（轮机工程专业论文）现有船舶螺旋桨切割节能技术研究.pdf

中文摘要 摘要 当i ，j 能源危机和全球变暖趋势加剧，航运业温室气体排放受到越来越多的关 注，国际上对船舶节能减排技术展开了深入研究。目前船舶节能减排方案基本可 以概括为三个类别，即技术性方案、管理性方案和基于市场的减排措施，其中技 术性方案旨在改善船队的设计效率，管理性方案旨在改善团队的营运效率，而基 于市场的减排措施目的在于通过经济效益杠杆控制船舶c 0 2 排放量。 首先，本文针对现有船舶普遍采取减速航行、降低能耗的现状，对螺旋桨切 割进行了精确计算，螺旋桨等功率切割后，转速增加，敞水效率和航速下降，但 转速增加幅度大于航速降低幅度，即转速增加量对切割量更加敏感，这对提高切 割后船舶的经济性是有利的。计算得出的螺旋桨切割量和转速、效率、航速变化 量之间的关系，为今后螺旋桨切割提供了依据。然后，根据螺旋桨切割后主机运 行状态，利用a v lb o o s t 软件对m a nb & w5 s 6 0 m c 主机建立模型，模拟计算 螺旋桨切割前后主机2 5 ，5 0 ，7 5 和8 5 四个典型负荷下的主要运行参数， 计算结果表明，螺旋桨切割可以提高主机转速，使主机润滑和振动性能得到改善， 油耗率降低，经济性提高。最后，对螺旋桨切割后的主机进行进一步优化，改变 燃烧起始角和持续期，排气阀启闭角和压缩比等参数，对机桨二次匹配工况进行 模拟计算，确定主机最优工况点，并对优化后的计算结果与切割前后主机运行参 数进行对比研究。结果显示，切割并优化后，油耗率、缸内燃烧温度和排烟温度 降低，工作压力升高，功率和扭矩输出能力增加，提高了主机的经济性，动力性 和排放性能。 本文所取得的成果对降低航运业燃油成本和减少船舶温室气体排放具有深远 意义。 关键词：减排；螺旋桨切割；计算；优化 英文摘要 a b s t r a c t t h ee n e r g yc r i s i si sm o r ea n dm o r es e r i o u s ，a n dt h eg l o b ei sw a r m e ra n dw a r m e r s ot h eg r e e n h o u s ee m i s s i o nf r o ms h i p si sg i v e nm o r ec o n c e r l l t h e r ea r et h r e es o r t so f s o l u t i o n sf o re n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n t h et e c h n i c a ls o l u t i o na i m sa t i m p r o v i n gt h ed e s i g ne f f i c i e n c yo ft h es h i p s ，t h em a n a g i n go n ea i m sa ti m p r o v i n gt h e o p e r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ec r e w , a n dt h ee m i s s i o nr e d u c t i o ns o l u t i o n ，w h i c hb a s e do n t h em a r k e t ，i st or e d u c et h ec 0 _ e m i s s i o n b yt h ee c o n o m i cl e v e e b e c a u s eo ft h ee c o n o m i cc r i s i s ，t h a ts h i p ss a i li nl o w e rs p e e dt or e d u c et h ef u e l c o n s u m p t i o ni sc o m m o n a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o n ，a l t e rc u t t i n gt h ee d g eo f p r o p e l l e ru n d e re q u a lp o w e r , t h er e vi si n c r e a s e d ，b u tt h eo p e nw a t e re f f i c i e n c ya n dt h e s p e e db o t ha r ed e c r e a s e d h o w e v e r , t h ei n c r e a s eo ft h er e vi sq u i c k e rt h a nt h ed e c r e a s e o ft h es p e e d i ts h o w st h a tt h ei n c r e a s eo ft h er e vi sm o r es e n s i t i v et ot h ec u to ft h e p r o p e l l e r , w h i c hi sg o o df o ri m p r o v i n gt h ee c o n o m i c a le t t i c i e n c y a n dt h er e l a t i o n s h i p a m o n gp r o p e l l e rc u tc a p a c i t yw i t hr e v , e f f i c i e n c ya n ds a i l i n gs p e e di su s e f u lf o rt h e f u t u r ep r o p e l l e rc u t b a s e do nt h en m n i n gs t a t eo ft h em a i ne n g i n ea f t e rc u t t i n g ，t h e m o d e lo ft h em a n b & w5 s 6 0 m ci se s t a b l i s h e d ，a n dt h em a i nr u n n i n gp a r a m e t e r s u n d e rt h e2 5 ，5 0 ，7 5 a n d8 5 l o a da r ec a l c u l a t e d t h er e s e a r c hi n d i c a t e st h a t c u t t i n gt h ee d g eo fp r o p e l l e rc a ni n c r e a s et h er e v , r e d u c et h eo i lc o n s u m p t i o na n d i m p r o v et h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c y i na d d i t i o n ，t h ec a p a b i l i t yo fl u b r i c a t i o na n d v i b r a t i o na r eb o t hi m p r o v e da f t e rc u t t i n g t h ec o m b u s t i o ns t a r ta n g l e ，t h ed u r a t i o no f t h ec o m b u s t i o n ，t h eo p e na n dc l o s ea n g l eo ft h ed i s c h a r g ev a l v e ，a n dt h ec o m p r e s s i o n r a t i oa l eo p t i m i z e da f t e rc u t t i n gt h ee d g eo f p r o p e l l e ra n dc a l c u l a t e sa g a i nt om a k es u r e t h a tt h em a i ne n g i n er u n su n d e rt h eb e s ts i t u a t i o n a n di t c o m p a r e st h er u n n i n g p a r a m e t e r sa f t e ro p t i m i z a t i o nw i t ht h ep a r a m e t e r sb e f o r ea n da f t e rc u t t i n g ，w h i c hs h o w s t h a to i lc o n s u m p t i o n ，c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea n de x h a u s tg a st e m p e r a t u r ea l ld e c r e a s e ， b u tw o r k i n gp r e s s u r e ，p o w e ra n dt o r q u ea l li n c r e a s e a n dt h eo p t i m i z a t i o na f t e rc u t t i n g c a ni m p r o v et h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c y , p o w e rp e r f o r m a n c ea n de x h a u s tb e h a v i o r t h ea c h i e v e m e n tw h i c hi sa c q u i r e db yt h i sp a p e rh a sp r o f o u n ds i g n i f i c a n c ef o r r e d u c i n gf u e lc o s ta n dg r e e n h o u s ee m i s s i o nf r o ms h i p p i n g k e yw o r d s ：e m i s s i o nr e d u c t i o n ；p r o p e l l e rc u t ；c a l c u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：现查墅魑蠼旋桨切割茧能遂莶婴壅： 。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：乏茎i 兰! 丕寸 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在 年解密后适用本授权书。 不保密副( 请在以上方框内打“) 论文作者签名：名膨、辱寸导师签名：头 日期：2 0 o 年多月2 角 现彳j - 船舶螺旋桨切割节能技术研究 第l 章绪论 1 1 研究背景 气候变化带来的灾难性天气越来越频繁，海平面上升已威胁到马尔代夫岛 亡 生存，两极冰川面积越来越小，一切都在昭示着一个气候变暖的事实。气候变暖 的带来的后果是灾难性的，据统计，上世纪9 0 年代以全球发生的重大气象灾害的 次数是5 0 年代同期的6 倍，许多国家面临更加突出的水资源紧缺矛盾，北美等地 区遭受热浪侵袭，昆虫、食物和水传播的传染性疾病传播范围不断扩大，温度升 高导致两极冰川融化和海平面上升，地球上众多海岸线被海水侵蚀，许多岛屿被 淹没，岛上及沿海居民生活受到威胁，一些小的岛国甚至永沉海底，气候变暖已 经是毫无争议的事实，人类活动是导致气候变暖的主要原因之一。 1 9 8 9 年i p c c 研究发现，人类自身生产活动可能导致全球气温上升。2 0 0 1 年 i p c c 进一步研究证明，半个世纪以来，人类自身活动是全球气温升高的主因。 i p c c 第三次气候报告分析了未来数十年内温室气体排放导致气候变暖的趋势，并 提出了人类减缓这种气候变化可能采取的对策。据专家预测，从2 0 0 0 年到2 1 0 0 年的1 0 0 年时间内，全球平均气温升幅可能达到1 8 - - , 4 0 c ，海平面升高幅度高达 1 8 5 9 c m ，造成这一变化趋势根本原因的9 0 是人类生产活动。从1 7 5 0 年开始， 空气中c 0 5 、c h 4 及n o x 的含量一直以惊人的速度的增加，已经远远超出工业革 命前的水平，c 0 2 的增加主要是化石燃料的大量燃烧所致，而c h 4 和n o x 的增加 主要是由于农业生产活动所致【2 】。尽管人们已经意识到全球气候变暖带来的灾难 性后果，但航运业温室气体减排却难以达成共识，不能制定根本有效地减排措施。 2 0 0 9 年1 2 月1 9 日哥本哈根联合国气候变化大会上，与会的1 1 9 个国家领导 人和联合国及其专门机构和组织的负责人经过艰苦磋商，最终以联合国气候变 化框架公约和京都议定书缔约方大会形式( c o p ) 通过了相关文件成果， 决定延续“巴厘路线图的谈判进程，授权联合国气候变化框架公约和京 都议定书两个工作组继续进行谈判，并力争2 0 1 0 年底完成工作，会上发表的“哥 本哈根协议 是国际社会应对气候变化迈出的具有重大意义的一步，遗憾的是该 协议不具备法律效力。 目前争议的焦点是“共同但有区别责任原则 和“非优惠待遇原则 ，发达国 第1 章绪论 家主张共同承担责任，发展中国家则认为发达国家发展历程中排放了更多的c 0 2 ， 应该承担更多责任，为发展中国家减排提供技术和资金支持。 1 2 研究的必要性和意义 i m o 已经意识到船舶c 0 2 减排的紧迫性，并着手展开行动，其下属的m e p c 会议上已经将船舶温室气体减排提上日程，见表1 1 。 表1 1m e p c 会议关于c 0 2 减排内容 t a b 1 1m e p cc o n v e n t i o na b o u tt h ec o n t e n to fc 0 2e m i s s i o n 2 现有船舶螺旋桨切割：符能技术研究 经济的发腰带动航运业空前繁荣，目前世界贸易量的8 5 9 0 通过海洋运输 来实现1 6 1 。2 0 0 1 年底，全球国际海运货运量为5 2 亿载重吨，2 0 0 6 年底达到8 9 亿 载重吨，海运业发展速度空前，但海洋运输产生的温室气体排放也同益引起人们 关注。根据i m o 调查报告，2 0 0 7 年底全球水运船舶c 0 2 排放量是1 0 4 6 1 1 2 0 亿 吨，占全球c 0 2 排放量的3 3 4 5 ，其中国际航行船舶排放量约为8 7 0 亿吨， 约占全球排放总量的2 7 ，显示了全球远洋运输和海贸关系的快速成长与航运业 c 0 2 排放增加星之间的关系。如果对海洋运输的c 0 2 排放不加以控制，按照这个 速度发展，2 0 2 0 年水运船舶c 0 2 排放量将占总排放量的3 0 ，达到1 4 7 5 亿吨。 作为单位货运周转量成本最低廉的海运业，燃油单耗水平和运输成本是最低 的，如果因为减排限制航运的发展，造成大量货物采用其它运输方式运输，不仅 会增加运输的成本，还会造成单位货物周转量的燃油单耗水平和c 0 2 排放水平大 幅上升，虽然海运业温室气体排放得到了控制，但其它运输方式却排放了更多的 c 0 2 ，这样的结果得不偿失。 在当前能源危机加剧，环境压力越来越大的背景下，为了降低燃油成本和减 少温室气体排放，航运业已经开始积极寻找有效的节能减排措施，以降低燃油成 本和温室气体排放量，这些措施包括技术性、操作性和基于市场的减排措施。i m o 也已经采取实际行动来控制船舶温室气体的排放，但是，这些温室气体排放规则 和减排措施的实施仍然面临巨大挑战，一方面要保证航运公司经济效益，另一方 面又要满足排放要求。因此，寻找一种既能保证航运业经济利益，又能降低温室 气体排放水平的减排措施迫在眉睫。 1 3 本文的主要工作 本文对船舶c 0 2 排放控制展开研究，当前船舶普遍采用减速航行来降低燃油 成本，船舶降低燃油消耗与c 0 2 减排异曲同工，只要保证柴油机在较低转速和功 率下运行，使其螺旋桨处于较高的工作效率，这样就会降低单位货物周转量的燃 油消耗水平，即降低燃油单耗，这样，单位货物周转量燃油消耗水平的降低，就 相当于单位货物周转量c 0 2 排放水平的降低。较低的转速和较高的螺旋桨效率要 以保证柴油机工作性能为前提。 但是主机转速的降低不可避免地引起船舶柴油机工况的恶化，润滑不良，振 第1 章绪论 动加剧；活攀往复运动速度降低，不利于缸内扰动气流流动，影响燃油雾化：高 压油泵柱塞刚运动速度降低而泄漏量增加，效率降低，也会导致缸内燃油雾化不 良；减速航行弓l 起的排烟温度降低造成增压器转速下降，效率降低，扫气供应不 足；燃气混合不均和扫气不足造成的缸内工作压力和温度降低，以上这些情况都 会造成主机工作状况恶化，甚至影响主机寿命。 现有营运船舶，随着航行时间的增加，主机性能不可避免出现下降，推进特 性曲线变缓，通过对现有船舶螺旋桨进行切割及主机优化后，使机桨处于新的配 合点。切割后的螺旋桨特性曲线变缓，二次配合后，同功率下柴油机的转速增加， 以减轻或避免转速降低造成的润滑恶化，振动加剧等一系列问题。然后再对缸内 燃烧、进排气定时和压缩比等进行优化，使主机工作于良好状态，降低燃油单耗 率，节约燃油成本，减少温室气体排放。 4 现有船舶螺旋桨切割+ t ij f 】l - 匕p 技术研究 第2 章船舶温室气体排放与控制 2 1 船舶温室气体排放现状与危害 海运业温室气体的排放与海上运输活动的增加分不开，海上活动量受到世界 经济的影响，随世界经济的增长而增长，根据u n c t a d l 7 l 有关文件统计显示，大 约8 0 的世界贸易是通过海上运输进行的，海上运输与经济发展的密切关系可见 一斑。2 0 0 7 年i s l 统计年鉴公布了1 9 8 6 - - 2 0 0 7 年之间部分货物海上运输贸易量的 年均增长率和世界g d p 的年均增长率【引，见图1 1 。 原油石油产品煤炭钢铁谷物其他所有货物世界g d p 图1 1 海上运输量和世界g d p 增长示意图 f i g 1 - lt h ed i a g r a mo fg r o w t hb e t w e e nm a r i n et r a f f i ca n dw o r l dg d p 图1 1 中显示世界海上运输活动量年均增长4 1 ；煤炭和其它货物增长率最 高，分别为4 5 和4 8 ；谷物的年均增长率最低，约为2 3 ；世界g d p 的年均 增长率为3 4 。 联合国研究认为，目前航运业的c 0 2 排放量几乎是以前估计的近3 倍，根据 估测，全球航运业每年排放约l o 4 乱1 1 2 0 亿吨c 0 2 ，占全球c 0 2 排放量的 3 5 - 4 5 ；2 0 0 7 年国际航运业排放的c 0 2 约为8 7 0 亿吨，占全球排放总量的 2 7 。而国际海事组织先前估计航运业排放总量为4 亿吨，远远低估了航运业对 气候污染影响的严重程度，所以航运业没有引起注意，一直被排除在关于气候变 化的讨论之外。i m o 估计，如果航运业不采用新的节能技术，到2 0 2 0 年能耗排 放的c 0 2 将飙升3 8 7 2 左右，达到排放总量的3 0 左右。 6 5 4 3 2 ， o 孚v捌臀蜒q赡 第2 章船舶温室气体排放与控制 o u 冒 r 1 m 1 8 6 01 8 8 01 9 0 01 9 2 01 9 4 01 9 6 01 9 8 02 0 0 02 0 2 0 图1 2c 0 2 排放趋势 f i g 1 2t h et r e n d so fc 0 2e m i s s i o n 图1 2 中对1 8 7 0 - - - 1 9 2 5 年之间的排放量的估计是根据o e c d ( 2 0 0 8 ) 得出的； 1 9 2 5 1 9 8 5 年的c 0 2 排放时间序列是恩勒森等评估出来的，研究发现2 0 0 7 年的 c 0 2 排放量的估计值是1 0 5 0 t g 年：1 9 8 6 - - 2 0 0 7 年，使用“吨英里时间 的改进来 计算，这一研究是以2 0 0 7 年的研究为基准年的。其中1 8 7 0 - - 1 9 2 5 年之间航运业 c 0 2 排放增加较平稳；1 9 2 5 1 9 8 5 年之间由于燃油价格波动和经济起伏的影响， 航运业c 0 2 排放量也呈现一定程度的波动；1 9 8 6 年之后，世界经济高速发展，贸 易量大幅增加，世界海上运输活动量也大大增加，航运业c 0 2 排放量也迅速增加。 由于船舶排放的6 种温室气体中( c 0 2 ，c h 4 ，n 2 0 ，i - i f c s ，p f c s ，s f 6 ) c 0 2 的量是最大的，所以国际社会更多关注c 0 2 的排放对全球变暖的影响。 2 2 船舶节能减排方案实施 随着燃油价格的飞涨和海运业减排压力的增加，国际上对船舶节能减排技术 展开了广泛深入的研究。目前船舶节能减排方案基本可以概括为三个类别，即技 术性方案、管理性方案和基于市场的减排方案，其中技术性方案旨在改善船队的 设计效率，管理性方案旨在改善团队的营运效率，而基于市场的减排措施目的在 于通过经济效益杠杆控制船舶c 0 2 排放量。 2 2 1 技术性方案 1 、新造船舶船体设计和螺旋桨选型 6 嗍 舢 啪 啪 枷 抛 。 现有雠槲l 螺旋桨切割1 i 能技术研究 船体设计 新造船舶，主要集中于减少阻力和提高推进效率，这种优化带有定的风险 性，为了降低风险，减少工作量，目前船体与螺旋桨的优化一般分开来进行。船 体优化时，天气和波浪等外界因素很难考虑在内，因此最佳设计点应尽可能与船 舶的营运相关联。 为了估算优化潜能，第一次温室气体研究报告【9 】分析了m r r n t e k s 数据库 提供的船体优化测试模型，分析显示，静水中优化船体可以节能5 2 0 。实际 优化设计中还要考虑到波浪的作用，对于不同的船舶，波浪的作用也各不相同【1 0 1 。 螺旋桨选型【t l 】 设计选用一种与船型适合的螺旋桨，可以大大提高推进效率，还可以减少噪 音和振动，节省主机功率。 1 ) k a p p e l 螺旋桨 k a p p e l 螺旋桨是受w h i t e c o m b 机翼末端垂直小翼启发设计的，该螺旋桨桨叶 0 8 7 5 r 以上的梢部向前弯曲呈圆弧形状，比常规螺旋桨敞水效率高3 ，节省主 机功率5 。 2 ) 大侧斜螺旋桨 大侧斜螺旋桨可以大幅降低激振力，改善推进效率，可以允许螺旋桨和船体 之间的空隙减小，从而增加螺旋桨的直径，其效率可以提高3 5 ，节能约1 0 。 3 ) 同轴对转螺旋桨 同轴对转螺旋桨是一种优良的转动能回收装置，尽管轴系更加复杂，通过回 收转动能装置获得的功就与机械损失抵消的越多，但据研究证明，同轴对转螺旋 桨功耗可以提高6 0 旷2 0 ，收益提高约3 6 。 4 ) 自由旋转叶轮 自由旋转叶轮安装在主螺旋桨后部，叶轮直径比主螺旋桨直径大，可以节省 大约1 0 的功耗，对货船来说，叶轮还有很大的改善潜能。 5 ) 导管螺旋桨 相同直径和推力的螺旋桨可以承受比传统螺旋桨更大质量的水流，改善了螺 旋桨的工作状态和效率，功耗可以降低5 0 o - - 2 0 。 2 、现有船舶船体与螺旋桨的维护保养 7 第2 蕈船舶温室气体排放与控制 保持船体和螺旋桨的洁净可以提高燃料效率，通过对船舶船体和螺旋桨的清 理和修复是现有船舶节能的重要举措之一。 船体表面抛光，喷漆和减小摩擦力是决定船体阻力的重要部分，可以减少5 的能量需求，对于具有大型上部构造的船舶和高速行驶的船舶，通过改造上部建 筑的形状，采用流线型上部构造，可以减少2 0 0 - 5 的功耗。 螺旋桨通过表面抛光和喷涂可以节约3 以上的燃油消耗；通过改变螺旋桨 直径可以节约燃油消耗5 * o 1 0 。 2 2 2 管理性方案 船队大型化 大型船舶效率较高，因此大型化船队的建设可以减少能量的消耗，但前提是 保证船舶的满载率，保证自由进出港口的小船满载航行。 船队减速 降低船舶航速可以节约燃油消耗，提高效率。虽然同等运力下，减速后营运 船舶数量相应增加，但研究表明，在当前高油价和减排双重压力下，减速航行利 大于弊。如果合理规划整个物流系统，则减排潜能会更大。 航线优化 航线优化( 气象定线) 包括根据天气和流场选择最佳航线，合理压载，优化 营运状态，从而最小化能量消耗。2 0 0 0 年的一项研究显示航线优化节能潜力为 1 址5 【1 2 1 ，最近日本基于国内船队数据计算得出的节能潜力约为1 【1 3 】。 激励机制 合适的激励机制可以刺激减排的积极性，其对象不仅仅包括船员，航运公司 人员，还包括港口工人及其他管理部门，在整个系统内实施节能潜力会更大。 能源管理 船舶辅助动力优化管理可以节能1 0 左右，对应环境的不同，这相当于总燃 料消耗的1 0 o , - - 2 。及时对主机进行维护，确保主机能保持最佳状态工作也可以节 约燃料消耗量的1 o o - , 2 。 2 2 3 基于市场的减排方案 i m o 关于以市场为基础的手段的讨论，侧重于解决海上c 0 2 排放量的基于市 8 现有船舶螺旋桨切割节能技术研究 场的减排手段，而小是解决效率指数。海上排放交易机制( m e t s ) 和建立在征 收全球海洋运输燃料税基础上的国际船舶温室气体排放赔偿基会( i c f ) 是两个 最受关注的以市场为基础的减排手段，此外，船舶环境指数体系和自愿协议框架 等也是基于市场经济原理的有效减排措施。 m e t s 海上排放交易机制( m e t s ) 根据公式计算确定不同类型船舶的c 0 2 排放量， 超出部分需要购买，或缴纳部分费用作为减排基金，或向出售配额的船舶或航运 公司购买。该机制执行阻力较大，各国政府或企业出于自身利益考虑，很难达成 共识，且缺乏有效保障。 i c f 国际船舶温室气体排放赔偿基金( i c f ) 是建立在全球船舶燃料税收基础上 的减排措施，国际航行船舶将受到燃料税的支配，燃料税由每吨燃料的成本水平 确定，征收时要考虑不同燃料和船舶的排放因素。考虑到船舶的排放水平与船型、 船龄和船况有直接关系，船舶的维护保养水平难以量化，税收比例很难确定。 v a ( v o l u n t a r ya g r e e m e n t ) 自愿协议( v 八) 旨在通过积极的引导政策来激励政府和企业等部门节能减排 的积极性，以经济利益为驱动力，而不是通过法律政策等强制手段。荷兰的“能 效长期协议”是自愿协议实施成功的案例。 环境指数体系 按照环境质量理论建立着重于c 0 2 排放的船舶环境指数体系，结合船舶类型 和船况，确定不同的指数，把该环境指数作为征收船舶c 0 2 排放税费的依据，其 难点在于如何在全球范围内实施。 2 3 减排法规及政策实施和能源替代技术展望 2 3 1 实施现状 联合国气候变化框架公约( u 盯c c c ) 第一次确定了温室气体减排目标， 即将大气中的温室气体浓度维持在不危害气候的人为干扰水平上，这一水平下， 气候的变化不会影响生态系统平衡，人类农业生产活动也不会受到太大影响，经 济可以得到持续发展。同时公约还提出了“共同但有区别 等五项基本原则。 9 第2 章船舶温室气体排放与控制 由于联合幽气候变化框架公约并未明确确定温室气体排放水平和具体的减排 措施，且牵涉到缔约国的能源结构问题，具有重大的政治、经济意义，所以公 约并未得到有效执行。公约历次缔约大会( c o p ) 关于温室气体减排的主要 内容见表2 1 1 引。 表2 1 缔约大会关于c 0 2 减排内容 t a b 2 1c o pa b o u ta b o u tt h ec o n t e n to fc 0 2e m i s s i o n 时间会议内容 1 9 9 5 第一次缔约方大会 通过了柏林授权，并成立特别小组， 开展 ：公约的后续谈判j 【作，同时为议 柏林 ( c o p l ) 定书的诞生做好了准备 就“柏林授权”所涉及的“议定书”起草 1 9 9 6 第二次缔约方大会问题进行讨论，通过涉及发展中国家准备开 日内瓦( c o p 2 ) 始信息通报、技术转让、共同执行活动等 决定 制定国际上第一部限制温室气体排放的法 1 9 9 7 第三次缔约方大会规京都议定书，国际社会已经意识 东京( c o p 3 ) 到用法律的手段来限制温室气体排放，这 是温室气体减排历史上迈出的重要一步 1 9 9 8 第四次缔约方大会 通过了布宜诺斯艾利斯行动计划，并计 划于2 0 0 0 年举行的第六次缔约方大会上完 布宜诺斯艾利斯( c o p 4 ) 成，为议定书的生效做好准备 通过了公约附件一所列缔约方国家信 1 9 9 9 第五次缔约方大会 息通报编制指南、温室气体清单技术审查 指南、全球气候观测系统报告编写指南， 波恩( c o p 5 ) 并就技术开发与转让、发展中国家及经济 转型期国家的能力建设问题进行协商 2 0 0 1 第六次缔约方大会美国宣布退出京都议定书，会议达成的 波恩 ( c o p 6 )波恩政治协议 2 0 0 2 第八次缔约方大会通过德里宣言，其核心仍是可持续发展 新德里 ( c o p 8 ) 与温室气体排放控制问题 。 2 0 0 7 第1 3 次缔约方大会通过的“巴厘岛路线图”针对美国退 巴坦岛 ( c o p l 3 )出京都议定书后各国达成的折中方案 通过有关文件成果，决定延续“巴厘路线 2 0 0 9 第1 5 次缔约方大会图”谈判进程，会上发表的“哥本哈根协 哥本哈根( c o p l 5 ) 议”是国际社会应对气候变化迈出的具有 重大意义的一步，但不具备法律效力 2 3 2 能源替代技术 船舶排放c 0 2 的量很大程度上取决于燃料类型，某些燃料可能相比其它燃料 来说每单位能量里含有更多的碳，因此，每单位功就会产生更多的c 0 2 排放，船 1 0 现有船舶螺旋桨切荆节能 之术研究 舶如果燃用低碳燃料将会大大降低c 0 2 的排放量。 l n g l l 5 】 l n g 与船用柴油相比，碳氢比要低很多，燃烧释放的c 0 2 ，n o x ，s o x 和p m 的量也很低，因此，c 0 2 的排放量可以大幅减少，但c h 4 排放增加量将净效益降 低到c 0 2 排放减少量的1 5 t 1 6 】。由于l n g 价格相比于馏分燃料低得多，考虑到 l n g 的成本优势和n o x 的排放优势，应用前景仍然光明。 生物燃料【1 7 】 生物柴油可以替代馏出燃料，植物油可以替代残油和渣油，可再生生物燃料 的使用将会大大减少航运业化石燃料的消耗量。 风帆助航技术 国外对于风帆助航的研究起步较早，德国在2 0 世纪6 0 年代就开始着手研究 万吨级大型风帆助航运输船。曾经在3 1 0 0 t “大西洋 号货船上安装1 2 0 m 2 的独 桅三角巾凡【1 8 l ，6 8 级风速时可以提高航速1 5 k n ，使1 2 0 0 k t v 的柴油机每昼夜节约 燃油1 0 0 0 l ，节油约2 0 。 太阳能电池 太阳能电池技术还不足以提供船舶正常航行下的推进动力，一般作为船舶的 辅助能源使用，可以实现辅助动力装置1 0 0 o , - - 3 0 的温室气体减排。 岸电 受船舶空间等特殊条件限制，船舶发电柴油机效率和热量利用率低，陆上发 电厂则不存在这样的问题，研究表明，船舶到港后接岸电，可以减少约6 6 的c 0 2 排放量【1 9 1 。如果核能等清洁能源发电技术大规模应用以后，减排效果将更明显。 波浪能 船舶航行中可以利用波浪能作为推进功率的一部分，但是这项技术较为复杂， 成本高昂，可靠性较低，且效果有限。 2 4 本章小结 本章综合分析了目前船舶节能减排的具体措施，减排潜力和政策实施情况， 当前能源危机加剧，环境压力增大，节能减排迫在眉睫，针对这种现状，本文接 下来将对螺旋桨切割节能减排技术展开深入研究。 第3 章螺旋浆切割量计算 第3 章螺旋桨切割量计算 3 1 螺旋桨切割技术原理与应用 现有船舶船减速航行时，机桨匹配不当是一个需要考虑的实际问题，船舶设 计建造时，考虑的是理想情况下的匹配情况，假设船体光洁、主机处于最佳运行 状态和螺旋桨处于理想工作条件下进行快速性设计，然后主机留有一定的功率储 备。如果功率储备过大，就会造成不必要的浪费，但如果功率储备不足，船舶实 际使用过程中，各方面条件都发生变化，船体污底、腐蚀，阻力增加，主机工作 状况恶化，螺旋桨穴蚀、表面粗糙度增加，这些都会引起主机负荷过重，转速增 加困难，即机桨处于重载配合工况。 当前油价飞涨、节能减排压力越来越大，为了降低营运成本、增加效益、减 少排放，绝大多数航运公司普遍采用减速航行的方法来降低油耗。减速航行时主 机因负荷降低而偏离设计工况运转，润滑不良，振动加剧；活塞往复运动速度降 低，不利于缸内扰动气流流动，影响燃油雾化；高压油泵柱塞泄漏量增加，效率 降低，也会导致缸内燃油雾化不良；减速航行引起的排烟压力和温度降低，造成 增压器转速下降，效率降低，扫气供应不足；雾化不良和扫气不足造成燃烧压力 和燃烧温度降低，以上这些情况都会造成主机工作状况恶化，影响主机寿命。 营运中船舶除了进坞清理船体，除锈去污以减小航行阻力之外，还可以改造 螺旋桨，包括重新设计制造一个适合的新螺旋桨和修改旧桨【2 0 】。重新加工制造合 适的新螺旋桨不仅造价很高，而且工艺复杂，耗时多，同时带来极大地能源和物 质浪费，相比较而言，改造旧桨更为方便和实际。其实现有老旧船舶即使进坞修 理，由于船体的腐蚀、变形，螺旋桨的穴蚀、污染等，主机及辅助设备的老化， 很难恢复船舶原有性能，船机桨也很难达到原有的配合工况。 通过螺旋桨修正，在原来降功率或重载情况下运行的现有船舶适当提高主机 的转速，使船机桨重新匹配，在新的平衡点稳定运行，此时主机负荷较低，转速 较高，即降功率而不降速，这样可以避免主机减速航行带来的一系列问题。 螺旋桨切割就是通过修正、切割螺旋桨边缘来改变螺旋桨物理参数和推进性 能，使船一机一桨匹配更加合理的技术，即螺旋桨修边技术。根据螺旋桨切割部 位的不同，主要可以分为导边切割、直径切割、随边切割以及直径与随边切割相 1 2 现有掰 舶螺旋桨切割1 ，能技术研究 结合等方法，导边切割很少使， j ，通常使用后三种方法【2 1 1 。螺旋桨切割工艺筒币， 工作量相对较小，不；嚣要拆下螺旋桨就可以进行，随着技术的发展，甚至町以水 下切割，缩短了船舶维修时间，节省了维修费用。 3 2 螺旋桨直径切割 3 2 1 直径切割技术应用 螺旋桨直径切割是用来调整主机负荷，提高机桨转速，改善配合工况的方法 之一，切割位置见图3 1 。但是切割量会改变螺旋桨原有的几何参数，对其敞水效 率、航速及各自航参数等都会产生一定的影响。 旋转方向 i i 图3 1 直径切割示意图 f i g 3 1t h ed i a g r a mo f p r o p e l l o rd i a m e t e rc u t 推进效率是螺旋桨最重要的性能参数之一，新船螺旋桨的推进效率无疑是最 高的，当叶梢切割后其推进效率必然会受到影响。叶梢切割量越大，螺旋桨的盘 面比降低量也越大，转速提高越多，推进效率降低越大。实际应用中，叶梢切割 量很小时，螺旋桨盘面比彳彦4 降低也很小，即微量切削螺旋桨叶梢时，可以忽 略由此带来的推进效率的降低1 2 2 1 。 直径切割还会影响螺旋桨的空泡特性，螺旋桨桨叶面积的变化对螺旋桨的效 率的影响十分敏感，螺旋桨设计过程中尽可能选用较小的桨叶面积。对螺旋桨叶 梢的微量切削，也很有可能就会引起桨叶的空泡腐蚀现象。切削后，要使螺旋桨 保持原来的转速，在正常航行条件下，伴流就会增加，导致桨叶驻点向桨叶表面 第3 章螺旋桨切割量计算 移动，增强了叶背面的空泡发展。对设计良好的桨叶背面空泡腐蚀的发展影响不 大，在转速提高很小的情况下，使螺旋桨空泡特性仍有可能保持在无空泡腐蚀损 害区内。 螺旋桨直径切割还会引起其他性能变化，切割后，盘面比降低，螺距比增加， 这将会使桨的滑失比增加，推进效率降低，轴向推力减小，激发梢涡流。此外， 直径切割还会影响螺旋桨的惯量，引起异常震动等。因此在切割螺旋桨直径时应 进行合理计算，尽量避免或减小引发的问题。 通常螺旋桨直径每减少5 ，惯量约降低7 ，而不规则的切削将会导致惯性 危害，因此在修正螺旋桨直径时必须要考虑切割量和切割位置，一般在螺旋桨直 径切割量低于5 6 1 2 3 】时，不会引起其他问题。 同时，螺旋桨直径切割技术可以对损坏的螺旋桨进行全面整修，使其恢复正 常功能，甚至改善其性能，延长使用寿命。对于老旧船舶，提高螺旋桨转速一般 更是在船机桨匹配失衡、效率降低、油耗增加的情况下进行的，此时螺旋桨桨叶 边型也需要进行修整，以利于提高转速，使修整后的螺旋桨与船舶及其主机的匹 配达到最佳。 3 2 2 直径切割量计算 螺旋桨直径切割后，螺距不变，但螺距比增加，盘面比减小，扭矩显著减小， 在同一功率下，其敝水效率降低、转速增加，航速降低但幅度很小。下面是船舶 螺旋桨在主机功率不变的情况下，进行直径切割后的敞水效率、转速和航速变化 量的计算公式及变化趋势曲线： 1 、螺旋桨直径切割量与敞水效率变化量关系： 前面的分析已经明确，为了保证螺旋桨切割不致造成惯性危害，直径切割量 a o d 仅取2 ，4 0 0 ，6 - - - 组值，螺旋桨直径切割量a o d ( ) 与效率下降量 x , 7 0 , 7 。( ) 及进速系数j 之间的变化趋势见图3 2 。 1 4 现有船舶螺旋桨切割：肖能技术研究 2 34 56 直径切割量( ) 图3 2 直径切割对效率的影响 f i g 3 2t h ee f f e c t so f d i a m e t e rc u to np r o p e l l o re 伍c i e n c y 图3 2 中变化趋势表明敞水效率下降量肋。与直径切割量叫d 及进速系 数j 之间满足关系式： 等= 矗等+ j + c l ( 3 1 ) ，= 志 2 ) 式中：，进速系数；与直径相关的比例系数：与进速、 转速和直径相关的比例系数；g 常数。 对数据进行多元回归，得：尼= o 8 4 1 ；= 一0 0 2 7 ；c i = o 0 1 1 。即： a r o ：o 8 4 1 竺一o 0 2 7 j + o 0 1 1( 3 3 ) r o d 实际计算时，通过查阅具体型号螺旋桨的水动力特性曲线，可以确定螺旋桨 某一进速系数j - 或i j l ：l 权计算最佳进速系数j 时的敞水效率，代入公式( 3 3 ) 进 行计算，就可以获得螺旋桨直径切割后不同进速系数下的敞水效率变化量a r o 。 当航速、转速固定不变，直径切割量a d 为0 时，敞水效率的变化量a q o 也为 0 ，即上述曲线通过坐标系原点。所以进一步简化回归得： 第3 章螺旋桨切害0 苗计算 = o 8 4 1 仇等+ o 。6 7 ( 3 4 ) 一般1 o = 0 4 o 6 ，所以0 0 0 6 7 r o 是一个非常小的值，因此可以进一步简化为： 吼_ o 8 4 1 7 7 0 等 ( 3 5 ) 利公式( 3 5 ) 可以进行快速估算，在要求不严格或应急情况下可以快速估算 螺旋桨的直径切割量与效率改变量，如果需要精确计算时，则按式( 3 3 ) 进行， 本文计算结果与杨宗佑 2 4 1 给出的结果一致。 0 4 8 嘶0 4 6 遨 l _ 甜0 4 4 较 * 疑o 4 2 0 4 012345 6789 直径切割量( ) 图3 3 直径切割与效率下降估算示意图 f i g 3 3t h ec a p a c i t yo fd i a m e t e rc u ta n de f f i c i e n c yd r o pe s t i m a t i n gc h a r t 从图3 3 中可以看出，直径切割量a d d ( ) 5 时，螺旋桨敞水效率变化量很 小，假设a d d ( ) = 5 ，刁减小量约为0 0 2 ，前面分析提到，为了避免发生惯性 危害，螺旋桨直径切割量一般不超过5 ，即a t 0 0 2 ，所以螺旋桨直径切割对 船舶航速的影响很小。 2 、螺旋桨直径切割量与航速变化量关系 直径切割对船舶航速变化的影响不敏感，当直径切割1 0 时，航速仅下降 o 6 ，即以v = 1 6k n 航行的船舶螺旋桨直径