冉洪波，彭言峰

（南通遠(yuǎn)洋船舶配套有限公司，江蘇 南通 226013）

0 引言

作為海上運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ?，船舶在營運(yùn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量有害的氮氧化物、硫氧化物等，對環(huán)境帶來嚴(yán)重污染。近年來，國際海事組織（IMO）高度關(guān)注船舶的節(jié)能減排，陸續(xù)出臺(tái)多項(xiàng)新規(guī)則、新要求，如船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI、船舶能效營運(yùn)指數(shù)EEOI、船舶能效管理計(jì)劃SEEMP 等。其中，EEDI 是當(dāng)前船舶設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，EEDI 對船型開發(fā)、創(chuàng)新型節(jié)能技術(shù)應(yīng)用等提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，必須要采取有效的措施來降低EEDI。據(jù)測算，采用船舶節(jié)能新技術(shù)是一種有效途徑，對降低EEDI 的貢獻(xiàn)可達(dá)10% ～15%。

船舶節(jié)能一靠加強(qiáng)基礎(chǔ)管理，二靠技術(shù)進(jìn)步，利用船舶節(jié)能技術(shù)來促進(jìn)船舶開展節(jié)能工作[1]。目前，應(yīng)用于船舶上的節(jié)能技術(shù)集中體現(xiàn)在優(yōu)化船型設(shè)計(jì)，減少船型阻力；采用新型高效螺旋槳，提高螺旋槳的推進(jìn)效率；優(yōu)選動(dòng)力裝置，對船體、螺旋槳、主機(jī)進(jìn)行合理匹配，降低能量損耗；加裝附加水動(dòng)力節(jié)能裝置，將損失的尾流能量轉(zhuǎn)化為有利于船舶前進(jìn)的助推力[2]等方面。應(yīng)用船舶節(jié)能技術(shù)可實(shí)現(xiàn)船舶最大的營運(yùn)效益，同時(shí)可以減少船舶造成的環(huán)境污染，在經(jīng)濟(jì)與環(huán)保方面實(shí)現(xiàn)雙重效益。

1 船舶艉部節(jié)能技術(shù)研究

1.1 節(jié)能原理

通常，船舶能量損失有3 個(gè)方面的原因：1）受到波能干擾和水流粘性的作用，船舶在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致能量損失，約為10% ～18%；2）船舶在推進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中造成的能量損失，約為10% ～22%；3）由于螺旋槳葉端處渦流能量損失和槳后尾流旋轉(zhuǎn)能量損失，約為8% ～18%，隨著推力載荷系數(shù)的增加，能量損失也會(huì)增大。

船舶艉部的形狀與推進(jìn)性能的優(yōu)劣密切相關(guān)，不僅影響著船舶的阻力，還對推力減額和伴流有著很大的影響。船舶艉部能量損失主要分布在3 個(gè)區(qū)域：槳前伴流區(qū)域、螺旋槳區(qū)域、槳尾流區(qū)域。船舶艉部節(jié)能技術(shù)能有針對性地對這3個(gè)區(qū)域進(jìn)行流場干預(yù)、回收能量，以提高船舶推進(jìn)效率并達(dá)到節(jié)能效果，從而能夠降低船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI。

作為船舶重要的推進(jìn)裝置，螺旋槳可以推動(dòng)船舶前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。在螺旋槳前后安裝水動(dòng)力附加節(jié)能裝置可有效提高船舶的推進(jìn)性能，達(dá)到節(jié)能目的。這些水動(dòng)力附加節(jié)能裝置因具有結(jié)構(gòu)工藝簡單、節(jié)能效果顯著等特點(diǎn)，在船舶上得到廣泛的應(yīng)用。

1.2 節(jié)能區(qū)域方案

相應(yīng)地，船舶艉部節(jié)能技術(shù)可分為三類：槳前區(qū)域節(jié)能方案、螺旋槳優(yōu)化方案、槳后區(qū)域節(jié)能方案。

1）槳前區(qū)域節(jié)能方案

槳前區(qū)域節(jié)能方案主要是在螺旋槳前方安裝節(jié)能附加裝置達(dá)到良好的節(jié)能效果。這些節(jié)能裝置安裝在螺旋槳前，可有效改善螺旋槳的進(jìn)流，使之更加均勻或產(chǎn)生旋渦；減少船尾的水流分離現(xiàn)象；使槳前流預(yù)旋，把原來尾流中損失的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)化為推力功，產(chǎn)生附加推力。常見的槳前節(jié)能裝置主要有前置預(yù)旋節(jié)能鰭、前置導(dǎo)管、槳前固定導(dǎo)輪、補(bǔ)償導(dǎo)管、導(dǎo)管前置導(dǎo)流片。

2）螺旋槳優(yōu)化方案

可通過優(yōu)化螺旋槳或采用新型高效的螺旋槳來提高船舶的推進(jìn)性能，達(dá)到節(jié)能效果。螺旋槳參數(shù)的選擇通常根據(jù)船舶的吃水和船尾形狀等因素來確定。對于高速船舶，采用大直徑低轉(zhuǎn)速的螺旋槳，可以提高螺旋槳的敞水效率，增加伴流系數(shù)和推力減額系數(shù)，獲得最佳的船舶推進(jìn)效率?，F(xiàn)在，在船舶上也會(huì)采用高效螺旋槳。高效螺旋槳可提高船舶的推進(jìn)效率，減少激振力，從而可明顯減少船尾振動(dòng)，延長船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備的使用壽命。目前，已經(jīng)實(shí)船應(yīng)用的3 種高效螺旋槳有KAPPEL 螺旋槳、CLT 螺旋槳、NPT 螺旋槳[3]。

3）槳后區(qū)域節(jié)能方案

槳后區(qū)域節(jié)能方案主要是在螺旋槳后方安裝節(jié)能裝置達(dá)到節(jié)能效果。周向旋轉(zhuǎn)能量約占螺旋槳損失50%左右，安裝在螺旋槳后的節(jié)能裝置可更好地適應(yīng)槳后尾流，回收槳后的周向旋轉(zhuǎn)能量，減少能量損失，提高推進(jìn)效率，并可有效減小振動(dòng)噪音、降低空泡腐蝕現(xiàn)象。常見的槳后節(jié)能裝置有轂帽消渦鰭、使用附加舵球、帶舵鰭的節(jié)能舵、扭曲型非對稱舵、槳后固定導(dǎo)輪等。

2 船舶艉部節(jié)能技術(shù)具體應(yīng)用

為更好地順應(yīng)國際海事組織節(jié)能減排要求，應(yīng)對船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI，可以有效改善現(xiàn)有船舶的推進(jìn)效率，南通遠(yuǎn)洋船舶配套有限公司與日本流體技術(shù)有限公司合作開發(fā)的船舶艉部推進(jìn)節(jié)能裝置產(chǎn)品，主要涵蓋ESD-Fin、ESDHvrf、ESD-Rudder 的設(shè)計(jì)、制造、安裝3 個(gè)方面，具有良好的節(jié)能效果，能進(jìn)一步提高船舶的推進(jìn)性能。

圖1 船舶艉部推進(jìn)節(jié)能裝置產(chǎn)品圖

2.1 ESD-Fin

ESD-Fin 又稱節(jié)能鰭，由4～5 片尺寸和螺旋槳半徑相當(dāng)?shù)墓潭ǔ崞M成，這些固定翅片呈放射狀焊接在螺旋槳前面的艉軸管上方。ESD-Fin 可以使進(jìn)入螺旋槳的水流產(chǎn)生與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反的預(yù)旋，抵消螺旋槳產(chǎn)生的同向旋轉(zhuǎn)水流作用，從而可有效降低螺旋槳后面旋轉(zhuǎn)尾流造成的能量損失，提高推進(jìn)效率達(dá)到節(jié)能效果。

ESD-fin 設(shè)計(jì)輕便，安裝方便，在相同吃水、海況、溫度、航速條件下，安裝ESD-Fin 節(jié)能效果達(dá)3% ～5%，適用于新造船和營運(yùn)船，現(xiàn)已成功應(yīng)用在53000 t 散貨船等船型上。

2.2 ESD-Hvrf

ESD-Hvrf 又稱消渦鰭，是一種安裝在螺旋槳槳帽位置用于消除螺旋槳轂渦能量損失的節(jié)能裝置。消渦鰭的葉數(shù)與螺旋槳的葉數(shù)相同，一般為4～5 個(gè)葉片。當(dāng)水流通過螺旋槳時(shí)，由于水流速度加快和旋轉(zhuǎn)彎曲會(huì)導(dǎo)致從各個(gè)槳葉流出的旋流匯聚產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流，這種渦流可導(dǎo)致大量能量損失。在螺旋槳后加裝消渦鰭，可以對流過槳葉隨邊的水流進(jìn)行整流，減小流過槳轂的渦流，從而回收槳轂渦流的能量損失，提高推進(jìn)效率，達(dá)到節(jié)能效果。

ESD-Hvrf 結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、易維護(hù)，在相同吃水、海況、溫度、航速條件下，安裝ESD-Hvrf 節(jié)能效果達(dá)2%～3%，可應(yīng)用于新造船和營運(yùn)船上，現(xiàn)已成功應(yīng)用在82000 t 散貨船、110000 t 油輪等船型上。

2.3 ESD-Rudder

ESD-Rudder 又稱節(jié)能舵，在常規(guī)舵上加裝舵鰭和舵球。舵球設(shè)置在舵葉前端和螺旋槳槳帽相對應(yīng)的位置，呈球形體，與槳帽之間具有一定的間隙。舵球具有流線型的外形，可填充螺旋槳槳帽后面的低壓區(qū)空間，對槳后的水流具有整流作用，從而有效減少螺旋槳的渦流能量損失，并可減輕槳葉的壓力脈沖，起到減少螺旋槳振動(dòng)和空泡現(xiàn)象的目的。舵鰭布置在舵葉兩側(cè)，槳后的水流在經(jīng)過具有一定安裝角度的舵鰭后，方向得到校正，回收螺旋槳尾流場的部分旋轉(zhuǎn)能量，整合原來流場達(dá)到節(jié)能效果。

ESD-Rudder 成本低、安裝簡單，在相同吃水、海況、溫度、航速條件下，安裝ESD-Rudder 節(jié)能效果可達(dá)2% ～5%，適用于新造船。

2.4 節(jié)能裝置組合方案

為使船舶達(dá)到最佳的節(jié)能效果，通常在船上會(huì)選擇采用節(jié)能裝置的組合方案，如ESD-Fin + ESD-HVRF，該組合方案節(jié)能效果可達(dá)3% ～6%，可適用于新造船和營運(yùn)船上；如ESD-Fin + ESD-Rudder，該組合方案節(jié)能效果可達(dá)3%～6%，可適用于新造船上；如ESD-Fin + ESD-Rudder + ESDHVRF，該組合方案節(jié)能效果可達(dá)3% ～7%，可適用于新造船上。

3 結(jié)語

“綠色環(huán)保、節(jié)能減排”是今后船舶行業(yè)的發(fā)展方向，對船舶節(jié)能技術(shù)進(jìn)行研究，開發(fā)多種船舶船舶艉部節(jié)能裝置具有十分重要的意義，可有效降低船舶主機(jī)輸出功率，減少船舶的燃油消耗量，使船東在短期內(nèi)收回投入成本。同時(shí)也為節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境開辟了一條新路徑，能夠帶來良好的環(huán)保效益，為節(jié)能減排做出重要貢獻(xiàn)。