旋筒风帆：船舶的绿色密码

  日前，我国自主研发制造的亚洲首套船用风力旋筒助推系统正式投入应用，这不仅标志着我国在商用船舶旋筒风帆实现了零的突破，也对推动船舶运输行业绿色低碳发展带来积极示范意义。

  20世纪初，德国的工程师安东·福莱特纳与普兰特尔（Prandtl）提出“马格努斯（Magnus）效应”可应用于船舶的推进。为证实理论，两位德国工程师建造了一艘54米长、9米宽、载重吨位625吨，以高18.3米、直径2.8米双圆柱转子为辅助推进动力，并在1926年成功横渡了大西洋，因而这类风力助推转子装置也被称为“福莱特纳转子”。

  旋筒风帆系统被誉为绿色的“风帆”，工作原理为旋转的球体或圆柱体在气流中运动时，球体或圆柱体的两侧形成压力差，球体向着低压一侧运动。

  通俗来讲，旋筒风帆系统是利用电机驱动转筒旋转，使其逆风旋转一侧表面的气压增大，顺风旋转一侧表面的气压降低，由此产生出一个垂直于气流方向的推力，提高了船舶动力效率，降低了油耗并减少碳排放。

  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普遍研究与应用。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。

  此次投用的旋筒风帆系统安装于万吨级大型甲板运输船“海洋石油226”甲板前部两侧，由复合材料外筒、钢质内塔、电机、底座等构成，设计高度18米、直径4米、单体重40吨，最大转速为200转/分钟，可在-25℃环境下工作，适用于全球纬度最低的结冰海域。

  “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。”“海洋石油226”船长吴力国说，“E-Ship 1”号旋筒风帆货船于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很优异，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。

  另一个要攻克的难题是旋筒风帆的自动化控制。为实现让旋筒风帆可以依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。这个系统能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。

  工业与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加高的要求。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%。

  此外，针对船东安装旋筒风帆能否获得可观的经济回报的问题，挪世航力首席执行官兼合伙人Tuomas Riski认为，为实现国际海事组织（IMO）提出的2030年和2050年碳减排目标及业界描绘的零碳航运图景，船东对旋筒风帆的投资可行。

  在IMO设立的条款中，旋筒风帆技术被列为B.2类创新技术。根据统计数据，每特定载重吨和参考速度（Vref）下，合适的旋筒风帆布置和船舶最佳配置能使船舶能效设计指数（EEDI）优化20%。《国际防止船舶造成污染公约》（MARPOL）附件六修正案要求超过400总吨的船舶必须在2023年1月1日后进行首次检验，依据船舶类型和尺度计算现有EEXI。

  目前，许多船舶将被迫减速航行并采取额外措施来实现EEXI合规，旋筒风帆能够最终靠快速改装方案缓解主机功率限制压力，并支持现有船舶达到EEXI的技术合规。

  在现有安装案例上进行的大量测量项目证明了旋筒风帆的运行性能，当与天气路线、航程优化和集成电源管理系统结合时，旋筒风帆可以显著减少任何与航程（满载或压载）相关的碳足迹。