船舶降速航行的经济性和排放变化分析 谢光明

2.2最佳航速的选择

在具体的营运环境和经济条件下,采取不同的航速,船舶的营运经济效果是

不一样的:过慢,则使船舶的周转慢而失去应有的收益;过快,虽然可以加速船

舶的周转,增加营运收入,但由于燃油费用急剧上升,会得不偿失。船舶在设计

时选定航速虽然也充分考虑了船舶的营运经济性,但通常只能在某个特定的营运

环境及经济条件下考虑。而由于运输市场的不稳定性,船舶在实际使用过程中所

处的营运环境和经济条件会经常变化,如航线的更改、货源充足程度的变化、港

口装卸效率的提高、燃油价格的上涨等,这些都会影响船舶的营运经济性。这时

就要通过改变船舶原有的航速来保证其营运经济性。因此,在实际营运过程中,

要经常根据船舶的技术性能,结合当时的环境条件,研究其实际应该采用的最佳

航速,以提高船舶的营运经济效果。

2.2.1航速、主机功率、油耗量三者之间的关系

船速、主机功率、油耗量三者之间的关系是在船舶设计时确定的船机浆之间

的静态工况匹配关系基础上得出的一个重要关系式。他们间的参数式在推进装置船舶降速航行的经济性和排放变化分析

工作时的运动学和功力学关系。并且船机浆三者在运行工况下的相互联系和相互

制约,三者中任何一个特性变化,必然会影响其他两者的运转状态,从而引起配

合工作特性的变化。船舶的正常航行是以螺旋桨推进特性进行的。

螺旋桨吸收的功率与其转速的关系式是:

p p= C∙n p3(2.1)

式中:p p一螺旋桨吸收功率;

n p一螺旋桨转速。

上式反映出螺旋桨运转特性,即浆的吸收功率弓与转速的三次方成正比。

如果不计传动损失,螺旋桨的吸收功率就等于主机功率。这样,主机功率只与转

3(2.2)

速也是三次方关系,即: p e=p p= C∙n p

而从船舶营运的经济行角度分析,势必要将螺旋桨转速的特性转换成以船舶

航速为变量的特性。

船舶在稳定工况下正常航行时,螺旋桨产生的有效推T e(T e=C t∙n p2)和

船舶航行阻力R(R= a R∙V s2)是相等的。故得:

a R∙V s2=C t∙n p2(2.3)

式中: a R一阻力系数; C t一推力系数; V s一船速。

式中系数a R, C t之值是由船舶线型、尺度及航行状态决定,对己设计建造

的船舶,其线型与尺度是已定的,当船舶的航行状态也保持一定时,此两系数可

看作为常数。由此得出: V s=C∙n p(2.4) (2.4)式说明,在一定条件下船舶航速与螺旋桨转速之间成直线关系。

综合式(2.2)和式(2.4)可得知:

以看出,在高速时,要增加一节航速比在低速时同样增加一节

航速要求主机的功率要大的多。也就是说,高速性要花很大的功率代价,如图

2.2中的曲线2。

图2.2机浆特性配合图

Fig.2.2 Cooperation speciality between engine and propeller

曲线1为柴油机的外部工作特性曲线,曲线2为包含了某外界航行工况的船

舶阻力特性曲线的螺旋桨推进特性曲线。因此,船机浆三者的特性配合变为了浆

机两者的特性配合,特性曲线1与2的交点A 既是机浆配合工作的平衡点,也

是船浆机共同配合的平衡工作点。在该外界航行工况下,船舶工作在相当于A

点的p R ~V s ,螺旋桨工作在相应于A 点的P p ~n p ,而柴油机则工作在相当于A 点

的P e ~n e [8,9] 。

通过上述推导主机功率与船速之间关系的过程,可以更深了解船舶航行时船

机浆之间的内在联系。实际上,主机功率与船速之间存在下面的更确切关系等式:

P e =∆23∙V s 3

C e (2.6)

式中: P e 一主机持续功率(kw)

∆一船舶排水量(T)

V s 一船速(kn)

C e 一海军常数(远洋船舶约为200一300)

当船型、主尺度和航速相近、机器类型相同、传动方式和螺旋桨的数目相同

时,海军常数 C e 基本相同。

同一艘船航速改变前后形状、大小、排水量相等,所以C e 几乎是相等的。

由式(2.6)可改为: V 0

3P e 0=V s 3P e (2.7)

式中: V 0一改变前航速

P e 0一改变前功率

V s 一改变后航速

P e 一改变后功率

改变航速后的主机功率为:P e =P e 0(V s V 0

)3 (Kw) (2.8) 改变主机功率后的航速为:V s =V 0∙√P

E P e 0 (kn) (2.9) 改变航速后航距S(海里)的燃油消耗量为:

G 2=g e ∙P e ∙S

V s ×10−3 (kg) (2.10)

式中:G2一改变航速后的耗油量(kg);

g e一燃油消耗率(g kw∙ℎ

⁄);

S一航行距离(nmile)。

2.2.2船舶航速

由于螺旋桨所消耗的功率约与转速的立方成正比,故航速的少量降低便可节

省大量的燃油消耗。但是并非航速越小越经济,因为船舶的运输费用除了燃料费用外还有其它费用。而且对于一定航线的船舶由于航速降低,航行时间增加,运

输效率下降,可能使经济效益减少。所以应根据具体情况确定某船舶的最佳航速。从不同角度考虑,可得到满足不同要求的相应航速。所以如何选择最佳航速是关键。而船舶的航速有一下三种:

1、设计航速

船舶设计时,由设计任务书确定船舶主尺度和航速。这时设计工程师面临两

类问题:一类是航速已确定,要求选择螺旋桨的基本参数要能达到任务书对航速

的规定而消耗的主机功率最小,从而选定主机功率和转速;另一类型是主机型号

已经选定,要求设计螺旋桨的基本要素,当耗去主机全部功率与满足主机转速条

件下,使船舶达到最大航速

船舶设计航速要通过航速试验加以验证。如果试航的实际航速达到设计航

速,主机达到额定功率与额定转速,说明螺旋桨与主机匹配良好,主机可以在额

定工况下长期运转,否则对螺旋桨基本参数或主机运行转速作某些修正。一般记录在船舶试航技术文件中,作为轮机管理的依据。

2、经济航速

所谓营运船舶的经济航速,是指船舶在营运中有利于降低成本提高收益的航

速,常用以下2种概念:

l)最低耗油率航速

主机工作在推进特性下,其耗油率ge随转速而变化,如下图2.3所示。

图2.3ge随主机功率变化的特性曲线

Fig.2.3The characteristic curve about g e.With the change of the main engine Power 耗油率g。最低时所对应的航速,称为最低耗油率航速。

显然柴油机在最低耗油率时运行其经济性最好,所以最低耗油率航速是经济

航速。若柴油机在航行时经常处于较高负荷工作,应尽量使用最低耗油率航速。2)最低燃油费用航速

船舶每航行一海里动力装置消耗的燃料,称为每海里航程燃油消耗量,即