郭春雨，趙慶新，吳鐵成，鄧 銳

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

船舶附加水動力組合節(jié)能技術(shù)研究進(jìn)展

郭春雨，趙慶新，吳鐵成，鄧 銳

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

隨著國際上石油價(jià)格飛漲，能源短缺，特別是MEPC第58次會議發(fā)布EEDI計(jì)算公式以及MEPC第62次會議正式通過《MARPOL73/78公約》附則Ⅵ修正案，世界各國都認(rèn)識到了船舶節(jié)能減排的重要性。船舶節(jié)能技術(shù)得到廣泛的關(guān)注。相比于節(jié)能新船型和新型高效推進(jìn)器，附加水動力節(jié)能裝置無疑是一種成本低廉、見效顯著、安裝方便的節(jié)能選擇。通過合理搭配2個(gè)或多個(gè)不同附加水動力節(jié)能裝置，充分利用各自的水動力特性可以得到更好的節(jié)能收益。本文主要介紹基于導(dǎo)管類的附加水動力組合節(jié)能裝置、基于導(dǎo)流鰭的附加水動力組合節(jié)能裝置、基于扭曲反應(yīng)舵的水動力組合節(jié)能裝置，并分析各節(jié)能裝置的節(jié)能原理與節(jié)能效果等。

船舶節(jié)能;EEDI;附加水動力節(jié)能裝置;附加水動力組合節(jié)能裝置

0 引言

近年來，我國船級社、研究設(shè)計(jì)院所、高等學(xué)校和船廠通過對中國船舶的EEDI指數(shù)計(jì)算驗(yàn)證，并與MEPC提供的Baseline比較得出，中國63%散貨船的EEDI指數(shù)大于Baseline;57%集裝箱船的EEDI指數(shù)超過Baseline;73%的共同規(guī)范(CSR）散貨船超標(biāo)［1］。2011年7月 MEPC第62次會議上，正式通過《MARPOL73/78公約》附則Ⅵ修正案，確定了EEDI和SEEMP兩項(xiàng)船舶能效準(zhǔn)則。兩項(xiàng)準(zhǔn)則在2013年1月1日已經(jīng)生效，2015年起強(qiáng)制執(zhí)行［2］。EEDI指數(shù)超標(biāo)的新設(shè)計(jì)船將不能通過船級社或IMO的審核，EEDI指數(shù)超標(biāo)的運(yùn)營船舶可能被強(qiáng)制報(bào)廢或者無法進(jìn)入國際航運(yùn)市場。屆時(shí)我國船舶工業(yè)將面臨著巨大挑戰(zhàn)與嚴(yán)重的訂單影響。因此，船舶節(jié)能減排是一個(gè)需要更加重視的一個(gè)方面。

目前，有多種方式可以降低船舶的能源消耗，提高船舶能效設(shè)計(jì)水平。如改變船體線型，采用節(jié)能船型［3-4］;采用新型發(fā)動機(jī)，降低溫室氣體的排放量，提高發(fā)動機(jī)的燃燒效率［5-7］;安裝減阻裝置，降低船舶阻力［8-9］;減少壓載水的裝載或開發(fā)無壓載水船型［10］;使用LNG、風(fēng)能、太陽能等新型能源的船型［11-12］;應(yīng)用低風(fēng)阻上層建筑［13-14］等多種方式。然而，這些降低船舶能源消耗的方式花費(fèi)昂貴、節(jié)能效果因船而異，而且只能應(yīng)用于新船型設(shè)計(jì)，不適用于EEDI超標(biāo)的舊船改裝。

附加水動力節(jié)能裝置通過改善螺旋槳進(jìn)流，使之更加均勻;減少船尾水流分離;使槳前流預(yù)旋，把尾流中損失的旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)化為推力功;產(chǎn)生附加推力等來增加螺旋槳效率，進(jìn)而降低船舶能耗。與上述節(jié)能方式相比具有技術(shù)成熟、成本低廉、安裝方便快捷、節(jié)能效果優(yōu)良等特點(diǎn)。每種附加水動力節(jié)能裝置都有各自的水動力特性，并且扮演著不同的節(jié)能角色。把2種或2種以上的水動力節(jié)能附體進(jìn)行良好的水動力搭配組合，綜合各種節(jié)能裝置的特點(diǎn)，可以達(dá)到更好的節(jié)能效果。本文主要介紹時(shí)下常見的組合節(jié)能裝置。

1 基于導(dǎo)管類的附加水動力組合節(jié)能裝置

20世紀(jì)80年代初，德國阿欽 (Aachen）技術(shù)大學(xué)流體力學(xué)教授許內(nèi)克羅斯 (Schneekluth）為改善船體尾部出現(xiàn)的水流分離、紊流和旋渦現(xiàn)象，在船尾螺旋槳前的槳軸上方設(shè)置了由2個(gè)半環(huán)組成的導(dǎo)管。許內(nèi)克羅斯教授稱它為水流“矯直導(dǎo)流管”，簡稱為“ZAD”，我國稱它為“前置導(dǎo)管”或“補(bǔ)償導(dǎo)管”［15-16］。通過對導(dǎo)管類節(jié)能裝置進(jìn)行改進(jìn)或與其他附加水動力節(jié)能裝置組合可形成多種新型節(jié)能裝置。

1.1 前置半導(dǎo)管-導(dǎo)流鰭節(jié)能裝置

前置半導(dǎo)管-導(dǎo)流鰭組合節(jié)能裝置 (SDS-F）由日本川崎船舶工業(yè)集團(tuán)公司提出［17］。SDS-F由螺旋槳前安裝在船體上的半導(dǎo)管與嵌合在船體上的逆向?qū)Я黯捊M成。

圖1 川崎船舶工業(yè)公司的SDS-F節(jié)能裝置Fig.1 Kawasaki shipbuilding corporation SDS-F energy-saving devices

該節(jié)能裝置的節(jié)能原理如下:

1）船體是一個(gè)復(fù)雜的曲面，由于粘性附面層和興波，在船尾處構(gòu)成了很不均勻的三向伴流，前置半導(dǎo)管進(jìn)行導(dǎo)流，能使流向螺旋槳的尾流均勻化，改善推進(jìn)效率。

2）前置半導(dǎo)管引導(dǎo)水流使船體尾部水流速度增大，改善了附面層的分離，使尾流均勻化和穩(wěn)定化，能減少船體阻力和螺旋槳激振力，從而減少了船體振動。

3）逆向?qū)Я黯挳a(chǎn)生與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反的預(yù)旋流，抵消螺旋槳旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的同向旋轉(zhuǎn)水流作用，從而減小螺旋槳旋轉(zhuǎn)尾流損失，提高推進(jìn)效率。

川崎重工的SDS-F組合節(jié)能附體可以節(jié)省3%～7%的功率消耗，如果與川崎重工的舵球-推力鰭 (RBS-F）進(jìn)一步組合，可以起到更高的節(jié)能效果。

1.2 導(dǎo)管-導(dǎo)流鰭節(jié)能裝置

德國漢堡的貝克爾船舶系統(tǒng)公司推出的新型Mewis導(dǎo)管 (Mewis Duct）［18-19］是一種導(dǎo)管與導(dǎo)流鰭配合的組合節(jié)能裝置，由1個(gè)槳前補(bǔ)償導(dǎo)管和1組預(yù)旋導(dǎo)流鰭片組成。

圖2 Mewis Duct節(jié)能裝置Fig.2 Energy-saving devices-Mewis Duct

相比于其他節(jié)能裝置，Mewis導(dǎo)管可以降低2種完全獨(dú)立的能量損失來源:一是導(dǎo)管起到整流作用，降低船舶的尾流能量損失;二是導(dǎo)流鰭片降低船舶尾部旋流的滑移損失。

Mewis導(dǎo)管的水動力性能優(yōu)點(diǎn)如下:

1）對于高方形系數(shù)的船舶來說，不利的尾部伴流場使得螺旋槳得不到足夠多的來流，降低了其推進(jìn)效率。固定在船尾螺旋槳前部Mewis導(dǎo)管調(diào)和穩(wěn)定了螺旋槳來流，使其持續(xù)地作用在螺旋槳的漿葉上。

2）導(dǎo)管起到穩(wěn)定導(dǎo)流鰭鰭效并產(chǎn)生一定的推力效果。

3）Mewis導(dǎo)管所含的導(dǎo)流鰭產(chǎn)生與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反的預(yù)漩渦，使得螺旋槳的負(fù)荷提高進(jìn)而提高推力。同時(shí)，導(dǎo)管與螺旋槳軸線不在同一軸線上(即導(dǎo)管軸線在螺旋槳軸線上方），導(dǎo)流鰭的剖面和位置都是不對稱的設(shè)計(jì)且導(dǎo)管直徑小于螺旋槳直徑，因此可以獲得更好的螺旋槳來流場。

4）整流鰭與導(dǎo)管的組合系統(tǒng)降低了船舶尾流旋轉(zhuǎn)動能損失，可以降低在螺旋槳內(nèi)徑重載情況下螺旋槳槳轂處的轂渦損失，改善螺旋槳葉梢處空化現(xiàn)象。

Mewis導(dǎo)管經(jīng)過3年的研發(fā)，并進(jìn)行了30艘船的實(shí)船安裝 (其中第1艘安裝Mewis導(dǎo)管的船舶已經(jīng)成功運(yùn)營2年），25套系統(tǒng)模型試驗(yàn)，證明Mewis導(dǎo)管是一種非常優(yōu)秀的節(jié)能裝置。通過25套系統(tǒng)試驗(yàn)中的45個(gè)模型的試驗(yàn)比較得出Mewis導(dǎo)管平均節(jié)能6.4%，最高為8%。

1.3 補(bǔ)償導(dǎo)管-螺旋槳轂帽鰭

補(bǔ)償導(dǎo)管-螺旋槳轂帽鰭組合節(jié)能裝置是一種由槳前補(bǔ)償導(dǎo)管節(jié)能裝置與槳后螺旋槳轂帽鰭節(jié)能裝置組合套用的節(jié)能裝置。

圖3 補(bǔ)償導(dǎo)管-螺旋槳轂帽鰭節(jié)能裝置Fig.3 Compensating duct-PBCF energy-saving devices

當(dāng)船舶運(yùn)動時(shí)，船舶尾部槳盤面的伴流是不均勻的，特別是對方形系數(shù)較大的船舶，槳盤面上、下處的速度不均勻程度可達(dá)50%以上，這不僅影響螺旋槳的效率，而且會使螺旋槳因水動力上下不平衡而產(chǎn)生振動。補(bǔ)償導(dǎo)管通過安裝在船尾兩側(cè)的半圓型導(dǎo)管壓攏水流向船體，使船舶尾部水流分離降低、均勻并增加螺旋槳來流，提高螺旋槳的推進(jìn)效率和減少螺旋槳的激振力。

螺旋槳轂帽鰭 (PBCF）［20］作為槳后節(jié)能裝置，于1986年開始研究和開發(fā)，截止到2012年，三井商船株式會社已經(jīng)累計(jì)訂單2 000艘。PBCF對槳轂附近的流體整流起到消除轂渦的作用;PBCF的鰭葉與從槳轂附近的來流有一定的攻角，產(chǎn)生升力與阻力，升力使螺旋槳回轉(zhuǎn)方向的力矩減少;利用槳鰭的干擾作用，鰭、槳等在內(nèi)的整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩減少，推力增加改善了螺旋槳的特性。三井商船株式會社通過大量實(shí)船試驗(yàn)得出，螺旋槳的有效功率可以提高3% ～5%(對于螺距比較高的效果更明顯），在相同功率下，螺旋槳的轉(zhuǎn)數(shù)相比未加裝的增加1.0～1.5 r/min，航速約提高0.2 kn。

該組合節(jié)能裝置在國內(nèi)外應(yīng)用具有良好的效果，適用于方形系數(shù)CB＞0.65，傅汝德數(shù)Fn＜0.3的單槳運(yùn)輸船舶，也可以用于部分雙槳船舶。國內(nèi)最早應(yīng)用于“湘航803”號淺水客輪上，節(jié)能效果在8% 左右［21］。

1.4 補(bǔ)償導(dǎo)管-槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪組合節(jié)能裝置

圖4 補(bǔ)償導(dǎo)管-槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪節(jié)能裝置Fig.4 Wake equalizing duct-Grimm'swheel energy-saving devices

補(bǔ)償導(dǎo)管-槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪組合節(jié)能裝置［22］是由布置在螺旋槳前船體尾部的補(bǔ)償導(dǎo)管與槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪水動力合理搭配的一種節(jié)能裝置。

該組合節(jié)能裝置是以增加螺旋槳來流速度并充分利用螺旋槳尾流為目的的節(jié)能裝置。其節(jié)能原理如下:

1）補(bǔ)償導(dǎo)管可使尾流壓向船體，減少水流分離，攏入較多的水均勻流向螺旋槳進(jìn)而增加螺旋槳進(jìn)流，使槳盤上下部位負(fù)荷趨于均勻，提高螺旋槳的推進(jìn)效率和減少螺旋槳的激振力。

2）補(bǔ)償導(dǎo)管在環(huán)流的作用下產(chǎn)生附加推力，槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪充分回收螺旋槳的尾流動能，產(chǎn)生一定附加推力。

3）槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪使螺旋槳前方船體表面脈動壓力降低進(jìn)而降低船體振動［20］。

伴流補(bǔ)償導(dǎo)管是目前新建商船最為廣泛采用的一款節(jié)能裝置，其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，不僅可用于新建船舶，也可用于現(xiàn)有的營運(yùn)船舶。并且，其節(jié)能效果顯著。經(jīng)海上試航和長期使用，綜合運(yùn)載情況、航速和海況等因素，其平均節(jié)能效果可達(dá)5%左右。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，該款節(jié)能裝置在近30年間已在上千艘單槳船上使用［23-24］。

1969年，O.Grim第1次成功地在1艘HDW-1型摩托艇上證實(shí)，螺旋槳后旋轉(zhuǎn)助推裝置與普通螺旋槳相比可提高推力10% ～13%。此后人們通過大量模型和實(shí)船實(shí)驗(yàn)得出該裝置的節(jié)能效果一般在5%～12%。槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪節(jié)能裝置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。一般來說，對于雙槳船由于負(fù)荷較小效果并不太明顯。

補(bǔ)償導(dǎo)管-槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪組合節(jié)能裝置通過槳前補(bǔ)償導(dǎo)管與槳后自由旋轉(zhuǎn)葉輪相互水動力疊加，各自的節(jié)能效果正常發(fā)揮，相互還有一定的促進(jìn)作用，具有良好的節(jié)能前景。

1.5 超級導(dǎo)流管-舵球-舵附推力器節(jié)能裝置

超級導(dǎo)流管-舵球-舵附推力鰭組合節(jié)能裝置是由布置在螺旋槳盤片之前安裝在船體上的超級導(dǎo)流管與槳后舵球-舵附推力鰭系統(tǒng)水動力合理搭配的一種組合節(jié)能裝置。該節(jié)能裝置最早由日本通用造船廠進(jìn)行建造與實(shí)船安裝［25］。

圖5 超級導(dǎo)流管-舵球-舵附推力鰭節(jié)能裝置Fig.5 Super stream duct-surf-bulb energy-saving devices

該組合節(jié)能裝置節(jié)能原理如下:

1）超級導(dǎo)流管極大地減少尾部渦流的分離現(xiàn)象，具有良好的穩(wěn)流效應(yīng)。其誘導(dǎo)速度和自身的排水量使伴流分?jǐn)?shù)ω增大。

2）在螺旋槳的誘導(dǎo)作用下，超級導(dǎo)流管產(chǎn)生附加推力，使推力減額因子t變小。

3）由于伴流變化與“穩(wěn)流效應(yīng)”共同作用下，槳盤處的流場變得均勻，進(jìn)而減小槳所受到的不均勻力矩。降低螺旋槳產(chǎn)生的振動和噪聲提高旋轉(zhuǎn)效率。

圖6 超級導(dǎo)流管流線CFD模擬圖Fig.6 Flow image by CFD simulation of SSD

4）舵球-舵附推力鰭填充了螺旋槳轂帽后的低壓區(qū)空間，對槳后的水流有良好的整流作用，并充分利用螺旋槳尾流旋轉(zhuǎn)動能產(chǎn)生附加推力。

瑞典水池 (SSPA）通過試驗(yàn)得出超級導(dǎo)流管節(jié)能效果最高為2%，推理鰭節(jié)能效果最高3%，舵球節(jié)能效果為0%～2%。

德國漢堡水池 (HSVA）通過試驗(yàn)得出超級導(dǎo)流管節(jié)能效果最高達(dá)4%，推理鰭節(jié)能效果可達(dá)5%，舵球節(jié)能效果為0%～2%。

超級導(dǎo)流管-舵球-舵附推力鰭組合節(jié)能裝置的綜合節(jié)能效果為5% ～7%(具體節(jié)能效果因舵球、舵附推力鰭的形式，螺旋槳的參數(shù)以及船型有不同）。

2 基于導(dǎo)流鰭的附加水動力組合節(jié)能裝置

船鰭最早是魚鰭仿生演變過來的。魚鰭的作用是游動及平衡，船鰭的作用是改善船體表面流場情況或產(chǎn)生附加推力。導(dǎo)流鰭是一種對船體尾部流場具有良好改善功能的船鰭。通過導(dǎo)流鰭與不同水動力性能匹配的附加節(jié)能裝置可以組合多種節(jié)能效果優(yōu)良的節(jié)能裝置。

2.1 槳前導(dǎo)流鰭-槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪

槳前導(dǎo)流鰭-槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪組合節(jié)能裝置是由布置在螺旋槳前船體尾部的導(dǎo)流鰭與槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪水動力合理搭配一種節(jié)能裝置。

圖7 槳前導(dǎo)流鰭-槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪組合節(jié)能裝置Fig.7 Combination of vane wheel and hydrodynamic fin energy-saving devices

該組合節(jié)能裝置是以引導(dǎo)螺旋槳進(jìn)流、改善船舶伴流并充分利用螺旋槳尾流為目的的節(jié)能裝置，其節(jié)能原理如下:

1）槳前導(dǎo)流鰭可以回收船體舭渦的轉(zhuǎn)動能量并減少舭渦和斜流造成的螺旋槳推力與力矩的脈動，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。

圖8 船尾舭渦速度矢量圖與導(dǎo)流鰭對船舶尾流的作用效果Fig.8 The bilge vortex velocity vector(left）and the effect of hydrodynamic fin on ship wakes(right）

2）槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪充分回收螺旋槳的尾流旋轉(zhuǎn)動能，產(chǎn)生一定附加推力。

3）槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪使螺旋槳前方船體表面壓力幅值減少約40% ～50%，脈動壓力的降低進(jìn)而降低船體振動［20］。

槳前導(dǎo)流鰭的節(jié)能效果因船型而異，油船的節(jié)能效果約為4%，集裝箱船的節(jié)能效果約為2%。

槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪從1966年O.Grim發(fā)表論文“propeller und leitrad”到現(xiàn)在經(jīng)過大量的試驗(yàn)與實(shí)船驗(yàn)證得出其節(jié)能效果為5%～12%。

槳前導(dǎo)流鰭-槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪組合節(jié)能裝置是槳前節(jié)能裝置與槳后節(jié)能裝置的配套使用，充分利用了槳前后的流體動力特性，是一種有利干擾的組合。

2.2 名村整流鰭-舵附推力鰭組合節(jié)能裝置

名村整流鰭-舵附推力鰭組合節(jié)能裝置［26］是由日本名村造船廠研制的名村整流鰭與舵附推力鰭水動力合理配合的一種組合節(jié)能裝置。

圖9 名村整流鰭-舵附推力鰭節(jié)能裝置Fig.9 NCFRudder-Fin energy-saving devices

名村整流鰭-舵附推力鰭是以改善螺旋槳進(jìn)流并充分利用螺旋槳旋轉(zhuǎn)尾流動能的節(jié)能裝置。圖10給出了安裝名村整流鰭-舵附推力鰭節(jié)能裝置前后的流線對比。

圖10 NCF-R-F安裝前后流線對比Fig.10 Flow image with/without NCF-R-F

該組合節(jié)能裝置相比沒有附體節(jié)能裝置情況下，可以使螺旋槳盤面進(jìn)流更均勻，螺旋槳尾流動能更充分的得以利用。其特點(diǎn)如下:

1）名村整流鰭 (NCF）的整流鰭片矯正船尾處渦流與紊流來流，可以降低船舶漩渦阻力、均勻螺旋槳來流。均勻來流使螺旋槳激振力降低，船體震動降低。名村造船廠通過其5種標(biāo)準(zhǔn)船型的實(shí)船安裝試驗(yàn)，名村整流鰭 (NCF）適用性廣，主機(jī)輸出節(jié)能2% ～5% (相同功率下航速增加0.1～0.25 kn），成本可在幾年內(nèi)收回。

2）舵附推力鰭具有一定的攻角，在螺旋槳后可以充分吸收螺旋槳尾流的旋轉(zhuǎn)動能產(chǎn)生附加推力，瑞典水池 (SSPA）與德國漢堡水池 (HSVA）分別通過試驗(yàn)給出其節(jié)能效果為0%～3%與0% ～5%，具體效果因船型、螺旋槳參數(shù)、舵附推力鰭攻角有關(guān)。

圖11 名村整流鰭-舵附推力鰭安裝前后節(jié)能效果對比Fig.11 Saving effects between rudder fin and NCF

名村造船廠通過4種不同類型船舶的實(shí)船性能試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)在僅使用名村整流鰭 (NCF）的情況下，船舶在滿載航行時(shí)可以節(jié)省約2%～3%的主機(jī)功率，在使用組合節(jié)能裝置的情況下，節(jié)能效果達(dá)到7%～9%，如圖11所示。導(dǎo)流鰭改善了螺旋槳進(jìn)流，舵附推力鰭可以充分利用螺旋槳后旋轉(zhuǎn)尾流動能產(chǎn)生提一定的附加推力。該裝置可以大幅改善主機(jī)燃油消耗降低溫室氣體的排放。

3 基于扭曲反應(yīng)舵的附加水動力組合節(jié)能裝置

最早提出扭曲舵思想的是J.Tutin［27］，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。以扭曲反應(yīng)舵為基礎(chǔ)，通過對扭曲舵進(jìn)行改進(jìn)或與其他附加水動力節(jié)能裝置相組合產(chǎn)生了很多節(jié)能效果優(yōu)良的節(jié)能裝置。

3.1 扭曲反應(yīng)舵-舵球節(jié)能裝置

扭曲反應(yīng)舵-舵球組合節(jié)能裝置［28］是一種扭曲反應(yīng)舵與舵球水動力合理配合的節(jié)能裝置。

圖12 扭曲反應(yīng)舵-舵球組合節(jié)能裝置Fig.12 Twisted full spade rudder energy-saving devices

該組合節(jié)能裝置是在扭曲舵上加裝舵球裝置構(gòu)成的，其節(jié)能原理如下:

1）舵球填充了螺旋槳轂帽后的低壓區(qū)空間，對槳后的水流有良好的整流作用，從而減少了紊流渦流引起的能量損失。

2）扭曲反應(yīng)舵可以起到增加附加推力、更好地吸收螺旋槳尾流能量的作用。

韓國大宇造船廠通過船舶模型實(shí)驗(yàn)得出此節(jié)能裝置可使船舶阻力降低1%～2%。大宇造船廠的預(yù)選定子與此節(jié)能裝置組合可以達(dá)到更高的節(jié)能效果。

圖13 預(yù)旋定子-扭曲反應(yīng)舵-舵球組合節(jié)能裝置Fig.13 Pre-swirl stator-twisted full spade rudder energy-saving devices

預(yù)旋定子 (PSS）是一種安裝在船尾部的導(dǎo)流鰭類節(jié)能裝置，由左側(cè)3個(gè)不同攻角的鰭片與右側(cè)1個(gè)鰭片組成。大宇造船廠通過在瑞典水池(SSPA）的大量試驗(yàn)得出以下結(jié)論［29-30］:

1）預(yù)旋定子并不是通過自身起到節(jié)能作用或是產(chǎn)生附加推力，實(shí)際上，預(yù)旋定子增加了附體阻力，但是預(yù)旋定子通過不對稱的鰭片可以使螺旋槳增加不對稱進(jìn)流并與螺旋槳產(chǎn)生有利干擾。

圖14 有無預(yù)旋定子的螺旋槳進(jìn)流場Fig.14 Wake field with PSS(left）and without PSS(right）

2）預(yù)旋定子的3個(gè)左舷葉片主要作用螺旋槳左舷一側(cè)，可以減少螺旋槳葉片旋轉(zhuǎn)到左舷一側(cè)時(shí)向上運(yùn)動時(shí)的流體滑移損失。

3）預(yù)旋定子的右舷單葉片，可以增加伴流分?jǐn)?shù)提高船身效率，并降低紊亂水流對螺旋槳空泡的不利干擾。

4）預(yù)旋定子可以回收船舶尾部的旋渦能量，

圖15 有無預(yù)旋定子情況下船舶尾部旋轉(zhuǎn)動能Fig.15 Rotational energy behind the ship with PSS(left）and without PSS(right）

大宇造船廠通過瑞典水池 (SSPA）與德國漢堡水池 (HSVA）大量不同噸位、不同船型的模型試驗(yàn)得出，在船型與螺旋槳已經(jīng)優(yōu)化的前提下，預(yù)旋定子還可以提高3%～5%的螺旋槳效率。且預(yù)旋定子更適用于VLCC、LNGC、B/C與大型集裝箱船。

大宇造船廠給出該組合節(jié)能裝置的節(jié)能效果為3% ～6%。

3.2 扭曲反應(yīng)舵-螺旋槳轂帽鰭節(jié)能裝置

扭曲反應(yīng)舵-螺旋槳轂帽鰭組合節(jié)能裝置［28］是一種把扭曲反應(yīng)舵與螺旋槳轂帽鰭水動力合理搭配的組合節(jié)能裝置。

該組合節(jié)能裝置充分利用了轂帽鰭與扭曲舵的水動力性能，其節(jié)能原理如下:

1）轂帽鰭對螺旋槳的尾流起到一種整流作用，使螺旋槳的轂渦消失從而提高螺旋槳的推力。

圖16 扭曲反應(yīng)舵-螺旋槳轂帽鰭節(jié)能裝置Fig.16 Twisted rudder-PBCF energy-saving devices

2）利用螺旋槳尾流在轂帽鰭板上產(chǎn)生一種螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向上的升力。從而提供一個(gè)與螺旋槳扭力矩方向相反的扭矩，這就起到了減少主機(jī)功率的作用。

3）扭曲舵通過扭曲反應(yīng)舵葉吸收螺旋槳尾流旋轉(zhuǎn)動能并產(chǎn)生一定附加推力。

該節(jié)能裝置可以增加1%的推力，降低3%的螺旋槳扭矩。

德國漢堡水池 (HSVA）試驗(yàn)得出該螺旋槳轂帽鰭最高可以到達(dá)3%的節(jié)能效果。扭曲反應(yīng)舵可以提高1%～2%的螺旋槳效率。

扭曲反應(yīng)舵-螺旋槳轂帽鰭組合節(jié)能裝置的節(jié)能效果約為6%(實(shí)船試驗(yàn)情況），3%(模型試驗(yàn)情況）。

3.3 扭曲反應(yīng)舵-節(jié)能軸支架組合節(jié)能裝置

扭曲反應(yīng)舵-節(jié)能軸支架組合節(jié)能裝置［31］是由扭曲反應(yīng)舵與助推節(jié)能軸支架水動力合理搭配的一種組合節(jié)能裝置。

圖17 扭曲反應(yīng)舵-節(jié)能軸支架節(jié)能裝置Fig.17 Twisted rudder-energy saving shaft strut energy-saving devices

該裝置節(jié)能原理如下:

1）節(jié)能軸支架相當(dāng)于槳前1個(gè)2葉固定葉輪，使水流進(jìn)入槳盤面之前產(chǎn)生一種與螺旋槳旋向相反的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。其與螺旋槳共同作用的結(jié)果與槳后尾流中的周向誘導(dǎo)速度相互抵消，只剩下了平直的軸向流動，減少了一部分能量損失，從而提高了推進(jìn)效率。

圖18 節(jié)能軸支架后切向伴流與軸向伴流Fig.18 Tangentialwake(left）and Axialwake(right）of shaft strut energy-saving devices

2）支架2個(gè)支臂的剖面具有合適攻角。在船舶尾流作用下產(chǎn)生一個(gè)附加推力。

3）扭曲反應(yīng)舵通過扭曲舵葉剖面來適應(yīng)螺旋槳的尾流，充分吸收螺旋槳尾流動能，使舵產(chǎn)生一個(gè)正推力。一般螺旋槳負(fù)荷越重，螺旋槳尾流切向分量越大，反應(yīng)舵的節(jié)能效果越好

節(jié)能軸支架結(jié)構(gòu)形式簡單，使用安全可靠，適用于雙槳或多槳船。對于新船來說，施工安裝方便，與常規(guī)支架沒有大的區(qū)別;對于已經(jīng)建成的船舶，可在原有軸支架支臂上包一層外殼，形成節(jié)能軸支架。

通過某巡邏艇節(jié)能軸支架與常規(guī)軸支架阻力和自航對比試驗(yàn)［32］得出，在航速22～24.86 kn范圍內(nèi)，采用節(jié)能軸支架的船舶有效功率增加約1%，螺旋槳收到功率下降4%～4.5%，轉(zhuǎn)速基本一致。瓊州海峽火車渡輪模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，在滿載工況下采用節(jié)能軸支架后，螺旋槳收到功率較常規(guī)軸支架下降了7.5%(15 kn時(shí)），或者可以提高航速0.33 kn。

9000TEU集裝箱船自航試驗(yàn)結(jié)果顯示:在相同阻力情況下，滿載狀態(tài)時(shí)反應(yīng)舵的收到功率比掛臂舵減少1.3%左右，結(jié)構(gòu)吃水狀態(tài)時(shí)反應(yīng)舵的收到功率比掛臂舵減少1.5%左右。舵空泡試驗(yàn)結(jié)果表明，采用帶有扭曲剖面的反應(yīng)舵，有助于消除或減小舵葉吸力面片狀空泡。

該扭曲反應(yīng)舵-節(jié)能軸支架組合節(jié)能裝置通過槳前與槳后節(jié)能裝置的合理套用，具有很好的有利干擾。

4 結(jié)語

本文介紹的附加水動力組合節(jié)能裝置包括基于導(dǎo)管類的附加水動力組合節(jié)能裝置、基于導(dǎo)流鰭的附加水動力組合節(jié)能裝置、基于扭曲反應(yīng)舵的水動力組合節(jié)能裝置三大類，有前置半導(dǎo)管-導(dǎo)流鰭、槳前導(dǎo)流鰭-槳后自由旋轉(zhuǎn)助推葉輪、扭曲舵-舵球等附加水動力組合節(jié)能裝置。文章主要從節(jié)能原理與效果等做了較詳細(xì)介紹。另外，日本、韓國、荷蘭、瑞典、德國等通過大量的船模試驗(yàn)與實(shí)船驗(yàn)證在船舶附加水動力節(jié)能技術(shù)的研究上具有很強(qiáng)的技術(shù)儲備。我國在相關(guān)技術(shù)上的研究與以上國家還有一定差距。在EEDI時(shí)代船舶節(jié)能減排相關(guān)技術(shù)研究的深入與否，應(yīng)用的合適與否，發(fā)展的先進(jìn)與否直接關(guān)系到我國船舶行業(yè)的生存，國家應(yīng)當(dāng)在相關(guān)領(lǐng)域加大科研投入與研究力度。

［1］魏錦芳，陳京普，周偉新.EEDI中船舶失速系數(shù)fw的計(jì)算方法與軟件開發(fā)［J］.中國造船，2010，51(3）:77-82.

WEIJin-fang，CHEN Jing-pu，ZHOUWei-xin.Study on the calculation method of coefficient fw for the decrease of ship speed in EEDI［J］.Shipbuilding of China，2010，51(3）:77-82.

［2］Resolution MEPC.203(62），Amendments to the annex of the protocol of 1997 to amend the international conwention for the prevention of pollution from ships，1973，as modified by the protocol of 1978 relating thereto［S］，2011.

［3］程紅蓉，陳京普，王艷霞，等.幾種船型優(yōu)化手段在節(jié)能船型開發(fā)中的應(yīng)用［J］.中國造船，2012，53(增刊1）:31-37.

CHENG Hong-rong，CHEN Jing-pu，WANG Yan-xia，et al.Application of several hull lines optimization methods in green ships［J］.Shipbuilding of China.2012，53(S1）:31-37.

［4］HOLLENBACH U，F(xiàn)RIESCH J.Efficient hull forms-What can be gained［C］.Ship Efficiency 2007 1stInternational Conference，Hamburg，Germany，October，2007:8-9.

［5］LEVANDER O.Dual fual engines latest developments［C］.Ship Efficiency 2011 3rdInternational Conference，Hamburg，Germany，2011:26-27.

［6］PREEM M.IMO Tier IIINOx technology status for large two stroke engines［C］.Ship Efficiency 2011 3rdInternational Conference，Hamburg，Germany，2011:26-27.

［7］HAACK T.Energy efficient gas propulsion system with hybrid shaft generator［C］.Ship Efficiency 2011 3rdInternational Conference，Hamburg，Germany，2011:26-27.

［8］蔡金琦.船舶薄層氣膜減阻技術(shù)的試驗(yàn)和應(yīng)用［J］.中國造船，2000，41(3）:9-13.

CAI Jin-qi.Ship resistance reduction by using thin layer of air film［J］.Shipbuilding of China，2000，41(3）:9-13.

［9］王中，盧曉平.水面艦船加裝減阻節(jié)能球鼻艏研究［J］.水動力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯），2006，21(6）:789-795.

WANG Zhong，LU Xiao-ping.Research on high speed surface warship with bulbous bow ［J］.Journall of Hydrodynamics(Ser.A），2006，21(6）:789-795.

［10］趙橋生，張錚錚.無壓載水艙船舶的研究進(jìn)展［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31(7）:17-19.

ZHAO Qiao-sheng，ZHANG Zheng-zheng.A comment on ballast-free ship［J］.Ship Science and Technology，2009，31(7）:17-19.

［11］HARPERSCHEIDT J.LNG as fuel-bunkering，storage and processing［C］.Ship Efficiency 2011 3rdInternational Conference，Hamburg，Germany，2011:26-27.

［12］STEPHAN B.Skysails-using wind power profitably［C］.Ship Efficiency 2009 2nd International Conference，Hamburg，Germany，2011:8-9.

［13］趙志堅(jiān)，王治安，李學(xué)軍，等.綠色船舶技術(shù)研究及應(yīng)用［C］.第十四屆中國科協(xié)年會，2012.

ZHAO Zhi-jian，WANG Zhi-an，LI Xue-jun，et al.Green shipbuilding technology research and application［C］.Venue 5 of the 14th session of the China Association for Science and Technology Annual Meeting，2012.

［14］郝金鳳，強(qiáng)兆新，石俊令，等.船舶設(shè)計(jì)節(jié)能減排技術(shù)策略［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(9）:3-10.

HAO Jin-feng，QIANG Zhao-xin，SHI Jun-ling，et al.Research on responsemeasures for ship emission reduction and energy saving［J］.Ship Science and Technology，2012，34(9）:3-10.

［15］曹關(guān)桐.船舶簡單實(shí)用的節(jié)能附體—“ZAD”導(dǎo)管和“RBS”舵球［J］.天津航海，1994(4）:15-19.

CAO Guan-tong.marine energy-saving device—“ZAD”duct and RBS rudder ball［J］.Navigation of Tianjin，1994(4）:15-19.

［16］STEIN N.Die zustromausgleichsduse-eine neue kompontnente zur verbesserung der arbeitbedingungen des propellers［J］.Hansa，1983(20）.

［17］Kawasaki Shipbuilding Corporation［EB/OL］.http://www.kawasakizosen.com.

［18］JOHAN H.JONG D.A Framework for energy saving device(ESD）decision making［C］.Ship Efficiency 2011 3rd International Conference，Hamburg，Germany，2011:26-27.

［19］SVARDAL J?，MEWISF.Three years of experience with themewis duct-a contribution to ship efficiency［C］.Ship Efficiency 2011 3rd International Conference，Hamburg，Germany，2011:26-27.

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

HUANG Sheng.The technology of ship propulsion and marine energy saving and special propulsion［M］.Harbin:Harbin Engineering University Press，1998.

［21］馬乾初，湯忠谷，張紹清.船舶附體節(jié)能的現(xiàn)狀與前景［J］.武漢造船，1992(5）:36-40.

MA Qian-chu，TANG Zhong-gu，ZHANG Shao-qing.The situation and prospects of marine compounded energysaving［J］.Shipbuilding ofWuhan，1992(5）:36-40.

［22］IR.Frans Quadvlieg.Marine ropulsion and fuel economy［C］.MAritime Research Institute Netherlands，October 13th，2009.

［23］周熊.伴流補(bǔ)償導(dǎo)管的節(jié)能原理及其應(yīng)用［J］.航?？萍紕討B(tài)，1993(4）.

ZHOU Xiong.The energy-saving principle and application ofWake-equalising duct［J］.Marine Fire，1993(4）.

［24］錢文豪，莫誠，衛(wèi)燕青，等.補(bǔ)償導(dǎo)管推力的試驗(yàn)研究［J］.船舶，1997(2）:7-11.

QIANWen-hao，MO Cheng，WEI Yan-qing，et al.Testing and study of the thrustof compensation duct［J］.Ship，1997(2）:7-11.

［25］ユニバーサル造船.船の省エネ技術(shù)開発［N］.日本海事新聞，2010:16-23.

Universal Shipbuilding.The development ofmarine energysaving technology［N］.Japan Maritime News，2010:16-23.

［26］Namura Technical Review［Z］.No.12，Namura Shipbuilding Co.Ltd，2009.

［27］黃勝，郭春雨.船舶推進(jìn)節(jié)能技術(shù)研究與進(jìn)展［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2007，29(1）:27-32.

HUANG Sheng，GUO Chun-yu.Research and development of ship propulsion and marine energy saving［J］.Ship Science and Technology，2007，29(1）:27-32.

［28］CHOIY B.Energy saving devices［Z］.Hydrodynamics R＆D team，DSME，2008.

［29］Dr.-Ing.Uwe Hollenbach，Dipl.-Ing.Oliver Reinholz.Hydrodynamic Trends in Optimizing Propulsion［C］.Second International Symposium on Marine Propulsors smp’11，Hamburg，Germany，June 2011.

［30］LEE J T，KIM M C，SUH J C，KIM S H，CHOI J K.Development of a pre swirl stator propeller system for improvement of propulsion efficiency:a symmetric stator propulsion system［J］.Transaction of SNAK 29(4），Busan，Korea.

［31］H?M?L?INEN R，The high comfort class appendage design for cruise liners，F(xiàn)erries and ropax vessels［C］.First International Symposium on Marine Propulsors smp’09，Trondheim，Norway，June 2009.

［32］張?jiān)椒?船用水動力節(jié)能裝置分析［J］.上海造船，2010(2）:6-13.

ZHANG Yue-feng.The analysis of marine hydrodynamic energy-savingdevice［J］.Shanghai Shipbuilding，2010(2）:6-13.

Research and development ofmarine hydrodynam ic compounded energy-saving

GUO Chun-yu，ZHAO Qing-xin，WU Tie-cheng，DENG Rui
(College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

The countries all-around the world have recognized the importance ofmarine energy conservation，and the techniques of ship propulsion and its energy-saving has been widely focused during the up-trend prices of ship fuel oil，and the shortage of energy，especially the formula of EEDI was given in the 58 th conference of MEPC，and the annexⅥ amendment of MARPOL 73/78 PROTOCOL was formally adopted in the 62nd conference of MEPC.Compared with new energy-saving type of ship and highly efficient propeller，hydrodynamic energy-saving appendages is undoubtedly a kind of low cost，effective significant，convenient installation energy-saving choice.We can get better energy-saving benefits by combining two or more different kinds of hydrodynamic energy-saving appendages.The research and development of the hydrodynamic compounded energy-saving devicewere introduced in this paper，such as the hydrodynamic compounded energy-saving device base on ducts，the hydrodynamic compounded energy-saving device base on fins，the hydrodynamic compounded energysaving device base on twisted rudder，and then the principle and effectof the hydrodynamic compounded energy-saving device was analyzed.

marine energy-saving;EEDI;hydrodynamic energy-saving appendages;hydrodynamic compounded energy-saving device

U661.31

A

1672-7649(2014）04-0001-10

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.04.001

2013-04-22;

2013-05-28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41176074、51209048）;教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20102304120026）;2009年黑龍江省博士后研究人員落戶黑龍江科研啟動資金資助項(xiàng)目

郭春雨(1981-），男，博士，主要研究方向?yàn)榇巴七M(jìn)與節(jié)能、船舶流體力學(xué)性能試驗(yàn)技術(shù)。