船舶艉部节能技术的发展及应用

2020-07-01冉洪波彭言峰

舰船科学技术 2020年6期

冉洪波，彭言峰

（南通远洋船舶配套有限公司，江苏南通 226013）

0 引言

作为海上运输的主要工具，船舶在营运过程中会产生大量有害的氮氧化物、硫氧化物等，对环境带来严重污染。近年来，国际海事组织（IMO）高度关注船舶的节能减排，陆续出台多项新规则、新要求，如船舶能效设计指数EEDI、船舶能效营运指数EEOI、船舶能效管理计划SEEMP 等。其中，EEDI 是当前船舶设计的一项重要指标，EEDI 对船型开发、创新型节能技术应用等提出了更高的标准，必须要采取有效的措施来降低EEDI。据测算，采用船舶节能新技术是一种有效途径，对降低EEDI 的贡献可达10% ～15%。

船舶节能一靠加强基础管理，二靠技术进步，利用船舶节能技术来促进船舶开展节能工作[1]。目前，应用于船舶上的节能技术集中体现在优化船型设计，减少船型阻力；采用新型高效螺旋桨，提高螺旋桨的推进效率；优选动力装置，对船体、螺旋桨、主机进行合理匹配，降低能量损耗；加装附加水动力节能装置，将损失的尾流能量转化为有利于船舶前进的助推力[2]等方面。应用船舶节能技术可实现船舶最大的营运效益，同时可以减少船舶造成的环境污染，在经济与环保方面实现双重效益。

1 船舶艉部节能技术研究

1.1 节能原理

通常，船舶能量损失有3 个方面的原因：1）受到波能干扰和水流粘性的作用，船舶在水中运动时会导致能量损失，约为10% ～18%；2）船舶在推进运转过程中造成的能量损失，约为10% ～22%；3）由于螺旋桨叶端处涡流能量损失和桨后尾流旋转能量损失，约为8% ～18%，随着推力载荷系数的增加，能量损失也会增大。

船舶艉部的形状与推进性能的优劣密切相关，不仅影响着船舶的阻力，还对推力减额和伴流有着很大的影响。船舶艉部能量损失主要分布在3 个区域：桨前伴流区域、螺旋桨区域、桨尾流区域。船舶艉部节能技术能有针对性地对这3个区域进行流场干预、回收能量，以提高船舶推进效率并达到节能效果，从而能够降低船舶能效设计指数EEDI。

作为船舶重要的推进装置，螺旋桨可以推动船舶前进运动。在螺旋桨前后安装水动力附加节能装置可有效提高船舶的推进性能，达到节能目的。这些水动力附加节能装置因具有结构工艺简单、节能效果显著等特点，在船舶上得到广泛的应用。

1.2 节能区域方案

相应地，船舶艉部节能技术可分为三类：桨前区域节能方案、螺旋桨优化方案、桨后区域节能方案。

1）桨前区域节能方案

桨前区域节能方案主要是在螺旋桨前方安装节能附加装置达到良好的节能效果。这些节能装置安装在螺旋桨前，可有效改善螺旋桨的进流，使之更加均匀或产生旋涡；减少船尾的水流分离现象；使桨前流预旋，把原来尾流中损失的旋转能量转化为推力功，产生附加推力。常见的桨前节能装置主要有前置预旋节能鳍、前置导管、桨前固定导轮、补偿导管、导管前置导流片。

2）螺旋桨优化方案

可通过优化螺旋桨或采用新型高效的螺旋桨来提高船舶的推进性能，达到节能效果。螺旋桨参数的选择通常根据船舶的吃水和船尾形状等因素来确定。对于高速船舶，采用大直径低转速的螺旋桨，可以提高螺旋桨的敞水效率，增加伴流系数和推力减额系数，获得最佳的船舶推进效率。现在，在船舶上也会采用高效螺旋桨。高效螺旋桨可提高船舶的推进效率，减少激振力，从而可明显减少船尾振动，延长船体结构和设备的使用寿命。目前，已经实船应用的3 种高效螺旋桨有KAPPEL 螺旋桨、CLT 螺旋桨、NPT 螺旋桨[3]。

3）桨后区域节能方案

桨后区域节能方案主要是在螺旋桨后方安装节能装置达到节能效果。周向旋转能量约占螺旋桨损失50%左右，安装在螺旋桨后的节能装置可更好地适应桨后尾流，回收桨后的周向旋转能量，减少能量损失，提高推进效率，并可有效减小振动噪音、降低空泡腐蚀现象。常见的桨后节能装置有毂帽消涡鳍、使用附加舵球、带舵鳍的节能舵、扭曲型非对称舵、桨后固定导轮等。

2 船舶艉部节能技术具体应用

为更好地顺应国际海事组织节能减排要求，应对船舶能效设计指数EEDI，可以有效改善现有船舶的推进效率，南通远洋船舶配套有限公司与日本流体技术有限公司合作开发的船舶艉部推进节能装置产品，主要涵盖ESD-Fin、ESDHvrf、ESD-Rudder 的设计、制造、安装3 个方面，具有良好的节能效果，能进一步提高船舶的推进性能。

图1 船舶艉部推进节能装置产品图

2.1 ESD-Fin

ESD-Fin 又称节能鳍，由4～5 片尺寸和螺旋桨半径相当的固定翅片组成，这些固定翅片呈放射状焊接在螺旋桨前面的艉轴管上方。ESD-Fin 可以使进入螺旋桨的水流产生与螺旋桨旋转方向相反的预旋，抵消螺旋桨产生的同向旋转水流作用，从而可有效降低螺旋桨后面旋转尾流造成的能量损失，提高推进效率达到节能效果。

ESD-fin 设计轻便，安装方便，在相同吃水、海况、温度、航速条件下，安装ESD-Fin 节能效果达3% ～5%，适用于新造船和营运船，现已成功应用在53000 t 散货船等船型上。

2.2 ESD-Hvrf

ESD-Hvrf 又称消涡鳍，是一种安装在螺旋桨桨帽位置用于消除螺旋桨毂涡能量损失的节能装置。消涡鳍的叶数与螺旋桨的叶数相同，一般为4～5 个叶片。当水流通过螺旋桨时，由于水流速度加快和旋转弯曲会导致从各个桨叶流出的旋流汇聚产生强大的涡流，这种涡流可导致大量能量损失。在螺旋桨后加装消涡鳍，可以对流过桨叶随边的水流进行整流，减小流过桨毂的涡流，从而回收桨毂涡流的能量损失，提高推进效率，达到节能效果。

ESD-Hvrf 结构简单、安装方便、易维护，在相同吃水、海况、温度、航速条件下，安装ESD-Hvrf 节能效果达2%～3%，可应用于新造船和营运船上，现已成功应用在82000 t 散货船、110000 t 油轮等船型上。

2.3 ESD-Rudder

ESD-Rudder 又称节能舵，在常规舵上加装舵鳍和舵球。舵球设置在舵叶前端和螺旋桨桨帽相对应的位置，呈球形体，与桨帽之间具有一定的间隙。舵球具有流线型的外形，可填充螺旋桨桨帽后面的低压区空间，对桨后的水流具有整流作用，从而有效减少螺旋桨的涡流能量损失，并可减轻桨叶的压力脉冲，起到减少螺旋桨振动和空泡现象的目的。舵鳍布置在舵叶两侧，桨后的水流在经过具有一定安装角度的舵鳍后，方向得到校正，回收螺旋桨尾流场的部分旋转能量，整合原来流场达到节能效果。

ESD-Rudder 成本低、安装简单，在相同吃水、海况、温度、航速条件下，安装ESD-Rudder 节能效果可达2% ～5%，适用于新造船。

2.4 节能装置组合方案

为使船舶达到最佳的节能效果，通常在船上会选择采用节能装置的组合方案，如ESD-Fin + ESD-HVRF，该组合方案节能效果可达3% ～6%，可适用于新造船和营运船上；如ESD-Fin + ESD-Rudder，该组合方案节能效果可达3%～6%，可适用于新造船上；如ESD-Fin + ESD-Rudder + ESDHVRF，该组合方案节能效果可达3% ～7%，可适用于新造船上。