風力助推轉子是人類利用風能的一種創(chuàng)新技術，運用該技術改變船舶航行時的風向，使其為船舶提供航行方向的推力，達到減少油耗，節(jié)約運營成本的目的，同時有效降低船舶能效設計指數(shù)(EEDI)，是一種創(chuàng)新型能效技術。通過在船上安裝圓筒，驅動圓筒在風中旋轉產(chǎn)生垂直于風速方向的力，從而為船舶提供前進的助推動力。

早在20世紀初，Anton Flettner與Prandtl提出馬格努斯效應可應用于船舶的推進。為了證實他們的理論，Anton Flettner制造了一艘名為Baden(原名Buckau，如圖2所示)的海船，以雙圓柱轉子為推進動力，并在1926年成功橫渡了大西洋。由此，這種利用圓柱體旋轉來提供驅動力的裝置也逐漸為人所知，因而這類裝置也被稱為Flettner轉子。與其它風力驅動裝置相比，F(xiàn)lettner轉子有許多優(yōu)點，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)保的日益關注，以及業(yè)界對這一領域研究的逐步深入，該技術在船舶上的應用也進入了一個新的階段。

圖1 Anton Flettner的第一艘轉子動力船

國內外最新發(fā)展動向

近年來，在風力助推轉子技術的實船應用方面，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，應用該技術可節(jié)省船舶燃油5%~30%。芬蘭Norsepower是全球第一家將風力助推轉子系統(tǒng)成功應用于現(xiàn)代船舶實船的公司。

2014年，Norsepower公司在芬蘭滾裝航運公司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米的風力助推轉子，可節(jié)約燃料達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子，通過對這艘船的油耗測量，證實轉子系統(tǒng)年平均節(jié)能達到6.1%，相當于節(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)的風力助推轉子，節(jié)約了總推進功率(1.3 MW)中大約10%的動力。

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

圖3 加裝轉子的LR2成品油船

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

國內方面，中國船舶科學研究中心自2016年以來成立項目組開展風力助推轉子的數(shù)值計算研究、方案設計、能效評估及原理樣機研制等工作，取得了階段性成果。通過對風力助推轉子節(jié)能原理的深入分析，結合現(xiàn)有的CFD分析手段建立了風力助推轉子推力與阻力的數(shù)值分析評估方法。對影響風力助推轉子節(jié)能效果的因素(風速、風向、轉速、直徑、高度以及外形特點)進行了大量的數(shù)值研究，建立了一套完善的風力助推轉子設計方法，能夠為未來針對實船設計風力助推轉子系統(tǒng)提供技術保障。目前，七〇二所與中船重工(上海)節(jié)能技術發(fā)展有限公司在風力助推轉子原理樣機研發(fā)成功的基礎上，正在研制中型樣機，直徑1.5米，高度超過10米，設計轉速達550rpm。面對工程樣機大尺度高轉速的技術要求，創(chuàng)造性地提出了多種風力助推轉子傳動、感知和控制的解決方案，并推出了應用于8萬噸級散貨船的技術方案。通過綜合應用氣層減阻、風力助推轉子等多種節(jié)能技術，大型散貨船和油船的EEDI值有望實現(xiàn)低于IMO基線40%的四階段要求。

系統(tǒng)構成

按照風力助推轉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速和風向，然后根據(jù)獲得的風速和風向數(shù)據(jù)通過控制系統(tǒng)調整風力助推轉子的轉速和轉向以獲得最佳節(jié)能效果，轉子本身需要主動驅動獲得相應的動力。因此，轉子助推系統(tǒng)主要包括風力轉子裝置、環(huán)境感知系統(tǒng)、轉子驅動器、能源、轉子制動器以及控制系統(tǒng)。轉子主要系統(tǒng)、功能及相關說明見表1。

表1 轉子系統(tǒng)主要組成部分

風力助推轉子系統(tǒng)構成簡單，操作簡便，可以實現(xiàn)自動控制甚至是智能控制。各子系統(tǒng)之間的關系如圖4所示。

圖4 風力助推轉子系統(tǒng)關系圖

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

節(jié)能效果分析

風力助推轉子的空氣動力學特性是決定其節(jié)能效果的關鍵。同時，風力助推轉子的節(jié)能效果還與風場入射角度、風場強度、風場的穩(wěn)定性以及船速等復雜因素影響。

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

船舶尺度影響。中國船舶科學研究中心在針對多型散貨船加裝風力助推轉子方案的評估中獲得結論：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的風力助推轉子，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力助推轉子，在設計吃水和壓載吃水下，單臺轉子的綜合節(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，風力助推轉子的燃油節(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)，轉子的控制策略和航行季節(jié)等因素都對風力助推轉子的節(jié)能效果有一定的影響。如根據(jù)船型，配置最匹配的風力助推轉子，那么船舶的節(jié)能效果將更好。

適用船型

風力助推轉子采用獨立式模塊化設計，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)新技術之一。

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

同時，風力助推轉子結構獨立、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。