我国自主研发制造的亚洲首套船用风力旋筒助推系统在万吨级大型甲板运输船“海洋石油226”上投用。中国海油供图
近日，中国海油发布消息，我国自主研发制造的亚洲首套船用风力旋筒助推系统在万吨级大型甲板运输船“海洋石油226”上成功投用旋筒风帆助大型船舶驶向绿色低碳。这标志着我国在商用船舶旋筒风帆系统技术领域实现了零的突破，对于推动船舶运输行业绿色低碳发展具有重要示范意义。
旋筒风帆长什么样，给船舶装上旋筒风帆有多难，这种风帆有什么作用？记者就这些问题采访了相关专家。
旋筒风帆最早出现于20世纪20年代。由于旋筒的重量限制以及柴油机和蒸汽轮机的出现，该技术最终没能被广泛应用。近两年，随着国内外研究与实船实践的成熟，这项技术在欧洲等国际重点航运市场重新得到广泛研究与应用。旋筒风帆在船舶上的安装与应用即将进入一个新的发展阶段。
2023年8月，欧盟研究报告显示，目前主流的风力辅助推进系统包含了旋筒风帆、硬质翼帆、吸力翼帆、天帆、软质风帆。旋筒风帆是目前国际上应用最广、技术最为成熟、减排潜力最大的一种风力辅助推进系统。截至2023年，共有将近60艘船舶安装了风力辅助推进系统，其中40%以上的船舶选择安装了旋筒风帆。
“项目团队在设计前期深入开展了船舶应用环境与能耗仿真模拟分析。研究显示，加装旋筒风帆系统后，这艘船平均每年可节约12%的燃料，减少二氧化碳排放量约412吨，并可实现全生命周期受益。”“海洋石油226”船船长吴力国说。
“总体思路上，‘海洋石油226’的改装借鉴了德国爱纳康（Enercon）公司旗下‘E-Ship 1’号旋筒风帆货船的成功经验。”吴力国说，该船于2010年正式投入运营，与“海洋石油226”的船型以及总吨都十分近似。借助4台高27米、直径4米的旋筒风帆，“E-Ship 1”号旋筒风帆货船与同型号货船相比燃料损耗减少了约25%，并且在2016年德国汉堡国际海事展上获得国际帆船协会的风力推进创新奖。
但是，“E-Ship 1”号旋筒风帆货船虽然节能减排效果非常优异，但其旋筒风帆的布置方式对甲板空间占用较大，会影响船舶日常的货物装卸。“我们采用了对船舶装载面积影响最小的改造设计。这种设计仅占用了原船上层建筑后方临时集装箱的位置，并用旋筒风帆固定底座的内部空间补偿了原集装箱工具间的功能。旋筒风帆固定底座可拆卸，特殊情况下可以简单快捷地将旋筒风帆整体吊装下船，最大限度地保持了原船功能。”海油工程旋筒风帆系统项目负责人杨云展说。
虽然有成功经验可借鉴，但给“海洋石油226”装上风筒并非简单的“依样画葫芦”。
“我们制作并分析了多台内筒的小尺寸样机，不断改进产品设计，并从中选取了最优结构形式。”杨云展说。
外筒的设计和制造也是项目主要难点之一。为了实现更高的推力，风筒既要足够轻，以达到更高的转速、更低的消耗功率，又要有足够的强度和防腐性，能承受海上的各种工况。“为此，我们论证了多种材质和结构形式的外筒。论证材质包括小型旋筒的钢结构材质、铝合金材质、非金属复合材料与碳纤维材料，通过对材质重量、强度、防腐性以及经济性的对比，我们最终选取了非金属复合材料并对结构形式进行了优化，从而减轻外筒的重量，提高强度。”杨云展说。
另一个要攻克的难题是旋筒风帆的自动化控制。为了实现让旋筒风帆能够根据不同风速风向自动判断旋转方向和旋转速度，项目团队对旋筒风帆在不同风速风向条件下形成的推力、阻力以及电机消耗功率，通过流体力学仿真计算进行了模拟。
“仅仅通过数值模拟计算还不够。我们还对旋筒风帆的模型进行了风洞试验，以测试旋筒风帆在不同风速不同转速下的气动力特性。”杨云展说。
该项目首创了一体化智能中控系统。这个系统可以自动获取航线风速和风向，并调整旋筒风帆工作姿态以获取最大动能，为船舶行业绿色发展和智能化操控提供一种全新模式。
随着国际航运向着脱碳方向发展以及日益严格的空气排放和气候立法，航运业面临重大挑战。
工业和信息化部等五部委近日发布的《船舶制造业绿色发展行动纲要（2024—2030年）》提出，要加快甲醇、氨动力船型研发，探索开发燃料电池等新型动力船型；积极稳妥推动具备条件的客船、货船、工程船、渔船等LNG、电池动力船型研发和示范应用，推动甲醇、氢等动力船型研发和试点；加快液氨、液氢、液态二氧化碳等新型运输船研发等。
吴力国说，大型工程船舶是航运行业绿色低碳转型的重要部分。绿色低碳转型对大型工程船舶的能耗管理等提出了更高要求。旋筒风帆具有轻巧灵活、改造简单、投资回报快等显著优点，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，平均节省燃料可达5%—25%。
这套船用风力旋筒助推系统是天津海洋装备产业（人才）联盟内合作的首台套旋筒风帆项目。海洋石油工程股份有限公司相关负责人表示，海洋石油工程股份有限公司作为主席单位，很好地践行了联盟关于未来发展的倡议，在联盟内形成带动作用。此次成功合作，将推动天津地区的海洋装备产业链发展迈上新台阶。
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