=-2.5trim=-1.5 -*-trim=-1.0 trim=0 ♦ trim=0.7 5
trim=2.25 trim=3.0
(b ) d = 13.5 m
%
、
區
玄遽輕处粧夜
贾30r 25­20­15­10­
-10-
一削
13
(c ) d = 7. 5 m
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
水力组率率将减,随着倾调度度加大,船与力组率率 降低幅度将变大。

综合全航速考虑，将船舶调整至首
倾trim 二-2m 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。

8 6 4 2 0
trim=-2.0 trim=-1.3 trim=-0.6 trim=O trim=O .6
trim= 1.3 trim=2.5 trim=3.0
7 8 9
10
11 12
13 14 15
航速,叫/kn 6
a ) d =12.0 m
6 7 8 9
10 11 12 13 14 15
航速,叫/kn
(b ) d =10.2 m
trim=-2.0 trim=-1.3 trim=-0.6 trim=0
T-trim=-2.0 trim=-1.3 -*-trim=—0.6 trim=0-trim=0.6 -•- trim= 1.3 -•- trim=2.5 -•- trim=3.0
(c ) d =6.3 m
图5
成品油箱试验结果
2・3散货船试验结果
(1) 吃水〃 = 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
o 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
o 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%
o
(a ) d = 11.2 m
~^trim=-2.0 -trim=-1.3 trim=-0.6 trim=0-^trim=0.6 trim=1.3 -»-trini=2.5 -»-trim=3.0
-^trim=-2.0 十 trim=-1.3 —trim=-0.6 trim=0 trim=0.6 trim= 1.3 -•- trim=2.5 -•- trim=3.0
航速,冬/kn %
、
區去寬袈处粧衩奚
(b ) d = 10.7 m
-*-trim=-2.0 trim=-1.3 -^trim=-0.6 trim=0-•- trim=0.6 -•- trim= 1.3 -•- trim=2.5 -•- trim=3.0
一］5------------------------------------------------------------8.5
9.5
10.5 11.5 12.5 13.5 14.5
航速,叫/kn (c ) d = 4. 5 m
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“ f
air ”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
d /m
3 - 2trim/m
3〜42〜 11〜00〜11〜22〜316good good good poor poor poor poor 13.5good
good
good poor
poor poor poor
7.5
poor poor poor
fair poor
poor
good
表4成品油船纵倾调整主机功率变化表
trim/m
d /m -2〜-1
-1 〜0 0 〜0.8 0.8 〜1.6 1.6 〜2.4 2.4 〜3.212 good good poor
poor poor poor
10.2 fair
fair fair good fair fair 6.3
-
-
fair
good
good
good
表5散货船调整主机功率变化表
d /m trim/m
-0.5 〜00 〜0.70.7 〜1.4 1.4-2.1 2.1 〜2.8 2.8 〜3.511.2good
good good fair fair -10.7
-poor fair
fair good -4.5-
fair
good
good
good
good
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 构论：
(1) 集装箱船在结构吃水田=16 m 和设计吃水田
= 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 =
(下转第48
页)
综上所示，说明在本案例中地质调查可以为后续地震波的超前预报提供有效的信息参考，能提咼最终的预测结果的准确性和有效性,并且能大大减少预测时间。

因此，地质预测分析方法具有经济高效，预测结果准确的特点，具有一定的工程使用价值。

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(下转第22页)
10.7m时将船舶调整至尾倾d=2.5m航行效果最佳;空载吃水d=4.5m时将船舶调整至尾倾trim= 2.2m航行效果最佳。

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成功二艰苦的劳动+正确的方法+少说空话
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—爱因斯坦。