船用风力助推转子的应用

风力助推转子是人类利用风能的一种创新技术，运用该技术改变船舶航行时的风向，使其为船舶提供航行方向的推力，达到减少油耗，节约运营成本的目的，同时有效降低船舶能效设计指数(EEDI)，是一种创新型能效技术。通过在船上安装圆筒，驱动圆筒在风中旋转产生垂直于风速方向的力，从而为船舶提供前进的助推动力。

早在20世纪初，Anton Flettner与Prandtl提出马格努斯效应可应用于船舶的推进。为了证实他们的理论，Anton Flettner制造了一艘名为Baden(原名Buckau，如图2所示)的海船，以双圆柱转子为推进动力，并在1926年成功横渡了大西洋。由此，这种利用圆柱体旋转来提供驱动力的装置也逐渐为人所知，因而这类装置也被称为Flettner转子。与其它风力驱动装置相比，Flettner转子有许多优点，比如更轻巧、更灵活且同样环保节能。如今，随着国际社会对环保的日益关注，以及业界对这一领域研究的逐步深入，该技术在船舶上的应用也进入了一个新的阶段。

图1 Anton Flettner的第一艘转子动力船

国内外最新发展动向

近年来，在风力助推转子技术的实船应用方面，欧洲各国已经取得了一定的成果。经过评估，在不降低航速的前提下，应用该技术可节省船舶燃油5%~30%。芬兰Norsepower是全球第一家将风力助推转子系统成功应用于现代船舶实船的公司。

2014年，Norsepower公司在芬兰滚装航运公司Bore的一艘9700载重吨滚装船“M/S Estraden”号上安装了一个高18米、直径3米的风力助推转子，可节约燃料达5%。2015年，Norsepower公司再次在“M/S Estraden”号上加装了一个同样型号的转子，通过对这艘船的油耗测量，证实转子系统年平均节能达到6.1%，相当于节省了400吨燃料，降低了1200吨二氧化碳排放。

图2 滚装船“MS Estraden”号

2015年挪威海事展期间，芬兰Deltamarin公司推出全新一代客滚船“DeltaChallenger”号，该船配备了6个Norsepower公司开发的风力助推转子，节约了总推进功率(1.3 MW)中大约10%的动力。

2018年，马士基油轮、Norsepower、英国能源技术研究所(ETI)和壳牌海运公司合作，尝试性地在一艘LR2成品油船上安装了两个高30米、直径5米的风力助推转子，这是转子风帆应用于成品油船市场的一个突破。据预测，该艘LR2型成品油船可降低7%～10%的燃料油消耗。

图3 加装转子的LR2成品油船

2018年，世界第一艘液化天然气/风能推进混合动力邮轮“M/S Viking Grace”号诞生，该船安装了一个高24米、直径4米的风力助推转子，由于风力助推转子技术的应用，这艘邮轮年平均节省液化天然气可达300吨左右，年平均减少二氧化碳排放量约900吨。

国内方面，中国船舶科学研究中心自2016年以来成立项目组开展风力助推转子的数值计算研究、方案设计、能效评估及原理样机研制等工作，取得了阶段性成果。通过对风力助推转子节能原理的深入分析，结合现有的CFD分析手段建立了风力助推转子推力与阻力的数值分析评估方法。对影响风力助推转子节能效果的因素(风速、风向、转速、直径、高度以及外形特点)进行了大量的数值研究，建立了一套完善的风力助推转子设计方法，能够为未来针对实船设计风力助推转子系统提供技术保障。目前，七〇二所与中船重工(上海)节能技术发展有限公司在风力助推转子原理样机研发成功的基础上，正在研制中型样机，直径1.5米，高度超过10米，设计转速达550rpm。面对工程样机大尺度高转速的技术要求，创造性地提出了多种风力助推转子传动、感知和控制的解决方案，并推出了应用于8万吨级散货船的技术方案。通过综合应用气层减阻、风力助推转子等多种节能技术，大型散货船和油船的EEDI值有望实现低于IMO基线40%的四阶段要求。

系统构成

按照风力助推转子的船舶在航行过程中，首先需要通过传感器采集船舶的相对风速和风向，然后根据获得的风速和风向数据通过控制系统调整风力助推转子的转速和转向以获得最佳节能效果，转子本身需要主动驱动获得相应的动力。因此，转子助推系统主要包括风力转子装置、环境感知系统、转子驱动器、能源、转子制动器以及控制系统。转子主要系统、功能及相关说明见表1。

表1 转子系统主要组成部分

风力助推转子系统构成简单，操作简便，可以实现自动控制甚至是智能控制。各子系统之间的关系如图4所示。

图4 风力助推转子系统关系图

转子的节能效果不仅受到驱动器、感知系统、控制系统性能优劣的影响，更重要的是受转子在甲板上的布置情况、转子尺寸和空气动力学特性等设计参数的影响。因此，在进行转子助推节能系统的设计时需要综合考虑船舶的总体布置和运营航线情况。

节能效果分析

风力助推转子的空气动力学特性是决定其节能效果的关键。同时，风力助推转子的节能效果还与风场入射角度、风场强度、风场的稳定性以及船速等复杂因素影响。

航线的影响。不同航线上的风向风力大不相同，柏林科技大学的研究表明，在北大西洋和北太平洋区域，风力助推转子的效果比在南太平洋区域的要明显。

船舶尺度影响。中国船舶科学研究中心在针对多型散货船加装风力助推转子方案的评估中获得结论：对于4万吨级散货船和15万吨散货船，同时装备2台高24m，直径4m的风力助推转子，在相同的航行状态下4万吨级散货船综合节能效果约为6%，而15万吨散货船仅为3%。

装载工况影响。4万吨级散货船装备风力助推转子，在设计吃水和压载吃水下，单台转子的综合节能效果差异约为1%。

航速的影响。在航行速度较大的情况下，风力助推转子的燃油节省量稍微大些。某散货船，在相同装载工况不同航速下，单台转子的综合节能效果差异最高可超过3%。但是，燃油节省量在燃油总消耗量的占比，却是在低航速航行情况下的更高。

此外，经研究发现，转子的控制策略和航行季节等因素都对风力助推转子的节能效果有一定的影响。如根据船型，配置最匹配的风力助推转子，那么船舶的节能效果将更好。

适用船型

风力助推转子采用独立式模块化设计，整体布置于甲板之上，因此主要适用于甲板空间充足的大型油船、散货船、滚装船、邮轮等船型，适用船型较广泛。大型油船和散货船因其开阔的露天甲板具备安装该系统的天然优势，也必将成为解决这类船型EEDI和温室气体减排问题的首选创新技术之一。

由于航线对安装风力助推转子船舶的节能效果影响显著，因此航线上风力资源丰富、风向以横风和尾斜风为主的船型效果更佳。

同时，风力助推转子结构独立、控制简单，适用于新船安装，也可以用于现有船改造，具有良好的推广前景。