减少温室气体排放是每个交通部门都在以各种方式努力解决的挑战，海运业也不例外。根据国际海事组织（IMO，英国伦敦）2020年发布的一项研究，近年来燃料动力船舶和其他海洋船只释放的温室气体排放量一直在上升，2012年至2018年间上升了约10%。该研究还报告称，与航运相关的甲烷排放量增加了150%，黑碳排放量增加了12%。

2012年，芬兰企业家图奥马斯·里斯基(Tuomas Riski)意识到，减少船舶燃烧燃料产生的排放的选项寥寥无几，于是开始寻找能够提供帮助的技术。“我看到全球碳排放问题非常严重，”里斯基说，“我想找到一种我们可以商业化应用的技术，而且这种技术具有大幅减少二氧化碳排放的潜力。”

里斯基遇到了芬兰海军建筑师凯·莱万德(Kai Levander)，后者当时正在设计一种机械帆，作为货船的辅助风力推进系统。里斯基 和莱万德 审查了多种机械帆概念，最终决定开发并商业化一种百年老技术的现代化版本：弗莱特纳转子帆。为了实现这一目标，Norsepower 公司(芬兰赫尔辛基)于 2012 年成立，里斯基担任首席执行官。

 

转子帆助力更环保的航运。像“马士基海豚”号油轮上这样的复合材料转子帆能提供辅助动力，将燃料消耗及其伴随的二氧化碳排放量降低5-20%

旋转的圆柱形福莱特纳转子帆是一种机械帆，由芬兰工程师西古德·萨沃纽斯(Sigurd Savonius)于20世纪初发明。随后，这种帆由德国航空工程师安东·福莱特纳 (Anton Flettner) 普及（并以其命名），他于1926年成功驾驶一艘原型转子帆船横渡大西洋。

弗莱特纳旋翼帆概念的工作原理是利用马格努斯效应（见下图）。根据这一原理，风推动旋转的圆形物体（如圆柱形旋翼帆）时，会产生与风流方向垂直的运动。当风以正确方向流动—即横向穿过甲板，与船舶行驶方向垂直—生高低压差，从而产生垂直于风流方向的升力，即推力。这种推力推动船舶前进。

据说旋翼帆的效率是传统帆的10倍，能在更小的表面积下产生更大的升力。然而，和传统帆一样，它也依赖风向，因此最适合用作辅助推进系统，为常规燃油动力船只提供补充。

 

马格努斯效应。风作用于旋转的圆形物体时，会产生与风流方向垂直的运动。正是这一原理使得旋转的网球在空中突然改变轨迹，同时也推动了旋翼船前进

据里斯基介绍，尽管弗莱特纳证明了该技术可行，并且安全、有效、高效，但当时的时机并不适合商业化。他说，在20世纪20年代，“燃料价格低廉，没人关心减少排放。”此外，他还补充道，最初的金属旋翼帆重量大、制造成本高。“我们可以用复合材料解决所有这些问题。我们发现，这是最有潜力成为航运船舶领先或市场进入者机械帆的技术，” 里斯基说。

里斯基表示，自2012年以来，Norsepower“一步步将产品推向市场——为首批试点客户设计了产品，并且现在已将其打造为一款商业化产品”。

重新设计福莱特纳帆

转子帆的整体设计是一个中空的、类似桅杆的圆柱体，由内部轴驱动旋转。对原始福莱特纳帆的一项现代改进是，诺斯鲍尔设计中的内部钢轴由自动化一键启动系统和由里斯基与莱万德专利的现代电动机系统操作。这种自动化意味着与配备传统帆的船只相比，操作该帆所需的船员更少。

里斯基表示，外部管的设计伴随着多项设计要求：轻量化结构、良好的疲劳强度以及以合理成本实现大批量生产的能力。“你必须制造出一种既坚固又轻量化且极其平衡的旋转部件，”他说道，并指出原始的弗莱特纳旋翼帆在船甲板上存在平衡问题。

在Norsepower，公司评估了复合材料和铝合金设计方案，最终选择了复合材料设计，因为其重量约为铝合金版本的一半，且具有更高的疲劳强度和耐久性。“在研究不同的制造技术时，我们得出结论，现代复合材料是制造这种结构的唯一途径，” 里斯基说道。“如果没有它们，要制造出能正常工作的福莱特纳旋翼将非常困难。现在我们可以将其制成标准化、高质量的最终产品，并降低成本，使其在大批量生产时具备商业可行性。”公司使用了来自Ansys（美国宾夕法尼亚州康纳斯堡）等公司的CAD和有限元分析(FEM- finite element analysis)软件来完成并验证设计。

巨型复合材料结构

Norsepower目前提供五种尺寸的旋翼帆，直径从3米、高18米到直径5米、高35米不等，后者作为对比，其翼展与A320飞机相当。

 

维京航线将邮轮业务与客货运输相结合

每台旋翼帆的主圆柱体由多个较短的管段组成—这些管段是树脂浸渍的夹层结构，由复合材料制造商 Comaxel(波兰戈尔达普)在其专门设计的装配设施中制作并粘合而成。管段的干预成型件由Zoltek(匈牙利尼尔盖斯乌伊法卢)的 50K 碳纤维单向(UD)增强材料，以及来自多家不同供应商的缝合玻璃纤维增强材料，以及 Gurit(瑞士瓦特维尔)的Kerdyn Green结构芯材，该芯材由100%回收PET制成。层压预成型件被铺设并采用双真空袋工艺，放入Comaxel 制作的复合材料三分之一圆柱模具中，这些模具配有电阻加热线路。

据Comaxel总经理迈克尔·兰恩(Michael Rann)介绍，模具制造是转子帆生产过程中面临的最大挑战。为了实现精准组装和最小化重量，这些圆柱体的制造公差非常严格，甚至可能低于0.1%—而Comaxel正是通过其模具制造技术部分实现了这一目标。兰恩表示，传统的玻璃纤维模具会用少量单向碳纤维进行加固，以将热膨胀系数(CTE- coefficient of thermal expansion)降至所需水平。这些模具还由Comaxel开发的先进创新微处理器控制系统进行控制。利用该系统，在加热过程的升温阶段，模具温度可控制在±2°C范围内；在最终后固化阶段，则可控制在±0.1°C范围内。兰恩指出，该系统能够通过一个控制单元同时控制多个单元，他补充道，该控制单元可处理单个加热区或最多960个加热区的模具，每个加热区面积可达2.5平方米。该控制系统还配备有在每次流程前运行诊断检查的功能，能够自动检测可能的故障，并确保所有区域的加热均匀。

 

巨型组件。Comaxel位于波兰戈尔达普的组装工厂长55米，高15米，配备两台起重机和专门的组装生产线，用于生产巨大的转子帆圆柱体。

层压板注入高强度PRIME 27环氧灌注树脂。脱模并修整后的圆柱段使用Gurit高强度Spabond 340LV环氧胶粘剂和Gurit Armpreg 31环氧层压树脂，配合碳纤维和玻璃纤维胶带进行粘接和补强。采用相同的方法将完成的管材粘接成最终的转子帆圆柱体。这种经过数千根游艇桅杆和风力叶片验证的耐用复合材料结构，随后使用Gurit S-Fair环氧填料系统进行修整，以获得光滑的迎风表面和旋转公差。完成的结构随后被运输——这一过程与运输风力叶片惊人地相似——以便安装在货船、邮轮或渡轮上。

自项目启动以来，兰恩表示，通过与 Norsepower 的合作，Comaxel 将转子帆的重量减轻了 10%，生产与组装时间也大幅缩短。“从一开始，Norsepower 与 Comaxel 之间的合作就非常开放且充满信任，” 兰恩 说道。“正是这种关系，让我们拥有了市场上最出色的产品之一。”

使用旋翼帆通常可为每艘配对节省5-20%的燃料，从而按照Norsepower的目标减少燃料消耗产生的排放。就整体旋翼帆解决方案而言，Norsepower荣获了JEC Group颁发的2020年创新奖。

组装好的转子帆通过卡车从Comaxel的工厂运出，类似于风力涡轮机叶片的运输方式

将设计商业化

2018年8月，Norsepower首次宣布，其两台30米高的旋筒帆已与合作伙伴马士基油轮公司(丹麦哥本哈根、能源技术研究所(英国伦敦)和壳牌航运与海事公司(荷兰海牙)合作，安装在“马士基海豚”号油轮上。目前，Norsepower正在波兰的几家制造工厂生产旋筒帆部件，预计到2020年底，将在江苏省沿海开设一家更大的生产基地。里斯基表示，这条中国首条生产线预计每年可生产多达50台旋筒帆。

 

拓展选项。Norsepower目前为其配对提供五种尺寸的旋翼帆，外加一种倾斜选项，适用于从大型油轮到客运渡轮等各种尺寸的船只，例如图中所示的这艘

里斯基表示，转子帆既可以安装在正在建造的新船上，也可以改装到现有船只上。

Norsepower 还提供了一种倾斜式转子帆选项，该选项于 2020 年 6 月推出。里斯基 解释说，这本身并不影响转子帆产品，而是通过液压铰链将设备安装在倾斜基础上，以便在通过跨链桥时能够临时降低转子帆。Norsepower 还与造船厂合作进行转子帆的安装。“选择合适的转子帆，并设计安装位置和数量，这取决于具体船只，”他说，并补充道，Norsepower 可以帮助造船厂确定不同船型上转子帆单元之间的正确间距，以确保平衡。

接下来，Norsepower 计划在欧洲及其位于中国的新制造工厂扩大生产规模。里斯基 指出，亚洲是该技术不断增长的市场，也是该公司新配对建造订单的主要来源。“我们预计未来几年业务将快速增长，”他说。

Norsepower计划到2025年生产超过200个旋翼帆，但里斯基表示，更大的目标仍然是减少排放。“如果所有可行的配对都安装上旋翼帆，我们每年可以减少全球航运业约7000万吨的碳排放。”

原文《Modernizing the mechanical rotor sail》

杨超凡