船舶设计中节能技术应用研究

李 勇

摘要:随着船舶燃油价格的上涨,船舶节能技术得到了广泛的关注,本文旨在介绍国内外船舶推进与节能方面的研究与进展。其中包括优秀船型的研究、开发附加流体水动力节能装置、新型高效推进器以及一些特殊船舶节能技术的研究。

关键词:船舶节能;节能船型;附加节能装置;高效推进器

随着国际油价的快速上涨,船舶燃油费用日益增加,船舶节能技术已成为航运业研究的热点之一。我国能源形式严峻,节能已经成为国民经济发展中的重要任务。船舶是高能耗的运输工具,研究和应用节能技术降低船舶能耗,不仅可以为航运企业节省燃油费用,还可以减少船舶造成的环境污染,获得经济和环保双重效益。

1节能型船型的设计

各国致力于节能船型的研究收到了明显的效果。出现了不对称船尾、双尾鳍船型、涡尾船型、球尾船型等,均收到了较为显著的节能效果[1]。

1.1非对称尾船型

世界上第1艘采用非对称船尾的实船是1982年在德国奥登堡的汉立许白兰特船厂下水的集装箱船“Thea-S”(“特亚斯”)号。目前,共有60多艘非对称尾船型在世界各地运营。我国708研究所对非对称船尾线型技术进行了研究。证明采用非对称尾技术后在相同航速下,满载和压载工况可分别节能4.5%~10.1%, 4.5%~9.4%,或在同耗油条件下使航速提高0.4~0.5kn左右。[2]

1.2双尾鳍船型

1976年法国在大西洋船厂建造了1艘55万t油轮“巴梯勒斯”号就采用了双尾鳍船型。80年代,日本造船研究中心对某滚装船及散货船进行单桨,双尾鳍,三尾鳍方案进行船模试验研究,结果表明滚装船的双尾鳍型主机功率比常规双桨船、散货船的分别降低20%和5%。[2]

2新型柴油机的应用

2.1低速柴油机

Wartsila Sulzer新机型的开发重点放在两个方面:一是加紧开发智能化发动机,推出5个智能化机型,二是大力开发适用于集装箱船的新机型,新的机型具有冲程较短、转速较高、机器高度较低等特点,使船机桨三者达到最合理的匹配。近年来建造的大中型集装箱船大多采用Sulzer低速机。

2.2中速柴油机

近年来在中速机独占鳌头Wartsila公司一直在研发儿项新技术以进一步降低油耗,减少NO、排放。向气缸内直接喷水可使Wartsila 46机的NO、降至10g/kWh以下,并可减少冷却水消耗,此措施还可用于老机器的改造。Wartsila还在研究向气缸内喷射蒸汽,使NO、降至3g/kWh,热效率提高3%-5%。Wartsila中速机的热效率已达50%,新推出的W46和W64柴油机的燃油消耗率仅为172g/kWh,已达到低速柴油机的水平

3节能高效推进器的研究

近年来西欧国家的科研人员开发出几款新型螺旋桨。新型螺旋桨推进效率高,在保持船舶航速不变的前提下,可节约主机功率少则3%-4%,多则8%-10%。其次,新型螺旋桨可明显减少激振力,从而可明显消减船尾振动,因而延长了船体结构和设备的使用寿命。较典型的有:

3.1Kappel螺旋桨

丹麦D/S Norden航运公司在其新建的六艘35000dwt成品油/化学品船中的一艘船中安装Keppel螺旋桨。2002年完成了Keppel桨和常规桨的实船对比试验,航速为15kn时,采用Keppel桨可节省主机功率达4.01%,229kW,营运一年可节省燃油170-250t,约合2.5-4万美元。

3.2正反转螺旋桨

众所周知,采用正反转螺旋桨作为推进装置是一项行之有效的节能措施,安装在后面的螺旋桨旋转反向与前面一台螺旋桨相反,因而可有效地将前面一台螺旋桨尾流中的旋转能量转化为推力。

实船性能对比试验在分别装有正反转螺旋桨的Cosmo Delphinus和装有常规调距桨的姊妹船之问进行。试验结果表明:轴功率比常规船低15%,尾流平稳,航向稳定性好,船的操舵响应能力甚好,噪音与振动低。

3节能附件的应用

各种水动力节能附加装置具有:改善螺旋桨进流,减少船尾的水流分离现象,使桨前流预旋,产生附加推力等作用。这些装置中取得较显著节能效果的有:舵附推力鳍、Lips高效舵、NCF、Grim自由旋转叶轮等。

3.1桨后自由旋转助推叶轮

模型和实船加装助推叶轮的结果表明,该装置节能效果一般在5%~10%,1983至1985年共有9艘1300箱集装箱船加装了助推叶轮,节能效果达11%。

3.2舵附推力鳍

舵附推力鳍是一种新型回收螺旋桨尾流能量的节能装置。其作用原理是使水流经过具有一定攻角的固定鳍后改变原来的方向以增加推力。计算结果表明,舵附推力鳍回收尾流场的部分旋转能量产生附加推力,其助推效率可达3%~4%[3],是一种较好的推进节能装置。

3.3 Lips高效舵

Lips高效舵,也可称为桨舵一体化装置(Prop andFin Combination),在舵叶中间部位,沿螺旋桨轴轴线延伸方向,焊有一只呈流线型纺锤体状的舵球。模型试验证实,与常规舵相比较,装用高效舵后推进功率和燃油消耗可节省5%-6% ,螺旋桨激振力降低40%,螺旋桨诱导噪声级降低5dB(A)。

3.4日本Namura船厂开发的NCF

2001年9月,日本Namura船厂公布了其开发的一项节能技术NCF(Namura flow control fin),Namura流体控制翼,可收到2%-5%的节能效益,已用于该船厂生产的五个标准船型。2001年5月,Namura对一艘装有NCF的巴拿马型货船进行船上实船试验,证实了船模试验结果,节能效益达5%。

3.5前置导管和Costa整流舵组合式节能装置

这是目前新造商船采用最为广泛的一款节能装置,近年来国内船厂为海内外船东建造的商船大多采用此节能

装置,通常可收到4%-8%的节能效果。

4结语

本文介绍的节能技术包括船型研究、节能高效推进器的研究、水动力节能附加装置研究与应用。限于篇幅,本文只对其中某几种船舶节能装置进行了详细介绍。随着科学的发展以及理论的研究,可以预见将会有越来越多新型种类的船舶节能技术将应用到船舶的节能技术中。

参考文献:

[1]曹并桐.近几年来船舶节能技术的开发与应用[J].交通部上海船舶运输科学研究所学报,2003,12(2):101-113.

[2]黄胜.船舶推进节能技术与特种推进器[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,1998.

[3]郭春雨,黄胜.非线性涡格法预报桨后舵附推力鳍水动力性能[J].华中科技大学学报,2006,(6):87-89.