翼型風帆技術能效評估研究

摘" 要：翼型風帆可為船舶滿足能效設計指數(shù)（Energy Efficiency Design Index， EEDI）要求提供支撐。首先，針對超大型油船（Very Large Crude Carrier， VLCC），采用通函方法對影響翼型風帆的EEDI相關因素進行評估，包括風帆布置、船舶航速及航線風況等；進一步分析VLCC、加裝4帆的VLCC相近營運航線及相近營運時間的實船營運數(shù)據(jù)，定量評估加裝翼型風帆帶來的能效收益。研究表明，航線風況是敏感性影響因素，當采用新實施的MEPC.1/Circ.896方法時，翼型風帆EEDI貢獻率可達到近6%；隨著船速降低，風帆組對EEDI的貢獻度也會增加；與風帆組布置相比，風帆總面積對其EEDI貢獻度的影響更大；相較無帆VLCC，船舶加裝風帆后典型航線滿載吃水的節(jié)能可達8.4%。該文可為翼型風帆助推船舶設計及其EEDI計算方法研究提供支撐。

關鍵詞：翼型風帆；VLCC；EEDI；實船營運；模型試驗

中圖分類號：U661.39" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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

利用風能的翼型風帆助推技術是航運業(yè)關注的節(jié)能減排技術之一。大量的理論研究和實船應用表明，該技術是降低船舶EEDI的有效技術之一[1]。伴隨著風力助推系統(tǒng)的應用推廣，作為船東、設計方及設備供應商等，從不同角度都有需求對風力推進系統(tǒng)的能效做出客觀、透明的評估。海上環(huán)境保護委員會第65屆會議（MEPC65）通過了針對創(chuàng)新能效技術EEDI計算方法的指南[2]，其中包含了風力助推系統(tǒng)，國內(nèi)外相關學者也參考該文件對不同形式風力助推系統(tǒng)的EEDI貢獻度進行了評估[3～5]。2021年11月召開的海上環(huán)境保護委員會第77屆會議（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力助推系統(tǒng)在內(nèi)的創(chuàng)新能效技術EEDI計算方法，特別是針對風力助推系統(tǒng)的推力矩陣獲取方法及應用進行了更新。相關機構或學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）和美國船級社（ABS）在其發(fā)起的風力推進工業(yè)界聯(lián)合項目（WiSP2.0）中針對不同類型風力助推裝置的EEDI貢獻度開展了研究，包括風力助推及主推的評估方法對比[7]、航線風況敏感性研究[8]等。Chen等[9-10]結合全球主要海運航線風況統(tǒng)計，分別采用MEPC.1/Circ.896文件方法及日本操縱性運動數(shù)學模型研討組（Maneuvering Model Group， MMG）的分離模型思想，針對翼型風帆助推VLCC的風帆組推力及其EEDI貢獻度進行了研究。從目前研究現(xiàn)狀來看，鮮有關于針對翼型風帆EEDI貢獻度影響因素的評估研究。

針對于此，首先參考相關通函中船舶EEDI計算方法，對影響翼型風帆EEDI貢獻度的因素進行了評估研究，包括風帆組布置、船速以及全球主要海運航線風況概率等；進一步分析了VLCC、加裝4帆VLCC相近營運航線及相近營運時間的營運數(shù)據(jù)，基于兩者燃油消耗、航行里程及載重噸等關鍵數(shù)據(jù)差異的比較，定量評估了典型航線加裝翼型風帆帶來的能效收益。本文可為翼型風帆助推船舶設計及其EEDI計算方法研究提供支撐。

1" 研究對象

本文研究對象是一艘VLCC，該船安裝了2對翼型風帆，對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。翼型風帆布置滿足公約中的駕駛視線要求[11]。VLCC和翼型風帆的主要參數(shù)見表1、表2。由水池試驗結果可知[12]，當主機功率輸出為75%的主機最大持續(xù)功率（MCR）時，滿載吃水下的參考航速為15.21 kn，推進效率ηD為0.803。

2" 翼型風帆EEDI貢獻度影響因素研究

2.1" 風帆組布置影響

考慮船體-風帆及風帆-風帆干擾，分別開展了VLCC在無帆、僅前2帆、僅后2帆及4帆同時存在時的風洞模型試驗。風洞模型試驗按照幾何相似、運動相似進行。考慮到試驗模型的上層建筑不規(guī)則，且大量模型試驗表明[13-14]，風力系數(shù)隨模型試驗雷諾數(shù)的增加而保持不變。因此認為此時開展的試驗近似符合動力相似條件。試驗時，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)的試驗照片如圖2所示。

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

由表3可見，基于全球主要海運航線的風況獲得的僅前2帆、僅后2帆平均推力及達到的EEDI值基本相當，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，達到的EEDI略大。

對比前、后4帆和僅前2帆、僅后2帆的線性求和可見，4帆同時存在時風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，這是由于風帆-風帆間不利干擾所導致。

相較EEDI基線值，采用MEPC.1/Circ.815中加裝風帆的EEDI計算方法，加裝4帆后的VLCC達到的EEDI下降了約30.1%。

2.2" 航速影響

基于VLCC風帆船4帆布局風洞模型試驗結果及靜水中的水池試驗結果，按照MEPC.1/Circ.815中船舶的EEDI計算方法，分別針對VLCC不同航速下加裝4帆時的平均推力和EEDI進行了計算，結果見表4。

由表4可見，隨著航速減小，基于全球主要海運航線風況數(shù)據(jù)獲得的風帆組平均推力增大，EEDI貢獻度也對應增大。這與航速變化所對應的相對風向角變化是一致的，即航速減小時，基于全球主要海運航線風況計算的相對風向角呈增大趨勢，使得風帆組推力系數(shù)增大，并導致風帆組平均推力增大。

航速改變對有、無風帆組時的VLCC達到的EEDI變化尤為顯著。當航速降低時，可大幅降低船舶達到的EEDI值。

相較加裝的風帆總面積，航速對船舶達到的EEDI值影響更為顯著。

2.3" 風況影響

進一步地，按照新實施的MEPC.1/Circ.896文件中船舶的EEDI計算方法，針對VLCC加裝4帆時達到的EEDI進行了計算，結果見表5，表5中同時給出了按照MEPC.1/Circ.815計算的結果。圖3給出了根據(jù)MEPC.1/Circ.896文件方法計算的達到的EEDI與不同階段參考線的對比。

由計算結果可見，航線風況影響風帆組EEDI貢獻度較為顯著。相較MEPC.1/Circ.815文件方法獲得的結果，采用MEPC.1/Circ.896文件方法計算的達到的EEDI進一步降低，一定程度上提高了風帆組的EEDI貢獻度；這主要是由于MEPC.1/Circ.815采用了全球主要海運航線100%的風場數(shù)據(jù)，而MEPC.1/Circ.896中且僅選用了對應風況合概率前[1/2]的推力元素。

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

3" 基于實船營運數(shù)據(jù)的翼型風帆技術能效評估研究

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

參考EEDI物理含義，基于總燃油消耗、總航行里程以及實際載重噸等關鍵參數(shù)，以整條航線的單位里程、單位載重噸的燃油消耗為評價指標，對比了風帆船“New Aden”和無帆船“New Valor”的能效，結果見表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" 結論

以一30萬噸級VLCC為例，首先按MEPC.1/Circ.815及MEPC.1/Circ.896中風帆船EEDI計算方法，評估了多個影響因素對風帆組EEDI貢獻的影響；進一步搜集并對比分析了一無帆VLCC、加裝4帆VLCC相近營運航線及相近營運時間的營運數(shù)據(jù)，基于兩者燃油消耗、航行里程及載重噸等關鍵數(shù)據(jù)的比較，定量評估了加裝翼型風帆帶來的能效收益。由結果可見：

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

2）相較無帆VLCC，當采用新實施的MEPC.1/Circ.896文件EEDI計算方法時，加裝4帆的VLCC風帆船EEDI下降了約5.6%，相較基線值，降低了約32.1%，達到了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%。

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