新型船舶风力助推转子—Flettner Rotor

在当下这个提倡节能减排的时代，使用风力助推转子为海洋船舶提供推进动力已成为近年来国内外的研究热点。

德国工程师普兰特尔（Prandtl）和安东·弗莱特纳（Anton Flettner）早在20世纪初就提出，可以利用马格努斯效应*开发一种高效的推进船舶的方法。
他们建造了一艘命名为巴登巴登号（Baden-Baden）的船，采用两个可旋转的高圆筒替代船帆，通过驱动圆筒在风中旋转产生垂直于风速方向的力，从而为船体提供前行的推力，其重量只占原桅杆和船帆的1/4，如图一所示。

图一  Baden-Baden号

随后巴登巴登号于1926年成功穿越大西洋，证实其风力助推转子是十分有效的，这种为船舶提供推力的转子也被称为弗莱特纳转子（Flettner Rotor）。弗莱特纳转子的原理如图二所示。

图二  Flettner转子原理图

*马格努斯效应：当一个旋转物体的旋转角速度矢量与物体飞行速度矢量不重合时，在与旋转角速度矢量和平动速度矢量组成的平面相垂直的方向上将产生一个横向力。在这个横向力的作用下物体飞行轨迹发生偏转的现象称作马格努斯效应。

之后由于柴油动力工艺的出现，以及柴油价格低廉的特点，风力推进装置逐渐被替代。

近年来，随着燃料价格的上升和人们对环境保护意识的提升， 弗莱特纳转子因其轻质、环保节能及易安装等特点开始重新进入人们的视线，以达到节约燃料、减少碳排放量的效果。且弗莱特纳转子结构独立，可整体布置于甲板之上，适用于甲板空间充足的货船等船型，适用船型较为广泛，也便于现有船改造安装。

二、研究现状

随着国内外对弗莱特纳转子逐步深入的研究，其在船舶领域的应用也进入了一个新的阶段。

2010年风能发电公司爱纳康（Enercon）推出了一艘名为E-ship 1号的弗莱特纳动力货船并投入使用，见图三。

图三  E-ship 1号

在E-ship 1号上，弗莱特纳转子用于辅助柴油发动机为船体提供推力。如爱纳康公司技术报告所述，由于装有弗莱特纳转子装置，燃油消耗减少了30%。

E-ship 1号目前正在使用中，据报道，到目前为止17000多海里的航程中，没有提到关于弗莱特纳转子的特殊问题。

2014年Traut等人在CFD（计算流体动力学）仿真弗莱特纳转子气动性能的研究基础上，提出了一种性能模型，模拟了弗莱特纳转子的功率节约，他们的研究中指出，一艘装有三个弗莱特纳转子的5500吨货船可节省主机所需功率的50%。

2018年，世界第一艘液化天然气/风能推进混合动力邮轮“M/S Viking Grace”号诞生，该船安装了一个高24米、直径4米的风力助推转子，由于风力助推转子技术的应用，这艘邮轮年平均节省液化天然气可达300吨左右，年平均减少二氧化碳排放量约900吨。

国内目前也有对弗莱特纳转子的研究，例如702所和中船节能技术发展有限公司设计出了直径1.5米，高度超过10米，设计转速达550rpm的转子。该风力助推转子有望帮助大型散货船和油船等实现低于IMO基线40%的四阶段要求，具有潜在的应用价值。

三、助推转子的优化

Thom在1934年曾提出，在弗莱特纳转子的顶部增加一个圆盘，可以显著增加标准化转速可达到的升力系数，减小阻力，提高节能效率。

目前，Thom盘对于弗莱特纳转子所提供的动力增强的效果是肯定的，但是对于这种增强效果还没有一个准确的定量的分析和结论。

Clayton在1985年对增加了Thom盘的弗莱特纳转子进行了分析，数据肯定了增强效应的存在，但增强效果没有Thom在1934年的报告中那么强。随后Craft等研究人员在2011年使用URANS模型进行了模拟分析，模拟结果显示，Thom盘对升力系数的增强效果不超过10%。

后有学者采用CFD软件对带Thom盘转子的空气流场进行模拟，采用与Thom当年实验一致的参数，随后得出结论为，大尺寸 Thom 盘对 弗莱特纳转子的动力表现有不利影响。图四即为Craft在2011年的分析报告中，带有和不带有Thom盘的弗莱特纳转子绕流的Q基准等值面的截图。



图四 | 带有和不带有Thom盘的弗莱特纳转子绕流的Q基准等值面的截图

四、小结

弗莱特纳转子已被证实可以为船舶提供助推力，有效的减少船舶的能耗，符合节能减排的国际发展趋势，也是目前国内外研究的热点。对于带Thom盘弗莱特纳转子的模拟实验这一部分相对较为缺失，尤其缺少大量的实验数据支撑，其难点在于边界条件的确定等，因此仍具有非常大的研究空间和研究价值。

参考文献：
【1】Craft, Timothy J., et al. "Back to the future: Flettner-Thom rotors for maritime propulsion?." THMT-12. Proceedings of the Seventh International Symposium On Turbulence Heat and Mass Transfer. Begel House Inc., 2012.【2】Lu, Ruihua, and Jonas W. Ringsberg. "Ship energy performance study of three wind-assisted ship propulsion technologies including a parametric study of the Flettner rotor technology." Ships and Offshore Structures 15.3 (2020): 249-258.【3】Craft, Timothy J., Hector Iacovides, and Brian E. Launder. "Dynamic performance of Flettner rotors with and without Thom discs." Seventh International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena. Begel House Inc., 2011.【4】Thom, A., 1934, Effects of discs on the air forces on a rotating cylinder, Aero. Res. Counc. R&M 1623.【5】张 靖，江友钿，许伟明，胡 捷. 带 Thom 盘的 Flettner 转子的 CFD 模拟研究[J]. 机械研究与应用，2014.