船舶節(jié)能技術(shù)介紹與分析

劉添宇

(重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)院 重慶 400074)

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船舶節(jié)能技術(shù)介紹與分析

劉添宇

(重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)院 重慶 400074)

海上運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ摺?隨著物流業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,其數(shù)量在不斷增加。船舶作為能耗大戶,對(duì)其進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義:根據(jù)國際通行的預(yù)測(cè),石油將在40年內(nèi)枯竭,天然氣將在60年內(nèi)用光,煤炭也只能用220年。在人類利用能源的歷史長河中,石油、煤炭、天然氣等常規(guī)能源的供應(yīng)畢竟是短暫的一瞬間,所以人類必須節(jié)約使用這些有限的常規(guī)能源。傳統(tǒng)化石能源的緊缺甚至是枯竭迫使船舶行朝著節(jié)能、環(huán)保的方向轉(zhuǎn)型，不僅如此，可持續(xù)發(fā)展觀作為國家戰(zhàn)略提出，很大程度上會(huì)促進(jìn)相關(guān)節(jié)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

船舶作為一個(gè)傳統(tǒng)的運(yùn)輸工具，幾百年來,雖然船舶的性能有了很大的改進(jìn),但整個(gè)行業(yè)并沒有很大的飛躍,節(jié)能的方法和措施依然比較傳統(tǒng)，還存在很大的發(fā)展空間，對(duì)于相關(guān)課題的研究顯得十分有必要，為此本文將介紹幾種船舶節(jié)能技術(shù)并進(jìn)行一定的分析和闡述。

一、提高推進(jìn)效率

(一)舵球。在許內(nèi)克羅斯?jié)撔难芯垦a(bǔ)償導(dǎo)管的同時(shí),日本川崎重工的科研人員在船模試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)螺旋槳后的中心部位存在一個(gè)明顯的低壓區(qū),該區(qū)水流十分紊亂并有漩渦,為了減少這部分的能量損失,川崎重工研制出一個(gè)流線型的回轉(zhuǎn)體—舵球。舵球填充了螺旋槳毅帽后的低壓區(qū)空間,對(duì)槳后的水流有良好的整流作用,從而減少了紊流渦流弓起的能量損失,設(shè)置舵球后,舵球?qū)⑽擦飨蛲獍霃脚艛D,從而減少了尾流收縮,使理想效率得以提高,經(jīng)模型試驗(yàn),幾何參數(shù)經(jīng)優(yōu)化的舵球可以消除毅渦,即阻止毅渦形成,減少部分推力損失。舵球改善了螺旋槳后水流的流場(chǎng)分布,因而減輕了尾流對(duì)舵和船尾的激振作用。

(二)扭曲節(jié)能舵。扭曲舵的基本思想是充分利用螺旋槳尾流的能量,把舵的形狀控制成在未打舵角時(shí)阻力盡可能小,卻能夠提供盡可能大的附加推力,而在打舵角時(shí)又不影響舵效。哈爾濱工程大學(xué)展開了對(duì)稱扭曲式反應(yīng)舵的研究工作,進(jìn)行了系列的模型試驗(yàn)和理論研究。某研究所展開了帶有導(dǎo)流罩推力鰭的扭曲舵研究,在500t沿海貨船上加裝時(shí)得到了滿載航行時(shí)節(jié)能8.9%的實(shí)效。

(三)采用非對(duì)稱船娓線型。所謂非對(duì)稱船娓,就是一種沿軸線切除單體船右舷船娓與雙體船兩片體內(nèi)側(cè)船娓影響槳進(jìn)流的凸出部分線型的一種方案。該方案有以下特點(diǎn):

1.減小了進(jìn)入槳的水流角度。這樣使船體邊界層變薄,并在這一側(cè)不發(fā)生水流分離,使不對(duì)稱后體的伴流更均勻;預(yù)旋改善了進(jìn)入槳葉的水流,使槳盤面速度場(chǎng)更均勻。

2.便于利用雙體船的“瓶頸”效應(yīng),使產(chǎn)生的高速水流直達(dá)槳的吸入端,提高槳的“沖壓”程度,以增加輔助推力。此外,由圖可見,無論采用槳偏移,還是采用不對(duì)稱船妮提高槳推進(jìn)效率的方法,其主機(jī)曲軸中心始終平行或與船中心重合,故幾乎不會(huì)影響機(jī)艙的布置。

(四)雙體船采用偏移槳傳動(dòng)方案。采用該方案可提高推進(jìn)效率9～12%。,當(dāng)雙體船采用偏移槳傳動(dòng)時(shí),左片體為右偏移槳,而右片體為左偏移槳,使兩槳均位于片體內(nèi)側(cè)。這樣,因槳都位于內(nèi)側(cè),使水流分離在界面附近,即流體中水流含量大于氣泡含量;且因水流尚未大量分離密集度高,而氣泡也少而小。其次,位于兩片體內(nèi)側(cè)的偏移槳運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能吸入離船殼稍遠(yuǎn)和流阻較小的水流,除可提高水流相對(duì)密集度外,還能較好利用位于兩片體間的“瓶頸”效應(yīng)增加推進(jìn)槳的助推力,從而有利于提高推進(jìn)效率。

二、減小船舶阻力

影響船舶的因素很多，其中主要是航速，船型和船舶航行的外界條件，對(duì)于大量使用中低速船舶來說，粘性阻力比興波阻力大得多，對(duì)于高速船舶，則應(yīng)該減少興波阻力，而減少船舶的阻力主要有以下的措施:

(一)優(yōu)化船舶的主尺度和線性。我國的主要的船型和線性有：(1)球鼻首船型。國外也已經(jīng)發(fā)展成可以上下浮動(dòng)的球鼻首，可上下自由移動(dòng)，或者按照吃水與航速變化改變球體形狀。(2)尾端球船型。(3)球尾及雙尾型船型。(4)縱流船型。(5)雙體船及小水面線雙體船。(6)雙尾船和平頭渦船。

(二)減少船體的粗糙度。船舶在使用一段時(shí)間后，船殼由于被腐蝕等，其表面的粗糙度會(huì)增加，同時(shí)，海生物對(duì)船底的污底和附著也非常嚴(yán)重。這些都是節(jié)能的大敵。由于粗糙度的增加，每年要增加燃油30%。防止污底的措施有：(1)采用先進(jìn)的防涂料系統(tǒng)，用來防止海生物的增長。(2)電解海水防污，通過電解裝置將海水分解出氯氣，殺滅海生物。(3)定期進(jìn)船塢清洗。(4)水面刮漆和補(bǔ)涂技術(shù)。(5)正確選擇合理的涂料和提高油漆施工的質(zhì)量。(6)對(duì)船殼水下部分進(jìn)行陰極保持和對(duì)船殼板進(jìn)行打砂。

(三)采用船尾附體。采用船尾附體，不僅可以改善尾部流場(chǎng)，從而降低粘性壓力，而且可以使螺旋槳推進(jìn)效率提高，目前采用的附體有：(1)反作用力鰭。(2)前置導(dǎo)管。(3)附加推力鰭。

三、采用混合動(dòng)力系統(tǒng)

混合動(dòng)力系統(tǒng)主要包括兩大部分構(gòu)成：機(jī)械推進(jìn)部分主要包括高彈性聯(lián)軸節(jié)、主柴油機(jī)軸系、減速齒輪箱、螺旋槳構(gòu)成；電力推進(jìn)部分主要包括發(fā)電機(jī)組、變頻器、軸帶電機(jī)、配電板、控制和監(jiān)測(cè)等構(gòu)成。機(jī)械推進(jìn)部分和電力推進(jìn)部分由減速齒輪箱連接為一整體。

(一)柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)。活塞往復(fù)式柴油機(jī)，是熱效率最高的一種熱機(jī)，具有啟動(dòng)迅速、部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)性能好、安全可靠、功率范圍大、效率高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，而且柴油具有能量密度高、成本低、安全性好和便攜性等優(yōu)點(diǎn)。柴油機(jī)作為供給船舶推進(jìn)動(dòng)力的主要?jiǎng)恿碓矗渲兴俨裼蜋C(jī)及低速柴油機(jī)在將來的發(fā)展趨勢(shì)為：越來越大的單缸及單機(jī)的輸出功率；高輸出、低排放、低污染的工作效率；柴油機(jī)的工作形式越來越趨于智能化，并具有高綜合經(jīng)濟(jì)效益。

(二)電力推進(jìn)系統(tǒng)。船舶采用的電力推進(jìn)系統(tǒng)是指由電動(dòng)機(jī)提供的扭矩，通過機(jī)械傳動(dòng)至螺旋槳并將扭矩轉(zhuǎn)化為向前的推動(dòng)力。其構(gòu)成主要包括：電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、原動(dòng)機(jī)、配電系統(tǒng)、螺旋槳(推進(jìn)器)及調(diào)節(jié)控制輔助設(shè)施等。早在20世紀(jì)末，船舶的推進(jìn)形式就采取了電力推進(jìn)系統(tǒng)，電力推進(jìn)系統(tǒng)主要應(yīng)用于軍船領(lǐng)域、渡船、豪華游船、海洋工程船舶等領(lǐng)域。就目前來講，電力推進(jìn)系統(tǒng)的原動(dòng)力多由柴油機(jī)提供，多應(yīng)用于比例較小的船舶，并且大部分為小型船舶，然而電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展前景還是比較廣闊的。

(三)混合動(dòng)力推進(jìn)模式。混合動(dòng)力推進(jìn)是由電動(dòng)組及主柴油機(jī)同時(shí)作用于齒輪減速箱的輸入軸來實(shí)現(xiàn)聯(lián)合動(dòng)作。此時(shí)，軸帶電機(jī)的工作模式為電動(dòng)機(jī)，為船舶提供輔助推力。因此，在對(duì)主柴油機(jī)進(jìn)行選型時(shí)要優(yōu)先選用小功率型號(hào)的柴油機(jī)，以降低燃油的消耗量，節(jié)省機(jī)艙內(nèi)的空間，從而提高其經(jīng)濟(jì)效益及使用性。

四、總結(jié)

上述多種節(jié)能技術(shù)一些已經(jīng)投入使用,并獲得了較好的節(jié)能效果,而有些節(jié)能技術(shù)還處于研究開發(fā)階段。綜合利用多種節(jié)能技術(shù),不斷研究改進(jìn)節(jié)能技術(shù),將大幅度節(jié)省船舶燃油費(fèi)用,有效降低船舶對(duì)環(huán)境造成的污染。在全球都進(jìn)行節(jié)能研究大背景下,我們國家在船舶節(jié)能方面也應(yīng)投入更大的力量。我們的優(yōu)勢(shì)在于后發(fā)優(yōu)勢(shì),除了在新技術(shù)方面要進(jìn)行不斷創(chuàng)新以外,同時(shí)還要通過開發(fā)先進(jìn)的適合全球標(biāo)準(zhǔn)的信息網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù),對(duì)整個(gè)船舶進(jìn)行綜合系統(tǒng)、智能管理,從系統(tǒng)整體上把握創(chuàng)新的方向,從而使我們的船舶業(yè)具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

[1]林安平,&余培文.(2008).幾種船舶節(jié)能技術(shù)性能分析.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),7,5,15-18.

[2]楊森,楊杰,&苗春暉.(2014).船舶節(jié)能環(huán)保技術(shù)綜述.艦船科學(xué)技術(shù),10,1-4.

劉添宇(1993.7-)，漢族，重慶人，碩士研究生，重慶交通大學(xué)，研究方向：船舶水動(dòng)力學(xué)。