胡以懷　王友聰

摘 要:介紹了日本風(fēng)力助航船舶的研究背景,總結(jié)了日本風(fēng)力助航兩個(gè)主要階段的研究內(nèi)容和成果,包括風(fēng)帆控制設(shè)計(jì)、伸子帆性能試驗(yàn)、次世代型風(fēng)帆助航、矩形復(fù)合風(fēng)帆和多帆干涉風(fēng)洞試驗(yàn),以及船用風(fēng)力發(fā)電裝置的開發(fā)研究,對我國開展相應(yīng)的研究有很大的借鑒作用。

關(guān)鍵詞:風(fēng)力助航;風(fēng)力發(fā)電;新能源

中圖分類號:TK89

文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A

文章編號:1005-569X(2009)07-0103-03

1研究背景

日本地處亞歐大陸東端,是一個(gè)四面臨海的島國,自然資源異常缺乏,逐漸形成資源輸入、來料加工、產(chǎn)品輸出的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。作為承擔(dān)產(chǎn)品輸出工具的船舶運(yùn)輸業(yè),在日本經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也形成了節(jié)能高效的特色。

1973年10月第四次中東戰(zhàn)爭爆發(fā),包括非洲產(chǎn)油國在內(nèi)的阿拉伯石油輸出組織成員國同海灣阿拉伯國家一起,形成了一股強(qiáng)大的以石油為武器的統(tǒng)一戰(zhàn)線,采取獨(dú)自的石油政策,不僅紛紛將西方國家石油公司實(shí)行國有,大幅度提高石油價(jià)格,同時(shí)對親以色列的美國及盟友采取中斷或減少石油供應(yīng)的措施,形成第一次國際石油危機(jī)。石油資源極端依靠外來進(jìn)口的日本面對石油危機(jī)深感焦慮,積極采取應(yīng)對措施。在此期間,日本造船業(yè)和航運(yùn)界眾多學(xué)者發(fā)表大量學(xué)術(shù)論文研究船舶節(jié)能措施,并開始風(fēng)力助航的研究。

船舶風(fēng)力助航就是在現(xiàn)代船舶中通過計(jì)算機(jī)控制風(fēng)力利用裝置進(jìn)行一次能源以及二次能源的開發(fā)利用,達(dá)到節(jié)能減排的一種船舶助航技術(shù)。其中風(fēng)帆助航為一次能源助航研究的通用思路,而船用風(fēng)車發(fā)電則屬于二次能源助航研究的后起之秀。

2 研究階段

2.1 第一個(gè)階段:

上世紀(jì)70年代中期至上世紀(jì)末。該階段集中研究風(fēng)帆助航的可行性,比較著名的學(xué)者及其觀點(diǎn)如表1所示(以下論文發(fā)表在《日本舶用機(jī)關(guān)學(xué)會志》上):

他們的主要研究是通過大量船模試驗(yàn),選擇風(fēng)帆結(jié)構(gòu)、類型和截面形狀,其突出成果是1980年8月日本建成世界上第一艘不需要人工操帆的現(xiàn)代風(fēng)帆助航商用油輪――“新愛德丸”號。在日本船舶振興會財(cái)團(tuán)法人的援助下,日本船用設(shè)備開發(fā)協(xié)會在“新愛德丸”號上進(jìn)行了以操帆自動化為主,兼及船型、螺旋槳、船用主機(jī)的改進(jìn)工作。“新愛德丸”號裝有2個(gè)高12.15m、寬8m的風(fēng)帆,風(fēng)帆用鋼骨架和聚酯纖維制成硬質(zhì)風(fēng)帆。風(fēng)帆的最佳角度、收攏和展開由電子計(jì)算機(jī)控制,通過液壓系統(tǒng)操作。如果風(fēng)速超過20m/s,風(fēng)帆自動收折以確保航行安全。除來自船首左右兩側(cè)20o方向范圍內(nèi)的風(fēng)力外,其它320o角度內(nèi)來的風(fēng)力均可利用作為推進(jìn)動力。在充分利用風(fēng)力推進(jìn)的前提下,電子計(jì)算機(jī)自動調(diào)節(jié)船舶主機(jī)的輸出功率,達(dá)到帆、機(jī)的匹配。實(shí)際航行證明,“新愛德丸”號與同型傳統(tǒng)的船舶相比可綜合節(jié)油50%左右。

由于風(fēng)帆助航的船舶的節(jié)能、安全效益十分明顯,日本隨后又相繼建造了多艘風(fēng)帆助航船舶,如表2所示。

總的來說,風(fēng)力助航第一階段的研究,是以降低燃油消耗量,提高經(jīng)濟(jì)性為主要目的。

2.2 第二個(gè)階段:

上世紀(jì)末期至今。近十幾年來,日本航運(yùn)和造船業(yè)為順應(yīng)國際防污染公約的要求,進(jìn)行了大量船舶風(fēng)帆助航的基礎(chǔ)研究。本世紀(jì)初又提出次世代型風(fēng)帆助航船舶的研發(fā)計(jì)劃,同時(shí)進(jìn)行了世界首次船用風(fēng)力發(fā)電裝置的航行搭載試驗(yàn)。具體研究內(nèi)容包括:

2.2.1伸子帆的性能試驗(yàn)

伸子帆為不等邊四邊形縱帆,同時(shí)風(fēng)帆橫向裝有一定數(shù)量的被稱為板條的竹竿。該類風(fēng)帆的收帆、順風(fēng)以及逆風(fēng)操帆的性能優(yōu)良。從明治末期到昭和初期,以日本西部為主的運(yùn)輸船舶廣泛應(yīng)用伸子帆,但這類帆的航行性能一直不清楚。

研究者針對空氣動力試驗(yàn)船“風(fēng)神”號使用的伸子帆,先通過模型的風(fēng)洞試驗(yàn)測量風(fēng)帆的流體動力特點(diǎn),再通過風(fēng)帆測力計(jì)測量到升力系數(shù)與阻力系數(shù),以及通過CCD相機(jī)拍攝到的伸子帆的外形參數(shù),確定了伸子帆的特征,取得成果如下:

(1) 確定了風(fēng)帆形狀與流體動力系數(shù)CL以及CD之間的關(guān)系;

(2) 對于伸子帆來講,即使迎風(fēng)角增大,但由于風(fēng)帆的中上部變深,張角范圍變小,也不會出現(xiàn)升力系數(shù)急劇減少的情況;

(3) 由于伸子帆設(shè)置在桅桿右端,因此左舷受風(fēng)時(shí)的性能優(yōu)于右舷受風(fēng)。

2.2.2 次世代型風(fēng)帆助航研究

首先,日本專家對高升力風(fēng)帆進(jìn)行了相關(guān)的風(fēng)洞試驗(yàn),確認(rèn)了影響升力系數(shù)的主要因素,成功開發(fā)出單只風(fēng)帆最大升力系數(shù)2.58、推進(jìn)系數(shù)2.73、縱橫比2.63的矩形復(fù)合風(fēng)帆。在矩形以及三角形等高升力風(fēng)帆的風(fēng)洞試驗(yàn)中,研究了風(fēng)帆之間以及風(fēng)帆與船體之間的干涉關(guān)系。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明,相比于單只風(fēng)帆的性能參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行船舶風(fēng)帆的配置,在干涉影響作用下風(fēng)帆的性能會下降25%左右。同時(shí)發(fā)現(xiàn),將風(fēng)帆傾斜排列可將干涉影響造成的性能下降減至18%。

其次,對水中翼的相關(guān)性能進(jìn)行了水槽試驗(yàn),通過改變水中翼的面積與安裝位置,求出其流體特性表達(dá)式。船模試驗(yàn)表明,水中翼能夠在較小的面積上產(chǎn)生較大的橫向力,取得首尾方向的壓力位置向后移動的效果,實(shí)現(xiàn)風(fēng)帆助航的穩(wěn)定性與高效性。

隨后,日本專家研究了起重機(jī)兼用型高升力復(fù)合風(fēng)帆的性能。在風(fēng)洞試驗(yàn)過程中不斷調(diào)整帆桿、硬帆以及軟帆的相對位置,最后發(fā)現(xiàn)起重機(jī)兼用型高升力復(fù)合風(fēng)帆的升力系數(shù)以及推進(jìn)系數(shù)可分別達(dá)到2.15到2.46。

此外,日本學(xué)者還開發(fā)出風(fēng)帆助航船舶專用航線氣象系統(tǒng)。傳統(tǒng)船舶基本是以避讓海浪以最短時(shí)間達(dá)到目標(biāo)港口為目的來選擇航線的。但是,次世代型風(fēng)帆助航船舶是以最大限度利用風(fēng)能同時(shí)盡力降低二氧化碳的排量為目的航行。為此,日本學(xué)者開發(fā)了風(fēng)帆助航船舶用航線氣象系統(tǒng)。實(shí)際航行證明,在減少二氧化碳排放量方面,裝備起重機(jī)兼用型高升力復(fù)合風(fēng)帆船舶可減少11.7%,使用風(fēng)帆助航用航線氣象系統(tǒng)可減少6.5%,綜合效果能夠達(dá)到17.4%。

2.2.3 船用風(fēng)力發(fā)電裝置的開發(fā)

2004年日本學(xué)者進(jìn)行了世界首次船舶搭載型風(fēng)力發(fā)電裝置的實(shí)際航行試驗(yàn),并取得了很好的效果。船載的風(fēng)力發(fā)電裝置包括直線翼垂直軸型風(fēng)車、發(fā)電機(jī)、制動裝置、控制裝置、電池、控制用風(fēng)向風(fēng)速計(jì)、數(shù)據(jù)收集裝置以及作為負(fù)荷的空調(diào)器。該系統(tǒng)的額定輸出功率為3kW,輸出為100V/ 60Hz單相電壓,額定風(fēng)速14m/s,額定旋轉(zhuǎn)速度250r/min,啟動風(fēng)速2.5m/s,停止風(fēng)速15m/s,陣風(fēng)耐力22.5m/s,極限風(fēng)速50m/s。風(fēng)車采用定距直線翼垂直軸型風(fēng)車,旋轉(zhuǎn)直徑2.5m,長度2m,系統(tǒng)組成如圖1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)系統(tǒng)整體運(yùn)行高效可靠;

(2)直線翼垂直軸型風(fēng)車發(fā)電系統(tǒng)的空氣動力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)、材料以及額定負(fù)荷控制滿足實(shí)船要求;

(3)高速運(yùn)行期間可通過空氣斷路器防止超速運(yùn)轉(zhuǎn)。

總的來講,日本的風(fēng)力助航研究正處于第二階段,主要以降低溫室氣體排放,充分利用風(fēng)能為主要目標(biāo)。

3結(jié)語

二十世紀(jì)六十年代初德國就開始研究萬噸級大型風(fēng)帆助推運(yùn)輸船,他們設(shè)計(jì)了六桅風(fēng)帆助推船“ DYNA” 號。1980年德國為印尼開發(fā)了一種風(fēng)帆助推貨船來往于印尼各島之間。近幾年來法國地中海海運(yùn)社也建造了一批風(fēng)帆助航的客船,其后又建造了全長為187米,號稱世界最大級的風(fēng)帆助航客船“La Fayette”號航行于加勒比海域。相比于歐洲同行,日本更注重于風(fēng)帆特性的研究,特別是他們的“機(jī)主帆輔”的設(shè)計(jì)觀念比較符合實(shí)際,這是他們的成功之處,值得我們借鑒。我國的船舶風(fēng)力助航研究起步于80年代初,突出成果是1986年研制成功的我國第一艘實(shí)用型120噸風(fēng)帆助航機(jī)動船,其中“軸帶風(fēng)帆”裝置是操帆方式的首創(chuàng)。但是,隨后的研究進(jìn)展就變得相當(dāng)緩慢?？梢哉f,我國的風(fēng)力助航研究僅處于日本第一階段的初期水平,差距很大。

當(dāng)今世界石油短缺,溫室效應(yīng)又日益顯著,國際社會對控制二氧化碳排放的呼聲日益高漲,研究船舶風(fēng)力助航顯得尤為重要。我們應(yīng)該借鑒日本同行“機(jī)主帆輔”的研究經(jīng)驗(yàn),加強(qiáng)風(fēng)帆助航的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究和實(shí)船應(yīng)用研究,使節(jié)能環(huán)保的風(fēng)力助航技術(shù)盡早運(yùn)用到我國大型運(yùn)輸船舶。

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