万吨巨轮的推进器类型主要有以下几种:
普通螺旋桨:由桨毂和若干径向地固定于毂上的桨叶所组成,安装于船尾水线以下,通过主机获得动力旋转,将水推向船后,利用水的反作用力推船前进。其构造简单、重量轻、效率高,在水线以下受到保护,是目前应用最广泛的船舶推进器1。
可调螺距螺旋桨:简称调距桨,可按需要调节螺距,能充分发挥主机功率,提高推进效率,船倒退时可不改变主机旋转方向,但毂径比普通螺旋桨大得多,叶根的截面厚而窄,在正常操作条件下,其效率要比普通螺旋桨低,而且价格昂贵,维修保养复杂,在拖船和渔船上应用较多1。
导管螺旋桨:在普通螺旋桨外缘加装一机翼形截面的圆形导管而成。导管可提高螺旋桨的推进效率,因为导管内部流速高、压力低,导管内外的压力差在管壁上形成了附加推力;导管和螺旋桨叶间的间隙很小,限制了桨叶尖的绕流损失;导管可以减少螺旋桨后的尾流收缩,使能量损失减少,但倒车性能较差1。
串列螺旋桨:将两个或三个普通螺旋桨装于同一轴上,以相同速度同向转动。当螺旋桨直径受限制时,它可加大桨叶面积,吸收较大功率,对减振或避免空泡有利,但重量较大,桨轴伸出较长,增加了布置及安装上的困难,应用较少1。
对转螺旋桨:将两个普通螺旋桨一前一后分别装于同心的内外两轴上,以等速反方向旋转,可减小尾流旋转损失,效率比单桨略高,但其轴系构造复杂,大船上还未应用1。
一种水力反作用式推进器,用装于船内的水泵自船底吸水,经喷管向后喷射受到水的反作用力而产生推力。其机械部分装于船内,得到良好保护,喷管方向可变,便于船舶操纵,但喷管因直径受限制,管路及水泵效率不高,所以整个系统效率较低,又因水泵及喷管中有水增加了船舶重量,所以很少使用1。
明轮:蹼轮局部浸没于水中的推进器,其水平轴沿船宽方向装置于船体水线之上,轮的周缘装若干蹼板。定蹼式蹼板沿径向固接于轮辐上,蹼板在入水和出水时击水消耗能量大,效率低;动蹼式蹼板可调节入水和出水角度,效率较高。但明轮机构笨重,占用空间大,风浪中不易操纵,容易损坏,已为螺旋桨所取代1。
直叶推进器:由 4-8 片垂直的桨叶组成,上部呈圆盘形,桨叶沿圆盘周缘均匀安装,圆盘底与船壳板齐平相接,圆盘转动时,叶片除绕主轴转动外,还绕本身的垂直轴系摆动,从而产生不同方向的推力,可使船在原地回转,不必用舵转向,船倒退时也不必改变主机转向,但因机构复杂,价格昂贵,桨叶易损坏,仅用于少数港务船或对操纵性能有特殊要求的船上1。
可以通过以下方法提高万吨巨轮推进器的推进效率:
采用先进的计算流体动力学(CFD)技术:通过 CFD 模拟,精确分析推进器在不同工况下的水流情况,优化桨叶的形状、螺距、盘面比等参数,使推进器在旋转时能更有效地将主机传递的动力转化为水的推力,减少能量损失,提高推进效率2。
选择合适的推进器类型和数量:根据船舶的具体用途、航速要求、船体线型等因素,选择最适合的推进器类型和数量。如对于一些对操纵性要求较高的船舶,可选用调距桨或对转螺旋桨;对于大型低速船舶,单个大直径螺旋桨可能比多个小螺旋桨效率更高12。
使用高性能材料:采用高强度、低密度、耐腐蚀的材料制造推进器,如镍铝青铜、不锈钢等合金材料,或新型的复合材料,可在保证推进器强度和可靠性的前提下,减轻推进器的重量,减少船舶的排水量,从而降低船舶航行时的阻力,提高推进效率12。
涂覆减阻涂层:在船体表面和推进器表面涂覆特殊的减阻涂层,如石墨烯涂层、仿生减阻涂层等,可降低水与船体和推进器表面的摩擦系数,减少摩擦阻力,提高推进效率。据报道,太平洋航运在其整个船队中应用可持续的石墨烯螺旋桨涂层,使船舶能效提高了 4%。
选择经济航速:船舶在不同的航速下,其阻力和推进效率会发生变化。通过试验和计算,确定船舶的经济航速,即在该航速下,船舶的燃油消耗率最低,推进效率最高,在航行过程中尽量保持在经济航速下行驶,可降低运营成本,提高能源利用效率。
合理装载和配载:确保货物的合理装载和配载,使船舶的重心和浮心处于最佳位置,保持船舶的良好稳性和浮态,减少船舶在航行时的倾斜和摇摆,降低船舶的附加阻力,提高推进效率。同时,合理安排货物的堆放位置,避免货物对推进器和船体线型的影响。
混合动力系统:如采用柴电混合动力系统、轴带电机系统等,可根据船舶的航行工况,灵活地切换动力模式,实现主机和电机的联合运行,提高能源利用效率,降低燃油消耗和尾气排放,同时也有助于提高推进效率。
风力辅助推进技术:安装风力助推装置,如转筒帆、转子帆等,利用海上风能产生辅助推力,在一定程度上减少主机的负荷,降低燃油消耗,提高船舶的能效和推进效率。据测试,装有转筒帆的船舶在满载吃水 22m/s 风速下,可以提高船舶航速 1kn 以上,换算至同等航速下可降低轴功率超过 30%。
螺旋桨推进器的工作原理是什么?
可调螺距螺旋桨是如何调节螺距的?
船舶在不同工况下如何选择合适的推进器类型?