Судно-балкер водоизмещением 100 000 тонн, рассекающее северную часть Тихого океана, на первый взгляд может и не показаться чем-то революционным, но три возвышающихся вращающихся цилиндра незаметно меняют облик морской инженерии.
0:00 / 0:00
Поскольку мировая торговля в значительной степени зависит от судов, которые перевозят около 80 процентов всех грузов, и на долю судоходства приходится три процента мировых выбросов углекислого газа, судоходная отрасль испытывает давление с целью снижения своего углеродного следа. Альтернативные источники энергии и аккумуляторы могут помочь в достижении этой цели, хотя ветровая энергия представляет собой проверенную альтернативу с нулевым уровнем выбросов.
Роторные паруса, представляющие собой вертикальные цилиндры, приводимые в движение электродвигателями для использования эффекта Магнуса, были усовершенствованы с 1920-х годов с целью снижения расхода топлива на 5–25 процентов. В отличие от традиционных парусов, эти металлические «роторы Флеттнера» требуют для вращения лишь небольшого количества электроэнергии, но при этом создают мощную боковую тягу, отталкивая воздух назад.
Как утверждает финская компания Norsepower, специализирующаяся на экологически чистых технологиях, вращающаяся поверхность каждого ротора «создает мощную тягу», которая позволяет снизить обороты главного двигателя судна, экономя топливо и сокращая выбросы. Что особенно важно, роторные паруса занимают мало места на палубе, практически не требуют конструктивных изменений и могут наклоняться вниз для погрузки – преимущества, которые делают их идеальными для балкеров и танкеров.
Действительно, как объясняет инженер CSSC, роторные паруса «занимают мало места на палубе, не мешают погрузке и разгрузке грузов… и практически не требуют модификации первоначальной конструкции судна», при этом экономя в среднем 5–25 процентов топлива на каждом рейсе.
Эти цифры соответствуют оценке компании Norsepower, согласно которой в типичных условиях экономия составляет примерно 5–25 процентов. В условиях роста цен на топливо и строгих требований ИМО даже 10-процентная экономия на крупном судне приносит существенную выгоду.
Модернизация 100-тонного вертолета Chinook Oldendorff
Осенью 2024 года компании Norsepower и Oldendorff Carriers совместно установили три роторных паруса Norsepower размером 24 м × 4 м на борту балкера Chinook Oldendorff водоизмещением 100 449 тонн (ранее называвшегося Dietrich Oldendorff). Установка, запланированная с начала 2024 года, была проведена в рамках планового визита на верфь CSSC Chengxi в Китае для покраски корпуса и других ремонтных работ, что позволило избежать дополнительных простоев.
Компания Norsepower сообщает, что три 45-тонных ротора были установлены на специально спроектированных фундаментах с наклонными салазками, что позволило опускать каждый цилиндр горизонтально во время погрузки. Тяжелый подъемный кран поднимал каждый ротор на место над усиленным палубным фундаментом; лазеры использовались для выравнивания роторов относительно конструкции судна и для их электрического подключения к энергетической системе судна.
«На борту балкера типа Post Panamax Chinook Oldendorff водоизмещением 100 449 тонн успешно установлены и введены в эксплуатацию три роторных паруса Norsepower Rotor Sails™ (NPRS), после чего специалисты немедленно приступили к ходовым испытаниям для оценки их характеристик».
Для судна Oldendorff цель была проста: использование энергии ветра для снижения расхода топлива во время транстихоокеанского плавания. Как указано в контракте, подписанном в феврале 2024 года, Oldendorff планирует сократить расход топлива и выбросы CO₂ примерно на 10-15%. Согласно отчету Seatrade, среднее снижение составляет около 9%, что указывает на зависимость результатов от условий выработки ветровой энергии.
В ходе проведенных испытаний директор по исследованиям и разработкам компании Oldendorff Торстен Барентин привел несколько удивительных статистических данных: при скорости 13,4 узла главный двигатель Chinook потреблял всего 30 процентов мощности, в то время как вклад роторов составлял «избыток примерно в 3 МВт эквивалентной мощности». Это единственное наблюдение позволяет предположить, что при сильном ветре каждый ротор будет обеспечивать около 1 МВт тяги, даже используя свои собственные 20 кВт вращательной мощности.
Проект привлек внимание как на местном, так и на глобальном уровне. В Ванкувере (будущем порту базирования Chinook) управляющий директор Oldendorff Расс Макнил высоко оценил партнерство с компаниями, занимающимися ветроэнергетикой и портами: «Chinook Oldendorff отражает наше стремление предоставлять практичные, экологически чистые решения, которые соответствуют потребностям наших клиентов и нашим долгосрочным целям в области устойчивого развития». Администрация порта Ванкувер-Фрейзер также высоко оценила лидерство Oldendorff в сокращении выбросов. Построенное в 2020 году судно даже было переименовано в Chinook (в честь ветра Тихоокеанского Северо-Запада), чтобы подчеркнуть синергию природы и технологий.
Проектирование и монтаж
Проектирование модернизации потребовало тщательного анализа и разработки. Команда Norsepower использовала вычислительную гидродинамику (CFD) для моделирования подъемной силы роторов за счет эффекта Магнуса при различных углах ветра, а также конечно-элементный анализ (FEA) для проверки того, что палуба и опоры судна смогут выдержать дополнительные нагрузки. Например, палубные стойки необходимо было усилить, чтобы они выдерживали моменты от 24-метрового цилиндра при сильном ветре. Была выбрана система наклонного фундамента Norsepower (представленная в 2020 году): эта гидравлическая платформа позволяет опускать каждый ротор в горизонтальное положение, когда высота является ограничением (например, при входе в порт или погрузке груза).
Фундамент был приварен и прикреплен болтами к усиленной палубе, а сами роторы, изготовленные с внутренними стальными сердечниками и композитными оболочками, затем были подняты краном. Лазерные нивелиры и корабельный гирокомпас обеспечили вертикальность и правильную ориентацию роторов. Инженеры-электрики подключили приводные двигатели каждого ротора (потребляющие всего несколько десятков кВт) к корабельному распределительному щиту, а на мостике были интегрированы панели управления и датчики компании Norsepower.
В число основных инструментов и методов вошли:
- Моделирование и проектирование : расчеты расположения ротора с использованием методов вычислительной гидродинамики (CFD) и аэродинамической трубы; конечно-элементный анализ конструкции для определения размеров усилений.
- Фундамент и система наклона : на палубе установлены предварительно смонтированные опоры для наклона, позволяющие размещать ротор в горизонтальном положении для выполнения грузовых операций.
- Тяжеловесные краны : кран класса 500 тонн установил каждый 45-тонный ротор на свое место на фундаменте.
- Обследование и юстировка : высокоточные лазеры и нивелиры для вертикальной и азимутальной юстировки роторов.
- Приборы : Для регистрации скорости ветра, частоты вращения ротора, мощности вращения (~20–50 кВт) и скорости судна/расхода топлива были установлены анемометры, лидар и топливомеры с GPS-навигацией. Регистраторы данных и бортовые компьютеры записывали данные о рейсах с работающими и неработающими роторами.
- Инструменты для ввода в эксплуатацию : расположенные на месте анализаторы мощности проверяли потребляемую мощность двигателя, а лазерные дальномеры и тахометры контролировали скорость вращения в зависимости от ветра. Технические специалисты верфи «калибровали» каждый ротор, запуская его на заданных скоростях в безветренную погоду, чтобы убедиться в работоспособности всех систем управления.
Наконец, вертолет Chinook прошел однодневную процедуру ввода в эксплуатацию: после установки несущих винтов была протестирована система управления, а экипаж прошел обучение с помощью имитации парусного движения. К вечеру команда дала добро, и Chinook отправился в путь по расписанию.
Производительность и экономия топлива
Влияние роторов стало очевидным уже в открытом море. Данные первого рейса (по маршруту Северного Тихого океана) показали существенную поддержку движения за счет ветра. Как уже упоминалось, при скорости 13,4 узла компания Barenthin зафиксировала дополнительную тягу от роторов примерно в 3 МВт, что означает, что каждый ротор в среднем выдавал около 1 МВт в тот момент. В ходе более длительных рейсов с переменным ветром компания ожидает, что три ротора позволят сократить расход топлива вертолета Chinook примерно на 10–15 процентов по сравнению с базовым уровнем.
Собственный анализ компании Norsepower, проведенный в разных странах мира, подтверждает это: более 385 000 часов наработки роторов их парка на сегодняшний день позволили сэкономить более 25 800 тонн CO₂. На практике это эквивалентно сокращению ежегодных выбросов тысяч автомобилей.
Измерения подтвердили низкие затраты электроэнергии на паруса. Двигатель каждого ротора потребляет порядка десятков киловатт (всего несколько сотен лошадиных сил), но при этом обеспечивает тягу в сотни киловатт, что более чем в 10 раз увеличивает «мощность». (Для сравнения, согласно инженерным рекомендациям ABS, современным роторным парусам требуется всего около 20 кВт для вращения под нагрузкой.)
На вертолете Chinook мониторы Norsepower зафиксировали около 50 кВт на ротор при пиковой нагрузке — ничтожно мало по сравнению с 15 000 кВт главного двигателя. Между тем, бортовые топливные датчики и датчики скорости показали явное снижение оборотов двигателя при сильном ветре.
Отчеты после рейса подтвердили экономию: расход топлива при устойчивом ветре 10–15 узлов снизился на несколько процентов по сравнению с аналогичными маршрутами без роторов. (Олдендорф оценивает среднюю экономию примерно в 9 процентов на маршруте через Северный Тихий океан.) Даже с учетом мощности вращения роторов, чистая экономия топлива напрямую приводит к снижению выбросов CO₂.
Первый рейс вертолета «Чинук» подтвердил правильность моделирования: если ветер останется попутным, экономия топлива за несколько недель составит сотни тонн. Первый рейс вертолета «Чинук» подтвердил правильность моделирования: если ветер останется попутным, экономия топлива за несколько недель составит сотни тонн.
Помимо этого случая, более масштабные исследования показывают преимущества роторных систем. В ходе моделирования, проведенного Norsepower–NAPA в 2023 году, было установлено, что сочетание роторных парусов с оптимизированным маршрутом с учетом погодных условий сокращает выбросы CO₂ примерно на 28 процентов во время рейса танкера по Атлантике. Вице-президент по продажам Norsepower Юкка Куускоски отмечает, что «данные о преимуществах внедрения экологически чистых технологий дадут отрасли необходимую уверенность для инвестиций в декарбонизацию».
Аналогичным образом, руководители проектов в CSSC Chengxi сообщают, что роторные паруса позволяют судовладельцам хеджировать риски, связанные с нестабильными ценами на топливо и углеродными налогами.
Каковы перспективы развития отрасли?
Переоборудование судна Chinook продемонстрировало, что традиционная концепция может быть успешно применена к современному судну с использованием современных технологий. Благодаря сотрудничеству между столетней судоходной компанией (Oldendorff) и двумя новичками (Norsepower и CSSC Chengxi) проект одновременно решил как институциональные, так и технические проблемы.
Как выразился Макнил, это сотрудничество «демонстрирует, как партнерство может способствовать значительному прогрессу». Инженеры поняли, что помимо усиления палубы, никаких существенных модификаций не требуется — лишь простое крепление роторов на специально подготовленных основаниях. Функция наклона гарантировала, что большие цилиндры не будут препятствовать грузовым операциям.
Пример проекта Chinook Oldendorff показывает, что небольшие вложения в сумме приводят к значительной экономии на длительных морских перевозках. Хотя современные роторные паруса основаны на технологиях 1920-х годов, сегодня они оснащены передовыми системами управления и доступны по всему миру. Экологически сознательные и промышленные специалисты продемонстрировали, что функциональное судно можно модернизировать без особых трудностей.
Как заметил Фэн Вэй, ветровая тяга является «одним из наиболее перспективных и практичных путей» для немедленного сокращения выбросов. Для инженеров это означает, что при правильном использовании роторных парусов суда могут эффективно использовать бесплатные источники энергии, не влияя на свою основную деятельность.
Sourse: interestingengineering.com
