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风帆助航技术概述

已有 1850 次阅读 2019-8-4 11:15 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦| 风帆助航, 风能, 船舶, 天帆, 节能

风帆助航技术概述

伍赛特

 

0 引言

科技的进步使社会财富极大丰富。然而以化石燃料为能源的现代工业的发展,却使得人类生存的环境不断恶化,温室效应和大气臭氧层的破坏也日益威胁着生类本身的生存。同时由于化石燃料的资源是有限的,已经感受到了能源枯竭的危险,加之国际社会对排放要求日益严格,开发新能源迫在眉睫。因此,人类不得不探索新能源以代替化石燃料。

所谓新能源,主要指原子能、太阳能、风力和水力资源、地热能、海洋能和生物能等。而在近期内最有可能作为船舶动力实船使用的则是风能、核能以及近年来发展的燃料电池技术。

 

1风帆助航

人类最早利用风能就是从风帆开始的。风帆作为船舶推进装置已有几千年的历史。历史上曾出现大型远洋帆船的极盛时期。

传统的帆船都是以风能为动力的,由于风力的大小和方向的影响,利用风能的航行特点是不确定因素多,可靠性差。随着科学技术的发展,风帆船已逐渐被机动船所代替。只有某些国家和地区的内河航运和小规模捕鱼作业船只采用风帆船。而风能利用被重新提上议事日程源于能源危机、油价上涨和排放的控制。

目前,几乎所有的商船都是由燃油驱动的。化石燃料是在20世纪初开始在船上使用的,当时的燃料费用仅占营运费用的不到10%。今天,对于不同的船型,燃油费用在整个营运费用中的比例在40%60%之间。

燃料油的价格在最近几年内持续稳定上升,主要原因是世界范围内石油的生产价格上升,因为油田正在走向枯竭。即使在未来由于发现大型油田,会出现暂时的好转,但世界范围内需求的持续增加,而石油的生产不会有重大的增长。很可能在很长的时间内,石油的价格将持续走高。石油价格的走高,将会引起燃料油的价格上涨,使用燃料油来驱动船舶将不再经济。石油的成本问题将驱使人们寻求船舶驱动的替代方式。

船舶燃用化石燃料的另一个问题是污染环境问题,即排放NOxSOx和温室气体。目前,从国际海事组织到各个国家地区港口当局,纷纷出台各种排放法规,而且随着时间的推移,排放法规越来越严格。

尽管风力可能让航行增加不确定因素,但是石油危机、环境污染、全球气候变暖等都表明,开发风能,不是愿不愿意的问题,而是大势所趋。所以越来越多的国家又开始考虑风能作为辅助动力,发展风能助推船舶。

当考虑用风能作为船舶动力,必须满足下列基本要求:

①安装风能驱动系统的初投资要低;

②降低燃油消耗量要大;

③必须保证绝对的安全运行,具有高的可靠性和良好的正点率;

④紧凑/使用空间最少;

⑤营运及维护费用低;

⑥能够在桥下穿过桥梁,并对装卸货没有影响;

⑦可对任何船进行改装。

随着科学技术的进步,现代水动力学、空气动力学、自动控制及计算机技术、材料与建造学、气候监测与预报等技术迅速发展,也为现代风帆船的研制和应用提供了条件。

 

2风帆助航的发展与现状

根据海上航行条件,国外很早就开始了风帆助航研究。目前,在风帆助航技术上获得较为显著成果的主要有日、德、美、俄、法、英等国。我国及印尼也作了一定的研究工作。

日本是目前世界上风帆技术最为先进的国家之一,其投入营运的现代风帆助航船共有十几条。

日本20世纪80年代致力于风帆助航船的研究,1980年建成全球第一艘用现代帆具助航的“新爱德丸”号,排水量2 400 t,可载重1 600 t,装有两块卷折式纤维增强塑料风帆,一台低速柴油机作为辅助动力。两者配合使用与载重相同的普通机动船相比,这艘船可节省燃料50%,但运输时间增加20%

德国20世纪60年代就开始着手研究万吨级大型风帆助推运输船,设计了六桅风帆助推船“DYNA”号,总长约160 m,同际油价昂贵时引起船主的浓厚兴趣;1980年又为印尼开发了一种风帆助推货船,来往于印尼各岛之间开展贸易活动。

20071215日,全球第一艘用巨大的风筝提供部分动力的货船“白鲸天帆”号(Beluga Sky Sails),在德国汉堡的一个港口下水,以风力辅助发动机运转,能减少10%35%的耗油量。“天帆”即风筝帆,是高科技风帆,发明"天帆"的德园丁程师瑞格说:“天帆的优点是可利用上层最稳定而强劲的风力。”德国Beluga公司确认目前已获得多个订单将采用该技术。

美国对现代风帆助航技术的研究较早,20世纪70年代成立了专门建造风帆的委员会,制定了风帆助航规划,在拖驳船、渔船、浮吊、钻井船、近海和远洋船上,进行了一系列传统风帆和现代风帆的试验研究,例如,“大西洋”号货船上安装了面积120 m的一面独桅三角帆,68级风时可提高航速达1.5 kn1 200 kW的柴油机每昼夜节油约1 000 L,比无帆的同类船节油20%。但美国主要偏重于技术经济的论证工作。通过研究,得出的结论是船舶采用普通帆助航能节油20%30%+

法国在风帆助航技术上的主要成果是开发研制了吸气式涡轮帆,最大升力系数可达5.56.0。其样板船Alcyone经历了横渡大西洋的考验。根据试验结果,在有利风向下,该试验船获得了55%60%的节能效果。法国地中海海运社建造的风帆助航客船,有船长53 m134 m两种,后者共建造3艘,1988年后相继竣工;其后又建造了全长187 m号称世界最大级的风帆助航客船“La Fayette”号,航行于加勒比海域。

前苏联开发了一种转子风帆组合体系列,可作顺风帆、逆风帆使用,据称升力系数可达2.6

英国主要开发了Walker帆型。该种帆型为一种机翼帆,由一主两辅三块机翼型力板组成。三者由一风力尾舵自动调整方向,产生推力比一般帆高4倍。

我国对现代风帆助航技术也作为一定的下作,20世纪80年代开始自主研制了几条小型风帆助航船,在长江试运行取得了喜人的进展。

1985年,武汉水运学院与南京航运公司联合研制的200 t圆弧形翼帆助航船下水试航,节能效果50%以上;广东省航运科研所与东莞水运公司也在其货船上加装翼形帆,在34级风中航行,主机中速,船速比同类无帆船提高1.41 km/h,主机油耗从额定转速时的7.58 kg/h降至4.38 kg/h,节油达42.2%

20世纪90年代,宁波海运公司试制了一艘2 500 t级的“明州22号”风帆助航货船:船身总长85.8 m,型宽15 m,型深7.3 m,可载运146只集装箱;不锈钢弧形帆,采用计算机控制油压操帆,全折全张时间12 min,可在320 m/s风速下使帆;设计航速11.5 kn。该船19961月投入运营,行驶于日本、宁波、厦门、香港之间。

其后,我国风帆船开发处于停滞状态,21世纪以来国内鲜有新型风帆船研制的报道。目前,鉴于多个国家的经验已经证实风帆助航既节约能源,又减少污染,我国也已加强研究。

上述这些船只大多利用电子计算机自动操帆。

 

3风帆助航船舶的应用存在的问题

尽管利用风帆助航可以节能,但仍存在着许多问题需要认真地研究和解决。这里主要包括风帆助航的实际效果问题,节能与安全的相互关系问题,风帆对船舶航行性能的影响问题等。

 

3.1 风帆助航的实际效果

风帆助航的实际节能效果与船舶的航线和航区有关,有时实际的节能效果可能并非我们想象的那样高。武汉理工大学曾对上海一东京航线采用风帆助航技术的节能效果进行了计算分析,结果表明考虑全年风力分布的年均节能效果只有50%左右(螺旋桨为固定螺距桨),远低于人们的想象值。典型航线采用风帆助航技术后的年均节能效果(计算船型800 t沿海货船),结果表明在中国沿海风帆船具有一定的推广应用前景,但并不像想象的那么高。

 

3.2 节能与安全的相互关系

风帆助航与船舶安全是一对互相对立,又可以互相优化的矛盾体。从尽可能多地利用风能:节约能源的角度来看,希望有足够强的风力吹动风帆,产生足够强的力推进船舶。然后,如果风力过大,则会对船舶安全造成威胁,也不利于船上人员对船舶的操纵和控制。

风帆助航,可分为两种方式:一种是风力作为主推力,柴油机动力装置作为辅助推进力;一种是风力作为辅助推进力,柴油机动力装置作为主推力。风力作为主推力,节能效果较好,但受气候因素影响大,一旦遭遇飓风,安全性不如柴油机动力装置推进船舶,可应用于内河或近海有季风但飓风较少、相对安全的航线上。柴油机动力装置作为主推力,节能效果稍差,但较安全,适合远洋船舶。

风帆应用于大型船舶作辅助推进,风帆的自由收放是必须要考虑的因素。风帆应在海况良好、风力和风向变化不大时张开。恶劣天气,如飓风等,则必须及时收回风帆,以免受力增大而增加船舶倾覆危险。

为了达到节能与安全的最优,风帆助航,既要考虑空气流体动力,又要兼顾安全性(强度、稳性、自动化操纵等),船舶采用何种方式,需要针对航线的气候条件,因地制宜。

 

3.3 风帆对船舶航行性能的影响

船舶安装风帆,风帆所增加的倾侧力矩会改变船舶的稳性、浮态、主机输出功率、偏航及操纵性等各种性能。所以要加装风帆,必须事前充分分析计算这些性能的变化,论证技术和经济可行性。只要船舶辅助风帆形状尺寸设计良好并能与船舶合理匹配,完全可以使船舶获得较大的推力,并且不会太多影响船舶的航行性能。

由于风速和风向不稳定,风帆提供的辅助推力也不稳定,要保证螺旋桨获得最佳推进效率,需分析论证机、帆、桨的配合特性,实现帆、机、桨三者的最佳匹配,以获得理想的节能效果。

风帆助航船,顺风时张帆,顶风时收帆,有周期性海洋季风的航线下航行最有利。即使如此,为了获得风能增加航速,也需要陆续改变航向和倾侧航行,可能偏离预定航线多走一段距离而增加航行时间,柴油机也会运转更长时间而燃烧更多的燃油。

对于现有船舶的风帆助航改装,需要研究不影响船期前提下如何优化借助风力。对于新造风帆助航船,则需科学分析预计航区的海洋气候,选择最有利于风帆助航船的航线,设计最佳风帆以及风帆与柴油机的匹配,以达到理想效果。

 

4新型风帆助力系统——天帆

天帆是一个正在开发的风筝帆系统。其是由一个天帆,也叫风筝帆来进行驱动,另外,它还带有的一套风能利用航线优化设计程序,最高可以节省50%的燃油。

 

4.1 天帆推进系统

在历史上,出现过各种各样的利用风能驱动船舶的概念。用风筝来驱动船舶的想法是古老并可行的,然而在过去无法开发出可行的系统以满足现代货运船舶的要求。

随着新技术和新材料的出现,现在可以实现建造成功的天帆(风筝帆)驱动系统。天帆系统的开发始于2000年,它是由一个充满氦气的巨大天帆(风筝帆)和风能利用航线优化设计程序组成。天帆系统可以提供相当于船舶主机的推进动力。天帆推进系统在世界范围内受到两项专利的保护。

天帆技术相比现存的风帆船舶有下列优点:

①天帆类似于现代滑翔机的机翼形状,面积可高达2000 m2,加上风能利用航线优化设计程序,确保可以获取足够的推进能量。

②牵引风筝能够升高至500 m,可探测不同高度风的方向和强度,以便最大限度地利用风能;在这里如果结合天气航线优化程序,就可以保证船期。

③天帆系统不会对船产生倾侧力矩,这是由于某些低帆推进受力点低引起的。

④不会危及船舶的稳性。

⑤天帆的自动飞行系统能够保证在帆升至指定位置前不产生力,不会影响船舶安全。

⑥天帆所需的空间很小,因为其下作时是在船外,而不工作时可以放掉帆内的氦气。

⑦天帆系统是全自动的。在工作时,帆是自动飞行系统控制的,这种自动飞行系统与民用飞机类似,现有船员足以操作天帆系统;

⑧所有客货船都可以通过改装安装天帆推进系统。

连接系统设置在牵引索与船体之间。其将牵引索的力传递到船体并推动船前进,每条船的连接系统都不相同。

作用点,这是牵引索离开船的点,这个点的位置是变化的。因为牵引力需要同横向阻力在同一条线上,这取决于船体的形状和船速。作用点采用滑车方式,它可以在轨道上移动,轨道固定在船的外板上,由一台缆车控制牵引索的长度。

在天帆上使用了一个经改装后的飞机自动导航仪。自动导航仪和船上的计算机相连。控制系统根据风向、风速、船的航向和船速自动调整天帆的位置。

 

4.2 天帆及收放

天帆(风筝帆)的形状类似于滑翔机,在很强的风速下天帆的空气动力特性可以改变以限制部件的受力,天帆牵引的特性优于传统的风帆。

整个天帆完全是由纺织品构成,在船上存放只占很小的空间,工作时向天帆内充满氦气。由于它比空气轻,即使一点风也没,风筝也可以稳定上升。在天帆内设置压缩空气骨架支撑结构提供了必要的机械强度。

天帆向船上传递力是通过一根牵引索。控制索位于方向控制装置和风筝之间,控制和平衡机翼。对于牵引索的要求是:强度高,重量低,负荷下伸长量少。现代合成纤维完全符合这些要求,并能够立即使用。

收放帆系统用于收回和放出天帆的牵引索,它是由控制机构、索收放系统以及氦气的填充和放泄系统组成。控制机构给风筝定位,控制机构设置在前甲板。全自动的牵索收放机构可自动放出和收回并卷起风筝。充放气机构控制将氦气充人天帆的气囊或将氦气放出。氦气系统由高压氦气瓶和泵组成。

 

4.3 航线优化设计

系统航线优化设计由四个模块组成:天气预报,性能计算,决策制定和航线建议。即在现代天气预报的帮助下,可获得一个恒定的、能量充沛的驱动力。充分利用风力优势,能准确可靠地快速完成航次。

现代气象预测可以精确预测5天内的天气状况,宏观天气状况和气象形势可以预测更长的时间,即使短期的气象情况,如下降风也可以在半天之前预测出来,这就为航线确定起到了关键作用,确保了船舶的安全。

根据天气预报的数据输入可进行天帆性能计算,预测通过天帆推进系统可获得的风力,并考虑到不同船舶的特性参数,然后便可计算出使用天帆系统的船速和预计到港时间。

船公司可以设定船的参数,如最大燃油消耗率和最迟到达时间等都可输入系统,然后计算优化航线。

 

4.4 系统安全措施

为了确保船舶的安全,天帆系统由于6级的安全措施来保证:

①通过定期的天气预报避免不利的天气情况,并对下降风和阵风进行预警;

②改变机翼的空气动力降低牵引力;

③改变力的作用点和牵引角减少力对于船的作用;

④主绞车对于极限阵风风力主动作出反应并通过船舶动力系统进行补偿;

⑤收回牵引天帆;

⑥在紧急情况下牵引风筝急速放气。

 

参考文献

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[2] 孟维明,赵俊豪,黄连忠,任传倜.船舶风帆助推应用问题研究[J].航海技术,2010(01):46-47.

[3] 孟维明,赵俊豪,黄连忠.风帆助航节能船的应用前景[J].船舶,2009,20(04):1-3.

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[5] 孙海素. 二维船用帆翼空气动力特性的数值模拟[D].哈尔滨工程大学,2010.

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[7] 姜仲昊. 风帆助航船舶运动的模糊自适应迭代滑模控制[D].大连海事大学,2016.

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