【正文】 的著眼點也不同。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)使槳前流預旋，把原來尾流中損失的旋轉能轉化為推力功；(4)產生附加推力。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：前置導管、補償導管和Costa整流舵組合式節(jié)能裝置、槳前導流鰭、舵附推力鰭裝置、槳后固定葉輪、槳后自由旋轉葉輪等。 槳后自由旋轉葉輪 船機槳最佳匹配實現(xiàn)船、機、槳、舵的最佳組合匹配是很復雜的技術課題，船機槳最佳匹配可以使推進裝置的整體性能達到最佳狀態(tài)，得到最高的推進效率，從而使燃料損耗率達到最低限度，獲得較好的經(jīng)濟性。因此，在能源短缺的形勢下，以節(jié)能的觀點研究推進裝置的最佳能量轉換，即船機槳的最佳匹配型式是船舶發(fā)展的方向之一。船、機、槳的運行是一個能量轉換系統(tǒng)，即主發(fā)動機輸出能量，傳動設備將能量傳遞給螺旋槳，螺旋槳把旋轉形式的能量轉化成推力，以此推力克服船舶航行時所受到的阻力，從而使船舶在相應的航速下航行。船、機、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換過程的特性變化規(guī)律，從而找出最佳參數(shù)和最佳轉換過程，得到一個具有最佳營運經(jīng)濟性和投資效果的方案。要得到較好的運行經(jīng)濟性，一方面取決于船、機、槳本身的性能，另一方面與合理地選擇推進裝置的型式，充分利用船、機、槳的配合特性有密切的關系。眾所周知：一般船舶由于主發(fā)動機、傳動設備及推進器的性能參數(shù)都存在局限性，通常情況下各部件的性能參數(shù)只有在某一負荷范圍內才是優(yōu)良的，離開此范圍，性能均會下降，即船舶只有在設計工況下運行時其經(jīng)濟性才能發(fā)揮最佳。但多數(shù)情況下，船舶的工作條件是不斷變化的，如船舶負荷的變化，風浪、污底等的變化。在設計螺旋槳時，選擇不同的工況將直接影響船舶的經(jīng)濟性及可靠性。從節(jié)能的角度出發(fā)，選擇在主機額定轉速下，負荷特性曲線上油耗最低區(qū)所對應的某功率作為實際設計功率可取得較好的經(jīng)濟效益[20]。 結構優(yōu)化設計結構設計的優(yōu)劣，首先要考慮整體性、工藝性，而經(jīng)濟性則是評價任何設計的重要方面。在設計過程中，既要保持結構的足夠強度，又要盡量減少船體的重量，以體現(xiàn)其結構設計的經(jīng)濟性和合理性，從而最終達到結構優(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，船舶結構設計的理論和方法也在不斷地更新發(fā)展，結構優(yōu)化設計已在大型船舶設計中實現(xiàn)。不論是規(guī)范法設計還是計算法設計，半概率的直接計算法還是概率設計計算法，都是在安全適用的前提下尋求最大的經(jīng)濟效益，即船舶結構優(yōu)化設計問題。船舶結構優(yōu)化設計在于尋求既安全又經(jīng)濟的結構形式，而結構形式包括了尺寸、形式和拓撲等信息。其目的是求解具有最小重量的結構，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。尋求合理的結構形式和適當?shù)慕Y構尺寸，使船體結構在滿足強度、剛度、穩(wěn)性及頻率等條件下具有較好的力學性能、工藝性能、經(jīng)濟性能及使用性能。結構優(yōu)化根據(jù)變量的性質可以分為連續(xù)、離散、混合變量模型。船舶是一個復雜的空間結構物，結構設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，故船舶結構優(yōu)化屬于混合優(yōu)化。船舶結構設計具有很強的綜合性、經(jīng)驗性、模糊性、多目標性和創(chuàng)造性等[21]。 新型高效推進器為了提高推進效率，國內外都在研究有別于常規(guī)螺旋槳的各種新型高效推進裝置，如低轉速大直徑螺旋槳、導管螺旋槳、適伴流調矩槳、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：第一，新型螺旋槳推進效率高，在保持船舶航速不變的前提下，可節(jié)約主機功率少則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，進而延長了船體結構和設備的使用壽命，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，新型高效推進器主要有可調螺距螺旋槳和對轉螺旋槳?？烧{距螺旋槳航行時通過調整槳葉螺距以改變來流攻角，使主機在轉速不變的情況下發(fā)揮全部功率。對轉螺旋槳是具有前后兩個同軸螺旋槳反向旋轉產生推力的推進器。與普通螺旋槳相比具有很明顯的優(yōu)勢：較高的推進效率、航向穩(wěn)定性較高、有利于避免空泡產生。 可調螺距螺旋槳 對轉螺旋槳 高效舵Lips高效舵，由著名的船用設備制造商—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。推進功率的節(jié)省是由于“伴流增益”效應所致。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效率[23]。模型試驗證實，與常規(guī)舵相比較，裝用高效舵后推進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翼末端結構進行研究。懷德肯伯（Whiteb）和其他學者進行了大量計算和模型試驗，開發(fā)了裝在機翼末端的垂直小翼。安裝在機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，進而提高效率。如果垂直小翼裝在機翼或槳葉的壓力面一邊，其效果則明顯減低。丹麥造船科學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行了模型試驗，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)相當高，要進一步改進就十分困難，因此，卡普爾螺旋槳的試驗結果非常令人鼓舞?？ㄆ諣柭菪龢挠嬎銠C繪制系統(tǒng)能設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)展出卡普爾調距槳。由于卡普爾螺旋槳獨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?？ㄆ諣枌⒗^續(xù)改進其設計方法，特別在螺旋槳的負荷分布和幾何形狀包括側斜等方面進一步優(yōu)化螺旋槳設計。1997年8月，為進一步發(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的壓力脈動量級的數(shù)值計算方法并進行水池試驗。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葉螺旋槳進行比較[24]。 大側斜螺旋槳與常規(guī)螺旋槳相比較，大側斜螺旋槳的特點是：（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。大側斜螺旋槳因此得到了廣泛應用。1978年以來，卡來瓦公司已經(jīng)建造了大約400只大側斜螺旋槳，其中80%是為新船設計的，有20％是為更換舊船的常規(guī)螺旋槳。90年代，許多航運公司在諸如滾裝船、漁船、客船上用大側斜槳葉更換常規(guī)槳槳葉?，F(xiàn)在，大側斜螺旋槳已被用來增加推進效率，提高航速，節(jié)約燃料。在中國建造的船東為Vbem公司的“Symphorine”號滾裝船也應用了大側斜螺旋槳。 大側斜螺旋槳槳葉 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：螺旋槳在流體中運動，槳葉的前方產生負壓，后方產生正壓，由此產生推力，推動船前進。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動時產生的粘性阻力最小，邊界元的位置必須設計得與水流平行，其形狀必須吻合螺旋槳和水流的相對運動，葉梢處剖面的隨邊園弧半徑要小于導邊的園弧半徑。尾流收縮葉梢有載螺旋槳的優(yōu)點：（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）明顯提高船的應舵性能；（4）船舶回轉半??；（5）無梢窩存在，槳葉上不會產生由梢窩引起的空泡。（CLTP）示意圖 本章小結船舶節(jié)能已成為世界各國造船界和航運界研究的重要課題，它關系到節(jié)約燃料、資源和費用、環(huán)境保護以及船舶運營經(jīng)濟效益等問題。為此，國內外均投入大量人力、物力進行重點研究，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，船舶燃料費用呈顯著增高趨勢，占船舶航運運營總費用開支成本的比例頗大。本章主要介紹了船舶推進節(jié)能技術的發(fā)展和應用，主要有節(jié)能船型、水動力節(jié)能附加裝置、新型高效推進器和節(jié)能螺旋槳等。船舶節(jié)能技術的發(fā)展和新型節(jié)能推進器、螺旋槳的應用為世界造船業(yè)和航運業(yè)帶來了福音，節(jié)約了能源，提高了航速，從而提高了經(jīng)濟性。第6章 2400噸江海直達貨船推進節(jié)能的應用 2400噸江海直達貨船的推進系統(tǒng) 主機、減速齒輪箱主要參數(shù)主機型號：6300ZC型最大持續(xù)功率：2730 kW主機額定轉速：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螺旋槳轉速N(n)：(r/min) 推進因子及收到馬力伴流分數(shù)：ω=推力減額分數(shù)：t=船身效率：ηH=(1t)/(1ω)=()/)=相對旋轉效率：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噸江海直達貨船的推進節(jié)能的應用 推進節(jié)能采用的方法如第5章所述，船舶推進節(jié)能的技術和方法較多，但從本船的實際狀況和實用性角度出發(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，來改進螺旋槳的推進效率。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速。一般而言，正常的航速范圍內，槳轉速降低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，導致爆發(fā)式的汽化，水汽通過界面，進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。當螺旋槳槳葉上某處的減壓系數(shù)ξ≥σ (空泡數(shù))，此時產生空泡現(xiàn)象；當ξσ 時，此時不會產生空泡現(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速。（3） 提高裝置的經(jīng)濟性裝有減速齒輪箱的船舶，在主機發(fā)揮相同功率的情況下，可以降低燃油消耗率，達到節(jié)能的目的，如果加大減速比，經(jīng)濟效益會更好。 改進螺旋槳的設計本文采用圖譜法進行螺旋槳設計。圖譜法簡介：圖譜設計法就是根據(jù)螺旋槳模型敞水系列試驗繪制成的各類專用圖譜來進行設計[27]。用圖譜設計法設計螺旋槳實際上就是根據(jù)已知條件在圖譜所提供螺旋槳資料范圍內選擇最適宜的設計方案。這種設計方法不僅計算簡便，而且易于被人們所掌握，而且用于設計圖譜來源于實驗，較為可靠，若選用合適圖譜進行設計，其結果也較為令人滿意。這種方法是當前應用最為廣泛的一種螺旋槳設計方法。雖然應用圖譜設計會受到系列組型式的限制，但隨著各國對該設計方法研究的深入，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導管螺旋槳系列，以及我國上海交通大學流體力學研究室推出的JD75+Ka和JD7704+Ka簡易導管螺旋槳系列。AU型螺旋槳是日本運輸技術研究所發(fā)展的螺旋槳系列，屬于B—σ型圖譜。近年來日本有關部門又對切面形狀等作了改進，擴大了盤面比和螺距比范圍，進行了3~6葉螺旋槳模型的系列試驗，并作出了設計圖譜。荷蘭瓦根寧根據(jù)船模試驗池對B型系列螺旋槳試驗，設計出了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用很廣，具有相當長的歷史。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行局部修正。AU型4葉槳系列采用這種形式。實踐證明，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