船舶推進系統(tǒng)艉部節(jié)能技術(shù)

1、(1 KAPPEL螺旋槳 圖1 KAPPEL螺旋槳的原理70年代中期,美國國家航空和航天管理局對機翼末端結(jié)構(gòu)進行研究。懷德肯伯和其他學者進行大量計算和模型試驗,開發(fā)了裝在機翼末端的垂直小翼能減少橫向繞流,增大葉切面環(huán)量,從而提高升力或效率。如果垂直小翼裝在機翼或槳葉的壓力面一邊,其效果就明顯降低。丹麥造船科學家Kappel從懷德肯伯論文得到啟示,提出了螺旋槳槳葉0.8758以上的梢部向前彎曲呈圓弧形狀,這種螺旋槳被稱為Kappel螺旋槳。模型試驗表明,Kappel螺旋槳的敞水效率比常規(guī)槳高3%到6%。(1前整流翼(Pre swirl fins 圖3 前整流翼試驗模型韓國大宇船廠對前整流翼已經(jīng)研

2、發(fā)10年多,他們研發(fā)的前整流翼包含3個或4個固定的葉片安裝在螺旋槳前的船體上。葉片本身不能節(jié)約能量或產(chǎn)生向前的推力,而且產(chǎn)生一定的阻力。盡管增加阻力,靜止的葉片引導流體在螺旋槳前形成有利的非對稱的進流,從而提高螺旋槳的推進效率。4個葉片的整流翼一般應用在集裝箱船上,三片葉片裝在左舷,一片槳葉裝在右舷。左舷的三個葉片的主要作用是槳葉旋轉(zhuǎn)到左側(cè)時,減少槳葉的滑失損失。右舷的一個葉片的主要作用是增加伴流系數(shù),提高船體效率,同時減少對螺旋槳的空泡的不利影響。(2推力翼(thrust fin 圖4 推力翼試驗模型韓國現(xiàn)代重工已經(jīng)研發(fā)出推力翼的概念幾年了,分別對X型帶4片推力翼和只有兩片的推力翼進行過研究

3、。推力翼位于螺旋槳的后部,在螺旋槳旋轉(zhuǎn)尾流中,產(chǎn)生向后的推力。彎曲的推力翼葉片的設計需要高度精確的數(shù)字模擬和廣泛的經(jīng)驗。在模型測試中,推力翼所產(chǎn)生的推力等效為減少推力減額系數(shù),所以產(chǎn)生較高的船體效率和較高的推進效率。(3后整流翼(Post swirl fins 圖5后整流翼試驗模型韓國三星重工目前正在研發(fā)后整流翼。如圖所示,X型的翼狀葉片位于螺旋槳的后部,并且與集成的螺旋槳槳轂帽和舵球相結(jié)合。這種形式的目的在于減少螺旋槳槳轂的渦流損失和回收螺旋槳尾流中旋轉(zhuǎn)損失的能量,與推力翼的概念相類似。與前整流翼相比,后整流翼尺寸較小(不到螺旋槳直徑的80%,對螺旋槳的空泡不產(chǎn)生任何不利的影響。(3槳轂整流

4、鰭PBCF(propeller boss cap fin 圖6 槳轂整流鰭1987年首先由日本大阪商船三井船舶株式會社等研制成功PBCF 。 1988年3月關(guān)西造船協(xié)會雜志第208號發(fā)表了作為新產(chǎn)品的PBCF介紹,5月在日本造船學會春季講演會上大內(nèi)一之等發(fā)表了“PBCF的研究開發(fā)”的論文,1989年又發(fā)表了安裝毅帽鰭后螺旋槳尾流和實船性能的測試報告,在汽車運輸船及集裝箱船上分別加裝這種裝置進行實船試驗的結(jié)果表明,推進效率提高了約4%。槳轂整流鰭的原理是:在不安裝PBCF裝置的情況下,當水流通過螺旋槳時,水流速度加快和旋轉(zhuǎn)彎曲。結(jié)果導致從槳葉隨邊流過的尾流形成旋流流過槳轂。從各個槳葉流出的旋流匯

5、聚產(chǎn)生強大的渦流流過槳轂。這種渦流叫作槳轂渦流,并且導致能量損失。PBCF裝置整流流過槳葉隨邊的水流,減小槳轂渦流,從而回收槳轂渦流的能量損失和改善螺旋槳效率,從而提高推進效率。(4米維斯導管Mewis duct 圖7 米維斯導管米維斯導管安裝在螺旋槳的前部,包含一個整流導管和集成的前整流翼系統(tǒng)。米維斯導管調(diào)和穩(wěn)定了水流,使其持續(xù)地作用在螺旋槳的槳葉上。米維斯導管所含的前整流翼系統(tǒng)產(chǎn)生了與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反的預漩渦,使得螺旋槳的負荷提高進而提高推力。同時,為獲得更好的流場,翼的剖面和位置都是不對稱的設計。米維斯導管適合高方形系數(shù)、航速低于20節(jié)的船舶。所以米維斯導管適合于各種類型的油船和散貨船

6、,以及多用途散貨船、集裝箱供應船。3. 舵球系統(tǒng)圖 8 舵球系統(tǒng) 舵球系統(tǒng)包含安裝在旋轉(zhuǎn)的槳轂上的槳轂帽和集成在舵上的球形體。球狀體與槳 轂帽之間有一定的間隙，而且整體上它們具有流線型的外形。舵球系統(tǒng)的這樣的結(jié)構(gòu) 減少了槳轂渦流損失，而且改變了槳葉的徑向載荷，減輕葉梢的載荷，減輕槳葉壓力 脈沖，從而減少振動、噪聲和空泡。 4. 艉部節(jié)能技術(shù)效果和組合形式 根據(jù)德國 MAN 的最新研究分析表明，以上這些節(jié)能技術(shù)可以互相結(jié)合，從而進 一步的提高節(jié)能效果，但有些節(jié)能技術(shù)會發(fā)生相互影響，不能相互組合，具體情況見 下表。 表 1 艉部節(jié)能技術(shù)效果和組合形式 方案 后整流翼 舵球 KAPPEL 槳 槳轂整流 鰭 米維斯導 管 前整流翼 后整流翼 2-3% 不能組合 可以組合 部分情況 可以組合 不能組合 不能組合 舵球 不能組合 2-5% 可以組合 不能組合 部分情況 可以組合 部分情況 可以組合 KAPPEL 槳 可以組合 可以組合 3-6% 可以組合 可以組合 可以組合 槳轂整流 鰭 部分情況 可以組合 不能組合 可以組合 2-5% 部分情況 可以