旋筒風帆助大型船舶駛向綠色低碳

操秀英

近日，中國海油發布消息，我國自主研發制造的亞洲首套船用風力旋筒助推系統在萬噸級大型甲板運輸船“海洋石油226”上成功投用。這標志著我國在商用船舶旋筒風帆系統技術領域實現了零的突破，對于推動船舶運輸行業綠色低碳發展具有重要示范意義。

旋筒風帆長什么樣，給船舶裝上旋筒風帆有多難，這種風帆有什么作用？筆者就這些問題采訪了相關專家。

旋筒風帆最早出現于20世紀20年代。由于旋筒的重量限制以及柴油機和蒸汽輪機的出現，該技術最終沒能被廣泛應用。近兩年，隨著國內外研究與實船實踐的成熟，這項技術在歐洲等國際重點航運市場重新得到廣泛研究與應用。旋筒風帆在船舶上的安裝與應用即將進入一個新的發展階段。

2023年8月，歐盟研究報告顯示，目前主流的風力輔助推進系統包含了旋筒風帆、硬質翼帆、吸力翼帆、天帆、軟質風帆。旋筒風帆是目前國際上應用最廣、技術最為成熟、減排潛力最大的一種風力輔助推進系統。截至2023年，共有將近60艘船舶安裝了風力輔助推進系統，其中40%以上的船舶選擇安裝了旋筒風帆。

“項目團隊在設計前期深入開展了船舶應用環境與能耗仿真模擬分析。研究顯示，加裝旋筒風帆系統后，這艘船平均每年可節約12%的燃料，減少二氧化碳排放量約412噸，并可實現全生命周期受益。”“海洋石油226”船船長吳力國說。

“總體思路上，‘海洋石油226’的改裝借鑒了德國愛納康（Enercon）公司旗下‘E-Ship 1’號旋筒風帆貨船的成功經驗。”吳力國說，該船于2010年正式投入運營，與“海洋石油226”的船型以及總噸都十分近似。借助4臺高27米、直徑4米的旋筒風帆，“E-Ship 1”號旋筒風帆貨船與同型號貨船相比燃料損耗減少了約25%，并且在2016年德國漢堡國際海事展上獲得國際帆船協會的風力推進創新獎。

但是，“E-Ship 1”號旋筒風帆貨船雖然節能減排效果非常優異，但其旋筒風帆的布置方式對甲板空間占用較大，會影響船舶日常的貨物裝卸?！拔覀儾捎昧藢Υ把b載面積影響最小的改造設計。這種設計僅占用了原船上層建筑后方臨時集裝箱的位置，并用旋筒風帆固定底座的內部空間補償了原集裝箱工具間的功能。旋筒風帆固定底座可拆卸，特殊情況下可以簡單快捷地將旋筒風帆整體吊裝下船，最大限度地保持了原船功能?！焙Ｓ凸こ绦诧L帆系統項目負責人楊云展說。

雖然有成功經驗可借鑒，但給“海洋石油226”裝上風筒并非簡單的“依樣畫葫蘆”。

“我們制作并分析了多臺內筒的小尺寸樣機，不斷改進產品設計，并從中選取了最優結構形式?！睏钤普拐f。

外筒的設計和制造也是項目主要難點之一。為了實現更高的推力，風筒既要足夠輕，以達到更高的轉速、更低的消耗功率，又要有足夠的強度和防腐性，能承受海上的各種工況?！盀榇?，我們論證了多種材質和結構形式的外筒。論證材質包括小型旋筒的鋼結構材質、鋁合金材質、非金屬復合材料與碳纖維材料，通過對材質重量、強度、防腐性以及經濟性的對比，我們最終選取了非金屬復合材料并對結構形式進行了優化，從而減輕外筒的重量，提高強度。”楊云展說。

另一個要攻克的難題是旋筒風帆的自動化控制。為了實現讓旋筒風帆能夠根據不同風速風向自動判斷旋轉方向和旋轉速度，項目團隊對旋筒風帆在不同風速風向條件下形成的推力、阻力以及電機消耗功率，通過流體力學仿真計算進行了模擬。

“僅僅通過數值模擬計算還不夠。我們還對旋筒風帆的模型進行了風洞試驗，以測試旋筒風帆在不同風速不同轉速下的氣動力特性?！睏钤普拐f。

該項目首創了一體化智能中控系統。這個系統可以自動獲取航線風速和風向，并調整旋筒風帆工作姿態以獲取最大動能，為船舶行業綠色發展和智能化操控提供一種全新模式。

隨著國際航運向著脫碳方向發展以及日益嚴格的空氣排放和氣候立法，航運業面臨重大挑戰。

工業和信息化部等五部委近日發布的《船舶制造業綠色發展行動綱要（2024～2030年）》提出，要加快甲醇、氨動力船型研發，探索開發燃料電池等新型動力船型；積極穩妥推動具備條件的客船、貨船、工程船、漁船等LNG、電池動力船型研發和示范應用，推動甲醇、氫等動力船型研發和試點；加快液氨、液氫、液態二氧化碳等新型運輸船研發等。

吳力國說，大型工程船舶是航運行業綠色低碳轉型的重要部分。綠色低碳轉型對大型工程船舶的能耗管理等提出了更高要求。旋筒風帆具有輕巧靈活、改造簡單、投資回報快等顯著優點，可以在油輪、客輪、散貨船、滾裝船等多種具有空曠甲板面的船型上安裝，平均節省燃料可達5%～25%。

這套船用風力旋筒助推系統是天津海洋裝備產業（人才）聯盟內合作的首臺套旋筒風帆項目。海洋石油工程股份有限公司相關負責人表示，海洋石油工程股份有限公司作為主席單位，很好地踐行了聯盟關于未來發展的倡議，在聯盟內形成帶動作用。此次成功合作，將推動天津地區的海洋裝備產業鏈發展邁上新臺階。