船舶推进与节能技术的研究与进展

船舶推进与节能技术的研究与进展

0我国能源形势展望近年来，随着国际上石油价格的上涨和能源不足，海洋节能技术的研究和开发引起了人们的关注。表1给出了1970～2002年集装箱船单位耗油率(g/箱·nmile)的变化。我国的能源形势也很紧张,能源供需矛盾突出,浪费严重,节能已成为我国国民经济发展中的长期战略任务,是我国的一项基本国策。为满足航运部门在航船舶节约燃油、降低营运成本的要求,我国在船舶节能技术方面投入了大量的人力、物力,并取得了一定的经济效益。1节能船型的研究单螺旋桨常规运输船的附体阻力约为5%～8%,双螺旋桨船则为8%～15%,其他阻力成分中,高速船以兴波阻力为主,低速船则以摩擦阻力为主。各国致力于节能船型的研究收到了明显的效果。开发出了诸如球鼻首船型、纵流船型、双体船及小水线面双体船、浅吃水肥大船型等。另一方面,造船工作者们对船舶尾部线型的研究倾注了更多的精力,以求改善船—桨配合,出现了不对称船尾、双尾鳍船型、涡尾船型、球尾船型等,均收到了较为显著的节能效果。1.1非对称船尾型节能技术使船体形状不对称以改善其推进性能的想法不是近几年提出的,在著名的威尼斯城运河中,有一种狭长的平底小船被称作“冈朵拉”,作为旅游者的交通工具由于船后的桨手采用一种特别的单侧荡桨技术,所以为了弥补受力的不对称性而保持船的稳定,该船的右舷比左舷窄250mm,这种相对于中心线不对称的船型改进了其性能,这就是非对称船尾型节能的雏形。1.1.1非对称尾船尾扭曲是组成苏-海对于1艘常规对称单桨船,流线实验表明,螺旋桨叶向上转动的一侧前方有明显的水流分离现象。分离区域产生大量的漩涡使能量消耗显著增加,而且分离还使流动变得更不均匀,使螺旋桨效率下降。非对称尾船型的尾部扭曲使桨轴上方进流叠加了一个向左的切向分量,为了进一步使来流预旋,再把桨轴下方船尾舯线向右扭曲以使来流叠加一个向右的切向分量,上下同时扭曲使进流产生了一个与螺旋桨旋转方向相反的预旋。不对称性尾船型的节能主要是通过改善船后伴流场使其更均匀,并且使螺旋桨进流预旋来提高推进效率。1.1.2船型和成本方面的研究世界上第1艘采用非对称船尾的实船是1982年在德国奥登堡的汉立许白兰特船厂下水的集装箱船“Thea-S”(“特亚斯”)号。在之前的模型实验已经证明不对称尾与对称尾比较,在设计吃水时阻力降低8%,满载吃水时阻力降低6%,试航时证明了实船速度高于船模实验预报值。目前,共有60多艘非对称尾船型在世界各地运营。包括第1艘非对称尾船“特亚斯”号、哈帕格—劳埃德公司的“柏林快航”号和CGM公司的“拉佩鲁贾号集装箱船德国海洋调查船流星号达尔公司的化学品船“海因利希”号以及“埃贝哈格·埃斯贝格尔”号等。我国708研究所对非对称船尾线型技术进行了研究。其主要工作是对2000箱集装箱船、3000m3液化气船、19.9m拖船及2000t多用途船等设计了10个非对称尾模型与对称尾模型进行阻力、自航对比实验。证明采用非对称尾技术后在相同航速下,满载和压载工况可分别节能4.5%～10.1%,4.5%～9.4%,或在同耗油条件下使航速提高0.4～0.5kn左右。以1艘功率为10000kW,耗油率为170g/kW·h的集装箱船为例,假设燃油价格为每吨100美元,能耗节约6%,该船每年营运300d,经计算表明,成本回收不到一年,这种额外投资是值得的。并且广泛的船模实验和计算表明,对非对称尾的操纵性,螺旋桨空化、空泡和船体振动的担心都是不必要的。1.2双尾气船型研究20世纪40年代,瑞典船模水池试验了第1艘双尾鳍后体船型(长140m,排水量为1.75万t的油船),1965年美国泰勒水池的海特勒和陈梅生在美国发表的《单桨船和双桨船模螺旋桨盘面处的伴流试验资料》中就有几艘客货船采用了双尾鳍船型。70年代初,瑞典国立船模研究所发表了大约100种双尾鳍船型模型试验结果。1976年法国在大西洋船厂建造了1艘55万t油轮“巴梯勒斯”号就采用了双尾鳍船型。1978年西班牙在国际滚装船会议上提出了一种尾鳍相互平行的双尾鳍船型,据称可提高16%的推进效率。荷兰瓦格宁水池除了进行尾鳍平行,尾鳍向内倾斜的实验,还进行了尾鳍向外倾斜的方案比较,表明内斜轴布置所需功率比双轴平行布置方案节省16%。80年代,日本造船研究中心对某滚装船及散货船进行单桨,双尾鳍,三尾鳍方案进行船模试验研究,结果表明滚装船的双尾鳍型主机功率比常规双桨船、散货船的分别降低20%和5%。1982年,川崎重工神户造船厂建造的“海上桥梁”号超宽超浅吃水重货运输船采用了双尾鳍型,比常规单桨方案节省主机功率12%以上。上海船舶设计院较早对双尾鳍船型进行了研究。1978年设计的3800t煤船是我国最早的双尾鳍船型。此后又进行了10多型双尾鳍船舶的研究设计,建成并投入营运的已有3型。1981年,该院为上海海运管理局设计的1艘客货船,也采用了双尾鳍船型,后来大量试验证明,该船在设计航速时可降低阻力4.5%,主机功率降低12.8%,流体动力性能良好。1.2.1双桨船为短而宽的船舶,设计一般保持在部分内的流体分离在1985年的第二届国际船舶学术会议上,西班牙发表的“双尾鳍船经济上的优点”的论文指出双尾鳍船特别适用于长宽比较小的船型。其原理为短而宽的船舶在尾部往往容易产生水流的分离,使得推进器周围的流场难以达到比较理想的状态。双桨船尽管在型线设计时可使来流光顺使其裸体阻力小,但由于其带有轴支架等轴系附件会使总阻力增大。双尾鳍船型利用2个尾鳍支撑推进轴,它的后体就像2艘并列的单桨船尾,使得伴流大大增加,船身效率随之提高,接近甚至超过了单桨船的船身效率,降低了主机功率。1.2.2浮心纵向布置的船舶双尾鳍船不仅适合油船、散货船一类肥大型船,而且也适合滚装船、渡船等细瘠船型。下列情况下采用双尾鳍后体是有利的:(1)小长宽比船舶;(2)大宽吃水比船舶;(3)浮心纵向位置在舯部后的船舶;(4)后体丰满的船舶。2部分浸水螺钉为了提高推进效率,国内外都在研究有别于常规螺旋桨的各种新型高效推进装置,如低转速大直径螺旋桨、适伴流调矩桨、导管螺旋桨、无梢涡螺旋桨以及部分浸水螺旋桨等。例如近年来,丹麦、西班牙、荷兰等几个西欧国家的科研人员开发出几款新型螺旋桨,与目前商船上广泛使用的常规螺旋桨相比这几款新型螺旋桨有个明显优点。第一,新型螺旋桨推进效率高,在保持船舶航速不变的前提下,可节约主机功率少则3%～4%,多则8%～10%;第二,新型螺旋桨可明显减少激振力,从而可明显消减船尾振动,因而延长了船体结构和设备的使用寿命,改善了旅客和船员的居住舒适性。2.1变化桨叶的变化,会对主机进一步发挥全部功率普通螺旋桨的桨叶是固定的,它的螺距是根据设计状态下的推力确定的,可以充分发挥主机的功率,但是在航行状态发生改变时,船舶的阻力将增大或减少,此时通过调整桨叶的位置改变其螺距,可以改变来流的攻角,使得主机在转速不变的情况下发挥其全部功率。2.2桨叶的反转桨和桨叶对转螺旋桨是前后2个同轴螺旋桨反向旋转产生推力的推进器。其主要优点有:后桨可完全或者部分吸收前桨尾流的旋转能量,从而获得较高的推进效率;前后2个螺旋桨反向旋转,有利于水面船舶保持航向稳定性;在对转桨和常规单桨直径相同的情况下,对转桨最佳转速比普通单桨要小很多,对转桨的最佳直径比普通单桨要小,对解决前吃水船舶的推进问题有一定意义;对转桨的总面积较大,在吸收相同功率时其载荷比普通桨低,有利于避免空泡的产生。3船尾的推力作用各种水动力节能附加装置的作用主要有:(1)改善螺旋桨进流,使之更加均匀;(2)减少船尾的水流分离现象;(3)使桨前流预旋,把原来尾流中损失的旋转能转化为推力功;(4)产生附加推力。这些装置中取得较显著节能效果的有:补偿导管、前置导管、桨前整流鳍、舵附推力鳍、桨后固定叶轮、Grim自由旋转叶轮等。3.1尾流中旋转力学性能桨后自由旋转助推叶轮的思想早在20世纪60年代就已提出,其基本思想主要是利用前置螺旋桨尾流中的旋转能量由呈涡轮机形状的叶片提供回转力矩,由大于前置螺旋桨直径的尾流区域以外部分机翼叶片将其转换为推力。3.1.1自由旋转促进叶片的特性助推叶轮作为回收螺旋桨尾流动能的水动力附加节能装置,具有以下特点:(1)支持叶轮的节能效果模型和实船加装助推叶轮的结果表明,该装置节能效果一般在5%～10%,1983至1985年共有9艘1300箱集装箱船加装了助推叶轮,节能效果达11%。1艘非对称尾的集装箱船加装了助推叶轮后节能效果达12.5%,大型油轮“SKRIM”号加装了直径9.7m的助推叶轮后节能13%,效果明显高于其他水动力附加节能装置(反作用鳍、尾波补偿导管、固定叶轮。毂冒鳍等的节能效果一般在4%～8%)。(2)安装方便除在新船建造时可直接安装助推叶轮外,旧船也可以改装加设助推叶轮。安装1次一般只需要2h左右连进出船坞在内只需的时间(3)可靠性结构由于在轴承盖内充以锂皂脂润滑,在含有15%的海水中仍可很好地起到润滑防腐作用,轴承结构可保证2年之内不必检修而安全运行。(4)轴系脉动压力的减少安装自由旋转助推叶轮后,叶轮所在位置平面处船体表面压力的幅值没有增加,而前置螺旋桨的前方船体表面压力幅值减少约40%～50%,脉动压力的降低对减少振动有利。据日本“幸盛丸”的实船测试,加装自由旋转助推叶轮前后轴系的扭转振动几乎没有变化。在汉堡水池进行的广泛实验表明,6个方案的几乎所有实验结果5阶主压力脉动都有明显降低(6叶助推叶轮使之降低到45%,9叶助推叶轮使之降低到40%),10阶压力幅值也有所降低。3.1.2改桨时,全球载荷的影响(1)助推叶轮主要适用于载荷较重的单螺旋桨船,如散装货船、油船、拖轮、干货船等。一般来说,对于双桨船由于负荷较小效果并不太明显。大量的计算和实验表明,前置螺旋桨的推力负荷系数在某个范围以下(2.5～3.0)时,该装置效益比导管桨要好,当推力负荷系数增加时,导管推进装置的效率更高。由于目前所建造的大多数运输船舶之推力负荷系数≤(2.5～3.0),因此助推叶轮的适用范围比较广。(2)对于旧船改装时加装自由旋转助推叶轮需要满足一定的条件,如在舵、船体、螺旋桨之间要留有一定的空间,其次螺旋桨桨轴要能承受加装自由旋转叶轮后所增加的载荷,它比一般的单螺旋桨船增加到2倍载荷的量级。以上条件对一般的船舶均可满足。3.2墙装置的作用原理舵附推力鳍是一种新型回收螺旋桨尾流能量的节能装置。它是由日本的石川岛播磨重工(IHI)1983年首先研制出来的。它安装在舵或挂舵壁上,吸收螺旋桨尾流的旋转能量起到助推节能的作用。其作用原理是使水流经过具有一定攻角的固定鳍后改变原来的方向以增加推力。计算结果表明,舵附推力鳍回收尾流场的部分旋转能量产生附加推力,其助推效率可达3%～4%,是一种较好的推进节能装置。舵附推力鳍的助推节能性能的主要影响参数有以下2个。(1)佳安装角图5所示为不同进数系数J时助推鳍助推效率随着安装角β的变化曲线。从图中可以看出存在一最佳安装角,大约为5°,原因在于鳍的阻力一般包括由有限翼展引起的诱导阻力和跟粘性有关的摩擦阻力。这2部分阻力各自存在使阻力最小的攻角,助推鳍的安装角β越大,则其有效攻角亦越大,其升力及阻力在其有效攻角较小时亦随之增大,但2者在轴向的合力并非随之增大,它存在最佳值。(2)推力材料参数的影响图6所示为助推效率随着推力鳍展长S的变化曲线。可以看出,当S/R=0.9左右时,推力鳍的助推效率最高(其中R表示螺旋桨的半径)。对于推力鳍来说,当其他参数不变时,展长S越大,展弦比越大,升力越大,其摩擦阻力亦越大。当整个推力鳍都在尾流场之内场时,推力鳍表面的速度值较大,其附加推力亦较大,而当推力鳍伸出内场,则伸出部分鳍表面速度值明显下降,其附加推力亦明显下降。所以考虑到螺旋桨尾涡的变形,推力鳍展长在实际操作中可以取螺旋桨半径的95%左右。3.3改变桨叶的方向为了改善桨前水流对螺旋桨的不利影响,德国、日本等相继研究了桨前导流鳍来减少舭涡和斜流造成的螺旋桨推力与力矩的脉动,变化螺旋桨前导流鳍由与水流成一定的攻角的鳍叶组成,通过改变水流的方向改善船舶伴流或在桨前形成一个与螺旋桨旋转方向相反的预旋流,提高螺旋桨的效率,减小振动,可提高航速或节省主机功率5%左右。4特殊船舶节能技术研究4.1扭曲式反应波最早提出扭曲舵思想的是J.Tutin,如图9所示。从20世纪30年代至今一直有人从事这方面的理论和实验研究工作。其基本思想是充分利用螺旋桨尾流的能量把舵的形状控制成在未打舵角时阻力尽可能小,却能提供足够大的附加推力,而在打舵角时又不影响舵效。哈尔滨工程大学开展了对称扭曲式反应舵的研究工作,并进行了系列的模型实验和理论研究。708所开展了带有导流罩推力鳍的扭曲舵研究,在500t沿海货船上加装时得到了满载航行时节能8.9%的实效。舵在螺旋桨轴中心线上方和下方的来流方向并不相同,扭曲舵是分别在增大桨轴中心线上、下方舵剖面的入流角从而增大附加推力以节能。哈尔滨工程大学开发研究的2组不同形状的助推节能扭曲舵在设计状态时,一个使整个推进系统的推力系数有明显的提高,一个使螺旋桨的扭矩系数显著下降,最终都提高了推进效率,其助推力的实验结果如图10所示。4.2微缝板实验日本海上技术安全研究所在日本东海运输公司的“太平洋海鸥”号水泥运输船上进行微泡沫船舶节能新技术实验。这是世界上首次在船上做这种实验,这种新技术是在船首两侧安装长10m的微缝板,通过喷出的空气在船底形成一层薄薄的微小气泡(直径0.5～1mm),从而使船舶受水摩擦阻力减少12%,节约燃油8.5%。