GBT 47536-2026 船舶与海洋技术 船舶定距螺旋桨消涡鳍设计应用指南标准立项发展报告

船舶与海洋技术船舶定距螺旋桨消涡鳍设计应用指南StandardizationDevelopmentReport:ShipandMarineTechnology—GuideforDesignandApplicationofPropellerBossCapFins(PBCF)forFixed-PitchPropellers摘要关键词：船舶与海洋技术；定距螺旋桨；消涡鳍（毂帽鳍）；节能装置；标准化；设计指南1引言1.1研究背景船舶工业作为国民经济的重要组成部分和海洋强国建设的战略支撑，正处于绿色化、智能化转型的关键时期。国际海事组织（IMO）于2018年通过的《船舶温室气体减排初步战略》明确了到2050年国际航运温室气体排放总量较2008年至少减少50%的宏伟目标。在此背景下，国际航运业围绕现有船舶能效指数（EEXI）与碳强度指标（CII）等强制性要求，对船舶节能技术的需求呈现出爆发式增长态势。在诸多船舶节能技术路径中，螺旋桨毂帽鳍技术因其独特的节能机理而备受关注。螺旋桨在工作时，毂帽后方会形成强烈的毂涡，该涡流携带的旋转能量损失通常占螺旋桨总损耗的2%～5%。消涡鳍安装在螺旋桨毂帽上，通过设置若干小型鳍叶来抑制毂涡的形成和发展，并将部分旋转能量转化为有效推力，从而实现节能增效。大量模型试验与实船验证结果表明，合理设计的消涡鳍可有效节能3%～8%，且对螺旋桨原有的空泡性能和强度特性影响极小，具有显著的工程应用价值。1.2标准立项的必要性与意义作为一种对既有螺旋桨水动力性能进行优化改造的关键节能技术路线，消涡鳍的工程应用正在从初期探索阶段步入规模化推广阶段。然而，当前消涡鳍在设计、制造、安装和验收等关键环节尚缺乏系统、统一的国家级技术标准作为依据。具体而言，以下几方面问题日益突出：第一，设计方法缺乏统一规范。消涡鳍的设计涉及鳍叶数量、剖面形状、安装位置（径向/周向布置）、螺距角设定等多项关键参数的确定。不同设计单位基于各自的经验公式和数值方法开展设计，参数选取依据差异较大，设计质量参差不齐，用户难以评估和比较不同设计方案的技术优劣。第二，产品质量难以有效控制。由于缺乏统一的制造精度要求和检验方法，各生产企业的产品在加工精度、材料性能、表面质量等方面存在明显差异，个别产品甚至在使用过程中出现结构损坏等问题，影响了该技术的市场信誉和推广效果。第三，安装与验收标准缺失。消涡鳍安装在螺旋桨毂帽上，安装精度直接关系到其节能效果和安全可靠性。目前缺乏明确的安装技术要求、对中精度标准和实效评估方法，使得船舶建造和修理企业在该技术的工程实施中面临依据不足的困境。第四，与国际标准化工作的衔接需求日益迫切。随着中国造船工业国际市场份额的持续提升，船舶配套装备领域的标准国际化需求日趋强烈。在消涡鳍技术与应用方面制定具有国际视野的国家标准，有助于将我国的自主创新成果转化为国际标准提案，提升我国在该技术领域的国际话语权。2国内外相关标准化现状2.1国际标准化现状在国际标准层面，国际标准化组织船舶与海洋技术委员会（ISO/TC8）及其下设的船舶设计分技术委员会（ISO/TC8/SC8）负责船舶设计领域的国际标准制修订工作。在螺旋桨及船舶节能装置领域，目前已发布的国际标准主要集中在螺旋桨几何尺寸的术语定义与标示方法等方面，如ISO484系列标准规定了螺旋桨制造公差等级及检验方法，但对于消涡鳍这类附加节能装置的设计与应用，尚无专门的国际标准出台。目前，在国际上具有代表性的消涡鳍技术研发机构和企业，如日本MOL公司联合西日本流体技术实验室等开发的PBCF（PropellerBossCapFins）技术，主要依据企业内部的专利技术体系和设计规范开展工程应用。由于节能装置涉及企业核心技术竞争，技术细节的公开程度有限，在国际范围内尚未形成可供行业普遍采用的技术标准或设计规范。从国际船级社协会（IACS）层面来看，各主要船级社（如DNV、ABS、LR、NK等）针对消涡鳍等节能附体的安装通常仅提出结构安全性审查要求，一般以船级社认可的附加标志或检验指南形式给予规范指导，并未涉及具体的设计方法及参数化技术指标。2.2国内标准化现状在国内标准体系方面，现行有效的船舶行业标准如GB/T13412-1992《船用螺旋桨用铜合金铸件》、GB/T38268-2019等主要针对螺旋桨本体及材料提出技术要求和检验规则，对螺旋桨附加节能装置的设计和应用缺乏相关技术内容覆盖。中国船级社（CCS）发布的《船舶应用替代燃料指南》及《绿色生态船舶规范》等虽涉及船舶节能技术的一般要求，但也主要集中于系统层面和总则性的规定。在标准需求层面，近年来上海船舶研究设计院、中国船舶及海洋工程设计研究院等国内主要船舶设计单位，以及大连船用螺旋桨有限公司、镇江同舟螺旋桨有限公司等螺旋桨专业制造企业，在多个新造船和船舶节能改装项目中实施了消涡鳍技术的设计、制造和应用。各参与单位在实践过程中积累了大量经验，也共同面临着标准缺失的困惑，对尽快制定统一的消涡鳍设计应用标准的呼声日益高涨。截至目前，国内外尚无专门针对定距螺旋桨消涡鳍设计应用的统一标准可循，该领域的标准化工作存在明确的空白地带，亟待通过本项目加以弥补。2.3标准缺口分析结合上述国际和国内两个层面的标准化现状梳理可以发现，在船舶定距螺旋桨消涡鳍技术领域，标准缺口主要体现在以下三个维度：（1）顶层设计维度：缺少涵盖设计、制造、安装、检验全流程的综合性技术标准文件，难以指导工程实践全链条的规范运作。（2）技术参数维度：设计输入条件、鳍叶主要几何参数确定方法、强度校核准则、安装精度要求等关键技术参数缺乏统一规定，导致不同产品之间性能差异大、可比性差。（3）评估验证维度：消涡鳍节能效果的计算或试验评估方法、实船验证方案、交付验收判据等缺少公认的方法与基准，用户难以客观衡量产品质量和节能性能。3标准编制原则与依据3.1编制原则本标准的编制遵循以下基本原则：（1）科学性。充分吸纳船模试验、数值仿真（CFD）和实船验证的最新研究成果，确保各项技术指标具有良好的科学依据和工程验证基础。（2）适用性。充分考虑不同类型、不同尺度的定距螺旋桨船舶对消涡鳍技术的差异化需求，标准内容应覆盖典型工程应用场景，并给出具有可操作性的设计流程和应用指南。（3）协调性。标准条款的设置与现行有效的相关国家标准、行业标准及船级社规范保持衔接和协调，避免技术要求的冲突和重复。3.2编制依据标准编制的主要参考依据包括但不限于：-GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》-GB/T13412《船用螺旋桨用铜合金铸件》-ISO484系列标准（螺旋桨制造公差）-《国际海上人命安全公约》（SOLAS）相关要求-国际海事组织《船舶温室气体减排初步战略》相关决议-中国船级社《钢质海船入级规范》相关适用要求-国内外消涡鳍技术相关学术论文、试验报告及工程应用成果数据4标准主要技术内容4.1标准适用范围与定位本标准适用于装有定距螺旋桨的各类船舶上消涡鳍装置的设计和应用，涵盖新造船配套设计和营运船舶节能改装两种典型工程场景。标准的服务对象包括船舶设计单位、螺旋桨制造企业、船舶建造和修理企业、船东及船舶检验机构等各方。在标准定位上，本标准作为一项设计应用指南类标准，以系统性、指导性技术规定为主，重点为工程技术人员提供从设计输入到实船验证的完整技术路径与要求。4.2主要技术内容框架4.2.1术语和定义对消涡鳍相关的核心术语进行统一和规范，具体包括：-消涡鳍（毂帽鳍）：安装在螺旋桨毂帽外表面、沿周向布置的若干小型鳍叶装置，其功能在于抑制毂涡的产生与发展，回收旋转能量，提高螺旋桨推进效率。-毂涡：螺旋桨运转时，由于毂帽后方压力骤降和流体旋转运动而形成的锥形涡流区域。-鳍叶数：消涡鳍装置上配置的鳍叶片数量总称。-能量回收率：表征消涡鳍实际回收能量占螺旋桨毂涡能量损失的比例。-鳍叶径向位置：鳍叶根部在毂帽表面沿径向的设置位置。-鳍叶螺距角：鳍叶剖面的几何螺距角参数。4.2.2设计输入条件规定了开展消涡鳍设计前应明确的基本设计输入信息，包括：-螺旋桨主要几何参数（直径、螺距比、盘面比、毂径比、毂帽形状与尺寸等）；-螺旋桨运行工况（设计航速、主机功率/转速、船舶阻力曲线等）；-螺旋桨毂帽详图（包括毂帽外形型值、材料及与桨毂的连接方式）；-螺旋桨伴流场数据（可通过模型试验或CFD计算获得）；-船舶尾部线型及桨盘面处的流场分布特征。4.2.3消涡鳍设计方法（1）鳍叶数目选择鳍叶数应根据螺旋桨本身的叶片数、毂径比以及毂涡强度综合确定。典型方案包括以下两种类型：-对于常规螺旋桨，鳍叶数与桨叶数相等即4叶配4鳍或5叶配5鳍为常用型式；-在毂径比相对较大或毂涡强度较高的特殊情况下，也可选用每两片桨叶间布置一片鳍叶（鳍叶数为桨叶片数的1/2）或每片桨叶对应两片鳍叶的布置方式。不同鳍叶数方案的比较应通过CFD数值模拟或模型试验加以论证。（2）鳍叶几何参数设计标准中计划给出鳍叶主要几何参数的设计参考范围及确定方法，包括：-鳍叶外形：沿径向呈渐缩形的桨叶状，根部宽度应保证足够的结构强度；-鳍叶厚度：根据材料力学强度和铸造工艺要求确定，根部厚度宜为桨叶根部厚度的3%～8%左右；-鳍叶安装角：核心设计参数之一，建议在初步设计阶段依据螺旋桨毂帽当地的入流角度确定，通常可比来流角度适当增加2°～5°的攻角，以获得更优的能量回收效果；-鳍叶径向延伸范围：综合平衡节能效果与空泡性能，一般控制在（0.15～0.35）倍螺旋桨直径范围内。（3）强度校核要求消涡鳍在船舶营运中承受交变水动力载荷，标准拟明确基本的强度分析校核方法，包括：采用有限元方法对鳍叶根部的静强度和疲劳强度进行数值校核，确保在设计寿命内不产生结构破坏或有害变形。4.2.4制造与安装技术要求标准拟从以下方面对制造和安装提出明确的技术规定：-鳍叶材料应与毂帽或桨毂材料具有良好的焊接或铸造相容性，推荐采用与螺旋桨本体同系列的不锈钢或铜合金材料；-鳍叶与毂帽之间推荐采用整体铸造或焊接方式进行连接，焊缝应满足相应的无损检测要求；-安装后的消涡鳍应与螺旋桨同轴，周向定位偏差控制在规定允差范围内，鳍叶角度偏差不超过±1°；-鳍叶表面应打磨光顺，表面粗糙度应不高于螺旋桨桨叶表面粗糙度要求。4.2.5试验验证与实船评估方法标准拟引入分级验证与评估的技术路线：-模型试验验证：推荐采用螺旋桨敞水试验对比法，分别测量有无消涡鳍状态下的敞水性能曲线，获取节能效果的试验评价数据；-CFD数值评估：利用粘流CFD方法开展螺旋桨带消涡鳍的数值模拟分析，获得毂涡抑制效果与推进效率变化数据；-实船验证测量：在条件允许的情况下，推荐采用扭矩仪法或转速法，在相近的航行工况下对比消涡鳍安装前后的轴功率变化，以实船数据检验实际节能效果。5标准实施后的预期效益5.1经济效益本标准的制定和实施将显著推动消涡鳍技术的规范化应用和产业规模化发展。按照标准开展设计制造的消涡鳍产品，其节能效果的一致性和可靠性将有明显保障，有助于增强市场和船东对该技术的认知与信心。预计标准发布实施后的五年内，消涡鳍技术在国内新建船舶和节能改装项目中的年应用量将增长一倍以上，按单船年节约燃油3%～5%、燃油价格5000元/吨估算，单船年节约燃油成本可达到50万～200万元，全行业节能减排的经济效益和社会效益十分可观。5.2社会效益标准的实施将有助于促进国内船舶配套企业的技术升级和产品结构调整，推动形成一批具有自主知识产权和国际竞争力的消涡鳍产品品牌，增强我国在船舶节能减排技术领域的核心竞争力。同时，消涡鳍作为一项不改变船舶动力系统结构、不占用额外船体空间的经济型节能措施，对于推进我国现有商船队的能效升级改造具有重要现实意义，在支撑国家“双碳”战略和绿色交通体系建设方面将发挥积极的技术支撑作用。6主要起草单位介绍——上海船舶研究设计院本标准由全国船舶舾装标准化技术委员会（SAC/TC129）归口，主要起草单位包括上海船舶研究设计院、中国船舶及海洋工程设计研究院、中国船级社、大连船用螺旋桨有限公司、镇江同舟螺旋桨有限公司等国内船舶设计、检验和制造领域具有丰富工程实践经验与科研积累的单位。其中，上海船舶研究设计院（SDARI）作为标准编制的牵头和核心起草单位，在船舶绿色节能技术研发领域具有深厚的技术积淀和丰富的工程实践经验。该院成立于1950年，隶属于中国船舶集团有限公司，是我国专业从事船舶总体设计、性能研究和开发设计的大型综合性设计院所之一，在散货船、集装箱船、油船和气体运输船等主要船型的设计开发方面处于国内领先、国际先进水平，其设计的多种绿色节能船型累计交付已超过数千艘。近年来，上海船舶研究设计院围绕船舶节能减排技术开展了系统性的科研攻关，在消涡鳍技术的数值优化设计方法、模型试验验证、实船节能效果评估等方面投入了大量的科研力量和试验资源，积累了丰富的设计数据库和实船应用数据。该院建有完善的船舶CFD计算分析平台和水动力试验验证体系，配备有高技术水平的专业技术团队，为消涡鳍设计应用指南的研制提