淺述轉筒風帆的工作原理及實踐應用

王勇

上海海事大學

1 引言

21世紀以來，隨著全球經濟快速增長，全球貿易也在不斷提速。在國際貿易中，約90%的貨物是通過海上運輸實現，因海上運輸具有成本低、運量大等顯著優勢。但不容忽視的是，海上運輸所帶來的CO2排放正在不斷地影響著全球氣候。自1980年航運危機之后的30年間，全球范圍內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，全球針對船舶環保的標準在不斷提升，相關的法律法規也在不斷完善，加之國際油價持續上揚，運輸成本日益增加。對于船舶公司而言，無論是從外部要求還是內部壓力來看，船舶節能減排勢在必行。

關于大型船舶尋求節能減排的途徑，一方面是對船型、發動機性能的優化和提升等，另一方面是加強對太陽能、風能等各種清潔能源的混合利用。太陽能的轉化率低，受光照強度影響大且需大面積鋪裝，從海上特點及船舶的結構，不適宜在船舶行業推廣。而風能具有分布廣泛，資源充足等特點，更加適宜船舶使用。因此目前在船舶行業中，對風能的研究利用最為豐富。風能裝置主要可分為傳統翼型帆、天帆、walker帆及轉筒風帆等。這幾種風帆中，除Walker型帆仍在研究階段外，其余帆型在實踐中均有所應用。日本在1980年建造的新愛德丸號船舶使用的是傳統翼型帆（圖1），德國在2007年建造的“白鯨天帆”號貨輪使用的是天帆型帆（圖2），德國在2010年建造的“E-Ship 1”使用的是轉筒風帆型帆（圖3）。本文將主要就轉筒風帆的原理、結構、發展歷程和現階段應用做相關闡述。

圖1 新愛德丸號

圖2 白鯨天帆號

圖3 E-Ship 1號

2 理論依據-伯努利效應

早在18世紀，職業炮手們就發現了炮彈在運動過程中會發生偏移，導致射擊失準。同時，部分球類選手在投擲過程中，也發現了類似的情況。1742年，英國槍炮工程師Benjamin Robins指出這一現象與球類的自身轉動相關聯，并在19世紀初做了大量的實驗進行驗證。1852年，德國科學家G.H.馬格努斯通過實驗，首次科學地對這一現象進行了闡釋，并以他的名字命名為馬格努斯效應。

比如，球體在氣流中運動時，如果其旋轉方向與氣流方向相同，就會在球體的一側產生低壓，另一側產生高壓，前進中的球體在以順時針方向旋轉時，由于其下側與氣流運動方向相對，所以空氣流速相對較慢，從而使得球體下側受到的壓力比上側更大，球體在壓力的作用下，運動軌跡會向上偏移，如果足球以逆時針方向旋轉，同理可知，其運動軌跡會向下偏移（圖4）。

圖4 旋轉球體在氣流中的受力

1920年初，德國的一位數學兼物理教師Anton Flettner在Ludwig Prandtl的指導下，在Aerodynamics研究所對馬格努斯效應進行了研究，最終發明了轉筒式風帆為船舶提供動力。通俗來講，轉筒風帆利用發動機驅動轉筒自轉，使其逆風一側表面的氣壓增大，順風一側表面的氣壓降低，從而產生一個垂直于氣流方向的橫向力，通過調整轉筒的轉速和旋轉方向，可以調節帆體受力的大小和方向，從而為船舶提供前進的推力（圖5）。

圖5 轉筒風帆原理

在不同的風況（風速及風向）下，相較于傳統風帆需要大量人力來進行帆體升降與角度調整，轉筒式風帆只需調整其自身轉速即可，即使在風向180°轉向的極端情況下，轉筒式風帆也只需改變旋轉方向即可重新獲得與船舶同向的推力，而裝有2個及以上轉筒風帆的船舶，可以通過調節不同風帆的旋轉方向實現船舶掉頭。

3 轉筒風帆的裝置結構及受力分析

轉筒風帆裝置一般由動力系統、帆體等部分組成（圖6），結構簡單，易于維護。動力裝置為風筒自身的旋轉提供動力，帆體本身則是為船舶提供推力的主要部件。應用于現代商船的轉筒風帆裝置，考慮到為了不影響港口岸吊的吊臂在裝卸貨物作業過程中的橫向移動，有的還配備了滑軌系統使其可以沿船舷前后移動。

圖6 轉筒風帆主要結構

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

圖7 轉筒風帆受力

其受力適用于通用公式：

其中ρ為空氣密度，A是受風面積（即轉筒直徑與高度的乘積），va是來風速度，CL和CD分別為升力系數和阻力系數。

根據轉筒風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、轉速、旋轉方向等因素相關。

4 轉筒風帆的發展歷程及現階段應用

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

圖8 Buckau號船舶

然而，鑒于當時石油行業的蓬勃發展與燃氣發動機的廣泛應用推廣，轉筒式風帆在當時的時代背景下無法體現出明顯的經濟性，因此，當時該裝置未得到普遍推廣。1970年的石油沖擊，節能技術再次受到廣泛關注，轉筒風帆隨之回到了人們的視野，并逐步步入了應用階段。

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

圖9 Estraden號船舶

2018年1月，希臘船東公司Victoria Steamship定制的6 400t散貨船“Afros”號安裝了4臺轉筒風帆，轉筒高度18米，最大轉速450rpm，根據船上的風速、風向傳感器收集的數據，來相應調整控制轉筒的轉速和轉向，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省4t主機油耗（圖10）。

圖10 Afros號船舶

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

圖11 Viking Grace號船舶

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

圖12 馬士基L2型油輪

5 總結

轉筒風帆結構簡單，轉化率高，如果按照節省燃油來倒推估算，通常情況下約3年～4年可收回安裝成本，在全球環境問題愈發嚴峻的當下，船舶節能減排勢在必行，而轉筒風帆借助其與海運特點的契合度，正在被越來越多的船東所接受，加之其基本上適用于各類船舶，故此預測未來將有廣泛的應用空間。

澳大利亞推出60%為水的新型水基燃料可實現電動車續航里程翻番成本減半

據報道，澳大利亞初創公司Electriq～Global推出了一款安全廉價的清潔燃料，由60%的水組成，通過Electriqs技術從水中提取氫。然后利用它發電，為車輛提供動力。這種新技術的續航里程是使用現有燃料兩倍，價格是現有燃料的一半，且為零排放。

該水基燃料的反應過程中，其先與催化劑反應釋放所需的氫氣（按需），隨后捕獲廢燃料并放置到另一裝置內，補充氫氣與水以便循環利用。

該公司稱，在環境溫度和壓力下，整個反應過程安全性良好。與鋰離子電池或壓縮氫氣技術相比，其能量密度是目前電動汽車使用的電池15倍。

與電動巴士的比較顯示，由普通電池驅動的巴士可提供250公里的行駛里程，需要300分鐘的充電時間，而由Electriq～Fuel驅動的巴士可提供1 000公里的行駛里程，并可在5分鐘內完成充能。

（美國ABC）

寶山區召開綠色制造體系建設培訓會議

日前，寶山區政府召開綠色制造體系建設培訓會議，全區綠色制造培育庫企業、重點工業用能單位、各鎮（園區）節能單位約100人參加。

今年以來，寶山區主動對接“中國制造2025”，提出了綠色制造體系“1121”工程，即到2020年創建10個綠色工廠、10個綠色產品、2個綠色園區、1條綠色供應鏈。

會議詳細解讀了綠色制造體系及綠色制造系統集成項目的政策背景、建設內容、思路及原則。深入解讀綠色工廠、綠色產品、綠色園區、綠色供應鏈等項目的申報流程、標準和注意事項等，并同與會人員進行了深入交流討論。