螺旋桨设计的最新发展如何优化电动和混合动力船？
螺旋桨设计的最新发展如何优化电动和混合动力船？
在电动和混合动力船舶推进系统快速发展的今天，螺旋桨设计的优化成为了提升效率的关键环节。从表面光洁度到仿生设计，从智能材料到流体力学优化，最新的螺旋桨技术正在为船舶行业带来革命性的变化。
在设计推进系统的时候，人们往往会忽略动力与水接触的区域。E&H Marine探索了螺旋桨设计的一些微妙之处，这些细节会影响电动和混合动力船舶的效率。
电动和混合动力推进系统的开发者经常（有理由地）大声疾呼他们的效率，并与老式的内燃机进行有效的比较。
海洋部门向电气化快速过渡的最令人兴奋的方面之一是重新关注任何可以比以前做得更好的事情。先锋们非常热衷于接受和整合能够提高效率、改善用户体验的技术。
在赛车运动中，轮胎的选择一直备受关注——在这里，汽车的动力被放在柏油路上。但是，电力和混合动力船推进行业是否忽视了其21世纪所有智能技术与水相互作用的空间？
为内燃机推进开发的螺旋桨设计并不总是最适合电动化系统
螺旋桨和推进器的设计和选择是复杂的。幸运的是，海事行业拥有专家，他们的理解和专业知识有助于提高效率，节省成千上万的燃料成本，并改善船舶控制。
螺旋桨的主题出现在每个电动或混合动力船艇项目中。在大多数商用现成产品中，传统的螺旋桨是围绕内燃机的性能统计数据设计的，因因此一个项目将继承与这些内燃机一起工作的开放式轮毂、通风端、特定尺寸和设计。但这些选项并不总是最适合电动驱动器的特性。
这些特性的不同之处在于，电动驱动器提供的转矩是内燃机梦寐以求的。这就可以考虑通常会阻止内燃机产生船舶所需的转速和扭矩的螺旋桨尺寸。
BlueNav系统，如BlueSpin系列，从鲸鱼鳍状肢设计的仿生结节叶片
电动化和混合动力是利用能量的有效转换来旋转推进器或螺旋桨轴，推动船舶前进。对进一步效率的追求促使制造商和项目负责人采用最新的设计和互补技术。
螺旋桨叶片光顺度
船体结垢是一个巨大的话题，涂料行业提供了保护资产的解决方案，并试图将船体的效率保持在接近其首次下水的那一天。但似乎只有较大的航运公司才去解决螺旋桨表面粗糙的问题——使用概况和燃料成本等因素促使人们需要关注螺旋桨的表面光顺度。
船东和运营商投资于水下船体表面的维护，包括螺旋桨，但对于许多24米以下的船只来说，很少考虑螺旋桨表面光洁度。然而，这是一个可以取得明显成果的领域，并且有证据支持这一科学。
Hempel公司的Ecopower和Silic One涂料专门用于螺旋桨和船体的涂层。正如该公司的产品经理Chris Toole所解释的那样，“Ecopower产品，特别是我们的优质Silic One产品，可以防止螺旋桨上的污垢堆积，与未涂层的螺旋桨相比，它能使螺旋桨的重量更轻，功能更有效。”他继续强调“为螺旋桨涂层的重要性”。
英国Bruntons螺旋桨公司的经理David Sheppard说：“最光顺的表面通常会提供最佳性能，但任何被认为是水力光滑的表面都会提供类似的性能。”
Bruntons的Autoprop活叶减阻螺旋桨
螺旋桨表面的ISO标准对S级螺旋桨的表面粗糙度（Ra）限制为2微米，对I级螺旋桨的Ra限制为3微米(从半径的30%向外)。已经进行了使用特殊表面处理的实验，例如涂层、减阻沟纹和凹痕(类似于高尔夫球上的那些小洞)，但与光滑表面相比，这些都没有显示出显著的性能提升。
由于螺旋桨涂层和增强的表面光洁度是一项投资，因此了解预期的效率提升水平非常重要。
Bruntons的Autoprop活叶减阻螺旋桨
正如Sheppard所解释的那样，这取决于几个因素，包括螺旋桨载荷、叶片面积和船舶的操作剖面。例如，在商船螺旋桨的情况下，高速船的增益可能更高。但这取决于清洁前比较螺旋桨的粗糙程度。此外，由于外部分的转速较高，保持叶片的外半部分光滑比内半部分更有效。
令人惊讶的是，Sheppard解释说，Bruntons公司很少收到高于ISO I级或S级的表面光洁度要求，这是大多数螺旋桨供应商的标准。
Bruntons的Autoprop Eco*Star螺旋桨
根据Sheppard的说法，表面光洁度与效率有关。它在学术界和螺旋桨设计界比在客户和最终用户中更为人所知，讨论也更广泛。对于许多终端用户来说，螺旋桨通常只在半定期的基础上或者在船只长时间静止的情况下清洁。
针对电动化进行优化
总部位于美国的螺旋桨专家Sharrow Marine正在电动化领域掀起波澜。创始人兼首席执行官Greg Sharrow解释说，针对汽油和柴油发动机优化的商用现成螺旋桨设计并不同样适用于电动发动机。
随着推进技术成为许多发展的焦点，至关重要的是不要忘记能量与水相遇的机制
他说：“在利用电动机的扭矩方面，我们的专利设计为我们提供了明显的优势。”“与传统螺旋桨相比，Sharrow螺旋桨利用其专利的环形和弯曲叶片形状，旨在减少水中的阻力和湍流。这带来了更好的性能，提高了燃油经济性，减少了发动机（驱动器）的磨损。Sharrow环形螺旋桨产生的噪音和振动更小，提供了更舒适、更愉快的乘驾体验。”
“Sharrow螺旋桨利用其专利的环形和弯曲叶片形状，旨在减少水中的阻力和湍流”——Greg Sharrow，Sharrow Marine公司
使用Sharrow环形螺旋桨的电动船运营商的潜在节省是巨大的。效率提高30%相当于电池容量增加30%，解决了电动化的主要障碍之一——续航里程限制。虽然节能方面的具体投资回报期可能因具体应用而异，但Sharrow环形螺旋桨可以提供显著延长的运行范围并降低整体能耗。
Sharrow环形螺旋桨
这再次强调了为应用指定螺旋桨的重要性，而不是相信为传统驱动器提供的经过验证的最佳螺旋桨总是电力推进的最佳选择。
智能仿生设计
摆线推进器(Cycloidal Propeller）的叶片运动、仿生推进器和结节技术都起源于仿生学。依赖生物进化并不是什么新鲜事，选择一种在该领域经过数百万年改进的设计似乎是一件轻而易举的事。
驱动器制造商BlueNav看到了将仿生学融入其驱动器设计以及其技术与水之间的相互作用所带来的好处。
公司联合创始人兼首席技术官HervéFrouin解释说：“BlueNav体现了大自然影响的复杂性，并受到了鲸鱼优雅动态的启发。”“我们的工程师从大自然的奇观中找到了灵感，尤其是座头鲸鳍的独特特征。这些鳍有特殊的锯齿（结节-上图）被认为可以控制水流。我们的工程师利用这一想法设计了不同于通常的叶片和喷嘴。”
叶片顶部的流线表明，抛物线槽周围的流动性更好。螺旋桨叶片下游压力和速度的这种变化意味着推力的增加，导致螺旋桨功率的大幅提高。喷嘴在入口和出口处采用不对称设计，有助于船只向前移动。材料和表面条件已经过优化，以复制鲸鱼身上观察到的低摩擦，确保滑动性能。
Hydro Impulse叶轮解决方案
对于在螺旋桨上施加高推力载荷的应用，通过将螺旋桨封闭在导管中可以显著提高性能。导管螺旋桨通常适用于大推力应用，常见于拖船上。但是因为喷嘴会产生阻力，所以高速船的应用在过去没有被证明是成功的。然而，时代显然在变化，进一步的研究和测试正在将解决方案推向市场。
Hydro Impulse的技术显著提高了Mitek MO 15舷外机的性能
Hydro Impulse公司经过三年的开发，开创了高端的叶轮解决方案。Hydro Impulse的管理合伙人Alois Bauer解释说，该公司的解决方案“旨在与主要驱动系统无缝集成，包括舷外机、船尾驱动、吊舱驱动和轴驱动，可实现两位数的效率提升”。Hydro Impulse解决方案在2023年获得了E&H年度海洋环境成就奖——推进系统设计奖。
HI-RF 11 mitek叶轮系统
Hydro Impulse船尾驱动叶轮解决方案
Bauer继续解释说，用户可以预期能耗至少降低15%。此外，该公司的最新产品HI-RF 11 Mitek在Mitek MO 15舷外机上表现出了显著的性能提升。与传统螺旋桨相比，它提供的推力比推力导向螺旋桨高30%，比速度导向螺旋桨高60%。这些改进不仅降低了能耗，而且提供了与高功率系统相比更具成本效益的性能。
我们的解决方案旨在与主要驱动系统无缝集成”——Alois Bauer， Hydro Impulse公司
螺旋桨后端的水流
螺旋桨前方的水流的优势是显而易见的，但研究这种水流在受到旋转螺旋桨影响时会发生什么变化的科学至关重要，因为这会影响螺旋桨的效率和噪音。在螺旋桨后面产生的轮毂涡流会对螺旋桨性能有负面影响，操纵螺旋桨后端的水流是另一门科学——而且这是一门有据可查的科学。螺旋桨桨毂帽鳍（PBCF）在航运中很容易找到，但在24米以下的船只中很少见。它们被广泛应用，效率提高了5%，提供了诱人的投资回报率。PBCF与推进源无关；无论是安装在内燃机还是电动驱动器上，它的工作主要是减少噪音、振动和轮毂涡流。
Torqeedo的深蓝50舷外机是一个罕见的例子，因为它配备了一个标准的五叶高推力螺旋桨，并结合了自己的PBCF或HVV（轮毂涡流叶片）。
Torqeedo的带轮毂涡流叶片的深水舷外螺旋桨
Torqeedo开发和全球服务高级副总裁Alex Oswald表示：“Torqeeda使用HVV，可以减少轮毂涡流和轮毂区域螺旋桨的能量损失。”“这是由SVA（Schiffbau-Versuchsanstalt-Potsdam）开发的。模拟和测试表明，可以实现3-5%的节能和效率提高。鳍片的数量与叶片的数量相对应，直径不应超过叶片直径的约10%。鳍片削弱了轮毂涡流的旋转。这可以从轮毂涡流中回收动能并将其转化为推力。
就像轮胎和柏油路面一样，需要更多地关注水和螺旋桨的交汇处。值得庆幸的是，随着人们对螺旋桨的兴趣（以及对效率的追求）不断增长，该行业正在更好地掌握与螺旋桨相关的一切。这些提高效率的解决方案的设计和集成必须与日益高效的现代推进系统相辅相成。