船舶推進節能裝置技術研究及展望

伍賽特

上海汽車集團股份有限公司

0 引言

推進裝置是船舶動力系統中重要的一環，在當前能源儲備日漸稀缺及環保政策日益收緊的趨勢影響下，除了對船舶主機系統進行有效改良外，針對推進系統開展的節能措施研究也逐漸走入了人們的視野[1-4]。

1 船舶推進節能裝置

按螺旋槳相對位置的不同，船舶推進節能裝置可分為槳前節能裝置和槳后節能裝置。槳前節能裝置主要包括前置導管、補償導管、槳前整流鰭（導流鰭）、槳前固定葉輪[5，6]、槳前自由旋轉葉輪及各種導流支架等與船尾伴流相匹配的節能裝置。這些節能裝置通過改善槳盤面的伴流分布，提高推進系統的推進效率，并對槳葉表面空泡現象和船舶激振力也有所改善。

槳后節能裝置主要包括槳后自由旋轉葉輪、槳后固定導輪、轂帽鰭、舵球、舵附推力鰭、舵球鰭、襟翼舵、扭曲舵等，其通過回收利用螺旋槳尾流場中的旋轉能量和渦動能來提高推進效率，實現節能。此外，近些年來還出現了多種不同節能裝置的組合（包括槳前節能裝置之間的組合、槳后節能裝置之間的組合以及槳前節能裝置與槳后節能裝置的組合構成的組合式節能裝置，其充分利用不同節能裝置的節能機理，使其節能效果相互疊加產生優于單個節能裝置的節能效果。

無論是單個節能裝置還是多個節能裝置的組合，其外形特點、外形尺寸大小、產生節能效果的工作機理、設計側重點以及在船體上的安裝位置均不相同，本文選取和理論研究相關的數個節能裝置進行研究。

1.1 補償導管

通常而言，方形系數大于0.6的船舶，艉部的水流分離不可避免，從而造成了艉部的能量損失。因此，造船工程師們在設計艉部型線時，采用了以下幾種方法：

（1）采用球尾船體；

（2）增大螺旋槳葉梢與船底之間的距離；

（3）減小艉部水流去流角（改進螺旋槳的進流速度場）。

這種通過改變船尾型線來改善尾流場的方法，雖然具有一定的作用，但其效果卻不十分明顯。

針對上述問題，德國亞琛工業大學開發了伴流補償導管。經過海上試航和長期使用，綜合裝載情況、航速和海況等因素，船舶平均節能改良效果為8%[7，8]。由于該項技術結構簡單、加工方便、價格低廉、效果良好、對船舶無不利影響（還有利于船舶增加穩定性），我國國內已有相當數量的船舶都裝上了伴流補償導管，其節能效果也很明顯。實踐表明，補償導管具有以下作用：

（1）提高船后螺旋槳的效率；

（2）減少船艉水流分離；

（3）使槳盤面處的水流更為均勻，減小螺旋槳葉梢的負荷，有利于減小螺旋槳引起的振動；

（4）伴流補償導管的整流作用使流向舵葉的水流比較平直，可提高舵葉的效率，改善船舶的操縱性能；

（5）伴流補償導管在船尾兩側增加了面積，有利于提升航向穩定性；

（6）船模適航性比較試驗表明，在規則波試驗中，由于伴流補償導管的存在，主機功率減小達3%～4%，縱搖頻響亦有所改善；

（7）在冰區航行的船舶，伴流補償導管具有保護螺旋槳免受冰塊損傷的作用。

1.2 前置導管

前置導管最早設計于1984年，并由西德伯虜姆-福斯船廠安裝于7萬t的“羅道爾夫·奧爾登道夫”船上。我國在1985年首次將前置導管節能裝置成功地應用于6.5萬t散貨船上，取得令人滿意的效果。從第一只前置導管誕生至今，已有數以百計的船安裝了這種節能裝置，一般節能效果可達4%～10%。

1.3 槳前整流鰭

螺旋槳在水中高速旋轉工作，在其周圍將產生軸向、周向和徑向擾動速度，必將使螺旋槳消耗的能量分成三部分通入水流，其中由于周向和徑向誘導速度帶走的能量將收到損失，而且其中周向誘導速度能引起尾流的旋轉，旋轉不但不產生推力，反而強化水流的漩渦，進一步引起能量損失。

為了減少部分能量損失，可以在槳前船體上安裝導流鰭（整流鰭），通過對水流的“導引作用”，改變流向槳葉的水流方向，使其與槳葉自身的誘導速度相抵消，減少螺旋槳的周向誘導速度，從而減少能量的消耗以提高推進效率。

1.4 舵球

20世紀80年代初，日本川崎重工在船模試驗成功的基礎上，率先在一艘13萬t散貨船“瑞川丸”上加裝舵球，實船試航結果表明確實具有一定節能效果。

20世紀80年代中期以后，世界各國紛紛開始研究和使用舵球節能技術。試驗表明，槳-舵球組合間距的變化對螺旋槳敞水效率的影響明顯，在舵上安裝舵球后一般可使螺旋槳的敞水效率提高達3%～5%。

推進功率的節省是由于“伴流増益”效應所致。光順的舵球消除了原先在螺旋槳槳轂后方發生的旋渦，使槳后尾流變得非常順暢，尾流速度降低，螺旋槳盤面面積增加，從而提髙了螺旋槳推進效率。不僅如此，還可降低船舶的振動和噪聲，明顯改善船舶的舒適性，此外由于尾流順暢，舵效改善，船舶操縱性也有所提高[9]。

1.5 舵附推力鰭

舵附推力鰭是一種回收螺旋槳尾流能量的節能裝置。舵附推力鰭是由日本的IHI公司于1983年首先研制成功，安裝在槳后舵的兩側，其作用原理是使水流經過具有一定攻角的固定鰭后改變原來的方向，轉化為附加推力[10]，起到助推節能的作用。

2 船舶推進節能裝置的研究進展

2.1 船舶推進節能裝置的試驗研究進展

目前，國內外船舶水動力節能裝置的試驗研究基本采用與船模自航試驗研究相同的方法，需要開展螺旋槳模型敞水試驗，有節能裝置和無節能裝置兩種情況下的船模阻力試驗和自航試驗，然后基于兩者的模型試驗數據預估實船的性能，通過比較是否有裝節能裝置實船的性能差異來確定節能裝置的節能效果。

國內研究主要集中在船舶系統內的研究所和開設船舶與海洋工程專業的大學等單位。國外的研究主要以韓國、日本、美國以及歐洲國家的一些研究中心船級社和造船企業為主。研究的熱點是補償導管、整流鰭、舵球、舵附推力鰭以及多種節能裝置的組合[11]。如：前置導管與舵球組合、前置導管與左弦補償導管組合、前置導管與左弦補償導管與右舷整流鰭三者組合、補償導管與舵球組合、整流鰭與舵球組合、舵球與舵附推力鰭緗合、補償導管與舵附推力鰭組合、補償導管與舵球組合、右舷補償導管與舵球組合。

2.2 船舶推進節能裝置的理論研究進展

目前，理論研究方法主要以基于勢流理論的升力線、升力面、面元法以及基于黏性流理論的CFD方法為主。

我國對船舶推進節能技術的理論研究也始終在進行，自2008年開始到目前基于面元法及CFD方法針對船舶推進節能技術開展了大量的理論研究工作和模型試驗研究工作，研究了前置導管、補償導管、整（導）流鰭、舵球、舵附推力鰭、舵球鰭、槳前固定葉輪等節能裝置以及部分節能裝置組合構成的組合式節能裝置[12]。

3 船舶推進節能技術發展動態分析及展望

從船舶推進節能技術的研究進展表明，國內外針對船舶推進節能裝置開展了大量模型試驗研究工作，研發了許多具有顯著節能效果的節能裝置，取得了可喜的成績。但是具體試驗方法一直沿用ITTC推薦的用于有節能裝置的船模試驗方法，并沒有針對節能裝置自身特有的屬性，研究適用于節能裝置節能效果預報的模型試驗方法。

而現有節能裝置節能效果的試驗研究，因涉及較多試驗測試儀器設備，在試驗過程中需要反復拆卸節能裝置與船模并調整船模試驗狀態，導致其試驗結果的重復性差，需要進行試驗方法的改進，研究適合節能裝置自身特點的試驗方法，提高節能效果預報的準確性和預報結果的可重復性。隨著節能技術的發展和各國競爭的日益激烈，適用于船舶推進節能裝置及節能效果并可進行精確預報的全新模型試驗方法將是未來若干年內的研究熱點。

尺度效應對節能裝置節能效果的影響已引起國外相關學者和該行業相關企業的重視，相信在不久的將來，基于全尺寸模型和CFD技術開展節能裝置的優化設計和節能效果數值預報必將成為船舶推進節能技術研究的熱點和發展趨勢。

4 結論

水路運輸是交通運輸系統的重要組成部分，而目前針對船舶推進裝置而開展的節能研究正方興未艾，隨著相關技術水平的不斷完善及政策的不斷優化，基于船舶推進裝置節能技術的相關試驗研究終將達到一個新的高度。