船舶推進(jìn)與節(jié)能技術(shù)的研究與進(jìn)展

船舶推進(jìn)與節(jié)能技術(shù)的研究與進(jìn)展

0我國(guó)能源形勢(shì)展望近年來(lái)，隨著國(guó)際上石油價(jià)格的上漲和能源不足，海洋節(jié)能技術(shù)的研究和開發(fā)引起了人們的關(guān)注。表1給出了1970～2002年集裝箱船單位耗油率(g/箱·nmile)的變化。我國(guó)的能源形勢(shì)也很緊張,能源供需矛盾突出,浪費(fèi)嚴(yán)重,節(jié)能已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的長(zhǎng)期戰(zhàn)略任務(wù),是我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策。為滿足航運(yùn)部門在航船舶節(jié)約燃油、降低營(yíng)運(yùn)成本的要求,我國(guó)在船舶節(jié)能技術(shù)方面投入了大量的人力、物力,并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。1節(jié)能船型的研究單螺旋槳常規(guī)運(yùn)輸船的附體阻力約為5%～8%,雙螺旋槳船則為8%～15%,其他阻力成分中,高速船以興波阻力為主,低速船則以摩擦阻力為主。各國(guó)致力于節(jié)能船型的研究收到了明顯的效果。開發(fā)出了諸如球鼻首船型、縱流船型、雙體船及小水線面雙體船、淺吃水肥大船型等。另一方面,造船工作者們對(duì)船舶尾部線型的研究?jī)A注了更多的精力,以求改善船—槳配合,出現(xiàn)了不對(duì)稱船尾、雙尾鰭船型、渦尾船型、球尾船型等,均收到了較為顯著的節(jié)能效果。1.1非對(duì)稱船尾型節(jié)能技術(shù)使船體形狀不對(duì)稱以改善其推進(jìn)性能的想法不是近幾年提出的,在著名的威尼斯城運(yùn)河中,有一種狹長(zhǎng)的平底小船被稱作“岡朵拉”,作為旅游者的交通工具由于船后的槳手采用一種特別的單側(cè)蕩槳技術(shù),所以為了彌補(bǔ)受力的不對(duì)稱性而保持船的穩(wěn)定,該船的右舷比左舷窄250mm,這種相對(duì)于中心線不對(duì)稱的船型改進(jìn)了其性能,這就是非對(duì)稱船尾型節(jié)能的雛形。1.1.1非對(duì)稱尾船尾扭曲是組成蘇-海對(duì)于1艘常規(guī)對(duì)稱單槳船,流線實(shí)驗(yàn)表明,螺旋槳葉向上轉(zhuǎn)動(dòng)的一側(cè)前方有明顯的水流分離現(xiàn)象。分離區(qū)域產(chǎn)生大量的漩渦使能量消耗顯著增加,而且分離還使流動(dòng)變得更不均勻,使螺旋槳效率下降。非對(duì)稱尾船型的尾部扭曲使槳軸上方進(jìn)流疊加了一個(gè)向左的切向分量,為了進(jìn)一步使來(lái)流預(yù)旋,再把槳軸下方船尾舯線向右扭曲以使來(lái)流疊加一個(gè)向右的切向分量,上下同時(shí)扭曲使進(jìn)流產(chǎn)生了一個(gè)與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反的預(yù)旋。不對(duì)稱性尾船型的節(jié)能主要是通過(guò)改善船后伴流場(chǎng)使其更均勻,并且使螺旋槳進(jìn)流預(yù)旋來(lái)提高推進(jìn)效率。1.1.2船型和成本方面的研究世界上第1艘采用非對(duì)稱船尾的實(shí)船是1982年在德國(guó)奧登堡的漢立許白蘭特船廠下水的集裝箱船“Thea-S”(“特亞斯”)號(hào)。在之前的模型實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明不對(duì)稱尾與對(duì)稱尾比較,在設(shè)計(jì)吃水時(shí)阻力降低8%,滿載吃水時(shí)阻力降低6%,試航時(shí)證明了實(shí)船速度高于船模實(shí)驗(yàn)預(yù)報(bào)值。目前,共有60多艘非對(duì)稱尾船型在世界各地運(yùn)營(yíng)。包括第1艘非對(duì)稱尾船“特亞斯”號(hào)、哈帕格—?jiǎng)诎５鹿镜摹鞍亓挚旌健碧?hào)和CGM公司的“拉佩魯賈號(hào)集裝箱船德國(guó)海洋調(diào)查船流星號(hào)達(dá)爾公司的化學(xué)品船“海因利?！碧?hào)以及“埃貝哈格·埃斯貝格爾”號(hào)等。我國(guó)708研究所對(duì)非對(duì)稱船尾線型技術(shù)進(jìn)行了研究。其主要工作是對(duì)2000箱集裝箱船、3000m3液化氣船、19.9m拖船及2000t多用途船等設(shè)計(jì)了10個(gè)非對(duì)稱尾模型與對(duì)稱尾模型進(jìn)行阻力、自航對(duì)比實(shí)驗(yàn)。證明采用非對(duì)稱尾技術(shù)后在相同航速下,滿載和壓載工況可分別節(jié)能4.5%～10.1%,4.5%～9.4%,或在同耗油條件下使航速提高0.4～0.5kn左右。以1艘功率為10000kW,耗油率為170g/kW·h的集裝箱船為例,假設(shè)燃油價(jià)格為每噸100美元,能耗節(jié)約6%,該船每年?duì)I運(yùn)300d,經(jīng)計(jì)算表明,成本回收不到一年,這種額外投資是值得的。并且廣泛的船模實(shí)驗(yàn)和計(jì)算表明,對(duì)非對(duì)稱尾的操縱性,螺旋槳空化、空泡和船體振動(dòng)的擔(dān)心都是不必要的。1.2雙尾氣船型研究20世紀(jì)40年代,瑞典船模水池試驗(yàn)了第1艘雙尾鰭后體船型(長(zhǎng)140m,排水量為1.75萬(wàn)t的油船),1965年美國(guó)泰勒水池的海特勒和陳梅生在美國(guó)發(fā)表的《單槳船和雙槳船模螺旋槳盤面處的伴流試驗(yàn)資料》中就有幾艘客貨船采用了雙尾鰭船型。70年代初,瑞典國(guó)立船模研究所發(fā)表了大約100種雙尾鰭船型模型試驗(yàn)結(jié)果。1976年法國(guó)在大西洋船廠建造了1艘55萬(wàn)t油輪“巴梯勒斯”號(hào)就采用了雙尾鰭船型。1978年西班牙在國(guó)際滾裝船會(huì)議上提出了一種尾鰭相互平行的雙尾鰭船型,據(jù)稱可提高16%的推進(jìn)效率。荷蘭瓦格寧水池除了進(jìn)行尾鰭平行,尾鰭向內(nèi)傾斜的實(shí)驗(yàn),還進(jìn)行了尾鰭向外傾斜的方案比較,表明內(nèi)斜軸布置所需功率比雙軸平行布置方案節(jié)省16%。80年代,日本造船研究中心對(duì)某滾裝船及散貨船進(jìn)行單槳,雙尾鰭,三尾鰭方案進(jìn)行船模試驗(yàn)研究,結(jié)果表明滾裝船的雙尾鰭型主機(jī)功率比常規(guī)雙槳船、散貨船的分別降低20%和5%。1982年,川崎重工神戶造船廠建造的“海上橋梁”號(hào)超寬超淺吃水重貨運(yùn)輸船采用了雙尾鰭型,比常規(guī)單槳方案節(jié)省主機(jī)功率12%以上。上海船舶設(shè)計(jì)院較早對(duì)雙尾鰭船型進(jìn)行了研究。1978年設(shè)計(jì)的3800t煤船是我國(guó)最早的雙尾鰭船型。此后又進(jìn)行了10多型雙尾鰭船舶的研究設(shè)計(jì),建成并投入營(yíng)運(yùn)的已有3型。1981年,該院為上海海運(yùn)管理局設(shè)計(jì)的1艘客貨船,也采用了雙尾鰭船型,后來(lái)大量試驗(yàn)證明,該船在設(shè)計(jì)航速時(shí)可降低阻力4.5%,主機(jī)功率降低12.8%,流體動(dòng)力性能良好。1.2.1雙槳船為短而寬的船舶,設(shè)計(jì)一般保持在部分內(nèi)的流體分離在1985年的第二屆國(guó)際船舶學(xué)術(shù)會(huì)議上,西班牙發(fā)表的“雙尾鰭船經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點(diǎn)”的論文指出雙尾鰭船特別適用于長(zhǎng)寬比較小的船型。其原理為短而寬的船舶在尾部往往容易產(chǎn)生水流的分離,使得推進(jìn)器周圍的流場(chǎng)難以達(dá)到比較理想的狀態(tài)。雙槳船盡管在型線設(shè)計(jì)時(shí)可使來(lái)流光順使其裸體阻力小,但由于其帶有軸支架等軸系附件會(huì)使總阻力增大。雙尾鰭船型利用2個(gè)尾鰭支撐推進(jìn)軸,它的后體就像2艘并列的單槳船尾,使得伴流大大增加,船身效率隨之提高,接近甚至超過(guò)了單槳船的船身效率,降低了主機(jī)功率。1.2.2浮心縱向布置的船舶雙尾鰭船不僅適合油船、散貨船一類肥大型船,而且也適合滾裝船、渡船等細(xì)瘠船型。下列情況下采用雙尾鰭后體是有利的:(1)小長(zhǎng)寬比船舶;(2)大寬吃水比船舶;(3)浮心縱向位置在舯部后的船舶;(4)后體豐滿的船舶。2部分浸水螺釘為了提高推進(jìn)效率,國(guó)內(nèi)外都在研究有別于常規(guī)螺旋槳的各種新型高效推進(jìn)裝置,如低轉(zhuǎn)速大直徑螺旋槳、適伴流調(diào)矩槳、導(dǎo)管螺旋槳、無(wú)梢渦螺旋槳以及部分浸水螺旋槳等。例如近年來(lái),丹麥、西班牙、荷蘭等幾個(gè)西歐國(guó)家的科研人員開發(fā)出幾款新型螺旋槳,與目前商船上廣泛使用的常規(guī)螺旋槳相比這幾款新型螺旋槳有個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)。第一,新型螺旋槳推進(jìn)效率高,在保持船舶航速不變的前提下,可節(jié)約主機(jī)功率少則3%～4%,多則8%～10%;第二,新型螺旋槳可明顯減少激振力,從而可明顯消減船尾振動(dòng),因而延長(zhǎng)了船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備的使用壽命,改善了旅客和船員的居住舒適性。2.1變化槳葉的變化,會(huì)對(duì)主機(jī)進(jìn)一步發(fā)揮全部功率普通螺旋槳的槳葉是固定的,它的螺距是根據(jù)設(shè)計(jì)狀態(tài)下的推力確定的,可以充分發(fā)揮主機(jī)的功率,但是在航行狀態(tài)發(fā)生改變時(shí),船舶的阻力將增大或減少,此時(shí)通過(guò)調(diào)整槳葉的位置改變其螺距,可以改變來(lái)流的攻角,使得主機(jī)在轉(zhuǎn)速不變的情況下發(fā)揮其全部功率。2.2槳葉的反轉(zhuǎn)槳和槳葉對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳是前后2個(gè)同軸螺旋槳反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力的推進(jìn)器。其主要優(yōu)點(diǎn)有:后槳可完全或者部分吸收前槳尾流的旋轉(zhuǎn)能量,從而獲得較高的推進(jìn)效率;前后2個(gè)螺旋槳反向旋轉(zhuǎn),有利于水面船舶保持航向穩(wěn)定性;在對(duì)轉(zhuǎn)槳和常規(guī)單槳直徑相同的情況下,對(duì)轉(zhuǎn)槳最佳轉(zhuǎn)速比普通單槳要小很多,對(duì)轉(zhuǎn)槳的最佳直徑比普通單槳要小,對(duì)解決前吃水船舶的推進(jìn)問題有一定意義;對(duì)轉(zhuǎn)槳的總面積較大,在吸收相同功率時(shí)其載荷比普通槳低,有利于避免空泡的產(chǎn)生。3船尾的推力作用各種水動(dòng)力節(jié)能附加裝置的作用主要有:(1)改善螺旋槳進(jìn)流,使之更加均勻;(2)減少船尾的水流分離現(xiàn)象;(3)使槳前流預(yù)旋,把原來(lái)尾流中損失的旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)化為推力功;(4)產(chǎn)生附加推力。這些裝置中取得較顯著節(jié)能效果的有:補(bǔ)償導(dǎo)管、前置導(dǎo)管、槳前整流鰭、舵附推力鰭、槳后固定葉輪、Grim自由旋轉(zhuǎn)葉輪等。3.1尾流中旋轉(zhuǎn)力學(xué)性能槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪的思想早在20世紀(jì)60年代就已提出,其基本思想主要是利用前置螺旋槳尾流中的旋轉(zhuǎn)能量由呈渦輪機(jī)形狀的葉片提供回轉(zhuǎn)力矩,由大于前置螺旋槳直徑的尾流區(qū)域以外部分機(jī)翼葉片將其轉(zhuǎn)換為推力。3.1.1自由旋轉(zhuǎn)促進(jìn)葉片的特性助推葉輪作為回收螺旋槳尾流動(dòng)能的水動(dòng)力附加節(jié)能裝置,具有以下特點(diǎn):(1)支持葉輪的節(jié)能效果模型和實(shí)船加裝助推葉輪的結(jié)果表明,該裝置節(jié)能效果一般在5%～10%,1983至1985年共有9艘1300箱集裝箱船加裝了助推葉輪,節(jié)能效果達(dá)11%。1艘非對(duì)稱尾的集裝箱船加裝了助推葉輪后節(jié)能效果達(dá)12.5%,大型油輪“SKRIM”號(hào)加裝了直徑9.7m的助推葉輪后節(jié)能13%,效果明顯高于其他水動(dòng)力附加節(jié)能裝置(反作用鰭、尾波補(bǔ)償導(dǎo)管、固定葉輪。轂冒鰭等的節(jié)能效果一般在4%～8%)。(2)安裝方便除在新船建造時(shí)可直接安裝助推葉輪外,舊船也可以改裝加設(shè)助推葉輪。安裝1次一般只需要2h左右連進(jìn)出船塢在內(nèi)只需的時(shí)間(3)可靠性結(jié)構(gòu)由于在軸承蓋內(nèi)充以鋰皂脂潤(rùn)滑,在含有15%的海水中仍可很好地起到潤(rùn)滑防腐作用,軸承結(jié)構(gòu)可保證2年之內(nèi)不必檢修而安全運(yùn)行。(4)軸系脈動(dòng)壓力的減少安裝自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪后,葉輪所在位置平面處船體表面壓力的幅值沒有增加,而前置螺旋槳的前方船體表面壓力幅值減少約40%～50%,脈動(dòng)壓力的降低對(duì)減少振動(dòng)有利。據(jù)日本“幸盛丸”的實(shí)船測(cè)試,加裝自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪前后軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幾乎沒有變化。在漢堡水池進(jìn)行的廣泛實(shí)驗(yàn)表明,6個(gè)方案的幾乎所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果5階主壓力脈動(dòng)都有明顯降低(6葉助推葉輪使之降低到45%,9葉助推葉輪使之降低到40%),10階壓力幅值也有所降低。3.1.2改槳時(shí),全球載荷的影響(1)助推葉輪主要適用于載荷較重的單螺旋槳船,如散裝貨船、油船、拖輪、干貨船等。一般來(lái)說(shuō),對(duì)于雙槳船由于負(fù)荷較小效果并不太明顯。大量的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表明,前置螺旋槳的推力負(fù)荷系數(shù)在某個(gè)范圍以下(2.5～3.0)時(shí),該裝置效益比導(dǎo)管槳要好,當(dāng)推力負(fù)荷系數(shù)增加時(shí),導(dǎo)管推進(jìn)裝置的效率更高。由于目前所建造的大多數(shù)運(yùn)輸船舶之推力負(fù)荷系數(shù)≤(2.5～3.0),因此助推葉輪的適用范圍比較廣。(2)對(duì)于舊船改裝時(shí)加裝自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪需要滿足一定的條件,如在舵、船體、螺旋槳之間要留有一定的空間,其次螺旋槳槳軸要能承受加裝自由旋轉(zhuǎn)葉輪后所增加的載荷,它比一般的單螺旋槳船增加到2倍載荷的量級(jí)。以上條件對(duì)一般的船舶均可滿足。3.2墻裝置的作用原理舵附推力鰭是一種新型回收螺旋槳尾流能量的節(jié)能裝置。它是由日本的石川島播磨重工(IHI)1983年首先研制出來(lái)的。它安裝在舵或掛舵壁上,吸收螺旋槳尾流的旋轉(zhuǎn)能量起到助推節(jié)能的作用。其作用原理是使水流經(jīng)過(guò)具有一定攻角的固定鰭后改變?cè)瓉?lái)的方向以增加推力。計(jì)算結(jié)果表明,舵附推力鰭回收尾流場(chǎng)的部分旋轉(zhuǎn)能量產(chǎn)生附加推力,其助推效率可達(dá)3%～4%,是一種較好的推進(jìn)節(jié)能裝置。舵附推力鰭的助推節(jié)能性能的主要影響參數(shù)有以下2個(gè)。(1)佳安裝角圖5所示為不同進(jìn)數(shù)系數(shù)J時(shí)助推鰭助推效率隨著安裝角β的變化曲線。從圖中可以看出存在一最佳安裝角,大約為5°,原因在于鰭的阻力一般包括由有限翼展引起的誘導(dǎo)阻力和跟粘性有關(guān)的摩擦阻力。這2部分阻力各自存在使阻力最小的攻角,助推鰭的安裝角β越大,則其有效攻角亦越大,其升力及阻力在其有效攻角較小時(shí)亦隨之增大,但2者在軸向的合力并非隨之增大,它存在最佳值。(2)推力材料參數(shù)的影響圖6所示為助推效率隨著推力鰭展長(zhǎng)S的變化曲線?？梢钥闯?當(dāng)S/R=0.9左右時(shí),推力鰭的助推效率最高(其中R表示螺旋槳的半徑)。對(duì)于推力鰭來(lái)說(shuō),當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí),展長(zhǎng)S越大,展弦比越大,升力越大,其摩擦阻力亦越大。當(dāng)整個(gè)推力鰭都在尾流場(chǎng)之內(nèi)場(chǎng)時(shí),推力鰭表面的速度值較大,其附加推力亦較大,而當(dāng)推力鰭伸出內(nèi)場(chǎng),則伸出部分鰭表面速度值明顯下降,其附加推力亦明顯下降。所以考慮到螺旋槳尾渦的變形,推力鰭展長(zhǎng)在實(shí)際操作中可以取螺旋槳半徑的95%左右。3.3改變槳葉的方向?yàn)榱烁纳茦八鲗?duì)螺旋槳的不利影響,德國(guó)、日本等相繼研究了槳前導(dǎo)流鰭來(lái)減少舭渦和斜流造成的螺旋槳推力與力矩的脈動(dòng),變化螺旋槳前導(dǎo)流鰭由與水流成一定的攻角的鰭葉組成,通過(guò)改變水流的方向改善船舶伴流或在槳前形成一個(gè)與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反的預(yù)旋流,提高螺旋槳的效率,減小振動(dòng),可提高航速或節(jié)省主機(jī)功率5%左右。4特殊船舶節(jié)能技術(shù)研究4.1扭曲式反應(yīng)波最早提出扭曲舵思想的是J.Tutin,如圖9所示。從20世紀(jì)30年代至今一直有人從事這方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作。其基本思想是充分利用螺旋槳尾流的能量把舵的形狀控制成在未打舵角時(shí)阻力盡可能小,卻能提供足夠大的附加推力,而在打舵角時(shí)又不影響舵效。哈爾濱工程大學(xué)開展了對(duì)稱扭曲式反應(yīng)舵的研究工作,并進(jìn)行了系列的模型實(shí)驗(yàn)和理論研究。708所開展了帶有導(dǎo)流罩推力鰭的扭曲舵研究,在500t沿海貨船上加裝時(shí)得到了滿載航行時(shí)節(jié)能8.9%的實(shí)效。舵在螺旋槳軸中心線上方和下方的來(lái)流方向并不相同,扭曲舵是分別在增大槳軸中心線上、下方舵剖面的入流角從而增大附加推力以節(jié)能。哈爾濱工程大學(xué)開發(fā)研究的2組不同形狀的助推節(jié)能扭曲舵在設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí),一個(gè)使整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的推力系數(shù)有明顯的提高,一個(gè)使螺旋槳的扭矩系數(shù)顯著下降,最終都提高了推進(jìn)效率,其助推力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。4.2微縫板實(shí)驗(yàn)日本海上技術(shù)安全研究所在日本東海運(yùn)輸公司的“太平洋海鷗”號(hào)水泥運(yùn)輸船上進(jìn)行微泡沫船舶節(jié)能新技術(shù)實(shí)驗(yàn)。這是世界上首次在船上做這種實(shí)驗(yàn),這種新技術(shù)是在船首兩側(cè)安裝長(zhǎng)10m的微縫板,通過(guò)噴出的空氣在船底形成一層薄薄的微小氣泡(直徑0.5～1mm),從而使船舶受水摩擦阻力減少12%,節(jié)約燃油8.5%。