船用风力助推转子的应用.docx

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1、风力助推转子是人类利用风能的一种创新技术，运用该技术改变船舶航行时的风向，使其为船舶提供航行方向的推力，达到减少油耗，节约运营成本的目的，同时有效降低船舶能效设计指数(EED1),是一种创新型能效技术.通过在船上安装邮筒，驱动圆筒在风中旋转产生垂直于风速方向的力，从而为船舶提供前进的助推动力。早在20世纪初，AntonF1.cttncr与Prandt1.提出马格努斯效应可应用于船舶的推进。为了证实他们的理论，AnionHettner制造了艘名为Baden(原名Buckau,如图2所示)的海船，以双圆柱转子为推进动力，并在1926年成功横渡了大西洋“it1.it,这种利用圆柱体旋转来提供驱动力的

2、装置也逐渐为人所知，因而这类装置也被称为F1.Ctuwr转子。与其它风力驱动装置相比，FICItnCr转子有许多优点，比如更轻巧、更灵活且同样环保节能*如今，随着国际社会对环保的日益关注,以及业界对这一领域研究的逐步深入，该技术在船舶上的应用也进入r一个新的阶段。国内外最新发展动向近年来，在风力助推转了技术的实船应用方面，欧洲各国已经取得了定的成果.经过评估，在不降低航速的前提下，应用该技术可节省船舶燃油5%3O芬兰NoniCpoWcr是全球第一家招风力助推转子系统成功应用于现代船舶实船的公司。2014年，Nonsepower公司在芬兰滚装航运公司Bore的艘9700载重吨滚装船“M，SESt

3、raden”号上安装一个高18米、直径3米的风力助推转子,可节约燃料达5%。2015年，NorSCPOwa公司再次在“M/SES1.radCn号上加装了一个同样型号的转子，通过对这艘船的油耗测量，证实转子系统年平均节能达到6.1%,相当于节省了400吨燃料，降低了1200吨二氧化碳排放，2015年挪威海事展期间,芬兰De1.tamarin公司推出全新一代客滚船“DcItaChaHcngcr”号，该船配备了6个NOrsCpOWCr公司开发的风力助推转子，节约了总推进功率(3MW)中大约10%的动力。2018年,马士基油轮、Norsepower,英国能源技术研究所(ErI)和壳牌海运公司合作，尝试

4、性地在一艘1.R2成品油船上安装f两个高30米、直径5米的风力助推转子，这是转子风帆应用于成品油船市场的一个突破。据预测，该度1.R2型成品油船可降低7%10%的燃料油消耗。2018年,世界第艘液化天然气/风能推进混合动力邮轮M,SV1.kingGrace”号诞生，该船安装/一个高24米、直径4米的风力助推转子，由于风力助推转子技术的应用，这艘邮轮年平均节省液化天然气可达300吨左右，年平均减少二辄化碳排放量约900吨。国内方面，中国船舶科学研究中心自2016年以来成立项目组开展风力助推转子的数值计算研窕,方案设计、能效评估及原理样机研制等工作，取得/阶段性成果。通过对风力助推转子节能原理的深

5、入分析，结合现有的CFD分析手段建立了风力助推转子推力与阻力的数值分析评估方法。对影响风力助推转子节能效果的闪索(风速、风向、转速、直径、高度以及外形特点)进行了大量的数值研究，建立一套完善的风力助推转子设计方法，能够为未来针对实船设计风力助推转子系统提供技术保障。R前，七。二所与中船重工(上海)节能技术发展有限公司在风力助推转子原理样机研发成功的基础上，正在研制中型样机，直径1.5米，高度超过10米，设计转速达55OrPm.面对工程样机大尺度高转速的技术要求，创造性地提出了多种风力助推转子传动、感知和控制的解决方案，并推出应用于8万吨级散货船的技术方案。通过综合应用气层减阻、风力助推转子等多

6、种节能技术，大型散货船和油船的EEDI值有望实现低于IMO基线40%的四阶段要求。系统构成按照风力助推转子的船舶在航行过程中，首先需要通过传感器采集船舶的相对风速和风向，然后根据获得的风速和风向数据通过控制系统调推风力助推转子的转速和转向以获得最佳节能效果，转了本身需要生动驱动获得相应的动力。因此，转子助推系统主要包括风力转子装置、环境感知系统,转子驱动器、能源、转子制动器以及控制系统。转子主要系统、功能及相关说明见表I。表I转子系统主要组成部分名林说明战力助推转f产生推力的M佝事装置位置在甲板上可以自由旋转,通过底站座将推力物到In体.环境感知系统由他建a构收.主要功是感加皿1航行双fV中的

7、相对风速、K向.nut、附、主机功率.W/转速胤转臼等，散.Hf蔡动淤M子亶*供力，一艘枭用机.M于电力心动的转彳,通常由新帕机I1.供电力，太用、电池（特别是燃料电池等徐能源每有可It成为未来的供蛤能源.转了制动器转孑的M速奘I1.用于转孑反转或者案急制动.控IW案统转子的总体控制聚妩,*据环境参数和就行“畋,控制转予的转速和转向.风力助推转子系统构成简成辰作简便,可以实现自动控制甚至是智能控制。各子系统之间的关系如图4所示。图4风力助推转子系统关系图转子的节能效果不仅受到驱动器、感知系统、控制系统性能优劣的影响，更重要的是受转子在甲板上的布置情况、转子尺寸和空气动力学特性等设计参数的膨响，

8、因此，在进行转子助推节能系统的设计时需要综合考虑船舶的总体布巴和运营航线情况。节能效果分析风力助推转子的空气动力学特性是决定其节能效果的关键.同时，风力助推转子的节能效果还与风场入射角度、风场强度、风场的稳定性以及船速等复杂因素影响。航线的影响。不同航线上的风向风力大不相同，柏林科技大学的研究表明，在北大西洋和北太平洋区域，风力助推转子的效果比在南太平洋区域的耍明显.船的尺度影响。中国船舶科学研究中心在针对多型散货船加装风力助推转子方案的评估中获得结论：对于4万吨级散货船和15万吨散货船，同时装备2台高24m,直径4m的风力助推转了,在相同的航行状态下4万吨级散货船综合节能效果约为6%,而15

9、万吨散货船仅为3%.装我工况影响.4万吨级散货船装备风力助推转子，在设计吃水和压我吃水卜.，单台转子的综合节能效果差异均为I%。航速的影响。在航行速度较大的情况下，风力助推转子的燃油节省量稍微大些。某散货船，在相同装载工况不同航速下，单台转子的综合节能效果差异最高可超过3%。但是，燃油节省量在燃油总消耗量的占比，却是在低航速航行情况卜的更高。此外,经研究发现，转子的控制策略和航行季节等因素都对风力助推转子的节能效果有一定的影响.如根据船型，配置最匹配的风力助推转子，那么船帕的节能效果招更好。适用船型风力助推转了采用独立式模块化设计，整体布置于甲板之上，因此主要适用T甲板空间充足的大型油船、散货

10、船、滚装船、邮轮等船型，适用船型较广泛.大型油船和敢货船因其开阔的露天甲板具备安装该系统的天然优势，也必将成为解决这类船型EEDI和温室气体减排问题的首选创新技术之一。由于航线对安装风力助推转了船舶的节能效果影响显著，因此航线上风力资源丰富、风向以横风和尾斜风为主的船型效果更佳.同时，风力助推转子结构独立、控制简单，适用于新船安装，也可以用于现有船改造，具有良好的推广前景。新型船舶风力助推转子一HeunerRotor一、研究背景在当下这个提倡节能减扑的时代，使用风力助推转子为海洋船舶提供推进动力已成为近年来国内外的研究热点。德国工程师普兰特尔(Prandt1.)和安东弗莱特纳(AntonHei

11、tner)早在20世纪初就提出，可以利用马格努斯效应*开发一种高效的推进船的的方法。他们建造了一艘命名为巴登巴登号(BHdCn-BadCn)的船，采用两个可旋转的高圆筒件代船帆，通过聊动圆筒在风中旋转产牛.垂直于风速方向的力，从而为船体提供前行的推力,其重量只占原桅杆和船帆的1/4,如图所示。随后巴登巴登号丁1926年成功穿越大西洋，证实其风力助推转子是十分有效的，这种为船舶提供推力的转子也被称为弗莱特纳转子(FIeUnCrRotor)。弗莱特纳转子的原理如图二所示。图二F1.ettner转子原理图马格努斯效应：当一个旋转物体的旋转角速度矢量与物体飞行速度矢量不全合时，在与旋转角速度矢量和平动

12、速度矢量组成的平面相垂直的方向上将产生一个横向力。在这个横向力的作用下物体先行轨迹发生偏转的现象称作马格努斯效应。之后由于柴油动力工艺的出现，以及柴油价格低廉的特点，风力推进装苴逐渐被杵代。近年来，愤着燃料价格的上升和人们对环境保护意识的提升,弗莱特纳转子因其轻侦、环保节能及易安装等特点开始重新进入人们的视线，以达到节约燃料、减少碳排放量的效果。且弗莱特纳转子结构独立，可整体布置于甲板之上，适用于甲板空间充足的货船等船型，适用船型较为广泛，也便于现有船改造安装。二、研究现状随着国内外对弗莱特纳转子逐步深入的研究，其在船帕领域的应用也进入r一个新的阶段。2010年风能发电公司爱纳康(Encrco

13、n)推出了一艘名为E-ship1号的弗莱特纳动力货船并投入使用。在E-ShiP1.号上，弗莱特纳转子用于辅助柴油发动机为船体提供推力。如爱纳康公司技术报告所述，由于装有弗莱特纳转子装置，燃油消耗减少了30%。E-ShiP1.号目前正在使用中，据报道，到目前为止17000多海里的肮程中，没有提到关于弗莱特纳转了的特殊问题。2014年TraU1.等人在CFD(计算潦体动力学)仿真弗莱特纳转子气动性能的研究基础上，提出了一种性能模型，模拟了弗莱特纳转子的功率节约，他们的研究中指出，一般装有三个弗莱特纳转子的55吨货船可节省主机所需功率的50%。2018年，世界第一艘液化天然气/风能推进混合动力邮轮“

14、M/SVikingGrace号诞生，该船安装了一个高24米、直径4米的风力助推转子，由于风力助推转子技术的应用，这班邮轮年平均节省液化天然气可达300吨左右，年平均减少二氧化碳排放量约900吨。国内目前也有对弗莱特纳转子的研究，例如702所和中船节能技术发展有限公司设计出了直径1.5米，裔度超过IO米，设计转速达55OrPm的转子。该风力助推转子有望帮助大型散货船和油船等实现低于IMO基线40%的四阶段要求，具有潜在的应用价值。三、助推转子的优化ThOm在1934年曾提出，在弗莱特纳转子的顶部增加一个圆就，可以显著增加标准化转速可达到的升力系数，减小阻力，提高节能效率。目前，11u)m盘对于弗

15、莱特纳转子所提供的动力增强的效果是肯定的，但是时丁这种增强效果还没有一个准确的定知的分析和结论.C1.ayion在1985年对增加了ThOm盘的弗莱特纳转子进行了分析，数据肯定了增强效应的存在,但增强效果没有Thom在1934年的报告中那么强。随后Craft等研究人员在2011年使用URANS模型进行了模拟分析，模拟结果显示，Thom盘对升力系数的增强效果不超过10%后有学者采用CFD软件对带ThOm楸转子的空气流场进行模拟，采用与Thom当年实验一致的参数，随后得出结论为，大尺寸Thom盘对弗莱特纳转了的动力表现有不利膨响。09四即为Cmft在2011年的分析报告中，带有和不带有T1.ion

16、1.盘的弗莱特纳转子绕潦的Q基准等值面的截图。图四I带有和不带有ThOm盘的弗莱特纳转子绕流的Q基准等值面的技图四、小结弗莱特纳转子已被证实可以为船舶提供助推力，有效的减少船舶的能耗，符合节能减排的国际发展趋势，也是目前国内外研究的热点。对于带Thom盘弗莱特纳转子的模拟实除这一部分相对较为缺失，尤其缺少大成的实验数据支撑，其难点在于边界条件的确定等，因此仍具有非常大的研究空间和研究价值。参考文献：1 Craft,TimothyJ.eta1.Backtothefuture:F1.ettner-Thomrotorsformaritimepropu1.sion?.THMT-12.Proceedingso