风帆助航技术原理及节能效果影响因素分析*

摘要：风帆助航技术作为船舶温室气体减排的重要措施之一，对于满足日益严格的船舶温室气体减排法规要求、促进绿色航运发展具有重要意义。首先，介绍各类型风帆，包括转筒风帆、硬质风帆和风筝帆等的助航技术原理，并结合典型船舶案例分析其节能效果，总结各类风帆助航技术的典型特征；其次，分析影响风帆助航性能的多种因素，包括环境因素 ( 如风速、风向及风资源的梯度分布 )、风帆间的相互干扰、船舶上层建筑的干扰等；最后，结合相关研究现状，提出船舶风帆助航技术必须解决的技术瓶颈，以期为风帆助航技术的应用提供参考。

关键词：风帆助航技术；节能减排；能效评估；风帆助航干扰因素

        一、引言

       为了应对全球气候变化，国际海事组织 ( IMO ) 提出了一系列政策和措施，旨在提升船舶的能效，减少温室气体排放。2011年7月，IMO通过“船舶能效规则”，将船舶能源消耗及CO₂排放正式纳入监管议程。2018年4月，IMO通过了《IMO船舶温室气体减排初步战略》，要求2050年国际航运温室气体排放总量相比2008年至少减少50%。2023年，IMO通过了《2023年IMO船舶温室气体减排战略》，要求国际航运温室气体排放总量2030年相比2008年至少减少20%，力争减少30%；2040年相比2008年至少减少70%，力争减少80%；到2050年左右实现航运温室气体零排放。在此背景下，为航运业探索清洁能源解决方案，提升船舶绿色化水平以满足日益严格的温室气体排放要求十分重要。

       商船可利用的清洁能源分为可再生能源和不可再生能源两类。不可再生能源如液化天然气 ( LNG )、甲醇和氨燃料，可逐步作为柴油的替代品。与此同时，可再生能源如太阳能和风能因其零污染特性受到重视。船舶在海洋中航行，使用风能对其而言具有得天独厚的优势。实际应用中，包括油船、滚装船、散货船、邮轮在内的多种类、多艘次商船已经使用了风帆助航技术，其能够有效降低船舶油耗也已被证实。应用风帆助航能够节约燃料并减少CO₂排放，有助于促进航运业可持续发展。

        二、风帆助航技术

       风帆助航作为一种古老的推进技术，近年来在全球航运业中重新获得关注。随着环保法规的趋严和对燃料效率的重视，风帆助航方案逐渐被越来越多的船东采纳。国际上，许多公司已成功将风帆技术应用于远洋商船。在中国，多家船舶制造单位也在积极推动风帆技术的发展，如大连船舶重工集团和上海中远海运重工等，已成功试航了多艘配备风帆的油船和散货船。这表明中国在风帆船的研发、制造和应用方面已达到国际领先水平。总体来看，风帆助航技术不仅能有效降低航运成本，还符合全球可持续发展的趋势，是未来航运业的重要发展方向。

       风帆装置可将风能转换为船舶航行的辅助推进动力。根据设备工作原理，现代风帆助航设备被划分为转筒风帆、硬质风帆、风筝风帆以及其他类型风帆。其中，转筒风帆和硬质风帆在现代航运中应用广泛，尤其是翼型风帆因其优良的空气动力特性和简单的维护结构而备受青睐。

        ( 一 ) 转筒风帆

       转筒风帆是一种十分有效的风能捕获装置，它早在100年前就被安装在船舶上应用^[1]。1924年，德国船舶Buckau首次安装转子装置并进行航行测试，见图1。

图1  转筒风帆船Buckau

( 资料来源：https://dx.doi.org/10.1155/2016/3458750 )

       转筒风帆的几何外形是垂直的圆柱体。当风吹过旋转的转筒时，由于马格努斯效应，风帆会产生垂直于风向的升力和沿风向的阻力，其中升力沿船舶航行方向的分量为船舶产生助推贡献。转筒的切向速度、环境风速和转筒的几何尺寸能够直接影响其助推力大小。通过调整风帆的转速和旋转方向，可以调节风帆受力的大小和方向，从而为船舶提供前进的推力。转筒风帆需要电机驱动其旋转才能产生升力，因此该装置需要消耗额外的能量^[2]。图2为转筒风帆工作原理示意图。

图2  转筒风帆工作原理示意图

       目前在船舶上安装应用的转筒风帆的直径一般为1.5~5.5 m。为了捕获更多的风能，转筒风帆的尺寸将向着更大的方向发展。转筒风帆的安装和应用适用于许多船型，例如油船、散货船、滚装船、客船等。典型的应用案例是2010年Enercon公司推出的由转筒风帆驱动的名为E-ship 1的货船，与同尺寸的常规货运船相比，E-ship 1上的风帆装置可节省多达25％的燃料^[3]。2014年，Bore公司旗下一艘9 700 t滚装船Estraden轮安装了Norsepower公司的转筒风帆，该船在荷兰与英国之间往返航行，能够实现5%燃料节约^[4]。2018年，Victoria Steamship公司的6 400 t散货船Afros轮安装了4台转筒风帆。同年，维京邮轮旗下的Viking Grace轮安装了一台高24 m、直径4 m的转筒风帆，每年降低燃料成本多达20%，可减少碳排放高达900 t，成为全球第一艘采用转筒风帆技术的客船。油船也有转筒风帆的实际应用案例，如2018年马士基在Maersk Pelican轮上安装了两个高3 m、直径5 m的转筒风帆，降低了8.2%的燃料油消耗^[5]。图3为转筒风帆的典型应用案例。

图3  转筒风帆的典型应用案例

       为适应更广泛的航线要求，转筒风帆向着灵便化发展。2021年，滚装船SC Connector安装了两个Norsepower公司生产的最大的旋翼帆高35 m、直径5 m的可倾斜转筒风帆^[6]。当通过高度限制的大桥及狭窄水道时，转筒风帆能够卧倒以降低其高度，大大增加了风帆船适航水域。

        ( 二 ) 硬质风帆

       硬质风帆也是一种现代化的风帆，通常由坚固的材料制成，其具备良好的空气动力特性。与传统的软帆相比，硬质风帆的结构更为稳定，维护成本较低，适合在各种航行条件下使用。翼型风帆是一种具有代表性的硬质风帆，它的基本工作原理是：空气流经风帆时，风帆压力侧的气流速度低于吸力侧，根据伯努利效应，风帆压力面的压强远高于吸力面，从而产生垂直于气流方向的升力和沿气流方向的阻力^[7]。图4为翼型风帆的工作原理示意图。通过调整风帆的迎风角度 ( 攻角 )，可以将作用在风帆上的合力调整到船舶航行方向，实现风能辅助推进。

图4  翼型风帆工作原理示意图

       翼型风帆结构可靠性高、推力上限大且适应风向范围广泛，已在航运领域得到了广泛应用。现代翼型风帆技术始于20世纪80年代，日本首建Shin Aitoku Maru油船，搭载日本海洋机械发展协会研发的JAMDA型风帆，随后又推出Usuki Pioneer散货船，每日可节省20~23 t燃油^[8]。截至1994年，日本共建造17艘装备JAMDA风帆的船舶。同一时期，英国的Ashington轮也实现了高达30%的燃料节省。2005年后，油价上涨促使风帆助航技术再度受到重视，意大利Perini Navi公司于2006年建造了首艘DynaRig风帆游艇Maltese Falcon。2011年，Eco Marine Power设计的概念船Aquarius结合翼型风帆与太阳能发电技术，实现40%以上燃料节约^[9]。近年来，欧盟等组织也支持风帆改造项目，以减少航运行业的碳排放。

       中国现代化翼型风帆项目始于2015年，由大连海事大学等单位共同实施国家863计划，研究“风翼柴油机混合动力船舶”技术。以5万t级散货船“鹏龙”轮为目标，首次提出基于机翼理论的设计并完成样机建造及调试，证明其节能效果达到5%～10%。2018年，全球首艘装备U型翼帆的超大型油船“凯力”轮建成，实现4.5%的燃料节省；2022年，姊妹船“新伊敦”轮成功试航，节省高达9.8%的燃料，减少2 900 t碳排放^[10]。此系列项目标志着我国在相关技术领域达到了国际领先水平。图5是新一代大型翼帆助航船舶“新伊敦”轮。

图5  新一代大型翼帆助航船舶“新伊敦”轮

        ( 三 ) 风筝帆

       风筝帆的工作原理是通过风筝线将巨大的风筝捕获的风能转移到船舶上，从而减少移动船舶所需的主机动力。风筝在正常情况下会对船产生拉力，这可以转化为主机产生的等效功率。风筝帆的系统相对简单，没有复杂的机械结构和动力系统，因此，帆体具有较高的可靠性和耐久性。图6为风筝帆的工作原理示意图^[11]。与其他风力推进系统相比，风筝帆是一种高空中风力推进器，一般工作高度超过150 m，有时甚至达到400 m。风筝帆几乎不占用甲板面积且无须担心帆体受船舶货物遮挡影响，对于集装箱这类甲板利用率高的船舶是一个较好的选择。然而，由于盛行风和风筝系统的其他限制，风筝帆开启使用和产生助推力的时间较短，这使得风筝帆在远洋船舶上只能开启20%~30%的时间^[11]。

图6  风筝帆工作原理示意图

       2007年，全球第一艘用风筝帆拉动的货船Beluga SkySails轮由德国汉堡市起航，横渡大西洋驶往休斯敦。该风筝帆的面积有160 m²，能够减少10%~35%的耗油量。此外，Beyond the Sea公司研发生产的风筝帆SeaKite，其适用于油船、散货船和集装箱船等，该风帆具备完整的自动风筝牵引系统，平均节省燃料约20%^[12]。2023年，Airseas公司制造的面积250 m²的风筝帆Seawing安装在了154 m长的Villede Bordeaux轮上，预计该风筝帆可以节省16%的燃油。图7是风筝帆典型应用案例。

图7  风筝帆典型应用案例

        ( 四 ) 其他类型风帆

       除了上述转筒风帆、硬质风帆和风筝帆外，也有少数其他类型的风帆应用于现代商船上。

       吸力帆是一种先进的风力辅助推进方案，它利用空气动力学原理和智能吸力机制来提高推进效率。这种技术结合了传统硬质风帆和转筒风帆的优点，使得帆体更小更轻，同时不影响船舶的装载能力。当吸力被激活时，少量空气被吸入，使气流重新附着在帆上，从而产生更大的升力和较小的阻力。吸力帆的设计不仅提高了升力系数，而且减少了风帆的尺寸和重量^[13]。

       充气风帆是一种新兴的风帆助航方案，它通过使用可充气的材料来形成帆面，其工作原理类似于硬质风帆，风帆完全展开后利用风力推进船舶。充气风帆可以快速充气和放气，使得帆面可以在需要时展开，而在进入港口或通过桥梁时收起，这为船舶在复杂水域的航行提供了极大的便利^[14]。

       三翼风帆是一种创新的风帆助航技术，由英国能源科技公司Windship Technology开发。每个风帆都配有后缘襟翼，能优化各种风向产生的动力。这种设计使装置能产生任何当前风动力方案的最高功率密度^[15]。

       转筒风帆、硬质风帆和风筝帆等主流风帆特征对比分析如表1所示。转筒风帆的空气动力学性能最好，在外力的驱动下该风帆的升力系数能够达到12以上，其在侧向风工况下具备出色的推力表现；硬质风帆的空气动力性能次之，因其结构简单、可靠性高、适用风向广，也被广泛应用；风筝帆的空气动力性能较差，不仅如此，风筝帆需要专门的收放装置，增加了其使用成本。需要说明的是，风帆设备的实际节能效果需根据风帆类型、风帆尺寸、船舶吨位以及航线风力资源的实际情况确定。因此，表1中仅给出了已知典型风帆应用案例的评估节能上限。

表1  主流风帆特征对比

        三、风帆助航节能效果影响因素分析

       风帆的类型及尺寸一旦确定，风速和风向、风帆之间的相互干扰以及船体对风帆的遮挡是影响风帆助航节能效果的关键因素。

        ( 一 ) 环境因素

       由于海洋风场存在不确定性，同一条航线风帆助航船舶在航行时所处的风场在不同的时间和空间下可能会有不同的分布状况。加之风帆产生的推力会随船舶相对风向的变化而变化，因此，同一条航线，在不同时间和航向下，风力资源的时空分布不同，风帆所产生的助推效果也有所不同，进而会影响节能减排效果^[16]。

       风帆助航的效果与船舶所在航线航区的风能密切相关。优先选择所处航线航区风能条件较好的船舶安装风帆，可以更有效地利用风能资源。在使用风帆装置时，应根据海上风能的特点优化航线，利用周期性海洋季风，顺风张帆、逆风收帆，以达到最佳风能利用效果。

       风速和风向是影响风帆气动干扰的直接因素。风速的变化会影响风帆上的气流速度，进而改变产生升力和阻力的大小；风向的变化则会影响风帆的攻角，进而改变气动特性。在实际应用中需要适时调整风帆的迎风角，使其能够适应不同的风速和风向，进一步保持最佳的气动效率。

       海平面上的自然风呈现沿海拔梯度化分布。随着高度的增加，风速逐渐增大。Li等^[17]通过数值模拟分析了翼型风帆在大气边界层中的气动特性，发现梯度风能够有效延缓失速并提高升力最大系数。胡文蓉等^[18]采用计算流体力学 ( CFD ) 方法研究了三角形翼帆在梯度风条件下的空气动力性能，然而，他们未能对比梯度风与均匀风下的气动性能差异。司朝善等^[19]则针对VLCC船的U型翼帆布置方案进行了研究，采用梯度化数值风场以更准确地模拟海洋大气边界层流动。此外，Zeng等^[20]在风洞实验中探讨了均匀风与梯度风对圆弧型翼帆的影响，结果表明，在梯度风条件下，升力和阻力系数均有所下降，升力系数降低幅度为16%~44%。胡以怀等^[21]亦利用CFD方法研究了圆弧型翼帆的气动性能，得出在梯度风环境中，翼型风帆最佳攻角不会受到影响的重要结论。

       文献研究表明，在均匀风场中，风速在各个高度上是恒定的，风帆的推力主要由风速和风帆的有效面积决定。而在梯度风场中，由于风速的变化，风帆在垂直方向的作用力不同，使推力系数与风帆在均匀风场中时显著不同。在梯度风条件下，翼型帆的升力和阻力系数会有所变化，但并不影响风帆获得最大推动力时的最佳攻角。

        ( 二 ) 风帆之间干扰因素

       对于风帆之间的干扰，国内外学者已经广泛而系统地开展了研究，例如探究双帆间距对风帆系统气动特性的影响、双帆或多帆系统的阵列设计等。

       早在1983年，张云彩等^[22]对圆弧型翼帆的流体动力性能进行了系统的实验研究，指出现代助航船通常配置多个风帆，由于风帆布置受限于甲板面积，因此研究风帆之间的相互干扰尤为重要。Hussain等^[23]分析了沿船长方向布置的五台圆弧型翼帆的气动特性，结果表明第一个风帆受到的风力最大，而上游风帆对下游风帆形成了屏障，显著降低了下游帆的阻力。Atkinson等^[24]进一步利用CFD方法探讨了单个圆弧型翼帆的气流与阻力特性，发现当攻角超过30°时，尾迹显著形成，可能导致下游风帆受到干扰。因此建议在安装多个风帆时尽量增加其间距以优化气动性能。Zeng等^[25]分析了风帆的尾流特性，强调空气流速降低与尾流振荡对下游风帆的负面影响。Li等^[26]探讨了三个纵向布置风帆的助推性能，发现风帆间距离是实现高气动特性的关键因素。Sun等^[27]研究了间距对双帆推进系统总升力系数的影响，指出前后风帆之间存在显著的相互干扰，且当距离在0~1倍弦长范围内时，升力系数随距离增加而增长，最终在1~3倍弦长范围内趋于稳定。Makram等^[28]设计了九种不同展弦比、锥度比及风帆数量的风帆阵列，强调了风帆间相互作用的重要性。研究指出，不考虑相互作用将导致风帆系统推力与横向力被高估。同时，风速也是影响风帆间干扰的重要因素，即随着风速增加干扰效应显著增强，从而使得推力降低。Lee等^[29]通过数值方法研究了三台机翼型风帆的气动相互作用，发现当攻角固定为8°时，多个翼型风帆的推力系数相比单个风帆降低了21%~43%。

       综上所述，国内外学者对风帆间的干扰现象进行了广泛研究，主要结论可归纳为两点：( 1 ) 风帆间相互作用导致风帆系统的推力低于理论总和；( 2 ) 双帆间距为影响多帆系统气动特性的重要因素，其干扰程度与间距呈反比例关系。因此，在同一船舶上安装和应用多台风帆时，需要重视风帆间的空气动力学干扰问题。

        ( 三 ) 船舶上层建筑干扰因素

       司朝善等^[19]利用CFD方法对VLCC船周围的流场进行了仿真模拟，并总结了船舶上层建筑对风帆装置的影响以及风帆之间的干扰特性。研究结果显示在布置风帆时应远离上层建筑，并尽可能减小风帆之间的影响。Fujiwara等^[30]利用风洞试验研究了三角形风帆和矩形风帆之间的相互作用以及风帆与船体上层建筑之间的相互作用，发现沿船长纵向布置的四个三角形风帆的平均推力衰减为单个帆的75%，而矩形风帆的平均推力衰减为单个帆的76%。研究结果表明，在评估风帆的推力性能和建造风帆船时，应当考虑到风帆之间的相互作用以及风帆与船体上层建筑之间的相互影响。

       汇总相关研究结果，风帆助航干扰因素对比情况如表2所示。

表2  风帆助航干扰因素对比

        四、总结与展望

       通过分析风帆助航技术原理和节能效果影响因素，得出以下结论：

        ( 1 ) 风帆助航技术的研发与应用有助于船舶的节能减排，包括转筒风帆、硬质风帆和风筝帆等多种风帆技术被广泛应用，安装风帆能够为单艘船舶节约3%~30%的燃油消耗。

        ( 2 ) 海洋风场等环境因素对于风帆助航节能效果具有决定性的影响。风速和风向是影响风帆气动特性的直接因素，梯度风场导致风帆推力和阻力沿高度方向梯度化分布，但并不影响风帆获得最大推力时的最佳攻角。

        ( 3 ) 风帆间的干扰导致风帆系统的推力低于理论总和，双帆间距为影响多帆系统气动特性的重要因素，其干扰程度与间距呈反比例关系。

        ( 4 ) 船舶上层建筑会导致风帆推力衰减。

       因此，尽管风能是一种可再生且零排放的能源，风帆助航设备在船上应用已成为航运业绿色转型的优选方案，风帆助航技术具有广阔的发展前景，但是为了获得更好的节能效果，必须解决以下技术瓶颈：

        ( 1 )  多变环境要素作用下风帆助航船舶能效动态耦合问题。在风帆助航船舶航行的过程中，受到风、浪、流等多变航行环境要素的影响，使得船舶航行状态、风帆运行状态以及船舶推进系统的工作特性的分析十分复杂，从而导致船舶的能效管理，如航线、航速在线优化以及能效实时评估等十分困难。因此，必须解决复杂多变航行环境条件下的风帆助航船舶能效动态耦合问题，提高风帆助航船舶节能效果。

        ( 2 )  多风帆干扰及其与船舶上层建筑的能效动态耦合问题。通过分析强非线性的风、浪、流情况下，风帆及其与船舶上层建筑的相互干扰问题，优化风帆和船舶主动力装置协同操作方案，提高风帆助航船舶能效。

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作者简介：

吴建移，招商局能源运输股份有限公司，总轮机长，技术总监。

李灵波，河北省船舶检验中心，副主任，高级工程师。

陈   刚，大连海事局，高级工程师。

*项目编号：论文获国家重点研发计划项目 ( 项目编号：2022YFB4300803 ) 资助。