53 000 t散貨船節(jié)能優(yōu)化的改造技術(shù)研究

黃光兵，黃樹(shù)權(quán)，余獻(xiàn)華

(1.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433；2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 上海分部，上海 201203)

0 引言

2021年6月，國(guó)際海事組織海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)第76次會(huì)議通過(guò)了降低國(guó)際航運(yùn)碳強(qiáng)度的技術(shù)和營(yíng)運(yùn)措施，其中現(xiàn)有船舶能效指數(shù)(EEXI)相關(guān)法規(guī)已明確適用于2023年以后首次進(jìn)行年度、中期或防止大氣污染證書(IAPP)更新驗(yàn)證的營(yíng)運(yùn)船舶，營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度指標(biāo)(CII)評(píng)級(jí)機(jī)制也將自2023年1月1日生效。如果一艘船舶的CII被評(píng)為E級(jí)，或者連續(xù)3 a被評(píng)為D級(jí)，那么船舶必須提交相應(yīng)的整改計(jì)劃并進(jìn)行整改。在上述背景下，營(yíng)運(yùn)船的節(jié)能優(yōu)化改造成為行業(yè)的熱點(diǎn)之一。針對(duì)一些船齡較大、推進(jìn)效率相對(duì)較差的船型，更換更高效的螺旋槳并安裝水動(dòng)力節(jié)能裝置是一種十分有效的提升船舶能效水平和降低運(yùn)營(yíng)碳強(qiáng)度的技術(shù)措施。

53 000 t散貨船是2005年前后設(shè)計(jì)的巴拿馬型散貨船，現(xiàn)市場(chǎng)存量超過(guò)100艘。本文對(duì)該散貨船節(jié)能優(yōu)化的改造技術(shù)進(jìn)行研究，并通過(guò)CFD數(shù)值計(jì)算和船模試驗(yàn)對(duì)取得的節(jié)能效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 基于CFD技術(shù)的方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化效果預(yù)報(bào)

53 000 t散貨船進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化時(shí)，對(duì)其建立了對(duì)船+槳前節(jié)能裝置+高效槳系統(tǒng)相互干擾的流場(chǎng)、阻力和自航性能預(yù)報(bào)的CFD技術(shù)體系，對(duì)所采取的節(jié)能措施(含前置預(yù)旋導(dǎo)輪+高效螺旋槳+消渦鰭)實(shí)現(xiàn)了精確、快捷的數(shù)值預(yù)報(bào)。

1.1 高效螺旋槳設(shè)計(jì)和應(yīng)用

53 000 t散貨船原有的螺旋槳主要參數(shù)如下：直徑5.9 m，盤面比0.53，葉數(shù)4，質(zhì)量15 228 kg。該槳推進(jìn)效率低，存在優(yōu)化空間。運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)其特性進(jìn)行了分析，并根據(jù)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了改造優(yōu)化，得到了新的高效螺旋槳方案。優(yōu)化后的螺旋槳見(jiàn)圖1，盤面比0.516 8，質(zhì)量15 150 kg。優(yōu)化前后的螺旋槳敞水性能曲線(基于CFD預(yù)期的對(duì)比)見(jiàn)圖2。根據(jù)優(yōu)化前后螺旋槳的自航試驗(yàn)結(jié)果，得到的預(yù)期優(yōu)化效果(基于CFD技術(shù)的預(yù)報(bào))見(jiàn)表1，優(yōu)化的螺旋槳可達(dá)到4%左右的節(jié)能效果。

表1 設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)螺旋槳優(yōu)化效果

圖1 優(yōu)化后的高效螺旋槳

1.2 消渦鰭

根據(jù)對(duì)新設(shè)計(jì)槳流場(chǎng)特點(diǎn)分析，并結(jié)合流體計(jì)算軟件對(duì)消渦鰭方案進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化并完成選型設(shè)計(jì)。方案確定后，取螺旋槳設(shè)計(jì)點(diǎn)附近的進(jìn)速系數(shù)=0.43進(jìn)行CFD計(jì)算，計(jì)算域和網(wǎng)格分布模型見(jiàn)圖3。計(jì)算結(jié)果如下：螺旋槳進(jìn)速系數(shù)=0.416，推力系數(shù)=1.015，轉(zhuǎn)矩系數(shù)=0.997，螺旋槳效率(相對(duì)值)=1.018?？梢?jiàn)，安裝消渦鰭后螺旋槳推力提高了1.5%，扭矩降低了約0.3%，螺旋槳的效率提升了1.9%。

Kt—推力系數(shù)；J0—進(jìn)速系數(shù)；10Kq—扭矩系數(shù)；Eta0—敞水效率。

圖3 螺旋槳加裝消渦鰭時(shí)CFD計(jì)算域及網(wǎng)格分布

根據(jù)同級(jí)別散貨船以往實(shí)船應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，消渦鰭安裝在實(shí)船上的節(jié)能效果會(huì)比模型尺度CFD預(yù)報(bào)結(jié)果更優(yōu)。預(yù)計(jì)此消渦鰭的實(shí)船節(jié)能效果為CFD預(yù)報(bào)值的1.5～2.0倍，可達(dá)到2.5%～3.0%。

1.3 前置預(yù)旋導(dǎo)輪

在槳前設(shè)置預(yù)旋導(dǎo)輪，可以減少船尾流動(dòng)分離并改善進(jìn)流場(chǎng)均勻性，恢復(fù)船體尾部表面產(chǎn)生的壓力并額外形成推力，產(chǎn)生預(yù)旋入流以降低螺旋槳尾流旋轉(zhuǎn)能量，從而提高螺旋槳效率。

53 000 t散貨船結(jié)構(gòu)吃水方形系數(shù)約為0.86，艉部線型較為肥大。運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)船舶尾部伴流場(chǎng)的模擬分析發(fā)現(xiàn)，在螺旋槳盤面處存在2對(duì)漩渦(見(jiàn)圖4)，因此在螺旋槳前安裝前置預(yù)旋導(dǎo)輪(PSV)對(duì)艉部槳前伴流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)將會(huì)起到較好的節(jié)能效果。

圖4 不帶節(jié)能裝置時(shí)螺旋槳入口面流場(chǎng)分布圖

為了預(yù)報(bào)PSV的節(jié)能效果，運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)前置預(yù)旋導(dǎo)輪進(jìn)行了阻力性能計(jì)算分析，見(jiàn)表2。從表中可以看出，加裝PSV設(shè)計(jì)方案后船舶總阻力(包含船體、舵、節(jié)能裝置)與不加裝節(jié)能裝置時(shí)的船舶總阻力基本相當(dāng)，僅高0.46%。

表2 船體阻力性能比較分析

未加裝PSV和加裝PSV方案的節(jié)能效果評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表3和表4。從表中結(jié)果對(duì)比可見(jiàn)，加裝PSV后船舶收到功率降低了4.91%，而船后螺旋槳推進(jìn)效率則提高了4.86%，因此可認(rèn)為該方案的節(jié)能效果在3.54%左右。

表3 未加裝PSV時(shí)船體自航性能分析

表4 加裝PSV時(shí)船體自航性能分析

2 船模試驗(yàn)性能預(yù)報(bào)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證CFD計(jì)算結(jié)果，針對(duì)本次優(yōu)化，進(jìn)行了船模水池試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括原船螺旋槳敞水試驗(yàn)、新設(shè)計(jì)高效槳敞水試驗(yàn)、螺旋槳空泡試驗(yàn)及消渦鰭效用試驗(yàn)、原船螺旋槳船模阻力及自航試驗(yàn)、新設(shè)計(jì)槳船模的阻力及自航試驗(yàn)、新設(shè)計(jì)槳+前置預(yù)旋導(dǎo)輪船模的阻力及自航試驗(yàn)。模型試驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)表5、表6。

表5 設(shè)計(jì)吃水功率預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比及節(jié)能效果分析

表6 壓載吃水功率預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比及節(jié)能效果分析

3 對(duì)船舶油耗和EEXI及CII的優(yōu)化評(píng)估

3.1 改裝前后油耗分析

通過(guò)本次優(yōu)化，設(shè)計(jì)吃水服務(wù)航速14 kn時(shí)，主機(jī)日油耗從28.31 t降低至26.06 t，降幅約8%；壓載吃水服務(wù)航速14 kn時(shí)，主機(jī)日油耗由31.76 t降低至28.47 t，降幅約10%。節(jié)能降耗效果十分顯著，對(duì)于推進(jìn)營(yíng)運(yùn)船綠色改造具有重要的參考意義。

3.2 對(duì)EEXI的優(yōu)化評(píng)估

參照EEXI的計(jì)算方法，通過(guò)本次優(yōu)化，本船能效指數(shù)由5.72 g/(t·nm)降低至5.58 g/(t·nm)，優(yōu)化幅度約為2.5%。

3.3 對(duì)CII的優(yōu)化評(píng)估

本次針對(duì)CII的評(píng)估基于的運(yùn)營(yíng)假定條件見(jiàn)表7。基于MEPC第76次會(huì)議發(fā)布的船舶運(yùn)營(yíng)CII計(jì)算方法和CII基線計(jì)算方法，本船節(jié)能改造前計(jì)算得到的CII為5.35 g/(t·nm)，在2023年CII評(píng)級(jí)可定為C級(jí)，2026年評(píng)級(jí)為D級(jí)。該船節(jié)能改造后，同等運(yùn)營(yíng)條件下計(jì)算得到的CII為4.86 g/(t·nm)，CII降低了9.1%，2023年CII評(píng)級(jí)可定為B級(jí)，2026年評(píng)級(jí)為C級(jí)，優(yōu)化效果顯著。

表7 CII評(píng)估基于的運(yùn)營(yíng)假定條件

4 結(jié)論

(1)根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果，新的高效螺旋槳和原船螺旋槳相比，在設(shè)計(jì)吃水時(shí)可得到4.1%的節(jié)能效果。應(yīng)用消渦鰭(HVAF)方案的節(jié)能效果可達(dá)到2.5%～3.0%，應(yīng)用前置預(yù)旋導(dǎo)輪(PSV)方案在模型尺度時(shí)的節(jié)能效果可達(dá)3.54%。

(2)根據(jù)船模試驗(yàn)預(yù)報(bào)，在設(shè)計(jì)吃水和壓載吃水時(shí)，換裝高效槳達(dá)到的節(jié)能效果約為4%；同時(shí)，再增加伴流導(dǎo)輪和消渦鰭，壓載吃水和設(shè)計(jì)吃水節(jié)能效果分別可達(dá)約10%和8%。

(3)CFD計(jì)算和船模試驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)果相當(dāng)，證明了針對(duì)該船推進(jìn)性能優(yōu)化的節(jié)能效果顯著?；诒敬蝺?yōu)化，船舶的能效指數(shù)可提升約2.5%。本文運(yùn)營(yíng)假定計(jì)算得到的CII降低約9.1%，按照2023年CII評(píng)級(jí)要求，可由C級(jí)優(yōu)化至B級(jí)，2026年可由D級(jí)優(yōu)化至C級(jí)。