两用型风能利用装置在江海直达散货船上的应用

付 瑜，徐 立，冯 凡，孙 强

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

两用型风能利用装置在江海直达散货船上的应用

付 瑜，徐 立，冯 凡，孙 强

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

文章针对当前船舶发展趋势和江海直达散货船的航线特点，设计出1种能够利用沿海丰富的风力资源进行风力助航，以及利用长江航线不适合风力助航的风力资源进行风力发电的两用型风能利用装置。通过仿真测试和经济性分析表明该装置风力发电效率良好，风帆助航效果显著，能最大程度地利用航线上的风力资源，为船舶带来经济效益。

江海直达；风能利用；两用型；性能分析

江海直达散货船可航行在内河和海洋上，能同时满足长江航段和近海航段不同的需要，在江海直达散货船上开展风能实际应用的相关技术研究，致力于解决清洁能源在船舶上应用存在的技术难题和提高能源的利用效率，有助于进一步推动清洁能源在船舶上的广泛应用，同时也可为倡导绿色船舶起到很好的示范作用[1]。

风能利用的形式主要是采用风帆助航和风力发电。近代风帆助航技术应用目前还处于初级阶段，市场普及率不高，且主要用于大型远洋船舶上，对江海直达散货船研究应用并不多。风力发电在船舶上的应用较少，主要应用在驳船和小型渔船上[2]。

1 两用型风能利用装置的设计及选型

1.1 两用型风能利用装置的设计

以某江海直达散货船为研究对象，该船主要运输货品为煤炭、钢材、钢卷等干散杂货，不装运危险货物及谷物。设计船长159.90 m，船宽24.40 m，吃水8 m，载重20 000 t。在设计吃水时，洁净船底、深阔海域、蒲氏风级2级以下、主机功率85%MCR(主机最大持续功率)时，船舶的服务航速不小于12.2 kn。经过分析，在整个航线上，内河段的风力比较小，在沿海航段风速大且较为稳定，风帆助航需风力较大且风向相对稳定的条件，而风力发电设备可以在风力资源较差的情况下运行，并且在长江上小型船舶比较多，风帆因为视线容易遮挡，不适合利用风力助航，同时考虑到目标船的实际情况，作为1艘以运货为主的散货船，甲板上并没有足够的空间同时安装2种风能利用装置。

综合考虑以上几种情况，本文的研究主要在设计出1种两用型的风能利用装置，当船舶处于风力适合助航阶段时，风力发电装置通过收缩其叶片的支撑杆，能够正好隐藏在风帆的中空部分，装置仅仅用来风力助航。在风力资源好的航段，利用风帆辅助推进，在风力资源较差的航段，利用风力发电装置来发电以供日常所需。

1.2 两用型风能利用装置的选型

1.2.1 风帆的选型

风帆作为1种船舶上的辅助装置，其只有满足现代航运业的基本要求才能更好地为现代船舶服务，因此现代风帆助航船舶需要满足下列要求。①确保船舶航运时间的准时性。②船舶加装风帆装置后，装卸货物的能力不能受到较大影响，风帆装置不能对航行安全性、驾驶操作、船舶稳性等造成影响。③智能化风帆，自风帆控制自动化，不增加船员专门操作和维护风帆装置[3]。整个装置工作性能牢靠，对其维护工作简单易操作。④整个装置风能利用率广，节能效果佳，能够在尽可能短的时间内收回其制作及维护成本，有较高的经济效益。

矩形帆翼结构简单，操作难度小，容易实现自动控制，并且具有较高的动力学性能，矩形帆翼最适合用于辅助船舶推进[4]。

1.2.2 两用型风能利用装置的选型

按照风力发电机结构形式分类，可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。①水平轴风力机是目前国内外最常见的1种风力发电机，该风轮的旋转轴与风向平行，研制最多，技术成熟，但需要随风向的变换调整叶轮方向。②垂直轴风力机的风轮旋转轴垂直于气流或地面方向，在风向发生变化时无需调向，垂直轴风力发电机按作用力原理来分类，一般分为阻力型和升力型[5]。由于升力型的垂直轴风力发电机叶片在旋转过程中，随着转速的增加阻力急剧减小，而升力反而会增大，其效率要比阻力型的高很多，所以，风力发电机组多采用升力型结构[6]。

对风力发电装置来说，其结构比较固定，因此所选风力发电装置要尽量简单，不影响正常的船舶作业，因此综合考虑各种类型的风力发电机，最终确定为达里厄升力型风力发电机，叶片结构为H型。

2 两用型风能利用装置的尺寸及结构

2.1 风帆的尺寸选择

目前《国际海上人命安全公约》(SOLAS)对于安全驾驶视线有相关的要求，安全视线可分2种。①近视角，对应2倍船长(或 500 m，取小者)海面海域视线；②远视角，对应10 n mile海面海域视线。风帆设计应尽量避免对2个安全视线间区域造成遮挡(如风帆收回时，上缘低于近视角视线；风帆升起时下缘高于远视角视线)。

根据以上规定，当风帆完全升起时，风帆的上沿距离甲板高度应该在24 m左右，这个高度也就是桅杆的高度，风帆下沿的高度应该略高于驾驶台高度，因此风帆完全升起时下沿高度距离甲板14 m左右，因此根据船舶安全驾驶视线视角要求和船级社对船舶驾驶盲区的相关规定，确定了目标船上风帆的高度为10 m以及整个装置整体的高度为24 m。

根据SOLAS公约中船舶安全驾驶要求及船级社对船舶驾驶盲区的相关规定：在驾驶室外正横前方从驾驶位置所见的海面视域内任何由货物、起货装置或其他障碍物造成的盲视扇形区域的遮挡，应不超过10°。盲视扇形区域的总弧度不应超过20°。在盲视区之间的可视扇形区域应至少为 5°。但在本条中所述视域内，每一单独的盲视区均应不超过 5°。根据SOLAS公约中的规定，结合目标船驾驶台到3#舱和4#舱之间的距离，计算得出设计风帆的宽度为10 m。

因此根据船舶驾驶安全规范以及SOLAS公约中的相关规定对风帆尺寸的限制，最终得出了风帆的基本尺寸参数如表1所示。

表1 NACA0015型风帆基本尺寸 m

2.2 风力发电机的尺寸选择及相关参数

风帆的尺寸限定了风力发电机风轮的尺寸，本文选取的风帆为NACA0015翼型，其最大厚度为1.5 m，因此风轮的尺寸小于1.5 m，最终确定风轮直径D为1.4 m[7]。

叶片弦长C=R·σ/N,其中，R为叶轮半径；叶片实度σ取0.1～0.6；N为叶片数。

风轮的额定转速n=60·v·λ0/(πD)，其中，λ0为风力机的最佳叶尖速比，取3.6；v为风力机额定风速。

风力机的功率P=0.5ρ·Cp·A·v3·η1·η2，其中，Cp为风轮功率系数,取值范围0.3～0.4；ρ为空气密度， 取1.225 kg/m3；A为风轮扫风面积；η1为传动效率；η2为发电效率。

根据计算结果可以得出，H型风轮设计的参数，如表2所示。

表2 H型风轮设计的参数

2.3 两用型风能利用装置整体结构

在整个两用型风能利用装置中，风力发电机在整个桅杆的最上端，结构形式比较固定，然而对于整个装置中只有风帆需要实现收放和转动等操作。在本文的设计中，风帆固定在2个风帆支架上，风帆支架与桅杆之间能够相对上下滑动，来实现风帆的升降，这种结构有很好的抗扭效果，整个风帆和桅杆通过转台上的电机带动整个风帆实现转动，图1、图2分别为两用型风能利用装置的整体设计图以及风帆支架连接方式示意图。

图1 两用型风能利用装置整体设计图

图2 风帆支架连接方式示意图

3 两用型风能利用装置的静力学分析

3.1 风帆在不同风况下风载荷的静力学分析

静力学分析既可以用来计算恒定载荷对结构产生的影响，也可以分析可近似等价为静力作用而随时间变化的载荷[8]。

本文风帆设计主梁(帆面骨架)以及帆用桅杆均采用AH32船用钢板，依据GB 150—1998 常规设计中关于A系列材料的选取准则，材料的许用应力为273 MPa[9]。

表3 风速等级与风压

通过仿真结果对比可以知道，这个风帆连接处所受最大应力小于其材料的许用应力，因此整个风帆的材料、结构都能够满足在比较极端的风况下的设计要求。

3.2 风轮在额定功率下的受力分析

两用型风能利用装置因为其工作特性与风帆有很大区别，所以对其在施加载荷以及约束的时候会有所区别，本文所设计的两用型风能利用装置，额定转速为442 r/min。为了更好的还原风力发电机的工作过程，给风轮转轴施加1个转速，在0～3 s内实现从转速为0到额定转速442 r/min。从静止状态到额定转速过程中，对风轮的受力以及应变状态进行仿真研究。仿真结果表明，整个风轮装置在从静止状态到额定工作状态下，最大应变集中出现在叶片上，应力主要集中出现在连接处，整个叶片上变形量很小，应力也很小，可以满足设计要求。

4 两用型风能利用装置经济性分析

江海直达散货船两用型风帆利用装置选用材料成本较低，并且实现自动化控制，操作十分方便。取长江沿线比较集中的风速4 m/s，没有加装风帆时，船舶航行的主机功率为(85%MCR)1 971 kW，每天航行16 h，日均消耗燃油7.4 t；本项目设计的是1艘纯LNG散货船，标准状态下每立方米天然气相当于1.2 L燃油，相当于每天燃气量为7 000 m3。当风速为4 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s时，计算结果如表4。

表4 不同风速下各项指标数据

假设江海直达散货船每年在长江里航行200 d，在沿海航线航行100 d，每天航行16 h，沿海航线风速为10 m/s;每年节省天然气102 900 m3，节省费用334 425 元。可见，风帆助航在节省航运成本上意义重大。风帆助航时，可降低主机工作负荷，减少主机振动，对延长主机工作寿命有一定的作用；而且还能减少噪声，改善机舱工作环境，有利于船员的身心健康。风帆提供推力使螺旋桨处于“轻桨”运行状态，此时与螺旋桨相连的艉轴和中间轴等轴系的转矩也相应降低，故主轴转矩降低，曲轴箱的滑油使用寿命将增加，从而降低成本[10]。风帆助航也会对冷却系统产生影响，燃油放出的热量经过冷却系统的量减少，从而使冷却系统的使用寿命增加。风力发电的功率虽然不高，但是足够满足船上日常照明用电，可降低发电机的工作负荷，节省一部分费用。

5 结束语

1)根据设计两用型风能利用装置参数及工作环境在给定约束条件下进行仿真模拟，装置结构强度满足设计要求。两用型风能利用装置布置和使用能在满足驾驶台视线情况下，充分利用上层空间，航线上的风力资源得到充分利用，不仅能降低油耗、减少排放而且能增加主机和发电机的使用寿命。

2)近年来国内外的风能利用形式以大型远洋船舶采用风帆助航的方式为主，本装置所应用的船型为江海直达散货船，使江海直达航线上的风能得到充分利用。

3)两用型风能利用装置的开发使用不仅能降低成本，节约费用，减少污染，更有助于进一步推动清洁能源在船舶上的广泛应用，同时也可为倡导绿色船舶起到很好的示范作用。

[1] 陈鲁愚,陈顺怀, 严新平. 大型远洋风帆助航船舶节能效率分析[J]. 船海工程, 2010, 39(6):121-123.

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[8]郑甲红, 杜翠, 蒋新萍. MW级风力发电机机舱底座静力学分析[J]. 机械设计与制造, 2015(9):197-198.

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[10]任洪莹, 黄连忠, 孙培廷,等. 大型风帆助航船舶综合节能减排潜力分析[J]. 大连海事大学学报, 2010, 36(1):27-30.

According to the current ship development trend of river-sea direct bulk carrier,a dual-purpose wind energy device is designed,which can take advantage of abundant wind resources in coastal navigation aids and use wind energy to generate electricity while the wind along the Yangtze River is not suitable for wind aids.By simulation test and economic analysis,the good efficiency can be achieved with the device of wind power generation,which brings great economic benefits for the ship with the maximum use of wind resources on the route.

river-sea;wind energy utilization;dual-purpose;performance analysis

国家科技支撑计划(2014BAG04B01)

付瑜(1990-)，男，湖北荆州人，在读硕士研究生，研究方向为船舶动力装置性能分析。

U662.2;TK89

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.03.006

2017-01-11