CN108001610A - 气体润滑减阻节能装置 - Google Patents
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Abstract
一种船用气体润滑减阻节能装置，包括稳压腔、喷气孔、船底气穴、供气设备、输气管路和输气控制系统，其中船底气穴位于船底板外侧，稳压腔设在船底板内侧，供气设备与输气管路连接，输气管路经输气控制系统将气体输运至各个稳压腔，通过船底板上的喷气孔喷出，在船底外表面的气穴内形成稳定气层。输气控制系统包括流量计、压力表、空隙率仪、横摇传感器、电动控制阀、自适应控制程序和警报系统。稳压腔为不锈钢构件焊接于船底板内侧形成的狭长气体通道。船底气穴位于船底板的平面区域。供气设备为鼓风机或空压机。该气体润滑减阻节能装置通过向船舶底部通气，在船舶底部形成并保持一薄层气层，使船底面与水隔绝，减小湿表面积，减阻节能。
Description
技术领域
本发明涉及船舶节能降耗技术，特别是一种新型船用减阻节能装置。
背景技术
随着世界能源危机的逐渐显现，国际油价自进入21世纪以来一直处于震荡上涨状态，这使得航运成本居高不下，因此降低运营成本成为船舶行业共同的课题。与此同时，由于温室气体排放所导致的各种环境问题日益严峻，受到国际社会的广泛关注。更为重要的是，随着IMO对船舶能效指标要求的逐步提高，为达到“2025年及以后建成的船舶能效在现有基础上提高30％”这一目标，仅靠现有的船型优化、主机优化及常规水动力节能装置等手段很难实现。新型船舶节能减排技术的研发因此成为船舶研究领域的重大课题，同时也受到广大船东的青睐。
目前，市场上的新型节能减排措施有很多种，如风帆、太阳能等，但均未取得较好的节能效果，并且受使用环境的制约，严重限制了这些技术的实船使用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种气体润滑减阻节能装置，其特征在于,包括：稳压腔(2)、船底气穴(6)、供气设备、输气管路(5)和输气控制系统，其中，所述船底气穴(6)位于船底板外侧，在所述船底气穴区域内均匀排列若干喷气孔(4)；所述稳压腔(2)为设置在船底部的、对应所述喷气孔(4)的狭长气体通道，所述稳压腔(2)用于将气体输送至所述喷气孔(4)；所述供气设备与输气管路(5)连接，输气管路(5)经输气控制系统将气体输运至各个稳压腔(2)。
进一步，所述供气设备的气量为Q＝F(KQ,KAL,Re,B,L)
其中：KQ为气量参数；
KAL为输气管路漏气附加系数；
B为船底气穴宽度；
L为船底气穴长度；
Re为船舶航行雷诺数；
进一步，所述供气设备的气压为
其中：kpl为输气管路压力损失附加系数；
km为裕度系数；
ρ为水体密度；
g为重力常数；
H为通气扬程。
进一步，输气管路(5)满足管路内气流速度为F(u)m/s，u为船舶航速。
进一步，输气控制系统包括流量计、压力表、空隙率仪、横摇传感器、电动控制阀、自适应控制程序、警报系统，其中自适应控制程序通过采集流量计、压力表和空隙率仪的测量数据，结合横摇传感器获取的船舶姿态，分析气层在船底的分布情况，调节电动阀开度，在船底各个位置分配气体。
进一步，稳压腔(2)为不锈钢构件焊接于船底板内侧或外侧形成的狭长气体通道。
进一步，船底气穴(6)位于船底板的平面区域，是通过直接将船底板内凹(新造船)或船底板四周焊接裙板构建凹穴，且船底气穴(6)沿船长方向设置隔板(14)，所述隔板高度和气穴高度保持一致，隔板间距l＝F(h,θ)，
其中：h为气穴深度；
θ为船舶最大横摇角。
本发明具有以下优势：
本发明的研究目标为船舶底部，通过向船舶底部通气，在船舶底部形成并保持一薄层气层，使船底面与水隔绝，减小湿表面积，减阻节能。明显降低摩擦阻力的节能减阻系统，一般可明显降船舶阻力(8％～50％)，减少船舶能耗(5％～20％)。使用时不受环境条件的限制，并且因其作用范围为船底，不与现有其它节能措施冲突，可联合使用，具有极大的减阻节能潜力。
附图说明
图1为本发明的气体润滑减阻节能装置在旧船改造船上的测量及控制系统示意图；
图2为本发明的气体润滑减阻节能装置在新造试验船上的总体布置示意图；
图3为本发明的气体润滑减阻节能装置在新造试验船上的喷气孔局部示意图(纵向视角)；
图4为本发明的气体润滑减阻节能装置在新造试验船上的船底示意图；
图5为本发明的气体润滑减阻节能装置旧船改造的船底示意图；
图6为本发明的气体润滑减阻节能装置通气管路分布图；
图7为本发明的气体润滑减阻节能装置在旧船改造上的气穴结构示意图；
图8为本发明的气体润滑减阻节能装置气穴挡板结构图。
图中：
①通气管法兰
②稳压腔
③船底板
④喷气孔
⑤通气管
⑥船底气穴
⑦流量计
⑧压力表
⑨电动阀
⑩截止止回阀
旁内龙骨
纵骨
纵骨补板
隔板
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明为一种在船舶底部形成并保持住稳定气层的节能减阻装置，如图1所示，包括：稳压腔(2)、喷气孔(4)、船底气穴、供气设备、输气管路和输气控制系统，其中船底气穴(6)位于船底板外侧，在船底板的船底气穴区域上均匀排列若干喷气孔(4)，稳压腔(2)为设置在船底板内侧或外侧、对应喷气孔(4)的狭长气体通道，供气设备与输气管路连接，输气管路经输气控制系统将气体输运至各个稳压腔(2)，各个稳压腔(2)与喷气孔连接，通过船底板上的喷气孔(4)喷出，在船底外表面的气穴内形成气层并稳定保持，使得船底面与水分离，从而达到减阻节能的效果。该气体润滑减阻节能装置由通气控制系统、稳压腔、气穴、喷气孔组成。气穴及喷气孔布置在船舶底部，针对稳压腔布置在船底舱内部，由于稳压腔引起的纵骨开孔，而旁内龙骨(11)和纵骨(12)都是船舶固有结构，因此要通过纵骨补板(13)进行结构补强。通气控制系统布置在舱内。
针对稳压腔布置在船底舱外部，由于稳压腔不会引起的船体内部开孔，因此不需要进行结构补强。
其技术特点在于：
(1)气穴，在船舶平底部分设置的低压区域，使气体在气穴内部附着，形成气层并稳定保持。气穴设置区域为船舶底部的平底部分，具体外形依据船舶底部的流场特点而定，为尽可能大的提高减阻效果，气穴的构型以及占船舶底部平底部分的比例根据船舶底部流场特点而定，气穴占船舶底部平底部分的比例应尽可能大，据船舶大小而定。改造船的气穴头部加有导流装置。气穴尾部设有收缩段，起到在保持气体使其不从气穴尾部泄出的作用。
(2)稳压腔，为设置在船舱底部的狭长空腔，可以为不锈钢构件焊接于船底板内侧形成的狭长气体通道。在气穴所在区域内，沿船长方向布置数道稳压腔，布置的道数以及道与道的间距，依据船底流场、船宽及船长而定。一般可为0.02L～0.95L，L为船长。气体经由通气管路进入稳压腔，再由喷气孔喷出。稳压腔与船底部气穴交接面上设置喷气孔。气体稳压腔的外形无特殊要求，尽量简单。
(3)喷气孔，在船舶底部气穴中按一定规律开小孔，气体从喷气孔喷出入水。喷气孔沿船宽方向均匀排列，形成一道喷气孔，喷气孔的具体尺寸依据所需船舶航行状态及气流量而定，两孔间距根据船舶底部流场确定，间距范围较为宽泛。
(4)通气控制系统，提供气源、传输气体、控制气体流量，它根据所需气流量而定，而气流量根据船舶航行状态而定。
(5)供气设备，为鼓风机或空压机，依据使用船舶特性选择具体的种类和型号。各个航行姿态下所需通气量，由计算、试验积累数据换算而来。
供气设备的气量为Q＝F(KQ,KAL,Re,B,L)
其中：KQ为气量参数，依据船型而定；
KAL为输气管路漏气附加系数；
B为船底气穴宽度；
L为船底气穴长度；
Re为船舶航行雷诺数；
供气设备的气压为
其中：kpl为输气管路压力损失附加系数；
km为裕度系数；
ρ为水体密度；
g为重力常数；
H为通气扬程。
输气管路，由总管和各支管组成，管径不同。整个通气控制系统的管路布局需要经过优化设计，优化设计需结合船舱内的结构布置。不同区域的通气管的管径由通气流量换算而来，为减少能量损失，提高效率，通气管路应尽量减少弯头和管径变换。
输气管路满足管路内气流速度为F(u)m/s，u为船舶航速。
输气控制系统包括流量计(7)、压力表(8)、空隙率仪、横摇传感器、电动控制阀(9)、自适应控制程序、警报系统，其中自适应控制程序通过采集流量计、压力表和空隙率仪的测量数据，结合横摇传感器等获取的船舶姿态，分析气层在船底的分布情况，调节电动阀开度，在船底各个位置分配气体。
气量控制部件，通气管路总管及各支管上均安装压力表(8)、控制阀(9)、截止阀(10)等元器件组成，控制整个通气控制系统的管路。
实施例一
图2、图3与图4所示的船为气体润滑减阻试验船，是中国船舶科学研究中心，为研究气体润滑减阻技术，专门建造的试验样船。船长23.5m，型宽3.8m，型深2.6m，设计吃水1.25m，设计航速4.6节。
参看图2、图3与图4可知气体润滑减阻节能装置的整体构成，包括若干稳压腔(2)、通气管(5)和供气设备，所述气穴位于船底，通过直接将船底板内凹构建凹穴；所述稳压腔(2)沿船宽方向设置在船底板(3)内部，若干稳压腔(2)沿船长方向布置。所述稳压腔(2)的底部开有均匀分布的喷气孔(4)，稳压腔(2)与通气管(5)通过通气管法兰(1)连接，通气管(5)与供气设备连接。
具体参数为：一共设5道稳压腔(2)，两两间距为4.5m；喷气孔(4)直径20mm，喷气孔间距300mm，气穴深度60mm。供气设备选用罗茨鼓风机，通气管(5)内径选100mm。经试验船湖泊试验验证，该气体润滑减阻节能装置，可在船舶底部形成均匀且稳定的气层，使船底面与水有效隔绝，减小船舶湿表面积，在设计吃水、设计航速下，具有减阻18％，节能11％。
气层减阻节能系统，在船舶底部形成并保持一薄层气层，使船底面与粘性系数、密度高的水隔绝，减小湿表面积，明显降低摩擦阻力，从而明显降船舶阻力(8％～50％)，减少船舶能耗(5％～20％)。
本发明的装置通过在船舶底部形成并保持稳定的气层，用粘性系数低的气体代替水，使船底面与粘性系数高的水隔绝，减小湿表面积，明显降低摩擦阻力，从而降低船舶能耗。该装置目前主要应用于底部平底面积大的大型运输船。
实施例二
参见图5、6、7，本发明为在现有船舶底部改造形成的节能减阻装置。包括：稳压腔(2)、喷气孔(4)、船底气穴、供气设备、输气管路和输气控制系统。参见图5，船的气穴头部加有导流装置，气穴尾部设有收缩段。
其中船底气穴位于船底板外侧，且在船底板的平面区域，是在船底板四周焊接裙板构建凹穴，占船舶底部平底部分的比例为95％。在船底板的船底气穴区域上均匀排列若干喷气孔(4)，稳压腔(2)为设置在船底板内侧、对应喷气孔(4)的狭长气体通道。且可以在船底板外侧的气穴中沿船长方向设置隔板(14)，以保持稳定的气层。所述隔板(14)高度和气穴高度保持一致，隔板(14)间距l＝F(h,θ)，
其中：h为气穴深度；
θ为船舶最大横摇角。
如图8所示，所述隔板(14)为T型结构，焊接在船底板(3)的下面。
供气设备与输气管路连接，各个稳压腔(2)通过输气管路(5)经输气控制系统将气体输运至各个稳压腔(2)，通过船底板上的喷气孔(4)喷出，在船底外表面的气穴内形成气层并稳定保持，使得船底面与水分离，从而达到减阻节能的效果。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种气体润滑减阻节能装置，其特征在于,包括：若干稳压腔(2)、船底气穴(6)、供气设备、输气管路(5)和输气控制系统，其中，
所述船底气穴(6)位于船底板外侧，在所述船底气穴区域内均匀排列若干喷气孔(4)；
所述稳压腔(2)为设置在船底部的、对应所述喷气孔(4)的狭长气体通道，所述稳压腔(2)用于将气体输送至所述喷气孔(4)；
所述供气设备与输气管路(5)连接，输气管路(5)经输气控制系统将气体输运至各个稳压腔(2)。
2.根据权利要求1所述的气体润滑减阻节能装置，其特征在于，所述供气设备的气量为Q＝F(KQ,KAL,Re,B,L)
其中：KQ为气量参数；
KAL为输气管路漏气附加系数；
B为船底气穴宽度；
L为船底气穴长度；
Re为船舶航行雷诺数。
3.根据权利要求1所述的气体润滑减阻节能装置，其特征在于，所述供气设备的气压为
其中：kpl为输气管路压力损失附加系数；
km为裕度系数；
ρ为水体密度；
g为重力常数；
H为通气扬程。
4.根据权利要求1所述的气体润滑减阻节能装置，其特征在于，所述输气管路(5)满足管路内气流速度为F(u)m/s，u为船舶航速。
5.根据权利要求1所述的气体润滑减阻节能装置，其特征在于，所述输气控制系统包括流量计、压力表、空隙率仪、横摇传感器、电动控制阀、自适应控制程序、警报系统，所述自适应控制程序通过采集流量计、压力表和空隙率仪的测量数据，结合横摇传感器获取的船舶姿态，分析气层在船底的分布情况，调节电动阀开度，在船底各个位置分配气体。
6.根据权利要求1所述的气体润滑减阻节能装置，其特征在于,所述稳压腔(2)为不锈钢构件焊接于船底板内侧或外侧形成的狭长气体通道。
7.根据权利要求1所述的气体润滑减阻节能装置，其特征在于，所述船底气穴位于船底板的平面区域。
8.根据权利要求1或7所述的气体润滑减阻节能装置，其特征在于，所述船底气穴为直接在船底板上加工成凹穴。
9.根据权利要求1或7所述的气体润滑减阻节能装置，其特征在于，所述船底气穴为在船底四周焊接裙板构建凹穴。
10.根据权利要求1、7、8或9所述的气体润滑减阻节能装置，其特征在于，所述船底气穴(6)沿船长方向设置隔板(14)，所述隔板高度和气穴高度保持一致，隔板间距l＝F(h,θ)，其中：h为气穴深度；
θ为船舶最大横摇角。
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