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 3C 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 03P 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∙√PE 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 ∙SV 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g m =GV s (2.11) 式中: g m 一每海里燃油消耗量(kg n ⁄ mile)G 一动力装置每小时燃油消耗量(kg ℎ⁄ )V s 一船速(kn)g m 随航速变化的曲线如图2.4所示:图2.4 g m g e 随转速变化Fig.2.4 the curve about the change of g m g e with the speedg m 最小时所对应的航速,称为最低燃油费用航速。

对一定的航程其燃油费用最少,所以亦称为经济航速。

进一步分析,当船舶负荷一定时,主机的有效功率P 。

与船速v,的三次方成正比,即:(2.12)又因为故:式中:P e 一主机有效功率(kW) , A 一常数由式2.13可知,每海里燃油消耗量与航速的平方成正比,在低速航行时虽然g e 会增大,而g m 则降低。

船舶保持g m 为最小时的航速成为经济航速。

在不受货期约束时,按经济航速航行可以降低货运成本。

但应注意,这里的经济航速并非时最大盈利航速,欲获得船舶的最大盈利航速,还需要考虑船的折旧费、客货的周转量、运输成本及利润等因素。

不同的航区和不同的船种将有其相应的最大 盈利航速,需要通过调研统计加以分析才能确定。

式2.12表明:当船舶负荷不变时,主机功率与航速三次方成正比,主机燃油消耗与航速的关系亦按比例变化,即航速的小幅减小可以大幅度降低主机功率与燃油消耗量。

目前国内外航运、造船界,对高航速的追求不再象传统的那样热衷了,而主张适当降低航速,使相同装载量的船舶主机功率大幅度降低,达到节油的目的。

3、盈利航速盈利航速是指使船舶获得最佳盈利效果的运营航速。

在实际营运中,船舶不仅要降低每日营运成本,而且需要提高每日的盈利水平。

如果只考虑降速节省燃油费用的支出,结果会使船舶延长航次时间,错过市场获利机会,使相同时间内减少航次数,影响盈利水平。

但是,如果置燃油费用上涨而不顾,始终以尽可能高的航速去运载货物,结果盈利水平不一定理想。

所以根据燃油价格和货运市场状况。

存在着使用不同航速以获得盈利的情况。

其中,能使船舶获得最大盈利的航速就是盈利航速,也就是船舶的最佳航速。

提高平均航速,有助于提高船舶运输生产效率,处理好经济航速和盈利航速之间的关系,将有助于提高船舶运输生产的经济效益。

船舶航速的选择是有界限的,上限不能超过主机额定功率所达到的最高航速,下限不能低于主机最低稳定转速下的航速。

中间还存在主机临界转速范围,任何情况下都不得长时间运行在临界转速范围内,该转速范围内会引起主机和船体的强烈振动,并对主机造成恶劣得损伤。

2.2.3经济航速和盈利航速的计算和分析航速的变化涉及燃油费用和载货能力利用程度的变化,对成本和收益产生直接的影响。

但是,由于船舶运营的航次成本与收益同众多的具体内容相关,所以要精确地运用数学方法去计算经济航速和盈利航速还是有相当困难的,下述方法可供参考。

2.2.3.1经济航速的计算及分析1)如以节省燃油费用为目的,运用航速与主机功率、耗油率之间的相关关系资料确定单位航行距离油耗量最小的经济航速。

当运力过剩,且不管船舶营运船舶降速航行的经济性和排放变化分析与否,其固定成本都无法降低时,只能采用节省燃油费用来降低航次成本的措施来提高营运效果I'0j。

此经济航速,亦称最低耗油率航速。

2)如以船舶每航行天维持成本最低为目标,确定经济航速,方法如下:(2.14)式中: K H一船舶每航运天维持成本'(元/天)f一船舶每航行天固定成本(元/天)F sd一船舶每航行天燃油费用(元/天)设船舶柴油机的有效功率为P e(kw),把润滑油消耗折合进去的柴油机单位耗油率为g e(gkw⁄∙ℎ),当时的燃油价格为C f(元/吨),则F sd为:(2.15)利用海军常数公式:(2.16)可得:(2.17)代入式（2.15），得：（2.18）令：（2.19）k称为船舶机能系数。

利用船舶机能系数k,船舶每航运天维持成本偏可表示为:K H=f+kV s3(2.20)若航船以航速V s(nmile/h)航行,速度增减值为c(损失取负值,增加取正值),则一天的航行距离为24(Vs+c)(nmile)。