Что такое пропеллерное энергосберегающее устройство?

А устройство энергосбережения пропеллера (ОУР) – это вспомогательная гидродинамическая приставка, установленная возле гребного винта корабля — перед, позади или непосредственно на нем — что повышает эффективность движения за счет оптимизации распределения потока воды, уменьшения потерь энергии вращения в следе за винтом или восстановления энергии, которая в противном случае рассеивалась бы в виде турбулентности. Эти устройства не заменяют гребной винт; они работают в сочетании с ним, чтобы извлечь большую тягу при той же мощности на валу, тем самым снижая расход топлива и выбросы выхлопных газов без изменения главного двигателя или самого воздушного винта.

На крупных коммерческих судах, таких как танкеры, сухогрузы и контейнеровозы, хорошо подобранные энергосберегающие устройства могут обеспечить экономия топлива от 3 до 10% , что означает миллионы долларов за срок эксплуатации судна. Учитывая нормативное давление со стороны требований Международной морской организации (ИМО) к индексу энергоэффективности существующих судов (EEXI) и индикатору интенсивности выбросов углекислого газа (CII), ЭСР стали одним из наиболее экономически эффективных инструментов обеспечения соответствия, доступных судовладельцам.

Почему существуют потери в следах пропеллера и как с ними справляются ESD

А conventional propeller imparts both axial (forward-pushing) and rotational (swirling) velocity to the water it displaces. The rotational component — the "slipstream rotation" behind the propeller — represents energy that has been consumed by the engine but has not contributed to forward thrust. It is simply lost as swirling turbulence in the propeller's wake. Additionally, the non-uniform velocity distribution of the ship's wake entering the propeller disk creates pressure fluctuations that reduce efficiency and contribute to cavitation.

Энергосберегающие устройства устраняют эти потери посредством трех механизмов:

• Предварительная подготовка потока: Устройства предварительного завихрения, установленные перед гребным винтом, вращают поступающую воду в направлении, противоположном вращению гребного винта, что эффективно увеличивает относительный угол атаки каждой лопасти и улучшает создание тяги за оборот.
• Восстановление энергии пробуждения: Устройства пост-закрутки (бульбы руля направления, ребра на колпаке гребного винта) восстанавливают энергию вращения в спутном потоке винта путем преобразования закрученного следа в дополнительную тягу вперед через неподвижные ребра или направляющие поверхности.
• Выравнивание пробуждения: Ребра статора или каналы, выравнивающие след, перераспределяют неоднородное поле скоростей, поступающее на диск гребного винта, уменьшая колебательные нагрузки на лопасти и кавитацию, которые снижают как эффективность, так и срок службы лопастей.

Основные типы винтовых энергосберегающих устройств

Предварительно вихревой статор (PSS)

А pre-swirl stator is a set of fixed fins mounted on the stern boss or propeller shaft boss ahead of the propeller. The fins are angled to impart a counter-rotating swirl to the water entering the propeller disk, increasing the effective angle of water incidence on the propeller blades and improving thrust output. Typical fuel savings are от 3 до 6% на одновинтовых судах. PSS является одним из наиболее широко распространенных типов ESD благодаря своей простоте конструкции и надежной работе в широком диапазоне рабочих тяг и скоростей.

Канал выравнивания следа (WED)

А wake equalizing duct is a partial or full annular duct mounted ahead of the propeller in the non-uniform region of the ship's wake. The duct accelerates slow-moving water from the upper wake region and decelerates faster-moving lower water — equalizing the velocity distribution across the propeller disk. This reduces cavitation, vibration, and noise while improving propulsive efficiency by от 3 до 5% . WED особенно эффективны на полноразмерных судах (танкерах, балкерах) с низкой расчетной скоростью и сильно неравномерным следом.

Ребра крышки пропеллера (крышка ступицы упорного ребра)

Ребра крышки гребного винта заменяют обычную крышку бобышки гребного винта блоком с фиксированными ребрами, которые перенаправляют вихрь ступицы — концентрированный вращающийся поток, который образуется за выступом гребного винта и представляет собой чистые потери энергии. Разрушая этот вихрь и восстанавливая его энергию вращения в качестве дополнительной тяги, устройства с оребрением обеспечивают экономию топлива в размере от 1 до 4% с минимальными структурными изменениями. Они являются одними из наиболее легко поддающихся модернизации типов ESD, поскольку требуют только замены существующей крышки гребного винта.

Руль направления и плавники

А rudder bulb — a streamlined ellipsoid fitted at the leading edge of the rudder at the propeller centerline height — smooths the flow from the propeller hub vortex over the rudder surface, reducing drag. Combined with twisted rudder fins, the device also recovers rotational wake energy. This combined system achieves fuel savings of от 4 до 6% и имеет дополнительное преимущество, заключающееся в улучшении подъемной силы руля направления, что может уменьшить требования к площади руля направления или улучшить маневренность.

Ребра Propeller Boss Cap с комбинацией Pre-Swirl

Многие современные установки ESD сочетают в себе несколько устройств — например, статор предварительного завихрения перед гребным винтом в сочетании с защитным ребром позади него — для одновременного решения как качества входящего потока, так и рекуперации энергии следа. Комбинированные установки могут обеспечить общую экономию топлива от 5 до 10% , с конкретной комбинацией, выбранной посредством анализа вычислительной гидродинамики (CFD) для каждой отдельной конфигурации корпуса и гребного винта.

Типы ESD, положения и типичная экономия топлива

Какие суда больше всего выигрывают от энергосберегающих устройств

Энергосберегающая выгода ESD не одинакова для всех типов судов — она зависит от формы корпуса, расчетной скорости, нагрузки на гребной винт и характеристик следа. Наибольший выигрыш обычно достигается в следующих случаях:

• Большие танкеры и сухогрузы (VLCC, Capesize): Их полноразмерные корпуса создают сильно неоднородные, медленно движущиеся следы с высокими потерями энергии при вращении — с этими условиями ESD наиболее эффективно справляются.
• Контейнеровозы и крупные грузовые суда: Высокие уровни мощности на валу означают, что даже повышение эффективности на 3–5% означает очень большую абсолютную экономию топлива — коммерческий стимул является сильным.
• Суда, работающие со стабильной расчетной скоростью в дальних плаваниях: ESD оптимизированы для определенной скорости и осадки — суда, которые постоянно работают вблизи расчетной точки, реализуют полную номинальную выгоду, в отличие от судов с сильно изменяющимися профилями скорости.