船舶設(shè)計中節(jié)能技術(shù)應(yīng)用研究

李 勇

摘要:隨著船舶燃油價格的上漲,船舶節(jié)能技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注,本文旨在介紹國內(nèi)外船舶推進與節(jié)能方面的研究與進展。其中包括優(yōu)秀船型的研究、開發(fā)附加流體水動力節(jié)能裝置、新型高效推進器以及一些特殊船舶節(jié)能技術(shù)的研究。

關(guān)鍵詞:船舶節(jié)能;節(jié)能船型;附加節(jié)能裝置;高效推進器

隨著國際油價的快速上漲,船舶燃油費用日益增加,船舶節(jié)能技術(shù)已成為航運業(yè)研究的熱點之一。我國能源形式嚴(yán)峻,節(jié)能已經(jīng)成為國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要任務(wù)。船舶是高能耗的運輸工具,研究和應(yīng)用節(jié)能技術(shù)降低船舶能耗,不僅可以為航運企業(yè)節(jié)省燃油費用,還可以減少船舶造成的環(huán)境污染,獲得經(jīng)濟和環(huán)保雙重效益。

1節(jié)能型船型的設(shè)計

各國致力于節(jié)能船型的研究收到了明顯的效果。出現(xiàn)了不對稱船尾、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]。

1.1非對稱尾船型

世界上第1艘采用非對稱船尾的實船是1982年在德國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。目前,共有60多艘非對稱尾船型在世界各地運營。我國708研究所對非對稱船尾線型技術(shù)進行了研究。證明采用非對稱尾技術(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。[2]

1.2雙尾鰭船型

1976年法國在大西洋船廠建造了1艘55萬t油輪“巴梯勒斯”號就采用了雙尾鰭船型。80年代,日本造船研究中心對某滾裝船及散貨船進行單槳,雙尾鰭,三尾鰭方案進行船模試驗研究,結(jié)果表明滾裝船的雙尾鰭型主機功率比常規(guī)雙槳船、散貨船的分別降低20%和5%。[2]

2新型柴油機的應(yīng)用

2.1低速柴油機

Wartsila Sulzer新機型的開發(fā)重點放在兩個方面:一是加緊開發(fā)智能化發(fā)動機,推出5個智能化機型,二是大力開發(fā)適用于集裝箱船的新機型,新的機型具有沖程較短、轉(zhuǎn)速較高、機器高度較低等特點,使船機槳三者達到最合理的匹配。近年來建造的大中型集裝箱船大多采用Sulzer低速機。

2.2中速柴油機

近年來在中速機獨占鰲頭Wartsila公司一直在研發(fā)兒項新技術(shù)以進一步降低油耗,減少NO、排放。向氣缸內(nèi)直接噴水可使Wartsila 46機的NO、降至10g/kWh以下,并可減少冷卻水消耗,此措施還可用于老機器的改造。Wartsila還在研究向氣缸內(nèi)噴射蒸汽,使NO、降至3g/kWh,熱效率提高3%-5%。Wartsila中速機的熱效率已達50%,新推出的W46和W64柴油機的燃油消耗率僅為172g/kWh,已達到低速柴油機的水平

3節(jié)能高效推進器的研究

近年來西歐國家的科研人員開發(fā)出幾款新型螺旋槳。新型螺旋槳推進效率高,在保持船舶航速不變的前提下,可節(jié)約主機功率少則3%-4%,多則8%-10%。其次,新型螺旋槳可明顯減少激振力,從而可明顯消減船尾振動,因而延長了船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備的使用壽命。較典型的有:

3.1Kappel螺旋槳

丹麥D/S Norden航運公司在其新建的六艘35000dwt成品油/化學(xué)品船中的一艘船中安裝Keppel螺旋槳。2002年完成了Keppel槳和常規(guī)槳的實船對比試驗,航速為15kn時,采用Keppel槳可節(jié)省主機功率達4.01%,229kW,營運一年可節(jié)省燃油170-250t,約合2.5-4萬美元。

3.2正反轉(zhuǎn)螺旋槳

眾所周知,采用正反轉(zhuǎn)螺旋槳作為推進裝置是一項行之有效的節(jié)能措施,安裝在后面的螺旋槳旋轉(zhuǎn)反向與前面一臺螺旋槳相反,因而可有效地將前面一臺螺旋槳尾流中的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)化為推力。

實船性能對比試驗在分別裝有正反轉(zhuǎn)螺旋槳的Cosmo Delphinus和裝有常規(guī)調(diào)距槳的姊妹船之問進行。試驗結(jié)果表明:軸功率比常規(guī)船低15%,尾流平穩(wěn),航向穩(wěn)定性好,船的操舵響應(yīng)能力甚好,噪音與振動低。

3節(jié)能附件的應(yīng)用

各種水動力節(jié)能附加裝置具有:改善螺旋槳進流,減少船尾的水流分離現(xiàn)象,使槳前流預(yù)旋,產(chǎn)生附加推力等作用。這些裝置中取得較顯著節(jié)能效果的有:舵附推力鰭、Lips高效舵、NCF、Grim自由旋轉(zhuǎn)葉輪等。

3.1槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪

模型和實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11%。

3.2舵附推力鰭

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。其作用原理是使水流經(jīng)過具有一定攻角的固定鰭后改變原來的方向以增加推力。計算結(jié)果表明,舵附推力鰭回收尾流場的部分旋轉(zhuǎn)能量產(chǎn)生附加推力,其助推效率可達3%~4%[3],是一種較好的推進節(jié)能裝置。

3.3 Lips高效舵

Lips高效舵,也可稱為槳舵一體化裝置(Prop andFin Combination),在舵葉中間部位,沿螺旋槳軸軸線延伸方向,焊有一只呈流線型紡錘體狀的舵球。模型試驗證實,與常規(guī)舵相比較,裝用高效舵后推進功率和燃油消耗可節(jié)省5%-6% ,螺旋槳激振力降低40%,螺旋槳誘導(dǎo)噪聲級降低5dB(A)。

3.4日本Namura船廠開發(fā)的NCF

2001年9月,日本Namura船廠公布了其開發(fā)的一項節(jié)能技術(shù)NCF(Namura flow control fin),Namura流體控制翼,可收到2%-5%的節(jié)能效益,已用于該船廠生產(chǎn)的五個標(biāo)準(zhǔn)船型。2001年5月,Namura對一艘裝有NCF的巴拿馬型貨船進行船上實船試驗,證實了船模試驗結(jié)果,節(jié)能效益達5%。

3.5前置導(dǎo)管和Costa整流舵組合式節(jié)能裝置

這是目前新造商船采用最為廣泛的一款節(jié)能裝置,近年來國內(nèi)船廠為海內(nèi)外船東建造的商船大多采用此節(jié)能

裝置,通常可收到4%-8%的節(jié)能效果。

4結(jié)語

本文介紹的節(jié)能技術(shù)包括船型研究、節(jié)能高效推進器的研究、水動力節(jié)能附加裝置研究與應(yīng)用。限于篇幅,本文只對其中某幾種船舶節(jié)能裝置進行了詳細介紹。隨著科學(xué)的發(fā)展以及理論的研究,可以預(yù)見將會有越來越多新型種類的船舶節(jié)能技術(shù)將應(yīng)用到船舶的節(jié)能技術(shù)中。

參考文獻:

[1]曹并桐.近幾年來船舶節(jié)能技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用[J].交通部上海船舶運輸科學(xué)研究所學(xué)報,2003,12(2):101-113.

[2]黃勝.船舶推進節(jié)能技術(shù)與特種推進器[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1998.

[3]郭春雨,黃勝.非線性渦格法預(yù)報槳后舵附推力鰭水動力性能[J].華中科技大學(xué)學(xué)報,2006,(6):87-89.