CN113548147B - 一种综合节能效果满足eedi高阶段要求的散货船 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合节能效果满足EEDI高阶段要求的散货船，涉及船舶设计领域，该散货船根据散货船船型特点进行最优化线型设计，基于船‑桨‑节能附体一体化理念设计了匹配于低阻线型的高效螺旋桨、前置预旋导轮、消涡鳍及扭曲舵的综合水动力节能系统，设计了与船型相匹配的气层减阻系统降低船舶摩擦阻力，并增大船体平底面积与之匹配，设计了与船型相匹配的风力助推系统来提供助推力，并为散货船配备变速恒频轴发系统为气层减阻和风力助推转子供电，充分利用主机富裕能量，进一步降低船舶燃油消耗和CO₂排放，通过与散货船船体、电气、轮机等系统有机协调统一，形成全船综合节能系统，使其超前满足后续不同阶段的EEDI要求。

Description

一种综合节能效果满足EEDI高阶段要求的散货船

技术领域

本发明涉及船舶设计领域，尤其是一种综合节能效果满足EEDI高阶段要求的散货船。

背景技术

气候变暖是全球面临的重要问题之一，作为负责任的大国，中国于2020年提出了2030年碳达峰、2060年碳中和的雄心目标。承担全球80％贸易运输任务、CO2排放量全球占比2018年达2.89％的航运业碳减排势在必行。近年来，国际海事组织(IMO)为促进船舶节能减排制定了一系列环保法规，包括GHG减排初步战略、新船能效设计指数(EEDI)导则、现有船能效设计指数(EEXI)导则等。继续加强现有能效框架下的EEDI要求已成为行业共识，EEDI已成为实质上应对船舶GHG减排最快、最有效的减排途径。

现有的提高船舶能效水平的技术措施主要包括：船型设计技术、节能推进技术、创新节能技术、替代燃料技术等，其中：采用新型的替代燃料能够解决EEDI和碳减排问题，但是大部分替代燃料由于在技术成熟度、燃料可获得性、经济性、基础设施等方面的限制，尚不具备实船应用条件；以风力助推及气层减阻为代表的创新节能技术具有显著的节能效果，技术成熟度也正在不断完善，逐渐成为国内外研发的热点，具有广阔的应用前景；船型设计和节能推进等常规节能技术的成熟度较高、市场应用率也较高。

随着EEDI要求越来越严苛，单项节能减排技术应用带来的收益是极其有限的，远不能满足EEDI高阶段(phase 3/phase 4)的要求。但是多项节能技术的组合应用并不是简单的相互叠加，不同的节能技术之间可能存在相互干扰的问题，需要考虑相互之间的匹配设计，而且也需要考虑与船型的匹配设计，组合应用的难度较大。所以目前大部分船舶仍停留在应用常规节能技术阶段，少数应用了单项创新节能技术，更少数的应用1～2项节能减排技术组合，但基本只能满足EEDI phase 2阶段要求，且离EEDI phase 3要求差距较大，难以满足EEDI高阶段要求。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种综合节能效果满足EEDI高阶段要求的散货船，本发明的技术方案如下：

一种综合节能效果满足EEDI高阶段要求的散货船，该散货船包括船体、气层减阻系统、水动力节能系统、风力助推系统以及变速恒频轴发系统；

船体采用垂直艏和方型艉的线型设计，船体内部的货舱区域沿着船长方向设置有若干个货舱，船体的底板区域的平底部分面积大于预定面积，船体的底板区域的平底部分形成有内凹的阶梯式气穴；

气层减阻系统通过船体的底板区域的喷气口向外喷气、在船体的底板区域形成减阻气层，阶梯式气穴用于维持减阻气层；

水动力节能系统设置在船体的艉部区域，水动力节能系统包括高效螺旋桨、消涡鳍、前置预旋导轮和扭曲舵，且高效螺旋桨的桨叶直径大于预定直径、桨叶侧斜角度大于预定角度；

风力助推系统至少包括风力助推转子，风力助推转子设置在船体的甲板区域的预定位置处；

变速恒频轴发系统安装于螺旋桨桨轴靠近船舶主机位置，船舶主机驱动变速恒频轴发系统给风力助推系统和气层减阻系统供电。

其进一步的技术方案为，船体从底板区域向水线处的船宽收窄、从水线处至甲板处的船宽向外扩展，船体沿着船宽方向的横剖面的单侧剖面线呈S型结构。

其进一步的技术方案为，船体的艏部区域设置有艏楼、艉部区域设置有艉部上层建筑，艉部上层建筑在船宽方向的宽度小于预定宽度、在船长方向的长度大于预定长度，每个货舱包括两块侧移式盖板组成的货舱盖，各个货舱盖沿着船长方向均匀布置在船体的甲板区域。

其进一步的技术方案为，船体的底板区域的平底部分的阶梯式气穴的长度为138.0m、宽度为32.4m、深度为0.3m，气穴面积占平底部分面积的85％。

其进一步的技术方案为，风力助推系统包括风力助推转子、驱动电机和自适应助推控制组件，风力助推转子包括转子外筒、转子内塔及转子基座，转子基座固定在船体的甲板垫轨上，转子内塔固定在转子基座上，转子外筒套设在转子内塔的外部；驱动电机安装在转子内塔的内部并用于驱动转子外筒转动，变速恒频轴发系统为驱动电机供电；自适应助推控制组件连接并控制驱动电机调整风力助推转子的转速和/或转向。

其进一步的技术方案为，风力助推系统包括4个风力助推转子，4个风力助推转子沿着船长方向布置在船体的甲板区域的右舷位置，且每个风力助推转子分别布置在相邻两个货舱之间。

其进一步的技术方案为，气层减阻系统包括供气组件、稳压组件、喷气组件和自适应减阻控制组件，供气组件用于提供气体，稳压组件用于输送控制气体，喷气组件用于通过船体的底板区域的喷气口向外喷气、在船体的底板区域形成减阻气层，阶梯式气穴用于维持减阻气层；自适应减阻控制组件连接并控制供气组件、稳压组件和喷气组件调整喷气模式。

其进一步的技术方案为，高效螺旋桨安装在螺旋桨桨轴上，消涡鳍安装在高效螺旋桨后侧的桨毂上且与高效螺旋桨的叶数相同；前置预旋导轮安装在高效螺旋桨的近前方的船体上，前置预旋导轮的轴心偏置于螺旋桨桨轴的上方，前置预旋导轮包括产生预旋流动的4～5叶导叶，导叶外周为导管；扭曲舵位于高效螺旋桨后侧并安装在船体上，扭曲舵根据来流方向将舵不同高度处的舵剖面偏转相应角度与桨后尾流场匹配。

其进一步的技术方案为，变速恒频轴发系统采用抱轴式变速恒频轴发系统。

本发明的有益技术效果是：

(1)本申请公开了一种综合节能效果满足EEDI高阶段要求的散货船，该散货船基于船-桨-节能附体一体化理念设计了低阻线型、高效螺旋桨、前置预旋导轮、消涡鳍及扭曲舵的综合水动力节能系统，高效桨和节能附体设计基于船艉伴流场信息，与艉部线型设计息息相关。

(2)在综合水动力节能船型方案基础上，通过优化船体线型和舱室布置，增大船体平底面积，设计了与船型相匹配的气层减阻系统，通过向船舶底部通气，在船舶底部形成并保持薄气层，从而达到显著降低船舶摩擦阻力、节能降耗的效果。

(3)进一步，采用新型的上层建筑设计样式，设计了与船型相匹配的风力助推转子，通过在船体甲板合适位置安装一定规格的可旋转圆筒，基于马格努斯(Magnus)效应，圆筒在风中旋转产生垂直于风速方向的力，从而为船舶提供前进方向的助推力，达到节能降耗的目的。

(4)为散货船低速主机配备变速恒频轴发系统，在营运过程中为气层减阻和风力助推转子供电，充分利用主机富裕能量，减少发电机组数量、运行时间和维修保养成本，进一步降低船舶燃油消耗和CO₂排放。

(5)上述各节能系统根据散货船船型特点进行最优化线型设计，通过与散货船船体、电气、轮机等系统有机协调统一，形成全船综合节能系统，合理组合应用不同节能系统能够有效降低船舶燃油消耗和CO₂排放量，使其超前满足后续不同阶段的EEDI要求。

附图说明

图1是本申请的散货船的立体结构示意图。

图2是本申请的散货船的艉部结构示意图。

图3是本申请的散货船的内部结构示意图。

图4是本申请的散货船的水动力节能系统和变速恒频轴发系统的结构示意图。

图5是本申请的散货船的水动力节能系统的另一个角度的结构示意图。

图6是本申请的散货船的风力助推转子的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种综合节能效果满足EEDI高阶段要求的散货船，请参考图1，该散货船包括船体以及安装在船体上的气层减阻系统、水动力节能系统、风力助推系统以及变速恒频轴发系统。

(1)、船体设计。船体采用垂直艏和方型艉的线型设计，艏部线型设计以降低兴波阻力和波浪增阻为主，艉部线型设计以降低粘压阻力和改善伴流场为主，由此形成低阻线型设计，如图2示出了船体的艉部结构图。

船体内部的货舱区域沿着船长方向设置有若干个货舱1。优选的，船体的垂线间长为225.4m，型宽为36.0m，型深为19.9m，设计吃水为12.2m，结构吃水为14.2m，结构吃水载重量约为88000吨，由此货舱区域设置有7个货舱1，如图3所示，分别记为第一货舱～第七货舱。

为了匹配气层减阻系统，船体的底板区域的平底部分面积大于预定面积，该预定面积大于现有散货船的平底部分面积，也即本申请的散货船的平底部分面积相比于同类常规船舶的平底部分面积要大，具体取值可以自定义配置。

进一步的，为了降低较大的平底部分面积对船型快速性能的不利影响，船体从底板区域向水线处的船宽收窄、从水线处至甲板处的船宽向外扩展，船体沿着船宽方向的横剖面的单侧剖面线呈S型结构。也即相比于常规线型具有靠近底板区域部分较肥、靠近水线部分较瘦、靠近甲板部分略外飘的特征。

船体的艏部区域设置有艏楼2、艉部区域设置有艉部上层建筑3，艉部上层建筑3设六层甲板室用于布置居住舱室和驾驶室，为了与风力助推系统相匹配，艉部上层建筑3在船宽方向的宽度W小于预定宽度、在船长方向的长度大于预定长度，预定宽度W小于现有散货船上的艉部上层建筑的宽度、预定长度大于现有散货船上的艉部上层建筑的长度。也即本申请的散货船的艉部上层建筑相比于常规船舶在船宽方向更窄，从而可以降低艉部上层建筑在风力助推系统工作时带来的干扰，使得风力助推系统的节能效果最大化，而且较窄的艉部上层建筑也可以减少正面迎风面积，降低航行过程中的风阻力。而较长的长度可以弥补宽度减小带来的面积减损，从而保证艉部上层建筑的容纳空间、便于舱室布置。每个货舱包括两块侧移式盖板组成的货舱盖，各个货舱盖沿着船长方向均匀布置在船体的甲板区域。

船体的底板区域的平底部分形成有内凹的阶梯式气穴。优选的，船体的底板区域的平底部分的阶梯式气穴的长度为138.0m、宽度为32.4m、深度为0.3m，气穴面积占平底部分面积的85％。

(2)、气层减阻系统。气层减阻系统通过船体的底板区域的喷气口向外喷气、在船体的底板区域形成减阻气层，阶梯式气穴用于维持减阻气层。气层减阻系统包括供气组件、稳压组件、喷气组件和自适应减阻控制组件。

供气组件用于提供气体，可以由空压机实现，用于提供所需压力和流量的气体。

稳压组件用于输送控制气体，主要包括控制阀、稳压器等设备，主要用于进行气体输送、气体流动方向及流量等控制、喷射气体的预稳定，最终将稳定气体输送至船体的底板区域。

喷气组件用于通过船体的底板区域的喷气口向外喷气、在船体的底板区域形成减阻气层，阶梯式气穴用于维持减阻气层，使得气体在船底附着，形成覆盖整个船底的气层。

自适应减阻控制组件连接并控制供气组件、稳压组件和喷气组件调整喷气模式。自适应减阻控制组件通常布置在驾驶室，可以通过监测到的船舶航行姿态、气层减阻系统各性能特征参数、主机功率及油耗等参数自适应调整最佳的喷气模式，完成对整个气层润滑减阻系统的有效控制，在调整喷气模式时主要包括调整喷气压力、流量、时长等。

(3)水动力节能系统。水动力节能系统设置在船体的艉部区域，请参考图4和5，水动力节能系统包括匹配与低阻线型设计的高效螺旋桨4、消涡鳍5、前置预旋导轮6和扭曲舵7。高效螺旋桨4安装在螺旋桨桨轴上，高效螺旋桨4与常规螺旋桨相比，侧斜角更大、螺距可变、采用新的剖面形式，与船体艉部线型及伴流场匹配设计，比常规图谱螺旋桨效率可提高近3％。考虑到气层减阻系统的应用会降低船体航行阻力，进而减小螺旋桨运行时的负荷，因此本申请中的高效螺旋桨4的桨叶直径大于预定直径、桨叶侧斜角度大于预定角度，该预定直径大于常规螺旋桨桨叶直径预定侧斜角度大于常规螺旋桨的侧斜角度。

消涡鳍5安装在高效螺旋桨后侧的桨毂上，是增设的与高效螺旋桨4的叶数相同的小叶片，消涡鳍5是以消除螺旋桨毂涡能量损失为目的一种水动力节能装置，具有结构简单、重量轻、安装方便、实用安全、造价较低等优点。

前置预旋导轮6安装在高效螺旋桨4的近前方的船体上，前置预旋导轮6的轴心偏置于螺旋桨桨轴的上方，前置预旋导轮6包括产生预旋流动的4～5叶导叶，导叶外周为导管，具有改善螺旋桨上半平面入流的均匀性、提高螺旋桨船身效率、降低螺旋桨尾流旋转能量损失等作用。

扭曲舵7位于高效螺旋桨4后侧并安装在船体上，扭曲舵7根据来流方向将舵不同高度处的舵剖面偏转相应角度与桨后尾流场匹配，回收尾流旋转能量损失，进而提高桨-舵系统推进性能，同时可改善舵叶低压区产生空泡和空蚀问题。

(4)风力助推系统。风力助推系统至少包括风力助推转子8，风力助推转子8设置在船体的甲板区域的预定位置处。优选的，风力助推系统包括4个风力助推转子8，4个风力助推转子8沿着船长方向布置在船体的甲板区域的右舷位置，且每个风力助推转子8分别布置在相邻两个货舱1之间。

请参考图6，风力助推转子8包括转子外筒81、转子内塔82及转子基座83，转子基座83固定在船体的甲板垫轨84上，转子内塔82固定在转子基座83上，转子外筒81套设在转子内塔82的外部。理论上风力助推转子8的转子尺寸越大、节能效果越好，但大尺寸又会带来空间布置难、遮挡驾驶视线等问题，在本申请中，设计风力助推转子的直径为4.0m，高度为24.0m。

风力助推系统除了包括风力助推转子之外还包括驱动电机和自适应助推控制组件，驱动电机安装在转子内塔82的内部并用于驱动转子外筒81转动。自适应助推控制组件连接并控制驱动电机调整风力助推转子的转速和/或转向。自适应助推控制组件通常设置在驾驶室中，可以与自适应减阻控制组件即成为一套控制系统，根据监测获取的航行环境参数和航行参数，控制转子的转速和转向，优化风力助推转子节能效果。

(5)变速恒频轴发系统。变速恒频轴发系统安装于螺旋桨桨轴靠近船舶主机9位置，船舶主机9驱动变速恒频轴发系统10给风力助推系统和气层减阻系统供电，具体的，变速恒频轴发系统为风力助推系统中的驱动电机供电。变速恒频轴发系统包括轴带电机、变频电源柜、控制器、变压器等设备，可以通过船舶主机驱动轴带电机来给负载供电，利用主机富余功率来达到节能的目的。变速恒频轴发系统与主推进轴系、配电板及发电机组有接口(机械和电气)及控制逻辑。优选的，变速恒频轴发系统采用抱轴式变速恒频轴发系统，具有尺寸小、重量轻等优势。

该散货船集成了多项节能减排技术，且各项节能减排技术之间做了匹配设计，各项节能减排技术的节能效果以及对EEDI贡献度估算如下：

基于上述各项节能技术的集成和相互匹配，可使节能效果最大化，散货船EEDI可进一步降低约25％，可以使其满足EEDI phase 3以及phase 4的要求，能显著降低燃油消耗和CO₂排放，具有较高的能效水平。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种综合节能效果满足EEDI高阶段要求的散货船，其特征在于，所述综合节能效果满足EEDI高阶段要求的散货船包括船体、气层减阻系统、水动力节能系统、风力助推系统以及变速恒频轴发系统；

所述船体采用垂直艏和方型艉的线型设计，所述船体内部的货舱区域沿着船长方向设置有若干个货舱，所述船体的底板区域的平底部分面积大于预定面积以匹配所述气层减阻系统，所述船体的底板区域的平底部分形成有内凹的阶梯式气穴；所述船体从底板区域向水线处的船宽收窄、从水线处至甲板处的船宽向外扩展，所述船体沿着船宽方向的横剖面的单侧剖面线呈S型结构以降低船体的底板区域的平底部分的面积对船型快速性能的不利影响；

所述气层减阻系统通过所述船体的底板区域的喷气口向外喷气、在所述船体的底板区域形成减阻气层，所述阶梯式气穴用于维持所述减阻气层；

所述水动力节能系统设置在所述船体的艉部区域，所述水动力节能系统包括高效螺旋桨、消涡鳍、前置预旋导轮和扭曲舵，且所述高效螺旋桨的桨叶直径大于预定直径、桨叶侧斜角度大于预定角度；

所述风力助推系统至少包括风力助推转子，所述风力助推转子设置在所述船体的甲板区域的预定位置处；

所述变速恒频轴发系统安装于螺旋桨桨轴靠近船舶主机位置，所述船舶主机驱动所述变速恒频轴发系统给所述风力助推系统和气层减阻系统供电。

2.根据权利要求1所述的综合节能效果满足EEDI高阶段要求的散货船，其特征在于，所述船体的艏部区域设置有艏楼、艉部区域设置有艉部上层建筑，所述艉部上层建筑在船宽方向的宽度小于预定宽度、在船长方向的长度大于预定长度，每个货舱包括两块侧移式盖板组成的货舱盖，各个货舱盖沿着船长方向均匀布置在所述船体的甲板区域。

3.根据权利要求1所述的综合节能效果满足EEDI高阶段要求的散货船，其特征在于，所述船体的底板区域的平底部分的阶梯式气穴的长度为138.0 m、宽度为32.4 m、深度为0.3m，气穴面积占平底部分面积的85%。

4.根据权利要求1-3任一所述的综合节能效果满足EEDI高阶段要求的散货船，其特征在于，所述风力助推系统包括风力助推转子、驱动电机和自适应助推控制组件，所述风力助推转子包括转子外筒、转子内塔及转子基座，所述转子基座固定在所述船体的甲板垫轨上，所述转子内塔固定在所述转子基座上，所述转子外筒套设在所述转子内塔的外部；所述驱动电机安装在所述转子内塔的内部并用于驱动所述转子外筒转动，所述变速恒频轴发系统为所述驱动电机供电；所述自适应助推控制组件连接并控制所述驱动电机调整所述风力助推转子的转速和/或转向。

5.根据权利要求1-3任一所述的综合节能效果满足EEDI高阶段要求的散货船，其特征在于，所述风力助推系统包括4个风力助推转子，4个风力助推转子沿着船长方向布置在所述船体的甲板区域的右舷位置，且每个风力助推转子分别布置在相邻两个货舱之间。

6.根据权利要求1-3任一所述的综合节能效果满足EEDI高阶段要求的散货船，其特征在于，

所述气层减阻系统包括供气组件、稳压组件、喷气组件和自适应减阻控制组件，所述供气组件用于提供气体，所述稳压组件用于输送控制气体，所述喷气组件用于通过所述船体的底板区域的喷气口向外喷气、在所述船体的底板区域形成减阻气层，所述阶梯式气穴用于维持所述减阻气层；所述自适应减阻控制组件连接并控制所述供气组件、稳压组件和喷气组件调整喷气模式。

7.根据权利要求1-3任一所述的综合节能效果满足EEDI高阶段要求的散货船，其特征在于，所述高效螺旋桨安装在螺旋桨桨轴上，所述消涡鳍安装在所述高效螺旋桨后侧的桨毂上且与所述高效螺旋桨的叶数相同；所述前置预旋导轮安装在所述高效螺旋桨的近前方的船体上，所述前置预旋导轮的轴心偏置于所述螺旋桨桨轴的上方，所述前置预旋导轮包括产生预旋流动的4~5叶导叶，导叶外周为导管；所述扭曲舵位于所述高效螺旋桨后侧并安装在所述船体上，所述扭曲舵根据来流方向将舵不同高度处的舵剖面偏转相应角度与桨后尾流场匹配。

8.根据权利要求1-3任一所述的综合节能效果满足EEDI高阶段要求的散货船，其特征在于，

所述变速恒频轴发系统采用抱轴式变速恒频轴发系统。

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