風帆助推技術在大型船舶上的應用及風險分析

CCS大連審圖中心 岳孟強

能、環保一直是近年來航運關注的熱點之一，也成為船舶設計的趨勢和目標。自船舶能效設計指數（EEDI）要求強制生效以來，業界從航速優化、型線優化、機槳匹配、節能裝置等多方面改進設計，使得EEDI值和船舶能耗不斷降低。但同時也應注意到另一個趨勢，就是常規的船舶設計技術手段的節能潛力正在逐步減小，很多船型要滿足EEDI第3階段指標要求還存在較大困難。為此，必須尋找新的提高船舶設計能效的替代方法。

太陽能和風能作為公認的綠色替代能源，目前在航運方面應用程度有限。風能作為船舶最原始的驅動方式，在人類航海史上曾經起過不可替代的作用。人類在風帆驅動方式的應用方面，有著豐富的經驗和積累。在尋找新的方法提高船舶能效設計指數時，自然會將眼光轉向風能的利用。

船舶使用風能作為驅動力，一般會采用風帆直接驅動技術，當然還包括風力發電后作為船舶推進

節動力的風力間接驅動技術。風力直接驅動常見的方式一般有桅式傳統阻力帆、翼面升力帆、富萊特納旋筒和風箏帆等，其中，阻力帆和風箏帆均系采用相當面積的受風裝置承受風壓，從而因風壓的作用產生推進力；翼面升力帆系利用氣流在特定裝置的表面發生流場改變，從而利用氣動學原理產生推進力；富萊特納旋筒系利用氣流通過高速旋轉的圓筒時，產生壓力差的馬努斯效應產生推進力。隨著空氣動力學技術以及船舶設計手段的進步，采用空氣動力學原理的升力帆和富萊特納旋筒技術，因其輔助推進效率較高，逐步成為利用風能提高船舶能效的首選。

風帆技術，特別是升力帆技術在現代設計內燃機推進的船舶上作為輔助動力應用，目前整個業界尚缺乏成熟的經驗。目前在升力帆的技術開發和應用研究方面，日本和部分歐洲國家早在五年前就開展了相關工作。為填補我國在這方面的空白，2015年經工信部立項，我國成立了以大連船舶重工集團有限公司牽頭、由船東、船級社、大專院校等參加的科研團隊，開展了以構建風帆技術應用技術標準、建造工藝驗證、實船節能效果驗證為目的的系統性研究。研究工作將通過制造1：1的風帆工程樣機，并安裝于VLCC實船上，來驗證大型船舶使用風帆助推的可行性和節能效果。中國船級社作為參研單位，承擔了從風險分析、技術標準構建、檢驗/試驗要求制定、EEDI驗證方法研究等工作，幾乎覆蓋全部科研和實船示范工程中與安全性分析、評估和驗證相關的工作，并承擔了實船的檢驗和發證工作。

在研究工作之初，CCS的團隊就面臨諸多困境。一方面是風帆應用缺乏法規框架和技術標準的支持，無法采用常規的按照既有標準和規范進行技術驗證的工作方法；另一方面，為產生足夠的推進力，現代設計風帆的尺度一般較大，除自身結構強度和驅動裝置等多面臨的技術問題外，還會對船舶的結構、布置等原有常規設計造成影響，存在一定的技術和操作性風險，這方面也缺少系統性的經驗可供借鑒。

針對本項目的具體情況，CCS確定了以風險分析為基礎和主要手段，借鑒類似布置、結構型式和可靠性的系統和設備的現有技術要求，來構建風帆技術要求的路線圖。通過對風險分析的策劃，最終確定與風帆技術實船應用相關的風險主要有風帆和實船界面風險，以及風帆裝置自身的風險兩大類，并采用不同的風險分析方法開展工作。

在風帆和實船界面方面，主要涉及船舶加裝風帆后，影響現有規范和法規符合性驗證的因素，以及對船舶的營運和操作產生影響的因素。這方面的風險和影響因素主要有：

完整穩性方面影響。主要原因是風帆裝置安裝后會導致船舶重心高度的增加，對穩性有不利影響；風帆工作時，增加了風帆的側向受風面積，使得風壓傾側力矩增加；在風帆正常工作起到輔助推進作用時，除沿船首方向的輔助推進力外，還會產生一個沿船舶橫向的分力，從而增加了船舶的橫傾力矩。這些對完整穩性的影響因素必須進行計算和量化評估，其中風帆推進力的橫向分力（風動力效應）引起的橫傾力矩，會大于僅考慮受風面積時的靜風壓橫傾力矩，需要單獨通過計算和（或）試驗結果確定其量值。

船舶結構強度方面影響。風帆沿中縱剖面方向的彎矩與船舶總縱彎矩疊加后，對總縱強度可能造成一些影響；因風帆的風載荷引起的彎矩、剪力、扭矩，以及風帆結構的重力分量和因船舶運動引起的慣性載荷直接作用在風帆基座和周邊船體結構上，對局部強度的影響也需要進行計算校核。

因風帆的遮擋造成的負面影響。風帆通常會有比較大的面積以達到預期的推進效果，比較理想的船舶布置是將風帆布置在駕駛室和主要航行和信號設備的后方，以避免遮擋導致的負面影響。如果此種布置無法實現，則風帆工作時對駕駛室視野的影響、對信號設備（航行燈）的影響、對雷達盲區的影響必須進行細致評估，以保證其滿足現有公約和規則的要求，或至少達到與常規船舶等效的布置和安全水平。

船舶操縱性方面影響。因作用在風帆上的風動力，除沿船舶首向產生輔助推進力以外，往往會有沿船舶橫向的分力。這個分力會使船舶產生橫漂力，以及轉船力矩（橫向分力的作用方向不通過漂心時），從而影響船舶的操縱性，比如回轉和緊急避讓機動時的運行軌跡；風帆產生的輔助推力還會增加緊急停船的距離。需要通過理論分析、水池試驗或試航等方法，評估其對操縱性的影響，并對駕駛室內張貼的操縱特性信息進行必要修正和補充。

錨泊和系泊方面影響。風帆即使在回收狀態下，因其風動力外形，會在特定的來風方向產生不利于錨系泊作業的推力。這一點與常規船舶在計算用于確定錨系泊設備規格的舾裝數時，僅考慮投影面積（實際是僅考慮受風面的靜風壓）的出發點有較大差異。因此在選取安裝風帆裝置船舶的規格時，除需要考慮因風帆的投影面積導致的舾裝數增加外，還必須考慮風動力效應導致的在錨泊設備主要受力方向（沿船舶縱向）和系泊設備主要受力方向（沿船舶橫向）的附加力。基于量化評估驗證和選取錨系泊設備的規格。

甲板直升機作業方面影響。現代大型船舶一般均布置有直升機懸停或降落區域，直升機作業對風速的垂直梯度一般有比較嚴格的要求。安裝風帆的船舶，會在特定的區域形成有別于常規布置船舶的空氣流場，從而可能會對直升機的安全作業造成威脅。需要通過理論計算或風洞試驗得到不同來風方向時風帆周圍流場的分布，從而為直升機作業提供安全指導和限定條件（如設置天氣條件限制和禁入區域等）。

對船舶安全操作和船員舒適性方面影響。風帆的橫傾力矩，會導致船舶產生一個固定的初始橫傾角。該橫傾角過大，會影響設備正常工作、船員的安全操作和船員的舒適性，需要將其限定在較小的范圍內（目前的限定值為小于3°）；風帆的帆面材料如果是反光材料，則會影響船員的航行瞭望，并可能在夜間反射甲板或航行燈的燈光，導致其它船舶的誤判；風帆裝置布置距離船員的生活區較近，還可能導致振動和噪聲水平超過限定要求。以上因素均需要在設計階段關注和盡量減少負面影響。

對船舶在惡劣天氣下操縱能力的影響。船舶在海上遭遇惡劣天氣時，船舶需要保持足夠的前進速度，以保證舵效，從而實現對船舶首向的有效控制。為此，IMO專門通過了關于主機最小推進功率計算導則。安裝風帆的船舶，如果不能實現在任何單一故障情況下對風帆的有效控制，則可能在遭遇惡劣天氣時，風帆產生的風動力與船舶的推進方向相反，則船舶保持前進速度的能力會受到削弱。如果因風帆意外反推力的存在，使得船舶不能保持前進的最小航速，則船舶的基本安全無法保證。此種情況下，必須采取附加措施（比如恢復對風帆控制的輔助措施，或增加主機的最小推進功率），以保證惡劣天氣下對船舶的操縱能力。

振動和諧搖方面的考慮因素。風帆一般為細長結構，其在船舶的振動源的激勵下，以及在風載荷的作用下，會產生振動。如果在某些特定的激勵源作用下會使風帆產生共振，則可能導致結構破壞，需要進行評估并避免；船舶的橫搖也構成對風帆的低頻激勵源，如果橫搖可能導致風帆產生諧搖，則會導致風帆比較嚴重的結構損壞，也是需要進行評估和盡力避免的。

電氣特性對船舶布置的影響。風帆裝置如果布置在液貨船或載運危險品船舶的危險區域，則電氣設備的布置需要滿足相關的要求；此外，由于風帆翼面往往由相對運動的多個零部件構成，需要特別關注有效連接和接地，避免產生靜電；同樣，由于風帆的特殊操作方式，可能會使得避雷設備的布置成為一個難題。

總之，因船舶安裝風帆，對船舶的結構、布置和整體性能造成的影響是多方面和廣泛的，需要進行細致甄別和評估，將對安全和操作的負面影響降至可控水平。

在風帆裝置自身的風險方面，主要基于避免因風帆的失效對船舶的安全造成災難性后果進行設計和評估，將無法降帆、風帆倒伏、帆面墜落、風帆無法回轉設定為風帆出現故障后的災難性后果。通過FMEA分析等手段，避免風帆的液壓系統、機械傳動裝置、電氣控制裝置因單一故障導致災難性后果，并通過系統的設計改進和操作限定來保證基本的安全。

隨著科研工作的深入和實船工程的逐步展開，CCS將對基于風險評估制定的設計和評估技術標準不斷進行完善，構建風帆技術實船應用的技術標準和規范體系，服務于業界，共同建立和保持我國在風力輔助推進方面國際前沿和領先的技術能力。