船用翼帆輔助推進技術發展綜述

李 臣，孫培廷

(1.大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026；2.江蘇海事職業技術學院，江蘇 南京 211170)

0 引言

風帆作為一種非動力推進裝置，具有操縱便捷、結構簡單、成本低廉、節能環保等諸多優點，一直是江河湖海內船舶航行的重要輔助推進裝置。近年來隨著船舶碳減排、碳中和工作的不斷推進，風帆助航以更加多樣的形式應用到遠洋商船、油輪、游艇等船艇的動力推進中，對于節省燃油消耗、減少環境污染、促進海運發展等都起到重要作用，是世界各海洋大國關注研究的熱點。在風能開發領域，風帆助航無需將風能發電進行二次開發，能源利用率高，非常符合遠洋船舶對航行速度、風場分布、節能環保等應用條件的要求。國際油價的持續上升以及國際海事組織對于氣體排放要求的嚴格限制[1]是風帆助航船舶設計的持續推動力，傳統造船強國如日本、韓國、美國、英國等早已著手開展風帆助航船舶的模型設計、實驗和應用。

船用翼帆一般指的是船上出于節能目的裝設的、直接借助海上風能產生推進力的機翼形風帆，一般包括風帆結構、操帆裝置、操帆裝置控制系統、監測報警、安全系統、帆/槳聯合控制系統等，如圖1 所示。2020年中國船級社發布的《船用硬質翼面帆評估與檢驗指南》對船用翼帆的設計、布置、控制監測、制造、安裝試驗 檢驗、操作等方面做出規定，旨在為船舶和風帆裝置設計、建造檢驗/試驗、操作等提供指導[2]。翼帆工作原理類似機翼理論，如圖2 所示。氣流流過翼帆時在其壓力面和吸力面產生壓差，機翼結構獲得升力和阻力，根據攻角的不同轉化為相應的推進力和側推力，推動船舶航行。

圖1 風帆裝置構架框圖[2]Fig.1 Frame diagram of wingsail device[2]

圖2 翼型帆工作原理Fig.2 Working principle of wingsail

通過船用翼帆直接將風能轉化為推進力是遠洋船舶主要的輔助推進形式。除此之外還有幾種其他類型的風帆可以利用風能獲得船舶推進力。首先是桅式傳統阻力帆[3]，這是最早的風帆助航形式，已有幾千年歷史，隨著內燃機動力的發展逐步被淘汰，應用領域仍在不斷縮小，目前主要應用在小型內河船、滾裝船以及競技體育運動中。其次是富萊特納旋筒帆[4]，它利用氣流通過高速轉的圓筒時，產生壓力差的馬格努斯效應產生推進力，因此需要外界提供動力。風箏帆又稱天帆[5]，它利用風箏在天空中飛行拉動海面船舶航行，由于帆在空中難以控制，緊急情況下風箏帆的應急操縱成為難題。

船用翼帆與桅式傳統阻力帆、富萊特納旋筒帆以及風箏帆相比，在用作船舶輔助推進時具有以下突出特點：

1）升力特性好，氣動性能穩定。在失速角范圍內，翼帆可以獲得穩定升阻力，可以保證帆—機—槳配合時對船舶主機功率輸出的影響最小，船舶獲得的橫傾力矩最小，船舶安全性更高。

2）可利用風向范圍廣。相比桅式傳統阻力帆，翼帆可以通過調整安裝角角度利用船舶兩側來風，持續獲得輔助推進力，保證輔助推進效果。

3）無需額外動力、結構簡單。相比富萊特納旋筒帆，翼帆不需要船舶提供額外動力，翼面多采用質量較輕的復合纖維制作，只需要保證結構強度，結構相對簡單。

4）操縱靈活。船用翼帆大多采用液壓操縱方式，便于翼帆操縱回轉。

VLCC、散貨船等大型遠洋商船的甲板面積大、航區風向穩定，完全適合應用翼帆展開船舶輔助航行，未來將成為船舶碳減排的發展方向之一。瑞典造船廠Wallenius Marine 率先宣布了設計的Oceanbird 風翼概念帆[6]，（見圖3），預計比傳統的內燃機貨船減少高達90%的碳排放。該船的船體頂部有5 個伸縮的“翼帆”，每個帆高79.3 m。帆可以旋轉360°而不會彼此接觸，并可回收至59.4 m，以清理橋梁或抵御惡劣的天氣。

圖3 瑞典公司設計的風翼概念帆Oceanbird[6]Fig.3 Wing concept sail Oceanbird designed by Swedish company[6]

1 船用翼帆技術研究現狀

隨著碳中和、碳減排成為國際熱點，國際海事組織（IMO）制定了一系列關于船舶溫室氣體排放和能效方面的法規，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、機槳配合、節能裝置等多方面進行優化設計，使得EEDI 值和船舶能耗不斷降低。但同時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[7]。為此，必須尋找新的提高船舶設計能效的替代方法。

風帆助航技術作為船舶最原始的驅動方式，人類有著豐富的經驗積累，在尋找新的方法提高船舶能效設計指數時，船用翼帆技術自然而然地進入研究的視野。為了提升 EEDI，降低溫室氣體排放，在船用翼帆技術研究主要是在新型翼帆的設計和翼帆能效分析方面。

1.1 圓弧形翼帆設計技術

圓弧形帆借鑒傳統阻力帆的工作原理如圖4 所示。將風帆的兩端設計成機翼形狀，以減小氣流流過端面時的波動。其推進性能和空氣動力學特性比傳統阻力帆提升較大。在順風時可較大程度地利用來風，輔助推進效果最明顯，然而其利用的風向范圍較小，不太適合應用于風向變化的風場當中[8]。在圓弧形翼帆應用中最具代表性的是由大船集團牽頭承擔的國家高技術船舶科研計劃“風帆技術示范應用開發”項目[9]，創新性地提出了基于圓弧形風帆的“U 型結構翼形風帆”概念，并成功安裝在招商輪船的30 萬噸VLCC“凱力”號上。2018 年10 月該船進行了為期5 天的海上實船試驗，據測算，“凱力”輪每天可減少3% 左右的油耗，證明了該風帆方案在超大型船舶節能減排方面的有效性，這是風帆助推節能技術在國內大型船舶上的首次推廣應用。然而圓弧形翼帆在大型船舶設計中的載荷分布不均、風向利用范圍小、控制系統復雜等難題，是制約圓弧形翼帆進一步應用和發展的主要障礙。

圖4 圓弧形翼帆工作原理Fig.4 Working principle of arc wingsail

圖5 U 型結構翼形風帆[9]Fig.5 U-shaped structure wingsail[9]

圖6 名村造船開發的散貨船風帆動力系統[10]Fig.6 Sail power system of bulk carrier developed by Mingcun shipbuilding[10]

日本名村造船聯手日本船東NS United Shipping 共同開發了一種用于183 000 載重噸好望角型散貨船的風帆動力節能系統[10]，也是這種“U 型結構翼形風帆”。該系統的特點包括可以在沒有風力或處理貨物時收回到甲板下，能夠橫向展開以便從風力中獲得最大推進力，通過設置多種標準來確定風帆形狀并采用不同形狀的風帆，從而保障船橋上的能見度符合法規要求。

1.2 多元素翼帆設計技術

翼帆在船舶上的應用技術尚不成熟，目前多集中于翼帆模型設計和空氣動力性能研究。然而由于單機翼升力系數和失速特性的限制，單個機翼通常很少直接應用到翼帆設計中。國內外設計者為了提升機翼形帆的推進性能，先后對機翼形帆進行優化設計，出現了一系列的多元素翼帆，如雙元素翼帆[11]、三元素翼帆[12]以及五元素翼帆[13]等。

雙元素翼帆主要指帶襟翼的機翼形帆（見圖7），其形狀對稱，可利用雙側來風，且升力系數較大，通過調節襟翼偏轉角可利用較大范圍的來風，產生的橫傾力矩也小，輔助推進性能遠好于傳統的風帆。雙元素翼帆首次在第33 屆“美洲杯”帆船賽中應用，就贏得了冠軍，其優異的空氣動力性能得到了航運界的廣泛關注[14]。2017 年，法國AYRO 公司借鑒寶馬甲骨文船隊的這種雙元素翼帆設計理念設計了Ocea－nwings[15]，其已被證明可將貨船的油耗降低多達45%。張紹清等[16]在20 世紀90 年代也開展過雙元素翼帆的設計和試驗研究，通過與單翼帆性能對比發現雙元素翼帆的升力系數大大提高，然而由于沒有后續實船應用，雙元素翼帆的發展也因此中斷。

圖7 雙元素翼帆工作原理Fig.7 Working principle of two-elements wingsail

三元素翼帆類似于飛機機翼（見圖8），是在襟翼帆模型的前緣增添了一個縫翼，以增大失速角、提升翼帆的推進性能。1996 年，Daniel 博士[12]首次將縫翼應用在風帆的設計中。試驗結果表明，三元素翼帆的最大升力系數提高了68%，在翼帆最有效的風向角時推力增加了83%，翼帆性能提升明顯。2000 年，丹麥Rosander 和Bloch 提出并設計了一種非對稱的三元素翼帆，其結構由縫翼、主翼和襟翼組成，結構非常復雜，制作困難，經濟性較差[17]。2014 年，Windship 推出了被稱為輔助帆推進系統（ASPS）的帆動力新概念[18]，采用三元素翼帆的設計理念，將三元素翼帆整體固定安裝在船舶甲板上，通過調整翼帆的角度充分利用風力能源，以降低發動機功率，可最大限度地節省燃料。

圖8 三元素翼帆結構模型[12]Fig.8 Three-elements wingsail model[12]

1.3 混合式翼帆設計技術

在翼帆研究的基礎上，國內外設計者為提升風帆的推進性能，對翼帆進行改型設計，逐漸出現一些新型混合式翼帆，也可稱為組合式翼帆，如walker 式帆[19]、翼-板混合帆[20]等。

Walker 帆翼是一種H 平面結構帆翼（見圖9），它是英國工程師J.Walker 于20 世紀80 年代初提出的。Walker 翼帆采用了對稱翼剖面，翼帆后部安裝有導流翼用于調整風帆迎角，提高了空氣動力學性能。2010 年，A Burden 等[19]將該Walker 式多翼帆系統設計安裝在集裝箱班輪甲板上，并對該帆-船模型運動進行數值和實驗研究，預測到了翼帆系統對船舶運動較好的推力增益和推進效率，然而Walker 式帆由于導流翼減小了失速角，極易發生翼帆失速現象，是否適用于遠洋商船尚需進一步論證。

圖9 walker 式帆[19]Fig.9 Walker sail[19]

翼-板混合帆是指采用機翼和平板等組合起來的風帆（見圖10），Nojiri 等[20]在丹麥的Rosander和Bloch[17]設計的三元素翼帆模型基礎上提出了一種襟翼為平軟帆的混合式帆，它由縫翼、剛性翼帆和三角形軟帆組成，這種混合帆的結升力系數有所提高。商船三井[21]正在研發的在1 艘20 萬噸營運散貨船上安裝風力推進系統就是借鑒這種混合式翼帆的設計理念（見圖11）。2005 年Toshifumi Fujiwam[22–23]將三角形軟帆改成矩形軟帆，其推進性能比Nojiri 設計的混合式帆還有提升。2015 年，他與Qiao Li[24]合作對混合式帆的主翼進行改型，用剛性平板代替襟翼，用雙回轉桅桿分別控制主翼和平板轉動，以改變風帆的拱角，因此這種帆也被成為可變拱角帆（VCS），經仿真和試驗驗證，該帆的綜合推進性能優于NACA0021 帆和平板帆。

圖10 襟翼為平板的混合式帆[24]Fig.10 Hybrid sail with flat flap[24]

圖11 日本商船三井設計的風力推進系統[21]Fig.11 Wind propulsion system designed by Japanese merchant ship Mitsui[21]

1.4 充氣翼帆設計技術

為了避免翼帆因結構材料堅硬而無法快速收縮以應對緊急情況的問題，2021 年米其林公司的研發部門和2 位瑞士發明家已經聯合推出了Wing sail mobility(WISAMO)系統[25]，如圖12 所示，即充氣翼帆技術。WISAMO 系統的翼帆為一種可自動伸縮、充氣的翼帆系統，翼帆底部設置有空氣壓縮機，在使用翼帆時保持充氣狀態，以保證足夠的強度。在緊急情況時，通過快速釋放翼帆內部的空氣保證翼帆和船舶的安全。其主要缺點是充氣翼帆工作時需要消耗船舶能量，翼帆的操作性和靈活性也受到限制。

圖12 Wing sail mobility(WISAMO)系統[25]Fig.12 Wing Sail Mobility (WISAMO) system[25]

目前翼帆輔助推進技術仍然主要處于實驗室階段。翼帆失速行為的影響機理研究尚不充分，翼帆的安裝對船舶原有結構及穩性可能帶來不確定性的影響，并對機-帆-船的協調配合提出了更高的要求，這些都是影響翼帆實船應用的重要因素。根據現有文獻的統計，目前圓弧形翼帆已在遠洋商船上開展了示范性應用，且取得了良好的節能減排效果。而多元素翼帆和混合式翼帆由于空氣動力學研究[26]、能效分析研究[27]以及船舶穩性分析[25]等諸多因素在理論分析和試驗研究方面仍在探索當中。

2 雙元素翼帆研究的關鍵技術

2.1 雙元素翼帆最大推力系數的配置

風帆的空氣動力學性能好壞直接決定了風帆助航技術在船舶航行中的推進效果。鑒于雙元素翼帆模型與帶襟翼的機翼在結構上相似，當前的雙元素翼帆模型多類似于帶襟翼的對稱機翼形式，以保證在船舶輔助推進中能充分利用左右兩側來風。

在進行雙元素翼帆最大推力系數的配置時，首先要根據風向角確定雙元素翼帆的工作狀態[28]。為了獲得最大推力系數，在可利用風向角（45°～315°）范圍內，雙元素翼帆可分為3 種作用狀態，如圖13～圖15所示。根據受力分析，在風向角為45°～90°或270°～315°范圍內需獲得最大升阻比，既可以增加推進力，又可以控制側向力。在風向角為90°～135°或225°～270°范圍內阻力系數也存在推力分量，為了獲得最大推力系數，可選擇失速發生前的最大升力系數角，然而需避免由于前緣失速引起的升力系數陡降，此時需要對翼帆前緣結構進行改型設計例如渦發生器、前緣凸起設計等。在風向角為135°～225°范圍內，翼帆配置需借鑒圓弧形風帆的配置方式，采用大攻角、小間隙的安裝方式才能獲得最大的推力系數。

圖13 風向角為45°～90°時的翼帆安裝配置Fig.13 Wingsail installation configuration when wind direction is 45°～90°

圖14 風向角為90°～135°時的翼帆安裝配置Fig.14 Wingsail installation configuration when wind direction is 90°～135°

圖15 風向角為135°～180°時的翼帆安裝配置Fig.15 Wingsail installation configuration when wind direction is 135°～180°

2.2 翼型帆的失速控制

翼型帆的空氣動力特性主要包括阻力特性、升力特性、推力特性、側向力特性、失速特性以及橫傾力矩特性等，這些特性的變化機理與其氣流的壓力、速度以及載荷等的流場分布密切相關，翼型帆流場環境復雜，流動變化較快，能否在快速變化的流場中對翼型帆進行失速控制直接決定了翼型帆的推進性能。通過對翼型帆結構進行分析，可知雙元素翼型帆的失速主要發生在大攻角、高襟翼偏轉角時的翼帆外緣和帆-船結合部。為了在動態波動的風場中獲得穩定的推進力以及盡量延遲翼帆失速，就需要對翼帆攻角和襟翼偏轉進行合理的控制。當雙元素翼帆正常工作時，船舶會左右搖擺，橫搖運動將使二元素翼帆處于動態失速環境當中。另外近地面空氣流動的梯度風，也會造成不同高度的翼型截面發生失速，特別是在翼型帆外緣，由于端部氣體繞流，不可避免地存在流動分離現象。由于翼型的失速特性，如果翼型帆的攻角過小，船舶將不能獲得足夠大的推進力。而攻角過大時，輕微的風向變化就會引起失速，這會造成翼型帆推進性能的下降。這些都給翼型帆的失速控制工作帶來了很大困難。

為了解決上述問題，借鑒飛機機翼中應用的流動分離控制技術。為了提高飛機機翼的升力系數并延遲失速，研究設計了各式各樣的失速控制技術[29]，可分為主動控制和被動控制。主動控制方法是通過人為操作控制雙元素翼帆的流體流動，使翼帆受力按照需求變化，已經應用的有可控環量機翼、噴射流體、后緣襟翼、前緣縫翼等。被動方法是通過雙元素翼帆結構的改變來改善翼帆表面流體的運動形態，從而延緩附面層流動分離，推遲失速發生，如渦發生器、變形襟翼和前緣凸起等。

2.3 機-帆-船的協調配合

船舶運動的目標是使船舶沿設定的航向航行。它有2 個功能：航向保持和航向改變，前者是使船舶在受到各種擾動時以最小的控制力保持在設定航向上；后者希望以最小的超調迅速準確地跟蹤新的設定航向。對于翼帆助航船舶，翼帆推進增加了船舶運動的不確定性和干擾性，這對機-帆-船的協調配合提出了更高的要求[30]。另外，船舶在航行時航線方向與風向并不是保持一致的，這會導致作用在翼帆上的推力與船舶受力的不平衡，造成船舶的漂移。所以，為了保證船舶航向的準確，就需要在船舶航行中不斷調整翼帆的攻角和改變舵機的舵角。甚至為了航速的穩定，需要調整主機的轉速以維持受力的平衡。這對機-船結合部的結構設計也提出了新的考驗，不斷變化的應力大小和方向會增加翼帆的安裝難度。

由于船舶航行時的風速和風速變化，引起翼帆產生的推進力和側推力發生改變，打破了原有的機-帆-船配合狀態，為了降低主機能耗并保證船舶穩定航行，需要及時改變雙元素翼帆的工作狀態，通過改變攻角、調整襟翼偏轉角等形式實現機-帆-船的協調配合。

3 結語

風能作為沒有任何污染的清潔能源，通過翼帆直接轉換為船舶推進力，可以起到節能減排的效果，有助于實現航運碳達峰、碳中和的目標。從IMO 海洋環境保護委員會（MEPC）第74 次會議到第76 次會議提出的溫室氣體減排目標所推薦的中長期減排措施看[31]，包括風帆助航在內的船舶新能源開發利用位列其中，風能推進系統等能效技術對EEXI 的影響正在納入IMO MEPC 會議討論的范圍。

盡管由于多方面原因，目前船用翼帆還未在遠洋商船取得實質性應用，多為翼帆助航船的概念設計。由于翼帆助航技術與其他風帆助航技術相比，具有氣動性能穩定、升力特性好、無需額外動力、操縱靈活等優點，采用對稱性翼型還可以實現對船舶雙側來風的利用，采用帶襟翼的雙元素翼帆可以實現對翼帆失速行為和緊急情況的處置，日本、英國、美國、新西蘭等國目前正在開展利用翼帆助航技術實現船舶輔助推進，計劃應用在VLCC 等遠洋商船上。

智能船舶技術的飛速發展，為翼帆助航技術在遠洋商船的應用也提供了條件，翼帆助航的智能化控制不僅減輕了船員的工作壓力，更有利于保證船舶安全。IMO 及國際標準化組織（ISO）等將智能船舶列為重要議題，國際主要船級社先后發布了有關智能船舶的規范或指導性文件[32]。翼帆助航的智能化控制也將成為智能船舶研究中不可缺少的部分，如翼帆安裝角的自動調整、緊急情況的自動卸荷、帆-機-船能效的自動分配等智能控制，有助于降低船舶能效、減少溫室氣體排放、提升船舶運營效率、改善船員工作環境。

盡管翼帆助航技術尚不成熟，其實船應用安全性和可靠性影響未充分評估，然而其技術發展始終緊貼經濟社會的需求。相信翼帆助航技術憑借其節能環保、結構簡單的優勢，以及智能控制等新方向的發展，在未來二三十年將成為遠洋船舶輔助推進動力的首選。