日志
对低速运输船舶“气膜减阻节能技术”的初步探讨
对低速运输船舶“气膜减阻节能技术”的初步探讨
(一)概论
依照创新驱动转型发展主线，上海市科委发布的“2013年度科技创新行动计划”项目指南中，提出了为当前低速运输船舶节能需求，研发并推行低速运输船舶“气膜减阻”新型节能技术的方向性目标，为此作以下一些初步的探讨。
船舶种类繁多，但依其航行性状来看，水上航行的船舶基本上只是排水性航行和滑行性航行两种。人们日常见到的无论河海客轮或货轮，绝大多数是排水性航行的船舶。而水上运动会比赛用的高速艇，则是滑行性航行的船舶。另外有些快速型体的船，例如气垫船，水翼船等，虽然快速但不节能，并不是我们要关注的。我们只围绕低速运输船舶的节能需求进行一些思考。
排水性航行船舶，船体水线下的线型与滑行性航行船舶的要求不同，它们的区别在于：
（1） 滑行性航行船舶，其船底线型一般都是做成有些类似水上运动滑板底面的形状，当航行达到一定航速时，艏部水流阻力对艏底板产生的抬升力，连同螺旋桨转动对艉底板部位形成的负压，会使船身产生艏高艉低的倾斜，在这种航行状态下，艏底板冲击水流表层激起的浪花，会把附近的空气卷入水中。艏后的船体就沿着这部分不断混进空气的水层前行。由于空气密度远比水小。这些随水混入船底的气泡，将很快向上浮动并扩散，产生了一定的“气膜效应”，当航速再提高时，我们会发现，其航行阻力增长的趋势已经比前阶段减缓。也有人会感觉船有些飘忽。这种航行状态，在这里我们不妨把它暂称为“亚气膜航行状态”。它正是这类船舶能在高速航行状态下节能的优势。也有船在艏部适当位置把船底做成阶梯形以增强“亚气膜效应”。
（2） 排水性航行的船舶，水线下大都采用两端小、中间大的流线型船体，航速高的船比航速低的，其艏尖舱部位做的更狭窄，使水流进水角减小，以降低航行阻力。也有用球鼻艏使艏部线型更顺畅。这种流线型船体在排水性航行特别是低速状态下，其形状阻力比非流线型船体要小很多，航速提高时航行阻力则将成倍增长。这表明流线型船体在低速航行时具有很大的节能优势。但它的形状又很难在船底形成气膜，这成了我们对它采用气膜减阻节能技术所面对的一个非常大的难点。
（3） 另一个需要重视的问题，是混有气体的水流如果流入螺旋桨的功能区，将会严重干扰螺旋桨的功能，使推进效率降低。有用喷水推进的方法来改善，但不理想。这里还牵涉到另一个问题，就是很多流线型船体的螺旋桨是安装在艉部船底龙骨线以上，发动机座和艉轴大致与龙骨线平行。这是出于两种考虑。一是使螺旋桨推力与船体线型配合，二是因为发动机除有特殊要求外，其结构一般都以水平安装来考虑，这样对相关运动部件的磨损会小一些。而滑行性船舶为了尽量减少“亚气膜”对螺旋桨的干扰，需要把螺旋桨安装到距船底板稍远的部位，常把机座向后倾斜来满足要求，并选用可以在稍倾斜条件下使用的发动机。
上述认识使人感到，在流线型低速运输船上采用气膜减阻技术确有不少困难。但我们不妨换个角度从另一层面去思考。例如上海周边长三角水网地带，有大量内河拖轮运输船队，它所拖带的无动力驳船，为求得最大装载容积，多做成吃水浅并略成长方形的平底船，它们航行阻力的大小直接与拖轮的能耗相关。因此被拖驳船减阻就等于拖轮节能。而驳船的平底对减阻气膜的形成非常有利，却没有任何干扰。使气膜减阻的技术难度大大降低，需要作的试验也相应简化，它使我们在推行船舶气膜减阻技术上可以省时、省力，也省钱而成效却近似。这是我们之所以把气膜减阻技术用在内河拖轮运输船队的无动力平底驳船上的原因。为此我们不妨作以下一些设想：
（1） 寻求有节能需求并有内河拖轮运输船队的航运企业合作，共同开发气膜减阻技术。
（2） 船底气膜对船体的摇晃十分敏感，在风浪中航行，由于气膜不稳定，会使驳船失速，它比“亚气膜航行状态”的失速更严重而造成拖带困难。使气膜减阻节能的作用大大降低，因此我们只把航行在风浪比较平静的内河拖轮运输船队作为试验和推行的首选目标。
（3） 为从现实出发推行气膜减阻技术，可以先在正常营运的拖轮船队中，选择适合于气膜减阻的驳船，组成一个试验船队，在正常营运中按规定要求进行试验、并明确，对其整体结构不做任何改动，只可以在船体适当部位安装。为形成气膜而排放压缩空气所必须的部件。试完后拆除恢复原状。但若驳船舭部没有减摇板，则应按需要尺度安装。这既增强驳船的减摇能力，更是为了能有效阻止气膜过快向两旁扩散，是件一举两得的事。
（4） 气膜减阻的目的是为了船舶节能，具体讲就是要降低主机耗油量。因此减阻试验就需对主机油耗有关的因素进行规范才能对比。如：（一）主机转速（即螺旋桨转速）一定，（二）航程一定，（三）载重量一定，（四）装载高度一定（即保持驳船稳性在规定范围内），（五）把驳船遇浪发生的摆幅，全航程中都不大于5度（或10度），则该航次拖轮主机耗油量数据才能认定为有效，等等。
（5） 减阻气膜中气体并不能固定在船底，航行时要向后流散，和“亚气膜”类似需不断得到补充，但我们也不能只为节能就直接用发动机排放的废气来做气源，因为废气入水会造成水体污染，影响生态环境，同时也造成发动机本身排气背压升高，工况恶化，油耗增大等不良后果，得不偿失。因此只能寄希望于利用发动机“废气能”，通过废气涡轮压气机实现供气。而试验时也只能先借助一台独立工作的空压机供气，分配到各被拖驳船的空气量，也暂由人工控制，进一步则再做自动控制的改进。
（6） 在完成对上述内河拖轮船队无动力驳船“气膜减阻节能”试验有成效的基础上，可再对内河或长江航运中的低速运输船进行“气膜减阻节能”试验。从现实出发，同样应先先择船型比较适合“气膜减阻”的船进行试验，对其船体结构也不作改动，以验证它对现有营运的大量低速运输船舶，推行“气膜减阻节能”的可行性，评估的方法同样如上述，是以船舶主机耗油量来作对比，这种方法看来十分传统而简单，但求其多次的数学平均值，依然具有一定的科学性，也特别适于在基层船队中应用。
上述仅是目前对船舶气膜减阻技术一些极粗略的探讨，在工作过程中还会有更多实际问题出现，等待着人们去探索。
(一)概论
依照创新驱动转型发展主线，上海市科委发布的“2013年度科技创新行动计划”项目指南中，提出了为当前低速运输船舶节能需求，研发并推行低速运输船舶“气膜减阻”新型节能技术的方向性目标，为此作以下一些初步的探讨。
船舶种类繁多，但依其航行性状来看，水上航行的船舶基本上只是排水性航行和滑行性航行两种。人们日常见到的无论河海客轮或货轮，绝大多数是排水性航行的船舶。而水上运动会比赛用的高速艇，则是滑行性航行的船舶。另外有些快速型体的船，例如气垫船，水翼船等，虽然快速但不节能，并不是我们要关注的。我们只围绕低速运输船舶的节能需求进行一些思考。
排水性航行船舶，船体水线下的线型与滑行性航行船舶的要求不同，它们的区别在于：
（1） 滑行性航行船舶，其船底线型一般都是做成有些类似水上运动滑板底面的形状，当航行达到一定航速时，艏部水流阻力对艏底板产生的抬升力，连同螺旋桨转动对艉底板部位形成的负压，会使船身产生艏高艉低的倾斜，在这种航行状态下，艏底板冲击水流表层激起的浪花，会把附近的空气卷入水中。艏后的船体就沿着这部分不断混进空气的水层前行。由于空气密度远比水小。这些随水混入船底的气泡，将很快向上浮动并扩散，产生了一定的“气膜效应”，当航速再提高时，我们会发现，其航行阻力增长的趋势已经比前阶段减缓。也有人会感觉船有些飘忽。这种航行状态，在这里我们不妨把它暂称为“亚气膜航行状态”。它正是这类船舶能在高速航行状态下节能的优势。也有船在艏部适当位置把船底做成阶梯形以增强“亚气膜效应”。
（2） 排水性航行的船舶，水线下大都采用两端小、中间大的流线型船体，航速高的船比航速低的，其艏尖舱部位做的更狭窄，使水流进水角减小，以降低航行阻力。也有用球鼻艏使艏部线型更顺畅。这种流线型船体在排水性航行特别是低速状态下，其形状阻力比非流线型船体要小很多，航速提高时航行阻力则将成倍增长。这表明流线型船体在低速航行时具有很大的节能优势。但它的形状又很难在船底形成气膜，这成了我们对它采用气膜减阻节能技术所面对的一个非常大的难点。
（3） 另一个需要重视的问题，是混有气体的水流如果流入螺旋桨的功能区，将会严重干扰螺旋桨的功能，使推进效率降低。有用喷水推进的方法来改善，但不理想。这里还牵涉到另一个问题，就是很多流线型船体的螺旋桨是安装在艉部船底龙骨线以上，发动机座和艉轴大致与龙骨线平行。这是出于两种考虑。一是使螺旋桨推力与船体线型配合，二是因为发动机除有特殊要求外，其结构一般都以水平安装来考虑，这样对相关运动部件的磨损会小一些。而滑行性船舶为了尽量减少“亚气膜”对螺旋桨的干扰，需要把螺旋桨安装到距船底板稍远的部位，常把机座向后倾斜来满足要求，并选用可以在稍倾斜条件下使用的发动机。
上述认识使人感到，在流线型低速运输船上采用气膜减阻技术确有不少困难。但我们不妨换个角度从另一层面去思考。例如上海周边长三角水网地带，有大量内河拖轮运输船队，它所拖带的无动力驳船，为求得最大装载容积，多做成吃水浅并略成长方形的平底船，它们航行阻力的大小直接与拖轮的能耗相关。因此被拖驳船减阻就等于拖轮节能。而驳船的平底对减阻气膜的形成非常有利，却没有任何干扰。使气膜减阻的技术难度大大降低，需要作的试验也相应简化，它使我们在推行船舶气膜减阻技术上可以省时、省力，也省钱而成效却近似。这是我们之所以把气膜减阻技术用在内河拖轮运输船队的无动力平底驳船上的原因。为此我们不妨作以下一些设想：
（1） 寻求有节能需求并有内河拖轮运输船队的航运企业合作，共同开发气膜减阻技术。
（2） 船底气膜对船体的摇晃十分敏感，在风浪中航行，由于气膜不稳定，会使驳船失速，它比“亚气膜航行状态”的失速更严重而造成拖带困难。使气膜减阻节能的作用大大降低，因此我们只把航行在风浪比较平静的内河拖轮运输船队作为试验和推行的首选目标。
（3） 为从现实出发推行气膜减阻技术，可以先在正常营运的拖轮船队中，选择适合于气膜减阻的驳船，组成一个试验船队，在正常营运中按规定要求进行试验、并明确，对其整体结构不做任何改动，只可以在船体适当部位安装。为形成气膜而排放压缩空气所必须的部件。试完后拆除恢复原状。但若驳船舭部没有减摇板，则应按需要尺度安装。这既增强驳船的减摇能力，更是为了能有效阻止气膜过快向两旁扩散，是件一举两得的事。
（4） 气膜减阻的目的是为了船舶节能，具体讲就是要降低主机耗油量。因此减阻试验就需对主机油耗有关的因素进行规范才能对比。如：（一）主机转速（即螺旋桨转速）一定，（二）航程一定，（三）载重量一定，（四）装载高度一定（即保持驳船稳性在规定范围内），（五）把驳船遇浪发生的摆幅，全航程中都不大于5度（或10度），则该航次拖轮主机耗油量数据才能认定为有效，等等。
（5） 减阻气膜中气体并不能固定在船底，航行时要向后流散，和“亚气膜”类似需不断得到补充，但我们也不能只为节能就直接用发动机排放的废气来做气源，因为废气入水会造成水体污染，影响生态环境，同时也造成发动机本身排气背压升高，工况恶化，油耗增大等不良后果，得不偿失。因此只能寄希望于利用发动机“废气能”，通过废气涡轮压气机实现供气。而试验时也只能先借助一台独立工作的空压机供气，分配到各被拖驳船的空气量，也暂由人工控制，进一步则再做自动控制的改进。
（6） 在完成对上述内河拖轮船队无动力驳船“气膜减阻节能”试验有成效的基础上，可再对内河或长江航运中的低速运输船进行“气膜减阻节能”试验。从现实出发，同样应先先择船型比较适合“气膜减阻”的船进行试验，对其船体结构也不作改动，以验证它对现有营运的大量低速运输船舶，推行“气膜减阻节能”的可行性，评估的方法同样如上述，是以船舶主机耗油量来作对比，这种方法看来十分传统而简单，但求其多次的数学平均值，依然具有一定的科学性，也特别适于在基层船队中应用。
上述仅是目前对船舶气膜减阻技术一些极粗略的探讨，在工作过程中还会有更多实际问题出现，等待着人们去探索。
(待续)
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