浅述转筒风帆的工作原理及实践应用

王勇

上海海事大学

1 引言

21世纪以来，随着全球经济快速增长，全球贸易也在不断提速。在国际贸易中，约90%的货物是通过海上运输实现，因海上运输具有成本低、运量大等显著优势。但不容忽视的是，海上运输所带来的CO2排放正在不断地影响着全球气候。自1980年航运危机之后的30年间，全球范围内CO2排放总量和船舶排放总量均有所提升，特别是在1979年～2009年间，船舶排放总量翻了一番，在2007年，船舶CO2排放总量占了全球排放总量的3%。

在此大背景下，全球针对船舶环保的标准在不断提升，相关的法律法规也在不断完善，加之国际油价持续上扬，运输成本日益增加。对于船舶公司而言，无论是从外部要求还是内部压力来看，船舶节能减排势在必行。

关于大型船舶寻求节能减排的途径，一方面是对船型、发动机性能的优化和提升等，另一方面是加强对太阳能、风能等各种清洁能源的混合利用。太阳能的转化率低，受光照强度影响大且需大面积铺装，从海上特点及船舶的结构，不适宜在船舶行业推广。而风能具有分布广泛，资源充足等特点，更加适宜船舶使用。因此目前在船舶行业中，对风能的研究利用最为丰富。风能装置主要可分为传统翼型帆、天帆、walker帆及转筒风帆等。这几种风帆中，除Walker型帆仍在研究阶段外，其余帆型在实践中均有所应用。日本在1980年建造的新爱德丸号船舶使用的是传统翼型帆（图1），德国在2007年建造的“白鲸天帆”号货轮使用的是天帆型帆（图2），德国在2010年建造的“E-Ship 1”使用的是转筒风帆型帆（图3）。本文将主要就转筒风帆的原理、结构、发展历程和现阶段应用做相关阐述。

图1 新爱德丸号

图2 白鲸天帆号

图3 E-Ship 1号

2 理论依据-伯努利效应

早在18世纪，职业炮手们就发现了炮弹在运动过程中会发生偏移，导致射击失准。同时，部分球类选手在投掷过程中，也发现了类似的情况。1742年，英国枪炮工程师Benjamin Robins指出这一现象与球类的自身转动相关联，并在19世纪初做了大量的实验进行验证。1852年，德国科学家G.H.马格努斯通过实验，首次科学地对这一现象进行了阐释，并以他的名字命名为马格努斯效应。

比如，球体在气流中运动时，如果其旋转方向与气流方向相同，就会在球体的一侧产生低压，另一侧产生高压，前进中的球体在以顺时针方向旋转时，由于其下侧与气流运动方向相对，所以空气流速相对较慢，从而使得球体下侧受到的压力比上侧更大，球体在压力的作用下，运动轨迹会向上偏移，如果足球以逆时针方向旋转，同理可知，其运动轨迹会向下偏移（图4）。

图4 旋转球体在气流中的受力

1920年初，德国的一位数学兼物理教师Anton Flettner在Ludwig Prandtl的指导下，在Aerodynamics研究所对马格努斯效应进行了研究，最终发明了转筒式风帆为船舶提供动力。通俗来讲，转筒风帆利用发动机驱动转筒自转，使其逆风一侧表面的气压增大，顺风一侧表面的气压降低，从而产生一个垂直于气流方向的横向力，通过调整转筒的转速和旋转方向，可以调节帆体受力的大小和方向，从而为船舶提供前进的推力（图5）。

图5 转筒风帆原理

在不同的风况（风速及风向）下，相较于传统风帆需要大量人力来进行帆体升降与角度调整，转筒式风帆只需调整其自身转速即可，即使在风向180°转向的极端情况下，转筒式风帆也只需改变旋转方向即可重新获得与船舶同向的推力，而装有2个及以上转筒风帆的船舶，可以通过调节不同风帆的旋转方向实现船舶掉头。

3 转筒风帆的装置结构及受力分析

转筒风帆装置一般由动力系统、帆体等部分组成（图6），结构简单，易于维护。动力装置为风筒自身的旋转提供动力，帆体本身则是为船舶提供推力的主要部件。应用于现代商船的转筒风帆装置，考虑到为了不影响港口岸吊的吊臂在装卸货物作业过程中的横向移动，有的还配备了滑轨系统使其可以沿船舷前后移动。

图6 转筒风帆主要结构

在仅考虑来风和转筒自身的情况下（忽略船速），转筒风帆的受力主要可以分解为升力（l）和阻力（d）（图7）。

图7 转筒风帆受力

其受力适用于通用公式：

其中ρ为空气密度，A是受风面积（即转筒直径与高度的乘积），va是来风速度，CL和CD分别为升力系数和阻力系数。

根据转筒风帆的工作原理和通用公式可知，其可提供的推力主要与帆体直径、高度、转速、旋转方向等因素相关。

4 转筒风帆的发展历程及现阶段应用

1924年～1926年间，一艘名为Buckau的德国船舶首次安装了转筒风帆动力装置并进行了6 200多海里的航行测试，这是转筒风帆首次在航海中的应用（图8）。该装置主要由两个高18.3米、直径2.8米的筒型帆体及两台10马力的电机组成，总重量约1 500磅，只有同类船舶配备的帆布式风帆重量的五分之一。1926年，德国A.G.Weser船厂建造了另一艘更大的转筒式风帆动力船舶，该船名为Barbara，装备了3个转筒式风帆。

图8 Buckau号船舶

然而，鉴于当时石油行业的蓬勃发展与燃气发动机的广泛应用推广，转筒式风帆在当时的时代背景下无法体现出明显的经济性，因此，当时该装置未得到普遍推广。1970年的石油冲击，节能技术再次受到广泛关注，转筒风帆随之回到了人们的视野，并逐步步入了应用阶段。

2014年11月，芬兰航运公司Bore旗下一艘9 700t滚装船“Estraden”号，采用了Norsepower公司的旋筒风帆方案，该船在荷兰与英国之间往返航行，提供运输服务，在通过北海风力走廊时，航速可达16节，潜在节约燃料约5%（图9）。

图9 Estraden号船舶

2018年1月，希腊船东公司Victoria Steamship定制的6 400t散货船“Afros”号安装了4台转筒风帆，转筒高度18米，最大转速450rpm，根据船上的风速、风向传感器收集的数据，来相应调整控制转筒的转速和转向，以获取最大推力，理论上，投入使用后可在相同航速下日均节省4t主机油耗（图10）。

图10 Afros号船舶

2018年4月，维京邮轮旗下的一艘“Viking Grace”号安装了高24m、直径4m的转筒风帆，成为全球第一艘采用转筒风帆技术的客船（图11）。

图11 Viking Grace号船舶

2018年8月，马士基宣布在其一艘L2型油轮上安装了两个高30m、直径5m的转筒风帆，这也是迄今为止最大的转筒风帆（图12）。

图12 马士基L2型油轮

5 总结

转筒风帆结构简单，转化率高，如果按照节省燃油来倒推估算，通常情况下约3年～4年可收回安装成本，在全球环境问题愈发严峻的当下，船舶节能减排势在必行，而转筒风帆借助其与海运特点的契合度，正在被越来越多的船东所接受，加之其基本上适用于各类船舶，故此预测未来将有广泛的应用空间。

澳大利亚推出60%为水的新型水基燃料可实现电动车续航里程翻番成本减半

据报道，澳大利亚初创公司Electriq～Global推出了一款安全廉价的清洁燃料，由60%的水组成，通过Electriqs技术从水中提取氢。然后利用它发电，为车辆提供动力。这种新技术的续航里程是使用现有燃料两倍，价格是现有燃料的一半，且为零排放。

该水基燃料的反应过程中，其先与催化剂反应释放所需的氢气（按需），随后捕获废燃料并放置到另一装置内，补充氢气与水以便循环利用。

该公司称，在环境温度和压力下，整个反应过程安全性良好。与锂离子电池或压缩氢气技术相比，其能量密度是目前电动汽车使用的电池15倍。

与电动巴士的比较显示，由普通电池驱动的巴士可提供250公里的行驶里程，需要300分钟的充电时间，而由Electriq～Fuel驱动的巴士可提供1 000公里的行驶里程，并可在5分钟内完成充能。

（美国ABC）

宝山区召开绿色制造体系建设培训会议

日前，宝山区政府召开绿色制造体系建设培训会议，全区绿色制造培育库企业、重点工业用能单位、各镇（园区）节能单位约100人参加。

今年以来，宝山区主动对接“中国制造2025”，提出了绿色制造体系“1121”工程，即到2020年创建10个绿色工厂、10个绿色产品、2个绿色园区、1条绿色供应链。

会议详细解读了绿色制造体系及绿色制造系统集成项目的政策背景、建设内容、思路及原则。深入解读绿色工厂、绿色产品、绿色园区、绿色供应链等项目的申报流程、标准和注意事项等，并同与会人员进行了深入交流讨论。