風帆助推技術在大型船舶上的應用及風險分析

節能、環保一直是近年來航運關注的熱點之一，也成為船舶設計的趨勢和目標。自船舶能效設計指數（EEDI）要求強制生效以來，業界從航速優化、型線優化、機槳匹配、節能裝置等多方面改進設計，使得EEDI值和船舶能耗不斷降低。但同時也應注意到另一個趨勢，就是常規的船舶設計技術手段的節能潛力正在逐步減小，很多船型要滿足EEDI第3階段指標要求還存在較大困難。為此，必須尋找新的提高船舶設計能效的替代方法。

太陽能和風能作為公認的綠色替代能源，目前在航運方面應用程度有限。風能作為船舶最原始的驅動方式，在人類航海史上曾經起過不可替代的作用。人類在風帆驅動方式的應用方面，有著豐富的經驗和積累。在尋找新的方法提高船舶能效設計指數時，自然會將眼光轉向風能的利用。

船舶使用風能作為驅動力，一般會采用風帆直接驅動技術，當然還包括風力發電后作為船舶推進動力的風力間接驅動技術。風力直接驅動常見的方式一般有桅式傳統阻力帆、翼面升力帆、富萊特納旋筒和風箏帆等，其中，阻力帆和風箏帆均系采用相當面積的受風裝置承受風壓，從而因風壓的作用產生推進力；翼面升力帆系利用氣流在特定裝置的表面發生流場改變，從而利用氣動學原理產生推進力；富萊特納旋筒系利用氣流通過高速旋轉的圓筒時，產生壓力差的馬努斯效應產生推進力。隨著空氣動力學技術以及船舶設計手段的進步，采用空氣動力學原理的升力帆和富萊特納旋筒技術，因其輔助推進效率較高，逐步成為利用風能提高船舶能效的首選。

風帆技術，特別是升力帆技術在現代設計內燃機推進的船舶上作為輔助動力應用，目前整個業界尚缺乏成熟的經驗。目前在升力帆的技術開發和應用研究方面，日本和部分歐洲國家早在五年前就開展了相關工作。為填補我國在這方面的空白，2015年經工信部立項，我國成立了以大連船舶重工集團有限公司牽頭、由船東、船級社、大專院校等參加的科研團隊，開展了以構建風帆技術應用技術標準、建造工藝驗證、實船節能效果驗證為目的的系統性研究。研究工作將通過制造1:1的風帆工程樣機，并安裝于VLCC實船上，來驗證大型船舶使用風帆助推的可行性和節能效果。中國船級社作為參研單位，承擔了從風險分析、技術標準構建、檢驗/試驗要求制定、EEDI驗證方法研究等工作，幾乎覆蓋全部科研和實船示范工程中與安全性分析、評估和驗證相關的工作，并承擔了實船的檢驗和發證工作。

在研究工作之初，CCS的團隊就面臨諸多困境。一方面是風帆應用缺乏法規框架和技術標準的支持，無法采用常規的按照既有標準和規范進行技術驗證的工作方法；另一方面，為產生足夠的推進力，現代設計風帆的尺度一般較大，除自身結構強度和驅動裝置等多面臨的技術問題外，還會對船舶的結構、布置等原有常規設計造成影響，存在一定的技術和操作性風險，這方面也缺少系統性的經驗可供借鑒。

針對本項目的具體情況，CCS確定了以風險分析為基礎和主要手段，借鑒類似布置、結構型式和可靠性的系統和設備的現有技術要求，來構建風帆技術要求的路線圖。通過對風險分析的策劃，最終確定與風帆技術實船應用相關的風險主要有風帆和實船界面風險，以及風帆裝置自身的風險兩大類，并采用不同的風險分析方法開展工作。

在風帆和實船界面方面，主要涉及船舶加裝風帆后，影響現有規范和法規符合性驗證的因素，以及對船舶的營運和操作產生影響的因素。這方面的風險和影響因素主要包括完整穩性方面影響；船舶結構強度方面影響；因風帆的遮擋造成的負面影響；船舶操縱性方面影響；錨泊和系泊方面影響；甲板直升機作業方面影響；對船舶安全操作和船員舒適性方面影響；對船舶在惡劣天氣下操縱能力的影響；振動和諧搖方面的考慮因素；電氣特性對船舶布置的影響。

總之，因船舶安裝風帆，對船舶的結構、布置和整體性能造成的影響是多方面和廣泛的，需要進行細致甄別和評估，將對安全和操作的負面影響降至可控水平。

在風帆裝置自身的風險方面，主要基于避免因風帆的失效對船舶的安全造成災難性后果進行設計和評估，將無法降帆、風帆倒伏、帆面墜落、風帆無法回轉設定為風帆出現故障后的災難性后果。通過FMEA分析等手段，避免風帆的液壓系統、機械傳動裝置、電氣控制裝置因單一故障導致災難性后果，并通過系統的設計改進和操作限定來保證基本的安全。

隨著科研工作的深入和實船工程的逐步展開，CCS將對基于風險評估制定的設計和評估技術標準不斷進行完善，構建風帆技術實船應用的技術標準和規范體系，服務于業界，共同建立和保持我國在風力輔助推進方面國際前沿和領先的技術能力。