64 000 t散货船组合节能装置节能效果分析

高 博 , 于利民 , 何懋华 , 李鹏程

(1.山东交通学院船舶与轮机工程学院, 山东 济南250357； 2.广州黄船海洋工程船舶有限公司, 广东 广州 511458；3.中国船舶科学研究中心上海分部，上海 200011)

64 000 t散货船组合节能装置节能效果分析

高 博1, 于利民1, 何懋华2, 李鹏程3

(1.山东交通学院船舶与轮机工程学院, 山东 济南250357； 2.广州黄船海洋工程船舶有限公司, 广东 广州 511458；3.中国船舶科学研究中心上海分部，上海 200011)

简要介绍国内外相关船舶节能的研究与进展，分析加装前置导轮和消涡鳍组合节能装置后船舶节能原理及效果，通过64 000 t散货船模型试验和实船试航数据，对比分析未加装节能装置的同系列船舶，结果显示加装节能装置后压载工况下的船舶节能效果为4%～6%。

节能装置；散货船；节能效果

0 引 言

随着船舶运输价格的走低，以及船舶能效设计指数(EEDI)的正式生效，船舶节能技术已成为世界各国船舶与海洋工程领域研究的热点及重要课题。船舶节能技术的运用，不仅能够降低船舶的能耗，同时还可以减少船舶造成的环境污染。

针对船舶节能技术分析和研究，黄胜等[1]主要从船型和尾部线型等方向入手, 寻求较好的船-桨配合, 研究出多种不同船尾型线，如：不对称船尾、球尾船型和双尾鳍船型等, 这些船尾形状对船舶节能的影响表现优良。

针对已有船型加装附加流体水动力节能装置，对推进效率的提高是一种有效的措施[2]。常见的节能装置有伴流补偿导管(Wake Improving Duck, WID)[3]、前置预旋导轮(Pre-Shroucled Vanes， PSV)、前置导叶(guide vane)和消涡鳍(Hub Vortex Absorbed Fins, HAVF)等，节能装置在载重57 000 t，载重76 000 t，180 000 t及VLCC等船型上广泛运用，实际节能效果明显[4]。同时也进行一些特殊船舶节能技术的研究，例如中船集团第708研究所对桨后助推节能扭曲舵展开研究[5]，日本海上技术安全研究所开发微泡沫船舶节能技术等。

本文分析同一公司建造的4艘64 000 t散货船，其中2艘安装前置预旋导轮和桨后消涡鳍组合节能装置，另外2艘未安装节能装置。通过对比分析实船试航结果，进一步验证加装前置预旋导轮和消涡鳍组合节能装置的实船节能效果。

1 节能装置节能原理及作用

由于螺旋桨桨盘面来流不均匀、尾部产生的旋转尾流，毂帽和叶梢等处产生的旋涡阻力都会降低螺旋桨的推进效率，从而造成能量的损失。针对上述问题，在船舶特定位置安装附加节能装置可以起到改善船体附近流场和减少船舶能量损失的作用，进而达到节能的效果。船舶加装节能装置后可使螺旋桨进流均匀，降低船尾的水流分离，使桨前流场产生预旋, 降低尾流中因旋转造成的损失。

1.1 前置导轮

前置导轮是通过对船尾螺旋桨工作特性及尾部流场分析而开发的一种节能装置，由导叶与导管组合而成。其安装位置在螺旋桨前的艉轴管上，导叶一端焊接在船体艉轴毂上，且导管尾端面与艉轴毂尾端平齐，如图1所示。导轮的具体尺度会因不同船型而有所不同, 应根据相应的船型来确认并试验验证。通常节能效果可达3%～8%。

图1 导轮位置示例

首先前置预选导轮会使螺旋桨周围的水流减缓, 流速在整个盘面趋向均匀, 使螺旋桨工作条件发生变化, 有利于推进效率提高、激振力减小和船体振动减弱。其次在螺旋桨工作时, 导轮中内置导叶产生有利预旋流，减小螺旋桨艉流旋转能量损失。最后改善尾部流动分离，产生附加正推力, 对减少推力减额产生有利影响。

1.2 消涡鳍

船舶在运动时，螺旋桨后毂帽附近流场会产生涡流，而涡流会损耗能量。为减少能量损失，在螺旋桨将军帽上增设与螺旋桨页数相同的小叶片水动力节能装置消涡鳍，以消除螺旋桨毂涡能量损失。安装消涡鳍可起到2%～5%的节能效果。消涡鳍及螺旋桨的装配示例如图2所示。

图2 消涡鳍及螺旋桨的装配示例

消涡鳍均布在螺旋桨后，片数与桨叶片数一致，与螺旋桨同步工作，螺旋桨尾流矫直，打散毂涡，恢复压力；产生扭力降低螺旋桨扭矩并产生推力，进而使尾流旋转能量损失减少，达到提高推进功率的效果。节能原理如下[6]。

(l) 消涡鳍的叶片改变螺旋桨根部流场，矫直尾流, 使桨毂涡流消除。

(2) 降低甚至消除毂涡引起的诱导阻力, 使将军帽和桨毂的压力恢复, 从而增加整体推力。

(3) 消涡鳍叶片产生的扭矩与螺旋桨相反, 使带消涡鳍的螺旋桨总扭矩减小。

通过对流场和能量角度的分析, 安装消涡鳍后会降低螺旋桨根部附近流场速度, 尾流切向速度减小尤为明显, 毂涡被削弱, 螺旋桨尾流能量得到回收, 因此起到节能的效果[7].

2 研究对象

研究对象为64 000 t新型节能型船舶，本文研究4艘64 000 t散货船，详细设计和生产设计图纸由同一设计公司设计，同一公司生产建造，且建造时间间隔较短。64 000 t散货船为一艘钢质、单壳、单甲板、尾机型、单机、单桨、单舵、低速柴油机推进的超灵便型散货船；航行区间为无限航区；适用于运输散装货物，包括煤、铁矿石、谷物等；该船首部设有球鼻艏及前倾首柱，尾部设置方尾； 主甲板以下从船首至船尾依次设艏尖舱、5个干散货舱、机舱和艉尖舱；配备5对液压折叠式舱盖及4台甲板起重机。

该船主尺度如下：总长为199.90 m；垂线间长为194.50 m；型宽为32.26 m；型深为18.50 m；设计吃水11.30 m；结构吃水为13.30 m；载重63 800 t；服务航速14.40 kn；船员26人。

3 加装组合节能装置后实船节能效果分析

通过对比分析2艘不装节能装置和2艘加装组合节能装置姊妹船的实船航行性能测试结果，获得节能装置的实船节能效果。4艘船舶在同一海区试航，具有相近的试航海况条件,且试航时都采用压载状态。

3.1 模型试验

选择中国船舶重工集团第702研究所的水池进行船舶螺旋桨模型敞水性能试验、安装与不安装导轮船模的阻力及自航试验以及螺旋桨后加装与不装消涡鳍的敞水性能试验。采用尺度比为1∶25.255，压载工况下的试验结果如表1所示。

表1 压载情况下模型试验节能效果

从表1可得出压载工况下64 000 t散货船加装组合式节能装置后的节能效果约为8%。

3.2 64 000 t散货船实船数据

安装组合式节能装置的2艘船编号为：H 3071和H 3078，未安装节能装置的2艘船编号为H 3067和H 3068。4艘船在压载工况进行试航，试航过程记录50%，75%，85%和100%主机功率下的船舶航速等相关数据，记录结果如表2所示。

表2 实船试航数据

续表2 实船试航数据

经ITTC 2012 航速-功率修正方法修正后的实船快速性数据按三次多项式进行拟合，可得理想(无流、无风和无浪)压载工况条件下的实船V-P曲线，在修正后的实船航速-功率曲线中取航速为13.0～15.0 kn的主机收到功率，比较4艘船的功率，计算出加装节能装置后的船舶相对未加节能装置后的船舶的实际节能效果，具体如表3和表4所示。

表3 加装节能装置实船与H 3067船节能效果

表4 加装节能装置实船较H3068节能效果

从表中可得出：(1)压载工况下，同等速度下实船在加装组合节能装置后相对于未加节能装置的船舶节能效果为4%～6%；(2)压载工况下，实船的节能效果低于模型试验的效果。

加装节能装置与未加节能装置的64 000 t散货船，分别对考虑风浪和排水量修正后实船试航测试结果进行多项拟合对比,如图3所示。

图3 压载吃水实船对比

4 结 论

本文以同一公司建造的64 000 t散货船为研究对象，分析压载吃水工况下的试航数据，对比分析加装节能装置和未加装节能装置船舶的节能效果。

结果表明：

(1) 64 000 t散货船实船加装导轮与消涡鳍后节能效果为4%～6%，有较好的节能效果，进一步提升船舶的经济性。

(2) 压载工况下，实船的节能效果低于模型试验的效果。主要原因是尺度效应、试航时船体表面脏污及粗糙以及研究对象船舶较少。

[1] 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.

[2] 沈海龙，蔡昊鹏，苏玉民.桨前节能装置节能效果的理论预报方法[J]．上海交通大学学报，2010，44( 10) : 1418-1422．

[3] 李林海.半圆形导流罩设计应用分析[J].船海工程,2012,41(3):27-29.

[4] 左成魁,孙权,黄国富,等.伴流补偿导管和消涡鳍组合节能装置实船节能效果验证[J]. 中国造船，2015,56(3):89-95.

[5] 聂云凌,黄胜.助推节能扭曲舵的原理和设计方法[C]//第四次民用开发船型及节能新技术交流汇报会论文，1991:230-234.

[6] 马艳,辛公正,施小勇，等.螺旋桨毂帽鳍节能装置增效数值评估与模型试验研究[J].中国造船,2011,52,S1:7-18.

[7] 李鹏程.毂帽鳍设计方法[D].北京： 中国舰船研究院，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，研究方向为船舶性能和强度计算

1000-3878(2017)06-0060-05

U664

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