CN104755368B - 船体减阻系统及船体的减阻方法 - Google Patents

船体减阻系统及船体的减阻方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种船体减阻系统及船体的减阻方法。该船体减阻系统的特征在于具备：主发动机(1)；排气涡轮压缩机(20)，主发动机(1)的废气的一部分被引导过来而动作；以及吐出喷嘴(24)，用于将从排气涡轮压缩机(20)引导过来的压缩空气引导至船舶的位于水中的船体外表面，排气涡轮压缩机(20)具备：排气涡轮(20b)，通过引导过来的废气进行旋转驱动；压缩机(20a)，得到排气涡轮(20b)的旋转驱动力而对空气进行压缩；以及电动发电机(21)，进行基于排气涡轮(20b)的发电和压缩机(20a)的援助。

Description

船体减阻系统及船体的减阻方法
技术领域
本发明涉及一种适宜用于例如通用的船舶的船体减阻系统及船体的减阻方法。
背景技术
作为船舶中的节能技术，已知有通过由从船底向水中吹出的气泡覆盖船体表面来降低作用于船体的摩擦阻力的技术。该技术将产生气泡的鼓风机等供气装置搭载于船舶，通过另设的动力对其进行驱动。此时，需要鼓风机等的驱动所需的能量。
由于供气装置的驱动需要燃料，因此除船舶的主发动机以外还应当确保送气装置的燃料。并且，供气装置的消耗燃料应当少于通过降低船舶的阻力而削减的主推动发动机的燃料。
作为关于这些上述的课题的对策，公开有下述专利文献1。
专利文献1中，示出一种向船舶的位于水中的船体外表面放出气泡，由此降低航行时的摩擦阻力的船体减阻装置。示出该如下船体减阻装置通过来自船舶的主发动机的废气来驱动，并且具备向主发动机加压输送燃烧用空气的增压器，抽出从增压器向主发动机供给的燃烧用空气并向船体外表面排放，并且增压器具备能够对排气流速进行二阶段调整的可变喷嘴，将燃烧用空气排气并向船体外表面释放的情况下对可变喷嘴进行节流，不抽出燃烧用空气而向船体外表面排放时打开可变喷嘴。
由此示出一种节能效果较高的船体减阻装置，其无需在气泡排放时消耗能量的驱动源，因此不消耗额外的动力而能够排放气泡。并且示出，增压器具备能够对排气流速进行二阶段调整的可变喷嘴，因此能够进行基于可变喷嘴的二阶段切换的简单的控制，并且示出，若采用能够对增压器进行二阶段调整的带可变喷嘴的增压器来设置气泡停止时高荷载运行模式，则即使在不排放气泡的高荷载运行区域中也无需抑制燃烧用空气压力上升的无用的抽出，能够改善主发动机的效率。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2012-171582号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
专利文献1中记载有将柴油主发动机的扫气的一部分引导至船底。但是，扫气的压力通过发动机荷载发生变化，但气泡排放所需的空气压力和空气量大致恒定。因此，存在在低荷载下压力、空气量不足，在高荷载下需对成为气泡的空气进行减压的可能性。
并且，利用主发动机的扫气时，使用对在低荷载运行时的压力或空气量的减少进行补充的辅助压缩机。由此，成本和燃料成本增加。并且，不易进行辅助压缩机和清扫气体的平衡控制。
并且，扫气压力比所需的气泡排放用空气压力高的情况下，需要用减压阀进行压力调整。由此，在整个系统中成为能量损失。
本发明是鉴于这种事实而完成的，其目的在于提供一种船体减阻系统和船体的减阻方法，其能够利用废气的能量对成为气泡的空气进行压缩，并向位于水中的船体外表面稳定地供给。
用于解决技术课题的手段
为了解决上述课题，本发明的船体减阻系统及船体的减阻方法采用以下手段。
本发明的第一方式所涉及的船体减阻系统具备：主发动机；排气涡轮压缩机，所述主发动机的废气的一部分被引导过来而动作；以及吐出喷嘴，用于将从该排气涡轮压缩机引导过来的压缩空气引导至船舶的船体外表面，所述排气涡轮压缩机具备：排气涡轮，通过引导过来的废气进行旋转驱动；压缩机，得到该排气涡轮的旋转驱动力而对空气进行压缩；以及电动发电机，进行基于所述排气涡轮的发电和所述压缩机的援助。
在该第一方式中，除了用于主发动机的增压器外，设置用于压缩成为降低船体阻力的气泡的空气的排气涡轮压缩机。作为该增压器的动力源，使用从主发动机的废气系统(例如，废气歧管)抽出的一部分的废气。从废气系统抽出的废气供给到增压器的排气涡轮。由此，通过将废气的能量的一部分利用到空气压缩的废热回收效果，能够削减用于压缩成为气泡的空气所需的动力。通过废气驱动增压器的排气涡轮而能够稳定地通过压缩机对成为气泡的空气进行升压。由此，能够稳定地向船体外表面供给压缩空气(成为气泡的空气)，因此能够稳定地降低船体与海水的摩擦。
另外，作为排气涡轮压缩机能够适宜地使用在增压器中设置电动发电机的混合增压器。
本发明的第二方式所涉及的船体减阻系统中，当从所述吐出喷嘴吐出的压缩空气的压力低于规定值时，通过所述电动发电机进行所述压缩机的援助。
在该第二方式中，当从吐出喷嘴吐出的压缩空气的压力低于规定值时，能够使电动发电机作为电动机动作来援助压缩机。由此，充分回收引导至排气涡轮压缩机的废气的能量，并且能够辅助电动发电机进行运转，能够抑制驱动电动发电机的电力的消耗。
本发明的第三方式所涉及的船体减阻系统中，从吐出喷嘴吐出的压缩空气的压力超过规定值的情况下，使所述电动发电机作为发电机动作并将电力供给到船内。
在该第三方式中，当从吐出喷嘴吐出的压缩空气的压力超过规定值时，仅通过引导至排气涡轮压缩机的废气的能量就能够得到所希望的压缩空气压力，因此能够将剩余的废气的能量在电动发电机的发电中回收。将这样发电的电力供给到船内，由此能够抑制用于维持船内的需要电力所需的燃料的消耗。
本发明的第四方式所涉及的船体减阻系统中，在将所述主发动机的废气的一部分引导至所述排气涡轮压缩机的所述排气旁通管上设置有控制阀。
在该第四方式中，通过在排气旁通管上设置控制阀，能够调整流入到排气旁通管内的废气的流量。由此，在主发动机的荷载超过规定值的状态下进行基于电动发电机的发电的情况下，将在排气旁通管内流动的废气的流量向节流主发动机侧的增压器进行废气供给。由此，能够根据主发动机的状态对废气的能量进行控制，因此能够提高主发动机的效率。
本发明的第五方式所涉及的船体减阻系统中，所述电动发电机通过逆变器控制进行可变速驱动。
在该第五方式中，电动发电机进行逆变器控制。由此，能够根据主发动机的状态等将旋转频率设为可变，并且能够设为能够抑制电力消耗的节能控制。
本发明的第六方式所涉及的船体的减阻方法具备下列工序：通过引入主发动机的废气的一部分来驱动排气涡轮压缩机；通过该排气涡轮的驱动使压缩机驱动，从而对空气进行压缩；以及通过吐出喷嘴将该压缩的空气引导至位于水中的船体外表面，其中，所述船体的减阻方法还具备如下工序：当从所述吐出喷嘴吐出的空气的压力低于规定值时，通过电动发电机进行所述压缩机的援助。
本发明的第七方式所涉及的船体的减阻方法，其具备下列工序：通过引导主发动机的废气的一部分来驱动排气涡轮压缩机；通过该排气涡轮的驱动使压缩机驱动，从而对空气进行压缩；以及通过吐出喷嘴将该压缩的空气引导至位于水中的船体外表面，其中，所述船体的减阻方法还具备如下工序：当从所述吐出喷嘴吐出的空气的压力超过规定值时，使电动发电机作为发电机动作并将电力供给到船内。
通过利用这些船体的减阻方法，能够通过将废气的能量的一部分利用到空气压缩的废热回收效果来削减用于压缩成为气泡的空气所需的动力。
发明效果
本发明中，设置用于压缩成为气泡的空气的排气涡轮压缩机。作为该排气涡轮压缩机的动力源利用从主发动机的废气系统抽出的一部分的废气。由此，通过将废气的能量的一部分利用到空气压缩的废热回收的效果，能够削减用于压缩成为气泡的空气所需的动力。通过废气驱动排气涡轮压缩机的涡轮，能够稳定地对通过压缩机成为气泡的空气进行升压。由此，能够稳定地向位于水中的船体外表面供给压缩气体(成为气泡的空气)，因此能够稳定地降低船体与海水的摩擦。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式所涉及的船体减阻系统的概要结构图。
图2(a)是表示本发明的一实施方式所涉及的船体减阻系统中的发动机荷载与动力的关系的图表。图2(b)是表示本发明的一实施方式所涉及的船体减阻系统中的发动机荷载与扫气压力的关系的图表。
具体实施方式
以下，参考图1和图2，对本发明所涉及的船体减阻系统及船体的减阻方法的一实施方式进行说明。
船体减阻系统30是对于在水中航行的船舶的位于水中的船体外表面，尤其对于在吃水线以下航行时的处于水中的船体的船底部外表面上，通过排放微小的气泡的同时航行，由此降低船体的摩擦阻力的系统。
图1中示出本发明所涉及的船体减阻系统30的概要结构。
设置在船体减阻系统30的主发动机1由废气系统2(排气歧管)、增压器5、空气冷却器4以及清扫气体室3构成。
并且，与设置在主发动机1的增压器5分开设置有排气涡轮压缩机20。从废气系统2抽出的废气所流动的排气旁通管9连接在排气涡轮压缩机20的排气涡轮20b侧。并且，排气涡轮压缩机20的压缩机20a、排气涡轮20b以及电动发电机21通过旋转轴20c连结，在压缩机20a的吐出侧连接有向位于水中的船体外表面延伸的吐出喷嘴24。
主发动机1例如设为设置在船舶的主机驱动用的柴油发动机。主发动机1通过从未图示的燃料喷射泵引导的燃料和从增压器5引导的压缩空气供给到筒内而被驱动。
增压器5设置在主发动机1的废气系统2与扫气室3之间。增压器5具备：涡轮5b，通过从主发动机1引导的废气被旋转驱动；旋转轴5c，其一侧连接有涡轮5b；以及压缩机5a，连接于旋转轴5c的另一端。该压缩机5a通过由涡轮5b得到的旋转力经由旋转轴5c传递而被旋转驱动，由此对从未图示的吸入口吸入的吸入空气进行压缩。通过压缩机5a压缩的压缩空气在空气冷却器4冷却之后供给到主发动机1的扫气室3。
涡轮5b由接收废气而旋转的涡轮叶片构成，并容纳于涡轮壳体内。涡轮壳体相对于从主发动机1的废气系统2(废气歧管)引导废气的增压器吸入配管6和将通过涡轮叶片的废气引导至涡轮5b外的增压器出口配管8连接。增压器出口配管8连接于用于向船体外排气的排气管10。
压缩机5a中，未图示的吸入配管连接于压缩机5a的吸入侧，在压缩机5a的吐出侧连接有压缩空气流动的吐出配管7的一端。并且，吐出配管7的另一端上连接有空气冷却器4，空气冷却器4连接于扫气室3。
主发动机1的废气系统2上连接有排气旁通管9，排气旁通管9与通过抽出的废气被驱动的排气涡轮压缩机20的排气涡轮20b连接。并且，在排气旁通管9上设置有控制阀11。排气涡轮压缩机20除了具有电动发电机21这一点以外与增压器5设为相同结构，在排气涡轮压缩机20的排气涡轮20b的吐出侧上连接有增压器出口配管23。
在排气涡轮压缩机20的压缩机20a侧连接有向位于水中的船体外表面延伸的吐出喷嘴24。并且，在吐出喷嘴24的另一侧端部连接有气体喷出口(未图示)，所述气体喷出口例如设置在船体等的船体外表面，从向船体外表面打开的开口将压缩气体(成为气泡的空气)作为气泡向船体外表面附近的水中喷出。例如，排气涡轮压缩机20设置在发动机室，因此吐出喷嘴24延伸至船舶的船头来使用。
并且，排气涡轮压缩机20的压缩机20a、排气涡轮20b以及电动发电机21通过设为同轴的旋转轴20c连结。排气涡轮压缩机20具备通过排气涡轮压缩机20被驱动并发电的一台电动发电机21。并且，排气涡轮压缩机20中电动发电机21、压缩机20a以及排气涡轮20b之间通过旋转轴20c连接而串联配置，电动发电机21通过排气涡轮压缩机20被驱动并发电。
接着，对上述结构的船体减阻系统的动作进行说明。
在主发动机1中，从用于集中来自多个气筒(未图示)的废气并过渡到排气管10的排气歧管2抽出的废气经由增压器吸入配管6引导至增压器5的涡轮5b。通过供给到涡轮5b的废气旋转驱动涡轮5b，通过涡轮5b得到的旋转力经由旋转轴5c传递而旋转驱动压缩机5a。由此对吸入空气进行压缩。通过空气压缩机被压缩的压缩空气以空气冷却器4冷却之后供给到主发动机1的扫气室3。供给到涡轮5b的废气使旋转轴5c旋转之后从增压器出口配管8引导至排气管10。另外，从排气管10排出的废气施加所需的废气处理之后，从烟囱(未图示)向大气排出。
另一方面，排气涡轮压缩机20的排气涡轮20b通过经由排气旁通管9引导的一部分的废气被驱动。通过排气涡轮20b得到的旋转力传递到与排气涡轮压缩机20的排气涡轮20b同轴的压缩机20a和电动发电机21。
排气涡轮压缩机20的压缩机20a通过从排气涡轮20b得到的旋转力被旋转驱动，吸入并成为气泡的空气被压缩。并且，在压缩机20a上连结有向位于水中的船体外表面延伸的吐出喷嘴24，压缩空气(成为气泡的空气)经由从发动机室延伸至船舶的船头的吐出喷嘴24作为气泡从向船体外表面打开的开口部向船体外表面附近的水中喷出。
在排气涡轮压缩机20中，电动发电机21、压缩机20a以及排气涡轮20b通过旋转轴20c连接，从而串联配置。电动发电机21通过控制装置22被逆变器控制，并且通过排气涡轮压缩机20被驱动并发电。
并且，电动发电机21通过排气涡轮压缩机20被驱动，进行频率较高的电力的发电，通过用于转换为具有船内常用电力的电压和频率的交流电源的控制装置22被控制。并且，电动发电机21通过控制装置22被逆变器控制，因此例如成为可变速驱动。
图2(a)中示出发动机荷载与动力的关系。横轴表示主发动机1的发动机荷载率，纵轴表示动力。
若主发动机1的发动机荷载上升，则排气涡轮压缩机20的排气涡轮20b的输出上升。将表示用于得到所需空气的动力的线与表示排气涡轮20b的输出的线交叉的位置例如设为发动机荷载50％。此时，在发动机荷载为50％以下时通过船内的电力驱动电动发电机21，援助排气涡轮压缩机20。并且，在发动机荷载为50％以上时，剩余的排气涡轮压缩机20的输出传递到电动发电机21并进行发电。
图2(b)中示出发动机荷载与扫气压力的关系。所需压力根据成为气泡的空气的所需量而有所变化，但为几乎恒定的0.2MPa(2bar)左右，横轴表示主发动机1的发动机荷载率，纵轴表示扫气压力。
为了确保压缩润滑空气所需的压力，调整排气涡轮压缩机20的压缩机20a的吐出压力。发动机荷载低于50％时，利用船内的电力通过电动发电机21援助，以便成为所需的压力。并且，吐出压力剩余的情况下，例如操作控制阀11，将供给到排气涡轮20b的废气集中到主发动机1侧并节流，以调整至所需压力程度。
根据本实施方式，得到以下的作用效果。
作为排气涡轮压缩机20的动力源，利用从主发动机1的废气系统2抽出的一部分的废气。从废气系统2抽出的废气供给到排气涡轮压缩机20的排气涡轮20b。由此，通过将废气的能量的一部分利用到空气压缩的废热回收的效果，能够削减用于压缩成为气泡的空气所需的动力。
并且，通过废气驱动排气涡轮压缩机20的排气涡轮20b，能够通过压缩机20a稳定地对成为气泡的空气进行升压。由此，能够稳定地向水中的船体外表面供给压缩空气(成为气泡的空气)，因此能够稳定地降低船体与海水的摩擦。
另外，作为排气涡轮压缩机20，优选在增压器中设置电动发电机21的混合增压器。
当从吐出喷嘴24吐出的压缩空气的压力低于规定值时，使电动发电机21作为电动机动作，由此能够援助压缩机20a。由此，充分回收引导至排气涡轮压缩机20的废气的能量，并且能够使电动发电机21辅助地运转，能够抑制驱动电动发电机21的电力的消耗。
当从吐出喷嘴24吐出的压缩空气的压力超过规定值时，仅通过引导至排气涡轮压缩机20的废气的能量能够得到所希望的压缩空气压力，因此能够将剩余的废气的能量在电动发电机21的发电中回收。将这样发电的电力供给到船内，由此能够抑制用于维持船内的需要电力所需的燃料的消耗。并且，吐出喷嘴24从发动机室延伸至船舶的船头而设置，因此能够在从发动机到船头之间自然冷却压缩空气。由此，无需设置冷却压缩空气的空气冷却器4，能够削减成本。
通过在排气旁通管9上设置控制阀11，能够调整流到排气旁通管9内的废气的流量。由此，在主发动机1的荷载超过规定值的状态下进行基于电动发电机21的发电时，将在排气旁通管9内流动的废气的流量向节流主发动机1侧的增压器5进行废气供给。由此，能够根据主发动机1的状态对废气的能量进行控制，因此能够提高主发动机1的效率。
电动发电机21通过控制装置22进行逆变器控制。由此，根据主发动机1的状态等将旋转频率设为可变，并且能够抑制电力消耗，能够设为节能控制。
符号说明
1-主发动机，2-废气系统(排气歧管)，3-扫气室，4-空气冷却器，5-增压器，5a-压缩机，5b-涡轮，5c-旋转轴，6-增压器吸入配管，7-吐出配管，8-增压器出口配管，9-排气旁通管，10-排气管，11-控制阀，20-排气涡轮压缩机，20a-压缩机，20b-排气涡轮，20c-旋转轴，21-电动发电机，22-控制装置，23-增压器出口配管，24-吐出喷嘴。

Claims (8)

1.一种船体减阻系统，其具备：
主发动机；
排气涡轮压缩机，所述主发动机的废气的一部分被引导过来而动作；以及
吐出喷嘴，用于将从该排气涡轮压缩机引导过来的压缩空气引导至船舶的位于水中的船体外表面，
所述排气涡轮压缩机具备：排气涡轮，通过所述引导过来的废气进行旋转驱动；压缩机，得到该排气涡轮的旋转驱动力而对空气进行压缩；以及电动发电机，进行基于所述排气涡轮的发电和所述压缩机的援助，
当从所述吐出喷嘴吐出的压缩空气的压力低于规定值时，通过所述电动发电机进行所述压缩机的援助。
2.一种船体减阻系统，其具备：
主发动机；
排气涡轮压缩机，所述主发动机的废气的一部分被引导过来而动作；以及
吐出喷嘴，用于将从该排气涡轮压缩机引导过来的压缩空气引导至船舶的位于水中的船体外表面，
所述排气涡轮压缩机具备：排气涡轮，通过所述引导过来的废气进行旋转驱动；压缩机，得到该排气涡轮的旋转驱动力而对空气进行压缩；以及电动发电机，进行基于所述排气涡轮的发电和所述压缩机的援助，
当从所述吐出喷嘴吐出的压缩空气的压力超过规定值时，使所述电动发电机作为发电机动作并将电力供给到船内。
3.一种船体减阻系统，其具备：
主发动机；
排气涡轮压缩机，所述主发动机的废气的一部分被引导过来而动作；以及
吐出喷嘴，用于将从该排气涡轮压缩机引导过来的压缩空气引导至船舶的位于水中的船体外表面，
所述排气涡轮压缩机具备：排气涡轮，通过所述引导过来的废气进行旋转驱动；压缩机，得到该排气涡轮的旋转驱动力而对空气进行压缩；以及电动发电机，进行基于所述排气涡轮的发电和所述压缩机的援助，
当从所述吐出喷嘴吐出的压缩空气的压力低于规定值时，通过所述电动发电机进行所述压缩机的援助，
当从所述吐出喷嘴吐出的压缩空气的压力超过规定值时，使所述电动发电机作为发电机动作并将电力供给到船内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的船体减阻系统，其中，
在将所述主发动机的废气的一部分引导至所述排气涡轮压缩机的排气旁通管上设置有控制阀。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的船体减阻系统，其中，
所述电动发电机通过逆变器控制进行可变速驱动。
6.根据权利要求4所述的船体减阻系统，其中，
所述电动发电机通过逆变器控制进行可变速驱动。
7.一种船体的减阻方法，其具备下列工序：
通过引入主发动机的废气的一部分来驱动排气涡轮；
通过该排气涡轮的驱动使压缩机驱动，从而对空气进行压缩；以及
通过吐出喷嘴将该压缩的空气引导至位于水中的船体外表面，其中，
所述船体的减阻方法还具备如下工序：当从所述吐出喷嘴吐出的空气的压力低于规定值时，通过电动发电机进行所述压缩机的援助。
8.一种船体的减阻方法，其具备下列工序：
通过引入主发动机的废气的一部分来驱动排气涡轮；
通过该排气涡轮的驱动使压缩机驱动，从而对空气进行压缩；以及
通过吐出喷嘴将该压缩的空气引导至位于水中的船体外表面，其中，
所述船体的减阻方法还具备如下工序：当从所述吐出喷嘴吐出的空气的压力超过规定值时，使电动发电机作为发电机动作并将电力供给到船内。
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