一、研究背景
在當(dāng)下這個(gè)提倡節(jié)能減排的時(shí)代，使用風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子為海洋船舶提供推進(jìn)動(dòng)力已成為近年來國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。
德國工程師普蘭特爾（Prandtl）和安東·弗萊特納（Anton Flettner）早在20世紀(jì)初就提出，可以利用馬格努斯效應(yīng)*開發(fā)一種高效的推進(jìn)船舶的方法。
他們建造了一艘命名為巴登巴登號(hào)（Baden-Baden）的船，采用兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)的高圓筒替代船帆，通過驅(qū)動(dòng)圓筒在風(fēng)中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生垂直于風(fēng)速方向的力，從而為船體提供前行的推力，其重量只占原桅桿和船帆的1/4，如圖一所示。
圖一 Baden-Baden號(hào)
隨后巴登巴登號(hào)于1926年成功穿越大西洋，證實(shí)其風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子是十分有效的，這種為船舶提供推力的轉(zhuǎn)子也被稱為弗萊特納轉(zhuǎn)子（Flettner Rotor）。弗萊特納轉(zhuǎn)子的原理如圖二所示。
圖二 Flettner轉(zhuǎn)子原理圖
*馬格努斯效應(yīng)：當(dāng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)角速度矢量與物體飛行速度矢量不重合時(shí)，在與旋轉(zhuǎn)角速度矢量和平動(dòng)速度矢量組成的平面相垂直的方向上將產(chǎn)生一個(gè)橫向力。在這個(gè)橫向力的作用下物體飛行軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱作馬格努斯效應(yīng)。
之后由于柴油動(dòng)力工藝的出現(xiàn)，以及柴油價(jià)格低廉的特點(diǎn)，風(fēng)力推進(jìn)裝置逐漸被替代。
近年來，隨著燃料價(jià)格的上升和人們對環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提升， 弗萊特納轉(zhuǎn)子因其輕質(zhì)、環(huán)保節(jié)能及易安裝等特點(diǎn)開始重新進(jìn)入人們的視線，以達(dá)到節(jié)約燃料、減少碳排放量的效果。且弗萊特納轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)獨(dú)立，可整體布置于甲板之上，適用于甲板空間充足的貨船等船型，適用船型較為廣泛，也便于現(xiàn)有船改造安裝。
二、研究現(xiàn)狀
隨著國內(nèi)外對弗萊特納轉(zhuǎn)子逐步深入的研究，其在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用也進(jìn)入了一個(gè)新的階段。
2010年風(fēng)能發(fā)電公司愛納康（Enercon）推出了一艘名為E-ship 1號(hào)的弗萊特納動(dòng)力貨船并投入使用，見圖三。
圖三 E-ship 1號(hào)
在E-ship 1號(hào)上，弗萊特納轉(zhuǎn)子用于輔助柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為船體提供推力。如愛納康公司技術(shù)報(bào)告所述，由于裝有弗萊特納轉(zhuǎn)子裝置，燃油消耗減少了30%。
E-ship 1號(hào)目前正在使用中，據(jù)報(bào)道，到目前為止17000多海里的航程中，沒有提到關(guān)于弗萊特納轉(zhuǎn)子的特殊問題。
2014年Traut等人在CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）仿真弗萊特納轉(zhuǎn)子氣動(dòng)性能的研究基礎(chǔ)上，提出了一種性能模型，模擬了弗萊特納轉(zhuǎn)子的功率節(jié)約，他們的研究中指出，一艘裝有三個(gè)弗萊特納轉(zhuǎn)子的5500噸貨船可節(jié)省主機(jī)所需功率的50%。
2018年，世界第一艘液化天然氣/風(fēng)能推進(jìn)混合動(dòng)力郵輪“M/S Viking Grace”號(hào)誕生，該船安裝了一個(gè)高24米、直徑4米的風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子，由于風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子技術(shù)的應(yīng)用，這艘郵輪年平均節(jié)省液化天然氣可達(dá)300噸左右，年平均減少二氧化碳排放量約900噸。
國內(nèi)目前也有對弗萊特納轉(zhuǎn)子的研究，例如702所和中船節(jié)能技術(shù)發(fā)展有限公司設(shè)計(jì)出了直徑1.5米，高度超過10米，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速達(dá)550rpm的轉(zhuǎn)子。該風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子有望幫助大型散貨船和油船等實(shí)現(xiàn)低于IMO基線40%的四階段要求，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
三、助推轉(zhuǎn)子的優(yōu)化
Thom在1934年曾提出，在弗萊特納轉(zhuǎn)子的頂部增加一個(gè)圓盤，可以顯著增加標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)速可達(dá)到的升力系數(shù)，減小阻力，提高節(jié)能效率。
目前，Thom盤對于弗萊特納轉(zhuǎn)子所提供的動(dòng)力增強(qiáng)的效果是肯定的，但是對于這種增強(qiáng)效果還沒有一個(gè)準(zhǔn)確的定量的分析和結(jié)論。
Clayton在1985年對增加了Thom盤的弗萊特納轉(zhuǎn)子進(jìn)行了分析，數(shù)據(jù)肯定了增強(qiáng)效應(yīng)的存在，但增強(qiáng)效果沒有Thom在1934年的報(bào)告中那么強(qiáng)。隨后Craft等研究人員在2011年使用URANS模型進(jìn)行了模擬分析，模擬結(jié)果顯示，Thom盤對升力系數(shù)的增強(qiáng)效果不超過10%。
后有學(xué)者采用CFD軟件對帶Thom盤轉(zhuǎn)子的空氣流場進(jìn)行模擬，采用與Thom當(dāng)年實(shí)驗(yàn)一致的參數(shù)，隨后得出結(jié)論為，大尺寸 Thom 盤對 弗萊特納轉(zhuǎn)子的動(dòng)力表現(xiàn)有不利影響。圖四即為Craft在2011年的分析報(bào)告中，帶有和不帶有Thom盤的弗萊特納轉(zhuǎn)子繞流的Q基準(zhǔn)等值面的截圖。
圖四 | 帶有和不帶有Thom盤的弗萊特納轉(zhuǎn)子繞流的Q基準(zhǔn)等值面的截圖
四、小結(jié)
弗萊特納轉(zhuǎn)子已被證實(shí)可以為船舶提供助推力，有效的減少船舶的能耗，符合節(jié)能減排的國際發(fā)展趨勢，也是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。對于帶Thom盤弗萊特納轉(zhuǎn)子的模擬實(shí)驗(yàn)這一部分相對較為缺失，尤其缺少大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，其難點(diǎn)在于邊界條件的確定等，因此仍具有非常大的研究空間和研究價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：
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