復合材料是Norsepower獲獎設計的關鍵，他們重新設計了這個擁有百年歷史的旋翼配對，用于減少客輪和貨輪的碳排放。

減少溫室氣體排放是每個交通部門都在以各種方式努力解決的挑戰，海運業也不例外。根據國際海事組織（IMO，英國倫敦）2020年發布的一項研究，近年來燃料動力船舶和其他海洋船只釋放的溫室氣體排放量一直在上升，2012年至2018年間上升了約10%。該研究還報告稱，與航運相關的甲烷排放量增加了150%，黑碳排放量增加了12%。

2012年，芬蘭企業家圖奧馬斯·里斯基(Tuomas Riski)意識到，減少船舶燃燒燃料產生的排放的選項寥寥無幾，于是開始尋找能夠提供幫助的技術?！拔铱吹饺蛱寂欧艈栴}非常嚴重，”里斯基說，“我想找到一種我們可以商業化應用的技術，而且這種技術具有大幅減少二氧化碳排放的潛力?！?/p>

里斯基遇到了芬蘭海軍建筑師凱·萊萬德(Kai Levander)，后者當時正在設計一種機械帆，作為貨船的輔助風力推進系統。里斯基 和萊萬德 審查了多種機械帆概念，最終決定開發并商業化一種百年老技術的現代化版本：弗萊特納轉子帆。為了實現這一目標，Norsepower 公司(芬蘭赫爾辛基)于 2012 年成立，里斯基擔任首席執行官。

轉子帆助力更環保的航運。像“馬士基海豚”號油輪上這樣的復合材料轉子帆能提供輔助動力，將燃料消耗及其伴隨的二氧化碳排放量降低5-20%

旋轉的圓柱形福萊特納轉子帆是一種機械帆，由芬蘭工程師西古德·薩沃紐斯(Sigurd Savonius)于20世紀初發明。隨后，這種帆由德國航空工程師安東·福萊特納 (Anton Flettner) 普及（并以其命名），他于1926年成功駕駛一艘原型轉子帆船橫渡大西洋。

弗萊特納旋翼帆概念的工作原理是利用馬格努斯效應（見下圖）。根據這一原理，風推動旋轉的圓形物體（如圓柱形旋翼帆）時，會產生與風流方向垂直的運動。當風以正確方向流動—即橫向穿過甲板，與船舶行駛方向垂直—生高低壓差，從而產生垂直于風流方向的升力，即推力。這種推力推動船舶前進。

據說旋翼帆的效率是傳統帆的10倍，能在更小的表面積下產生更大的升力。然而，和傳統帆一樣，它也依賴風向，因此最適合用作輔助推進系統，為常規燃油動力船只提供補充。

馬格努斯效應。風作用于旋轉的圓形物體時，會產生與風流方向垂直的運動。正是這一原理使得旋轉的網球在空中突然改變軌跡，同時也推動了旋翼船前進

據里斯基介紹，盡管弗萊特納證明了該技術可行，并且安全、有效、高效，但當時的時機并不適合商業化。他說，在20世紀20年代，“燃料價格低廉，沒人關心減少排放。”此外，他還補充道，最初的金屬旋翼帆重量大、制造成本高?！拔覀兛梢杂脧秃喜牧辖鉀Q所有這些問題。我們發現，這是最有潛力成為航運船舶領先或市場進入者機械帆的技術，” 里斯基說。

里斯基表示，自2012年以來，Norsepower“一步步將產品推向市場——為首批試點客戶設計了產品，并且現在已將其打造為一款商業化產品”。

重新設計福萊特納帆

轉子帆的整體設計是一個中空的、類似桅桿的圓柱體，由內部軸驅動旋轉。對原始福萊特納帆的一項現代改進是，諾斯鮑爾設計中的內部鋼軸由自動化一鍵啟動系統和由里斯基與萊萬德專利的現代電動機系統操作。這種自動化意味著與配備傳統帆的船只相比，操作該帆所需的船員更少。

里斯基表示，外部管的設計伴隨著多項設計要求：輕量化結構、良好的疲勞強度以及以合理成本實現大批量生產的能力?！澳惚仨氈圃斐鲆环N既堅固又輕量化且極其平衡的旋轉部件，”他說道，并指出原始的弗萊特納旋翼帆在船甲板上存在平衡問題。

在Norsepower，公司評估了復合材料和鋁合金設計方案，最終選擇了復合材料設計，因為其重量約為鋁合金版本的一半，且具有更高的疲勞強度和耐久性。“在研究不同的制造技術時，我們得出結論，現代復合材料是制造這種結構的唯一途徑，” 里斯基說道?！叭绻麤]有它們，要制造出能正常工作的福萊特納旋翼將非常困難。現在我們可以將其制成標準化、高質量的最終產品，并降低成本，使其在大批量生產時具備商業可行性。”公司使用了來自Ansys（美國賓夕法尼亞州康納斯堡）等公司的CAD和有限元分析(FEM- finite element analysis)軟件來完成并驗證設計。

巨型復合材料結構

Norsepower目前提供五種尺寸的旋翼帆，直徑從3米、高18米到直徑5米、高35米不等，后者作為對比，其翼展與A320飛機相當。

維京航線將郵輪業務與客貨運輸相結合

每臺旋翼帆的主圓柱體由多個較短的管段組成—這些管段是樹脂浸漬的夾層結構，由復合材料制造商 Comaxel(波蘭戈爾達普)在其專門設計的裝配設施中制作并粘合而成。管段的干預成型件由Zoltek(匈牙利尼爾蓋斯烏伊法盧)的 50K 碳纖維單向(UD)增強材料，以及來自多家不同供應商的縫合玻璃纖維增強材料，以及 Gurit(瑞士瓦特維爾)的Kerdyn Green結構芯材，該芯材由100%回收PET制成。層壓預成型件被鋪設并采用雙真空袋工藝，放入Comaxel 制作的復合材料三分之一圓柱模具中，這些模具配有電阻加熱線路。

據Comaxel總經理邁克爾·蘭恩(Michael Rann)介紹，模具制造是轉子帆生產過程中面臨的最大挑戰。為了實現精準組裝和最小化重量，這些圓柱體的制造公差非常嚴格，甚至可能低于0.1%—而Comaxel正是通過其模具制造技術部分實現了這一目標。蘭恩表示，傳統的玻璃纖維模具會用少量單向碳纖維進行加固，以將熱膨脹系數(CTE- coefficient of thermal expansion)降至所需水平。這些模具還由Comaxel開發的先進創新微處理器控制系統進行控制。利用該系統，在加熱過程的升溫階段，模具溫度可控制在±2°C范圍內；在最終后固化階段，則可控制在±0.1°C范圍內。蘭恩指出，該系統能夠通過一個控制單元同時控制多個單元，他補充道，該控制單元可處理單個加熱區或最多960個加熱區的模具，每個加熱區面積可達2.5平方米。該控制系統還配備有在每次流程前運行診斷檢查的功能，能夠自動檢測可能的故障，并確保所有區域的加熱均勻。

巨型組件。Comaxel位于波蘭戈爾達普的組裝工廠長55米，高15米，配備兩臺起重機和專門的組裝生產線，用于生產巨大的轉子帆圓柱體。

層壓板注入高強度PRIME 27環氧灌注樹脂。脫模并修整后的圓柱段使用Gurit高強度Spabond 340LV環氧膠粘劑和Gurit Armpreg 31環氧層壓樹脂，配合碳纖維和玻璃纖維膠帶進行粘接和補強。采用相同的方法將完成的管材粘接成最終的轉子帆圓柱體。這種經過數千根游艇桅桿和風力葉片驗證的耐用復合材料結構，隨后使用Gurit S-Fair環氧填料系統進行修整，以獲得光滑的迎風表面和旋轉公差。完成的結構隨后被運輸——這一過程與運輸風力葉片驚人地相似——以便安裝在貨船、郵輪或渡輪上。

自項目啟動以來，蘭恩表示，通過與 Norsepower 的合作，Comaxel 將轉子帆的重量減輕了 10%，生產與組裝時間也大幅縮短。“從一開始，Norsepower 與 Comaxel 之間的合作就非常開放且充滿信任，” 蘭恩 說道?！罢沁@種關系，讓我們擁有了市場上最出色的產品之一?！?/p>

使用旋翼帆通常可為每艘配對節省5-20%的燃料，從而按照Norsepower的目標減少燃料消耗產生的排放。就整體旋翼帆解決方案而言，Norsepower榮獲了JEC Group頒發的2020年創新獎。

組裝好的轉子帆通過卡車從Comaxel的工廠運出，類似于風力渦輪機葉片的運輸方式

將設計商業化

2018年8月，Norsepower首次宣布，其兩臺30米高的旋筒帆已與合作伙伴馬士基油輪公司(丹麥哥本哈根、能源技術研究所(英國倫敦)和殼牌航運與海事公司(荷蘭海牙)合作，安裝在“馬士基海豚”號油輪上。目前，Norsepower正在波蘭的幾家制造工廠生產旋筒帆部件，預計到2020年底，將在江蘇省沿海開設一家更大的生產基地。里斯基表示，這條中國首條生產線預計每年可生產多達50臺旋筒帆。

拓展選項。Norsepower目前為其配對提供五種尺寸的旋翼帆，外加一種傾斜選項，適用于從大型油輪到客運渡輪等各種尺寸的船只，例如圖中所示的這艘

里斯基表示，轉子帆既可以安裝在正在建造的新船上，也可以改裝到現有船只上。

Norsepower 還提供了一種傾斜式轉子帆選項，該選項于 2020 年 6 月推出。里斯基 解釋說，這本身并不影響轉子帆產品，而是通過液壓鉸鏈將設備安裝在傾斜基礎上，以便在通過跨鏈橋時能夠臨時降低轉子帆。Norsepower 還與造船廠合作進行轉子帆的安裝。“選擇合適的轉子帆，并設計安裝位置和數量，這取決于具體船只，”他說，并補充道，Norsepower 可以幫助造船廠確定不同船型上轉子帆單元之間的正確間距，以確保平衡。

接下來，Norsepower 計劃在歐洲及其位于中國的新制造工廠擴大生產規模。里斯基 指出，亞洲是該技術不斷增長的市場，也是該公司新配對建造訂單的主要來源。“我們預計未來幾年業務將快速增長，”他說。

Norsepower計劃到2025年生產超過200個旋翼帆，但里斯基表示，更大的目標仍然是減少排放。“如果所有可行的配對都安裝上旋翼帆，我們每年可以減少全球航運業約7000萬噸的碳排放?！?/p>

原文《Modernizing the mechanical rotor sail》

楊超凡