燃油價格與船舶節(jié)能技術(shù)的開發(fā)

船舶節(jié)能技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用在很大程度上取決于燃料價格的變化。上世紀(jì)70年代世界經(jīng)歷了兩次石油危機。1973-1974年,阿拉伯產(chǎn)油國由中東戰(zhàn)爭爆發(fā)而聯(lián)手提價,每桶原油價格由3美元上漲到11美元。1979-1980年,伊朗爆發(fā)革命,接踵而來的兩伊戰(zhàn)爭,又使每桶原油上漲到37～40美元,最高時曾達45美元,180cSt船用中間燃料油價格上升到創(chuàng)紀(jì)錄的200美元/t,使許多原本經(jīng)營情況良好的航運公司一下子陷入虧損境地。燃油價格的急劇上漲也使船舶節(jié)能技術(shù)的開發(fā)得到前所未有的重視,上世紀(jì)80年代是船舶節(jié)能技術(shù)發(fā)展最快時期。表1給出了1970年以來新造集裝箱船單位耗油率(克/箱海里)的變化。1970年,正是燃油價格低廉時期,美國海陸公司以每艘7000-7500萬美元造價向德國和荷蘭兩家船廠分別訂造四艘SL-7型集裝箱船,載箱量1968TEU,裝用兩臺44130kW(6萬馬力)蒸汽輪機雙機雙槳推進,服務(wù)航速30kn,單位耗油率為384g/TEUnm。日本和西歐幾家大航運公司也紛紛跟進,1970年代初期建造了一批高速集裝箱船,服務(wù)航速27-30kn,單位耗油率為300-335g/TEUnm。由于油價的急劇上漲,此類油老虎快速船成為航運公司的包袱。1980年,海陸公司以不到原價一半的2.7億美元將八艘SL-7集裝箱船全部出售給美國政府,另投資5億美元向日本船廠訂造12艘D-9型集裝箱船,采用一臺Sulzer9RND90M低速柴油機作為推進主機,22170kW,服務(wù)航速降至22.8kn,單位耗油率降至89g/TEUnm,僅為SL-7的23%,1980年以后建造的集裝箱船,都采取了多種節(jié)能措施。從表1可看出,1990年代建造的巴拿馬型和超巴拿馬型集裝箱船在服務(wù)航速回升至22-25kn情況下單位耗油率也只有D-9的60%-72%。2002年韓國現(xiàn)代重工為德國赫伯—勞埃德(Hapag-Lloyd)公司建造的四艘“快航”(Express)型2500TEU先后交付使用,服務(wù)航速25kn,主機功率為68640kW,單位耗油率為59g/TEUnm,為D-9的66.29%,如航速下調(diào)至D-9服務(wù)航速22.8kn,則單位耗油率相應(yīng)下降至46g/TEUnm,與D-9相比較得到的相對單位耗油率為51.7%。即進入新世紀(jì)后建造的第六代大型集裝箱船相對單位耗位率只有1980年建造的D-9集裝箱船的一半,這充分說明了二十多年來船舶節(jié)能技術(shù)所取得的進步。1980-1985年間,180cSt燃油價格始終居高不下,在160-190美元/t之間波動,此后燃油價格有所下降,1990、1995、1996年油價為100-115美元/t,其余年份油價在70-100美元/t之間浮動。進入新世紀(jì)后,油價又有所上升,價格至130-150美元/t之間小輻波動。伊拉克戰(zhàn)爭已于今年4月結(jié)束,中東地區(qū)近期再發(fā)生戰(zhàn)爭的可能性不大。目前全球經(jīng)濟為低增長的復(fù)蘇階段,以后有可能進入新一輪穩(wěn)定增長期,而后油輸出國組織和俄羅斯都十分石油出口,今后十年石油供需大致平衡,預(yù)期每桶原油價格將穩(wěn)定在20-25美元之間,180cSt燃油價格至130-150美元/t之間浮動。中間偏高的燃油價格促使各大造船廠,船舶設(shè)計科研院所,船舶機電設(shè)備供應(yīng)商重視節(jié)能技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。新造船舶應(yīng)盡可能選用下列節(jié)能技術(shù):·選用節(jié)能環(huán)保型柴油機作為船舶的主副發(fā)動機·選用近年開發(fā)的新型高效螺旋槳·選用正反轉(zhuǎn)螺旋槳·船體、主機和螺旋槳三者匹配合理·改進船體線型,選用合適的節(jié)能附件·選用軸帶發(fā)電機等節(jié)能機電產(chǎn)品1運行動力結(jié)構(gòu)比較上世紀(jì)60年代,商船主機大致呈低速柴油機、中速柴油機和蒸汽輪機三足鼎立之勢。而在低速柴油機領(lǐng)域,回流掃氣又與直流掃氣平分秋色。兩次石油危機以后,1983年,油耗高的蒸汽輪機首先被淘汰出局,回流掃氣低速機亦逐漸淡出,直流掃氣低速柴油機成為商船動力的主選機型。1980年代中期至1990年代中期,低速柴油機占有商船推進動力80%的市場份額,1990年代后期依然占有75%的市場份額。新造集裝箱船、油船和散貨船,大多采用低速柴油機作為推進動力。表2給出了1999-2000年世界范圍內(nèi)新造商船低速柴油機選用情況。MANB&W低速柴油機的裝機臺數(shù)為908臺,近1300萬kW,占有2/3的市場份額,可謂一支獨秀。Sulzer位居第二,241臺,503萬kW,占有1/4的市場份額。日本三菱UEC低速柴油機共154臺,146.5萬kW,市場份額為7.52%。值得一提的是,三菱低速機僅有日本船廠為日本船東訂造的新船選用,對世界上大多數(shù)船東而言,可供選用的低速柴油機僅有兩種:MANB&W和Sulzer,二者必居其一。近期低速柴油機的發(fā)展特點是:設(shè)計更為緊湊的機型,降低重量,開發(fā)智能化機型并付諸實用。研究重點是改善缸套—活塞組匹配,目前已采用清潔環(huán)安裝于缸套上部,以清潔活塞,減少缸套磨損,延長大修期。1.1軟件研制的背景表3為Wa¨a¨rtsila¨a¨公司于2003年4月公布的Sulzer低速柴油機系列。近三五年內(nèi),Wa¨a¨rtsila¨a¨Sulzer新機型的開發(fā)重點放在兩個方面:一是加緊開發(fā)智能化發(fā)動機,表3中推出了5個智能化機型:RT-flex50C、RT-flex58T-B、RT-flex60C、RT-flex84T-D、RT-flex96C,首臺6RT-flex58T-B已于2001年9月裝船使用;二是大力開發(fā)適用于集裝箱船的新機型,有RTA50C、RTA96C共6個帶C的新機型,此項開發(fā)已取得成效,新的機型具有沖程較短、轉(zhuǎn)速較高、機器高度較低等特點,與集裝箱船航速較高,吃水較淺、機艙高度較矮相適應(yīng),使船機槳三者達到最合理的匹配。近年來建造的大中型集裝箱船大多采用Sulzer低速機。表4為1999-2000年新造集裝箱的主機選用情況。早在上世紀(jì)90年代初,一些船東就打算建造6000TEU以上大型集裝箱船,原有的SulzerRTA84C已無法滿足要求。1994年12月,SulzerRTA96C柴油機開發(fā)項目正式啟動。為此必須先找到合作伙伴,船東P&ONedlloydBV,船舶設(shè)計及制造廠商IHI和柴油機生產(chǎn)商DieselUnitedLtd先后加入到這一合作開發(fā)項目。1997年3月,首臺11缸RTA96C在日本DieselUnitedLtd試車臺上開始臺架試驗,1997年5月28日,臺架試驗順利完成,隨后安裝在一艘NYKAntares5750TEU集裝箱船上,于1997年10月開始運營。1998年6月起,有4艘采用12RTA96C作為推進主機的P&ONedlloydSouthampton級6690TEU集裝箱先后交付使用。由于開發(fā)及時,RTA96C已成為近幾年新造6600TEU以上第六代集裝箱船的主選機型。從表3可看出,14RT-flex96C為Sulzer低速機系列中功率輸出最大的發(fā)動機,80080kW,可作為新一代10000TEU集裝箱船的推進主機,服務(wù)航速25kn。1.2油船主機選型方案表5為MANB&W公司于2003年4月公布的低速柴油機系列,表5中共有28個機型,其中27個MC常規(guī)機型均有相應(yīng)的ME智能化機型提供給用戶,采用電子控制裝置取代凸輪、齒輪和挺桿等機械設(shè)備控制燃油噴射、排氣閥、啟動空氣閥和氣缸油潤滑油。實際上MANB&W可供用戶選用的機型共有55個,總的功率復(fù)蓋面為1600-97300kW,明顯超過Sulzer低速機系列。如缸徑為700mm因沖程不同衍生出四個機型:S70MC-C,沖程為2800mm;S70MC,沖程2674mm;L70MC-C,沖程2360mm;L70MC,沖程2268mm。七八年前,為適應(yīng)集裝箱船大型化需要,MANB&W曾考慮開發(fā)V型低速機,但因結(jié)構(gòu)變動過大,多數(shù)船東、船廠存有疑慮,V型機方案最后束之高閣,轉(zhuǎn)而開發(fā)缸徑為1080mm的超大缸徑智能化發(fā)動機,單缸功率為6950kW,14K108ME-C的輸出功率可達97300kW,可滿足14000-15000TEU集裝箱船服務(wù)航速25kn的推進功率需求。表6為1999-2000年建造的油船主機選用情況,MANB&W低速機分有七成市場份額,Sulzer僅占二成,這是因為多數(shù)油船吃水深、航速低,與沖程長、轉(zhuǎn)速低的MANB&W低速機匹配良好。散貨船的主機選用情況與油船相仿,多數(shù)選用MANB&W低速機。2船舶速度機型選用情況自上世紀(jì)90年代以來,中速柴油機進入了新一輪更新?lián)Q代的周期,目標(biāo)是降低燃油消耗率,降低排放使之符合IMO標(biāo)準(zhǔn),運行更可靠,大修期更長。在鞏固船舶電站動力幾乎是壟斷地位的同時提高推進動力的市場份額。1995年中速機僅占當(dāng)年完工船舶推進動力市場份額的18.1%,此后穩(wěn)步上升,1996年為19%,1998年為21.4%,1999-2000年上升至23.8%。表7為1999-2000年完工船舶中速柴油機的選用情況。芬蘭Wa¨a¨rtsila¨a¨獨占螯頭,570臺,328萬kW,市場份額為53.27%。接下來為MaK、MANB&W和Sulzer,三種機型合起來為467臺,267萬kW,占有43.35%的市場份額。排名前列的四種機型占有96.62%的市場份額,余下五種機型合起來的市場份額只有3.38%,說明自1990年以來,經(jīng)過十年的市場競爭,優(yōu)勝劣汰,和低速機一樣,中速機機型也愈來愈少,對船東而言,目前可供選用的機型實際上只有四五種。未來中速機發(fā)展的主要方向是:降低NOx和CO2排放;燃料多樣化;延長平均故障間斷;減少維護工作量。2.1發(fā)電動力的新技術(shù)-發(fā)電機復(fù)合循環(huán)十來年前,Wa¨a¨rtsila¨a¨還只是芬蘭一家名不見經(jīng)傳的柴油機公司,由于經(jīng)營有方,推出的新機型油耗低,運轉(zhuǎn)可靠,符合市場需求。1998年Wa¨a¨rtsila¨a¨中速機占當(dāng)年市場份額的29.9%,各列榜首,1999-2000年更上升到53.27%。表8為Wa¨a¨rtsila¨a¨于2003年4月推出的中速機系列,缸徑為200,260mm的發(fā)動機大多用作電站動力。近年來Wa¨a¨rtsila¨a¨公司一直在研發(fā)幾項新技術(shù)以進一步降低油耗,減少NOx排放。向氣缸內(nèi)直接噴水可使Wa¨a¨rtsila¨a¨46機的NOx降至10g/kWh以下,并可減少冷卻水消耗,此措施還可用于老機器的改造。Wa¨a¨rtsila¨a¨還在研究向氣缸內(nèi)噴射蒸汽,使NOx降至3g/kWh,熱效率提高3%-5%。Wa¨a¨rtsila¨a¨中速機的熱效率已達50%,新推出的W46和W64柴油機的燃油消耗率僅為172g/kWh,已達到低速柴油機的水平,進一步提高熱效率需采用柴油機復(fù)合循環(huán)(DCC)。DCC循環(huán)降低活塞頂、氣缸頭和缸套的散熱損失份額,排氣熱量經(jīng)廢氣鍋爐以獲得高壓蒸汽,驅(qū)動蒸汽透平。它徹底改變了柴油機的能量平衡。此新技術(shù)正在12W64推進裝置和電站裝置中進行長期運行考核,整個復(fù)合裝置的熱效率達到60%,并大大降低CO2排放。表9為1999-2000年完工客船(包括郵船和車客渡船)主機選用結(jié)果。Wa¨a¨rtsila¨a¨中速機為174臺,172萬kW,市場占有率為58.66%,其次為Sulzer和MANB&W中速柴油機,分別占市場份額的19.31%和10.15%。2.2我國聯(lián)邦聯(lián)產(chǎn)裝置從表10可看出,1999-2000年新造船共裝用238臺MaK發(fā)動機,占中速機市場份額的16.46%,排名第二。自1990年起,歷史悠久的MaK公司著手開發(fā)新一代中速柴油機,1992年推出缸徑為200mm的M20柴油機。此后,每隔兩年推出一檔新機型,表10為MaK中速機參數(shù)。2.3新一代引領(lǐng)性能發(fā)展新機在1996年的完工船中,MANB&W占有當(dāng)年中速機市場份額的19.2%,位居榜首。1998年占22.4%,由于Wa¨a¨rtsila¨a¨中速機的迅速崛起,市場份額雖有所增加,但排行榜卻退居第二。1999-2000年市場占有率下降為15.22%,排行榜又下降一位。MANB&W公司于上世紀(jì)90年代中期開始新一代中速機的開發(fā)。1997年上半年制造了10臺L58/64機作為5艘1400TEU支線集裝箱船主機,以往這樣噸位的商船多為低速柴油機直接驅(qū)動。1999年,L27/38機交付使用,該機引入了新的設(shè)計概念,具有結(jié)構(gòu)緊湊、部件少、易于安裝、保養(yǎng)方便和經(jīng)濟性良好等特點。進入新世紀(jì)后,MANB&W又接二連三的推出了L32/40、L16/24、L2/31等新機型。表11給出了MANB&W21世紀(jì)新一代中速機型系列。表11中,L16/24、L21/31主要用作商船動力,后面幾檔機型既可作為推進動力,也可用作電站動力。12V48/60B機型已完成了使用油水均質(zhì)混合燃料的試驗,可降低NOx排放。2.4推動裝置三維協(xié)同經(jīng)營MANB&W公司于近年來推出了推進裝置成套供應(yīng)的銷售新概念。原來船廠向不同廠商訂購主機、齒輪箱、螺旋槳和控制系統(tǒng),軸系則由船廠自行加工,最后由船廠將上述設(shè)備配套組裝,這樣船廠訂貨配套工作量很大,一旦出現(xiàn)問題各供貨方易互相扯皮,推諉責(zé)任。對船廠而言,推進裝置由一家廠商配套供應(yīng)則大大減輕了工作量,由一紙合同取代了原先的幾張合同,一次交貨;其次整個裝置成本易得到控制;此外,裝置的設(shè)計、布置、相互匹配可綜合各方面專家經(jīng)驗,比船廠自行設(shè)計配套具有更高的專業(yè)水平。對船東而言,成套供應(yīng)的好處也是顯而易見的。裝置的運行經(jīng)濟性、運轉(zhuǎn)可靠性、售后服務(wù)更易得到保障,裝置較接近“最佳”,不像船廠配套整個裝置很可能是各部件互相妥協(xié)折衷的結(jié)果。由于對船廠、船東均能帶來好處,成套供應(yīng)的銷售策略已初見成效。1997年1月-8月間,MANB&W公司的Augsberg分部取得88臺中速柴油機訂貨,其中32臺為推進裝置成套供應(yīng),有L/V32/40、L40/54、L/V48/60、L58/64多種機型,裝用于液化氣船、集裝箱船、化學(xué)品船和滾裝船。MANB&W公司在開發(fā)新的L27/38中速機時就引入了成套供應(yīng)新概念,專門為L27/38配套設(shè)計MGS系列齒輪箱,減速比為2.8-5.6具有PTO、PTI裝置,目標(biāo)是使其成為這一功能范圍內(nèi)最佳推進裝置。對這種做法,Wa¨a¨rtsila¨a¨公司開始時就不以為然,認(rèn)為這樣做會使成本明顯增加,搞得不好,還可能使新產(chǎn)品的適用性受到制約。隨著時間推移,眼看推進裝置成套供應(yīng)概念逐漸為歐洲不少船東和船廠所接受,市場前景看好,Wa¨a¨rtsila¨a¨公司急忙來個180°大轉(zhuǎn)彎,積極開展成套供應(yīng)業(yè)務(wù),僅于1997年就銷售了60套推進裝置。不僅是中速機,低速機推進裝置也可成套供應(yīng),截止1998年初,MANB&W公司Alpha分部持有100臺MC二沖程低速機訂單,其中64臺為推進裝置成套供應(yīng),成套供應(yīng)率達到64%,包括調(diào)距螺旋槳和控制系統(tǒng),最大功率達14700kW。3節(jié)約主機功率近年來,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下列兩個明顯優(yōu)點:首先,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%。以一般近1998年建造的6690TEU集裝箱船—Southampton為例,該船裝用Sulzer12RTA96C柴油機為推進主機,額定功率65880kW,服務(wù)航速24.5kn,如采用新型螺旋槳取代原有常規(guī)螺旋槳,以節(jié)省主機功率5%計算,一年可節(jié)約燃油2570-3428t,節(jié)省燃油費40-53萬美元,按集裝箱船使用年限為20年計算,則一艘船使用期限內(nèi)節(jié)省燃油費800-1060萬美元。一艘船能省下上千萬美元的成本開支,再大的航運公司也會怦然心動。其次,新型螺旋槳可明顯減少激振力,從而可明顯消減船尾振動,因而延長了船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備的使用壽命,對客船、游游船和在客渡船而言,還明顯改善了旅客和船員的居住舒適性。3.1槳葉的誘導(dǎo)壓力試驗以丹麥工程師J.J.Kappel為首的科研小組經(jīng)十多年努力,于近期推出了由首主創(chuàng)人姓氏命名的Kappel螺旋槳。其外形如圖1所示,在其槳葉0.875R以上的葉梢向前呈圓弧狀彎曲,葉梢形狀好像魚鰭,故也可稱為梢鰭螺旋槳。自1997年8月以來,參與Kappel螺旋槳研發(fā)項目的單位及其分工如下:·丹麥技術(shù)大學(xué)研究非二推升力面理論,包括螺旋槳在恒定伴流場中的性能;·丹麥海運研究所研究螺旋槳在伴流場中誘導(dǎo)壓力的脈動量級及其計算方法;·丹麥KMC公司提供設(shè)計服務(wù);·德國HSVA試驗水池承擔(dān)螺旋槳的敞水試驗、自航試驗和空泡試驗;·英國SMM公司承擔(dān)螺旋槳的制造工作此研發(fā)項目獲得了英國勞氏船級社的支持。丹麥D/SNorden航運公司決定在其新建的六艘35000dwt成品油/化學(xué)品船中的一艘船中安裝Kappel螺旋槳。圖1即為M.T.Nordamerika35000dwt成品油船安裝4葉Kappel槳的外形,2002年完成了Kappel槳和常規(guī)槳的實船對比試驗,圖2為試驗結(jié)果。從圖2可看出,航速為15kn時,采用Kappel槳可節(jié)省主機功率達4.01%,229kW,營運一年可節(jié)省燃油170-250t,約合2.5-4萬美元,以營運20年計,總共可節(jié)約50-80萬美元的燃油費用支出。船模試驗結(jié)果表明,與常規(guī)槳比較,采用Kappel螺旋槳主機功率可減少3.7%-4.7%。2001年,韓國Daedong船廠建造的一艘油船也采用了4葉Kappel螺旋槳,直徑為5.8m,該油船于2001年秋進行了Kappel槳和常規(guī)槳的實船對比試驗。按研發(fā)計劃,德國KvaerderWardow船廠建造的CV2900型集裝箱船將采用6葉Kappel槳,并與設(shè)計先進的常規(guī)槳進行模型和實船對比試驗。3.2主要船舶和調(diào)距槳設(shè)備CLT螺旋槳的全稱為尾流收縮葉梢有載螺旋槳,系由西班牙工程師Gomez首創(chuàng),螺旋槳具有較寬的葉梢,并有一端板如圖3所示。根據(jù)船舶推進器尾流收縮原理,槳葉隨邊處直徑相應(yīng)減小,端板位于葉梢壓力面,形狀正好與螺旋槳盤面的流管形狀相吻合,以減少端板的粘性阻力,增加進入螺旋槳的水流量,使螺旋槳推力有所增加,與常規(guī)螺旋槳相比,CLT槳具有下列優(yōu)點:·推進效率提高8%-10%,燃油消耗明顯減少;·減少或消除螺旋槳激發(fā)的船體振動;·改善機動性,減少回轉(zhuǎn)半徑,縮短停車距離;·改善航向穩(wěn)定性。截止1999年底,已投入營運或訂貨的CLT槳已超過220臺,安裝于不同類型的船舶,包括油船、大噸位散貨船、滾裝船、集裝箱船、水翼船、拖網(wǎng)漁船、大型圍網(wǎng)漁船和長途班輪。主機功率范圍為70-26500kW,復(fù)蓋了從低到高的轉(zhuǎn)速范圍?？偛吭O(shè)在瑞士日內(nèi)瓦的Cargill國際航運公司于八年前開始采用CLT螺旋槳,1995年,Cargill公司首先在13600dwt橙汁運輸船Bebedouro上裝用CLT槳。稍后,又在兩艘164000dwt好望角型散貨船—Cherokee和Comanche上裝用CLT槳。1998年2月和3月,又在70000dwt巴拿馬型散貨船—Powhatan和Paiute上安裝CLT槳。這些螺旋槳均由總部設(shè)在西班牙馬德里的Sistemar公司提供。據(jù)Cargill公司技術(shù)經(jīng)理Hollstein介紹:這五艘船裝用CLT取代原有常規(guī)槳的投資償還期接近兩年。上述兩艘巴拿馬散貨船—Powhatan和paiute均投放于租船市場。壓載航行時,航速15kn,日燃油消耗量為28t。而其裝用常規(guī)螺旋槳的姐妹船—Peouia和Pequot壓載和滿載航行相應(yīng)日燃油消耗量分別為30t和31.2t,燃油節(jié)約達8.3%和10.25%。由于目前租船費率偏低而燃油價格偏高,燃油費用的明顯節(jié)約使這兩艘船在租船市場上更具吸引力。對于兩艘好望角型散貨船—Cherokee和Comache,在用CLT槳取代原先安裝的常規(guī)螺旋槳以后,滿載航行時的日燃油消耗量從58.5t/d降至52.5t/d,減少10.26%;壓載航行從原先的54.4t/d降至49.5t/d,減少9.01%。Bebedouro采用CLT槳的主要原因是為了降低螺旋槳激發(fā)的船體振動,燃油節(jié)約是附加收益,燃油消耗減少了9%,主機在額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)時不再超負(fù)荷。來自船東和船廠的重復(fù)訂單說明了CLT槳收到了預(yù)期的節(jié)能和減振效果。截止2000年底,已有26家航運公司采用CLT槳。這些公司分別屬于不同的國家—日本、新加坡、印度尼西亞、澳大利亞、肯尼亞、冰島、葡萄牙、瑞士、意大利、英國、波蘭、委內(nèi)瑞拉、智利和西班牙。除了定距槳以外,CLT槳也適用于調(diào)距槳,已有50余臺調(diào)距槳采用CLT槳。不僅用于新造船,也可用于在用船舶調(diào)距槳的更新,在不同螺距位置均可得到高于常規(guī)調(diào)距槳的推進效率。3.3采用gpt槳船1992年,荷蘭格羅寧根螺旋槳技術(shù)公司(簡稱GPT公司)成立,致力于葉梢有載螺旋槳的研發(fā)。創(chuàng)新的設(shè)計思路要追溯到上世紀(jì)50年代后期,當(dāng)時格羅寧根大學(xué)J.A.Sparenberg教授創(chuàng)立了螺旋槳升力面理論。GPT公司在升力面理論指引下開發(fā)葉梢有載螺旋槳,開始設(shè)計了兩種葉梢端板形式,最終選用葉梢雙端板形式,一個端板布置在吸力面一側(cè),一個端板布置在壓力一側(cè),即將圖3中葉梢端板的一半翻轉(zhuǎn)到另一側(cè)。消除渦旋的螺旋槳葉梢有載理論的優(yōu)點,早已經(jīng)在航空界獲得共識。波音747-400型機翼的端部具有雙垂直小翼。GPT公司相信消除葉梢渦旋比消除槳轂渦旋更重要。采用GPT螺旋槳取代原有的常規(guī)螺旋槳后,一艘瑞典拖船在全速航行情況下,主機功率節(jié)約5%,系泊拖力增加10%,振動減少50%。在一些荷蘭內(nèi)河船上換上了GPT螺旋槳后,測得的功率節(jié)約為5%-15%。初始的GPT螺旋槳的平均直徑約1.5m,最大的直徑為2.5m,主機功率為8800-1180kW。據(jù)稱在羅馬尼亞新建的一艘雙槳集裝箱船已選用GPT螺旋槳,其直徑為1.6m。GPT螺旋槳另外的優(yōu)點是增加船首的機動性和減少船舶的回轉(zhuǎn)直徑,還可采用較小的螺旋槳直徑。GPT公司報告聲稱,已售出100個GPT螺旋槳,船東反映該螺旋槳與常規(guī)槳比較,節(jié)能的范圍為5%-15%,并且較大的減少噪音和振動量級。船的航速一般可提高約0.5km/h。到2000年中為止,GPT螺旋槳都安裝在內(nèi)河船上。為了使GPT螺旋槳盡快擴展使用到海船上,GPT公司制定了6個月的試驗計劃,以證明GPT螺旋槳在海船上同樣有效。GPT公司與荷蘭某些船東以及瓦根寧根(Wageningen)Marin船模試驗池合作實施這個試驗計劃。此外,GPT公司已向韓國現(xiàn)代重工推薦其螺旋槳用于超級油輪,期望在大型商船上取得突破,以獲取更大的商業(yè)利益。過去幾年中,GPT公司既為新建船舶提供GPT螺旋槳,也為舊船常規(guī)螺旋槳更換GPT螺旋槳,特別是要求解決嚴(yán)重振動問題的船舶。4安裝旋轉(zhuǎn)反向與地面螺釘?shù)慕Y(jié)合眾所周知,采用正反轉(zhuǎn)螺旋槳作為推進裝置是一項行之有效的節(jié)能措施,安裝在后面的螺旋槳旋轉(zhuǎn)反向與前面一臺螺旋槳相反,因而可有效地將前面一臺螺旋槳尾流中的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)化為推力。從上世紀(jì)80年代中期起,日本三菱重工和石川島插磨重工開始研發(fā)正反轉(zhuǎn)螺旋槳作為商船推進裝置。4.1實船試驗研究1988年,三菱重工先在二艘噸位不大的商船試用正反轉(zhuǎn)螺旋槳推進裝置,1993年,又在一艘28.5萬DWT大型油船“CosmoDelphinus”號上裝用正反轉(zhuǎn)螺旋槳取得令人滿意的效果。CosmoDelphinus油船主機為三菱7UEC75LSⅡ低速柴油機,最大持續(xù)輸出功率(MCR)為20600kW,持續(xù)服務(wù)功率(CSR)為17500kW。專為該船設(shè)計的正反轉(zhuǎn)螺旋槳主要特征見表12。三菱重工對CosmoDelphinus油船進行了模型和實船試驗。實船性能對比試驗在分別裝有正反轉(zhuǎn)螺旋槳的CosmoDelphinus和裝有常規(guī)調(diào)距槳的姊妹船之間進行。試驗結(jié)果如下:·節(jié)能效益:在不同船速下,CosmoDelphinus所消耗的軸功率比姊妹船低15%;·尾流:CosmoDelphinus正反轉(zhuǎn)螺旋槳的擾動水流較姊妹船平穩(wěn),說明正反轉(zhuǎn)螺旋槳尾流的能量損失相對較小;·航向穩(wěn)定性試驗:CosmoDelphinus的不穩(wěn)定環(huán)較姊妹船要小,說明該船有更好的航向穩(wěn)定性;·Z形操縱試驗:CosmoDelphinus的超越角與擺動時間幾乎與姊妹船相等,數(shù)值均比較小,說明船的操舵響應(yīng)能力甚好;·回轉(zhuǎn)試驗:CosmoDelphinus的左向、右向回轉(zhuǎn)圈較姊妹船更為對稱,說明正反轉(zhuǎn)螺旋槳后尾流的旋轉(zhuǎn)水流能量有所減弱;·空泡觀察:正反轉(zhuǎn)螺旋槳的前槳、后槳槳葉上空泡擴張范圍甚小,和模型空泡試驗吻合;·噪音與振動:與姊妹船相比,CosmoDelphinus各層甲板的噪音均低5dB,船體振動也明顯低于姊妹船,特別在船后體部份。4.2正偏轉(zhuǎn)槳裝箱船1989年,石川島播磨重工(IHI)在一艘37000DWT散貨船“Juno”上改裝了正反轉(zhuǎn)螺旋槳。試驗結(jié)果證實,推進功率節(jié)約了15%。1993年IHI又在一艘28.5萬DWT油船“Okinoshima”上裝用正反轉(zhuǎn)螺旋槳取得成功。IHI近幾年正在研究在一艘10260TEU超大型集裝箱船裝用正反轉(zhuǎn)螺旋槳,已完成方案設(shè)計和模型試驗,其主尺度為:總長346.6m,型寬51.2m,型深29.6m,主機最大持續(xù)輸出功率65880kW,100r/min,服務(wù)功率59290kW,考慮10%海上功率儲備,服務(wù)航速25kn。經(jīng)估算,因采用正反轉(zhuǎn)螺旋槳而增加的初投資有望在2.33-3年內(nèi)用節(jié)約下來的燃油費用償還。IHI認(rèn)為,在如此大的推進功率下,裝用正反轉(zhuǎn)螺旋槳是超大型集裝箱船的最佳選擇,其優(yōu)點是:·與常規(guī)單機單槳船相比較,10000TEU級集裝箱可節(jié)省推進功率12%;·使用正反轉(zhuǎn)螺旋槳,二個螺旋槳負(fù)荷降低,導(dǎo)致螺旋槳效率提高,并使螺旋槳的最佳直徑比常規(guī)槳減少10%,從而使船舶吃水限制引起的問題降至最小;·正反轉(zhuǎn)螺旋槳的每個槳各吸收主機功率的一半,有利于減少螺旋槳的空泡和激振力,可減少由螺旋槳激發(fā)的船尾振動。4.3codoa復(fù)合裝置CODMAE為Combinedieselmechnicalandelectric之簡寫,為柴油機與機械傳動、電氣三者相結(jié)合的復(fù)合式推進裝置。荷蘭海事研究所(NetherlandsMaritimeResearchlnstitute)的Marin最近正在從事一項研究項目,將CODMAE與正反轉(zhuǎn)螺旋槳組合在一起使用,目標(biāo)船為一艘1400TEU支線集裝箱船,Marin提出了三組方案進行研究評估:方案一:主機為二沖程低速機,二個槳均為定距槳,如圖4所示;方案二:主機為二沖程低速機,前槳為定距槳,后槳為調(diào)距槳;方案三:主機為四沖程中速機,前槳為定距槳,后槳為調(diào)距槳。在三個方案中,柴油機均驅(qū)動后螺旋槳,前螺旋槳為電力驅(qū)動,電力來自柴油機驅(qū)動的軸帶發(fā)電機,也可由柴油發(fā)電機組提供電力。按Darin估算,二個螺旋槳之間的最佳功率分配為:后槳80%,前槳20%。與單機單槳常規(guī)推進方式比較,方案一的節(jié)能收益為13%,方案二、方案三為10.5%。每年可節(jié)約燃油費用200-250萬美元,因采用此復(fù)合裝置而增加的額外投資的收益率平均為45%-50%,投資償還期為2-2.5年。此推進方式還增加了船舶航行的機動性與安全性,即使主機發(fā)生故障,電力驅(qū)動的前螺旋槳還可確保船舶作低速機動航行。4.4ABB開發(fā)的CRPAzipodCRPAzipod為Contra-rotaingazimalthingpoddedpropeller之縮寫,為可回轉(zhuǎn)包殼式對轉(zhuǎn)螺旋槳,采用電力驅(qū)動,安裝在常規(guī)螺旋槳軸線近伸的后面,旋轉(zhuǎn)方向與主槳相反,直徑稍小于主槳,轉(zhuǎn)速稍高,驅(qū)動功率為主槳的30%-40%,可回轉(zhuǎn),如圖5所示,由于CRPAzipod將常規(guī)舵取而代之,有些文獻中也稱作為動力舵(PowerRudder)。從上世紀(jì)90年代末開始,總部設(shè)在瑞士的ABB公司即致力于CRPAzipod的開發(fā),多年的努力終于開始迎來收獲,2002年,ABB取得了來自三菱重工的一個訂貨合同,在二艘日本長崎船廠建造的Popax渡船上裝用CRPAzipod裝置,2004年交船。主螺旋槳由二臺Wa¨a¨rtsila¨a¨12800kW中速機經(jīng)過一臺齒輪箱直接驅(qū)動,Azipod則由電力驅(qū)動,船舶安裝有二套正反轉(zhuǎn)螺旋槳裝置。模型試驗表明,與常規(guī)雙機雙槳推進方案比較,總的推進功率可節(jié)約10%-15%,模型試驗由挪威Marintek水池完成。此外,ABB與韓國三星重工合作,將CRPAzipod用作為9000-12500TEU超大型集裝箱推進方案,2002年春天于圣彼得堡克雷洛夫研究院完成了模型試驗,試驗結(jié)果表明,采用CRPAzipod方案的水動力效率較單槳方案高出7.1%,較雙槳雙尾鰭方案高出11.4%。ABB認(rèn)為,CRPAzipod方案不僅適用于集裝箱船,對滾裝船、客車渡船乃至LNG/LPG船亦同樣具有應(yīng)用前景。5節(jié)能附件5.1雙槳雙槳旅游客船著名的船用設(shè)備制造商—Lips于2001年推出了一種新型節(jié)能裝置—高效舵(EfficiencyRudder),也可稱為槳舵一體化裝置(PropandFinCombination),圖6為其示意圖。在舵葉中間部位,沿螺旋槳軸軸線延伸方向,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。一艘營運于挪威沿海的快速客船—FinnmarKen率先使用此節(jié)能裝置,該船航速為18kn,營運于卑爾根—克凱奈斯旅游客運