風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子是人類利用風(fēng)能的一種創(chuàng)新技術(shù)，運(yùn)用該技術(shù)改變船舶航行時的風(fēng)向，使其為船舶提供航行方向的推力，達(dá)到減少油耗，節(jié)約運(yùn)營成本的目的，同時有效降低船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)，是一種創(chuàng)新型能效技術(shù)。通過在船上安裝圓筒，驅(qū)動圓筒在風(fēng)中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生垂直于風(fēng)速方向的力，從而為船舶提供前進(jìn)的助推動力。

早在20世紀(jì)初，Anton Flettner與Prandtl提出馬格努斯效應(yīng)可應(yīng)用于船舶的推進(jìn)。為了證實(shí)他們的理論，Anton Flettner制造了一艘名為Baden(原名Buckau，如圖2所示)的海船，以雙圓柱轉(zhuǎn)子為推進(jìn)動力，并在1926年成功橫渡了大西洋。由此，這種利用圓柱體旋轉(zhuǎn)來提供驅(qū)動力的裝置也逐漸為人所知，因而這類裝置也被稱為Flettner轉(zhuǎn)子。與其它風(fēng)力驅(qū)動裝置相比，F(xiàn)lettner轉(zhuǎn)子有許多優(yōu)點(diǎn)，比如更輕巧、更靈活且同樣環(huán)保節(jié)能。如今，隨著國際社會對環(huán)保的日益關(guān)注，以及業(yè)界對這一領(lǐng)域研究的逐步深入，該技術(shù)在船舶上的應(yīng)用也進(jìn)入了一個新的階段。

圖1 Anton Flettner的第一艘轉(zhuǎn)子動力船

國內(nèi)外最新發(fā)展動向

近年來，在風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子技術(shù)的實(shí)船應(yīng)用方面，歐洲各國已經(jīng)取得了一定的成果。經(jīng)過評估，在不降低航速的前提下，應(yīng)用該技術(shù)可節(jié)省船舶燃油5%~30%。芬蘭Norsepower是全球第一家將風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子系統(tǒng)成功應(yīng)用于現(xiàn)代船舶實(shí)船的公司。

2014年，Norsepower公司在芬蘭滾裝航運(yùn)公司Bore的一艘9700載重噸滾裝船“M/S Estraden”號上安裝了一個高18米、直徑3米的風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子，可節(jié)約燃料達(dá)5%。2015年，Norsepower公司再次在“M/S Estraden”號上加裝了一個同樣型號的轉(zhuǎn)子，通過對這艘船的油耗測量，證實(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)年平均節(jié)能達(dá)到6.1%，相當(dāng)于節(jié)省了400噸燃料，降低了1200噸二氧化碳排放。

圖2 滾裝船“MS Estraden”號

2015年挪威海事展期間，芬蘭Deltamarin公司推出全新一代客滾船“DeltaChallenger”號，該船配備了6個Norsepower公司開發(fā)的風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子，節(jié)約了總推進(jìn)功率(1.3 MW)中大約10%的動力。

2018年，馬士基油輪、Norsepower、英國能源技術(shù)研究所(ETI)和殼牌海運(yùn)公司合作，嘗試性地在一艘LR2成品油船上安裝了兩個高30米、直徑5米的風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子，這是轉(zhuǎn)子風(fēng)帆應(yīng)用于成品油船市場的一個突破。據(jù)預(yù)測，該艘LR2型成品油船可降低7%～10%的燃料油消耗。

圖3 加裝轉(zhuǎn)子的LR2成品油船

2018年，世界第一艘液化天然氣/風(fēng)能推進(jìn)混合動力郵輪“M/S Viking Grace”號誕生，該船安裝了一個高24米、直徑4米的風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子，由于風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子技術(shù)的應(yīng)用，這艘郵輪年平均節(jié)省液化天然氣可達(dá)300噸左右，年平均減少二氧化碳排放量約900噸。

國內(nèi)方面，中國船舶科學(xué)研究中心自2016年以來成立項(xiàng)目組開展風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子的數(shù)值計(jì)算研究、方案設(shè)計(jì)、能效評估及原理樣機(jī)研制等工作，取得了階段性成果。通過對風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子節(jié)能原理的深入分析，結(jié)合現(xiàn)有的CFD分析手段建立了風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子推力與阻力的數(shù)值分析評估方法。對影響風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子節(jié)能效果的因素(風(fēng)速、風(fēng)向、轉(zhuǎn)速、直徑、高度以及外形特點(diǎn))進(jìn)行了大量的數(shù)值研究，建立了一套完善的風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)方法，能夠?yàn)槲磥磲槍��?shí)船設(shè)計(jì)風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供技術(shù)保障。目前，七〇二所與中船重工(上海)節(jié)能技術(shù)發(fā)展有限公司在風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子原理樣機(jī)研發(fā)成功的基礎(chǔ)上，正在研制中型樣機(jī)，直徑1.5米，高度超過10米，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速達(dá)550rpm。面對工程樣機(jī)大尺度高轉(zhuǎn)速的技術(shù)要求，創(chuàng)造性地提出了多種風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子傳動、感知和控制的解決方案，并推出了應(yīng)用于8萬噸級散貨船的技術(shù)方案。通過綜合應(yīng)用氣層減阻、風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子等多種節(jié)能技術(shù)，大型散貨船和油船的EEDI值有望實(shí)現(xiàn)低于IMO基線40%的四階段要求。

系統(tǒng)構(gòu)成

按照風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子的船舶在航行過程中，首先需要通過傳感器采集船舶的相對風(fēng)速和風(fēng)向，然后根據(jù)獲得的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)通過控制系統(tǒng)調(diào)整風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向以獲得最佳節(jié)能效果，轉(zhuǎn)子本身需要主動驅(qū)動獲得相應(yīng)的動力。因此，轉(zhuǎn)子助推系統(tǒng)主要包括風(fēng)力轉(zhuǎn)子裝置、環(huán)境感知系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子驅(qū)動器、能源、轉(zhuǎn)子制動器以及控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子主要系統(tǒng)、功能及相關(guān)說明見表1。

表1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要組成部分

風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子系統(tǒng)構(gòu)成簡單，操作簡便，可以實(shí)現(xiàn)自動控制甚至是智能控制。各子系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子系統(tǒng)關(guān)系圖

轉(zhuǎn)子的節(jié)能效果不僅受到驅(qū)動器、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣的影響，更重要的是受轉(zhuǎn)子在甲板上的布置情況、轉(zhuǎn)子尺寸和空氣動力學(xué)特性等設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。因此，在進(jìn)行轉(zhuǎn)子助推節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時需要綜合考慮船舶的總體布置和運(yùn)營航線情況。

節(jié)能效果分析

風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子的空氣動力學(xué)特性是決定其節(jié)能效果的關(guān)鍵。同時，風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子的節(jié)能效果還與風(fēng)場入射角度、風(fēng)場強(qiáng)度、風(fēng)場的穩(wěn)定性以及船速等復(fù)雜因素影響。

航線的影響。不同航線上的風(fēng)向風(fēng)力大不相同，柏林科技大學(xué)的研究表明，在北大西洋和北太平洋區(qū)域，風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子的效果比在南太平洋區(qū)域的要明顯。

船舶尺度影響。中國船舶科學(xué)研究中心在針對多型散貨船加裝風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子方案的評估中獲得結(jié)論：對于4萬噸級散貨船和15萬噸散貨船，同時裝備2臺高24m，直徑4m的風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子，在相同的航行狀態(tài)下4萬噸級散貨船綜合節(jié)能效果約為6%，而15萬噸散貨船僅為3%。

裝載工況影響。4萬噸級散貨船裝備風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子，在設(shè)計(jì)吃水和壓載吃水下，單臺轉(zhuǎn)子的綜合節(jié)能效果差異約為1%。

航速的影響。在航行速度較大的情況下，風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子的燃油節(jié)省量稍微大些。某散貨船，在相同裝載工況不同航速下，單臺轉(zhuǎn)子的綜合節(jié)能效果差異最高可超過3%。但是，燃油節(jié)省量在燃油總消耗量的占比，卻是在低航速航行情況下的更高。

此外，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子的控制策略和航行季節(jié)等因素都對風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子的節(jié)能效果有一定的影響。如根據(jù)船型，配置最匹配的風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子，那么船舶的節(jié)能效果將更好。

適用船型

風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子采用獨(dú)立式模塊化設(shè)計(jì)，整體布置于甲板之上，因此主要適用于甲板空間充足的大型油船、散貨船、滾裝船、郵輪等船型，適用船型較廣泛。大型油船和散貨船因其開闊的露天甲板具備安裝該系統(tǒng)的天然優(yōu)勢，也必將成為解決這類船型EEDI和溫室氣體減排問題的首選創(chuàng)新技術(shù)之一。

由于航線對安裝風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子船舶的節(jié)能效果影響顯著，因此航線上風(fēng)力資源豐富、風(fēng)向以橫風(fēng)和尾斜風(fēng)為主的船型效果更佳。

同時，風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)獨(dú)立、控制簡單，適用于新船安裝，也可以用于現(xiàn)有船改造，具有良好的推廣前景。