付 瑜，徐 立，馮 凡，孫 強(qiáng)

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

兩用型風(fēng)能利用裝置在江海直達(dá)散貨船上的應(yīng)用

付 瑜，徐 立，馮 凡，孫 強(qiáng)

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

文章針對(duì)當(dāng)前船舶發(fā)展趨勢(shì)和江海直達(dá)散貨船的航線特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出1種能夠利用沿海豐富的風(fēng)力資源進(jìn)行風(fēng)力助航，以及利用長(zhǎng)江航線不適合風(fēng)力助航的風(fēng)力資源進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的兩用型風(fēng)能利用裝置。通過(guò)仿真測(cè)試和經(jīng)濟(jì)性分析表明該裝置風(fēng)力發(fā)電效率良好，風(fēng)帆助航效果顯著，能最大程度地利用航線上的風(fēng)力資源，為船舶帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

江海直達(dá)；風(fēng)能利用；兩用型；性能分析

江海直達(dá)散貨船可航行在內(nèi)河和海洋上，能同時(shí)滿足長(zhǎng)江航段和近海航段不同的需要，在江海直達(dá)散貨船上開展風(fēng)能實(shí)際應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)研究，致力于解決清潔能源在船舶上應(yīng)用存在的技術(shù)難題和提高能源的利用效率，有助于進(jìn)一步推動(dòng)清潔能源在船舶上的廣泛應(yīng)用，同時(shí)也可為倡導(dǎo)綠色船舶起到很好的示范作用[1]。

風(fēng)能利用的形式主要是采用風(fēng)帆助航和風(fēng)力發(fā)電。近代風(fēng)帆助航技術(shù)應(yīng)用目前還處于初級(jí)階段，市場(chǎng)普及率不高，且主要用于大型遠(yuǎn)洋船舶上，對(duì)江海直達(dá)散貨船研究應(yīng)用并不多。風(fēng)力發(fā)電在船舶上的應(yīng)用較少，主要應(yīng)用在駁船和小型漁船上[2]。

1 兩用型風(fēng)能利用裝置的設(shè)計(jì)及選型

1.1 兩用型風(fēng)能利用裝置的設(shè)計(jì)

以某江海直達(dá)散貨船為研究對(duì)象，該船主要運(yùn)輸貨品為煤炭、鋼材、鋼卷等干散雜貨，不裝運(yùn)危險(xiǎn)貨物及谷物。設(shè)計(jì)船長(zhǎng)159.90 m，船寬24.40 m，吃水8 m，載重20 000 t。在設(shè)計(jì)吃水時(shí)，潔凈船底、深闊海域、蒲氏風(fēng)級(jí)2級(jí)以下、主機(jī)功率85%MCR(主機(jī)最大持續(xù)功率)時(shí)，船舶的服務(wù)航速不小于12.2 kn。經(jīng)過(guò)分析，在整個(gè)航線上，內(nèi)河段的風(fēng)力比較小，在沿海航段風(fēng)速大且較為穩(wěn)定，風(fēng)帆助航需風(fēng)力較大且風(fēng)向相對(duì)穩(wěn)定的條件，而風(fēng)力發(fā)電設(shè)備可以在風(fēng)力資源較差的情況下運(yùn)行，并且在長(zhǎng)江上小型船舶比較多，風(fēng)帆因?yàn)橐暰€容易遮擋，不適合利用風(fēng)力助航，同時(shí)考慮到目標(biāo)船的實(shí)際情況，作為1艘以運(yùn)貨為主的散貨船，甲板上并沒(méi)有足夠的空間同時(shí)安裝2種風(fēng)能利用裝置。

綜合考慮以上幾種情況，本文的研究主要在設(shè)計(jì)出1種兩用型的風(fēng)能利用裝置，當(dāng)船舶處于風(fēng)力適合助航階段時(shí)，風(fēng)力發(fā)電裝置通過(guò)收縮其葉片的支撐桿，能夠正好隱藏在風(fēng)帆的中空部分，裝置僅僅用來(lái)風(fēng)力助航。在風(fēng)力資源好的航段，利用風(fēng)帆輔助推進(jìn)，在風(fēng)力資源較差的航段，利用風(fēng)力發(fā)電裝置來(lái)發(fā)電以供日常所需。

1.2 兩用型風(fēng)能利用裝置的選型

1.2.1 風(fēng)帆的選型

風(fēng)帆作為1種船舶上的輔助裝置，其只有滿足現(xiàn)代航運(yùn)業(yè)的基本要求才能更好地為現(xiàn)代船舶服務(wù)，因此現(xiàn)代風(fēng)帆助航船舶需要滿足下列要求。①確保船舶航運(yùn)時(shí)間的準(zhǔn)時(shí)性。②船舶加裝風(fēng)帆裝置后，裝卸貨物的能力不能受到較大影響，風(fēng)帆裝置不能對(duì)航行安全性、駕駛操作、船舶穩(wěn)性等造成影響。③智能化風(fēng)帆，自風(fēng)帆控制自動(dòng)化，不增加船員專門操作和維護(hù)風(fēng)帆裝置[3]。整個(gè)裝置工作性能牢靠，對(duì)其維護(hù)工作簡(jiǎn)單易操作。④整個(gè)裝置風(fēng)能利用率廣，節(jié)能效果佳，能夠在盡可能短的時(shí)間內(nèi)收回其制作及維護(hù)成本，有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

矩形帆翼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作難度小，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，并且具有較高的動(dòng)力學(xué)性能，矩形帆翼最適合用于輔助船舶推進(jìn)[4]。

1.2.2 兩用型風(fēng)能利用裝置的選型

按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)形式分類，可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。①水平軸風(fēng)力機(jī)是目前國(guó)內(nèi)外最常見(jiàn)的1種風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行，研制最多，技術(shù)成熟，但需要隨風(fēng)向的變換調(diào)整葉輪方向。②垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸垂直于氣流或地面方向，在風(fēng)向發(fā)生變化時(shí)無(wú)需調(diào)向，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)按作用力原理來(lái)分類，一般分為阻力型和升力型[5]。由于升力型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速的增加阻力急劇減小，而升力反而會(huì)增大，其效率要比阻力型的高很多，所以，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多采用升力型結(jié)構(gòu)[6]。

對(duì)風(fēng)力發(fā)電裝置來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)比較固定，因此所選風(fēng)力發(fā)電裝置要盡量簡(jiǎn)單，不影響正常的船舶作業(yè)，因此綜合考慮各種類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，最終確定為達(dá)里厄升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，葉片結(jié)構(gòu)為H型。

2 兩用型風(fēng)能利用裝置的尺寸及結(jié)構(gòu)

2.1 風(fēng)帆的尺寸選擇

目前《國(guó)際海上人命安全公約》(SOLAS)對(duì)于安全駕駛視線有相關(guān)的要求，安全視線可分2種。①近視角，對(duì)應(yīng)2倍船長(zhǎng)(或 500 m，取小者)海面海域視線；②遠(yuǎn)視角，對(duì)應(yīng)10 n mile海面海域視線。風(fēng)帆設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免對(duì)2個(gè)安全視線間區(qū)域造成遮擋(如風(fēng)帆收回時(shí)，上緣低于近視角視線；風(fēng)帆升起時(shí)下緣高于遠(yuǎn)視角視線)。

根據(jù)以上規(guī)定，當(dāng)風(fēng)帆完全升起時(shí)，風(fēng)帆的上沿距離甲板高度應(yīng)該在24 m左右，這個(gè)高度也就是桅桿的高度，風(fēng)帆下沿的高度應(yīng)該略高于駕駛臺(tái)高度，因此風(fēng)帆完全升起時(shí)下沿高度距離甲板14 m左右，因此根據(jù)船舶安全駕駛視線視角要求和船級(jí)社對(duì)船舶駕駛盲區(qū)的相關(guān)規(guī)定，確定了目標(biāo)船上風(fēng)帆的高度為10 m以及整個(gè)裝置整體的高度為24 m。

根據(jù)SOLAS公約中船舶安全駕駛要求及船級(jí)社對(duì)船舶駕駛盲區(qū)的相關(guān)規(guī)定：在駕駛室外正橫前方從駕駛位置所見(jiàn)的海面視域內(nèi)任何由貨物、起貨裝置或其他障礙物造成的盲視扇形區(qū)域的遮擋，應(yīng)不超過(guò)10°。盲視扇形區(qū)域的總弧度不應(yīng)超過(guò)20°。在盲視區(qū)之間的可視扇形區(qū)域應(yīng)至少為 5°。但在本條中所述視域內(nèi)，每一單獨(dú)的盲視區(qū)均應(yīng)不超過(guò) 5°。根據(jù)SOLAS公約中的規(guī)定，結(jié)合目標(biāo)船駕駛臺(tái)到3#艙和4#艙之間的距離，計(jì)算得出設(shè)計(jì)風(fēng)帆的寬度為10 m。

因此根據(jù)船舶駕駛安全規(guī)范以及SOLAS公約中的相關(guān)規(guī)定對(duì)風(fēng)帆尺寸的限制，最終得出了風(fēng)帆的基本尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 NACA0015型風(fēng)帆基本尺寸 m

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的尺寸選擇及相關(guān)參數(shù)

風(fēng)帆的尺寸限定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的尺寸，本文選取的風(fēng)帆為NACA0015翼型，其最大厚度為1.5 m，因此風(fēng)輪的尺寸小于1.5 m，最終確定風(fēng)輪直徑D為1.4 m[7]。

葉片弦長(zhǎng)C=R·σ/N,其中，R為葉輪半徑；葉片實(shí)度σ取0.1～0.6；N為葉片數(shù)。

風(fēng)輪的額定轉(zhuǎn)速n=60·v·λ0/(πD)，其中，λ0為風(fēng)力機(jī)的最佳葉尖速比，取3.6；v為風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速。

風(fēng)力機(jī)的功率P=0.5ρ·Cp·A·v3·η1·η2，其中，Cp為風(fēng)輪功率系數(shù),取值范圍0.3～0.4；ρ為空氣密度， 取1.225 kg/m3；A為風(fēng)輪掃風(fēng)面積；η1為傳動(dòng)效率；η2為發(fā)電效率。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出，H型風(fēng)輪設(shè)計(jì)的參數(shù)，如表2所示。

表2 H型風(fēng)輪設(shè)計(jì)的參數(shù)

2.3 兩用型風(fēng)能利用裝置整體結(jié)構(gòu)

在整個(gè)兩用型風(fēng)能利用裝置中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在整個(gè)桅桿的最上端，結(jié)構(gòu)形式比較固定，然而對(duì)于整個(gè)裝置中只有風(fēng)帆需要實(shí)現(xiàn)收放和轉(zhuǎn)動(dòng)等操作。在本文的設(shè)計(jì)中，風(fēng)帆固定在2個(gè)風(fēng)帆支架上，風(fēng)帆支架與桅桿之間能夠相對(duì)上下滑動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)帆的升降，這種結(jié)構(gòu)有很好的抗扭效果，整個(gè)風(fēng)帆和桅桿通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)上的電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)風(fēng)帆實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，圖1、圖2分別為兩用型風(fēng)能利用裝置的整體設(shè)計(jì)圖以及風(fēng)帆支架連接方式示意圖。

圖1 兩用型風(fēng)能利用裝置整體設(shè)計(jì)圖

圖2 風(fēng)帆支架連接方式示意圖

3 兩用型風(fēng)能利用裝置的靜力學(xué)分析

3.1 風(fēng)帆在不同風(fēng)況下風(fēng)載荷的靜力學(xué)分析

靜力學(xué)分析既可以用來(lái)計(jì)算恒定載荷對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，也可以分析可近似等價(jià)為靜力作用而隨時(shí)間變化的載荷[8]。

本文風(fēng)帆設(shè)計(jì)主梁(帆面骨架)以及帆用桅桿均采用AH32船用鋼板，依據(jù)GB 150—1998 常規(guī)設(shè)計(jì)中關(guān)于A系列材料的選取準(zhǔn)則，材料的許用應(yīng)力為273 MPa[9]。

表3 風(fēng)速等級(jí)與風(fēng)壓

通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)比可以知道，這個(gè)風(fēng)帆連接處所受最大應(yīng)力小于其材料的許用應(yīng)力，因此整個(gè)風(fēng)帆的材料、結(jié)構(gòu)都能夠滿足在比較極端的風(fēng)況下的設(shè)計(jì)要求。

3.2 風(fēng)輪在額定功率下的受力分析

兩用型風(fēng)能利用裝置因?yàn)槠涔ぷ魈匦耘c風(fēng)帆有很大區(qū)別，所以對(duì)其在施加載荷以及約束的時(shí)候會(huì)有所區(qū)別，本文所設(shè)計(jì)的兩用型風(fēng)能利用裝置，額定轉(zhuǎn)速為442 r/min。為了更好的還原風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作過(guò)程，給風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸施加1個(gè)轉(zhuǎn)速，在0～3 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)從轉(zhuǎn)速為0到額定轉(zhuǎn)速442 r/min。從靜止?fàn)顟B(tài)到額定轉(zhuǎn)速過(guò)程中，對(duì)風(fēng)輪的受力以及應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明，整個(gè)風(fēng)輪裝置在從靜止?fàn)顟B(tài)到額定工作狀態(tài)下，最大應(yīng)變集中出現(xiàn)在葉片上，應(yīng)力主要集中出現(xiàn)在連接處，整個(gè)葉片上變形量很小，應(yīng)力也很小，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

4 兩用型風(fēng)能利用裝置經(jīng)濟(jì)性分析

江海直達(dá)散貨船兩用型風(fēng)帆利用裝置選用材料成本較低，并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，操作十分方便。取長(zhǎng)江沿線比較集中的風(fēng)速4 m/s，沒(méi)有加裝風(fēng)帆時(shí)，船舶航行的主機(jī)功率為(85%MCR)1 971 kW，每天航行16 h，日均消耗燃油7.4 t；本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的是1艘純LNG散貨船，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每立方米天然氣相當(dāng)于1.2 L燃油，相當(dāng)于每天燃?xì)饬繛? 000 m3。當(dāng)風(fēng)速為4 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s時(shí)，計(jì)算結(jié)果如表4。

表4 不同風(fēng)速下各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)

假設(shè)江海直達(dá)散貨船每年在長(zhǎng)江里航行200 d，在沿海航線航行100 d，每天航行16 h，沿海航線風(fēng)速為10 m/s;每年節(jié)省天然氣102 900 m3，節(jié)省費(fèi)用334 425 元?？梢?jiàn)，風(fēng)帆助航在節(jié)省航運(yùn)成本上意義重大。風(fēng)帆助航時(shí)，可降低主機(jī)工作負(fù)荷，減少主機(jī)振動(dòng)，對(duì)延長(zhǎng)主機(jī)工作壽命有一定的作用；而且還能減少噪聲，改善機(jī)艙工作環(huán)境，有利于船員的身心健康。風(fēng)帆提供推力使螺旋槳處于“輕槳”運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)與螺旋槳相連的艉軸和中間軸等軸系的轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)降低，故主軸轉(zhuǎn)矩降低，曲軸箱的滑油使用壽命將增加，從而降低成本[10]。風(fēng)帆助航也會(huì)對(duì)冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生影響，燃油放出的熱量經(jīng)過(guò)冷卻系統(tǒng)的量減少，從而使冷卻系統(tǒng)的使用壽命增加。風(fēng)力發(fā)電的功率雖然不高，但是足夠滿足船上日常照明用電，可降低發(fā)電機(jī)的工作負(fù)荷，節(jié)省一部分費(fèi)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)根據(jù)設(shè)計(jì)兩用型風(fēng)能利用裝置參數(shù)及工作環(huán)境在給定約束條件下進(jìn)行仿真模擬，裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。兩用型風(fēng)能利用裝置布置和使用能在滿足駕駛臺(tái)視線情況下，充分利用上層空間，航線上的風(fēng)力資源得到充分利用，不僅能降低油耗、減少排放而且能增加主機(jī)和發(fā)電機(jī)的使用壽命。

2)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的風(fēng)能利用形式以大型遠(yuǎn)洋船舶采用風(fēng)帆助航的方式為主，本裝置所應(yīng)用的船型為江海直達(dá)散貨船，使江海直達(dá)航線上的風(fēng)能得到充分利用。

3)兩用型風(fēng)能利用裝置的開發(fā)使用不僅能降低成本，節(jié)約費(fèi)用，減少污染，更有助于進(jìn)一步推動(dòng)清潔能源在船舶上的廣泛應(yīng)用，同時(shí)也可為倡導(dǎo)綠色船舶起到很好的示范作用。

[1] 陳魯愚,陳順懷, 嚴(yán)新平. 大型遠(yuǎn)洋風(fēng)帆助航船舶節(jié)能效率分析[J]. 船海工程, 2010, 39(6):121-123.

[2] 張建. 風(fēng)力發(fā)電在船舶上應(yīng)用初探[J]. 上海節(jié)能, 2008(5):39-40.

[3] Tom Benson. Lift of rotating cylinder [R]. Glenn Research Center of NASA, 2008.

[4] 陳魯愚. 多功能船用風(fēng)帆設(shè)計(jì)及其特性研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué), 2011.

[5] 紀(jì)李文. 300WH型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)特性分析[D].撫州：東華理工大學(xué), 2015.

[6] 顧煜炯, 王兵兵, 李佳佳,等. 一種修正的多流管模型在垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能分析中的應(yīng)用[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2015(1):20-25.

[7] 史瑞靜, 李鳳婷, 樊小朝,等. Darrieu型垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究[J]. 新疆大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2014(4):492-496.

[8]鄭甲紅, 杜翠, 蔣新萍. MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙底座靜力學(xué)分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2015(9):197-198.

[9]徐立, 馮凡, 李文淵,等. 風(fēng)載荷下的大型遠(yuǎn)洋船舶風(fēng)帆結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真[J]. 船海工程, 2014(3):79-83.

[10]任洪瑩, 黃連忠, 孫培廷,等. 大型風(fēng)帆助航船舶綜合節(jié)能減排潛力分析[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 36(1):27-30.

According to the current ship development trend of river-sea direct bulk carrier,a dual-purpose wind energy device is designed,which can take advantage of abundant wind resources in coastal navigation aids and use wind energy to generate electricity while the wind along the Yangtze River is not suitable for wind aids.By simulation test and economic analysis,the good efficiency can be achieved with the device of wind power generation,which brings great economic benefits for the ship with the maximum use of wind resources on the route.

river-sea;wind energy utilization;dual-purpose;performance analysis

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2014BAG04B01)

付瑜(1990-)，男，湖北荊州人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榇皠?dòng)力裝置性能分析。

U662.2;TK89

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.03.006

2017-01-11