最小装机功率对新船能效设计指数影响研究与应用

2024-03-13

国际上船舶节能减排逐步推行，国际海事组织（IMO）出台了相关规范并发布实施。目前，船舶市场积极应对节能减排相关国际规范，能效设计指数（EEDI）分3个阶段逐步下降，即能效水平要求越来越严格 ；同时，最小装机功率框架体系与EEDI要求相互制约，如降低航速无疑是达到EEDI要求的便捷途径，但是航速过低可能造成船舶在恶劣海况下无法保持航向稳定性甚至无法逃离危险区域，从而引发安全事故。此外，各种创新节能技术在EEDI具体实施过程中的评估和评价方法还不明确，有必要深入研究最小装机功率对实现能效指标提升的各种关键技术的影响，对创新节能技术进行有效的评价与评估。

为此，上海船舶运输科学研究所有限公司联合哈尔滨工程大学、中国船舶科学研究中心、中国船舶集团有限公司第七○八研究所承研了国家高技术船舶科研计划“最小装机功率对新船能效设计指数基线的影响研究”项目。项目通过开展最小装机功率与高阶段能效指标实现的相互关系和制约因素研究，提出安全与能效相互协调的评价与评估方法，建立节能技术对EEDI影响的评估指导性文件。项目发表论文12篇，登记软件著作权2件，获授权中国发明专利5件（一种减少船舶拖曳水池侧壁效应的升降消波装置，ZL201911003316.5；一种水池模拟离岸流的方法及装置，ZL201910948405.0等），研制了大尺度船模测试平台，形成1份IMO提案。

1　研究内容

项目开展了节能技术下EEDI评价与评估方法研究（图1），形成船舶桨前和桨后组合节能技术的评估方法，完成多种船型的数值和模型试验节能效果评估（图2）；开展了最小装机功率对能效设计指数的影响评估，提出推力减额和伴流分数的修正方法；开展了大尺度模型试验方法和测试平台的研究，拓展了节能技术对船舶能效影响的试验验证能力。

2　研究成果

项目提出针对恶劣环境下推进效率提高、船舶线型优化、上建减阻优化等能效提升技术，在保证船舶安全的前提下提升船舶综合能效水平。应用节能装置，如毂帽鳍提高推进效率，若敞水效率提高约2%时功率裕度可以提高约2%。通过多目标函数的船型优化降低船舶的静水阻力、波浪增阻，优化过程中注重保证静水中船型性能优良的同时，优化风浪中的船型性能，达到静水、波浪甚至风作用下船型具有综合优良性能，既有利于满足EEDI规范要求，也有利于满足最小装机功率规范要求。采用计算流体动力学（CFD）计算方法，对目标船进行风阻力计算，并对上层建筑外形进行优化，使风阻降低，评估风阻降低对满足最小装机功率的影响。开发了断轴式自航仪、船模桨轴联动操纵控制系统等大尺度模型试验关键部件（图3），建立了大尺度船模实海域综合测试平台，拓展了节能技术的验证手段，提高了船模试验的测试精度。项目组的研究结果表明：提高推进效率、船型优化、上层建筑外形优化3种技术有利于满足安全和能效规范要求；同时在满足最小装机功率临界点的约束条件下，权衡降速设计方案可以显著地降低EEDI值。

3　社会经济效益

研究成果在3型实船EEDI评估、22型实船最小装机功率评估中应用，提高我国在国际上的话语权，支持造船业健康发展，取得了广泛的社会、经济、环境效益。

研究成果具有非常广阔的市场应用前景，经推广应用，将有助于提升我国船舶水动力模型试验技术水平、绿色船舶设计技术水平，在满足节能减排新要求的船型优化技术方面抢得更多的先机，在国际船舶市场方面占据更多的份额，为我国造船业发展提供更多技术支持，将为实现世界第一造船大国和造船强国的发展目标作出重要贡献。