前置预旋导管在VLCC上的应用效果研究

饶勇丰， 张 革， 黄深远， 李 鹏

(金海重工股份有限公司, 浙江 舟山 316291)



前置预旋导管在VLCC上的应用效果研究

饶勇丰， 张 革， 黄深远， 李 鹏

(金海重工股份有限公司, 浙江 舟山 316291)

主要介绍了Mewis Duct前置预旋导管的节能、减振降噪原理，并以金海重工建造的VLCC J0212船为例，研究了安装Mewis Duct前置预旋导管的应用效果。

Mewis Duct 前置预旋导管 VLCC

0 引言

一段时间以来，相关绿色环保新规范相继生效,节能环保的航运理念逐渐深入人心，航运界不论从现实出发还是从经济方面予以考虑，都产生了节能降耗绿色环保船型研发及加装节能装置的技术热潮。目前新建商船最为广泛采用的一款节能装置就是前置预旋导管。其结构简单、安装方便，没有任何活动部件，完全依靠焊接固定在尾轴套管外，易于施工。前置预旋导管不仅可以在船舶开发设计时就引入，也可用于现有营运船的改造，其节能效果显著。德国Becker marine systems公司2009年正式推出Mewis Duct前置预旋导管，至2013年短短四年时间已为全世界范围内的船东安装了超过四百多个前置预旋导管。

1 Mewis Duct前置预旋导管节能原理简介

Mewis Duct 前置预旋导管安装在螺旋桨的前部，由前置导管Duct和Special Fins预旋叶鳍两个完全独立的节能设备构成，其构造如图1所示。与其他的节能装置相比，Mewis Duct致力于降低以下两个方面的能量损耗：(1) 通过前置导管减少船舶的伴流损失；(2) 通过预旋叶鳍前整流翼预旋水流减少滑脱效应的旋转损失，从而进一步提高了螺旋桨的推进效率[3]。

图1 J0212 VLCC Mewis Duct结构型式

1.1 整流导管节能原理

如图2所示，Mewis Duct安装在螺旋桨的正前方船尾处，桨前纵中剖面附近，两侧偏置于桨轴上方，其中心线斜向后上方布置，是具有机翼形切面的环流倒流装置。导管在产生推力的同时能够稳定导向叶鳍的整流效果，导管直径小于桨的直径。水流流经导管时，在机翼断面处产生环流，如图3所示[1]。

图2 Mewis Duct前置导管简图

图3 整流导管界面环流示意图

由于前置导管的存在，即环流的作用，能产生如下的效果。

(1) 环流加快了导管内的水流速度，同时又使导管外的流速降低。其结果将有较多的水均匀地流向螺旋桨中上方2/3盘面处，从而提高了螺旋桨的效率[1]。

(2) 在导管环流的作用下，尾部水流分离现象小，从而减小了漩涡阻力，降低了能量损耗[2]。

(3) 由于导管的存在，加速了螺旋桨上部的水流速度，引起实效伴流分数及推力减额分数同时减小，但推力减额分数的减小更多，因此船身效率反而提高，故使推进效率得到了提高[2]。

(4) 通过位于螺旋桨前的导管，水流经导管均匀地流向桨叶，使叶梢负荷降低，降低了螺旋桨的激振力[3]。

1.2 Special Fins预旋叶鳍的作用原理

(1) Mewis Duct预旋叶鳍产生了与螺旋桨旋转方向相反的预漩涡，然后作用到螺旋桨上，使得螺旋桨的负荷提高进而提高推力，显著提高了螺旋桨的推进效率[3]。预旋整流方案及效果如图4所示。

图4 Mewis Duct前整流翼预旋导向叶鳍

(2) 预旋叶鳍位于导管的尾端，叶鳍剖面的弦长小于导管机翼剖面的弦长。

导管本身构成了叶鳍某种形式的端板，这样提高了叶鳍的效率。

导管内的叶鳍产生的预旋涡能够有效降低滑脱效应的旋转损失[3]。

(3) 通过增加螺旋桨内部半径范围的负载，能够有效降低桨毂处的涡流损失。此效应与桨毂和桨直径的占比成正比，这对推进效率也有一定的提升作用[3]。

图5 安装与不安装Mewis Duct前置预旋导管的CFD计算流场对比

总体而言,经过Mewis Duct预旋导管整流之后,螺旋桨进速流场明显均匀,相较未安装导管有明显的改善, 如图5所示。

1.3 不同船型的Mewis Duct前置预旋导管节能效果分析

节能装置的节能预期是基于船尾螺旋桨运转的能量损失，一个基本的原则是节能效率不可能超出现有的能量损失。

图6显示了基于能量损失分析的Mewis Duct前置预旋导管可能的节能系数。图中黑色实线表明了理论计算的有效功率降低百分比，真实的节能效果取决于实际情况，例如船舶波浪场的性能，螺旋桨的型式和设计水平，以及导管本身的设计质量，以上所有因素将会导致实际节能效果较图中黑色实线有±2%的偏差[3]。

图6 基于能量损失的不同船型前置预旋导管节能效果预估[3]

由图6可知，在推力负荷系数Cth接近3.5时，油船Tanker节能最高接近11%，可见在三大常规船型中，油轮安装Mewis Duct前置预旋导管的节能效果最佳。根据已有的对比研究结论，VLCC船型加装Meiws Duct前置预旋导管节能效果远超其他节能装置如消涡鳍、舵球、扭曲舵、桨前反应鳍，以及单一的伴流补偿导管。如图7所示，在船模水池试验预报中，在设计吃水20.5 m时，船速17.45 kn时，Cth=3.608，按图7中的最大节能曲线预估节能效果略超11%,实船试航的最终结果与理论计算的预报值非常接近。

图7 设计吃水时船模试验预报船体性能参数表[4]

1.4 Mewis Duct前置预旋导管减振降噪原理简介

此外，据Mewis Duct Marine System 研究分析，总体而言，加装Mewis Duct通过至多降低80%的脉冲压力能够显著降低螺旋桨的激振。通过叶鳍与导管的综合作用能有效改善螺旋桨叶梢的空泡现象,不仅能改善螺旋桨的推进效率还能提高螺旋桨的使用寿命,降低空泡产生的噪音,并有利于改善船舶的航向稳定性。带导管与不带导管的螺旋桨空泡效果对比如图8所示。

图8 带前置预旋导管与不带前置预旋导管的螺旋桨空泡效果对比图[3]

2 J0212 VLCC实际应用Meiws Duct前置预旋导管效果分析

金海重工股份有限公司承建的VLCC J0212船是2009年韩国KOMAC设计的超大型原油轮，其主尺度及相关参数如下。

主尺度参数：

总长为333.00 m；

垂线间长为320.00 m；

型宽为60.00 m；

型深为30.50 m；

设计吃水为20.50 m；

结构吃水为22.50 m；

载重量为320 000 t；

主机为MAN B&W 6S90ME-C8(Tier Ⅱ)；

最大持续功率为MCR 31，620 kW×78 r/min；

常用经济功率为CSR 26 877 kW×73.9 r/min。

螺旋桨尺寸：

螺旋桨直径为10.0 m；

固定螺距螺旋桨为四叶；

螺旋桨带尾轴负荷为600 N/mm2；

螺旋桨最高转速为78 r/min；

水中最大转动惯量为438 750 kg·m2；

在设计吃水时服务航速(0.85MCR含0.15的海水裕度)为16.0 kn；

主机位于CSR工况为10 200 kcal/kg；

低燃值油料，设计日油耗为107 t/每天。

受金融危机影响，本船建造周期滞后，相较于同期交付的其他VLCC船舶日油耗值偏高，因此新船东要求安装Mewis Duct前置预旋导管以提高船舶速度降低油耗。

2.1 船模试验报告预报

在完成相关图纸设计后，厂家选择了业界著名的汉堡水池进行船模水池试验。船模试验一共进行了压载、设计、结构三个吃水的带导管和不带导管的对比试验。其中在船舶吃水20.5 m船速16 kn的工况时，对预旋叶鳍的角度进行了调整优化。

(1) 在TF(艏吃水)=8.50 m，TA(艉吃水)=12.10 m压载吃水时，如图9所示。

图9 压载吃水时带前置预旋导管和不带前置预旋导管的对比[4]

不带Mewis Duct前置预旋导管且无风无浪的工况下，主机提供螺旋桨的功率(螺旋桨的收到功率)PD=26 608 kW,实船预报速度V=17.61 kn。

在带导管时，在同样的情况下，实船预报速度V=18.10 kn。

相当于在规格书考核的船速V=16.0 kn时，可降低主机提供螺旋桨的功率(螺旋桨的收到功率)PD值 9.2%。

或者相当于在相同螺旋桨收到功率的情况下，带导管时可降低螺旋桨转速1.3%[4]。

(2) 在20.5 m设计吃水时，如图10所示。

不带导管且无风无浪的工况下，主机提供螺旋桨的功率(螺旋桨的收到功率)PD=26 608 kW,实船预报速度V=16.39 kn。

在带Mewis Duct导管时，在同样的情况下，实船预报速度V=16.87 kn。

相当于在规格书考核船速V=16 .0 kn时,可降低主机提供螺旋桨的功率(螺旋桨的收到功率)PD值8.2%。

或者相当于在相同螺旋桨的收到功率情况下,带导管时可降低螺旋桨转速1.5%[4]。

(3) 在22.5 m结构吃水时，如图11所示。

不带导管且无风无浪的工况下，主机提供螺旋桨的功率(螺旋桨的收到功率)PD=26 608 kW,实船预报速度V=15.91 kn。

在带Mewis Duct前置预旋导管时，在同样的情况下，实船预报速度V=16.45 kn。

相当于在规格书考核船速V=16 .0 kn时,可降低主机提供螺旋桨的功率(螺旋桨的收到功率)PD值 9.9%。

或者相当于在相同螺旋桨的收到功率情况下，带前置预旋导管时可降低螺旋桨转速1.2%[4]。

综上所述，在三个典型吃水工况下，前置预旋导管都具有良好的节能效果。

图10 设计吃水时带前置预旋导管和不带前置预旋导管的对比

图11 结构吃水时带前置预旋导管和不带前置预旋导管的对比

2.2 实船试航验证

我司320 000 DWT VLCC J0212船系我厂安装的第一个Mewis Duct前置预旋导管的VLCC。而J0209船作为我司首制VLCC没有安装节能装置。J0212船入ABS级延伸认可了入DNV级的J0209船的全套图纸，两船型线主尺度等完全一致，主机、螺旋桨、舵页等推进装置型号及设备参数基本完全相同。两船试航测速时均在我厂习惯选择的东海海域，海况均满足ITTC试航测速对风速、浪高的规定。试航时两船均在设计吃水工况下进行，试验时实际吃水及排水量几乎完全相同，差异可以忽略不计。两船均由上海江佳船舶科技有限公司负责船舶性能测试，采用相同的测试工具DGPS Survey System (Hemisphere)、ITTC测速修正方法和JiangJia software for sea trial软件进行速度修正。为实船验证Mewis Duct的节能效果创造了十分理想的试验对比条件。

图12为J0209船(不带导管)设计吃水工况的实船试航测速报告。

图12 J0209(不带前置预旋导管)船设计吃水工况实船测试速度

由图12可知,J0209船在主机输出0.85MCR带15% sea margin且无风无浪时，船速为V=15.922 kn,略小于船模试验预报的16.01 kn,在主机输出功率0.85 MCR不带sea margin时，船速V=16.655 kn,略小于船模试验预报的16.77 kn。由上述内容也可知，J0209船试航快速性略差于船模水池试验预报速度。

图13为J0212船(带前置预旋导管)设计吃水工况的实船试航测速报告。

图13 J0212(带前置预旋导管)船设计吃水时实船测试速度

由图13可知，J0212船在主机输出功率0.85MCR带15% sea margin且无风无浪时，船速为V=16.69 kn，在相同条件下比J0209船的15.922 kn船速提高了0.768 kn。在主机输出功率0.85MCR且考虑1%轴系能量损失时(不包含15% sea margin)，船速V=17.45 kn，比相同条件下J0209船模试验预报航速V=16.87 kn，提高了0.58 kn。比J0209(未装前置预旋导管)实船航速提高了0.795 kn。相比在规格书考核船速V=16.0 kn时,J0212实船主机提供螺旋桨的功率(实测轴功率)为PD= 20 320 kW，相较未安装前置预旋导管时，在相同的船速时PD= 23 371 kW，降低主机提供螺旋桨的功率PD值约13%，远远超出技术协议规定的5.4%节能指标。实船试航比相同情况下船模水池试验预报主机需提供给螺旋桨的功率PD=21 280 kW也降低4.5%。

基于13%的节能系数，假定船舶每年的航行时间为220天，以设计日油耗107.7 t/每天计算，在油价为600$/t时，单船前置预旋导管每年可节约燃油费约180万美金，投资回报期约为半年。由此可见安装前置预旋导管具有较好的经济性。

此外，关于J0212船VLCC加装前置预旋导管后螺旋桨的空泡现象以及螺旋桨的激振噪音情况，因为试航时并未专门测试，有待后期营运时，根据进坞螺旋桨检验的结果进行验证。

2.3 EEDI指标对比

国际海事组织第62届环保会于2011年7月15日以MEPC.203(62)决议通过 “MARPOL附则VI修正案——引入船舶能效条款”，已于2013年1月1日生效实施[5]。在2013年前签订建造合同但是于2015年7月1日或以后交付的船舶也必须满足EEDI阶段0的要求。

EEDI要求原则上适用于新船，当现有船发生特别大的重大改建时也要求追溯适用EEDI要求。

对新船能效指数起决定性作用的主要参数有航速Vref、船舶装载量或总吨位(Capacity)、为达到该航速所需的安装功率PME等。实船速度显著的提高对降低EEDI指数有十分积极的作用,有利于船舶改善EEDI指标。因此安装前置预旋导管也是优化EEDI指数的一种有效措施。

根据J0209船和J0212船实船试航速度，换算到结构吃水按EEDI要求的计算主机推进功率75%MCR对应的航速，按照BIMCO提供的EEDI标准计算器分别计算两船的Attained EEDI值分别如图14、图15所示。

J0209 Attained EEDI=2.758，J0212 Attained EEDI=2.616，虽然两船都不满足阶段0应小于Re

quired EEDI=2.510的要求。但是安装节前置预旋导管后J0212船EEDI值较未安装前置预旋导管的EEDI值降低5.15%，效果显著。

图14 J0209(不带前置预旋导管)Attained EEDI值

3 结论

图15 J0212(带前置预旋导管)Attained EEDI值

在当前航运市场竞争越发激烈，造船业持续低迷的形势下, 我司通过对VLCC J0212船加装前置预旋导管，在不对船舶进行重大改造，增加有限的工期和经济成本的情况下，取得了显著的节能降耗成果。并极大地改善了其EEDI指标，使该VLCC的营运经济性显著加强，结果令船东满意。该VLCC前置预旋导管节能装置的成功实施，既是金海设计院前期严格分析对比各种节能装置，优化选型的必然结果，也是金海重工转型升级征程中浓墨重彩的一道缩影。

[1] 罗展贤.船舶节能装置—前置导管的设计与安装[J].广船科技，1994(3)：7-11.

[2] 盛振邦.刘应中.船舶原理[M].上海：上海交通大学出版社，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] 中国船级社.船舶能效设计指数(EEDI)验证指南[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

饶勇丰(1984-)，男，本科，从事船舶总体专业的设计工作。

U661

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