如何给现代船舶装上“翅膀”?
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发布者:KnowMi 发布时间: 2023-03-03 08:03:07 点击量: 2632 来源:FUTURED
微课点睛
风力驱动装置的主要类型
1. 风筝帆
风筝帆又称天帆,由牵引绳索与船体相连,下挂控制吊舱。其优点在于可有效利用上层稳定而强劲的风力,且不占用甲板面积,不影响船舶主尺度。当然,也存在因过于笨重而难以控制的缺点。
世界上第一艘用“风筝”拉动的货轮——白鲸天帆号
2. 旋筒风帆
旋筒风帆也被称为弗莱特纳转子,原型由德国工程师安东·弗莱特纳于20世纪20年代设计,利用了马格努斯效应。该风帆通过驱动圆筒在风中旋转产生垂直于风速方向的力,为船体提供前行的推力。与其它风力驱动装置相比,旋筒风帆更轻巧、更灵活、应用更广泛,可以在油轮、客轮、散货船、滚装船等多种具有空旷甲板面的船型上安装。
3.翼型风帆
翼型风帆的剖面与飞机机翼相似,它利用伯努利原理,即空气流过翼型上下面时的速度不同而产生压差力,再通过调整风翼的迎风角度,利用压差力来推动船舶前进。按照剖面曲线形状,其帆型可分为层流型、圆弧型、普通型和卧背型,不同种类的帆空气动力特性各不相同。
伯努利原理
4.抽气式涡轮帆
抽气式涡轮帆是纵向开缝吸气式固定风筒。这种固定式风筒所获得的气动力比旋转式风筒要小,但其结构简单,风筒稳性好。
风帆助航的发展现状
日本于1980年建成了全球第一艘现代帆船“新爱德丸”号,是目前世界上风力辅助推进技术最为先进的国家之一,其投入营运的现代风力辅助船共有十几艘。欧洲老牌造船国家如德国、法国、英国、荷兰、挪威等也一直走在风力研究的前沿,德国“天帆”公司于2007年研发制造了风筝船——“白鲸天帆”号。
在国际上,翼型风帆的研究主要以东亚为主,旋筒风帆的研究以欧洲为主。目前,高达几十万吨级的远洋货轮才是风力辅助系统的重点服务对象。
2023年1月30日,法国酒店业巨头雅高集团(Accor)旗下的东方快车(Orient Express)品牌酒店推出了全球最大的风帆助航邮轮——东方快车Silenseas号。这艘长220米的风帆邮轮采用风力和液化天然气(LNG)混合动力推进技术,配备了大西洋造船厂开发的“Solid Sail”翼帆系统,预计能够降低25%-40%的船舶二氧化碳排放量。
2018年,由中船重工研制、大连船舶重工建造的世界第一艘以风力作为助推动力的“凯力”号大型油船成功交付,填补了国际上30万吨级大型风帆船舶的空白,是当时最大吨位的风力辅助船舶。中船重工设计师借鉴了郑和船队的风帆,在“凯力”号巨轮的两舷位置各安装了一部高39.6米,宽14.8米的大型硬质翼面风帆,也属于上文提到的翼型风帆一类,大大降低了巨轮的能耗和二氧化碳的排放量。
值得一提的是,欧盟分析报告预测,到2030年,潜在的风力推进市场将需要安装3700至10700套系统,能减少大约350万至750万吨的二氧化碳排放。在全球气候治理的背景下,航运业“脱碳”是大势所趋,需要探索尝试各种节能减排技术。随着科学技术的进步,计算机与自动控制等技术的发展,风帆助航无疑将成为航运绿色减排的选择之一。
风帆助航实际应用存在的问题
1.航线航区对风帆效果的影响
全球不同海域不同航线上风能资源分布是不均匀的,风帆助航的实际节能效果与船舶的航线和航区有关。在使用风帆装置时,要分析船舶所在航线航区的风能情况,优先选择风能条件比较好的船舶安装风帆;应根据海上风能的特点优化航线,利用周期性海洋季风,顺风张帆、逆风收帆,以达到最佳利用风能的效果。
2.风帆对船舶安全的影响
船舶安装风帆装置后,风帆会对船舶结构强度、航行稳性、操作与控制等方面产生影响,对船舶安全造成一定负面影响。风帆种类与结构要根据海洋风能、船舶稳性、船舶驾驶室的可视角等因素进行选择与设计。同时,风帆装置结构受到风力的作用会对船体产生很强的作用力,需对船舶局部结构进行适当加强,以保证船舶的结构安全。
3.风帆对航行性能的影响
风帆不仅会对船舶产生纵向推力,也会产生横向侧推力和转首力矩,这些力会对船舶的航向有重大影响,所以要对风帆助航船舶的航向稳定性进行研究。此外,风帆助航船舶在航行时会受到海风、海浪和洋流等环境作用,使船舶偏离预计航线。为了持续获得风能需要不断改变航向,可能需要增加航行距离,从而消耗更多的燃料。所以使用风帆时要密切跟踪与监控,不断优化航行路线。
4.风帆对船舶管理的要求
船舶安装风帆装置后,风帆不仅会对船舶的航行产生影响,也会给装卸货带来不便,制定相应的船舶操作和管理规范至关重要。并且,风帆的操作、管理与运维也给船员带来新的挑战。