風(fēng)帆助推技術(shù)在大型船舶上的應(yīng)用及風(fēng)險(xiǎn)分析

CCS大連審圖中心 岳孟強(qiáng)

能、環(huán)保一直是近年來航運(yùn)關(guān)注的熱點(diǎn)之一，也成為船舶設(shè)計(jì)的趨勢(shì)和目標(biāo)。自船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）要求強(qiáng)制生效以來，業(yè)界從航速優(yōu)化、型線優(yōu)化、機(jī)槳匹配、節(jié)能裝置等多方面改進(jìn)設(shè)計(jì)，使得EEDI值和船舶能耗不斷降低。但同時(shí)也應(yīng)注意到另一個(gè)趨勢(shì)，就是常規(guī)的船舶設(shè)計(jì)技術(shù)手段的節(jié)能潛力正在逐步減小，很多船型要滿足EEDI第3階段指標(biāo)要求還存在較大困難。為此，必須尋找新的提高船舶設(shè)計(jì)能效的替代方法。

太陽能和風(fēng)能作為公認(rèn)的綠色替代能源，目前在航運(yùn)方面應(yīng)用程度有限。風(fēng)能作為船舶最原始的驅(qū)動(dòng)方式，在人類航海史上曾經(jīng)起過不可替代的作用。人類在風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)方式的應(yīng)用方面，有著豐富的經(jīng)驗(yàn)和積累。在尋找新的方法提高船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)時(shí)，自然會(huì)將眼光轉(zhuǎn)向風(fēng)能的利用。

船舶使用風(fēng)能作為驅(qū)動(dòng)力，一般會(huì)采用風(fēng)帆直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，當(dāng)然還包括風(fēng)力發(fā)電后作為船舶推進(jìn)

節(jié)動(dòng)力的風(fēng)力間接驅(qū)動(dòng)技術(shù)。風(fēng)力直接驅(qū)動(dòng)常見的方式一般有桅式傳統(tǒng)阻力帆、翼面升力帆、富萊特納旋筒和風(fēng)箏帆等，其中，阻力帆和風(fēng)箏帆均系采用相當(dāng)面積的受風(fēng)裝置承受風(fēng)壓，從而因風(fēng)壓的作用產(chǎn)生推進(jìn)力；翼面升力帆系利用氣流在特定裝置的表面發(fā)生流場(chǎng)改變，從而利用氣動(dòng)學(xué)原理產(chǎn)生推進(jìn)力；富萊特納旋筒系利用氣流通過高速旋轉(zhuǎn)的圓筒時(shí)，產(chǎn)生壓力差的馬努斯效應(yīng)產(chǎn)生推進(jìn)力。隨著空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)以及船舶設(shè)計(jì)手段的進(jìn)步，采用空氣動(dòng)力學(xué)原理的升力帆和富萊特納旋筒技術(shù)，因其輔助推進(jìn)效率較高，逐步成為利用風(fēng)能提高船舶能效的首選。

風(fēng)帆技術(shù)，特別是升力帆技術(shù)在現(xiàn)代設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)的船舶上作為輔助動(dòng)力應(yīng)用，目前整個(gè)業(yè)界尚缺乏成熟的經(jīng)驗(yàn)。目前在升力帆的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用研究方面，日本和部分歐洲國(guó)家早在五年前就開展了相關(guān)工作。為填補(bǔ)我國(guó)在這方面的空白，2015年經(jīng)工信部立項(xiàng)，我國(guó)成立了以大連船舶重工集團(tuán)有限公司牽頭、由船東、船級(jí)社、大專院校等參加的科研團(tuán)隊(duì)，開展了以構(gòu)建風(fēng)帆技術(shù)應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、建造工藝驗(yàn)證、實(shí)船節(jié)能效果驗(yàn)證為目的的系統(tǒng)性研究。研究工作將通過制造1：1的風(fēng)帆工程樣機(jī)，并安裝于VLCC實(shí)船上，來驗(yàn)證大型船舶使用風(fēng)帆助推的可行性和節(jié)能效果。中國(guó)船級(jí)社作為參研單位，承擔(dān)了從風(fēng)險(xiǎn)分析、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建、檢驗(yàn)/試驗(yàn)要求制定、EEDI驗(yàn)證方法研究等工作，幾乎覆蓋全部科研和實(shí)船示范工程中與安全性分析、評(píng)估和驗(yàn)證相關(guān)的工作，并承擔(dān)了實(shí)船的檢驗(yàn)和發(fā)證工作。

在研究工作之初，CCS的團(tuán)隊(duì)就面臨諸多困境。一方面是風(fēng)帆應(yīng)用缺乏法規(guī)框架和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的支持，無法采用常規(guī)的按照既有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證的工作方法；另一方面，為產(chǎn)生足夠的推進(jìn)力，現(xiàn)代設(shè)計(jì)風(fēng)帆的尺度一般較大，除自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和驅(qū)動(dòng)裝置等多面臨的技術(shù)問題外，還會(huì)對(duì)船舶的結(jié)構(gòu)、布置等原有常規(guī)設(shè)計(jì)造成影響，存在一定的技術(shù)和操作性風(fēng)險(xiǎn)，這方面也缺少系統(tǒng)性的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。

針對(duì)本項(xiàng)目的具體情況，CCS確定了以風(fēng)險(xiǎn)分析為基礎(chǔ)和主要手段，借鑒類似布置、結(jié)構(gòu)型式和可靠性的系統(tǒng)和設(shè)備的現(xiàn)有技術(shù)要求，來構(gòu)建風(fēng)帆技術(shù)要求的路線圖。通過對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分析的策劃，最終確定與風(fēng)帆技術(shù)實(shí)船應(yīng)用相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)主要有風(fēng)帆和實(shí)船界面風(fēng)險(xiǎn)，以及風(fēng)帆裝置自身的風(fēng)險(xiǎn)兩大類，并采用不同的風(fēng)險(xiǎn)分析方法開展工作。

在風(fēng)帆和實(shí)船界面方面，主要涉及船舶加裝風(fēng)帆后，影響現(xiàn)有規(guī)范和法規(guī)符合性驗(yàn)證的因素，以及對(duì)船舶的營(yíng)運(yùn)和操作產(chǎn)生影響的因素。這方面的風(fēng)險(xiǎn)和影響因素主要有：

完整穩(wěn)性方面影響。主要原因是風(fēng)帆裝置安裝后會(huì)導(dǎo)致船舶重心高度的增加，對(duì)穩(wěn)性有不利影響；風(fēng)帆工作時(shí)，增加了風(fēng)帆的側(cè)向受風(fēng)面積，使得風(fēng)壓傾側(cè)力矩增加；在風(fēng)帆正常工作起到輔助推進(jìn)作用時(shí)，除沿船首方向的輔助推進(jìn)力外，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿船舶橫向的分力，從而增加了船舶的橫傾力矩。這些對(duì)完整穩(wěn)性的影響因素必須進(jìn)行計(jì)算和量化評(píng)估，其中風(fēng)帆推進(jìn)力的橫向分力（風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)）引起的橫傾力矩，會(huì)大于僅考慮受風(fēng)面積時(shí)的靜風(fēng)壓橫傾力矩，需要單獨(dú)通過計(jì)算和（或）試驗(yàn)結(jié)果確定其量值。

船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面影響。風(fēng)帆沿中縱剖面方向的彎矩與船舶總縱彎矩疊加后，對(duì)總縱強(qiáng)度可能造成一些影響；因風(fēng)帆的風(fēng)載荷引起的彎矩、剪力、扭矩，以及風(fēng)帆結(jié)構(gòu)的重力分量和因船舶運(yùn)動(dòng)引起的慣性載荷直接作用在風(fēng)帆基座和周邊船體結(jié)構(gòu)上，對(duì)局部強(qiáng)度的影響也需要進(jìn)行計(jì)算校核。

因風(fēng)帆的遮擋造成的負(fù)面影響。風(fēng)帆通常會(huì)有比較大的面積以達(dá)到預(yù)期的推進(jìn)效果，比較理想的船舶布置是將風(fēng)帆布置在駕駛室和主要航行和信號(hào)設(shè)備的后方，以避免遮擋導(dǎo)致的負(fù)面影響。如果此種布置無法實(shí)現(xiàn)，則風(fēng)帆工作時(shí)對(duì)駕駛室視野的影響、對(duì)信號(hào)設(shè)備（航行燈）的影響、對(duì)雷達(dá)盲區(qū)的影響必須進(jìn)行細(xì)致評(píng)估，以保證其滿足現(xiàn)有公約和規(guī)則的要求，或至少達(dá)到與常規(guī)船舶等效的布置和安全水平。

船舶操縱性方面影響。因作用在風(fēng)帆上的風(fēng)動(dòng)力，除沿船舶首向產(chǎn)生輔助推進(jìn)力以外，往往會(huì)有沿船舶橫向的分力。這個(gè)分力會(huì)使船舶產(chǎn)生橫漂力，以及轉(zhuǎn)船力矩（橫向分力的作用方向不通過漂心時(shí)），從而影響船舶的操縱性，比如回轉(zhuǎn)和緊急避讓機(jī)動(dòng)時(shí)的運(yùn)行軌跡；風(fēng)帆產(chǎn)生的輔助推力還會(huì)增加緊急停船的距離。需要通過理論分析、水池試驗(yàn)或試航等方法，評(píng)估其對(duì)操縱性的影響，并對(duì)駕駛室內(nèi)張貼的操縱特性信息進(jìn)行必要修正和補(bǔ)充。

錨泊和系泊方面影響。風(fēng)帆即使在回收狀態(tài)下，因其風(fēng)動(dòng)力外形，會(huì)在特定的來風(fēng)方向產(chǎn)生不利于錨系泊作業(yè)的推力。這一點(diǎn)與常規(guī)船舶在計(jì)算用于確定錨系泊設(shè)備規(guī)格的舾裝數(shù)時(shí)，僅考慮投影面積（實(shí)際是僅考慮受風(fēng)面的靜風(fēng)壓）的出發(fā)點(diǎn)有較大差異。因此在選取安裝風(fēng)帆裝置船舶的規(guī)格時(shí)，除需要考慮因風(fēng)帆的投影面積導(dǎo)致的舾裝數(shù)增加外，還必須考慮風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)導(dǎo)致的在錨泊設(shè)備主要受力方向（沿船舶縱向）和系泊設(shè)備主要受力方向（沿船舶橫向）的附加力?；诹炕u(píng)估驗(yàn)證和選取錨系泊設(shè)備的規(guī)格。

甲板直升機(jī)作業(yè)方面影響?，F(xiàn)代大型船舶一般均布置有直升機(jī)懸停或降落區(qū)域，直升機(jī)作業(yè)對(duì)風(fēng)速的垂直梯度一般有比較嚴(yán)格的要求。安裝風(fēng)帆的船舶，會(huì)在特定的區(qū)域形成有別于常規(guī)布置船舶的空氣流場(chǎng)，從而可能會(huì)對(duì)直升機(jī)的安全作業(yè)造成威脅。需要通過理論計(jì)算或風(fēng)洞試驗(yàn)得到不同來風(fēng)方向時(shí)風(fēng)帆周圍流場(chǎng)的分布，從而為直升機(jī)作業(yè)提供安全指導(dǎo)和限定條件（如設(shè)置天氣條件限制和禁入?yún)^(qū)域等）。

對(duì)船舶安全操作和船員舒適性方面影響。風(fēng)帆的橫傾力矩，會(huì)導(dǎo)致船舶產(chǎn)生一個(gè)固定的初始橫傾角。該橫傾角過大，會(huì)影響設(shè)備正常工作、船員的安全操作和船員的舒適性，需要將其限定在較小的范圍內(nèi)（目前的限定值為小于3°）；風(fēng)帆的帆面材料如果是反光材料，則會(huì)影響船員的航行瞭望，并可能在夜間反射甲板或航行燈的燈光，導(dǎo)致其它船舶的誤判；風(fēng)帆裝置布置距離船員的生活區(qū)較近，還可能導(dǎo)致振動(dòng)和噪聲水平超過限定要求。以上因素均需要在設(shè)計(jì)階段關(guān)注和盡量減少負(fù)面影響。

對(duì)船舶在惡劣天氣下操縱能力的影響。船舶在海上遭遇惡劣天氣時(shí)，船舶需要保持足夠的前進(jìn)速度，以保證舵效，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶首向的有效控制。為此，IMO專門通過了關(guān)于主機(jī)最小推進(jìn)功率計(jì)算導(dǎo)則。安裝風(fēng)帆的船舶，如果不能實(shí)現(xiàn)在任何單一故障情況下對(duì)風(fēng)帆的有效控制，則可能在遭遇惡劣天氣時(shí)，風(fēng)帆產(chǎn)生的風(fēng)動(dòng)力與船舶的推進(jìn)方向相反，則船舶保持前進(jìn)速度的能力會(huì)受到削弱。如果因風(fēng)帆意外反推力的存在，使得船舶不能保持前進(jìn)的最小航速，則船舶的基本安全無法保證。此種情況下，必須采取附加措施（比如恢復(fù)對(duì)風(fēng)帆控制的輔助措施，或增加主機(jī)的最小推進(jìn)功率），以保證惡劣天氣下對(duì)船舶的操縱能力。

振動(dòng)和諧搖方面的考慮因素。風(fēng)帆一般為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，其在船舶的振動(dòng)源的激勵(lì)下，以及在風(fēng)載荷的作用下，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。如果在某些特定的激勵(lì)源作用下會(huì)使風(fēng)帆產(chǎn)生共振，則可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，需要進(jìn)行評(píng)估并避免；船舶的橫搖也構(gòu)成對(duì)風(fēng)帆的低頻激勵(lì)源，如果橫搖可能導(dǎo)致風(fēng)帆產(chǎn)生諧搖，則會(huì)導(dǎo)致風(fēng)帆比較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞，也是需要進(jìn)行評(píng)估和盡力避免的。

電氣特性對(duì)船舶布置的影響。風(fēng)帆裝置如果布置在液貨船或載運(yùn)危險(xiǎn)品船舶的危險(xiǎn)區(qū)域，則電氣設(shè)備的布置需要滿足相關(guān)的要求；此外，由于風(fēng)帆翼面往往由相對(duì)運(yùn)動(dòng)的多個(gè)零部件構(gòu)成，需要特別關(guān)注有效連接和接地，避免產(chǎn)生靜電；同樣，由于風(fēng)帆的特殊操作方式，可能會(huì)使得避雷設(shè)備的布置成為一個(gè)難題。

總之，因船舶安裝風(fēng)帆，對(duì)船舶的結(jié)構(gòu)、布置和整體性能造成的影響是多方面和廣泛的，需要進(jìn)行細(xì)致甄別和評(píng)估，將對(duì)安全和操作的負(fù)面影響降至可控水平。

在風(fēng)帆裝置自身的風(fēng)險(xiǎn)方面，主要基于避免因風(fēng)帆的失效對(duì)船舶的安全造成災(zāi)難性后果進(jìn)行設(shè)計(jì)和評(píng)估，將無法降帆、風(fēng)帆倒伏、帆面墜落、風(fēng)帆無法回轉(zhuǎn)設(shè)定為風(fēng)帆出現(xiàn)故障后的災(zāi)難性后果。通過FMEA分析等手段，避免風(fēng)帆的液壓系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)裝置、電氣控制裝置因單一故障導(dǎo)致災(zāi)難性后果，并通過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)和操作限定來保證基本的安全。

隨著科研工作的深入和實(shí)船工程的逐步展開，CCS將對(duì)基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制定的設(shè)計(jì)和評(píng)估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷進(jìn)行完善，構(gòu)建風(fēng)帆技術(shù)實(shí)船應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系，服務(wù)于業(yè)界，共同建立和保持我國(guó)在風(fēng)力輔助推進(jìn)方面國(guó)際前沿和領(lǐng)先的技術(shù)能力。