常規船舶水動力節能技術是指通過船體線型、螺旋槳和加裝附加裝置等的優化對船舶周圍流場進行調控，以達到降低船舶阻力或提高螺旋槳推進效率而達到節能目的，具體可見表1。
表1 常規船舶水動力節能技術措施
船型優化主要是針對船體型線進行優化，以改善靜水或風浪中航行的船體表面壓力和興波，從而達到降低船體阻力的目的。目前，船型優化主要基于SBD(Simulation Based Design)技術，如圖1所示，將CFD性能評估、幾何重構/變形技術和智能優化技術相結合，實現一定約束條件下船體性能的最優化。船型優化技術一般可實現節能2%-5%。
高效螺旋槳是相對于傳統圖譜螺旋槳(如MAU系列圖譜、B系列圖譜)而言的，它是建立在船體尾部線型-螺旋槳-回收尾流能量的節能裝置一體化的流體動力性能最優匹配設計理念之上的(如圖2所示)，且是依據船尾流動特征進行理論優化設計而得到的最優方案。相比于圖譜螺旋槳，高效螺旋槳在外形上有明顯差別，且在性能上具有效率高(平均達到2%以上)、空泡及脈動壓力性能優等優勢。
目前，中國船舶科學研究中心所開發的高效螺旋槳已達到國際先進水平，具有以下特點：
圖3 MAU螺旋槳與高效螺旋槳對比(左:MAU槳；右:高效槳)
依據動量定理，螺旋槳吸收主機功率后使進入螺旋槳的水流加速，從而獲得推動船體前進的推力。亦即，螺旋槳緊后方的尾流速度，包括軸向速度和周向旋轉速度，要比螺旋槳前方的水流速度高，但在離開螺旋槳后被加速的水流所具有的能量又被耗散了。由此可見，螺旋槳尾流中存在軸向和周向水流能量損失，如圖4所示。
水動力節能裝置是指安裝在螺旋槳前方或后方的以提高螺旋槳推進效率、降低槳后尾流能量損失為目的的附體裝置，其節能效果一般可達到3%-8%。
如圖5所示，根據安裝位置的不同，水動力節能裝置一般可分為槳前和槳后兩類：
槳前節能裝置：安裝在螺旋槳前方，主要通過改善螺旋槳進流品質或提供預旋流動等方式提高螺旋槳推進效率來達到節能目的。典型的槳前節能裝置包括伴流補償導管、前置導葉、前置預旋導輪、整流鰭等。
槳后節能裝置：安裝在螺旋槳后方，主要通過回收螺旋槳尾流能量損失來達到節能目的。典型的槳后節能裝置包括槳轂消渦鰭、舵球、舵附推力鰭、扭曲舵等。
目前，國內由中國船舶科學研究中心開發的前置預旋導輪、槳轂消渦鰭等節能裝置產品也已達到國際先進水平，已獲得千余艘船舶的應用，得到了市場廣泛認可。
前置預旋導輪(CMES-PSV?)是一種由中國船舶科學研究中心自主開發的，將前置導管與前置導葉有機結合的組合式節能裝置，節能效果一般可達3%-8%。根據船尾流動特征，有兩種形式，如圖6所示，一是前置導葉完全置于導管內的常規導輪，適用于船尾相對肥大的船舶；另一是導葉伸出導管外的光芒型導輪，適用于船尾相對瘦削的船舶。
前置預旋導輪的節能機理主要包括：1)改善分離流動，恢復船艉表面壓力；2)均勻螺旋槳進流，提高推進效率；3)采用加速型導管，可產生附加推力；4)產生預旋流，減小尾流旋轉能量損失。
圖6 前置預旋導輪(左:常規導輪；右:光芒型導輪)
相對于伴流補償導管及前置導葉，前置預旋導輪有效解決了伴流補償導管無法適用于尾部瘦削的或航速較高、螺旋槳負荷較小的船型(如集裝箱船等)的問題，同時又避免了前置導葉結構相對薄弱的問題。因此，前置預旋導輪是目前市場上應用最廣泛的槳前節能裝置之一，累計實現實船應用達到400余套。
(2)槳轂消渦鰭
槳轂消渦鰭(CMES-HVAF?)是一種槳后節能裝置，通過在螺旋槳槳帽上增設與螺旋槳葉數相同的小鰭片，以回收螺旋槳轂渦能量損失，節能效果一般為2%-5%。
槳轂消渦鰭的節能機理主要包括：①消除螺旋槳槳轂轂渦空泡，如圖9所示；②回收尾流能量損失；③鰭片可降低尾流軸向速度，恢復槳轂壓力，減小槳轂阻力；④鰭片產生負扭力，從而降低螺旋槳扭矩，并可產生推力。
相對于其他槳后節能裝置，槳轂消渦鰭具有如下優點：1)節能效果優良；2)結構簡單，安全可靠；3)安裝方便，無需在干塢安裝；4)投入低，收回成本周期短。因性價比高，目前槳轂消渦鰭在市場上受到廣大船東的廣泛認可，已實現實船應用達到800余套。
概括而言，水動力節能裝置具有如下優勢：①安全、可靠、有效；②省油效果好，可達3%-10%；③同等航速下可有效減少CO2、SOx、NOx排放；④維護成本低；⑤提高船舶的安全性；⑥提高航速，利于搶占泊位；⑦投資低，成本回收期短。因優勢突出，水動力節能裝置已成為目前新造船的標配和在營運船舶節能改造的首選，而獲得廣泛應用。
5.7萬噸散貨船是目前船舶市場上保有量最大的船型之一。中國船舶科學研究中心針對該船開展了船舶水動力節能裝置設計開發，并最終采用前置預旋導輪+槳轂消渦鰭的組合水動力節能方案，如圖8所示。經過模型試驗驗證，前置預旋導輪和槳轂消渦鰭的節能效果分別可達到5.4%和3.0%，節能效果顯著。經實船應用及測試結果表明，其節能效果可達到9.0%，日均可實現節油達到2噸以上，1年內可收回投資成本，節油經濟效益突出。
由于該節能裝置方案在實船節油效果上的優異表現，獲得了船廠、船東的一致認可，現已也陸續裝船70余艘。2018年，“57000噸散貨船尾流前置預旋導輪及消渦鰭技術改造”項目以排名第一入選首屆國家節能中心“重點節能技術應用典型案例”。
2016年3月10日，中國遠洋海運、招商局集團、工銀金融租賃有限公司與淡水河谷簽訂協議，訂購30艘40萬噸超大型礦砂船(Valemax-II)。40萬噸超大型礦砂船重點突出“綠色、環保、節能和安全”的特點，其中船舶水動力節能裝置是該型船開發的重點之一，備受船東和船廠的關注，同時也是眾多國內外節能裝置供應商的必爭項目。
中國船舶科學研究中心采用前置預旋導輪+高效螺旋槳+槳轂消渦鰭的組合式節能方案，依據一體化設計理念，實現了整體節能效果的最優。經國外第三方水池試驗驗證，以推進效率最高、節能效果最優、無空泡剝蝕風險等綜合性能最佳贏得了競標，最終贏得了全部30艘船的供貨訂單。產品自2017年8月開始陸續交付安裝，于2018年底完成全部產品交付。據測評，加裝該一體化水動力節能裝置方案(見圖9)后，每船日均可節油約5噸、年均節省燃油費約45萬美金、減少CO2排放3000余噸，經濟效益和減排效益均十分突出。
本文作者：黃國富 黃樹權 董鄭慶
文章來自：中國船檢
