淺述轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆的工作原理及實(shí)踐應(yīng)用

王勇

上海海事大學(xué)

1 引言

21世紀(jì)以來(lái)，隨著全球經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，全球貿(mào)易也在不斷提速。在國(guó)際貿(mào)易中，約90%的貨物是通過(guò)海上運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)，因海上運(yùn)輸具有成本低、運(yùn)量大等顯著優(yōu)勢(shì)。但不容忽視的是，海上運(yùn)輸所帶來(lái)的CO2排放正在不斷地影響著全球氣候。自1980年航運(yùn)危機(jī)之后的30年間，全球范圍內(nèi)CO2排放總量和船舶排放總量均有所提升，特別是在1979年～2009年間，船舶排放總量翻了一番，在2007年，船舶CO2排放總量占了全球排放總量的3%。

在此大背景下，全球針對(duì)船舶環(huán)保的標(biāo)準(zhǔn)在不斷提升，相關(guān)的法律法規(guī)也在不斷完善，加之國(guó)際油價(jià)持續(xù)上揚(yáng)，運(yùn)輸成本日益增加。對(duì)于船舶公司而言，無(wú)論是從外部要求還是內(nèi)部壓力來(lái)看，船舶節(jié)能減排勢(shì)在必行。

關(guān)于大型船舶尋求節(jié)能減排的途徑，一方面是對(duì)船型、發(fā)動(dòng)機(jī)性能的優(yōu)化和提升等，另一方面是加強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能等各種清潔能源的混合利用。太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化率低，受光照強(qiáng)度影響大且需大面積鋪裝，從海上特點(diǎn)及船舶的結(jié)構(gòu)，不適宜在船舶行業(yè)推廣。而風(fēng)能具有分布廣泛，資源充足等特點(diǎn)，更加適宜船舶使用。因此目前在船舶行業(yè)中，對(duì)風(fēng)能的研究利用最為豐富。風(fēng)能裝置主要可分為傳統(tǒng)翼型帆、天帆、walker帆及轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆等。這幾種風(fēng)帆中，除Walker型帆仍在研究階段外，其余帆型在實(shí)踐中均有所應(yīng)用。日本在1980年建造的新愛(ài)德丸號(hào)船舶使用的是傳統(tǒng)翼型帆（圖1），德國(guó)在2007年建造的“白鯨天帆”號(hào)貨輪使用的是天帆型帆（圖2），德國(guó)在2010年建造的“E-Ship 1”使用的是轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆型帆（圖3）。本文將主要就轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆的原理、結(jié)構(gòu)、發(fā)展歷程和現(xiàn)階段應(yīng)用做相關(guān)闡述。

圖1 新愛(ài)德丸號(hào)

圖2 白鯨天帆號(hào)

圖3 E-Ship 1號(hào)

2 理論依據(jù)-伯努利效應(yīng)

早在18世紀(jì)，職業(yè)炮手們就發(fā)現(xiàn)了炮彈在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生偏移，導(dǎo)致射擊失準(zhǔn)。同時(shí)，部分球類選手在投擲過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了類似的情況。1742年，英國(guó)槍炮工程師Benjamin Robins指出這一現(xiàn)象與球類的自身轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)，并在19世紀(jì)初做了大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。1852年，德國(guó)科學(xué)家G.H.馬格努斯通過(guò)實(shí)驗(yàn)，首次科學(xué)地對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了闡釋，并以他的名字命名為馬格努斯效應(yīng)。

比如，球體在氣流中運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果其旋轉(zhuǎn)方向與氣流方向相同，就會(huì)在球體的一側(cè)產(chǎn)生低壓，另一側(cè)產(chǎn)生高壓，前進(jìn)中的球體在以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，由于其下側(cè)與氣流運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)，所以空氣流速相對(duì)較慢，從而使得球體下側(cè)受到的壓力比上側(cè)更大，球體在壓力的作用下，運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)向上偏移，如果足球以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，同理可知，其運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)向下偏移（圖4）。

圖4 旋轉(zhuǎn)球體在氣流中的受力

1920年初，德國(guó)的一位數(shù)學(xué)兼物理教師Anton Flettner在Ludwig Prandtl的指導(dǎo)下，在Aerodynamics研究所對(duì)馬格努斯效應(yīng)進(jìn)行了研究，最終發(fā)明了轉(zhuǎn)筒式風(fēng)帆為船舶提供動(dòng)力。通俗來(lái)講，轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆利用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)筒自轉(zhuǎn)，使其逆風(fēng)一側(cè)表面的氣壓增大，順風(fēng)一側(cè)表面的氣壓降低，從而產(chǎn)生一個(gè)垂直于氣流方向的橫向力，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，可以調(diào)節(jié)帆體受力的大小和方向，從而為船舶提供前進(jìn)的推力（圖5）。

圖5 轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆原理

在不同的風(fēng)況（風(fēng)速及風(fēng)向）下，相較于傳統(tǒng)風(fēng)帆需要大量人力來(lái)進(jìn)行帆體升降與角度調(diào)整，轉(zhuǎn)筒式風(fēng)帆只需調(diào)整其自身轉(zhuǎn)速即可，即使在風(fēng)向180°轉(zhuǎn)向的極端情況下，轉(zhuǎn)筒式風(fēng)帆也只需改變旋轉(zhuǎn)方向即可重新獲得與船舶同向的推力，而裝有2個(gè)及以上轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆的船舶，可以通過(guò)調(diào)節(jié)不同風(fēng)帆的旋轉(zhuǎn)方向?qū)崿F(xiàn)船舶掉頭。

3 轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆的裝置結(jié)構(gòu)及受力分析

轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆裝置一般由動(dòng)力系統(tǒng)、帆體等部分組成（圖6），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)。動(dòng)力裝置為風(fēng)筒自身的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，帆體本身則是為船舶提供推力的主要部件。應(yīng)用于現(xiàn)代商船的轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆裝置，考慮到為了不影響港口岸吊的吊臂在裝卸貨物作業(yè)過(guò)程中的橫向移動(dòng)，有的還配備了滑軌系統(tǒng)使其可以沿船舷前后移動(dòng)。

圖6 轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆主要結(jié)構(gòu)

在僅考慮來(lái)風(fēng)和轉(zhuǎn)筒自身的情況下（忽略船速），轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆的受力主要可以分解為升力（l）和阻力（d）（圖7）。

圖7 轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆受力

其受力適用于通用公式：

其中ρ為空氣密度，A是受風(fēng)面積（即轉(zhuǎn)筒直徑與高度的乘積），va是來(lái)風(fēng)速度，CL和CD分別為升力系數(shù)和阻力系數(shù)。

根據(jù)轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆的工作原理和通用公式可知，其可提供的推力主要與帆體直徑、高度、轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向等因素相關(guān)。

4 轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆的發(fā)展歷程及現(xiàn)階段應(yīng)用

1924年～1926年間，一艘名為Buckau的德國(guó)船舶首次安裝了轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆動(dòng)力裝置并進(jìn)行了6 200多海里的航行測(cè)試，這是轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆首次在航海中的應(yīng)用（圖8）。該裝置主要由兩個(gè)高18.3米、直徑2.8米的筒型帆體及兩臺(tái)10馬力的電機(jī)組成，總重量約1 500磅，只有同類船舶配備的帆布式風(fēng)帆重量的五分之一。1926年，德國(guó)A.G.Weser船廠建造了另一艘更大的轉(zhuǎn)筒式風(fēng)帆動(dòng)力船舶，該船名為Barbara，裝備了3個(gè)轉(zhuǎn)筒式風(fēng)帆。

圖8 Buckau號(hào)船舶

然而，鑒于當(dāng)時(shí)石油行業(yè)的蓬勃發(fā)展與燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用推廣，轉(zhuǎn)筒式風(fēng)帆在當(dāng)時(shí)的時(shí)代背景下無(wú)法體現(xiàn)出明顯的經(jīng)濟(jì)性，因此，當(dāng)時(shí)該裝置未得到普遍推廣。1970年的石油沖擊，節(jié)能技術(shù)再次受到廣泛關(guān)注，轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆隨之回到了人們的視野，并逐步步入了應(yīng)用階段。

2014年11月，芬蘭航運(yùn)公司Bore旗下一艘9 700t滾裝船“Estraden”號(hào)，采用了Norsepower公司的旋筒風(fēng)帆方案，該船在荷蘭與英國(guó)之間往返航行，提供運(yùn)輸服務(wù)，在通過(guò)北海風(fēng)力走廊時(shí)，航速可達(dá)16節(jié)，潛在節(jié)約燃料約5%（圖9）。

圖9 Estraden號(hào)船舶

2018年1月，希臘船東公司Victoria Steamship定制的6 400t散貨船“Afros”號(hào)安裝了4臺(tái)轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆，轉(zhuǎn)筒高度18米，最大轉(zhuǎn)速450rpm，根據(jù)船上的風(fēng)速、風(fēng)向傳感器收集的數(shù)據(jù)，來(lái)相應(yīng)調(diào)整控制轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，以獲取最大推力，理論上，投入使用后可在相同航速下日均節(jié)省4t主機(jī)油耗（圖10）。

圖10 Afros號(hào)船舶

2018年4月，維京郵輪旗下的一艘“Viking Grace”號(hào)安裝了高24m、直徑4m的轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆，成為全球第一艘采用轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆技術(shù)的客船（圖11）。

圖11 Viking Grace號(hào)船舶

2018年8月，馬士基宣布在其一艘L2型油輪上安裝了兩個(gè)高30m、直徑5m的轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆，這也是迄今為止最大的轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆（圖12）。

圖12 馬士基L2型油輪

5 總結(jié)

轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)化率高，如果按照節(jié)省燃油來(lái)倒推估算，通常情況下約3年～4年可收回安裝成本，在全球環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)峻的當(dāng)下，船舶節(jié)能減排勢(shì)在必行，而轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆借助其與海運(yùn)特點(diǎn)的契合度，正在被越來(lái)越多的船東所接受，加之其基本上適用于各類船舶，故此預(yù)測(cè)未來(lái)將有廣泛的應(yīng)用空間。

澳大利亞推出60%為水的新型水基燃料可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程翻番成本減半

據(jù)報(bào)道，澳大利亞初創(chuàng)公司Electriq～Global推出了一款安全廉價(jià)的清潔燃料，由60%的水組成，通過(guò)Electriqs技術(shù)從水中提取氫。然后利用它發(fā)電，為車輛提供動(dòng)力。這種新技術(shù)的續(xù)航里程是使用現(xiàn)有燃料兩倍，價(jià)格是現(xiàn)有燃料的一半，且為零排放。

該水基燃料的反應(yīng)過(guò)程中，其先與催化劑反應(yīng)釋放所需的氫氣（按需），隨后捕獲廢燃料并放置到另一裝置內(nèi)，補(bǔ)充氫氣與水以便循環(huán)利用。

該公司稱，在環(huán)境溫度和壓力下，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程安全性良好。與鋰離子電池或壓縮氫氣技術(shù)相比，其能量密度是目前電動(dòng)汽車使用的電池15倍。

與電動(dòng)巴士的比較顯示，由普通電池驅(qū)動(dòng)的巴士可提供250公里的行駛里程，需要300分鐘的充電時(shí)間，而由Electriq～Fuel驅(qū)動(dòng)的巴士可提供1 000公里的行駛里程，并可在5分鐘內(nèi)完成充能。

（美國(guó)ABC）

寶山區(qū)召開(kāi)綠色制造體系建設(shè)培訓(xùn)會(huì)議

日前，寶山區(qū)政府召開(kāi)綠色制造體系建設(shè)培訓(xùn)會(huì)議，全區(qū)綠色制造培育庫(kù)企業(yè)、重點(diǎn)工業(yè)用能單位、各鎮(zhèn)（園區(qū)）節(jié)能單位約100人參加。

今年以來(lái)，寶山區(qū)主動(dòng)對(duì)接“中國(guó)制造2025”，提出了綠色制造體系“1121”工程，即到2020年創(chuàng)建10個(gè)綠色工廠、10個(gè)綠色產(chǎn)品、2個(gè)綠色園區(qū)、1條綠色供應(yīng)鏈。

會(huì)議詳細(xì)解讀了綠色制造體系及綠色制造系統(tǒng)集成項(xiàng)目的政策背景、建設(shè)內(nèi)容、思路及原則。深入解讀綠色工廠、綠色產(chǎn)品、綠色園區(qū)、綠色供應(yīng)鏈等項(xiàng)目的申報(bào)流程、標(biāo)準(zhǔn)和注意事項(xiàng)等，并同與會(huì)人員進(jìn)行了深入交流討論。