黃光兵，黃樹權(quán)，余獻(xiàn)華

(1.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433；2.中國船舶科學(xué)研究中心 上海分部，上海 201203)

0 引言

2021年6月，國際海事組織海洋環(huán)境保護(hù)委員會第76次會議通過了降低國際航運碳強(qiáng)度的技術(shù)和營運措施，其中現(xiàn)有船舶能效指數(shù)(EEXI)相關(guān)法規(guī)已明確適用于2023年以后首次進(jìn)行年度、中期或防止大氣污染證書(IAPP)更新驗證的營運船舶，營運碳強(qiáng)度指標(biāo)(CII)評級機(jī)制也將自2023年1月1日生效。如果一艘船舶的CII被評為E級，或者連續(xù)3 a被評為D級，那么船舶必須提交相應(yīng)的整改計劃并進(jìn)行整改。在上述背景下，營運船的節(jié)能優(yōu)化改造成為行業(yè)的熱點之一。針對一些船齡較大、推進(jìn)效率相對較差的船型，更換更高效的螺旋槳并安裝水動力節(jié)能裝置是一種十分有效的提升船舶能效水平和降低運營碳強(qiáng)度的技術(shù)措施。

53 000 t散貨船是2005年前后設(shè)計的巴拿馬型散貨船，現(xiàn)市場存量超過100艘。本文對該散貨船節(jié)能優(yōu)化的改造技術(shù)進(jìn)行研究，并通過CFD數(shù)值計算和船模試驗對取得的節(jié)能效果進(jìn)行驗證。

1 基于CFD技術(shù)的方案設(shè)計及優(yōu)化效果預(yù)報

53 000 t散貨船進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化時，對其建立了對船+槳前節(jié)能裝置+高效槳系統(tǒng)相互干擾的流場、阻力和自航性能預(yù)報的CFD技術(shù)體系，對所采取的節(jié)能措施(含前置預(yù)旋導(dǎo)輪+高效螺旋槳+消渦鰭)實現(xiàn)了精確、快捷的數(shù)值預(yù)報。

1.1 高效螺旋槳設(shè)計和應(yīng)用

53 000 t散貨船原有的螺旋槳主要參數(shù)如下：直徑5.9 m，盤面比0.53，葉數(shù)4，質(zhì)量15 228 kg。該槳推進(jìn)效率低，存在優(yōu)化空間。運用CFD技術(shù)對其特性進(jìn)行了分析，并根據(jù)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了改造優(yōu)化，得到了新的高效螺旋槳方案。優(yōu)化后的螺旋槳見圖1，盤面比0.516 8，質(zhì)量15 150 kg。優(yōu)化前后的螺旋槳敞水性能曲線(基于CFD預(yù)期的對比)見圖2。根據(jù)優(yōu)化前后螺旋槳的自航試驗結(jié)果，得到的預(yù)期優(yōu)化效果(基于CFD技術(shù)的預(yù)報)見表1，優(yōu)化的螺旋槳可達(dá)到4%左右的節(jié)能效果。

表1 設(shè)計吃水狀態(tài)螺旋槳優(yōu)化效果

圖1 優(yōu)化后的高效螺旋槳

1.2 消渦鰭

根據(jù)對新設(shè)計槳流場特點分析，并結(jié)合流體計算軟件對消渦鰭方案進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化并完成選型設(shè)計。方案確定后，取螺旋槳設(shè)計點附近的進(jìn)速系數(shù)=0.43進(jìn)行CFD計算，計算域和網(wǎng)格分布模型見圖3。計算結(jié)果如下：螺旋槳進(jìn)速系數(shù)=0.416，推力系數(shù)=1.015，轉(zhuǎn)矩系數(shù)=0.997，螺旋槳效率(相對值)=1.018?？梢?，安裝消渦鰭后螺旋槳推力提高了1.5%，扭矩降低了約0.3%，螺旋槳的效率提升了1.9%。

Kt—推力系數(shù)；J0—進(jìn)速系數(shù)；10Kq—扭矩系數(shù)；Eta0—敞水效率。

圖3 螺旋槳加裝消渦鰭時CFD計算域及網(wǎng)格分布

根據(jù)同級別散貨船以往實船應(yīng)用經(jīng)驗，消渦鰭安裝在實船上的節(jié)能效果會比模型尺度CFD預(yù)報結(jié)果更優(yōu)。預(yù)計此消渦鰭的實船節(jié)能效果為CFD預(yù)報值的1.5～2.0倍，可達(dá)到2.5%～3.0%。

1.3 前置預(yù)旋導(dǎo)輪

在槳前設(shè)置預(yù)旋導(dǎo)輪，可以減少船尾流動分離并改善進(jìn)流場均勻性，恢復(fù)船體尾部表面產(chǎn)生的壓力并額外形成推力，產(chǎn)生預(yù)旋入流以降低螺旋槳尾流旋轉(zhuǎn)能量，從而提高螺旋槳效率。

53 000 t散貨船結(jié)構(gòu)吃水方形系數(shù)約為0.86，艉部線型較為肥大。運用CFD技術(shù)對船舶尾部伴流場的模擬分析發(fā)現(xiàn)，在螺旋槳盤面處存在2對漩渦(見圖4)，因此在螺旋槳前安裝前置預(yù)旋導(dǎo)輪(PSV)對艉部槳前伴流場進(jìn)行調(diào)節(jié)將會起到較好的節(jié)能效果。

圖4 不帶節(jié)能裝置時螺旋槳入口面流場分布圖

為了預(yù)報PSV的節(jié)能效果，運用CFD技術(shù)對前置預(yù)旋導(dǎo)輪進(jìn)行了阻力性能計算分析，見表2。從表中可以看出，加裝PSV設(shè)計方案后船舶總阻力(包含船體、舵、節(jié)能裝置)與不加裝節(jié)能裝置時的船舶總阻力基本相當(dāng)，僅高0.46%。

表2 船體阻力性能比較分析

未加裝PSV和加裝PSV方案的節(jié)能效果評估結(jié)果見表3和表4。從表中結(jié)果對比可見，加裝PSV后船舶收到功率降低了4.91%，而船后螺旋槳推進(jìn)效率則提高了4.86%，因此可認(rèn)為該方案的節(jié)能效果在3.54%左右。

表3 未加裝PSV時船體自航性能分析

表4 加裝PSV時船體自航性能分析

2 船模試驗性能預(yù)報

為了進(jìn)一步驗證CFD計算結(jié)果，針對本次優(yōu)化，進(jìn)行了船模水池試驗。試驗內(nèi)容包括原船螺旋槳敞水試驗、新設(shè)計高效槳敞水試驗、螺旋槳空泡試驗及消渦鰭效用試驗、原船螺旋槳船模阻力及自航試驗、新設(shè)計槳船模的阻力及自航試驗、新設(shè)計槳+前置預(yù)旋導(dǎo)輪船模的阻力及自航試驗。模型試驗預(yù)報結(jié)果見表5、表6。

表5 設(shè)計吃水功率預(yù)報結(jié)果對比及節(jié)能效果分析

表6 壓載吃水功率預(yù)報結(jié)果對比及節(jié)能效果分析

3 對船舶油耗和EEXI及CII的優(yōu)化評估

3.1 改裝前后油耗分析

通過本次優(yōu)化，設(shè)計吃水服務(wù)航速14 kn時，主機(jī)日油耗從28.31 t降低至26.06 t，降幅約8%；壓載吃水服務(wù)航速14 kn時，主機(jī)日油耗由31.76 t降低至28.47 t，降幅約10%。節(jié)能降耗效果十分顯著，對于推進(jìn)營運船綠色改造具有重要的參考意義。

3.2 對EEXI的優(yōu)化評估

參照EEXI的計算方法，通過本次優(yōu)化，本船能效指數(shù)由5.72 g/(t·nm)降低至5.58 g/(t·nm)，優(yōu)化幅度約為2.5%。

3.3 對CII的優(yōu)化評估

本次針對CII的評估基于的運營假定條件見表7?；贛EPC第76次會議發(fā)布的船舶運營CII計算方法和CII基線計算方法，本船節(jié)能改造前計算得到的CII為5.35 g/(t·nm)，在2023年CII評級可定為C級，2026年評級為D級。該船節(jié)能改造后，同等運營條件下計算得到的CII為4.86 g/(t·nm)，CII降低了9.1%，2023年CII評級可定為B級，2026年評級為C級，優(yōu)化效果顯著。

表7 CII評估基于的運營假定條件

4 結(jié)論

(1)根據(jù)CFD計算結(jié)果，新的高效螺旋槳和原船螺旋槳相比，在設(shè)計吃水時可得到4.1%的節(jié)能效果。應(yīng)用消渦鰭(HVAF)方案的節(jié)能效果可達(dá)到2.5%～3.0%，應(yīng)用前置預(yù)旋導(dǎo)輪(PSV)方案在模型尺度時的節(jié)能效果可達(dá)3.54%。

(2)根據(jù)船模試驗預(yù)報，在設(shè)計吃水和壓載吃水時，換裝高效槳達(dá)到的節(jié)能效果約為4%；同時，再增加伴流導(dǎo)輪和消渦鰭，壓載吃水和設(shè)計吃水節(jié)能效果分別可達(dá)約10%和8%。

(3)CFD計算和船模試驗預(yù)報結(jié)果相當(dāng)，證明了針對該船推進(jìn)性能優(yōu)化的節(jié)能效果顯著?；诒敬蝺?yōu)化，船舶的能效指數(shù)可提升約2.5%。本文運營假定計算得到的CII降低約9.1%，按照2023年CII評級要求，可由C級優(yōu)化至B級，2026年可由D級優(yōu)化至C級。