风帆助推技术在大型船舶上的应用及风险分析

CCS大连审图中心 岳孟强

能、环保一直是近年来航运关注的热点之一，也成为船舶设计的趋势和目标。自船舶能效设计指数（EEDI）要求强制生效以来，业界从航速优化、型线优化、机桨匹配、节能装置等多方面改进设计，使得EEDI值和船舶能耗不断降低。但同时也应注意到另一个趋势，就是常规的船舶设计技术手段的节能潜力正在逐步减小，很多船型要满足EEDI第3阶段指标要求还存在较大困难。为此，必须寻找新的提高船舶设计能效的替代方法。

太阳能和风能作为公认的绿色替代能源，目前在航运方面应用程度有限。风能作为船舶最原始的驱动方式，在人类航海史上曾经起过不可替代的作用。人类在风帆驱动方式的应用方面，有着丰富的经验和积累。在寻找新的方法提高船舶能效设计指数时，自然会将眼光转向风能的利用。

船舶使用风能作为驱动力，一般会采用风帆直接驱动技术，当然还包括风力发电后作为船舶推进

节动力的风力间接驱动技术。风力直接驱动常见的方式一般有桅式传统阻力帆、翼面升力帆、富莱特纳旋筒和风筝帆等，其中，阻力帆和风筝帆均系采用相当面积的受风装置承受风压，从而因风压的作用产生推进力；翼面升力帆系利用气流在特定装置的表面发生流场改变，从而利用气动学原理产生推进力；富莱特纳旋筒系利用气流通过高速旋转的圆筒时，产生压力差的马努斯效应产生推进力。随着空气动力学技术以及船舶设计手段的进步，采用空气动力学原理的升力帆和富莱特纳旋筒技术，因其辅助推进效率较高，逐步成为利用风能提高船舶能效的首选。

风帆技术，特别是升力帆技术在现代设计内燃机推进的船舶上作为辅助动力应用，目前整个业界尚缺乏成熟的经验。目前在升力帆的技术开发和应用研究方面，日本和部分欧洲国家早在五年前就开展了相关工作。为填补我国在这方面的空白，2015年经工信部立项，我国成立了以大连船舶重工集团有限公司牵头、由船东、船级社、大专院校等参加的科研团队，开展了以构建风帆技术应用技术标准、建造工艺验证、实船节能效果验证为目的的系统性研究。研究工作将通过制造1：1的风帆工程样机，并安装于VLCC实船上，来验证大型船舶使用风帆助推的可行性和节能效果。中国船级社作为参研单位，承担了从风险分析、技术标准构建、检验/试验要求制定、EEDI验证方法研究等工作，几乎覆盖全部科研和实船示范工程中与安全性分析、评估和验证相关的工作，并承担了实船的检验和发证工作。

在研究工作之初，CCS的团队就面临诸多困境。一方面是风帆应用缺乏法规框架和技术标准的支持，无法采用常规的按照既有标准和规范进行技术验证的工作方法；另一方面，为产生足够的推进力，现代设计风帆的尺度一般较大，除自身结构强度和驱动装置等多面临的技术问题外，还会对船舶的结构、布置等原有常规设计造成影响，存在一定的技术和操作性风险，这方面也缺少系统性的经验可供借鉴。

针对本项目的具体情况，CCS确定了以风险分析为基础和主要手段，借鉴类似布置、结构型式和可靠性的系统和设备的现有技术要求，来构建风帆技术要求的路线图。通过对风险分析的策划，最终确定与风帆技术实船应用相关的风险主要有风帆和实船界面风险，以及风帆装置自身的风险两大类，并采用不同的风险分析方法开展工作。

在风帆和实船界面方面，主要涉及船舶加装风帆后，影响现有规范和法规符合性验证的因素，以及对船舶的营运和操作产生影响的因素。这方面的风险和影响因素主要有：

完整稳性方面影响。主要原因是风帆装置安装后会导致船舶重心高度的增加，对稳性有不利影响；风帆工作时，增加了风帆的侧向受风面积，使得风压倾侧力矩增加；在风帆正常工作起到辅助推进作用时，除沿船首方向的辅助推进力外，还会产生一个沿船舶横向的分力，从而增加了船舶的横倾力矩。这些对完整稳性的影响因素必须进行计算和量化评估，其中风帆推进力的横向分力（风动力效应）引起的横倾力矩，会大于仅考虑受风面积时的静风压横倾力矩，需要单独通过计算和（或）试验结果确定其量值。

船舶结构强度方面影响。风帆沿中纵剖面方向的弯矩与船舶总纵弯矩叠加后，对总纵强度可能造成一些影响；因风帆的风载荷引起的弯矩、剪力、扭矩，以及风帆结构的重力分量和因船舶运动引起的惯性载荷直接作用在风帆基座和周边船体结构上，对局部强度的影响也需要进行计算校核。

因风帆的遮挡造成的负面影响。风帆通常会有比较大的面积以达到预期的推进效果，比较理想的船舶布置是将风帆布置在驾驶室和主要航行和信号设备的后方，以避免遮挡导致的负面影响。如果此种布置无法实现，则风帆工作时对驾驶室视野的影响、对信号设备（航行灯）的影响、对雷达盲区的影响必须进行细致评估，以保证其满足现有公约和规则的要求，或至少达到与常规船舶等效的布置和安全水平。

船舶操纵性方面影响。因作用在风帆上的风动力，除沿船舶首向产生辅助推进力以外，往往会有沿船舶横向的分力。这个分力会使船舶产生横漂力，以及转船力矩（横向分力的作用方向不通过漂心时），从而影响船舶的操纵性，比如回转和紧急避让机动时的运行轨迹；风帆产生的辅助推力还会增加紧急停船的距离。需要通过理论分析、水池试验或试航等方法，评估其对操纵性的影响，并对驾驶室内张贴的操纵特性信息进行必要修正和补充。

锚泊和系泊方面影响。风帆即使在回收状态下，因其风动力外形，会在特定的来风方向产生不利于锚系泊作业的推力。这一点与常规船舶在计算用于确定锚系泊设备规格的舾装数时，仅考虑投影面积（实际是仅考虑受风面的静风压）的出发点有较大差异。因此在选取安装风帆装置船舶的规格时，除需要考虑因风帆的投影面积导致的舾装数增加外，还必须考虑风动力效应导致的在锚泊设备主要受力方向（沿船舶纵向）和系泊设备主要受力方向（沿船舶横向）的附加力。基于量化评估验证和选取锚系泊设备的规格。

甲板直升机作业方面影响。现代大型船舶一般均布置有直升机悬停或降落区域，直升机作业对风速的垂直梯度一般有比较严格的要求。安装风帆的船舶，会在特定的区域形成有别于常规布置船舶的空气流场，从而可能会对直升机的安全作业造成威胁。需要通过理论计算或风洞试验得到不同来风方向时风帆周围流场的分布，从而为直升机作业提供安全指导和限定条件（如设置天气条件限制和禁入区域等）。

对船舶安全操作和船员舒适性方面影响。风帆的横倾力矩，会导致船舶产生一个固定的初始横倾角。该横倾角过大，会影响设备正常工作、船员的安全操作和船员的舒适性，需要将其限定在较小的范围内（目前的限定值为小于3°）；风帆的帆面材料如果是反光材料，则会影响船员的航行瞭望，并可能在夜间反射甲板或航行灯的灯光，导致其它船舶的误判；风帆装置布置距离船员的生活区较近，还可能导致振动和噪声水平超过限定要求。以上因素均需要在设计阶段关注和尽量减少负面影响。

对船舶在恶劣天气下操纵能力的影响。船舶在海上遭遇恶劣天气时，船舶需要保持足够的前进速度，以保证舵效，从而实现对船舶首向的有效控制。为此，IMO专门通过了关于主机最小推进功率计算导则。安装风帆的船舶，如果不能实现在任何单一故障情况下对风帆的有效控制，则可能在遭遇恶劣天气时，风帆产生的风动力与船舶的推进方向相反，则船舶保持前进速度的能力会受到削弱。如果因风帆意外反推力的存在，使得船舶不能保持前进的最小航速，则船舶的基本安全无法保证。此种情况下，必须采取附加措施（比如恢复对风帆控制的辅助措施，或增加主机的最小推进功率），以保证恶劣天气下对船舶的操纵能力。

振动和谐摇方面的考虑因素。风帆一般为细长结构，其在船舶的振动源的激励下，以及在风载荷的作用下，会产生振动。如果在某些特定的激励源作用下会使风帆产生共振，则可能导致结构破坏，需要进行评估并避免；船舶的横摇也构成对风帆的低频激励源，如果横摇可能导致风帆产生谐摇，则会导致风帆比较严重的结构损坏，也是需要进行评估和尽力避免的。

电气特性对船舶布置的影响。风帆装置如果布置在液货船或载运危险品船舶的危险区域，则电气设备的布置需要满足相关的要求；此外，由于风帆翼面往往由相对运动的多个零部件构成，需要特别关注有效连接和接地，避免产生静电；同样，由于风帆的特殊操作方式，可能会使得避雷设备的布置成为一个难题。

总之，因船舶安装风帆，对船舶的结构、布置和整体性能造成的影响是多方面和广泛的，需要进行细致甄别和评估，将对安全和操作的负面影响降至可控水平。

在风帆装置自身的风险方面，主要基于避免因风帆的失效对船舶的安全造成灾难性后果进行设计和评估，将无法降帆、风帆倒伏、帆面坠落、风帆无法回转设定为风帆出现故障后的灾难性后果。通过FMEA分析等手段，避免风帆的液压系统、机械传动装置、电气控制装置因单一故障导致灾难性后果，并通过系统的设计改进和操作限定来保证基本的安全。

随着科研工作的深入和实船工程的逐步展开，CCS将对基于风险评估制定的设计和评估技术标准不断进行完善，构建风帆技术实船应用的技术标准和规范体系，服务于业界，共同建立和保持我国在风力辅助推进方面国际前沿和领先的技术能力。