張 李 偉

（羅爾斯-羅伊斯船舶制造（上海）有限公司，上海 201204）

Promas推進操縱集成節(jié)能系統(tǒng)設計

張 李 偉

（羅爾斯-羅伊斯船舶制造（上海）有限公司，上海 201204）

近年來，船舶運營成本的壓力以及對排放日趨嚴格的限制推動了船舶附體節(jié)能裝置的廣泛應用。分析指出市場上船舶附體節(jié)能裝置的節(jié)能方式、應用局限性和存在的問題。介紹 Promas推進操縱集成系統(tǒng)的組成以及節(jié)能原理，分析其相對于其他節(jié)能裝置的明顯優(yōu)勢---無船型限制、節(jié)能的同時降低系統(tǒng)的脈動壓力水平及提高船舶的操縱性能、不增加船廠的安裝難度。通過一些實例證明 Promas系統(tǒng)優(yōu)良的性能，可以在各類船型特別是瘦削船型上得到廣泛應用。

Promas；船舶節(jié)能；附體節(jié)能裝置

0 引 言

2008年國際金融危機后的幾年，世界經(jīng)濟增長乏力及運力相對過剩，航運業(yè)跌入低谷；此外，2014年以前一直攀升的油價使航運企業(yè)的燃油耗費居高不下，甚至＞總成本的 50%。隨著國際海事組織對于船舶溫室氣體的排放限制日趨嚴格，船舶的節(jié)能措施受到廣泛關注。

過去的幾年，許多綠色環(huán)保船型設計被市場追捧，大量船舶節(jié)能解決方案得到應用，文獻［1］詳細介紹了目前市場上采用的節(jié)能途徑以及效果。對于這些新的節(jié)能船型設計，船舶附體節(jié)能裝置往往被采用，無論是新造船還是舊船改造，船舶附體節(jié)能裝置都是應用最多的節(jié)能措施。根據(jù)節(jié)能裝置位于槳盤面軸向位置的不同，附體節(jié)能裝置可以分為槳前、槳面、槳后及舵葉節(jié)能裝置（見圖1）。目前市場上船舶附體節(jié)能裝置有幾十種之多。介紹一種推進操縱集成節(jié)能系統(tǒng)方案——Promas，通過闡述其結構及節(jié)能原理、效果及應用實例，驗證其優(yōu)良的性能，并因此被廣泛應用于各類商用、海洋工程及特殊用途船舶。

圖1 部分船舶附體節(jié)能裝置

1 節(jié)能機理

理想螺旋槳推進模型見圖2。

圖2 理想螺旋槳推進模型

其葉元體效率公式為

式（1）中：η為螺旋槳葉元體效率； VA為槳前遠端軸向流速；μa為槳后遠端軸向誘導速度；ωr為槳葉旋轉角速度；r為槳葉任意半徑；μt為槳后遠端周向誘導速度；ε為槳葉阻升比；βi為水動力螺距角。

由式（1）可知，為增大η，可以采取如下措施。

1） 減小比值μa/VA。增大螺旋槳進流速度 VA，減小軸向誘導速度μa，如采用舵球可以減小槳后尾流軸向速度，采用格林姆輪可以回收部分尾流軸向動能。

2） 減小比值μt/ωr。如采用大直徑螺旋槳，增加轉速ω，減小周向誘導速度μt，在槳前設置反向導流片，在槳后設置整流片或采用扭曲舵等。

3） 選用阻升比ε小的剖面和提高葉面加工精度。如提高葉片精度等級，采用機翼型剖面。

需要說明的是，由于船速不可能大幅變化，即使通過局部提高槳前進速往往伴隨更大的阻力損失；而槳轉速受制于主機約束往往不能隨意變動，所以通過提高螺旋槳進流速度及增加轉速來提高效率的做法并不可取。目前所有的附體節(jié)能裝置基本都是通過以上兩者之外的其他措施實現(xiàn)節(jié)能的［2-3］。

2 附體節(jié)能裝置存在的局限

到目前為止，當今的船型設計很少有一種裝置能夠得到普遍的接受和應用，其原因有以下幾種：

1） 安裝空間的限制。如某些槳后葉輪尺寸甚至超過槳葉直徑，受槳葉區(qū)域尾部空間的限制。

2） 空泡剝蝕。某些附體節(jié)能裝置往往帶有大的迎流面積及大的水流攻角，由此易導致低壓區(qū)出現(xiàn)剝蝕現(xiàn)象。

3） 技術復雜性。某些裝置高度依賴安裝精度，稍大的安裝偏差即造成節(jié)能效果的急劇衰減；偏離設計航速或吃水時的效果大大降低；有些裝置的模型試驗有良好效果，但未得到實船驗證；有些額外加裝的裝置帶來了艉軸的振動及艉管破裂等問題。

4） 經(jīng)濟性。某些結構復雜的節(jié)能裝置價格高昂，使投資回收期很長。

此外，絕大多數(shù)節(jié)能裝置在提高效率的同時都犧牲了船舶的操縱性能。

3 Promas設計理念及節(jié)能原理

基于以上原因，無論是船東還是設計公司，都希望船舶保持低燃耗而又不犧牲其他性能，而 Promas系統(tǒng)能夠很好地滿足這一設計需求：具有比較明顯的節(jié)能效果且不影響船舶的操縱、噪聲及振動性能，能應用于各種船型且不增加安裝難度。

對于單獨的螺旋槳改進設計，效率提高的空間往往只有 1%～2%；但是如果把船體、螺旋槳及舵葉作為一個系統(tǒng)來考慮，兼顧它們之間的流場影響和匹配，那么整體推進效率的提高潛力還是較大的，研究表明甚至可以達到10%。Promas就是這樣一種綜合的推進解決方案，將各自獨立的常規(guī)節(jié)能設計有機地整合在一起，使螺旋槳與舵匹配于船體組成一個整體的推進單元，從而實現(xiàn)性能的最大化改進［4］。

圖3為Promas 系統(tǒng)組成示意。此系統(tǒng)包括一個帶有球鼻的前緣扭曲懸掛舵，并由槳轂罩平滑過渡到槳轂，槳的設計與舵及船體尾部流場匹配，并同傳統(tǒng)的槳-舵系統(tǒng)一樣容易安裝，其節(jié)能原理如下。

1） 舵球。舵球是一種廣為人知的提高推進效率的裝置，可以減小槳轂處的渦旋損失，增大槳后伴流分數(shù)從而減小槳后尾流收縮（減小軸向誘導速度），由于槳轂后低壓區(qū)減少，使得船體推力減額減小。

2） 扭曲舵。扭曲舵通過適當?shù)呐で鷮н吀行У鼗厥諛笪擦鞯男D能量（減小周向誘導速度）以此增大軸向推力；同時，扭邊可減小舵葉來流的本地攻角從而減少或避免片狀氣蝕的發(fā)生。扭曲導邊的形狀以及垂直方向上的分布根據(jù)槳后尾流的角度和速度場分布來確定，以匹配槳葉的負荷分布和來流的伴流分布（見圖4）。

圖3 Promas系統(tǒng)組成示意

圖4 扭曲舵

3） 匹配槳葉設計：對于傳統(tǒng)螺旋槳槳葉的設計主要基于槳前船體的伴流場分布，槳葉的葉梢和葉根區(qū)域是卸荷設計以避免過強的渦旋對下游設備的空泡影響以及控制壓力脈動幅度及噪聲。而Promas系統(tǒng)中，由于采用帶球鼻舵葉，使得通過槳葉根部截面流體減速，伴流場的平緩變化使流過槳葉根部截面的來流角度變化更小。這就使螺旋槳的設計也能匹配于下游受影響的流場，且槳葉上的負荷分配得到優(yōu)化（見圖 5）。葉片半徑方向上從葉根到葉梢的槳葉負荷的均勻分布有利于推進效率提高，同時壓力脈動和噪聲等級相對減小。而在螺旋槳的設計中實現(xiàn)低壓力脈動、低噪聲指標與高推進效率的平衡，對于高航速、高負荷的螺旋槳尤為重要。

圖5 槳葉負載再平衡

此外槳轂罩的存在是為了使槳轂尾流平緩過渡到舵球位置，其尺度決定于槳轂及舵球尺寸，其與舵球之間的間隙既應考慮舵及槳的軸向竄動，又須考慮對推進效率的影響，因而需在一個合適范圍內。

4 Promas應用案例及效果

圖6為一艘分別采用Promas設計、帶舵球舵葉和普通槳葉設計的單槳化學品船與常規(guī)舵葉和普通槳葉設計情況下效率提高的對比模型試驗結果（此時舵角為0°）。由圖6可知，在設計點（15kn）附近一定航速范圍內，雖然效率改善有些衰減，但是總的效率改善在4%～5.1%。

對于船舶在長航模式下的真實運營條件，除了航速會在一定范圍內變化之外，在自動舵模式下舵角也會在小范圍內頻繁變化。圖7即為航速固定在15kn、舵角在±5°變化的3種配置情況下的節(jié)能效果模型試驗對比，通過對比可知，當舵角增大時，推進系統(tǒng)耗費的能量會增大，但是若對于相同舵角，Promas有著與 0°舵角時同等的節(jié)能效果。因此，Promas系統(tǒng)設計能充分考慮船舶實際運營工況，實現(xiàn)全工況下的節(jié)能。

圖6 某單槳化學品船在航速范圍內效率提高模型試驗對比

圖7 某單槳化學品船在舵角范圍內效率提高模型試驗對比

以上案例中槳葉及舵葉都是基于Rolls-Royce公司的方案設計的，圖8為另一艘50000dwt成品油輪的Promas系統(tǒng)與原設計模型試驗結果對比（舵角為0°）。需要指出的是原設計也采用了帶舵球舵，但是槳和舵由不同的供應商提供并無匹配設計。從圖中可以看出，Promas系統(tǒng)在13～16.5kn航速范圍內達平均4.3%的節(jié)能優(yōu)勢，這得益于Promas優(yōu)良的舵葉剖面及負荷匹配槳葉和整個系統(tǒng)設計。

對于瘦削型高速船，大部分的附體節(jié)能裝置都無法表現(xiàn)出良好的節(jié)能效果，這是因為節(jié)能裝置本體由于高速進流阻力完全抵消了其因為改善伴流而增加的推進效率。而 Promas系統(tǒng)由于基本沒有增加額外的部件和迎流面積，所以系統(tǒng)的阻力不會快速增加，仍然能實現(xiàn)可觀的效率提高。圖9為某2800TEU集裝箱船Promas系統(tǒng)與原設計槳和常規(guī)舵的模型試驗對比，由該圖可知，在21.5kn航速時的節(jié)能效果達到了4.4%。此外，空泡試驗測試結果表明，Promas系統(tǒng)都表現(xiàn)出更低的脈動壓力水平。

圖10為現(xiàn)代尾浦為Neptune建造的3900車PCTC 汽車運輸船Promas系統(tǒng)與原設計槳和舵在各吃水條件下模型試驗對比，在17.5kn設計航速和設計吃水8.7m時，Promas的節(jié)能效果達到了4.7%，同時在非設計吃水時節(jié)能效果也得到保證，而在實船航行試驗中得到的結果＞5%［5］。

關于模型試驗的結果是否真實反映實船結果一直是考慮和爭論的問題，這是因為尺度效應的作用，而受制于海況、天氣及裝載條件等系列因素，實船條件往往與模型試驗所參照的設計條件不可能完全一致，所以只能以模型試驗的結果為依據(jù)。文獻［4］細致研究了許多關于推進效率與尺度效應的資料后認為，對于Promas系統(tǒng)，實船的效果比模型試驗的效果更好，而從目前的一些實船報告來看，也驗證了其分析。

此外，Promas系統(tǒng)在提高推進效率的同時也能帶來船體操縱性能的提高，這主要是因為扭曲舵的導邊使來流的本地攻角變小從而減小了舵葉表面的流線分離，增大了舵葉的升力系數(shù)。另外，舵球的應用也增大了舵葉的投影面積，提高了舵葉的總升力；圖11為某船配置兩種不同Promas舵（圖中-P即為Promas舵）與相同尺寸常規(guī)舵升力在設計航速下及低速下的對比。經(jīng)過統(tǒng)計認為，Promas舵最大升力平均提高15%，特別是對于低速下要求良好操縱性能的船舶來說是非常重要的優(yōu)勢。

圖8 50000dwt成品油輪Promas與原設計模型試驗對比

圖9 2800TEU集裝箱船Promas系統(tǒng)與原設計推進效率 及脈動壓力水平模型試驗對比

圖10 3900車PCTC船Promas系統(tǒng)與原設計模型推進功率對比

圖11 Promas舵與常規(guī)舵升力性能對比

對于阻力，文獻［6］測試的結果是相對于同樣尺寸的常規(guī)舵，阻力系數(shù)基本不變，甚至在大舵角的情況下帶舵球扭曲舵的阻力系數(shù)會更低。

5 結 語

過去的一年雖然國際油價波動很大，但對船舶排放的日趨嚴格的限制成為開發(fā)及應用船舶附體節(jié)能裝置的現(xiàn)實驅動。無論是船東還是設計公司都希望船舶保持低燃耗而又不削弱其他性能。而 Promas推進及操縱節(jié)能系統(tǒng)很好地順應了這一設計理念。應用結果表明：對于單槳肥大船型其節(jié)能效果可以達到 8%，對于單槳高速船型其節(jié)能效果可達到5%，而對于雙槳船型如RoRo船，其節(jié)能效果可達到6.5%。同時，系統(tǒng)的脈動壓力幅值可以減小25%，而操縱性能可以增加15%。 這使得Promas被廣泛應用于各類型船舶，尤其是瘦削船型裝船率較高。

［1］ 張李偉，錢疆偉，陸明秋，等. 船舶節(jié)能途徑與發(fā)展趨勢綜述［J］.船舶，2015， 26 （5）： 30-39.

［2］ 王國強，盛振邦. 船舶推進［M］. 北京：國防工業(yè)出版社，1985.

［3］ 陳雪深，裘泳銘，張永. 船舶原理與結構［M］. 上海：上海交通大學出版社，1990.

［4］ PETTERSSON G， NERLAND K K. Integrated propultion manoeuvring system for improved propulsive performance ［R］. Kristinehamn： Sweden， Rolls-Royce， 2011.

［5］ KRIEZISA G A， VASSILIKOS M N. Short sea： an operator’s view［J］. Marine Technology， 2014 （21）： 30-37.

［6］ COLLAZO A C， FERNáNDEZ A S. Flow adapted rudder geometry for energy efficiency improvement on fishing vessels［C］//First International Symposium on Fishing Vessel Energy Efficiency. E-Fishing， Vigo， Spain， 2010.

Design of Promas Propulsion and Maneuvering Integrated Energy Saving System

ZHANG Li-wei
（Rolls-Royce Marine Manufacturing （Shanghai） Limited， Shanghai 201204， China）

The increasing operational cost and the strict emission limit have promoted the wide application of ship appendage energy saving devices in recent years. This paper analyzes the energy saving mode， the applicability limit and the existing problems of ship appendage energy saving devices in the market， introduces the components and energy-saving principles of Promas propulsion-maneuvering integrated system， and analyzes its strong advantages over other energy-saving devices such as no limitation on ship type， reduction of system fluctuating pressure while energy-saving， improvement of ship maneuverability and no installation difficulty increased for shipyards. The excellent performance of Promas system is proved by some practice examples and the system can be applied to various ship types，especially slender ship types.

Promas； ship energy saving； appendage energy saving device

U661.33+6

A

2095-4069 （2016） 05-0035-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.05.007

2015-08-21

張李偉，男，工程師，1981年生。2006年哈爾濱工程大學輪機工程專業(yè)碩士畢業(yè)，現(xiàn)主要從事船舶設備的銷售支持工作。