船舶推進(jìn)節(jié)能裝置技術(shù)研究及展望

伍賽特

上海汽車集團(tuán)股份有限公司

0 引言

推進(jìn)裝置是船舶動(dòng)力系統(tǒng)中重要的一環(huán)，在當(dāng)前能源儲(chǔ)備日漸稀缺及環(huán)保政策日益收緊的趨勢(shì)影響下，除了對(duì)船舶主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行有效改良外，針對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)開展的節(jié)能措施研究也逐漸走入了人們的視野[1-4]。

1 船舶推進(jìn)節(jié)能裝置

按螺旋槳相對(duì)位置的不同，船舶推進(jìn)節(jié)能裝置可分為槳前節(jié)能裝置和槳后節(jié)能裝置。槳前節(jié)能裝置主要包括前置導(dǎo)管、補(bǔ)償導(dǎo)管、槳前整流鰭（導(dǎo)流鰭）、槳前固定葉輪[5，6]、槳前自由旋轉(zhuǎn)葉輪及各種導(dǎo)流支架等與船尾伴流相匹配的節(jié)能裝置。這些節(jié)能裝置通過(guò)改善槳盤面的伴流分布，提高推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)效率，并對(duì)槳葉表面空泡現(xiàn)象和船舶激振力也有所改善。

槳后節(jié)能裝置主要包括槳后自由旋轉(zhuǎn)葉輪、槳后固定導(dǎo)輪、轂帽鰭、舵球、舵附推力鰭、舵球鰭、襟翼舵、扭曲舵等，其通過(guò)回收利用螺旋槳尾流場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn)能量和渦動(dòng)能來(lái)提高推進(jìn)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。此外，近些年來(lái)還出現(xiàn)了多種不同節(jié)能裝置的組合（包括槳前節(jié)能裝置之間的組合、槳后節(jié)能裝置之間的組合以及槳前節(jié)能裝置與槳后節(jié)能裝置的組合構(gòu)成的組合式節(jié)能裝置，其充分利用不同節(jié)能裝置的節(jié)能機(jī)理，使其節(jié)能效果相互疊加產(chǎn)生優(yōu)于單個(gè)節(jié)能裝置的節(jié)能效果。

無(wú)論是單個(gè)節(jié)能裝置還是多個(gè)節(jié)能裝置的組合，其外形特點(diǎn)、外形尺寸大小、產(chǎn)生節(jié)能效果的工作機(jī)理、設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)以及在船體上的安裝位置均不相同，本文選取和理論研究相關(guān)的數(shù)個(gè)節(jié)能裝置進(jìn)行研究。

1.1 補(bǔ)償導(dǎo)管

通常而言，方形系數(shù)大于0.6的船舶，艉部的水流分離不可避免，從而造成了艉部的能量損失。因此，造船工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)艉部型線時(shí)，采用了以下幾種方法：

（1）采用球尾船體；

（2）增大螺旋槳葉梢與船底之間的距離；

（3）減小艉部水流去流角（改進(jìn)螺旋槳的進(jìn)流速度場(chǎng)）。

這種通過(guò)改變船尾型線來(lái)改善尾流場(chǎng)的方法，雖然具有一定的作用，但其效果卻不十分明顯。

針對(duì)上述問(wèn)題，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)開發(fā)了伴流補(bǔ)償導(dǎo)管。經(jīng)過(guò)海上試航和長(zhǎng)期使用，綜合裝載情況、航速和海況等因素，船舶平均節(jié)能改良效果為8%[7，8]。由于該項(xiàng)技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、價(jià)格低廉、效果良好、對(duì)船舶無(wú)不利影響（還有利于船舶增加穩(wěn)定性），我國(guó)國(guó)內(nèi)已有相當(dāng)數(shù)量的船舶都裝上了伴流補(bǔ)償導(dǎo)管，其節(jié)能效果也很明顯。實(shí)踐表明，補(bǔ)償導(dǎo)管具有以下作用：

（1）提高船后螺旋槳的效率；

（2）減少船艉水流分離；

（3）使槳盤面處的水流更為均勻，減小螺旋槳葉梢的負(fù)荷，有利于減小螺旋槳引起的振動(dòng)；

（4）伴流補(bǔ)償導(dǎo)管的整流作用使流向舵葉的水流比較平直，可提高舵葉的效率，改善船舶的操縱性能；

（5）伴流補(bǔ)償導(dǎo)管在船尾兩側(cè)增加了面積，有利于提升航向穩(wěn)定性；

（6）船模適航性比較試驗(yàn)表明，在規(guī)則波試驗(yàn)中，由于伴流補(bǔ)償導(dǎo)管的存在，主機(jī)功率減小達(dá)3%～4%，縱搖頻響亦有所改善；

（7）在冰區(qū)航行的船舶，伴流補(bǔ)償導(dǎo)管具有保護(hù)螺旋槳免受冰塊損傷的作用。

1.2 前置導(dǎo)管

前置導(dǎo)管最早設(shè)計(jì)于1984年，并由西德伯虜姆-福斯船廠安裝于7萬(wàn)t的“羅道爾夫·奧爾登道夫”船上。我國(guó)在1985年首次將前置導(dǎo)管節(jié)能裝置成功地應(yīng)用于6.5萬(wàn)t散貨船上，取得令人滿意的效果。從第一只前置導(dǎo)管誕生至今，已有數(shù)以百計(jì)的船安裝了這種節(jié)能裝置，一般節(jié)能效果可達(dá)4%～10%。

1.3 槳前整流鰭

螺旋槳在水中高速旋轉(zhuǎn)工作，在其周圍將產(chǎn)生軸向、周向和徑向擾動(dòng)速度，必將使螺旋槳消耗的能量分成三部分通入水流，其中由于周向和徑向誘導(dǎo)速度帶走的能量將收到損失，而且其中周向誘導(dǎo)速度能引起尾流的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)不但不產(chǎn)生推力，反而強(qiáng)化水流的漩渦，進(jìn)一步引起能量損失。

為了減少部分能量損失，可以在槳前船體上安裝導(dǎo)流鰭（整流鰭），通過(guò)對(duì)水流的“導(dǎo)引作用”，改變流向槳葉的水流方向，使其與槳葉自身的誘導(dǎo)速度相抵消，減少螺旋槳的周向誘導(dǎo)速度，從而減少能量的消耗以提高推進(jìn)效率。

1.4 舵球

20世紀(jì)80年代初，日本川崎重工在船模試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，率先在一艘13萬(wàn)t散貨船“瑞川丸”上加裝舵球，實(shí)船試航結(jié)果表明確實(shí)具有一定節(jié)能效果。

20世紀(jì)80年代中期以后，世界各國(guó)紛紛開始研究和使用舵球節(jié)能技術(shù)。試驗(yàn)表明，槳-舵球組合間距的變化對(duì)螺旋槳敞水效率的影響明顯，在舵上安裝舵球后一般可使螺旋槳的敞水效率提高達(dá)3%～5%。

推進(jìn)功率的節(jié)省是由于“伴流増益”效應(yīng)所致。光順的舵球消除了原先在螺旋槳槳轂后方發(fā)生的旋渦，使槳后尾流變得非常順暢，尾流速度降低，螺旋槳盤面面積增加，從而提髙了螺旋槳推進(jìn)效率。不僅如此，還可降低船舶的振動(dòng)和噪聲，明顯改善船舶的舒適性，此外由于尾流順暢，舵效改善，船舶操縱性也有所提高[9]。

1.5 舵附推力鰭

舵附推力鰭是一種回收螺旋槳尾流能量的節(jié)能裝置。舵附推力鰭是由日本的IHI公司于1983年首先研制成功，安裝在槳后舵的兩側(cè)，其作用原理是使水流經(jīng)過(guò)具有一定攻角的固定鰭后改變?cè)瓉?lái)的方向，轉(zhuǎn)化為附加推力[10]，起到助推節(jié)能的作用。

2 船舶推進(jìn)節(jié)能裝置的研究進(jìn)展

2.1 船舶推進(jìn)節(jié)能裝置的試驗(yàn)研究進(jìn)展

目前，國(guó)內(nèi)外船舶水動(dòng)力節(jié)能裝置的試驗(yàn)研究基本采用與船模自航試驗(yàn)研究相同的方法，需要開展螺旋槳模型敞水試驗(yàn)，有節(jié)能裝置和無(wú)節(jié)能裝置兩種情況下的船模阻力試驗(yàn)和自航試驗(yàn)，然后基于兩者的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)估實(shí)船的性能，通過(guò)比較是否有裝節(jié)能裝置實(shí)船的性能差異來(lái)確定節(jié)能裝置的節(jié)能效果。

國(guó)內(nèi)研究主要集中在船舶系統(tǒng)內(nèi)的研究所和開設(shè)船舶與海洋工程專業(yè)的大學(xué)等單位。國(guó)外的研究主要以韓國(guó)、日本、美國(guó)以及歐洲國(guó)家的一些研究中心船級(jí)社和造船企業(yè)為主。研究的熱點(diǎn)是補(bǔ)償導(dǎo)管、整流鰭、舵球、舵附推力鰭以及多種節(jié)能裝置的組合[11]。如：前置導(dǎo)管與舵球組合、前置導(dǎo)管與左弦補(bǔ)償導(dǎo)管組合、前置導(dǎo)管與左弦補(bǔ)償導(dǎo)管與右舷整流鰭三者組合、補(bǔ)償導(dǎo)管與舵球組合、整流鰭與舵球組合、舵球與舵附推力鰭緗合、補(bǔ)償導(dǎo)管與舵附推力鰭組合、補(bǔ)償導(dǎo)管與舵球組合、右舷補(bǔ)償導(dǎo)管與舵球組合。

2.2 船舶推進(jìn)節(jié)能裝置的理論研究進(jìn)展

目前，理論研究方法主要以基于勢(shì)流理論的升力線、升力面、面元法以及基于黏性流理論的CFD方法為主。

我國(guó)對(duì)船舶推進(jìn)節(jié)能技術(shù)的理論研究也始終在進(jìn)行，自2008年開始到目前基于面元法及CFD方法針對(duì)船舶推進(jìn)節(jié)能技術(shù)開展了大量的理論研究工作和模型試驗(yàn)研究工作，研究了前置導(dǎo)管、補(bǔ)償導(dǎo)管、整（導(dǎo)）流鰭、舵球、舵附推力鰭、舵球鰭、槳前固定葉輪等節(jié)能裝置以及部分節(jié)能裝置組合構(gòu)成的組合式節(jié)能裝置[12]。

3 船舶推進(jìn)節(jié)能技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)分析及展望

從船舶推進(jìn)節(jié)能技術(shù)的研究進(jìn)展表明，國(guó)內(nèi)外針對(duì)船舶推進(jìn)節(jié)能裝置開展了大量模型試驗(yàn)研究工作，研發(fā)了許多具有顯著節(jié)能效果的節(jié)能裝置，取得了可喜的成績(jī)。但是具體試驗(yàn)方法一直沿用ITTC推薦的用于有節(jié)能裝置的船模試驗(yàn)方法，并沒(méi)有針對(duì)節(jié)能裝置自身特有的屬性，研究適用于節(jié)能裝置節(jié)能效果預(yù)報(bào)的模型試驗(yàn)方法。

而現(xiàn)有節(jié)能裝置節(jié)能效果的試驗(yàn)研究，因涉及較多試驗(yàn)測(cè)試儀器設(shè)備，在試驗(yàn)過(guò)程中需要反復(fù)拆卸節(jié)能裝置與船模并調(diào)整船模試驗(yàn)狀態(tài)，導(dǎo)致其試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性差，需要進(jìn)行試驗(yàn)方法的改進(jìn)，研究適合節(jié)能裝置自身特點(diǎn)的試驗(yàn)方法，提高節(jié)能效果預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和預(yù)報(bào)結(jié)果的可重復(fù)性。隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展和各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，適用于船舶推進(jìn)節(jié)能裝置及節(jié)能效果并可進(jìn)行精確預(yù)報(bào)的全新模型試驗(yàn)方法將是未來(lái)若干年內(nèi)的研究熱點(diǎn)。

尺度效應(yīng)對(duì)節(jié)能裝置節(jié)能效果的影響已引起國(guó)外相關(guān)學(xué)者和該行業(yè)相關(guān)企業(yè)的重視，相信在不久的將來(lái)，基于全尺寸模型和CFD技術(shù)開展節(jié)能裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)和節(jié)能效果數(shù)值預(yù)報(bào)必將成為船舶推進(jìn)節(jié)能技術(shù)研究的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)論

水路運(yùn)輸是交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分，而目前針對(duì)船舶推進(jìn)裝置而開展的節(jié)能研究正方興未艾，隨著相關(guān)技術(shù)水平的不斷完善及政策的不斷優(yōu)化，基于船舶推進(jìn)裝置節(jié)能技術(shù)的相關(guān)試驗(yàn)研究終將達(dá)到一個(gè)新的高度。