周宏偉1，張益誠(chéng)2，詹淑湖1，盧希賢1，姚震球，袁偉

(1.75608部隊(duì)，廣東 深圳 518054；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064；3.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212008)

船舶如果長(zhǎng)時(shí)間停留在某一港口，水線下船體和螺旋槳會(huì)附著較多的海洋生物從而導(dǎo)致船舶污底，進(jìn)而影響到船舶的航速和油耗。某型交通艇服役海域相對(duì)固定，特別是當(dāng)長(zhǎng)期在熱帶海域服役時(shí)，水體營(yíng)養(yǎng)豐富，污底會(huì)成倍增長(zhǎng)，航速會(huì)急劇下降。波羅的海國(guó)際航運(yùn)公會(huì)(BIMCO)于2012年10月起草了船舶污底條款[1]，規(guī)定“如果船舶在熱帶或非熱帶水域“在某地、錨地或泊位停留時(shí)間或來(lái)回移動(dòng)時(shí)間的總和超過(guò)15 d，承租人有義務(wù)對(duì)船體進(jìn)行清污”。交通艇對(duì)航速的要求較高，需要及時(shí)清污，但是若參照此規(guī)定執(zhí)行全部船體清污保養(yǎng)，將耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)、開(kāi)支巨大。隨著環(huán)保政策的陸續(xù)頒布，塢修時(shí)高毒性防污油漆的使用也受到了一定限制，交通艇船舶污底現(xiàn)象愈加突出，現(xiàn)有的研究[2]較少針對(duì)交通艇開(kāi)展實(shí)船試驗(yàn)進(jìn)行分析論證，也較少涉及不同部位(水線下船體和螺旋槳)污底對(duì)航速的影響程度的研究。同時(shí)，在負(fù)荷限制范圍內(nèi)，能否通過(guò)局部清污以達(dá)到保持航速和減少清污耗費(fèi)的目的，也缺乏相應(yīng)的探計(jì)。為此，首先進(jìn)行污底故障的判定與勘驗(yàn)，然后分兩階段進(jìn)行污底清潔和實(shí)船試航試驗(yàn)，為局部清污提供理論依據(jù)。

1 故障勘驗(yàn)與分析

1.1 基本情況

某型交通艇2艘(A、B)，深V型艇體，艇長(zhǎng)60.1 m，型寬8.4 m，滿載排水量413 t，配有4臺(tái)TBD620V16主機(jī)(額定功率為2 032 kW×4)，設(shè)計(jì)最大航速不低于30 kn。

2018年12月A艇結(jié)束小修，試航最大速度為26.8 kn(滿載，4臺(tái)主機(jī)轉(zhuǎn)速1 730 r/min)。2019年5月，該艇航速下降到12 kn左右(滿載，4臺(tái)主機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min)，同時(shí)出現(xiàn)主機(jī)負(fù)荷增大、排溫增高的現(xiàn)象，戰(zhàn)、技術(shù)性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

B艇于2019年6月小修結(jié)束，試航最大速度為27.5 kn(滿載，4臺(tái)主機(jī)轉(zhuǎn)速為1 730 r/min)。2020年6月左右，該艇航速下降到12.5 kn(滿載，4臺(tái)主機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min)，4臺(tái)主機(jī)均出現(xiàn)負(fù)荷增大、排溫增高的現(xiàn)象。同時(shí)，該艇1#主機(jī)在4×750、4×850和4×1 000車(chē)令下，轉(zhuǎn)速無(wú)法提升至車(chē)令目標(biāo)轉(zhuǎn)速(偏低20～100 r/min)。

1.1.1 靜態(tài)勘驗(yàn)

該型交通艇布局緊湊，軸系距底板空間狹小，未安裝遙測(cè)功率儀，主機(jī)功率只能參照油門(mén)刻度。同時(shí)，為方便分析主機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)情況，使用Heinzmann DC2軟件，讀取每個(gè)轉(zhuǎn)速下主機(jī)允許給定的最大油門(mén)齒條格數(shù)，擬制4臺(tái)主機(jī)設(shè)定的負(fù)荷限制曲線(與B艇2#主機(jī)7月16日動(dòng)態(tài)勘驗(yàn)運(yùn)行工況圖類似)。

對(duì)兩艇船底進(jìn)行探查攝像，檢查螺旋槳、舵葉、軸系、船底板和舷側(cè)水下部分的污底情況，均發(fā)現(xiàn)海生物附著嚴(yán)重，海生物主要為藤壺，船底表面凸凹不平，污損FG5級(jí)，螺旋槳平均附著厚度均為5～10 mm；水線下船體海生物附著A艇比B艇嚴(yán)重，面狀分布，覆蓋面積達(dá)50%～70%。

1.1.2 動(dòng)態(tài)勘驗(yàn)

2020年7月10日、7月16日分別對(duì)A艇、B艇進(jìn)行動(dòng)態(tài)故障勘驗(yàn)，檢查主機(jī)、齒輪箱、軸系、舵的工作狀態(tài)和船體的震動(dòng)情況。經(jīng)勘驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩艇傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行正常、船體無(wú)異常震動(dòng)，主機(jī)出現(xiàn)負(fù)荷增大、排溫增高、油耗升高的現(xiàn)象(記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表1)，在車(chē)令為4×1 000時(shí)，主機(jī)負(fù)荷接近限制線，渦后排溫過(guò)高(A艇在車(chē)令為4×1 000時(shí)，渦后排溫接近報(bào)警線550 ℃)，主機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)法繼續(xù)提升，航速僅為12～13 kn，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)航速。

表1 A、B艇動(dòng)態(tài)勘驗(yàn)結(jié)果

1.2 故障分析

將A艇、B艇4臺(tái)主機(jī)靜態(tài)勘驗(yàn)的負(fù)荷限制參數(shù)與動(dòng)態(tài)勘驗(yàn)的各工況油門(mén)刻度進(jìn)行對(duì)比分析，以主機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)和油門(mén)刻度(%)構(gòu)建坐標(biāo)系，發(fā)現(xiàn)兩艇主機(jī)工況均與負(fù)荷限制變化曲線重合。以B艇2#主機(jī)為例，見(jiàn)圖1。

圖1 B艇2#主機(jī)7月16日動(dòng)態(tài)勘驗(yàn)運(yùn)行工況

1.2.1 船舶阻力R

船舶航行時(shí)，船舶總阻力R與船速V的平方呈正比，計(jì)算公式為R=ARV2(其中AR為阻力系數(shù)，與污底程度、船體線型、海情等因素有關(guān))。因此，從水下勘驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩艇船底污損嚴(yán)重，水線下船底表面凸凹不平，表面粗糙度變大，船體流線型降低，阻力系數(shù)AR增大，船體阻力R增加，主機(jī)負(fù)荷顯著增大。

1.2.2 螺旋槳推進(jìn)性能

海生物附著在螺旋槳表面后，螺旋槳葉表面粗糙度變大、切面厚度增加、線型被改變。采用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)螺旋槳淌水試驗(yàn)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，通過(guò)設(shè)置槳葉壁面粗糙度參數(shù)模擬海生物附著情況，研究結(jié)果表明：當(dāng)?shù)刃П诿娲植诙仍黾訒r(shí)，推力系數(shù)Kt逐步減小、力矩系數(shù)Kq逐步增加，螺旋槳推進(jìn)性能顯著下降。在相同進(jìn)速條件下，引起螺旋槳轉(zhuǎn)矩增大和推力損失，螺旋槳特性曲線變陡，則會(huì)導(dǎo)致螺旋槳與主機(jī)動(dòng)力的不匹配現(xiàn)象，見(jiàn)圖2。

圖2 出現(xiàn)船舶污底時(shí)的螺旋槳推進(jìn)性能

船底光滑時(shí)，主機(jī)與螺旋槳配合的工作點(diǎn)為a；當(dāng)出現(xiàn)污底、航行阻力增大時(shí)，若供油量保持不變時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速下降至n2(n2

1.2.3 綜合分析

對(duì)兩艇故障勘驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，基本判定兩艇航速下降的原因?yàn)樗€下船體污損和螺旋槳海生物附著，航行阻力增大，螺旋槳推進(jìn)性能降低，轉(zhuǎn)矩增加[4]，推力損失，主機(jī)負(fù)荷增大，主機(jī)供油量大幅增加，直至供油量與負(fù)荷限制曲線重合，導(dǎo)致負(fù)荷限制保護(hù)、油量供給限制，主機(jī)轉(zhuǎn)速難以繼續(xù)提升，航速達(dá)不到設(shè)計(jì)值[5]。

2 分階段實(shí)船試驗(yàn)與分析

為分析水線下船體污損和螺旋槳海生物附著對(duì)航行性能的影響程度，分兩階段對(duì)B艇進(jìn)行污底清潔和實(shí)船試驗(yàn)：①螺旋槳清潔完成后，進(jìn)行第一階段動(dòng)態(tài)試航和數(shù)據(jù)采集；②水線下船體清潔完成后，進(jìn)行第二階段動(dòng)態(tài)試航和數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)水域位珠江口深圳公共航道，氣象為4級(jí)以下海況，試驗(yàn)艇污損達(dá)到FG5級(jí)，深V型艇體，排水量均為409 t，對(duì)每個(gè)車(chē)令進(jìn)行2次數(shù)據(jù)采集(往返一次，即兩個(gè)單程)。

2.1 螺旋槳清潔后試驗(yàn)

在B艇螺旋槳清潔完成后(水線下船底污損保持不變)，7月17日進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)和試航數(shù)據(jù)采集。與7月16日故障勘驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

1)螺旋槳海生物附著后，螺旋槳推進(jìn)性能下降，大幅增大主機(jī)負(fù)荷，極易觸發(fā)負(fù)荷限制。清潔螺旋槳后，主機(jī)負(fù)荷下降，主機(jī)負(fù)荷限制消除，主機(jī)轉(zhuǎn)速可以持續(xù)提升，當(dāng)升至1 700 r/min時(shí)，航速達(dá)到25.12 kn(見(jiàn)圖3、4)。

圖3 B艇2#主機(jī)7月17日試驗(yàn)運(yùn)行工況

圖4 B艇7月17日試驗(yàn)航速

2)螺旋槳附著海生物后，船舶航速嚴(yán)重下降。主機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，航速下降2.52 kn，隨著轉(zhuǎn)速提高，航速進(jìn)一步大幅下降(見(jiàn)圖5)。

圖5 螺旋槳海生物附著后航速下降值與主機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系

3)螺旋槳附著海生物后，主機(jī)油耗大幅增加。在主機(jī)平均轉(zhuǎn)速為1 100 r/min時(shí)，同比增加5.47%，主機(jī)轉(zhuǎn)速愈高，上升趨勢(shì)愈明顯(見(jiàn)圖6)。

圖6 螺旋槳海生物附著后油耗增加值與主機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系

2.2 水線下船底清潔后試驗(yàn)

在清潔完B艇水線下船底(船舶污底全部清除)后，7月20日進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)，記錄采集試航數(shù)據(jù)。與7月17日試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

1)水線下船體污損引起的航速下降值與主機(jī)轉(zhuǎn)速呈正比，下降幅度較為平緩。在主機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速1 860 r/min時(shí)，航速將下降1.8 kn(見(jiàn)圖7)。

圖7 水線下船體污損后航速下降值與主機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系

2)將水線下船體污損對(duì)油耗的影響分為2個(gè)區(qū)間：①主機(jī)轉(zhuǎn)速在650～1 350 r/min之間，油耗的增加幅度較為平緩，增加量為1%～2%；②主機(jī)轉(zhuǎn)速在1 350～1 860 r/min之間，油耗隨主機(jī)轉(zhuǎn)速的提升而快速增加，增加量為4%～8%(見(jiàn)圖8)。

圖8 水線下船體污損后油耗增加值與主機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系

3 結(jié)論

1)螺旋槳附著海生物后，將導(dǎo)致航速嚴(yán)重下降，油耗大幅增加，在主機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100 r/min時(shí)，航速下降2.52 kn，油耗增加5.47%，并隨著轉(zhuǎn)速提高，變化程度逐步增加，進(jìn)而引發(fā)主機(jī)負(fù)荷限制，航速無(wú)法提升。

2)水線下船體污損引起的航速下降值與主機(jī)轉(zhuǎn)速呈正比，下降程度較為平緩，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值趨勢(shì)線，下降幅度為3.67～6.16%，在主機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速1 860 r/min時(shí)，航速將下降1.8 kn。

3)主機(jī)轉(zhuǎn)速在650～1 350 r/min區(qū)間，水線下船體污損引起油耗增加值較小，為1%～2%；主機(jī)轉(zhuǎn)速在1 500～1 860 r/min區(qū)間時(shí)，油耗隨主機(jī)轉(zhuǎn)速的提升而快速增加，增加值為4%～8%。

4)綜合分析兩個(gè)階段的實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)螺旋槳海生物附著會(huì)顯著引起航速下降、油耗升高，為航行性能的主要影響因素；水線下船體污損，為次要影響因素。該深V型、FG5級(jí)污損交通艇，螺旋槳海生物附著占船舶污底總影響的權(quán)重值為68.68%～77.14%。

從研究結(jié)果可以看出，螺旋槳海生物附著對(duì)于深V型高速艇的航行性能影響顯著。在使用維護(hù)中，應(yīng)定期對(duì)螺旋槳附著海生物進(jìn)行檢查，視情清潔除污；一旦出現(xiàn)因船舶污底造成的航速嚴(yán)重下降故障，注意綜合衡量船體清潔檢修時(shí)間與成本，優(yōu)先清理螺旋槳表面附著物。