Promas推进操纵集成节能系统设计

张 李 伟

（罗尔斯-罗伊斯船舶制造（上海）有限公司，上海 201204）

Promas推进操纵集成节能系统设计

张 李 伟

（罗尔斯-罗伊斯船舶制造（上海）有限公司，上海 201204）

近年来，船舶运营成本的压力以及对排放日趋严格的限制推动了船舶附体节能装置的广泛应用。分析指出市场上船舶附体节能装置的节能方式、应用局限性和存在的问题。介绍 Promas推进操纵集成系统的组成以及节能原理，分析其相对于其他节能装置的明显优势---无船型限制、节能的同时降低系统的脉动压力水平及提高船舶的操纵性能、不增加船厂的安装难度。通过一些实例证明 Promas系统优良的性能，可以在各类船型特别是瘦削船型上得到广泛应用。

Promas；船舶节能；附体节能装置

0 引 言

2008年国际金融危机后的几年，世界经济增长乏力及运力相对过剩，航运业跌入低谷；此外，2014年以前一直攀升的油价使航运企业的燃油耗费居高不下，甚至＞总成本的 50%。随着国际海事组织对于船舶温室气体的排放限制日趋严格，船舶的节能措施受到广泛关注。

过去的几年，许多绿色环保船型设计被市场追捧，大量船舶节能解决方案得到应用，文献［1］详细介绍了目前市场上采用的节能途径以及效果。对于这些新的节能船型设计，船舶附体节能装置往往被采用，无论是新造船还是旧船改造，船舶附体节能装置都是应用最多的节能措施。根据节能装置位于桨盘面轴向位置的不同，附体节能装置可以分为桨前、桨面、桨后及舵叶节能装置（见图1）。目前市场上船舶附体节能装置有几十种之多。介绍一种推进操纵集成节能系统方案——Promas，通过阐述其结构及节能原理、效果及应用实例，验证其优良的性能，并因此被广泛应用于各类商用、海洋工程及特殊用途船舶。

图1 部分船舶附体节能装置

1 节能机理

理想螺旋桨推进模型见图2。

图2 理想螺旋桨推进模型

其叶元体效率公式为

式（1）中：η为螺旋桨叶元体效率； VA为桨前远端轴向流速；μa为桨后远端轴向诱导速度；ωr为桨叶旋转角速度；r为桨叶任意半径；μt为桨后远端周向诱导速度；ε为桨叶阻升比；βi为水动力螺距角。

由式（1）可知，为增大η，可以采取如下措施。

1） 减小比值μa/VA。增大螺旋桨进流速度 VA，减小轴向诱导速度μa，如采用舵球可以减小桨后尾流轴向速度，采用格林姆轮可以回收部分尾流轴向动能。

2） 减小比值μt/ωr。如采用大直径螺旋桨，增加转速ω，减小周向诱导速度μt，在桨前设置反向导流片，在桨后设置整流片或采用扭曲舵等。

3） 选用阻升比ε小的剖面和提高叶面加工精度。如提高叶片精度等级，采用机翼型剖面。

需要说明的是，由于船速不可能大幅变化，即使通过局部提高桨前进速往往伴随更大的阻力损失；而桨转速受制于主机约束往往不能随意变动，所以通过提高螺旋桨进流速度及增加转速来提高效率的做法并不可取。目前所有的附体节能装置基本都是通过以上两者之外的其他措施实现节能的［2-3］。

2 附体节能装置存在的局限

到目前为止，当今的船型设计很少有一种装置能够得到普遍的接受和应用，其原因有以下几种：

1） 安装空间的限制。如某些桨后叶轮尺寸甚至超过桨叶直径，受桨叶区域尾部空间的限制。

2） 空泡剥蚀。某些附体节能装置往往带有大的迎流面积及大的水流攻角，由此易导致低压区出现剥蚀现象。

3） 技术复杂性。某些装置高度依赖安装精度，稍大的安装偏差即造成节能效果的急剧衰减；偏离设计航速或吃水时的效果大大降低；有些装置的模型试验有良好效果，但未得到实船验证；有些额外加装的装置带来了艉轴的振动及艉管破裂等问题。

4） 经济性。某些结构复杂的节能装置价格高昂，使投资回收期很长。

此外，绝大多数节能装置在提高效率的同时都牺牲了船舶的操纵性能。

3 Promas设计理念及节能原理

基于以上原因，无论是船东还是设计公司，都希望船舶保持低燃耗而又不牺牲其他性能，而 Promas系统能够很好地满足这一设计需求：具有比较明显的节能效果且不影响船舶的操纵、噪声及振动性能，能应用于各种船型且不增加安装难度。

对于单独的螺旋桨改进设计，效率提高的空间往往只有 1%～2%；但是如果把船体、螺旋桨及舵叶作为一个系统来考虑，兼顾它们之间的流场影响和匹配，那么整体推进效率的提高潜力还是较大的，研究表明甚至可以达到10%。Promas就是这样一种综合的推进解决方案，将各自独立的常规节能设计有机地整合在一起，使螺旋桨与舵匹配于船体组成一个整体的推进单元，从而实现性能的最大化改进［4］。

图3为Promas 系统组成示意。此系统包括一个带有球鼻的前缘扭曲悬挂舵，并由桨毂罩平滑过渡到桨毂，桨的设计与舵及船体尾部流场匹配，并同传统的桨-舵系统一样容易安装，其节能原理如下。

1） 舵球。舵球是一种广为人知的提高推进效率的装置，可以减小桨毂处的涡旋损失，增大桨后伴流分数从而减小桨后尾流收缩（减小轴向诱导速度），由于桨毂后低压区减少，使得船体推力减额减小。

2） 扭曲舵。扭曲舵通过适当的扭曲导边更有效地回收桨后尾流的旋转能量（减小周向诱导速度）以此增大轴向推力；同时，扭边可减小舵叶来流的本地攻角从而减少或避免片状气蚀的发生。扭曲导边的形状以及垂直方向上的分布根据桨后尾流的角度和速度场分布来确定，以匹配桨叶的负荷分布和来流的伴流分布（见图4）。

图3 Promas系统组成示意

图4 扭曲舵

3） 匹配桨叶设计：对于传统螺旋桨桨叶的设计主要基于桨前船体的伴流场分布，桨叶的叶梢和叶根区域是卸荷设计以避免过强的涡旋对下游设备的空泡影响以及控制压力脉动幅度及噪声。而Promas系统中，由于采用带球鼻舵叶，使得通过桨叶根部截面流体减速，伴流场的平缓变化使流过桨叶根部截面的来流角度变化更小。这就使螺旋桨的设计也能匹配于下游受影响的流场，且桨叶上的负荷分配得到优化（见图 5）。叶片半径方向上从叶根到叶梢的桨叶负荷的均匀分布有利于推进效率提高，同时压力脉动和噪声等级相对减小。而在螺旋桨的设计中实现低压力脉动、低噪声指标与高推进效率的平衡，对于高航速、高负荷的螺旋桨尤为重要。

图5 桨叶负载再平衡

此外桨毂罩的存在是为了使桨毂尾流平缓过渡到舵球位置，其尺度决定于桨毂及舵球尺寸，其与舵球之间的间隙既应考虑舵及桨的轴向窜动，又须考虑对推进效率的影响，因而需在一个合适范围内。

4 Promas应用案例及效果

图6为一艘分别采用Promas设计、带舵球舵叶和普通桨叶设计的单桨化学品船与常规舵叶和普通桨叶设计情况下效率提高的对比模型试验结果（此时舵角为0°）。由图6可知，在设计点（15kn）附近一定航速范围内，虽然效率改善有些衰减，但是总的效率改善在4%～5.1%。

对于船舶在长航模式下的真实运营条件，除了航速会在一定范围内变化之外，在自动舵模式下舵角也会在小范围内频繁变化。图7即为航速固定在15kn、舵角在±5°变化的3种配置情况下的节能效果模型试验对比，通过对比可知，当舵角增大时，推进系统耗费的能量会增大，但是若对于相同舵角，Promas有着与 0°舵角时同等的节能效果。因此，Promas系统设计能充分考虑船舶实际运营工况，实现全工况下的节能。

图6 某单桨化学品船在航速范围内效率提高模型试验对比

图7 某单桨化学品船在舵角范围内效率提高模型试验对比

以上案例中桨叶及舵叶都是基于Rolls-Royce公司的方案设计的，图8为另一艘50000dwt成品油轮的Promas系统与原设计模型试验结果对比（舵角为0°）。需要指出的是原设计也采用了带舵球舵，但是桨和舵由不同的供应商提供并无匹配设计。从图中可以看出，Promas系统在13～16.5kn航速范围内达平均4.3%的节能优势，这得益于Promas优良的舵叶剖面及负荷匹配桨叶和整个系统设计。

对于瘦削型高速船，大部分的附体节能装置都无法表现出良好的节能效果，这是因为节能装置本体由于高速进流阻力完全抵消了其因为改善伴流而增加的推进效率。而 Promas系统由于基本没有增加额外的部件和迎流面积，所以系统的阻力不会快速增加，仍然能实现可观的效率提高。图9为某2800TEU集装箱船Promas系统与原设计桨和常规舵的模型试验对比，由该图可知，在21.5kn航速时的节能效果达到了4.4%。此外，空泡试验测试结果表明，Promas系统都表现出更低的脉动压力水平。

图10为现代尾浦为Neptune建造的3900车PCTC 汽车运输船Promas系统与原设计桨和舵在各吃水条件下模型试验对比，在17.5kn设计航速和设计吃水8.7m时，Promas的节能效果达到了4.7%，同时在非设计吃水时节能效果也得到保证，而在实船航行试验中得到的结果＞5%［5］。

关于模型试验的结果是否真实反映实船结果一直是考虑和争论的问题，这是因为尺度效应的作用，而受制于海况、天气及装载条件等系列因素，实船条件往往与模型试验所参照的设计条件不可能完全一致，所以只能以模型试验的结果为依据。文献［4］细致研究了许多关于推进效率与尺度效应的资料后认为，对于Promas系统，实船的效果比模型试验的效果更好，而从目前的一些实船报告来看，也验证了其分析。

此外，Promas系统在提高推进效率的同时也能带来船体操纵性能的提高，这主要是因为扭曲舵的导边使来流的本地攻角变小从而减小了舵叶表面的流线分离，增大了舵叶的升力系数。另外，舵球的应用也增大了舵叶的投影面积，提高了舵叶的总升力；图11为某船配置两种不同Promas舵（图中-P即为Promas舵）与相同尺寸常规舵升力在设计航速下及低速下的对比。经过统计认为，Promas舵最大升力平均提高15%，特别是对于低速下要求良好操纵性能的船舶来说是非常重要的优势。

图8 50000dwt成品油轮Promas与原设计模型试验对比

图9 2800TEU集装箱船Promas系统与原设计推进效率 及脉动压力水平模型试验对比

图10 3900车PCTC船Promas系统与原设计模型推进功率对比

图11 Promas舵与常规舵升力性能对比

对于阻力，文献［6］测试的结果是相对于同样尺寸的常规舵，阻力系数基本不变，甚至在大舵角的情况下带舵球扭曲舵的阻力系数会更低。

5 结 语

过去的一年虽然国际油价波动很大，但对船舶排放的日趋严格的限制成为开发及应用船舶附体节能装置的现实驱动。无论是船东还是设计公司都希望船舶保持低燃耗而又不削弱其他性能。而 Promas推进及操纵节能系统很好地顺应了这一设计理念。应用结果表明：对于单桨肥大船型其节能效果可以达到 8%，对于单桨高速船型其节能效果可达到5%，而对于双桨船型如RoRo船，其节能效果可达到6.5%。同时，系统的脉动压力幅值可以减小25%，而操纵性能可以增加15%。 这使得Promas被广泛应用于各类型船舶，尤其是瘦削船型装船率较高。

［1］ 张李伟，钱疆伟，陆明秋，等. 船舶节能途径与发展趋势综述［J］.船舶，2015， 26 （5）： 30-39.

［2］ 王国强，盛振邦. 船舶推进［M］. 北京：国防工业出版社，1985.

［3］ 陈雪深，裘泳铭，张永. 船舶原理与结构［M］. 上海：上海交通大学出版社，1990.

［4］ PETTERSSON G， NERLAND K K. Integrated propultion manoeuvring system for improved propulsive performance ［R］. Kristinehamn： Sweden， Rolls-Royce， 2011.

［5］ KRIEZISA G A， VASSILIKOS M N. Short sea： an operator’s view［J］. Marine Technology， 2014 （21）： 30-37.

［6］ COLLAZO A C， FERNÁNDEZ A S. Flow adapted rudder geometry for energy efficiency improvement on fishing vessels［C］//First International Symposium on Fishing Vessel Energy Efficiency. E-Fishing， Vigo， Spain， 2010.

Design of Promas Propulsion and Maneuvering Integrated Energy Saving System

ZHANG Li-wei
（Rolls-Royce Marine Manufacturing （Shanghai） Limited， Shanghai 201204， China）

The increasing operational cost and the strict emission limit have promoted the wide application of ship appendage energy saving devices in recent years. This paper analyzes the energy saving mode， the applicability limit and the existing problems of ship appendage energy saving devices in the market， introduces the components and energy-saving principles of Promas propulsion-maneuvering integrated system， and analyzes its strong advantages over other energy-saving devices such as no limitation on ship type， reduction of system fluctuating pressure while energy-saving， improvement of ship maneuverability and no installation difficulty increased for shipyards. The excellent performance of Promas system is proved by some practice examples and the system can be applied to various ship types，especially slender ship types.

Promas； ship energy saving； appendage energy saving device

U661.33+6

A

2095-4069 （2016） 05-0035-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.05.007

2015-08-21

张李伟，男，工程师，1981年生。2006年哈尔滨工程大学轮机工程专业硕士毕业，现主要从事船舶设备的销售支持工作。