船舶节能技术介绍与分析

刘添宇

(重庆交通大学航运与船舶工程学院 重庆 400074)



船舶节能技术介绍与分析

刘添宇

(重庆交通大学航运与船舶工程学院 重庆 400074)

海上运输的主要工具——船舶,随着物流业的进一步发展,其数量在不断增加。船舶作为能耗大户,对其进行节能技术改造,具有重要的现实意义:根据国际通行的预测,石油将在40年内枯竭,天然气将在60年内用光,煤炭也只能用220年。在人类利用能源的历史长河中,石油、煤炭、天然气等常规能源的供应毕竟是短暂的一瞬间,所以人类必须节约使用这些有限的常规能源。传统化石能源的紧缺甚至是枯竭迫使船舶行朝着节能、环保的方向转型，不仅如此，可持续发展观作为国家战略提出，很大程度上会促进相关节能产业的发展。

船舶作为一个传统的运输工具，几百年来,虽然船舶的性能有了很大的改进,但整个行业并没有很大的飞跃,节能的方法和措施依然比较传统，还存在很大的发展空间，对于相关课题的研究显得十分有必要，为此本文将介绍几种船舶节能技术并进行一定的分析和阐述。

一、提高推进效率

(一)舵球。在许内克罗斯潜心研究补偿导管的同时,日本川崎重工的科研人员在船模试验时,发现螺旋桨后的中心部位存在一个明显的低压区,该区水流十分紊乱并有漩涡,为了减少这部分的能量损失,川崎重工研制出一个流线型的回转体—舵球。舵球填充了螺旋桨毅帽后的低压区空间,对桨后的水流有良好的整流作用,从而减少了紊流涡流弓起的能量损失,设置舵球后,舵球将尾流向外半径排挤,从而减少了尾流收缩,使理想效率得以提高,经模型试验,几何参数经优化的舵球可以消除毅涡,即阻止毅涡形成,减少部分推力损失。舵球改善了螺旋桨后水流的流场分布,因而减轻了尾流对舵和船尾的激振作用。

(二)扭曲节能舵。扭曲舵的基本思想是充分利用螺旋桨尾流的能量,把舵的形状控制成在未打舵角时阻力尽可能小,却能够提供尽可能大的附加推力,而在打舵角时又不影响舵效。哈尔滨工程大学展开了对称扭曲式反应舵的研究工作,进行了系列的模型试验和理论研究。某研究所展开了带有导流罩推力鳍的扭曲舵研究,在500t沿海货船上加装时得到了满载航行时节能8.9%的实效。

(三)采用非对称船娓线型。所谓非对称船娓,就是一种沿轴线切除单体船右舷船娓与双体船两片体内侧船娓影响桨进流的凸出部分线型的一种方案。该方案有以下特点:

1.减小了进入桨的水流角度。这样使船体边界层变薄,并在这一侧不发生水流分离,使不对称后体的伴流更均匀;预旋改善了进入桨叶的水流,使桨盘面速度场更均匀。

2.便于利用双体船的“瓶颈”效应,使产生的高速水流直达桨的吸入端,提高桨的“冲压”程度,以增加辅助推力。此外,由图可见,无论采用桨偏移,还是采用不对称船妮提高桨推进效率的方法,其主机曲轴中心始终平行或与船中心重合,故几乎不会影响机舱的布置。

(四)双体船采用偏移桨传动方案。采用该方案可提高推进效率9～12%。,当双体船采用偏移桨传动时,左片体为右偏移桨,而右片体为左偏移桨,使两桨均位于片体内侧。这样,因桨都位于内侧,使水流分离在界面附近,即流体中水流含量大于气泡含量;且因水流尚未大量分离密集度高,而气泡也少而小。其次,位于两片体内侧的偏移桨运转时能吸入离船壳稍远和流阻较小的水流,除可提高水流相对密集度外,还能较好利用位于两片体间的“瓶颈”效应增加推进桨的助推力,从而有利于提高推进效率。

二、减小船舶阻力

影响船舶的因素很多，其中主要是航速，船型和船舶航行的外界条件，对于大量使用中低速船舶来说，粘性阻力比兴波阻力大得多，对于高速船舶，则应该减少兴波阻力，而减少船舶的阻力主要有以下的措施:

(一)优化船舶的主尺度和线性。我国的主要的船型和线性有：(1)球鼻首船型。国外也已经发展成可以上下浮动的球鼻首，可上下自由移动，或者按照吃水与航速变化改变球体形状。(2)尾端球船型。(3)球尾及双尾型船型。(4)纵流船型。(5)双体船及小水面线双体船。(6)双尾船和平头涡船。

(二)减少船体的粗糙度。船舶在使用一段时间后，船壳由于被腐蚀等，其表面的粗糙度会增加，同时，海生物对船底的污底和附着也非常严重。这些都是节能的大敌。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)采用先进的防涂料系统，用来防止海生物的增长。(2)电解海水防污，通过电解装置将海水分解出氯气，杀灭海生物。(3)定期进船坞清洗。(4)水面刮漆和补涂技术。(5)正确选择合理的涂料和提高油漆施工的质量。(6)对船壳水下部分进行阴极保持和对船壳板进行打砂。

(三)采用船尾附体。采用船尾附体，不仅可以改善尾部流场，从而降低粘性压力，而且可以使螺旋桨推进效率提高，目前采用的附体有：(1)反作用力鳍。(2)前置导管。(3)附加推力鳍。

三、采用混合动力系统

混合动力系统主要包括两大部分构成：机械推进部分主要包括高弹性联轴节、主柴油机轴系、减速齿轮箱、螺旋桨构成；电力推进部分主要包括发电机组、变频器、轴带电机、配电板、控制和监测等构成。机械推进部分和电力推进部分由减速齿轮箱连接为一整体。

(一)柴油机推进系统。活塞往复式柴油机，是热效率最高的一种热机，具有启动迅速、部分负荷运转性能好、安全可靠、功率范围大、效率高、技术成熟等优点，而且柴油具有能量密度高、成本低、安全性好和便携性等优点。柴油机作为供给船舶推进动力的主要动力来源，其中速柴油机及低速柴油机在将来的发展趋势为：越来越大的单缸及单机的输出功率；高输出、低排放、低污染的工作效率；柴油机的工作形式越来越趋于智能化，并具有高综合经济效益。

(二)电力推进系统。船舶采用的电力推进系统是指由电动机提供的扭矩，通过机械传动至螺旋桨并将扭矩转化为向前的推动力。其构成主要包括：电动机、发电机、原动机、配电系统、螺旋桨(推进器)及调节控制辅助设施等。早在20世纪末，船舶的推进形式就采取了电力推进系统，电力推进系统主要应用于军船领域、渡船、豪华游船、海洋工程船舶等领域。就目前来讲，电力推进系统的原动力多由柴油机提供，多应用于比例较小的船舶，并且大部分为小型船舶，然而电力推进系统的发展前景还是比较广阔的。

(三)混合动力推进模式。混合动力推进是由电动组及主柴油机同时作用于齿轮减速箱的输入轴来实现联合动作。此时，轴带电机的工作模式为电动机，为船舶提供辅助推力。因此，在对主柴油机进行选型时要优先选用小功率型号的柴油机，以降低燃油的消耗量，节省机舱内的空间，从而提高其经济效益及使用性。

四、总结

上述多种节能技术一些已经投入使用,并获得了较好的节能效果,而有些节能技术还处于研究开发阶段。综合利用多种节能技术,不断研究改进节能技术,将大幅度节省船舶燃油费用,有效降低船舶对环境造成的污染。在全球都进行节能研究大背景下,我们国家在船舶节能方面也应投入更大的力量。我们的优势在于后发优势,除了在新技术方面要进行不断创新以外,同时还要通过开发先进的适合全球标准的信息网络管理技术,对整个船舶进行综合系统、智能管理,从系统整体上把握创新的方向,从而使我们的船舶业具有更强的竞争能力。

[1]林安平,&余培文.(2008).几种船舶节能技术性能分析.武汉船舶职业技术学院学报,7,5,15-18.

[2]杨森,杨杰,&苗春晖.(2014).船舶节能环保技术综述.舰船科学技术,10,1-4.

刘添宇(1993.7-)，汉族，重庆人，硕士研究生，重庆交通大学，研究方向：船舶水动力学。