摘 要：船舶能效设计指数（EEDI）的强制性实施对船舶设计提出了更高的要求，将有更多新型节能装置广泛应用于船舶上。通过试验研究，研发了船舶不对称节能尾鳍，并成功应用于实船上。船舶不对称尾鳍能够使尾部伴流场稳定化和均匀化，提高螺旋桨推进效率，降低能耗，实现船舶节能。此外，船舶不对称尾鳍还能减小螺旋桨激振力引起的船舶振动现象。
关键词：船舶；不对称节能尾鳍
1 前 言
海事组织（IMO）召开了海上环境保护委员会（MEPC）第62届会议，通过了EEDI船舶能效规则的修正案，确立了“船舶能效设计指数”（EEDI）船舶能效标准。船舶能效规则的强制性实施对船舶设计新能源技术应用等提出了更高要求。EEDI是衡量船舶设计和建造能效水平的一个指标，即根据船舶在设计最大载货状态下以一定航速航行所需推进动力以及相关辅助功率消耗的燃油计算出的二氧化碳排放量，EEDI越大说明船舶能耗越高。为了降低能耗，要从设计的角度改善船舶线型和螺旋桨的推进效率，加强主机燃烧功率，优化船–机–桨配合等。EEDI标准的提出，督促船舶革新技术，提升船舶的科技含量。
目前的EEDI基准着重反映了发达国家的意志，也充分反映了发达国家利用各种手段来限制发展中国家船舶工业的发展，提高国际船舶的准入门槛，促使船舶及配套市场向欧美倾斜。对于我国而言，船舶能效规则的提出是挑战，也是机遇。通过政策的牵引，刺激我国船舶行业改良工艺，加强船舶设计、建造能力，提升行业管理水平，摆脱产品低端、企业低效的被动局面。通过技术革新，实现工业转型，进军船舶高端市场，开启我国船舶工业崭新的一页。技术性减排措施主要包括：船体线型优化、气膜减阻、推进装置及螺旋桨优化（对转桨、导流管、降低伴流分数、改善进流等）、发动机效率的提高、使用岸电、废热回收、使用新能源和替代燃料等，这些技术性措施从根本上减少船舶温室气体的排放，是实现温室气体减排的主要手段。因此，研究和开发新型船舶附体节能装置，对降低EEDI具有重要意义。船舶不对称节能尾鳍属于船舶新型节能装置，使尾部伴流场稳定化和均匀化，提高螺旋桨的推进效率，降低能耗，实现船舶节能。
此外，船舶振动是常见现象，船舶设备或船体结构振动超过一定的标准，将会损害主机和设备功能的正常发挥，导致船体结构构件的疲劳损伤和影响船员的身体健康和正常的工作。当主机或螺旋桨的周期力作用于轴系以及船体结构时，将会引起船体构件和相关设备的振动。导致振动的主要激振源是螺旋桨和主机设备，据统计，在所有振源中，螺旋桨大约占80%。不对称节能尾鳍属于整流装置，可改善船尾的不均匀伴流场，解决螺旋桨激振力引起的振动。
2 不对称尾鳍的模型试验研究
不对称节能尾鳍属于船舶新型节能装置，如图1所示。对采用右旋桨的船舶，尾鳍在桨轴线的上方向左扭曲，在桨轴线的下方向右扭曲一定的角度，其延伸长度及扭曲角度视实船的尾形及尾柱与螺旋桨之间的距离而定。不对称节能尾鳍能使水流形成一股预旋流后再流向螺旋桨，并使流场的轴向伴流和周向伴流更均匀，从而提高螺旋桨的推进效率并实现船舶节能目的。
模型试验研究在华南理工大学船模试验拖曳水池进行。实船的船模及舵均为木质，船体表面有光滑油漆。为了比较加装不对称尾鳍对推进性能的影响，尾部结构制作成可更换结构。螺旋桨模型材料为巴氏合金，桨型为MAU-4，桨模直径0.130m，螺距比0.765，盘而比0.55。对加装不对称节能尾鳍后的自航分析采用常规等推力方法计算，把切向伴流的影响归结到轴向伴流中。
采用一因次方法将船模阻力曲线换算至实船，其中摩擦阻力系数按1957年ITTC公式计算，实船粗糙度补贴取0.4×10-3。换算中已将船体附体阻力、空气阻力、壳板厚度等影响按4.3%计入。试验结果换算到航行在15℃无限深广海域中的实船。表1为“黄X”轮原型与加装不对称尾鳍后的自航试验结果。由表1可见，安装不对称节能尾鳍后，其螺旋桨相对旋转效率有明显的提高。在使用航速范围内（10.5kn-13.5kn），螺旋桨收到功率节省7.42%-11.26%。在设计航速为12.5kn时，安装不对称节能尾鳍后，可节约推进功率7.94% 。
由表1看出，船舶加装不对称尾鳍后相对旋转效率、船身效率均比原型有显著的提高。船舶推进相对旋转效率的提高说明了不对称尾鳍能够使螺旋桨盘面处的周向伴流进一步均匀化，所以采用不对称尾鳍能够有效地改善尾部伴流，从而减小了由螺旋桨激振力引起的船体尾部振动。此外，船身效率的提高也说明了不对称尾鳍的整流作用，能使尾部流场均匀化、平稳化。
3 不对称尾鳍的实船应用
“黄X”轮尾部的振动与噪音严重，并伴有金属敲击船底板的轰隆隆声。经过对后体线型分析，水线去流角偏大，引起伴流场不稳定、不均匀，导致螺旋桨产生较大的激振力，从而发生振动现象。2004年3月份在“黄X”轮上首次安装了该节能尾鳍装置，如图2所示。经过长期的统计，“黄X”轮安装不对称节能尾鳍后节能效果显著，节油率约为5.6%，航速提高大约0.25节。除了达到节能的目的外，“黄X”轮安装不对称节能尾鳍后尾部振动也明显减小。
采用船舶不对称节能尾鳍能改善尾部伴流场，利用不对称节能尾鳍瘦削的剖面形状减少水线的去流角，使船尾水流均匀化和稳定化，流动分离变小，减小螺旋桨的激振力。实船安装不对称尾鳍后，振动大幅度减小。因此，采用不对称节能尾鳍，可以解决螺旋桨在船尾不均匀流场中激振力偏大导致的振动现象。实船应用表明，不对称节能尾鳍的整流效果理想，结构简单，安装方便，成本低，除了达到节能的目的外，还可以解决因船尾流场不均匀、螺旋桨激振力偏大引起的振动现象。
4 结 论
船尾不对称节能尾鳍的结构简单，安装方便，节能效果显著，是值得推广的一项新的节能技术。通过船模试验和实船应用，均获得良好的节能效果。此外，不对称节能尾鳍还能够降低伴流不均匀引起的船体振动。
参考文献
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