船舶設計中節能技術應用研究

李 勇

摘要:隨著船舶燃油價格的上漲,船舶節能技術得到了廣泛的關注,本文旨在介紹國內外船舶推進與節能方面的研究與進展。其中包括優秀船型的研究、開發附加流體水動力節能裝置、新型高效推進器以及一些特殊船舶節能技術的研究。

關鍵詞:船舶節能;節能船型;附加節能裝置;高效推進器

隨著國際油價的快速上漲,船舶燃油費用日益增加,船舶節能技術已成為航運業研究的熱點之一。我國能源形式嚴峻,節能已經成為國民經濟發展中的重要任務。船舶是高能耗的運輸工具,研究和應用節能技術降低船舶能耗,不僅可以為航運企業節省燃油費用,還可以減少船舶造成的環境污染,獲得經濟和環保雙重效益。

1節能型船型的設計

各國致力于節能船型的研究收到了明顯的效果。出現了不對稱船尾、雙尾鰭船型、渦尾船型、球尾船型等,均收到了較為顯著的節能效果[1]。

1.1非對稱尾船型

世界上第1艘采用非對稱船尾的實船是1982年在德國奧登堡的漢立許白蘭特船廠下水的集裝箱船“Thea-S”(“特亞斯”)號。目前,共有60多艘非對稱尾船型在世界各地運營。我國708研究所對非對稱船尾線型技術進行了研究。證明采用非對稱尾技術后在相同航速下,滿載和壓載工況可分別節能4.5%~10.1%, 4.5%~9.4%,或在同耗油條件下使航速提高0.4~0.5kn左右。[2]

1.2雙尾鰭船型

1976年法國在大西洋船廠建造了1艘55萬t油輪“巴梯勒斯”號就采用了雙尾鰭船型。80年代,日本造船研究中心對某滾裝船及散貨船進行單槳,雙尾鰭,三尾鰭方案進行船模試驗研究,結果表明滾裝船的雙尾鰭型主機功率比常規雙槳船、散貨船的分別降低20%和5%。[2]

2新型柴油機的應用

2.1低速柴油機

Wartsila Sulzer新機型的開發重點放在兩個方面:一是加緊開發智能化發動機,推出5個智能化機型,二是大力開發適用于集裝箱船的新機型,新的機型具有沖程較短、轉速較高、機器高度較低等特點,使船機槳三者達到最合理的匹配。近年來建造的大中型集裝箱船大多采用Sulzer低速機。

2.2中速柴油機

近年來在中速機獨占鰲頭Wartsila公司一直在研發兒項新技術以進一步降低油耗,減少NO、排放。向氣缸內直接噴水可使Wartsila 46機的NO、降至10g/kWh以下,并可減少冷卻水消耗,此措施還可用于老機器的改造。Wartsila還在研究向氣缸內噴射蒸汽,使NO、降至3g/kWh,熱效率提高3%-5%。Wartsila中速機的熱效率已達50%,新推出的W46和W64柴油機的燃油消耗率僅為172g/kWh,已達到低速柴油機的水平

3節能高效推進器的研究

近年來西歐國家的科研人員開發出幾款新型螺旋槳。新型螺旋槳推進效率高,在保持船舶航速不變的前提下,可節約主機功率少則3%-4%,多則8%-10%。其次,新型螺旋槳可明顯減少激振力,從而可明顯消減船尾振動,因而延長了船體結構和設備的使用壽命。較典型的有:

3.1Kappel螺旋槳

丹麥D/S Norden航運公司在其新建的六艘35000dwt成品油/化學品船中的一艘船中安裝Keppel螺旋槳。2002年完成了Keppel槳和常規槳的實船對比試驗,航速為15kn時,采用Keppel槳可節省主機功率達4.01%,229kW,營運一年可節省燃油170-250t,約合2.5-4萬美元。

3.2正反轉螺旋槳

眾所周知,采用正反轉螺旋槳作為推進裝置是一項行之有效的節能措施,安裝在后面的螺旋槳旋轉反向與前面一臺螺旋槳相反,因而可有效地將前面一臺螺旋槳尾流中的旋轉能量轉化為推力。

實船性能對比試驗在分別裝有正反轉螺旋槳的Cosmo Delphinus和裝有常規調距槳的姊妹船之問進行。試驗結果表明:軸功率比常規船低15%,尾流平穩,航向穩定性好,船的操舵響應能力甚好,噪音與振動低。

3節能附件的應用

各種水動力節能附加裝置具有:改善螺旋槳進流,減少船尾的水流分離現象,使槳前流預旋,產生附加推力等作用。這些裝置中取得較顯著節能效果的有:舵附推力鰭、Lips高效舵、NCF、Grim自由旋轉葉輪等。

3.1槳后自由旋轉助推葉輪

模型和實船加裝助推葉輪的結果表明,該裝置節能效果一般在5%~10%,1983至1985年共有9艘1300箱集裝箱船加裝了助推葉輪,節能效果達11%。

3.2舵附推力鰭

舵附推力鰭是一種新型回收螺旋槳尾流能量的節能裝置。其作用原理是使水流經過具有一定攻角的固定鰭后改變原來的方向以增加推力。計算結果表明,舵附推力鰭回收尾流場的部分旋轉能量產生附加推力,其助推效率可達3%~4%[3],是一種較好的推進節能裝置。

3.3 Lips高效舵

Lips高效舵,也可稱為槳舵一體化裝置(Prop andFin Combination),在舵葉中間部位,沿螺旋槳軸軸線延伸方向,焊有一只呈流線型紡錘體狀的舵球。模型試驗證實,與常規舵相比較,裝用高效舵后推進功率和燃油消耗可節省5%-6% ,螺旋槳激振力降低40%,螺旋槳誘導噪聲級降低5dB(A)。

3.4日本Namura船廠開發的NCF

2001年9月,日本Namura船廠公布了其開發的一項節能技術NCF(Namura flow control fin),Namura流體控制翼,可收到2%-5%的節能效益,已用于該船廠生產的五個標準船型。2001年5月,Namura對一艘裝有NCF的巴拿馬型貨船進行船上實船試驗,證實了船模試驗結果,節能效益達5%。

3.5前置導管和Costa整流舵組合式節能裝置

這是目前新造商船采用最為廣泛的一款節能裝置,近年來國內船廠為海內外船東建造的商船大多采用此節能

裝置,通?？墒盏?%-8%的節能效果。

4結語

本文介紹的節能技術包括船型研究、節能高效推進器的研究、水動力節能附加裝置研究與應用。限于篇幅,本文只對其中某幾種船舶節能裝置進行了詳細介紹。隨著科學的發展以及理論的研究,可以預見將會有越來越多新型種類的船舶節能技術將應用到船舶的節能技術中。

參考文獻:

[1]曹并桐.近幾年來船舶節能技術的開發與應用[J].交通部上海船舶運輸科學研究所學報,2003,12(2):101-113.

[2]黃勝.船舶推進節能技術與特種推進器[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,1998.

[3]郭春雨,黃勝.非線性渦格法預報槳后舵附推力鰭水動力性能[J].華中科技大學學報,2006,(6):87-89.