船型優(yōu)化設計與高效推進系統(tǒng)研究及應用

摘要：本技術是基于江海直達船型線型優(yōu)化和高效推進系統(tǒng)的應用，通過優(yōu)化，采用直首型船體線型減少阻力，與機槳合理匹配，加裝水動力節(jié)能裝置，提高螺旋槳的推進效率。通過項目的實施，綜合22000DWT江海直達船阻力和推進性能，相比舊船型達到了預期目標，減少了燃油消耗，降低了二氧化碳排放，降低了船舶主機故障率，減少了船舶噪聲和振動，改善了船員生活環(huán)境。經過推廣使用，公司營運成本明顯降低，提高了現(xiàn)有船舶的市場競爭能力，同時實現(xiàn)了構建“綠色船舶”的重要目標。關鍵詞：船舶工程；船舶設計；船型優(yōu)化；推進系統(tǒng)；節(jié)能降耗1.技術概況在建設舟山江海聯(lián)運服務中心的政策支持下，浙江新一海海運有限公司打造了“江海直達”船型，2018年4月建造的“江海直達1”輪投入營運。該船是一艘綠色環(huán)保的新船型，該項目研究的技術是基于江海直達船型線型優(yōu)化和高效推進系統(tǒng)的應用。設計方案是優(yōu)化船體線型，采用直首型減少阻力，與機槳合理匹配，加裝水動力節(jié)能裝置，提高螺旋槳的推進效率，達到節(jié)能減排、低碳環(huán)保的目的。2.技術原理和內容（1）優(yōu)化船首線型，減少波浪失速，提高抗風浪能力船舶線型優(yōu)化主要包括船首優(yōu)化、尾部線型優(yōu)化及整船阻力性能優(yōu)化。針對該船的特點開展了線型優(yōu)化研究，同時針對興波和尾部壓力分布進行優(yōu)化，優(yōu)化線型與初始線型的主尺度及靜水力參數(shù)對比取最佳船體線型結構。首部線型優(yōu)化，是將原型船的球鼻首改為直壁船首，開展優(yōu)化線型在波浪中的航速評估，在典型海況下船舶航速大于靜水中的航速，表明首部線型改為直柱型船首后，能在風浪中達到更高的航速，提高風浪中航行的安全性和經濟性。初始線型與優(yōu)化線型的主尺度和靜水力情況如表1所示，各站橫剖面及其面積對比如圖1所示。表1初始線型與優(yōu)化線型的主尺度和靜水力表圖1初始線型與優(yōu)化線型各站橫剖面及其面積對比在船體首部，對首部設計吃水線附近的線型進行優(yōu)化，改善首部興波和側面波系。使首部壓力更加均勻，尾部正壓區(qū)范圍面積更大，低壓區(qū)范圍面積更小，這對降低阻力有顯著效果，使得線型總阻力比初始化線型明顯降低。船舶在波浪中推進效率的求取方法采用ISO15016推薦的方法，取軸系效率0.98，海況儲備15%，該船螺旋槳的收到功率為：PD=3700×0.85×0.98/1.15=2680kW，此時該船在靜水中的航速為12.0kn，典型海況下的航速為9.67kn，失速系數(shù)為0.805，在同類型船舶中性能較為優(yōu)秀，表明船首優(yōu)化后，該船在波浪中航行性能提升，能在風浪中達到更高的航速，大大提高風浪中航行的安全性和經濟性。典型海況下的波浪增阻如表2所示。表2典型海況下的波浪增阻（2）優(yōu)化尾部，降低振動，提高運營舒適性在船體尾部，優(yōu)化線型將尾封板高度下壓，4米水線以下的線型均往里收縮，另外尾部設計對水線附近的線型也進行了優(yōu)化，以改善尾部興波和壓力分布。初始的伴流因線型原因導致槳盤面伴流不佳，特別是在尾軸側上方的伴流過大，不利于螺旋槳推進，并有可能造成激振。改型方案降低了槳盤面?zhèn)壬戏降陌榱?，使伴流在槳盤面的周向分布更加均勻。通過優(yōu)化尾部線型改善伴流均勻性，大大減小了尾部振動，同時提高了螺旋槳的推進效率。（3）優(yōu)化整船線型，降低阻力，提升航速通過對初始線型和優(yōu)化線型阻力性能數(shù)值評估，得到靜水總阻力系數(shù)結果和自由面云圖對比分析，結果見表3。優(yōu)化線型1的模型總阻力系數(shù)較初始線型降低約4.224%，優(yōu)化線型2的模型總阻力系數(shù)較初始線型降低約6.357%，即該船阻力。優(yōu)化后采用直壁型船首和球尾等低阻力線型，實現(xiàn)船機槳最佳匹配。表3模型總阻力系數(shù)CFD計算結果比較（4）配備高效推進系統(tǒng)、加裝水動力節(jié)能裝置高效螺旋槳基于普通圖譜螺旋槳，結構上增加了導流板，具有引導水流的作用；高效螺旋槳排出的水流，更趨向圓柱狀，而現(xiàn)有的螺旋槳排出的水流是呈圓錐狀的。高效螺旋槳和消渦鰭一體化設計需要獲取船體在螺旋槳處的伴流場，作為理論設計的輸入條件。采用最先進的粘/勢耦合的推進器設計理論進行高效螺旋槳和消渦鰭的一體化設計。該方法首先根據(jù)所提供的船體型值，基于CFD方法對該船螺旋槳盤面處的伴流場進行分析計算，將CFD計算得到的船體伴流場作為高效螺旋槳和消渦鰭理論設計的來流條件。在理論設計過程中采取考慮消渦鰭的最佳環(huán)量分布，適當提高螺旋槳根部環(huán)量，充分發(fā)揮消渦鰭的節(jié)能效果，通過槳鰭之間的相互誘導速度來考慮螺旋槳和消渦鰭的相互影響。同時考慮高效槳葉剖面及適伴流的最佳側斜和縱傾分布設計以達到最佳效率。采用粘流CFD計算得到的船尾伴流場作為螺旋槳勢流設計的進流輸入。通過最佳環(huán)量分布及高效槳葉剖面設計以達到最佳效率。設計得到的高效螺旋槳主參數(shù)見表4。圖2為高效槳三維造型圖。經評估，高效螺旋槳相比常規(guī)圖譜槳，效率能提高約3%。表4“江海直達1”輪高效螺旋槳主參數(shù)圖2常規(guī)圖譜槳和高效螺旋槳三維造型在高效槳上加裝消渦鰭，消渦鰭是一種安裝在螺旋槳尾端面用以消除螺旋槳轂渦能量損失的船舶水動力節(jié)能裝置。與常規(guī)將軍帽相比，消渦鰭僅多了些小葉片而已，結構簡單，但卻具有3%~5%左右的節(jié)能效果。利用CFD技術計算常規(guī)導流帽和消渦鰭的敞水性能，在設計點J=0.5附近，加裝消渦鰭后，敞水效率可提高約2.6%。為驗證“江海直達”船線型優(yōu)化和高效槳鰭設計結果，在702所拖曳水池開展了快速性模型試驗，主要包括螺旋槳敞水試驗、設計和壓載吃水下船模阻力和自航試驗。經模型試驗驗證，在螺旋槳功率達到2680kW時，最終優(yōu)化線型在設計吃水下，裸船體的航速達到11.91kn，加裝節(jié)能裝置后航速達到12.01kn，節(jié)能約12%。表5消渦鰭主參數(shù)圖3高效槳+消渦鰭三維造型

“江海直達1”輪通過線型優(yōu)化和高效槳加消渦鰭推進系統(tǒng)應用后，設計吃水和壓載吃水工況下，船模阻力和自航試驗的預報最終航速如表6所示。表6實船航速預報結果3.技術應用情況“江海直達1”輪于2018年4月10日首航馬鞍山，社會各界關注度都非常高。“江海直達1”輪除首航馬鞍山外，其余航次全部營運于寧波舟山港至張家港航線，為鋼鐵礦石運輸配套服務。2018年4月至2019年7月31日，共計完成64個重載航次，完成貨運量135.82萬噸，貨物周轉量5.18億噸公里。營運至今，該輪實測油耗與同類型海船油耗比較情況如表7、表8所示。綜合營運實測，“江海直達1”輪主機轉速120轉左右，船舶平均航速約11.5kn，日平均油耗穩(wěn)定在7.8噸，跟同類型海船相比節(jié)油12%。相比同功率主機的船舶，未加裝水動力節(jié)能裝置及未使用普通流線型半懸掛舵，相同航速和相同工況下，油耗約每天

8.9噸。表72018年度船舶燃油消耗對比表82019年度船舶燃油消耗對比表4.節(jié)能降碳效益測算評價4.1經濟效益在實船建造中線型優(yōu)化設計、試驗費加上設備投入總計約80萬，“江海直達”船型的線型優(yōu)化和高效槳加消渦鰭的一體化應用后，跟同功率主機的海船相比，每天可以節(jié)約燃油約1.1噸，按照年航行125天計算，每年節(jié)省燃油137.5噸，按照燃油平均價格每噸4000.0元計算，每年節(jié)省燃油支出55萬元。并且船機槳匹配后，主機功率能有效發(fā)揮；燃油燃燒比較充分，主機缸套結碳少，故障率相對較低，從主機維護成本方面估算，節(jié)省費用約10萬每年。綜合統(tǒng)計約1.5年可以收回該項目的投資成本。4.2社會效益該項目的社會效益首先體現(xiàn)在能夠大大減少船舶燃油燃燒釋放硫氧化物、碳氧化物和顆粒物等大氣污染物排放；其次，減弱船舶主機震動、噪音等物理污染，改善船員工作、生活環(huán)境。“江海直達1”輪主機功率3700kW，額定轉速140rpm，在主機經濟轉速120rpm時，主機年平均油耗比同功率主機海船能節(jié)省燃油137.5噸，按國標《綜合能耗計算通則》（GB/T2589）與《省級溫室氣體清單編制指南》計算，消耗1kg燃油排放二氧化碳3.1705kg，該項目實施后，每年可減少二氧化碳排放435.9噸。5.結論通過該項目的實施，綜合22000DW