船舶節能技術介紹與分析

劉添宇

(重慶交通大學航運與船舶工程學院 重慶 400074)

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船舶節能技術介紹與分析

劉添宇

(重慶交通大學航運與船舶工程學院 重慶 400074)

海上運輸的主要工具——船舶,隨著物流業的進一步發展,其數量在不斷增加。船舶作為能耗大戶,對其進行節能技術改造,具有重要的現實意義:根據國際通行的預測,石油將在40年內枯竭,天然氣將在60年內用光,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、天然氣等常規能源的供應畢竟是短暫的一瞬間,所以人類必須節約使用這些有限的常規能源。傳統化石能源的緊缺甚至是枯竭迫使船舶行朝著節能、環保的方向轉型，不僅如此，可持續發展觀作為國家戰略提出，很大程度上會促進相關節能產業的發展。

船舶作為一個傳統的運輸工具，幾百年來,雖然船舶的性能有了很大的改進,但整個行業并沒有很大的飛躍,節能的方法和措施依然比較傳統，還存在很大的發展空間，對于相關課題的研究顯得十分有必要，為此本文將介紹幾種船舶節能技術并進行一定的分析和闡述。

一、提高推進效率

(一)舵球。在許內克羅斯潛心研究補償導管的同時,日本川崎重工的科研人員在船模試驗時,發現螺旋槳后的中心部位存在一個明顯的低壓區,該區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流線型的回轉體—舵球。舵球填充了螺旋槳毅帽后的低壓區空間,對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,設置舵球后,舵球將尾流向外半徑排擠,從而減少了尾流收縮,使理想效率得以提高,經模型試驗,幾何參數經優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分布,因而減輕了尾流對舵和船尾的激振作用。

(二)扭曲節能舵。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,而在打舵角時又不影響舵效。哈爾濱工程大學展開了對稱扭曲式反應舵的研究工作,進行了系列的模型試驗和理論研究。某研究所展開了帶有導流罩推力鰭的扭曲舵研究,在500t沿海貨船上加裝時得到了滿載航行時節能8.9%的實效。

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

1.減小了進入槳的水流角度。這樣使船體邊界層變薄,并在這一側不發生水流分離,使不對稱后體的伴流更均勻;預旋改善了進入槳葉的水流,使槳盤面速度場更均勻。

2.便于利用雙體船的“瓶頸”效應,使產生的高速水流直達槳的吸入端,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,還是采用不對稱船妮提高槳推進效率的方法,其主機曲軸中心始終平行或與船中心重合,故幾乎不會影響機艙的布置。

(四)雙體船采用偏移槳傳動方案。采用該方案可提高推進效率9～12%。,當雙體船采用偏移槳傳動時,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側。這樣,因槳都位于內側,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,位于兩片體內側的偏移槳運轉時能吸入離船殼稍遠和流阻較小的水流,除可提高水流相對密集度外,還能較好利用位于兩片體間的“瓶頸”效應增加推進槳的助推力,從而有利于提高推進效率。

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，對于高速船舶，則應該減少興波阻力，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。國外也已經發展成可以上下浮動的球鼻首，可上下自由移動，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。船舶在使用一段時間后，船殼由于被腐蝕等，其表面的粗糙度會增加，同時，海生物對船底的污底和附著也非常嚴重。這些都是節能的大敵。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)采用先進的防涂料系統，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)定期進船塢清洗。(4)水面刮漆和補涂技術。(5)正確選擇合理的涂料和提高油漆施工的質量。(6)對船殼水下部分進行陰極保持和對船殼板進行打砂。

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

三、采用混合動力系統

混合動力系統主要包括兩大部分構成：機械推進部分主要包括高彈性聯軸節、主柴油機軸系、減速齒輪箱、螺旋槳構成；電力推進部分主要包括發電機組、變頻器、軸帶電機、配電板、控制和監測等構成。機械推進部分和電力推進部分由減速齒輪箱連接為一整體。

(一)柴油機推進系統?；钊鶑褪讲裼蜋C，是熱效率最高的一種熱機，具有啟動迅速、部分負荷運轉性能好、安全可靠、功率范圍大、效率高、技術成熟等優點，而且柴油具有能量密度高、成本低、安全性好和便攜性等優點。柴油機作為供給船舶推進動力的主要動力來源，其中速柴油機及低速柴油機在將來的發展趨勢為：越來越大的單缸及單機的輸出功率；高輸出、低排放、低污染的工作效率；柴油機的工作形式越來越趨于智能化，并具有高綜合經濟效益。

(二)電力推進系統。船舶采用的電力推進系統是指由電動機提供的扭矩，通過機械傳動至螺旋槳并將扭矩轉化為向前的推動力。其構成主要包括：電動機、發電機、原動機、配電系統、螺旋槳(推進器)及調節控制輔助設施等。早在20世紀末，船舶的推進形式就采取了電力推進系統，電力推進系統主要應用于軍船領域、渡船、豪華游船、海洋工程船舶等領域。就目前來講，電力推進系統的原動力多由柴油機提供，多應用于比例較小的船舶，并且大部分為小型船舶，然而電力推進系統的發展前景還是比較廣闊的。

(三)混合動力推進模式。混合動力推進是由電動組及主柴油機同時作用于齒輪減速箱的輸入軸來實現聯合動作。此時，軸帶電機的工作模式為電動機，為船舶提供輔助推力。因此，在對主柴油機進行選型時要優先選用小功率型號的柴油機，以降低燃油的消耗量，節省機艙內的空間，從而提高其經濟效益及使用性。

四、總結

上述多種節能技術一些已經投入使用,并獲得了較好的節能效果,而有些節能技術還處于研究開發階段。綜合利用多種節能技術,不斷研究改進節能技術,將大幅度節省船舶燃油費用,有效降低船舶對環境造成的污染。在全球都進行節能研究大背景下,我們國家在船舶節能方面也應投入更大的力量。我們的優勢在于后發優勢,除了在新技術方面要進行不斷創新以外,同時還要通過開發先進的適合全球標準的信息網絡管理技術,對整個船舶進行綜合系統、智能管理,從系統整體上把握創新的方向,從而使我們的船舶業具有更強的競爭能力。

[1]林安平,&余培文.(2008).幾種船舶節能技術性能分析.武漢船舶職業技術學院學報,7,5,15-18.

[2]楊森,楊杰,&苗春暉.(2014).船舶節能環保技術綜述.艦船科學技術,10,1-4.

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