饒勇豐， 張 革， 黃深遠(yuǎn)， 李 鵬

(金海重工股份有限公司, 浙江 舟山 316291)

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前置預(yù)旋導(dǎo)管在VLCC上的應(yīng)用效果研究

饒勇豐， 張 革， 黃深遠(yuǎn)， 李 鵬

(金海重工股份有限公司, 浙江 舟山 316291)

主要介紹了Mewis Duct前置預(yù)旋導(dǎo)管的節(jié)能、減振降噪原理，并以金海重工建造的VLCC J0212船為例，研究了安裝Mewis Duct前置預(yù)旋導(dǎo)管的應(yīng)用效果。

Mewis Duct 前置預(yù)旋導(dǎo)管 VLCC

0 引言

一段時(shí)間以來(lái)，相關(guān)綠色環(huán)保新規(guī)范相繼生效,節(jié)能環(huán)保的航運(yùn)理念逐漸深入人心，航運(yùn)界不論從現(xiàn)實(shí)出發(fā)還是從經(jīng)濟(jì)方面予以考慮，都產(chǎn)生了節(jié)能降耗綠色環(huán)保船型研發(fā)及加裝節(jié)能裝置的技術(shù)熱潮。目前新建商船最為廣泛采用的一款節(jié)能裝置就是前置預(yù)旋導(dǎo)管。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，沒(méi)有任何活動(dòng)部件，完全依靠焊接固定在尾軸套管外，易于施工。前置預(yù)旋導(dǎo)管不僅可以在船舶開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)就引入，也可用于現(xiàn)有營(yíng)運(yùn)船的改造，其節(jié)能效果顯著。德國(guó)Becker marine systems公司2009年正式推出Mewis Duct前置預(yù)旋導(dǎo)管，至2013年短短四年時(shí)間已為全世界范圍內(nèi)的船東安裝了超過(guò)四百多個(gè)前置預(yù)旋導(dǎo)管。

1 Mewis Duct前置預(yù)旋導(dǎo)管節(jié)能原理簡(jiǎn)介

Mewis Duct 前置預(yù)旋導(dǎo)管安裝在螺旋槳的前部，由前置導(dǎo)管Duct和Special Fins預(yù)旋葉鰭兩個(gè)完全獨(dú)立的節(jié)能設(shè)備構(gòu)成，其構(gòu)造如圖1所示。與其他的節(jié)能裝置相比，Mewis Duct致力于降低以下兩個(gè)方面的能量損耗：(1) 通過(guò)前置導(dǎo)管減少船舶的伴流損失；(2) 通過(guò)預(yù)旋葉鰭前整流翼預(yù)旋水流減少滑脫效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)損失，從而進(jìn)一步提高了螺旋槳的推進(jìn)效率[3]。

圖1 J0212 VLCC Mewis Duct結(jié)構(gòu)型式

1.1 整流導(dǎo)管節(jié)能原理

如圖2所示，Mewis Duct安裝在螺旋槳的正前方船尾處，槳前縱中剖面附近，兩側(cè)偏置于槳軸上方，其中心線斜向后上方布置，是具有機(jī)翼形切面的環(huán)流倒流裝置。導(dǎo)管在產(chǎn)生推力的同時(shí)能夠穩(wěn)定導(dǎo)向葉鰭的整流效果，導(dǎo)管直徑小于槳的直徑。水流流經(jīng)導(dǎo)管時(shí)，在機(jī)翼斷面處產(chǎn)生環(huán)流，如圖3所示[1]。

圖2 Mewis Duct前置導(dǎo)管簡(jiǎn)圖

圖3 整流導(dǎo)管界面環(huán)流示意圖

由于前置導(dǎo)管的存在，即環(huán)流的作用，能產(chǎn)生如下的效果。

(1) 環(huán)流加快了導(dǎo)管內(nèi)的水流速度，同時(shí)又使導(dǎo)管外的流速降低。其結(jié)果將有較多的水均勻地流向螺旋槳中上方2/3盤(pán)面處，從而提高了螺旋槳的效率[1]。

(2) 在導(dǎo)管環(huán)流的作用下，尾部水流分離現(xiàn)象小，從而減小了漩渦阻力，降低了能量損耗[2]。

(3) 由于導(dǎo)管的存在，加速了螺旋槳上部的水流速度，引起實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)及推力減額分?jǐn)?shù)同時(shí)減小，但推力減額分?jǐn)?shù)的減小更多，因此船身效率反而提高，故使推進(jìn)效率得到了提高[2]。

(4) 通過(guò)位于螺旋槳前的導(dǎo)管，水流經(jīng)導(dǎo)管均勻地流向槳葉，使葉梢負(fù)荷降低，降低了螺旋槳的激振力[3]。

1.2 Special Fins預(yù)旋葉鰭的作用原理

(1) Mewis Duct預(yù)旋葉鰭產(chǎn)生了與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反的預(yù)漩渦，然后作用到螺旋槳上，使得螺旋槳的負(fù)荷提高進(jìn)而提高推力，顯著提高了螺旋槳的推進(jìn)效率[3]。預(yù)旋整流方案及效果如圖4所示。

圖4 Mewis Duct前整流翼預(yù)旋導(dǎo)向葉鰭

(2) 預(yù)旋葉鰭位于導(dǎo)管的尾端，葉鰭剖面的弦長(zhǎng)小于導(dǎo)管機(jī)翼剖面的弦長(zhǎng)。

導(dǎo)管本身構(gòu)成了葉鰭某種形式的端板，這樣提高了葉鰭的效率。

導(dǎo)管內(nèi)的葉鰭產(chǎn)生的預(yù)旋渦能夠有效降低滑脫效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)損失[3]。

(3) 通過(guò)增加螺旋槳內(nèi)部半徑范圍的負(fù)載，能夠有效降低槳轂處的渦流損失。此效應(yīng)與槳轂和槳直徑的占比成正比，這對(duì)推進(jìn)效率也有一定的提升作用[3]。

圖5 安裝與不安裝Mewis Duct前置預(yù)旋導(dǎo)管的CFD計(jì)算流場(chǎng)對(duì)比

總體而言,經(jīng)過(guò)Mewis Duct預(yù)旋導(dǎo)管整流之后,螺旋槳進(jìn)速流場(chǎng)明顯均勻,相較未安裝導(dǎo)管有明顯的改善, 如圖5所示。

1.3 不同船型的Mewis Duct前置預(yù)旋導(dǎo)管節(jié)能效果分析

節(jié)能裝置的節(jié)能預(yù)期是基于船尾螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)的能量損失，一個(gè)基本的原則是節(jié)能效率不可能超出現(xiàn)有的能量損失。

圖6顯示了基于能量損失分析的Mewis Duct前置預(yù)旋導(dǎo)管可能的節(jié)能系數(shù)。圖中黑色實(shí)線表明了理論計(jì)算的有效功率降低百分比，真實(shí)的節(jié)能效果取決于實(shí)際情況，例如船舶波浪場(chǎng)的性能，螺旋槳的型式和設(shè)計(jì)水平，以及導(dǎo)管本身的設(shè)計(jì)質(zhì)量，以上所有因素將會(huì)導(dǎo)致實(shí)際節(jié)能效果較圖中黑色實(shí)線有±2%的偏差[3]。

圖6 基于能量損失的不同船型前置預(yù)旋導(dǎo)管節(jié)能效果預(yù)估[3]

由圖6可知，在推力負(fù)荷系數(shù)Cth接近3.5時(shí)，油船Tanker節(jié)能最高接近11%，可見(jiàn)在三大常規(guī)船型中，油輪安裝Mewis Duct前置預(yù)旋導(dǎo)管的節(jié)能效果最佳。根據(jù)已有的對(duì)比研究結(jié)論，VLCC船型加裝Meiws Duct前置預(yù)旋導(dǎo)管節(jié)能效果遠(yuǎn)超其他節(jié)能裝置如消渦鰭、舵球、扭曲舵、槳前反應(yīng)鰭，以及單一的伴流補(bǔ)償導(dǎo)管。如圖7所示，在船模水池試驗(yàn)預(yù)報(bào)中，在設(shè)計(jì)吃水20.5 m時(shí)，船速17.45 kn時(shí)，Cth=3.608，按圖7中的最大節(jié)能曲線預(yù)估節(jié)能效果略超11%,實(shí)船試航的最終結(jié)果與理論計(jì)算的預(yù)報(bào)值非常接近。

圖7 設(shè)計(jì)吃水時(shí)船模試驗(yàn)預(yù)報(bào)船體性能參數(shù)表[4]

1.4 Mewis Duct前置預(yù)旋導(dǎo)管減振降噪原理簡(jiǎn)介

此外，據(jù)Mewis Duct Marine System 研究分析，總體而言，加裝Mewis Duct通過(guò)至多降低80%的脈沖壓力能夠顯著降低螺旋槳的激振。通過(guò)葉鰭與導(dǎo)管的綜合作用能有效改善螺旋槳葉梢的空泡現(xiàn)象,不僅能改善螺旋槳的推進(jìn)效率還能提高螺旋槳的使用壽命,降低空泡產(chǎn)生的噪音,并有利于改善船舶的航向穩(wěn)定性。帶導(dǎo)管與不帶導(dǎo)管的螺旋槳空泡效果對(duì)比如圖8所示。

圖8 帶前置預(yù)旋導(dǎo)管與不帶前置預(yù)旋導(dǎo)管的螺旋槳空泡效果對(duì)比圖[3]

2 J0212 VLCC實(shí)際應(yīng)用Meiws Duct前置預(yù)旋導(dǎo)管效果分析

金海重工股份有限公司承建的VLCC J0212船是2009年韓國(guó)KOMAC設(shè)計(jì)的超大型原油輪，其主尺度及相關(guān)參數(shù)如下。

主尺度參數(shù)：

總長(zhǎng)為333.00 m；

垂線間長(zhǎng)為320.00 m；

型寬為60.00 m；

型深為30.50 m；

設(shè)計(jì)吃水為20.50 m；

結(jié)構(gòu)吃水為22.50 m；

載重量為320 000 t；

主機(jī)為MAN B&W 6S90ME-C8(Tier Ⅱ)；

最大持續(xù)功率為MCR 31，620 kW×78 r/min；

常用經(jīng)濟(jì)功率為CSR 26 877 kW×73.9 r/min。

螺旋槳尺寸：

螺旋槳直徑為10.0 m；

固定螺距螺旋槳為四葉；

螺旋槳帶尾軸負(fù)荷為600 N/mm2；

螺旋槳最高轉(zhuǎn)速為78 r/min；

水中最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為438 750 kg·m2；

在設(shè)計(jì)吃水時(shí)服務(wù)航速(0.85MCR含0.15的海水裕度)為16.0 kn；

主機(jī)位于CSR工況為10 200 kcal/kg；

低燃值油料，設(shè)計(jì)日油耗為107 t/每天。

受金融危機(jī)影響，本船建造周期滯后，相較于同期交付的其他VLCC船舶日油耗值偏高，因此新船東要求安裝Mewis Duct前置預(yù)旋導(dǎo)管以提高船舶速度降低油耗。

2.1 船模試驗(yàn)報(bào)告預(yù)報(bào)

在完成相關(guān)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)后，廠家選擇了業(yè)界著名的漢堡水池進(jìn)行船模水池試驗(yàn)。船模試驗(yàn)一共進(jìn)行了壓載、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)三個(gè)吃水的帶導(dǎo)管和不帶導(dǎo)管的對(duì)比試驗(yàn)。其中在船舶吃水20.5 m船速16 kn的工況時(shí)，對(duì)預(yù)旋葉鰭的角度進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化。

(1) 在TF(艏吃水)=8.50 m，TA(艉吃水)=12.10 m壓載吃水時(shí)，如圖9所示。

圖9 壓載吃水時(shí)帶前置預(yù)旋導(dǎo)管和不帶前置預(yù)旋導(dǎo)管的對(duì)比[4]

不帶Mewis Duct前置預(yù)旋導(dǎo)管且無(wú)風(fēng)無(wú)浪的工況下，主機(jī)提供螺旋槳的功率(螺旋槳的收到功率)PD=26 608 kW,實(shí)船預(yù)報(bào)速度V=17.61 kn。

在帶導(dǎo)管時(shí)，在同樣的情況下，實(shí)船預(yù)報(bào)速度V=18.10 kn。

相當(dāng)于在規(guī)格書(shū)考核的船速V=16.0 kn時(shí)，可降低主機(jī)提供螺旋槳的功率(螺旋槳的收到功率)PD值 9.2%。

或者相當(dāng)于在相同螺旋槳收到功率的情況下，帶導(dǎo)管時(shí)可降低螺旋槳轉(zhuǎn)速1.3%[4]。

(2) 在20.5 m設(shè)計(jì)吃水時(shí)，如圖10所示。

不帶導(dǎo)管且無(wú)風(fēng)無(wú)浪的工況下，主機(jī)提供螺旋槳的功率(螺旋槳的收到功率)PD=26 608 kW,實(shí)船預(yù)報(bào)速度V=16.39 kn。

在帶Mewis Duct導(dǎo)管時(shí)，在同樣的情況下，實(shí)船預(yù)報(bào)速度V=16.87 kn。

相當(dāng)于在規(guī)格書(shū)考核船速V=16 .0 kn時(shí),可降低主機(jī)提供螺旋槳的功率(螺旋槳的收到功率)PD值8.2%。

或者相當(dāng)于在相同螺旋槳的收到功率情況下,帶導(dǎo)管時(shí)可降低螺旋槳轉(zhuǎn)速1.5%[4]。

(3) 在22.5 m結(jié)構(gòu)吃水時(shí)，如圖11所示。

不帶導(dǎo)管且無(wú)風(fēng)無(wú)浪的工況下，主機(jī)提供螺旋槳的功率(螺旋槳的收到功率)PD=26 608 kW,實(shí)船預(yù)報(bào)速度V=15.91 kn。

在帶Mewis Duct前置預(yù)旋導(dǎo)管時(shí)，在同樣的情況下，實(shí)船預(yù)報(bào)速度V=16.45 kn。

相當(dāng)于在規(guī)格書(shū)考核船速V=16 .0 kn時(shí),可降低主機(jī)提供螺旋槳的功率(螺旋槳的收到功率)PD值 9.9%。

或者相當(dāng)于在相同螺旋槳的收到功率情況下，帶前置預(yù)旋導(dǎo)管時(shí)可降低螺旋槳轉(zhuǎn)速1.2%[4]。

綜上所述，在三個(gè)典型吃水工況下，前置預(yù)旋導(dǎo)管都具有良好的節(jié)能效果。

圖10 設(shè)計(jì)吃水時(shí)帶前置預(yù)旋導(dǎo)管和不帶前置預(yù)旋導(dǎo)管的對(duì)比

圖11 結(jié)構(gòu)吃水時(shí)帶前置預(yù)旋導(dǎo)管和不帶前置預(yù)旋導(dǎo)管的對(duì)比

2.2 實(shí)船試航驗(yàn)證

我司320 000 DWT VLCC J0212船系我廠安裝的第一個(gè)Mewis Duct前置預(yù)旋導(dǎo)管的VLCC。而J0209船作為我司首制VLCC沒(méi)有安裝節(jié)能裝置。J0212船入ABS級(jí)延伸認(rèn)可了入DNV級(jí)的J0209船的全套圖紙，兩船型線主尺度等完全一致，主機(jī)、螺旋槳、舵頁(yè)等推進(jìn)裝置型號(hào)及設(shè)備參數(shù)基本完全相同。兩船試航測(cè)速時(shí)均在我廠習(xí)慣選擇的東海海域，海況均滿足ITTC試航測(cè)速對(duì)風(fēng)速、浪高的規(guī)定。試航時(shí)兩船均在設(shè)計(jì)吃水工況下進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)實(shí)際吃水及排水量幾乎完全相同，差異可以忽略不計(jì)。兩船均由上海江佳船舶科技有限公司負(fù)責(zé)船舶性能測(cè)試，采用相同的測(cè)試工具DGPS Survey System (Hemisphere)、ITTC測(cè)速修正方法和JiangJia software for sea trial軟件進(jìn)行速度修正。為實(shí)船驗(yàn)證Mewis Duct的節(jié)能效果創(chuàng)造了十分理想的試驗(yàn)對(duì)比條件。

圖12為J0209船(不帶導(dǎo)管)設(shè)計(jì)吃水工況的實(shí)船試航測(cè)速報(bào)告。

圖12 J0209(不帶前置預(yù)旋導(dǎo)管)船設(shè)計(jì)吃水工況實(shí)船測(cè)試速度

由圖12可知,J0209船在主機(jī)輸出0.85MCR帶15% sea margin且無(wú)風(fēng)無(wú)浪時(shí)，船速為V=15.922 kn,略小于船模試驗(yàn)預(yù)報(bào)的16.01 kn,在主機(jī)輸出功率0.85 MCR不帶sea margin時(shí)，船速V=16.655 kn,略小于船模試驗(yàn)預(yù)報(bào)的16.77 kn。由上述內(nèi)容也可知，J0209船試航快速性略差于船模水池試驗(yàn)預(yù)報(bào)速度。

圖13為J0212船(帶前置預(yù)旋導(dǎo)管)設(shè)計(jì)吃水工況的實(shí)船試航測(cè)速報(bào)告。

圖13 J0212(帶前置預(yù)旋導(dǎo)管)船設(shè)計(jì)吃水時(shí)實(shí)船測(cè)試速度

由圖13可知，J0212船在主機(jī)輸出功率0.85MCR帶15% sea margin且無(wú)風(fēng)無(wú)浪時(shí)，船速為V=16.69 kn，在相同條件下比J0209船的15.922 kn船速提高了0.768 kn。在主機(jī)輸出功率0.85MCR且考慮1%軸系能量損失時(shí)(不包含15% sea margin)，船速V=17.45 kn，比相同條件下J0209船模試驗(yàn)預(yù)報(bào)航速V=16.87 kn，提高了0.58 kn。比J0209(未裝前置預(yù)旋導(dǎo)管)實(shí)船航速提高了0.795 kn。相比在規(guī)格書(shū)考核船速V=16.0 kn時(shí),J0212實(shí)船主機(jī)提供螺旋槳的功率(實(shí)測(cè)軸功率)為PD= 20 320 kW，相較未安裝前置預(yù)旋導(dǎo)管時(shí)，在相同的船速時(shí)PD= 23 371 kW，降低主機(jī)提供螺旋槳的功率PD值約13%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出技術(shù)協(xié)議規(guī)定的5.4%節(jié)能指標(biāo)。實(shí)船試航比相同情況下船模水池試驗(yàn)預(yù)報(bào)主機(jī)需提供給螺旋槳的功率PD=21 280 kW也降低4.5%。

基于13%的節(jié)能系數(shù)，假定船舶每年的航行時(shí)間為220天，以設(shè)計(jì)日油耗107.7 t/每天計(jì)算，在油價(jià)為600$/t時(shí)，單船前置預(yù)旋導(dǎo)管每年可節(jié)約燃油費(fèi)約180萬(wàn)美金，投資回報(bào)期約為半年。由此可見(jiàn)安裝前置預(yù)旋導(dǎo)管具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

此外，關(guān)于J0212船VLCC加裝前置預(yù)旋導(dǎo)管后螺旋槳的空泡現(xiàn)象以及螺旋槳的激振噪音情況，因?yàn)樵嚭綍r(shí)并未專(zhuān)門(mén)測(cè)試，有待后期營(yíng)運(yùn)時(shí)，根據(jù)進(jìn)塢螺旋槳檢驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 EEDI指標(biāo)對(duì)比

國(guó)際海事組織第62屆環(huán)保會(huì)于2011年7月15日以MEPC.203(62)決議通過(guò) “MARPOL附則VI修正案——引入船舶能效條款”，已于2013年1月1日生效實(shí)施[5]。在2013年前簽訂建造合同但是于2015年7月1日或以后交付的船舶也必須滿足EEDI階段0的要求。

EEDI要求原則上適用于新船，當(dāng)現(xiàn)有船發(fā)生特別大的重大改建時(shí)也要求追溯適用EEDI要求。

對(duì)新船能效指數(shù)起決定性作用的主要參數(shù)有航速Vref、船舶裝載量或總噸位(Capacity)、為達(dá)到該航速所需的安裝功率PME等。實(shí)船速度顯著的提高對(duì)降低EEDI指數(shù)有十分積極的作用,有利于船舶改善EEDI指標(biāo)。因此安裝前置預(yù)旋導(dǎo)管也是優(yōu)化EEDI指數(shù)的一種有效措施。

根據(jù)J0209船和J0212船實(shí)船試航速度，換算到結(jié)構(gòu)吃水按EEDI要求的計(jì)算主機(jī)推進(jìn)功率75%MCR對(duì)應(yīng)的航速，按照BIMCO提供的EEDI標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算器分別計(jì)算兩船的Attained EEDI值分別如圖14、圖15所示。

J0209 Attained EEDI=2.758，J0212 Attained EEDI=2.616，雖然兩船都不滿足階段0應(yīng)小于Re

quired EEDI=2.510的要求。但是安裝節(jié)前置預(yù)旋導(dǎo)管后J0212船EEDI值較未安裝前置預(yù)旋導(dǎo)管的EEDI值降低5.15%，效果顯著。

圖14 J0209(不帶前置預(yù)旋導(dǎo)管)Attained EEDI值

3 結(jié)論

圖15 J0212(帶前置預(yù)旋導(dǎo)管)Attained EEDI值

在當(dāng)前航運(yùn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)激烈，造船業(yè)持續(xù)低迷的形勢(shì)下, 我司通過(guò)對(duì)VLCC J0212船加裝前置預(yù)旋導(dǎo)管，在不對(duì)船舶進(jìn)行重大改造，增加有限的工期和經(jīng)濟(jì)成本的情況下，取得了顯著的節(jié)能降耗成果。并極大地改善了其EEDI指標(biāo)，使該VLCC的營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性顯著加強(qiáng)，結(jié)果令船東滿意。該VLCC前置預(yù)旋導(dǎo)管節(jié)能裝置的成功實(shí)施，既是金海設(shè)計(jì)院前期嚴(yán)格分析對(duì)比各種節(jié)能裝置，優(yōu)化選型的必然結(jié)果，也是金海重工轉(zhuǎn)型升級(jí)征程中濃墨重彩的一道縮影。

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The Application Effect of Pre-swirl Duct on VLCC

RAO Yong-feng, ZHANG Ge, HUANG Shen-yuan, LI Peng

(Jinhai Heavy Industry Co.， Ltd., Zhoushan Zhejiang 316291， China)

This article mainly introduces the principle of energy saving and vibration/noise reduction. Taking VLCC J0212 as an example, and the application effect of pre-swirl duck is researched.

Mewis duct Pre-swirl duct VLCC

饒勇豐(1984-)，男，本科，從事船舶總體專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)工作。

U661

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