53 000 t散貨船節能優化的改造技術研究

黃光兵，黃樹權，余獻華

(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境保護委員會第76次會議通過了降低國際航運碳強度的技術和營運措施，其中現有船舶能效指數(EEXI)相關法規已明確適用于2023年以后首次進行年度、中期或防止大氣污染證書(IAPP)更新驗證的營運船舶，營運碳強度指標(CII)評級機制也將自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3 a被評為D級，那么船舶必須提交相應的整改計劃并進行整改。在上述背景下，營運船的節能優化改造成為行業的熱點之一。針對一些船齡較大、推進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度的技術措施。

53 000 t散貨船是2005年前后設計的巴拿馬型散貨船，現市場存量超過100艘。本文對該散貨船節能優化的改造技術進行研究，并通過CFD數值計算和船模試驗對取得的節能效果進行驗證。

1 基于CFD技術的方案設計及優化效果預報

53 000 t散貨船進行節能優化時，對其建立了對船+槳前節能裝置+高效槳系統相互干擾的流場、阻力和自航性能預報的CFD技術體系，對所采取的節能措施(含前置預旋導輪+高效螺旋槳+消渦鰭)實現了精確、快捷的數值預報。

1.1 高效螺旋槳設計和應用

53 000 t散貨船原有的螺旋槳主要參數如下：直徑5.9 m，盤面比0.53，葉數4，質量15 228 kg。該槳推進效率低，存在優化空間。運用CFD技術對其特性進行了分析，并根據分析數據進行了改造優化，得到了新的高效螺旋槳方案。優化后的螺旋槳見圖1，盤面比0.516 8，質量15 150 kg。優化前后的螺旋槳敞水性能曲線(基于CFD預期的對比)見圖2。根據優化前后螺旋槳的自航試驗結果，得到的預期優化效果(基于CFD技術的預報)見表1，優化的螺旋槳可達到4%左右的節能效果。

表1 設計吃水狀態螺旋槳優化效果

圖1 優化后的高效螺旋槳

1.2 消渦鰭

根據對新設計槳流場特點分析，并結合流體計算軟件對消渦鰭方案進行反復優化并完成選型設計。方案確定后，取螺旋槳設計點附近的進速系數=0.43進行CFD計算，計算域和網格分布模型見圖3。計算結果如下：螺旋槳進速系數=0.416，推力系數=1.015，轉矩系數=0.997，螺旋槳效率(相對值)=1.018。可見，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；J0—進速系數；10Kq—扭矩系數；Eta0—敞水效率。

圖3 螺旋槳加裝消渦鰭時CFD計算域及網格分布

根據同級別散貨船以往實船應用經驗，消渦鰭安裝在實船上的節能效果會比模型尺度CFD預報結果更優。預計此消渦鰭的實船節能效果為CFD預報值的1.5～2.0倍，可達到2.5%～3.0%。

1.3 前置預旋導輪

在槳前設置預旋導輪，可以減少船尾流動分離并改善進流場均勻性，恢復船體尾部表面產生的壓力并額外形成推力，產生預旋入流以降低螺旋槳尾流旋轉能量，從而提高螺旋槳效率。

53 000 t散貨船結構吃水方形系數約為0.86，艉部線型較為肥大。運用CFD技術對船舶尾部伴流場的模擬分析發現，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旋導輪(PSV)對艉部槳前伴流場進行調節將會起到較好的節能效果。

圖4 不帶節能裝置時螺旋槳入口面流場分布圖

為了預報PSV的節能效果，運用CFD技術對前置預旋導輪進行了阻力性能計算分析，見表2。從表中可以看出，加裝PSV設計方案后船舶總阻力(包含船體、舵、節能裝置)與不加裝節能裝置時的船舶總阻力基本相當，僅高0.46%。

表2 船體阻力性能比較分析

未加裝PSV和加裝PSV方案的節能效果評估結果見表3和表4。從表中結果對比可見，加裝PSV后船舶收到功率降低了4.91%，而船后螺旋槳推進效率則提高了4.86%，因此可認為該方案的節能效果在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 船模試驗性能預報

為了進一步驗證CFD計算結果，針對本次優化，進行了船模水池試驗。試驗內容包括原船螺旋槳敞水試驗、新設計高效槳敞水試驗、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、新設計槳船模的阻力及自航試驗、新設計槳+前置預旋導輪船模的阻力及自航試驗。模型試驗預報結果見表5、表6。

表5 設計吃水功率預報結果對比及節能效果分析

表6 壓載吃水功率預報結果對比及節能效果分析

3 對船舶油耗和EEXI及CII的優化評估

3.1 改裝前后油耗分析

通過本次優化，設計吃水服務航速14 kn時，主機日油耗從28.31 t降低至26.06 t，降幅約8%；壓載吃水服務航速14 kn時，主機日油耗由31.76 t降低至28.47 t，降幅約10%。節能降耗效果十分顯著，對于推進營運船綠色改造具有重要的參考意義。

3.2 對EEXI的優化評估

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

3.3 對CII的優化評估

本次針對CII的評估基于的運營假定條件見表7。基于MEPC第76次會議發布的船舶運營CII計算方法和CII基線計算方法，本船節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，優化效果顯著。

表7 CII評估基于的運營假定條件

4 結論

(1)根據CFD計算結果，新的高效螺旋槳和原船螺旋槳相比，在設計吃水時可得到4.1%的節能效果。應用消渦鰭(HVAF)方案的節能效果可達到2.5%～3.0%，應用前置預旋導輪(PSV)方案在模型尺度時的節能效果可達3.54%。

(2)根據船模試驗預報，在設計吃水和壓載吃水時，換裝高效槳達到的節能效果約為4%；同時，再增加伴流導輪和消渦鰭，壓載吃水和設計吃水節能效果分別可達約10%和8%。

(3)CFD計算和船模試驗預報結果相當，證明了針對該船推進性能優化的節能效果顯著。基于本次優化，船舶的能效指數可提升約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級優化至B級，2026年可由D級優化至C級。