不對(duì)稱節(jié)能尾鰭的試驗(yàn)研究與實(shí)船應(yīng)用

摘 要：船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）的強(qiáng)制性實(shí)施對(duì)船舶設(shè)計(jì)提出了更高的要求，將有更多新型節(jié)能裝置廣泛應(yīng)用于船舶上。通過(guò)試驗(yàn)研究，研發(fā)了船舶不對(duì)稱節(jié)能尾鰭，并成功應(yīng)用于實(shí)船上。船舶不對(duì)稱尾鰭能夠使尾部伴流場(chǎng)穩(wěn)定化和均勻化，提高螺旋槳推進(jìn)效率，降低能耗，實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能。此外，船舶不對(duì)稱尾鰭還能減小螺旋槳激振力引起的船舶振動(dòng)現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：船舶；不對(duì)稱節(jié)能尾鰭

1 前 言

海事組織（IMO）召開(kāi)了海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）第62屆會(huì)議，通過(guò)了EEDI船舶能效規(guī)則的修正案，確立了“船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)”（EEDI）船舶能效標(biāo)準(zhǔn)。船舶能效規(guī)則的強(qiáng)制性實(shí)施對(duì)船舶設(shè)計(jì)新能源技術(shù)應(yīng)用等提出了更高要求。EEDI是衡量船舶設(shè)計(jì)和建造能效水平的一個(gè)指標(biāo)，即根據(jù)船舶在設(shè)計(jì)最大載貨狀態(tài)下以一定航速航行所需推進(jìn)動(dòng)力以及相關(guān)輔助功率消耗的燃油計(jì)算出的二氧化碳排放量，EEDI越大說(shuō)明船舶能耗越高。為了降低能耗，要從設(shè)計(jì)的角度改善船舶線型和螺旋槳的推進(jìn)效率，加強(qiáng)主機(jī)燃燒功率，優(yōu)化船–機(jī)–槳配合等。EEDI標(biāo)準(zhǔn)的提出，督促船舶革新技術(shù)，提升船舶的科技含量。

目前的EEDI基準(zhǔn)著重反映了發(fā)達(dá)國(guó)家的意志，也充分反映了發(fā)達(dá)國(guó)家利用各種手段來(lái)限制發(fā)展中國(guó)家船舶工業(yè)的發(fā)展，提高國(guó)際船舶的準(zhǔn)入門(mén)檻，促使船舶及配套市場(chǎng)向歐美傾斜。對(duì)于我國(guó)而言，船舶能效規(guī)則的提出是挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇。通過(guò)政策的牽引，刺激我國(guó)船舶行業(yè)改良工藝，加強(qiáng)船舶設(shè)計(jì)、建造能力，提升行業(yè)管理水平，擺脫產(chǎn)品低端、企業(yè)低效的被動(dòng)局面。通過(guò)技術(shù)革新，實(shí)現(xiàn)工業(yè)轉(zhuǎn)型，進(jìn)軍船舶高端市場(chǎng)，開(kāi)啟我國(guó)船舶工業(yè)嶄新的一頁(yè)。技術(shù)性減排措施主要包括：船體線型優(yōu)化、氣膜減阻、推進(jìn)裝置及螺旋槳優(yōu)化（對(duì)轉(zhuǎn)槳、導(dǎo)流管、降低伴流分?jǐn)?shù)、改善進(jìn)流等）、發(fā)動(dòng)機(jī)效率的提高、使用岸電、廢熱回收、使用新能源和替代燃料等，這些技術(shù)性措施從根本上減少船舶溫室氣體的排放，是實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排的主要手段。因此，研究和開(kāi)發(fā)新型船舶附體節(jié)能裝置，對(duì)降低EEDI具有重要意義。船舶不對(duì)稱節(jié)能尾鰭屬于船舶新型節(jié)能裝置，使尾部伴流場(chǎng)穩(wěn)定化和均勻化，提高螺旋槳的推進(jìn)效率，降低能耗，實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能。

此外，船舶振動(dòng)是常見(jiàn)現(xiàn)象，船舶設(shè)備或船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)超過(guò)一定的標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)損害主機(jī)和設(shè)備功能的正常發(fā)揮，導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞損傷和影響船員的身體健康和正常的工作。當(dāng)主機(jī)或螺旋槳的周期力作用于軸系以及船體結(jié)構(gòu)時(shí)，將會(huì)引起船體構(gòu)件和相關(guān)設(shè)備的振動(dòng)。導(dǎo)致振動(dòng)的主要激振源是螺旋槳和主機(jī)設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在所有振源中，螺旋槳大約占80%。不對(duì)稱節(jié)能尾鰭屬于整流裝置，可改善船尾的不均勻伴流場(chǎng)，解決螺旋槳激振力引起的振動(dòng)。

2 不對(duì)稱尾鰭的模型試驗(yàn)研究

不對(duì)稱節(jié)能尾鰭屬于船舶新型節(jié)能裝置，如圖1所示。對(duì)采用右旋槳的船舶，尾鰭在槳軸線的上方向左扭曲，在槳軸線的下方向右扭曲一定的角度，其延伸長(zhǎng)度及扭曲角度視實(shí)船的尾形及尾柱與螺旋槳之間的距離而定。不對(duì)稱節(jié)能尾鰭能使水流形成一股預(yù)旋流后再流向螺旋槳，并使流場(chǎng)的軸向伴流和周向伴流更均勻，從而提高螺旋槳的推進(jìn)效率并實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能目的。

模型試驗(yàn)研究在華南理工大學(xué)船模試驗(yàn)拖曳水池進(jìn)行。實(shí)船的船模及舵均為木質(zhì)，船體表面有光滑油漆。為了比較加裝不對(duì)稱尾鰭對(duì)推進(jìn)性能的影響，尾部結(jié)構(gòu)制作成可更換結(jié)構(gòu)。螺旋槳模型材料為巴氏合金，槳型為MAU-4，槳模直徑0.130m，螺距比0.765，盤(pán)而比0.55。對(duì)加裝不對(duì)稱節(jié)能尾鰭后的自航分析采用常規(guī)等推力方法計(jì)算，把切向伴流的影響歸結(jié)到軸向伴流中。

采用一因次方法將船模阻力曲線換算至實(shí)船，其中摩擦阻力系數(shù)按1957年ITTC公式計(jì)算，實(shí)船粗糙度補(bǔ)貼取0.4×10-3。換算中已將船體附體阻力、空氣阻力、殼板厚度等影響按4.3%計(jì)入。試驗(yàn)結(jié)果換算到航行在15℃無(wú)限深廣海域中的實(shí)船。表1為“黃X”輪原型與加裝不對(duì)稱尾鰭后的自航試驗(yàn)結(jié)果。由表1可見(jiàn)，安裝不對(duì)稱節(jié)能尾鰭后，其螺旋槳相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率有明顯的提高。在使用航速范圍內(nèi)（10.5kn-13.5kn），螺旋槳收到功率節(jié)省7.42%-11.26%。在設(shè)計(jì)航速為12.5kn時(shí)，安裝不對(duì)稱節(jié)能尾鰭后，可節(jié)約推進(jìn)功率7.94% 。

由表1看出，船舶加裝不對(duì)稱尾鰭后相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率、船身效率均比原型有顯著的提高。船舶推進(jìn)相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率的提高說(shuō)明了不對(duì)稱尾鰭能夠使螺旋槳盤(pán)面處的周向伴流進(jìn)一步均勻化，所以采用不對(duì)稱尾鰭能夠有效地改善尾部伴流，從而減小了由螺旋槳激振力引起的船體尾部振動(dòng)。此外，船身效率的提高也說(shuō)明了不對(duì)稱尾鰭的整流作用，能使尾部流場(chǎng)均勻化、平穩(wěn)化。

3 不對(duì)稱尾鰭的實(shí)船應(yīng)用

“黃X”輪尾部的振動(dòng)與噪音嚴(yán)重，并伴有金屬敲擊船底板的轟隆隆聲。經(jīng)過(guò)對(duì)后體線型分析，水線去流角偏大，引起伴流場(chǎng)不穩(wěn)定、不均勻，導(dǎo)致螺旋槳產(chǎn)生較大的激振力，從而發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象。2004年3月份在“黃X”輪上首次安裝了該節(jié)能尾鰭裝置，如圖2所示。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)，“黃X”輪安裝不對(duì)稱節(jié)能尾鰭后節(jié)能效果顯著，節(jié)油率約為5.6%，航速提高大約0.25節(jié)。除了達(dá)到節(jié)能的目的外，“黃X”輪安裝不對(duì)稱節(jié)能尾鰭后尾部振動(dòng)也明顯減小。

采用船舶不對(duì)稱節(jié)能尾鰭能改善尾部伴流場(chǎng)，利用不對(duì)稱節(jié)能尾鰭瘦削的剖面形狀減少水線的去流角，使船尾水流均勻化和穩(wěn)定化，流動(dòng)分離變小，減小螺旋槳的激振力。實(shí)船安裝不對(duì)稱尾鰭后，振動(dòng)大幅度減小。因此，采用不對(duì)稱節(jié)能尾鰭，可以解決螺旋槳在船尾不均勻流場(chǎng)中激振力偏大導(dǎo)致的振動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)船應(yīng)用表明，不對(duì)稱節(jié)能尾鰭的整流效果理想，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，成本低，除了達(dá)到節(jié)能的目的外，還可以解決因船尾流場(chǎng)不均勻、螺旋槳激振力偏大引起的振動(dòng)現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

船尾不對(duì)稱節(jié)能尾鰭的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，節(jié)能效果顯著，是值得推廣的一項(xiàng)新的節(jié)能技術(shù)。通過(guò)船模試驗(yàn)和實(shí)船應(yīng)用，均獲得良好的節(jié)能效果。此外，不對(duì)稱節(jié)能尾鰭還能夠降低伴流不均勻引起的船體振動(dòng)。

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