【正文】 的著眼點(diǎn)也不同。各種水動力節(jié)能附加裝置的作用主要有：(1)改善螺旋槳進(jìn)流，使之更加均勻；(2)減少船尾的水流分離現(xiàn)象；(3)使槳前流預(yù)旋，把原來尾流中損失的旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)化為推力功；(4)產(chǎn)生附加推力。目前，水動力節(jié)能附加裝置中取得較顯著節(jié)能效果的有：前置導(dǎo)管、補(bǔ)償導(dǎo)管和Costa整流舵組合式節(jié)能裝置、槳前導(dǎo)流鰭、舵附推力鰭裝置、槳后固定葉輪、槳后自由旋轉(zhuǎn)葉輪等。 槳后自由旋轉(zhuǎn)葉輪 船機(jī)槳最佳匹配實(shí)現(xiàn)船、機(jī)、槳、舵的最佳組合匹配是很復(fù)雜的技術(shù)課題，船機(jī)槳最佳匹配可以使推進(jìn)裝置的整體性能達(dá)到最佳狀態(tài)，得到最高的推進(jìn)效率，從而使燃料損耗率達(dá)到最低限度，獲得較好的經(jīng)濟(jì)性。因此，在能源短缺的形勢下，以節(jié)能的觀點(diǎn)研究推進(jìn)裝置的最佳能量轉(zhuǎn)換，即船機(jī)槳的最佳匹配型式是船舶發(fā)展的方向之一。船、機(jī)、槳的運(yùn)行是一個能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，即主發(fā)動機(jī)輸出能量，傳動設(shè)備將能量傳遞給螺旋槳，螺旋槳把旋轉(zhuǎn)形式的能量轉(zhuǎn)化成推力，以此推力克服船舶航行時所受到的阻力，從而使船舶在相應(yīng)的航速下航行。船、機(jī)、槳工況與配合的研究就是要研究船舶在各種航行條件下能量轉(zhuǎn)換過程的特性變化規(guī)律，從而找出最佳參數(shù)和最佳轉(zhuǎn)換過程，得到一個具有最佳營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性和投資效果的方案。要得到較好的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，一方面取決于船、機(jī)、槳本身的性能，另一方面與合理地選擇推進(jìn)裝置的型式，充分利用船、機(jī)、槳的配合特性有密切的關(guān)系。眾所周知：一般船舶由于主發(fā)動機(jī)、傳動設(shè)備及推進(jìn)器的性能參數(shù)都存在局限性，通常情況下各部件的性能參數(shù)只有在某一負(fù)荷范圍內(nèi)才是優(yōu)良的，離開此范圍，性能均會下降，即船舶只有在設(shè)計工況下運(yùn)行時其經(jīng)濟(jì)性才能發(fā)揮最佳。但多數(shù)情況下，船舶的工作條件是不斷變化的，如船舶負(fù)荷的變化，風(fēng)浪、污底等的變化。在設(shè)計螺旋槳時，選擇不同的工況將直接影響船舶的經(jīng)濟(jì)性及可靠性。從節(jié)能的角度出發(fā)，選擇在主機(jī)額定轉(zhuǎn)速下，負(fù)荷特性曲線上油耗最低區(qū)所對應(yīng)的某功率作為實(shí)際設(shè)計功率可取得較好的經(jīng)濟(jì)效益[20]。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣，首先要考慮整體性、工藝性，而經(jīng)濟(jì)性則是評價任何設(shè)計的重要方面。在設(shè)計過程中，既要保持結(jié)構(gòu)的足夠強(qiáng)度，又要盡量減少船體的重量，以體現(xiàn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性和合理性，從而最終達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化和節(jié)能的目的。隨著船舶事業(yè)的發(fā)展、計算理論及計算手段的更新，船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論和方法也在不斷地更新發(fā)展，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計已在大型船舶設(shè)計中實(shí)現(xiàn)。不論是規(guī)范法設(shè)計還是計算法設(shè)計，半概率的直接計算法還是概率設(shè)計計算法，都是在安全適用的前提下尋求最大的經(jīng)濟(jì)效益，即船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計問題。船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在于尋求既安全又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，而結(jié)構(gòu)形式包括了尺寸、形式和拓?fù)涞刃畔?。其目的是求解具有最小重量的結(jié)構(gòu)，同時必須滿足一定的約束條件，以獲得最佳的靜力或動力形態(tài)特性。尋求合理的結(jié)構(gòu)形式和適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺寸，使船體結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)性及頻率等條件下具有較好的力學(xué)性能、工藝性能、經(jīng)濟(jì)性能及使用性能。結(jié)構(gòu)優(yōu)化根據(jù)變量的性質(zhì)可以分為連續(xù)、離散、混合變量模型。船舶是一個復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)物，結(jié)構(gòu)設(shè)計因含有骨材間距等連續(xù)變量和鋼板厚度、型材面積等離散變量，故船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化屬于混合優(yōu)化。船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計具有很強(qiáng)的綜合性、經(jīng)驗(yàn)性、模糊性、多目標(biāo)性和創(chuàng)造性等[21]。 新型高效推進(jìn)器為了提高推進(jìn)效率，國內(nèi)外都在研究有別于常規(guī)螺旋槳的各種新型高效推進(jìn)裝置，如低轉(zhuǎn)速大直徑螺旋槳、導(dǎo)管螺旋槳、適伴流調(diào)矩槳、無梢渦螺旋槳以及部分浸水螺旋槳等。近年來，丹麥、西班牙、荷蘭等幾個西歐國家的科研人員在一些新概念、新思路指引下，開發(fā)出幾款新型螺旋槳。與目前商船上廣泛使用的常規(guī)螺旋槳相比，這幾款新型螺旋槳具有以下兩個明顯優(yōu)點(diǎn)：第一，新型螺旋槳推進(jìn)效率高，在保持船舶航速不變的前提下，可節(jié)約主機(jī)功率少則3％—4％，多則8％—10％[22]。第二，新型螺旋槳可明顯減少激振力，從而可明顯消減船尾振動，減小船舶噪聲，進(jìn)而延長了船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備的使用壽命，對客船、客渡船和旅游船而言，還明顯改善了旅客和船員的居住舒適性。目前，新型高效推進(jìn)器主要有可調(diào)螺距螺旋槳和對轉(zhuǎn)螺旋槳?？烧{(diào)距螺旋槳航行時通過調(diào)整槳葉螺距以改變來流攻角，使主機(jī)在轉(zhuǎn)速不變的情況下發(fā)揮全部功率。對轉(zhuǎn)螺旋槳是具有前后兩個同軸螺旋槳反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力的推進(jìn)器。與普通螺旋槳相比具有很明顯的優(yōu)勢：較高的推進(jìn)效率、航向穩(wěn)定性較高、有利于避免空泡產(chǎn)生。 可調(diào)螺距螺旋槳 對轉(zhuǎn)螺旋槳 高效舵Lips高效舵，由著名的船用設(shè)備制造商—Lips，于2001年推出了一種新型節(jié)能裝置—高效舵(Efficiency Rudder)，也可稱為槳舵一體化裝置(Prop and Fin Combination)。在舵葉中間部位，沿螺旋槳軸線延伸方向，焊有一只呈流線型紡錘體狀的舵球，與常規(guī)船舶螺旋槳與舵各自獨(dú)立不同，此舵球使螺旋槳與舵成為一整體，舵球最大直徑要超過螺旋槳槳轂直徑，看上去宛如一枚魚雷。推進(jìn)功率的節(jié)省是由于“伴流增益”效應(yīng)所致。光順的魚雷體消除了原先在螺旋槳槳轂后方發(fā)生的旋渦，使槳后尾流變得非常順暢，尾流速度降低，螺旋槳盤面面積增加，從而提高了螺旋槳推進(jìn)效率[23]。模型試驗(yàn)證實(shí)，與常規(guī)舵相比較，裝用高效舵后推進(jìn)功率和燃油消耗可節(jié)省5％—6％，螺旋槳激振力降低40％，螺旋槳誘導(dǎo)噪聲級降低5dB(A)。 節(jié)能螺旋槳 卡普爾（Kappel）螺旋槳70年代中期，美國國家航空和航天管理局開始對機(jī)翼末端結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。懷德肯伯（Whiteb）和其他學(xué)者進(jìn)行了大量計算和模型試驗(yàn)，開發(fā)了裝在機(jī)翼末端的垂直小翼。安裝在機(jī)翼或槳葉吸力面一邊的垂直小翼能減小橫向繞流，增大葉切面環(huán)量，從而提高升力，進(jìn)而提高效率。如果垂直小翼裝在機(jī)翼或槳葉的壓力面一邊，其效果則明顯減低。丹麥造船科學(xué)家卡普爾從懷德肯伯論文中得到啟示，這種螺旋槳被稱為卡普爾螺旋槳。模型試驗(yàn)表明，卡普爾螺旋槳的敝水效率比常規(guī)槳高3％，節(jié)省主機(jī)功率5％。一艘航速25 kn的單槳集裝箱船的卡普爾螺旋槳在漢堡水池進(jìn)行了模型試驗(yàn)，與常規(guī)槳比較，卡普爾螺旋槳的敞水效率比常規(guī)槳高4％，％。就高速單槳集裝箱船而言，常規(guī)槳的效率已經(jīng)相當(dāng)高，要進(jìn)一步改進(jìn)就十分困難，因此，卡普爾螺旋槳的試驗(yàn)結(jié)果非常令人鼓舞?？ㄆ諣柭菪龢挠嬎銠C(jī)繪制系統(tǒng)能設(shè)計任何幾何形狀包括槳葉向前彎曲、向后彎曲以及彎曲的不同程度。選擇槳葉略向吸力面彎曲是從螺旋槳效率、空泡性能和制造這三方面折衷考慮得出的。后來，又發(fā)展出卡普爾調(diào)距槳。由于卡普爾螺旋槳獨(dú)特的槳葉和葉梢形狀，對空泡性能而言，這是一個重要的特點(diǎn)?？ㄆ諣枌⒗^續(xù)改進(jìn)其設(shè)計方法，特別在螺旋槳的負(fù)荷分布和幾何形狀包括側(cè)斜等方面進(jìn)一步優(yōu)化螺旋槳設(shè)計。1997年8月，為進(jìn)一步發(fā)展卡普爾螺旋槳，成立了歐洲聯(lián)盟基金的Kapriccio計劃。該計劃將進(jìn)一步研究螺旋槳在恒定伴流場中的性能、螺旋槳在伴流場中誘導(dǎo)的壓力脈動量級的數(shù)值計算方法并進(jìn)行水池試驗(yàn)。這些研究的參數(shù)將與Kvaerner Warnow船廠建造的CV2900型集裝箱船的6葉螺旋槳進(jìn)行比較[24]。 大側(cè)斜螺旋槳與常規(guī)螺旋槳相比較，大側(cè)斜螺旋槳的特點(diǎn)是：（1）提高螺旋槳效率，可以提高約3%—5%；（2）推力大，相同條件下，推力比常規(guī)槳高20%—30%；（3）螺旋槳的激振力大大降低，比常規(guī)槳降低約2/3；（4）作用在螺旋槳上方船體的最大葉頻壓力減小，幅度從5kPa——3kPa；（5）振動速度降低，從4mm/s—7mm/s減少到lmm/s—3mm/s。大側(cè)斜螺旋槳因此得到了廣泛應(yīng)用。1978年以來，卡來瓦公司已經(jīng)建造了大約400只大側(cè)斜螺旋槳，其中80%是為新船設(shè)計的，有20％是為更換舊船的常規(guī)螺旋槳。90年代，許多航運(yùn)公司在諸如滾裝船、漁船、客船上用大側(cè)斜槳葉更換常規(guī)槳槳葉?，F(xiàn)在，大側(cè)斜螺旋槳已被用來增加推進(jìn)效率，提高航速，節(jié)約燃料。在中國建造的船東為Vbem公司的“Symphorine”號滾裝船也應(yīng)用了大側(cè)斜螺旋槳。 大側(cè)斜螺旋槳槳葉 尾流收縮葉梢有載螺旋槳（CLTP）尾流收縮葉梢有載螺旋槳（CLTP）是1987年西班牙Sistemar公司推出的一種新型螺旋槳。目前，尾流收縮葉梢有載螺旋槳已在油輪、滾裝船、散貨船、漁船、定期客船等類型船上得到廣泛使用。尾流收縮葉梢有載螺旋槳槳葉形狀，幾何參數(shù)與常規(guī)槳不同，在葉梢處剖面裝有邊界元()。尾流收縮葉梢有載螺旋槳已被認(rèn)為是一種性能較好的節(jié)能螺旋槳，其原理是：螺旋槳在流體中運(yùn)動，槳葉的前方產(chǎn)生負(fù)壓，后方產(chǎn)生正壓，由此產(chǎn)生推力，推動船前進(jìn)。螺旋槳的敞水效率隨槳前和槳后的壓力差的增大而增大，為了使槳葉上存在一個較大的壓力差，除了特別注意螺旋槳的設(shè)計外，在槳葉梢處安裝上邊界元，目的在于使二個壓力場分隔開，有效地阻止葉梢處壓力相互干擾，維持整個槳葉有較大的壓力差。為了使邊界元在流體中運(yùn)動時產(chǎn)生的粘性阻力最小，邊界元的位置必須設(shè)計得與水流平行，其形狀必須吻合螺旋槳和水流的相對運(yùn)動，葉梢處剖面的隨邊園弧半徑要小于導(dǎo)邊的園弧半徑。尾流收縮葉梢有載螺旋槳的優(yōu)點(diǎn)：（1）最佳直徑小于常規(guī)槳的最佳直徑；（2）效率高，節(jié)約燃油；（3）明顯提高船的應(yīng)舵性能；（4）船舶回轉(zhuǎn)半小；（5）無梢窩存在，槳葉上不會產(chǎn)生由梢窩引起的空泡。（CLTP）示意圖 本章小結(jié)船舶節(jié)能已成為世界各國造船界和航運(yùn)界研究的重要課題，它關(guān)系到節(jié)約燃料、資源和費(fèi)用、環(huán)境保護(hù)以及船舶運(yùn)營經(jīng)濟(jì)效益等問題。為此，國內(nèi)外均投入大量人力、物力進(jìn)行重點(diǎn)研究，我國還頒布了《節(jié)約能源管理暫行條例》。隨著造船業(yè)的發(fā)展，船舶燃料費(fèi)用呈顯著增高趨勢，占船舶航運(yùn)運(yùn)營總費(fèi)用開支成本的比例頗大。本章主要介紹了船舶推進(jìn)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，主要有節(jié)能船型、水動力節(jié)能附加裝置、新型高效推進(jìn)器和節(jié)能螺旋槳等。船舶節(jié)能技術(shù)的發(fā)展和新型節(jié)能推進(jìn)器、螺旋槳的應(yīng)用為世界造船業(yè)和航運(yùn)業(yè)帶來了福音，節(jié)約了能源，提高了航速，從而提高了經(jīng)濟(jì)性。第6章 2400噸江海直達(dá)貨船推進(jìn)節(jié)能的應(yīng)用 2400噸江海直達(dá)貨船的推進(jìn)系統(tǒng) 主機(jī)、減速齒輪箱主要參數(shù)主機(jī)型號：6300ZC型最大持續(xù)功率：2730 kW主機(jī)額定轉(zhuǎn)速：750 r/min旋向：外旋（右槳右旋，左槳左旋）齒輪箱型號：GWC36/39減速比 ：:1螺旋槳轉(zhuǎn)速N(n)：(r/min) 推進(jìn)因子及收到馬力伴流分?jǐn)?shù)：ω=推力減額分?jǐn)?shù)：t=船身效率：ηH=(1t)/(1ω)=()/)=相對旋轉(zhuǎn)效率：ηR= 原螺旋槳參數(shù)型式：MAU450直徑：螺距比：葉數(shù)：4盤面比：效率：后傾角：10176。轂徑比：轂長：材料：錳青銅重量：慣性矩：s2旋向：外旋(左槳左旋，右槳右旋) 2400噸江海直達(dá)貨船的推進(jìn)節(jié)能的應(yīng)用 推進(jìn)節(jié)能采用的方法如第5章所述，船舶推進(jìn)節(jié)能的技術(shù)和方法較多，但從本船的實(shí)際狀況和實(shí)用性角度出發(fā)，本文選擇通過改變齒輪箱減速比的方法，:1，其他保持不變，來改進(jìn)螺旋槳的推進(jìn)效率。改變減速比的意義在于：（1） 提高螺旋槳效率在船舶航行狀態(tài)下，提高槳的效率，可以增加槳的盤面比，即加大槳的直徑。在槳的直徑一定的情況下，則可以考慮減低槳的轉(zhuǎn)速。一般而言，正常的航速范圍內(nèi)，槳轉(zhuǎn)速降低1%，在航速及載貨量不變的條件下，—05%[25]。（2）改善螺旋槳的空泡性能螺旋槳在水中工作時，槳葉的葉背壓力降低形成吸力面，若某處的壓力降至臨界值以下時，導(dǎo)致爆發(fā)式的汽化，水汽通過界面，進(jìn)入氣核并使之膨脹形成氣泡，稱為空泡[26]。從空泡發(fā)展的物理過程，螺旋槳槳葉上經(jīng)常出現(xiàn)下列4種空泡：渦空泡、泡狀空泡、片狀空泡和云霧狀空泡。在研究空泡問題時，按空泡對翼型水動力性能影響的不同分為兩個階段：第一階段，空泡對螺旋槳的水動力性能不發(fā)生影響，但使槳葉表面產(chǎn)生剝蝕；第二階段，空泡對槳葉表面無剝蝕作用，但影響螺旋槳的水動力特性。當(dāng)螺旋槳槳葉上某處的減壓系數(shù)ξ≥σ (空泡數(shù))，此時產(chǎn)生空泡現(xiàn)象；當(dāng)ξσ 時，此時不會產(chǎn)生空泡現(xiàn)象。那么從提高螺旋槳的空泡數(shù)σ著手，可以在條件允許的情況下，盡量增加螺旋槳的浸沒深度，以增大空泡數(shù)σ，也可以減小螺旋槳轉(zhuǎn)速。（3） 提高裝置的經(jīng)濟(jì)性裝有減速齒輪箱的船舶，在主機(jī)發(fā)揮相同功率的情況下，可以降低燃油消耗率，達(dá)到節(jié)能的目的，如果加大減速比，經(jīng)濟(jì)效益會更好。 改進(jìn)螺旋槳的設(shè)計本文采用圖譜法進(jìn)行螺旋槳設(shè)計。圖譜法簡介：圖譜設(shè)計法就是根據(jù)螺旋槳模型敞水系列試驗(yàn)繪制成的各類專用圖譜來進(jìn)行設(shè)計[27]。用圖譜設(shè)計法設(shè)計螺旋槳實(shí)際上就是根據(jù)已知條件在圖譜所提供螺旋槳資料范圍內(nèi)選擇最適宜的設(shè)計方案。這種設(shè)計方法不僅計算簡便，而且易于被人們所掌握，而且用于設(shè)計圖譜來源于實(shí)驗(yàn)，較為可靠，若選用合適圖譜進(jìn)行設(shè)計，其結(jié)果也較為令人滿意。這種方法是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的一種螺旋槳設(shè)計方法。雖然應(yīng)用圖譜設(shè)計會受到系列組型式的限制，但隨著各國對該設(shè)計方法研究的深入，圖譜資料日益豐富，目前常規(guī)螺旋槳有較常用的荷蘭的楚思德B系列圖譜[28]和日本AU系列圖譜[29]等等，++Ka導(dǎo)管螺旋槳系列，以及我國上海交通大學(xué)流體力學(xué)研究室推出的JD75+Ka和JD7704+Ka簡易導(dǎo)管螺旋槳系列。AU型螺旋槳是日本運(yùn)輸技術(shù)研究所發(fā)展的螺旋槳系列，屬于B—σ型圖譜。近年來日本有關(guān)部門又對切面形狀等作了改進(jìn)，擴(kuò)大了盤面比和螺距比范圍，進(jìn)行了3~6葉螺旋槳模型的系列試驗(yàn)，并作出了設(shè)計圖譜。荷蘭瓦根寧根據(jù)船模試驗(yàn)池對B型系列螺旋槳試驗(yàn)，設(shè)計出了B—σ占型圖譜。圖譜也經(jīng)過幾次的改動，此類螺旋槳一般在商船上應(yīng)用很廣，具有相當(dāng)長的歷史。通常所指AU型螺旋槳包括下列幾種類型：(1)AU型螺旋槳：這是初始階段發(fā)展的螺旋槳模型，一般為5葉和6葉螺旋槳所用。(2)改進(jìn)AU型，用MAU表示：這種型式是對原型AU型螺旋槳在葉梢部分切面前緣形狀進(jìn)行局部修正。AU型4葉槳系列采用這種形式。實(shí)踐證明，AU型原螺旋槳的面空泡裕度過大，因此少量減小葉切面前緣的高度，適當(dāng)