64 000 t散貨船組合節(jié)能裝置節(jié)能效果分析

高 博 , 于利民 , 何懋華 , 李鵬程

(1.山東交通學(xué)院船舶與輪機(jī)工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南250357； 2.廣州黃船海洋工程船舶有限公司, 廣東 廣州 511458；3.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200011)

64 000 t散貨船組合節(jié)能裝置節(jié)能效果分析

高 博1, 于利民1, 何懋華2, 李鵬程3

(1.山東交通學(xué)院船舶與輪機(jī)工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南250357； 2.廣州黃船海洋工程船舶有限公司, 廣東 廣州 511458；3.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200011)

簡(jiǎn)要介紹國(guó)內(nèi)外相關(guān)船舶節(jié)能的研究與進(jìn)展，分析加裝前置導(dǎo)輪和消渦鰭組合節(jié)能裝置后船舶節(jié)能原理及效果，通過64 000 t散貨船模型試驗(yàn)和實(shí)船試航數(shù)據(jù)，對(duì)比分析未加裝節(jié)能裝置的同系列船舶，結(jié)果顯示加裝節(jié)能裝置后壓載工況下的船舶節(jié)能效果為4%～6%。

節(jié)能裝置；散貨船；節(jié)能效果

0 引 言

隨著船舶運(yùn)輸價(jià)格的走低，以及船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)的正式生效，船舶節(jié)能技術(shù)已成為世界各國(guó)船舶與海洋工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)及重要課題。船舶節(jié)能技術(shù)的運(yùn)用，不僅能夠降低船舶的能耗，同時(shí)還可以減少船舶造成的環(huán)境污染。

針對(duì)船舶節(jié)能技術(shù)分析和研究，黃勝等[1]主要從船型和尾部線型等方向入手, 尋求較好的船-槳配合, 研究出多種不同船尾型線，如：不對(duì)稱船尾、球尾船型和雙尾鰭船型等, 這些船尾形狀對(duì)船舶節(jié)能的影響表現(xiàn)優(yōu)良。

針對(duì)已有船型加裝附加流體水動(dòng)力節(jié)能裝置，對(duì)推進(jìn)效率的提高是一種有效的措施[2]。常見的節(jié)能裝置有伴流補(bǔ)償導(dǎo)管(Wake Improving Duck, WID)[3]、前置預(yù)旋導(dǎo)輪(Pre-Shroucled Vanes， PSV)、前置導(dǎo)葉(guide vane)和消渦鰭(Hub Vortex Absorbed Fins, HAVF)等，節(jié)能裝置在載重57 000 t，載重76 000 t，180 000 t及VLCC等船型上廣泛運(yùn)用，實(shí)際節(jié)能效果明顯[4]。同時(shí)也進(jìn)行一些特殊船舶節(jié)能技術(shù)的研究，例如中船集團(tuán)第708研究所對(duì)槳后助推節(jié)能扭曲舵展開研究[5]，日本海上技術(shù)安全研究所開發(fā)微泡沫船舶節(jié)能技術(shù)等。

本文分析同一公司建造的4艘64 000 t散貨船，其中2艘安裝前置預(yù)旋導(dǎo)輪和槳后消渦鰭組合節(jié)能裝置，另外2艘未安裝節(jié)能裝置。通過對(duì)比分析實(shí)船試航結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證加裝前置預(yù)旋導(dǎo)輪和消渦鰭組合節(jié)能裝置的實(shí)船節(jié)能效果。

1 節(jié)能裝置節(jié)能原理及作用

由于螺旋槳槳盤面來流不均勻、尾部產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)尾流，轂帽和葉梢等處產(chǎn)生的旋渦阻力都會(huì)降低螺旋槳的推進(jìn)效率，從而造成能量的損失。針對(duì)上述問題，在船舶特定位置安裝附加節(jié)能裝置可以起到改善船體附近流場(chǎng)和減少船舶能量損失的作用，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的效果。船舶加裝節(jié)能裝置后可使螺旋槳進(jìn)流均勻，降低船尾的水流分離，使槳前流場(chǎng)產(chǎn)生預(yù)旋, 降低尾流中因旋轉(zhuǎn)造成的損失。

1.1 前置導(dǎo)輪

前置導(dǎo)輪是通過對(duì)船尾螺旋槳工作特性及尾部流場(chǎng)分析而開發(fā)的一種節(jié)能裝置，由導(dǎo)葉與導(dǎo)管組合而成。其安裝位置在螺旋槳前的艉軸管上，導(dǎo)葉一端焊接在船體艉軸轂上，且導(dǎo)管尾端面與艉軸轂尾端平齊，如圖1所示。導(dǎo)輪的具體尺度會(huì)因不同船型而有所不同, 應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的船型來確認(rèn)并試驗(yàn)驗(yàn)證。通常節(jié)能效果可達(dá)3%～8%。

圖1 導(dǎo)輪位置示例

首先前置預(yù)選導(dǎo)輪會(huì)使螺旋槳周圍的水流減緩, 流速在整個(gè)盤面趨向均勻, 使螺旋槳工作條件發(fā)生變化, 有利于推進(jìn)效率提高、激振力減小和船體振動(dòng)減弱。其次在螺旋槳工作時(shí), 導(dǎo)輪中內(nèi)置導(dǎo)葉產(chǎn)生有利預(yù)旋流，減小螺旋槳艉流旋轉(zhuǎn)能量損失。最后改善尾部流動(dòng)分離，產(chǎn)生附加正推力, 對(duì)減少推力減額產(chǎn)生有利影響。

1.2 消渦鰭

船舶在運(yùn)動(dòng)時(shí)，螺旋槳后轂帽附近流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生渦流，而渦流會(huì)損耗能量。為減少能量損失，在螺旋槳將軍帽上增設(shè)與螺旋槳頁(yè)數(shù)相同的小葉片水動(dòng)力節(jié)能裝置消渦鰭，以消除螺旋槳轂渦能量損失。安裝消渦鰭可起到2%～5%的節(jié)能效果。消渦鰭及螺旋槳的裝配示例如圖2所示。

圖2 消渦鰭及螺旋槳的裝配示例

消渦鰭均布在螺旋槳后，片數(shù)與槳葉片數(shù)一致，與螺旋槳同步工作，螺旋槳尾流矯直，打散轂渦，恢復(fù)壓力；產(chǎn)生扭力降低螺旋槳扭矩并產(chǎn)生推力，進(jìn)而使尾流旋轉(zhuǎn)能量損失減少，達(dá)到提高推進(jìn)功率的效果。節(jié)能原理如下[6]。

(l) 消渦鰭的葉片改變螺旋槳根部流場(chǎng)，矯直尾流, 使槳轂渦流消除。

(2) 降低甚至消除轂渦引起的誘導(dǎo)阻力, 使將軍帽和槳轂的壓力恢復(fù), 從而增加整體推力。

(3) 消渦鰭葉片產(chǎn)生的扭矩與螺旋槳相反, 使帶消渦鰭的螺旋槳總扭矩減小。

通過對(duì)流場(chǎng)和能量角度的分析, 安裝消渦鰭后會(huì)降低螺旋槳根部附近流場(chǎng)速度, 尾流切向速度減小尤為明顯, 轂渦被削弱, 螺旋槳尾流能量得到回收, 因此起到節(jié)能的效果[7].

2 研究對(duì)象

研究對(duì)象為64 000 t新型節(jié)能型船舶，本文研究4艘64 000 t散貨船，詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)圖紙由同一設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)，同一公司生產(chǎn)建造，且建造時(shí)間間隔較短。64 000 t散貨船為一艘鋼質(zhì)、單殼、單甲板、尾機(jī)型、單機(jī)、單槳、單舵、低速柴油機(jī)推進(jìn)的超靈便型散貨船；航行區(qū)間為無(wú)限航區(qū)；適用于運(yùn)輸散裝貨物，包括煤、鐵礦石、谷物等；該船首部設(shè)有球鼻艏及前傾首柱，尾部設(shè)置方尾； 主甲板以下從船首至船尾依次設(shè)艏尖艙、5個(gè)干散貨艙、機(jī)艙和艉尖艙；配備5對(duì)液壓折疊式艙蓋及4臺(tái)甲板起重機(jī)。

該船主尺度如下：總長(zhǎng)為199.90 m；垂線間長(zhǎng)為194.50 m；型寬為32.26 m；型深為18.50 m；設(shè)計(jì)吃水11.30 m；結(jié)構(gòu)吃水為13.30 m；載重63 800 t；服務(wù)航速14.40 kn；船員26人。

3 加裝組合節(jié)能裝置后實(shí)船節(jié)能效果分析

通過對(duì)比分析2艘不裝節(jié)能裝置和2艘加裝組合節(jié)能裝置姊妹船的實(shí)船航行性能測(cè)試結(jié)果，獲得節(jié)能裝置的實(shí)船節(jié)能效果。4艘船舶在同一海區(qū)試航，具有相近的試航海況條件,且試航時(shí)都采用壓載狀態(tài)。

3.1 模型試驗(yàn)

選擇中國(guó)船舶重工集團(tuán)第702研究所的水池進(jìn)行船舶螺旋槳模型敞水性能試驗(yàn)、安裝與不安裝導(dǎo)輪船模的阻力及自航試驗(yàn)以及螺旋槳后加裝與不裝消渦鰭的敞水性能試驗(yàn)。采用尺度比為1∶25.255，壓載工況下的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 壓載情況下模型試驗(yàn)節(jié)能效果

從表1可得出壓載工況下64 000 t散貨船加裝組合式節(jié)能裝置后的節(jié)能效果約為8%。

3.2 64 000 t散貨船實(shí)船數(shù)據(jù)

安裝組合式節(jié)能裝置的2艘船編號(hào)為：H 3071和H 3078，未安裝節(jié)能裝置的2艘船編號(hào)為H 3067和H 3068。4艘船在壓載工況進(jìn)行試航，試航過程記錄50%，75%，85%和100%主機(jī)功率下的船舶航速等相關(guān)數(shù)據(jù)，記錄結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)船試航數(shù)據(jù)

續(xù)表2 實(shí)船試航數(shù)據(jù)

經(jīng)ITTC 2012 航速-功率修正方法修正后的實(shí)船快速性數(shù)據(jù)按三次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，可得理想(無(wú)流、無(wú)風(fēng)和無(wú)浪)壓載工況條件下的實(shí)船V-P曲線，在修正后的實(shí)船航速-功率曲線中取航速為13.0～15.0 kn的主機(jī)收到功率，比較4艘船的功率，計(jì)算出加裝節(jié)能裝置后的船舶相對(duì)未加節(jié)能裝置后的船舶的實(shí)際節(jié)能效果，具體如表3和表4所示。

表3 加裝節(jié)能裝置實(shí)船與H 3067船節(jié)能效果

表4 加裝節(jié)能裝置實(shí)船較H3068節(jié)能效果

從表中可得出：(1)壓載工況下，同等速度下實(shí)船在加裝組合節(jié)能裝置后相對(duì)于未加節(jié)能裝置的船舶節(jié)能效果為4%～6%；(2)壓載工況下，實(shí)船的節(jié)能效果低于模型試驗(yàn)的效果。

加裝節(jié)能裝置與未加節(jié)能裝置的64 000 t散貨船，分別對(duì)考慮風(fēng)浪和排水量修正后實(shí)船試航測(cè)試結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)擬合對(duì)比,如圖3所示。

圖3 壓載吃水實(shí)船對(duì)比

4 結(jié) 論

本文以同一公司建造的64 000 t散貨船為研究對(duì)象，分析壓載吃水工況下的試航數(shù)據(jù)，對(duì)比分析加裝節(jié)能裝置和未加裝節(jié)能裝置船舶的節(jié)能效果。

結(jié)果表明：

(1) 64 000 t散貨船實(shí)船加裝導(dǎo)輪與消渦鰭后節(jié)能效果為4%～6%，有較好的節(jié)能效果，進(jìn)一步提升船舶的經(jīng)濟(jì)性。

(2) 壓載工況下，實(shí)船的節(jié)能效果低于模型試驗(yàn)的效果。主要原因是尺度效應(yīng)、試航時(shí)船體表面臟污及粗糙以及研究對(duì)象船舶較少。

[1] 黃勝.船舶推進(jìn)節(jié)能技術(shù)與特種推進(jìn)器[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1998.

[2] 沈海龍，蔡昊鵬，蘇玉民.槳前節(jié)能裝置節(jié)能效果的理論預(yù)報(bào)方法[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44( 10) : 1418-1422．

[3] 李林海.半圓形導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)應(yīng)用分析[J].船海工程,2012,41(3):27-29.

[4] 左成魁,孫權(quán),黃國(guó)富,等.伴流補(bǔ)償導(dǎo)管和消渦鰭組合節(jié)能裝置實(shí)船節(jié)能效果驗(yàn)證[J]. 中國(guó)造船，2015,56(3):89-95.

[5] 聶云凌,黃勝.助推節(jié)能扭曲舵的原理和設(shè)計(jì)方法[C]//第四次民用開發(fā)船型及節(jié)能新技術(shù)交流匯報(bào)會(huì)論文，1991:230-234.

[6] 馬艷,辛公正,施小勇，等.螺旋槳轂帽鰭節(jié)能裝置增效數(shù)值評(píng)估與模型試驗(yàn)研究[J].中國(guó)造船,2011,52,S1:7-18.

[7] 李鵬程.轂帽鰭設(shè)計(jì)方法[D].北京： 中國(guó)艦船研究院，2012.

AnalysisofEnergySavingEffectof64 000tBulkCarrierCombinedwithEnergySavingDevice

GAO Bo1, YU Limin1, HE Maohua2, LI Pengcheng3

(1.School of Naval Architecture and Marine Engineering， Shandong Jiaotong University, Jinan 250357，Shandong, China; 2. Guangzhou Huangchuan Shipbuilding Offshore Engineering Co., Ltd., Guangzhou 511458, Guangdong, China; 3.Shanghai Branch of China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011, China)

The research and progress of ship energy saving at home and abroad are introduced. The principle and effect of energy saving after adding front guide impeller and vortex fin combination energy saving device are analyzed. Though the model test and actual ship test data of 64 000 t bulk carrier, the comparative analysis of the same series of ships without energy saving device shows that the energy saving effect of the ship in ballast is from 4% to 6%.

energy saving device; bulk carrier; energy saving effect

高 博(1986-)，男，助教，研究方向?yàn)榇靶阅芎蛷?qiáng)度計(jì)算

1000-3878(2017)06-0060-05

U664

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