前置預旋導管在VLCC上的應(yīng)用效果研究

饒勇豐， 張 革， 黃深遠， 李 鵬

(金海重工股份有限公司, 浙江 舟山 316291)

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前置預旋導管在VLCC上的應(yīng)用效果研究

饒勇豐， 張 革， 黃深遠， 李 鵬

(金海重工股份有限公司, 浙江 舟山 316291)

主要介紹了Mewis Duct前置預旋導管的節(jié)能、減振降噪原理，并以金海重工建造的VLCC J0212船為例，研究了安裝Mewis Duct前置預旋導管的應(yīng)用效果。

Mewis Duct 前置預旋導管 VLCC

0 引言

一段時間以來，相關(guān)綠色環(huán)保新規(guī)范相繼生效,節(jié)能環(huán)保的航運理念逐漸深入人心，航運界不論從現(xiàn)實出發(fā)還是從經(jīng)濟方面予以考慮，都產(chǎn)生了節(jié)能降耗綠色環(huán)保船型研發(fā)及加裝節(jié)能裝置的技術(shù)熱潮。目前新建商船最為廣泛采用的一款節(jié)能裝置就是前置預旋導管。其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，沒有任何活動部件，完全依靠焊接固定在尾軸套管外，易于施工。前置預旋導管不僅可以在船舶開發(fā)設(shè)計時就引入，也可用于現(xiàn)有營運船的改造，其節(jié)能效果顯著。德國Becker marine systems公司2009年正式推出Mewis Duct前置預旋導管，至2013年短短四年時間已為全世界范圍內(nèi)的船東安裝了超過四百多個前置預旋導管。

1 Mewis Duct前置預旋導管節(jié)能原理簡介

Mewis Duct 前置預旋導管安裝在螺旋槳的前部，由前置導管Duct和Special Fins預旋葉鰭兩個完全獨立的節(jié)能設(shè)備構(gòu)成，其構(gòu)造如圖1所示。與其他的節(jié)能裝置相比，Mewis Duct致力于降低以下兩個方面的能量損耗：(1) 通過前置導管減少船舶的伴流損失；(2) 通過預旋葉鰭前整流翼預旋水流減少滑脫效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)損失，從而進一步提高了螺旋槳的推進效率[3]。

圖1 J0212 VLCC Mewis Duct結(jié)構(gòu)型式

1.1 整流導管節(jié)能原理

如圖2所示，Mewis Duct安裝在螺旋槳的正前方船尾處，槳前縱中剖面附近，兩側(cè)偏置于槳軸上方，其中心線斜向后上方布置，是具有機翼形切面的環(huán)流倒流裝置。導管在產(chǎn)生推力的同時能夠穩(wěn)定導向葉鰭的整流效果，導管直徑小于槳的直徑。水流流經(jīng)導管時，在機翼斷面處產(chǎn)生環(huán)流，如圖3所示[1]。

圖2 Mewis Duct前置導管簡圖

圖3 整流導管界面環(huán)流示意圖

由于前置導管的存在，即環(huán)流的作用，能產(chǎn)生如下的效果。

(1) 環(huán)流加快了導管內(nèi)的水流速度，同時又使導管外的流速降低。其結(jié)果將有較多的水均勻地流向螺旋槳中上方2/3盤面處，從而提高了螺旋槳的效率[1]。

(2) 在導管環(huán)流的作用下，尾部水流分離現(xiàn)象小，從而減小了漩渦阻力，降低了能量損耗[2]。

(3) 由于導管的存在，加速了螺旋槳上部的水流速度，引起實效伴流分數(shù)及推力減額分數(shù)同時減小，但推力減額分數(shù)的減小更多，因此船身效率反而提高，故使推進效率得到了提高[2]。

(4) 通過位于螺旋槳前的導管，水流經(jīng)導管均勻地流向槳葉，使葉梢負荷降低，降低了螺旋槳的激振力[3]。

1.2 Special Fins預旋葉鰭的作用原理

(1) Mewis Duct預旋葉鰭產(chǎn)生了與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反的預漩渦，然后作用到螺旋槳上，使得螺旋槳的負荷提高進而提高推力，顯著提高了螺旋槳的推進效率[3]。預旋整流方案及效果如圖4所示。

圖4 Mewis Duct前整流翼預旋導向葉鰭

(2) 預旋葉鰭位于導管的尾端，葉鰭剖面的弦長小于導管機翼剖面的弦長。

導管本身構(gòu)成了葉鰭某種形式的端板，這樣提高了葉鰭的效率。

導管內(nèi)的葉鰭產(chǎn)生的預旋渦能夠有效降低滑脫效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)損失[3]。

(3) 通過增加螺旋槳內(nèi)部半徑范圍的負載，能夠有效降低槳轂處的渦流損失。此效應(yīng)與槳轂和槳直徑的占比成正比，這對推進效率也有一定的提升作用[3]。

圖5 安裝與不安裝Mewis Duct前置預旋導管的CFD計算流場對比

總體而言,經(jīng)過Mewis Duct預旋導管整流之后,螺旋槳進速流場明顯均勻,相較未安裝導管有明顯的改善, 如圖5所示。

1.3 不同船型的Mewis Duct前置預旋導管節(jié)能效果分析

節(jié)能裝置的節(jié)能預期是基于船尾螺旋槳運轉(zhuǎn)的能量損失，一個基本的原則是節(jié)能效率不可能超出現(xiàn)有的能量損失。

圖6顯示了基于能量損失分析的Mewis Duct前置預旋導管可能的節(jié)能系數(shù)。圖中黑色實線表明了理論計算的有效功率降低百分比，真實的節(jié)能效果取決于實際情況，例如船舶波浪場的性能，螺旋槳的型式和設(shè)計水平，以及導管本身的設(shè)計質(zhì)量，以上所有因素將會導致實際節(jié)能效果較圖中黑色實線有±2%的偏差[3]。

圖6 基于能量損失的不同船型前置預旋導管節(jié)能效果預估[3]

由圖6可知，在推力負荷系數(shù)Cth接近3.5時，油船Tanker節(jié)能最高接近11%，可見在三大常規(guī)船型中，油輪安裝Mewis Duct前置預旋導管的節(jié)能效果最佳。根據(jù)已有的對比研究結(jié)論，VLCC船型加裝Meiws Duct前置預旋導管節(jié)能效果遠超其他節(jié)能裝置如消渦鰭、舵球、扭曲舵、槳前反應(yīng)鰭，以及單一的伴流補償導管。如圖7所示，在船模水池試驗預報中，在設(shè)計吃水20.5 m時，船速17.45 kn時，Cth=3.608，按圖7中的最大節(jié)能曲線預估節(jié)能效果略超11%,實船試航的最終結(jié)果與理論計算的預報值非常接近。

圖7 設(shè)計吃水時船模試驗預報船體性能參數(shù)表[4]

1.4 Mewis Duct前置預旋導管減振降噪原理簡介

此外，據(jù)Mewis Duct Marine System 研究分析，總體而言，加裝Mewis Duct通過至多降低80%的脈沖壓力能夠顯著降低螺旋槳的激振。通過葉鰭與導管的綜合作用能有效改善螺旋槳葉梢的空泡現(xiàn)象,不僅能改善螺旋槳的推進效率還能提高螺旋槳的使用壽命,降低空泡產(chǎn)生的噪音,并有利于改善船舶的航向穩(wěn)定性。帶導管與不帶導管的螺旋槳空泡效果對比如圖8所示。

圖8 帶前置預旋導管與不帶前置預旋導管的螺旋槳空泡效果對比圖[3]

2 J0212 VLCC實際應(yīng)用Meiws Duct前置預旋導管效果分析

金海重工股份有限公司承建的VLCC J0212船是2009年韓國KOMAC設(shè)計的超大型原油輪，其主尺度及相關(guān)參數(shù)如下。

主尺度參數(shù)：

總長為333.00 m；

垂線間長為320.00 m；

型寬為60.00 m；

型深為30.50 m；

設(shè)計吃水為20.50 m；

結(jié)構(gòu)吃水為22.50 m；

載重量為320 000 t；

主機為MAN B&W 6S90ME-C8(Tier Ⅱ)；

最大持續(xù)功率為MCR 31，620 kW×78 r/min；

常用經(jīng)濟功率為CSR 26 877 kW×73.9 r/min。

螺旋槳尺寸：

螺旋槳直徑為10.0 m；

固定螺距螺旋槳為四葉；

螺旋槳帶尾軸負荷為600 N/mm2；

螺旋槳最高轉(zhuǎn)速為78 r/min；

水中最大轉(zhuǎn)動慣量為438 750 kg·m2；

在設(shè)計吃水時服務(wù)航速(0.85MCR含0.15的海水裕度)為16.0 kn；

主機位于CSR工況為10 200 kcal/kg；

低燃值油料，設(shè)計日油耗為107 t/每天。

受金融危機影響，本船建造周期滯后，相較于同期交付的其他VLCC船舶日油耗值偏高，因此新船東要求安裝Mewis Duct前置預旋導管以提高船舶速度降低油耗。

2.1 船模試驗報告預報

在完成相關(guān)圖紙設(shè)計后，廠家選擇了業(yè)界著名的漢堡水池進行船模水池試驗。船模試驗一共進行了壓載、設(shè)計、結(jié)構(gòu)三個吃水的帶導管和不帶導管的對比試驗。其中在船舶吃水20.5 m船速16 kn的工況時，對預旋葉鰭的角度進行了調(diào)整優(yōu)化。

(1) 在TF(艏吃水)=8.50 m，TA(艉吃水)=12.10 m壓載吃水時，如圖9所示。

圖9 壓載吃水時帶前置預旋導管和不帶前置預旋導管的對比[4]

不帶Mewis Duct前置預旋導管且無風無浪的工況下，主機提供螺旋槳的功率(螺旋槳的收到功率)PD=26 608 kW,實船預報速度V=17.61 kn。

在帶導管時，在同樣的情況下，實船預報速度V=18.10 kn。

相當于在規(guī)格書考核的船速V=16.0 kn時，可降低主機提供螺旋槳的功率(螺旋槳的收到功率)PD值 9.2%。

或者相當于在相同螺旋槳收到功率的情況下，帶導管時可降低螺旋槳轉(zhuǎn)速1.3%[4]。

(2) 在20.5 m設(shè)計吃水時，如圖10所示。

不帶導管且無風無浪的工況下，主機提供螺旋槳的功率(螺旋槳的收到功率)PD=26 608 kW,實船預報速度V=16.39 kn。

在帶Mewis Duct導管時，在同樣的情況下，實船預報速度V=16.87 kn。

相當于在規(guī)格書考核船速V=16 .0 kn時,可降低主機提供螺旋槳的功率(螺旋槳的收到功率)PD值8.2%。

或者相當于在相同螺旋槳的收到功率情況下,帶導管時可降低螺旋槳轉(zhuǎn)速1.5%[4]。

(3) 在22.5 m結(jié)構(gòu)吃水時，如圖11所示。

不帶導管且無風無浪的工況下，主機提供螺旋槳的功率(螺旋槳的收到功率)PD=26 608 kW,實船預報速度V=15.91 kn。

在帶Mewis Duct前置預旋導管時，在同樣的情況下，實船預報速度V=16.45 kn。

相當于在規(guī)格書考核船速V=16 .0 kn時,可降低主機提供螺旋槳的功率(螺旋槳的收到功率)PD值 9.9%。

或者相當于在相同螺旋槳的收到功率情況下，帶前置預旋導管時可降低螺旋槳轉(zhuǎn)速1.2%[4]。

綜上所述，在三個典型吃水工況下，前置預旋導管都具有良好的節(jié)能效果。

圖10 設(shè)計吃水時帶前置預旋導管和不帶前置預旋導管的對比

圖11 結(jié)構(gòu)吃水時帶前置預旋導管和不帶前置預旋導管的對比

2.2 實船試航驗證

我司320 000 DWT VLCC J0212船系我廠安裝的第一個Mewis Duct前置預旋導管的VLCC。而J0209船作為我司首制VLCC沒有安裝節(jié)能裝置。J0212船入ABS級延伸認可了入DNV級的J0209船的全套圖紙，兩船型線主尺度等完全一致，主機、螺旋槳、舵頁等推進裝置型號及設(shè)備參數(shù)基本完全相同。兩船試航測速時均在我廠習慣選擇的東海海域，海況均滿足ITTC試航測速對風速、浪高的規(guī)定。試航時兩船均在設(shè)計吃水工況下進行，試驗時實際吃水及排水量幾乎完全相同，差異可以忽略不計。兩船均由上海江佳船舶科技有限公司負責船舶性能測試，采用相同的測試工具DGPS Survey System (Hemisphere)、ITTC測速修正方法和JiangJia software for sea trial軟件進行速度修正。為實船驗證Mewis Duct的節(jié)能效果創(chuàng)造了十分理想的試驗對比條件。

圖12為J0209船(不帶導管)設(shè)計吃水工況的實船試航測速報告。

圖12 J0209(不帶前置預旋導管)船設(shè)計吃水工況實船測試速度

由圖12可知,J0209船在主機輸出0.85MCR帶15% sea margin且無風無浪時，船速為V=15.922 kn,略小于船模試驗預報的16.01 kn,在主機輸出功率0.85 MCR不帶sea margin時，船速V=16.655 kn,略小于船模試驗預報的16.77 kn。由上述內(nèi)容也可知，J0209船試航快速性略差于船模水池試驗預報速度。

圖13為J0212船(帶前置預旋導管)設(shè)計吃水工況的實船試航測速報告。

圖13 J0212(帶前置預旋導管)船設(shè)計吃水時實船測試速度

由圖13可知，J0212船在主機輸出功率0.85MCR帶15% sea margin且無風無浪時，船速為V=16.69 kn，在相同條件下比J0209船的15.922 kn船速提高了0.768 kn。在主機輸出功率0.85MCR且考慮1%軸系能量損失時(不包含15% sea margin)，船速V=17.45 kn，比相同條件下J0209船模試驗預報航速V=16.87 kn，提高了0.58 kn。比J0209(未裝前置預旋導管)實船航速提高了0.795 kn。相比在規(guī)格書考核船速V=16.0 kn時,J0212實船主機提供螺旋槳的功率(實測軸功率)為PD= 20 320 kW，相較未安裝前置預旋導管時，在相同的船速時PD= 23 371 kW，降低主機提供螺旋槳的功率PD值約13%，遠遠超出技術(shù)協(xié)議規(guī)定的5.4%節(jié)能指標。實船試航比相同情況下船模水池試驗預報主機需提供給螺旋槳的功率PD=21 280 kW也降低4.5%。

基于13%的節(jié)能系數(shù)，假定船舶每年的航行時間為220天，以設(shè)計日油耗107.7 t/每天計算，在油價為600$/t時，單船前置預旋導管每年可節(jié)約燃油費約180萬美金，投資回報期約為半年。由此可見安裝前置預旋導管具有較好的經(jīng)濟性。

此外，關(guān)于J0212船VLCC加裝前置預旋導管后螺旋槳的空泡現(xiàn)象以及螺旋槳的激振噪音情況，因為試航時并未專門測試，有待后期營運時，根據(jù)進塢螺旋槳檢驗的結(jié)果進行驗證。

2.3 EEDI指標對比

國際海事組織第62屆環(huán)保會于2011年7月15日以MEPC.203(62)決議通過 “MARPOL附則VI修正案——引入船舶能效條款”，已于2013年1月1日生效實施[5]。在2013年前簽訂建造合同但是于2015年7月1日或以后交付的船舶也必須滿足EEDI階段0的要求。

EEDI要求原則上適用于新船，當現(xiàn)有船發(fā)生特別大的重大改建時也要求追溯適用EEDI要求。

對新船能效指數(shù)起決定性作用的主要參數(shù)有航速Vref、船舶裝載量或總噸位(Capacity)、為達到該航速所需的安裝功率PME等。實船速度顯著的提高對降低EEDI指數(shù)有十分積極的作用,有利于船舶改善EEDI指標。因此安裝前置預旋導管也是優(yōu)化EEDI指數(shù)的一種有效措施。

根據(jù)J0209船和J0212船實船試航速度，換算到結(jié)構(gòu)吃水按EEDI要求的計算主機推進功率75%MCR對應(yīng)的航速，按照BIMCO提供的EEDI標準計算器分別計算兩船的Attained EEDI值分別如圖14、圖15所示。

J0209 Attained EEDI=2.758，J0212 Attained EEDI=2.616，雖然兩船都不滿足階段0應(yīng)小于Re

quired EEDI=2.510的要求。但是安裝節(jié)前置預旋導管后J0212船EEDI值較未安裝前置預旋導管的EEDI值降低5.15%，效果顯著。

圖14 J0209(不帶前置預旋導管)Attained EEDI值

3 結(jié)論

圖15 J0212(帶前置預旋導管)Attained EEDI值

在當前航運市場競爭越發(fā)激烈，造船業(yè)持續(xù)低迷的形勢下, 我司通過對VLCC J0212船加裝前置預旋導管，在不對船舶進行重大改造，增加有限的工期和經(jīng)濟成本的情況下，取得了顯著的節(jié)能降耗成果。并極大地改善了其EEDI指標，使該VLCC的營運經(jīng)濟性顯著加強，結(jié)果令船東滿意。該VLCC前置預旋導管節(jié)能裝置的成功實施，既是金海設(shè)計院前期嚴格分析對比各種節(jié)能裝置，優(yōu)化選型的必然結(jié)果，也是金海重工轉(zhuǎn)型升級征程中濃墨重彩的一道縮影。

[1] 羅展賢.船舶節(jié)能裝置—前置導管的設(shè)計與安裝[J].廣船科技，1994(3)：7-11.

[2] 盛振邦.劉應(yīng)中.船舶原理[M].上海：上海交通大學出版社，2004.

[3] Mewis F,Guiard T. Mewis Duct?-New Developments,Solutions and Conclusions[C]//Second International Symposium on Marine Propulsors smp'll,Hamburg,Germany,2011.

[4] KLA.Calm Water Model Tests with Becker Mewis Duct for a 320 k VLCC[S].Becker Marine Systems,2012.

[5] 中國船級社.船舶能效設(shè)計指數(shù)(EEDI)驗證指南[S].2012.

The Application Effect of Pre-swirl Duct on VLCC

RAO Yong-feng, ZHANG Ge, HUANG Shen-yuan, LI Peng

(Jinhai Heavy Industry Co.， Ltd., Zhoushan Zhejiang 316291， China)

This article mainly introduces the principle of energy saving and vibration/noise reduction. Taking VLCC J0212 as an example, and the application effect of pre-swirl duck is researched.

Mewis duct Pre-swirl duct VLCC

饒勇豐(1984-)，男，本科，從事船舶總體專業(yè)的設(shè)計工作。

U661

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