摘" 要：翼型風(fēng)帆可為船舶滿足能效設(shè)計(jì)指數(shù)（Energy Efficiency Design Index， EEDI）要求提供支撐。首先，針對(duì)超大型油船（Very Large Crude Carrier， VLCC），采用通函方法對(duì)影響翼型風(fēng)帆的EEDI相關(guān)因素進(jìn)行評(píng)估，包括風(fēng)帆布置、船舶航速及航線風(fēng)況等；進(jìn)一步分析VLCC、加裝4帆的VLCC相近營運(yùn)航線及相近營運(yùn)時(shí)間的實(shí)船營運(yùn)數(shù)據(jù)，定量評(píng)估加裝翼型風(fēng)帆帶來的能效收益。研究表明，航線風(fēng)況是敏感性影響因素，當(dāng)采用新實(shí)施的MEPC.1/Circ.896方法時(shí)，翼型風(fēng)帆EEDI貢獻(xiàn)率可達(dá)到近6%；隨著船速降低，風(fēng)帆組對(duì)EEDI的貢獻(xiàn)度也會(huì)增加；與風(fēng)帆組布置相比，風(fēng)帆總面積對(duì)其EEDI貢獻(xiàn)度的影響更大；相較無帆VLCC，船舶加裝風(fēng)帆后典型航線滿載吃水的節(jié)能可達(dá)8.4%。該文可為翼型風(fēng)帆助推船舶設(shè)計(jì)及其EEDI計(jì)算方法研究提供支撐。

關(guān)鍵詞：翼型風(fēng)帆；VLCC；EEDI；實(shí)船營運(yùn)；模型試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U661.39" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）03-0124-05

Abstract： Wing sail technology is an option for the cargo ship to meet the requirement of Energy Efficiency Design Index（EEDI）. Firstly， the factors influencing the EEDI contribution of wing sails for a Very Large Crude Carrier（VLCC） have been carried out based on the method described in Circulars of MEPC， including the arrangements of sails， ship speeds， and wind probabilities along the routes. Furthermore， ship operation data were analyzed for a VLCC with and without four sails during similar operating routes and times， and the energy efficiency of sails was quantitatively evaluated. The conclusions obtained show that wind probability is a sensitive factor， and when following the method in MEPC.1/Circ.896， the EEDI contribution of four sails for the VLCC can reach almost 6%. The EEDI contribution of the sails tends to increase as the ship speed decreases. The total area of the sails has a greater effect on the EEDI contribution than the sail arrangement. Compared to VLCC without sails， energy savings as sails installed can be obtained about 8.4% on a typical route when the ship is at scantling draft. This paper work can provide support for the design and research of EEDI for wing sail assisted ship.

Keywords： Wing sail; VLCC; EEDI; ship operation; model test

利用風(fēng)能的翼型風(fēng)帆助推技術(shù)是航運(yùn)業(yè)關(guān)注的節(jié)能減排技術(shù)之一。大量的理論研究和實(shí)船應(yīng)用表明，該技術(shù)是降低船舶EEDI的有效技術(shù)之一[1]。伴隨著風(fēng)力助推系統(tǒng)的應(yīng)用推廣，作為船東、設(shè)計(jì)方及設(shè)備供應(yīng)商等，從不同角度都有需求對(duì)風(fēng)力推進(jìn)系統(tǒng)的能效做出客觀、透明的評(píng)估。海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)第65屆會(huì)議（MEPC65）通過了針對(duì)創(chuàng)新能效技術(shù)EEDI計(jì)算方法的指南[2]，其中包含了風(fēng)力助推系統(tǒng)，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者也參考該文件對(duì)不同形式風(fēng)力助推系統(tǒng)的EEDI貢獻(xiàn)度進(jìn)行了評(píng)估[3～5]。2021年11月召開的海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)第77屆會(huì)議（MEPC77）審議通過了新修訂的指南通函MEPC.1/Circ.896[6]，其詳盡介紹了包括風(fēng)力助推系統(tǒng)在內(nèi)的創(chuàng)新能效技術(shù)EEDI計(jì)算方法，特別是針對(duì)風(fēng)力助推系統(tǒng)的推力矩陣獲取方法及應(yīng)用進(jìn)行了更新。相關(guān)機(jī)構(gòu)或?qū)W者圍繞該通函中的方法魯棒性開展了論證研究。荷蘭海洋研究所（MARIN）和美國船級(jí)社（ABS）在其發(fā)起的風(fēng)力推進(jìn)工業(yè)界聯(lián)合項(xiàng)目（WiSP2.0）中針對(duì)不同類型風(fēng)力助推裝置的EEDI貢獻(xiàn)度開展了研究，包括風(fēng)力助推及主推的評(píng)估方法對(duì)比[7]、航線風(fēng)況敏感性研究[8]等。Chen等[9-10]結(jié)合全球主要海運(yùn)航線風(fēng)況統(tǒng)計(jì)，分別采用MEPC.1/Circ.896文件方法及日本操縱性運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型研討組（Maneuvering Model Group， MMG）的分離模型思想，針對(duì)翼型風(fēng)帆助推VLCC的風(fēng)帆組推力及其EEDI貢獻(xiàn)度進(jìn)行了研究。從目前研究現(xiàn)狀來看，鮮有關(guān)于針對(duì)翼型風(fēng)帆EEDI貢獻(xiàn)度影響因素的評(píng)估研究。

針對(duì)于此，首先參考相關(guān)通函中船舶EEDI計(jì)算方法，對(duì)影響翼型風(fēng)帆EEDI貢獻(xiàn)度的因素進(jìn)行了評(píng)估研究，包括風(fēng)帆組布置、船速以及全球主要海運(yùn)航線風(fēng)況概率等；進(jìn)一步分析了VLCC、加裝4帆VLCC相近營運(yùn)航線及相近營運(yùn)時(shí)間的營運(yùn)數(shù)據(jù)，基于兩者燃油消耗、航行里程及載重噸等關(guān)鍵數(shù)據(jù)差異的比較，定量評(píng)估了典型航線加裝翼型風(fēng)帆帶來的能效收益。本文可為翼型風(fēng)帆助推船舶設(shè)計(jì)及其EEDI計(jì)算方法研究提供支撐。

1" 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象是一艘VLCC，該船安裝了2對(duì)翼型風(fēng)帆，對(duì)稱布置在左舷和右舷，如圖1所示。前2帆和后2帆外形完全相同，2種方案僅風(fēng)帆橫向間距存在差異，相較前2帆，后2帆的橫向間距較小。翼型風(fēng)帆布置滿足公約中的駕駛視線要求[11]。VLCC和翼型風(fēng)帆的主要參數(shù)見表1、表2。由水池試驗(yàn)結(jié)果可知[12]，當(dāng)主機(jī)功率輸出為75%的主機(jī)最大持續(xù)功率（MCR）時(shí)，滿載吃水下的參考航速為15.21 kn，推進(jìn)效率ηD為0.803。

2" 翼型風(fēng)帆EEDI貢獻(xiàn)度影響因素研究

2.1" 風(fēng)帆組布置影響

考慮船體-風(fēng)帆及風(fēng)帆-風(fēng)帆干擾，分別開展了VLCC在無帆、僅前2帆、僅后2帆及4帆同時(shí)存在時(shí)的風(fēng)洞模型試驗(yàn)。風(fēng)洞模型試驗(yàn)按照幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似進(jìn)行?？紤]到試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷纳蠈咏ㄖ灰?guī)則，且大量模型試驗(yàn)表明[13-14]，風(fēng)力系數(shù)隨模型試驗(yàn)雷諾數(shù)的增加而保持不變。因此認(rèn)為此時(shí)開展的試驗(yàn)近似符合動(dòng)力相似條件。試驗(yàn)時(shí)，基于船體長度的雷諾數(shù)Re約為2.8×106。滿載工況下，典型狀態(tài)的試驗(yàn)照片如圖2所示。

基于全球主要海運(yùn)航線風(fēng)況概率統(tǒng)計(jì)[15]及風(fēng)洞模型試驗(yàn)結(jié)果，首先按照MEPC.1/Circ.815文件方法，獲得了上述不同風(fēng)帆布局方案的風(fēng)帆組平均推力及EEDI計(jì)算結(jié)果，見表3。采用MEPC./Circ.815文件中的EEDI公式計(jì)算時(shí)，各修正系數(shù)均取為1，碳轉(zhuǎn)換系數(shù)（CF）參考基準(zhǔn)線的計(jì)算確定過程，同取3.114[16]。

由表3可見，基于全球主要海運(yùn)航線的風(fēng)況獲得的僅前2帆、僅后2帆平均推力及達(dá)到的EEDI值基本相當(dāng)，其中，因后2帆橫向間距較小，該狀態(tài)下產(chǎn)生的平均推力略小，達(dá)到的EEDI略大。

對(duì)比前、后4帆和僅前2帆、僅后2帆的線性求和可見，4帆同時(shí)存在時(shí)風(fēng)帆組提供的平均推力小于僅前2帆、僅后2帆狀態(tài)的線性求和，這是由于風(fēng)帆-風(fēng)帆間不利干擾所導(dǎo)致。

相較EEDI基線值，采用MEPC.1/Circ.815中加裝風(fēng)帆的EEDI計(jì)算方法，加裝4帆后的VLCC達(dá)到的EEDI下降了約30.1%。

2.2" 航速影響

基于VLCC風(fēng)帆船4帆布局風(fēng)洞模型試驗(yàn)結(jié)果及靜水中的水池試驗(yàn)結(jié)果，按照MEPC.1/Circ.815中船舶的EEDI計(jì)算方法，分別針對(duì)VLCC不同航速下加裝4帆時(shí)的平均推力和EEDI進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見表4。

由表4可見，隨著航速減小，基于全球主要海運(yùn)航線風(fēng)況數(shù)據(jù)獲得的風(fēng)帆組平均推力增大，EEDI貢獻(xiàn)度也對(duì)應(yīng)增大。這與航速變化所對(duì)應(yīng)的相對(duì)風(fēng)向角變化是一致的，即航速減小時(shí)，基于全球主要海運(yùn)航線風(fēng)況計(jì)算的相對(duì)風(fēng)向角呈增大趨勢，使得風(fēng)帆組推力系數(shù)增大，并導(dǎo)致風(fēng)帆組平均推力增大。

航速改變對(duì)有、無風(fēng)帆組時(shí)的VLCC達(dá)到的EEDI變化尤為顯著。當(dāng)航速降低時(shí)，可大幅降低船舶達(dá)到的EEDI值。

相較加裝的風(fēng)帆總面積，航速對(duì)船舶達(dá)到的EEDI值影響更為顯著。

2.3" 風(fēng)況影響

進(jìn)一步地，按照新實(shí)施的MEPC.1/Circ.896文件中船舶的EEDI計(jì)算方法，針對(duì)VLCC加裝4帆時(shí)達(dá)到的EEDI進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見表5，表5中同時(shí)給出了按照MEPC.1/Circ.815計(jì)算的結(jié)果。圖3給出了根據(jù)MEPC.1/Circ.896文件方法計(jì)算的達(dá)到的EEDI與不同階段參考線的對(duì)比。

由計(jì)算結(jié)果可見，航線風(fēng)況影響風(fēng)帆組EEDI貢獻(xiàn)度較為顯著。相較MEPC.1/Circ.815文件方法獲得的結(jié)果，采用MEPC.1/Circ.896文件方法計(jì)算的達(dá)到的EEDI進(jìn)一步降低，一定程度上提高了風(fēng)帆組的EEDI貢獻(xiàn)度；這主要是由于MEPC.1/Circ.815采用了全球主要海運(yùn)航線100%的風(fēng)場數(shù)據(jù)，而MEPC.1/Circ.896中且僅選用了對(duì)應(yīng)風(fēng)況合概率前[1/2]的推力元素。

相較無帆VLCC，加裝風(fēng)帆后的EEDI下降了約5.6%；相較基線值，降低了約32.1%，達(dá)到了EEDI第三階段要求。

3" 基于實(shí)船營運(yùn)數(shù)據(jù)的翼型風(fēng)帆技術(shù)能效評(píng)估研究

VLCC風(fēng)帆船“New Aden”自營運(yùn)以來，積累了較為豐富的營運(yùn)數(shù)據(jù)和使用經(jīng)驗(yàn)。如前所述，航線風(fēng)況是影響風(fēng)帆組EEDI貢獻(xiàn)度較為顯著的因素。為客觀評(píng)估加裝4帆的船舶能效變化，根據(jù)“New Aden”營運(yùn)數(shù)據(jù)信息，從船隊(duì)中搜集了具有相近航線、相近營運(yùn)時(shí)間、相近載重噸的無帆VLCC “New Valor”（圖4）營運(yùn)數(shù)據(jù)，通過兩者對(duì)比，分析了加裝風(fēng)帆后的能效差異。選擇的對(duì)比評(píng)估航線為“墨西哥灣—新加坡”，總航行45 d內(nèi)主機(jī)每日單位里程燃油消耗對(duì)比曲線如圖5所示。

參考EEDI物理含義，基于總?cè)加拖?、總航行里程以及?shí)際載重噸等關(guān)鍵參數(shù)，以整條航線的單位里程、單位載重噸的燃油消耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比了風(fēng)帆船“New Aden”和無帆船“New Valor”的能效，結(jié)果見表6。

由表6可見，在“墨西哥灣—新加坡”航線上，“New Valor”和“New Aden”的主機(jī)燃油消耗分別為2 301.8 ton和2 102.1 ton。參考EEDI物理含義，以航行總里程、總載重噸歸一化后的單位里程單位載重噸燃油消耗由0.623 g下降至0.570 g，節(jié)能約為8.4%，效果顯著。

4" 結(jié)論

以一30萬噸級(jí)VLCC為例，首先按MEPC.1/Circ.815及MEPC.1/Circ.896中風(fēng)帆船EEDI計(jì)算方法，評(píng)估了多個(gè)影響因素對(duì)風(fēng)帆組EEDI貢獻(xiàn)的影響；進(jìn)一步搜集并對(duì)比分析了一無帆VLCC、加裝4帆VLCC相近營運(yùn)航線及相近營運(yùn)時(shí)間的營運(yùn)數(shù)據(jù)，基于兩者燃油消耗、航行里程及載重噸等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的比較，定量評(píng)估了加裝翼型風(fēng)帆帶來的能效收益。由結(jié)果可見：

1）航線風(fēng)況及風(fēng)帆總面積是影響風(fēng)帆組EEDI貢獻(xiàn)度較為顯著的因素，航速影響次之，相同風(fēng)帆面積下的布局變化影響最小。

2）相較無帆VLCC，當(dāng)采用新實(shí)施的MEPC.1/Circ.896文件EEDI計(jì)算方法時(shí)，加裝4帆的VLCC風(fēng)帆船EEDI下降了約5.6%，相較基線值，降低了約32.1%，達(dá)到了EEDI第三階段要求。

3）相較無帆VLCC，加裝4帆的VLCC典型航線滿載吃水的節(jié)能約為8.4%。

參考文獻(xiàn)：

[1] TODD C， VASILEIOS K， MICHELE A， et al. A comeback of wind power in shipping： An economic and operational review on the wind-assisted ship propulsion technology[J]. Sustainability， 2021，13（4）：1880.

[2] 2013 Guidance on treatment of innovative energy efficiency technologies for calculation and verification of the attained EEDI：MEPC.1/Circ.815[S]. MEPC 65th Session. London， England， 2013.

[3] YOSHIMURA Y， OUCHI K， WASEDA T. Contributions to EEOI and EEDI by wind challenger ships[C]// Proceedings of 7th PAAMES and AMEC2016， Hong Kong， 2016：1-6.

[4] 顧雅娟，童曉旺.風(fēng)帆輔助推進(jìn)技術(shù)對(duì)EEDI的貢獻(xiàn)度計(jì)算方法研究[J].中國造船，2019，60（2）：107-116.

[5] LEOPAUL S T. Renewable energy alternatives for cargo ships： case study of application of Flettner rotors combined with PV panels on bulk carriers[D]. WORLD MARITIME UNIVERSITY， 2021.

[6] 2021 Guidance On Treatment Of Innovative Energy Efficiency Technologies For Calculation and verification of the attained EEDI and EEXI：MEPC.1/Circ.896[S]. MEPC 77th Session. London， England， 2021.

[7] Prediction and verification of CO2 emission savings with wind propulsion systems：MEPC76/INF.30[S]. MEPC 76th Session. London， England， 2021.

[8] Review of wind statistics approach of MEPC.1/Circ.896 for verification of wind propulsion systems：MEPC81/INF.40[S]. MEPC 81st Session. London， England， 2024.

[9] CHEN J J， PAN Z Y， CHEN M， et al. Research on the net thrust of wing sails for a sail-assisted VLCC[C]// Proceedings of the 33rd International Ocean and Polar Engineering Conference， Ottawa， Canada， 2023：3855-3860.

[10] 陳紀(jì)軍，潘子英，陳默，等.翼型風(fēng)帆助推船舶EEDI計(jì)算方法研究[J].中國造船，2023，64（3）：114-124.

[11] 國際海事組織（IMO）.國際海上人命安全公約[S].北京：人民交通出版社，2009.

[12] 張勝利.307k DWT VLCC快速性水池模型試驗(yàn)[R].無錫：中國船舶科學(xué)研究中心，2021.

[13] ANDERSEN I M V. Wind loads on post-panamax container ship[J]. Ocean Engineering， 2013：115-134.

[14] 陳紀(jì)軍，潘子英，宋長友，等.VLCC風(fēng)帆船不同操帆模式下的節(jié)能收益評(píng)估[J].中國造船，2016，57（1）：169-177.

[15] Global Wind Specification along the Main Global Shipping Routes to be applied in the EEDI Calculation of Wind Propulsion Systems：MEPC62/INF.34[S]. MEPC 62nd Session. London， England， 2011.

[16] Guidelines for calculation of reference lines for use with the energy efficiency design index（EEDI）：MEPC63/23/Add.1[S]. MEPC 63rd Session. London， England， 2012.