Thiết bị tiết kiệm năng lượng cánh quạt là gì?

A thiết bị tiết kiệm năng lượng cánh quạt (ESD) là một phụ kiện thủy động lực phụ trợ lắp đặt gần chân vịt tàu — ở phía trước, phía sau hoặc trực tiếp trên nó — giúp cải thiện hiệu suất đẩy bằng cách tối ưu hóa sự phân bổ dòng nước, giảm tổn thất năng lượng quay trong dòng đuôi cánh quạt hoặc thu hồi năng lượng có thể bị tiêu tán dưới dạng nhiễu loạn. Những thiết bị này không thay thế cánh quạt; chúng hoạt động kết hợp với nó để tạo ra nhiều lực đẩy hơn từ cùng một công suất trục, do đó giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải mà không làm thay đổi động cơ chính hoặc cánh quạt.

Trên các tàu thương mại lớn như tàu chở dầu, tàu chở hàng rời và tàu container, các thiết bị tiết kiệm năng lượng phù hợp có thể đạt được tiết kiệm nhiên liệu từ 3 đến 10% , tương đương với hàng triệu đô la trong suốt thời gian hoạt động của tàu. Trước áp lực pháp lý của các yêu cầu về Chỉ số tàu hiện tại hiệu quả năng lượng (EEXI) và Chỉ số cường độ carbon (CII) của Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO), ESD đã trở thành một trong những công cụ tuân thủ hiệu quả nhất về mặt chi phí dành cho chủ tàu.

Tại sao tồn tại tổn thất do cánh quạt đánh thức - và ESD giải quyết chúng như thế nào

Một chân vịt thông thường truyền cả vận tốc hướng trục (đẩy về phía trước) và vận tốc quay (xoáy) cho phần nước mà nó chiếm chỗ. Thành phần quay - "vòng quay trượt" phía sau cánh quạt - đại diện cho năng lượng đã được động cơ tiêu thụ nhưng không góp phần tạo ra lực đẩy về phía trước. Nó chỉ đơn giản là biến mất dưới dạng nhiễu loạn xoáy theo sau cánh quạt. Ngoài ra, sự phân bổ vận tốc không đồng đều khi tàu đi vào đĩa chân vịt tạo ra sự dao động áp suất làm giảm hiệu suất và góp phần tạo ra bọt khí.

Các thiết bị tiết kiệm năng lượng giải quyết những tổn thất này thông qua ba cơ chế:

• Điều hòa trước dòng chảy: Các thiết bị tiền xoáy được lắp đặt phía trước chân vịt sẽ xoay dòng nước chảy vào theo hướng ngược lại với hướng quay của chân vịt — tăng hiệu quả góc tấn tương đối của mỗi cánh quạt và cải thiện khả năng tạo lực đẩy trên mỗi vòng quay.
• Thức dậy phục hồi năng lượng: Các thiết bị sau xoáy (bóng bánh lái, vây nắp chân vịt) phục hồi năng lượng quay trong dòng trượt chân vịt bằng cách chuyển đổi dòng xoáy thành lực đẩy bổ sung về phía trước thông qua các vây cố định hoặc bề mặt dẫn hướng.
• Cân bằng Wake: Cánh stator hoặc ống dẫn cân bằng dòng đuôi phân phối lại trường vận tốc không đồng đều đi vào đĩa chân vịt, giảm tải dao động của cánh và hiện tượng xâm thực làm giảm cả hiệu suất và tuổi thọ của cánh.

Các loại thiết bị tiết kiệm năng lượng cánh quạt chính

Stator trước xoáy (PSS)

Stator trước xoáy là một bộ cánh cố định được gắn trên trùm đuôi tàu hoặc trùm trục chân vịt phía trước chân vịt. Các cánh tản nhiệt được tạo góc cạnh để tạo ra một vòng xoáy ngược chiều với nước đi vào đĩa chân vịt, tăng góc tiếp cận hiệu quả của nước lên các cánh chân vịt và cải thiện lực đẩy đầu ra. Tiết kiệm nhiên liệu điển hình là 3 đến 6% trên các bình trục vít đơn. PSS là một trong những loại ESD được lắp đặt rộng rãi nhất do cấu trúc đơn giản và hiệu suất đáng tin cậy trong nhiều loại tốc độ và tốc độ vận hành khác nhau.

Ống cân bằng Wake (WED)

Ống cân bằng dòng đuôi là một ống hình khuyên một phần hoặc toàn bộ được gắn phía trước chân vịt ở vùng không đồng nhất của dòng đuôi tàu. Ống dẫn tăng tốc dòng nước chuyển động chậm từ vùng phía trên và giảm tốc độ dòng nước chuyển động nhanh hơn phía dưới - cân bằng sự phân bổ vận tốc trên đĩa chân vịt. Điều này làm giảm hiện tượng xâm thực, độ rung và tiếng ồn đồng thời cải thiện hiệu suất đẩy bằng cách 3 đến 5% . WED đặc biệt hiệu quả trên các tàu nguyên dạng (tàu chở dầu, tàu chở hàng rời) có tốc độ thiết kế chậm và dòng nước không đồng đều.

Vây nắp cánh quạt (Nắp trung tâm vây cánh quạt)

Các cánh tản nhiệt của nắp cánh quạt thay thế nắp trùm cánh quạt thông thường bằng một bộ phận mang các cánh tản nhiệt cố định giúp chuyển hướng dòng xoáy trung tâm — một dòng quay tập trung hình thành phía sau trùm cánh quạt và thể hiện sự mất năng lượng thuần túy. Bằng cách phá vỡ dòng xoáy này và phục hồi năng lượng quay của nó dưới dạng lực đẩy bổ sung, các thiết bị vây nắp đạt được mức tiết kiệm nhiên liệu 1 đến 4% với sự thay đổi cấu trúc tối thiểu. Chúng là một trong những loại ESD có thể trang bị thêm dễ dàng nhất vì chúng chỉ yêu cầu thay thế nắp chân vịt hiện có.

Củ bánh lái và vây

Bóng đèn bánh lái - một hình elip được sắp xếp hợp lý được lắp ở mép đầu của bánh lái ở độ cao đường tâm cánh quạt - làm trơn dòng chảy từ xoáy trục cánh quạt trên bề mặt bánh lái, giảm lực cản. Kết hợp với vây bánh lái dạng xoắn, thiết bị còn thu hồi năng lượng đánh thức quay. Hệ thống kết hợp này đạt được mức tiết kiệm nhiên liệu 4 đến 6% và có thêm lợi ích là cải thiện lực nâng bánh lái, có thể giảm yêu cầu về diện tích bánh lái hoặc cải thiện khả năng cơ động.

Vây nắp trùm cánh quạt với sự kết hợp trước xoáy

Nhiều hệ thống lắp đặt ESD hiện đại kết hợp nhiều thiết bị — ví dụ: stato xoáy trước phía trước cánh quạt được ghép nối với nắp nắp phía sau — để giải quyết đồng thời cả chất lượng dòng chảy đến và phục hồi năng lượng đánh thức. Việc lắp đặt kết hợp có thể đạt được tổng mức tiết kiệm nhiên liệu là 5 đến 10% , với sự kết hợp cụ thể được chọn thông qua phân tích động lực học chất lỏng tính toán (CFD) cho từng cấu hình thân tàu và chân vịt riêng lẻ.

Các loại ESD, vị trí và mức tiết kiệm nhiên liệu điển hình

Tàu nào được hưởng lợi nhiều nhất từ các thiết bị tiết kiệm năng lượng

Lợi ích tiết kiệm năng lượng của ESD không đồng nhất trên tất cả các loại tàu - nó phụ thuộc vào hình dạng thân tàu, tốc độ thiết kế, tải trọng chân vịt và đặc điểm dòng đuôi. Mức tăng cao nhất thường đạt được trên:

• Tàu chở dầu cỡ lớn và tàu chở hàng rời (VLCC, Capesize): Thân tàu nguyên dạng của chúng tạo ra các dòng xoáy chuyển động chậm, không đồng đều và có mức tổn thất năng lượng quay cao — những điều kiện mà ESD giải quyết hiệu quả nhất.
• Tàu container và tàu hàng lớn: Mức công suất trục cao có nghĩa là ngay cả việc cải thiện hiệu suất 3–5% cũng thể hiện mức tiết kiệm nhiên liệu tuyệt đối rất lớn — động cơ thương mại rất mạnh mẽ.
• Tàu chạy ổn định tốc độ thiết kế cho hành trình dài: ESD được tối ưu hóa cho tốc độ và mớn nước cụ thể — các tàu hoạt động ổn định gần điểm thiết kế sẽ nhận được đầy đủ lợi ích định mức, không giống như các tàu có cấu hình tốc độ rất thay đổi.