世界节能推进技术研发动向

一波秋水 · 发表于 2013-1-23 20:40

本帖最后由一波秋水于 2013-1-23 21:08 编辑

【摘要】螺旋桨和推进器改良结合减少船体阻力的方法效果更为显著

燃油成本高企，“降低能耗、缩减成本”已成为当前船舶行业的主旋律之一。在各种节能减排、降低油耗的方法中，对于螺旋桨和推进器的改良被公认为是一种长久之计，特别是结合减少船体阻力的方法效果更为显著。
目前，各类节能推进技术，主要集中于改善螺旋桨进流、改善桨叶所受压力、减少桨叶表面摩擦力、更多利用本不能被利用的能量、改善传动轴系。虽然当前已研制出众多推进装置，但依旧存在不少影响推进效率的问题，不过这说明节能推进装置还存在很大发展潜力。另外，从这些技术的开发公司来看均为国外船企，我国在此领域还需努力。

预旋定子

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图1：大宇公司某型非对称PSS系统示意图

据汉堡船模试验水池（HSVA）高层所述，螺旋桨在水中所产生的能量损失主要有以下几方面：因桨叶表面摩擦力而造成的损失；因桨轴轴向射流而造成的损失（占能量损失的2/3）；因螺旋桨在非旋流中旋转而造成的损失；因螺旋桨叶梢涡旋而造成的损失；因桨毂涡旋而造成的损失。
人们对于管系已进行了大量的研究，并生产了一系列可供客户选择的优化方法、尖端设计，特别是对新造船而言。而轴向射流方面，虽然目前还没有能从实质上解决能量损失的方法，但研究方向已为人们所明确，即低增速、导流管和导管、涡流发生器、舵鳍等，从而研发并测试了多种多样的毂、螺旋桨和舵。
一般情况下，随着螺旋桨的旋转，在后方的水中将会产生与螺旋桨旋转方向相一致的涡流，这种涡流并不能有助于船体的推进，相反，却能降低相当于那部分能量的螺旋桨推进效率。因此，减少这样的涡流，就可增加相当程度的螺旋桨推进效率。HSVA也指出，减少螺旋桨的进流可取得最佳的推减和伴流系数，从而提高效率。在各种方法中，安装预旋定子就是一种可改善进流的措施，并已开始渐渐进入市场。
目前，许多船厂已加入了该技术的开发队列，大宇公司的“预旋定子”（Pre Swirl Stator，PSS）就是其中之一。PSS系统包含了一组叶片，成一定角度固定于螺旋桨前方适当的位置，通过使进入螺旋桨的水流反向旋转以减少尾流的旋转损失。该系统已由HSVA进行了测试，安装于2艘VLCC时，测试结果显示在设计吃水和压载吃水模式下可节能5%，安装于1艘卡姆萨最大级散货船时，设计吃水模式下可节能6%，不过压载吃水模式下仅节能1%。从这点可以看出，新的设计并不是所有船型都适用，而是需要根据不同的情况进行合适的选择。另外，HSVA还报道说，德国某船东的部分新造船上由于采用了PSS技术，螺旋桨根部出现裂纹，导致船东要求移除该项新技术，不过HSVA认为这可能更偏重于结构强度问题。

Mewis Duct系统

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图2 贝克尔公司MD系统

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图3 MD系统流场示意图

贝克尔船舶系统公司的Mewis Duct（MD）系统是另一种依靠改善进流而节省能源的方法。该系统通过改善尾部伴流场来减少船舶所需要的推进功率，有望降低6％～8%的能耗。系统由一根垂向偏置安装于螺旋桨前方的管道，以及非对称鳍组成。通过***水流并使其预旋转，形成一个与螺旋桨旋转方向相反的预漩涡，然后作用到螺旋桨上，可大大提高螺旋桨效率，从而做到节能减排，同时还有利于提高船舶操纵性能。若同时结合贝克尔舵，将更大程度地提高推进效率。目前该系统已经过大量测试，且已安装于加拿大Greig航运公司45000～50000载重吨的实船上，报告显示，螺旋桨诱导压力脉冲和叶梢空泡现象有所减少，船尾部的振动也因此减轻。据称，MD系统的投资成本可在两年内收回。

CLT螺旋桨

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图4 CLT螺旋桨示意图

“尾流收缩叶梢有载”（Contracted and Loaded Tip，CLT）螺旋桨是西班牙Sistemar公司推出的一型螺旋桨，目前已在油船、散货船、滚装船、客船、渔船等船型上广泛应用。时至今日，已有约280艘船采用了该项技术，其中不乏一些世界级船东，如AP穆勒·马士基（油船）和Cargill International，可谓是获得了较大成功。CLT螺旋桨桨叶形状、几何参数与常规桨不同，在叶梢处剖面有边界元，意在隔开桨叶前、后压力场以阻止叶梢处压力互相干扰，并使叶梢处叶背负压小于常规螺旋桨，而叶面压力则大于常规螺旋桨，同时还减少了水动力螺距角，从而提升螺旋桨效率。该型螺旋桨在敞水环境下效果更好，可节能3％～4%。

CRP

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图5 对转螺旋桨工作原理图

对转螺旋桨（CRP）是一型有趣又有效的设计，不过问题同样不少，尤其是成本问题和是否符合船级社规范问题。CRP由两个螺旋桨组成，一前一后分别安装于2台位于内、外轴的独立推进装置上，其中一个螺旋桨处于另一个的顺流方位，如此一来便可使两个螺旋桨旋转在相反方向，从而使前一螺旋桨所产生的未能被有效利用的涡动能量在后一螺旋桨上得到利用。根据船舶参数的不同，如运营航速、现有螺旋桨效能和艉部船型等，CRP的节能范围在2％～20%之间。石川岛播磨联合海事公司是开发该类技术的厂商之一，目前已计算出该技术的成本回收时间约为3年，对此，DNV和HSVA持谨慎乐观态度。

NPT螺旋桨

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图6 Stone公司NPT螺旋桨

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图7 32500 DWT级散货船NPT螺旋桨海试结果

另一种较引人注目的节能技术为Stone船用推进公司的“新外形技术”（NPT）螺旋桨。该技术通过减小桨叶表面积以减少摩擦力，从而降低能量损失。减小桨叶面积的原理则是依靠使桨叶所受压力平均分布得以实现。此外，螺旋桨传递到船体的激振力也将减少，空泡特性也将得到改善，而成本却和常规螺旋桨相当。
该公司截至目前已接获了50份以上的NPT订单，其中就有丹麦Norden公司的3艘32500载重吨级散货船。按照当初的计划，预计该型散货船采用NPT后可提高3%的能效，而该数值在船厂的海试报告中则提升到了6%。虽然这一结果可能还受到其他因素影响，如航行环境、测量精度等，可以肯定的是，节能目标已经达到，或许还能超出预期。

吊舱推进

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图8 ABB公司Azipod推进系统

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图9 罗·罗公司“美人鱼”吊舱式电力推进系统

吊舱推进投入市场已有20年，制造商一直在根据需求进行该技术的调整，因此吊舱推进可谓是一种较好地得到证实的先进技术。总部位于瑞士的ABB公司就是吊舱推进技术的专家之一，其吊舱式电力推进系统，Azipod拥有着很高的市场占有率，世界上有超过100艘的船采用了该推进系统。该系统的主要特征为1台由变频器控制的电动机，驱动1个可360°回转的定距螺旋桨。
Azipod推进系统特别受豪华旅游船的青睐，包括皇家加勒比豪华旅游船公司的“海洋绿洲”号、“海洋魅惑”号；新建的皇家加勒比公司“海洋光辉”号和Celebrity Cruises公司的“Celebrity Reflection”号同样采用了Azipod系统；挪威豪华旅游船公司去年也为其两艘143500总吨的豪华旅游船订购了该推进系统。
Azipod首次登陆豪华旅游船市场的时间为上世纪90年代，当时所提高的能效达8%，主要是因为去除了传动轴系。之后随着技术的逐步发展，可提升的总能效进一步增加，达到12%。其中，比较成功的开发产物为Azipod XO系列和Azipod C系列，前者在敞水环境下适用功率范围为4500～25000kW，此外还有支持冰区航行的版本和对转版本，后者为适用于小功率发动机的紧凑型版本。
据ABB称，从水动力学上来看，Azipod系统依旧还有很多潜力可发掘，未来会进行更多的新概念研究、测试和应用，以进一步提高船舶能效。2011年，ABB试图通过一些改良措施，将Azipod系统的水动力效率提高2%。这些措施包括修正Azipod系统上鳍的形状，实现以更小的锐角接受来自螺旋桨的水流，同时曲线设计也可更有效地改变水流方向，此外还有一种称之为“Xtail”的新型吊舱帽结构，可通过矫直Azipod推进器喷射出的水流以最小化涡流。这些新举措将整合到XO系列产品上，其功效已在“海洋光辉”号上得到验证，ABB还计划对现有采用较老Azipod VO及XO系列产品的船舶进行改装。
XO系列吊舱推进装置采用的是滑动轴承，通过了轴向和径向液压诱导力测试，测试的最大程度为2.5倍实际操作负荷。同时，该系列推进装置还采用了包含有4种不同唇形密封的特殊密封设计，以将设备和水隔离，轴承油封装置则可提供冗余并防止任何泄漏物从吊舱漏入水中。在某些情况下，当船舶不在干船坞但又需要更换密封装置时，可于作业时在吊舱内部使用临时的充气式密封进行替换。
据报道，ABB目前还在与芬兰Eniram公司合作，共同开发一个名为“Azipod动力优化者”（ADO）的软件工具，旨在实现Azipod转向角的最优化以及船舶设计阶段角度的最优化。
罗尔斯·罗伊斯公司在吊舱推进领域中选择了不同的发展方向，其开发的“美人鱼”（Mermaid）吊舱式电力推进系统所针对的对象主要为近海工程和冰区航行船舶，市场占有率仅次于ABB公司。
“Mermaid Offshore”型吊舱推进系统由罗·罗公司和Converteam公司合作开发完成，据称可非常理想地安装于近海平台。依靠液压操作的舵机，该型吊舱系统在进行操纵时可360°回转，运输时为＋/－35°。吊舱上配备有“美人鱼防污染密封系统”（MAPSS），可确保不会有油从轴承密封装置溢出。此外该型吊舱还装有强大的滚动元件，加上收缩安装的定子，可满足内部制冷需求。由于安装于吊舱内的发动机直接与螺旋桨相连，因此两者之间没有轴或支架，从而降低了均匀进流所产生的噪声和振动等级。螺旋桨方面，可选择整体式安装，也可选择桨叶独立安装（螺栓连接）以便在受损时更换。
“Mermaid Ice”型吊舱推进系统专为冰区航行而设计，采用了加强的材料，最高可支持的冰级为PC4，适用功率范围为5000～15000kW。不过若有特殊需求，所适用的冰级和功率范围还可进一步提升
来源：中国船检

一波秋水 · 发表于 2013-1-23 20:43

为什么没有图片呢

whlinjiwu · 发表于 2013-1-23 21:29

有图片呀

hww4207 · 发表于 2013-1-23 21:32

很好的节能补习

wegean · 发表于 2013-1-24 08:43

不错呀

海南一叶舟 · 发表于 2013-1-25 09:41

很好的文章

jerry50241184 · 发表于 2013-1-25 10:10

不错，好文章

一波秋水 · 发表于 2013-1-25 10:58

whlinjiwu 发表于 2013-1-23 21:29
有图片呀

我重新编辑了呀哎

hellozzw · 发表于 2013-1-25 11:56

学习贴

gjw7289 · 发表于 2013-1-25 12:11

我来上个附件

爆炒红薯片 · 发表于 2013-3-2 08:48

不错，顶一个

appreciator · 发表于 2013-11-4 22:48

课程PPT可用