新技術於海上風力推進裝置的 進一步發展
密西根大學商學教授 C. K. Prahalad 博士在 1980 年間，發表了題為「為未來而競爭（Competing for the Future）」的論文，著重於「技術的融合」。海上風力的推進裝置有潛力可結合最前沿的技術開發，達到更進一步的發展，而瑞典、日本、美國、德國和英國的技術都有可能達成。
一、 介紹
在1980年代初期，物理學教授Brad Blackford用一艘風車動力船參加了在加拿大哈利法克斯（Halifax）舉辦的一場風力帆船比賽時，他使用一個傾斜軸流風機直接驅動一具小船螺旋槳，使他的船逆風直向航行並贏得了比賽。在後來的幾年裡，Blackford在這個概念上進行了更多改進，並在逆風直向航行時達到了8節的速度。他成功駕駛著他的風力渦輪船，沿著風速適中的美國東海岸航行，風機和螺旋槳都有超速和空化的限制。
二、 低速時發揮高效率
幾位發明家使用錨掌做實驗，以提高小船在低速時的推進效率。一家名為「Dol-prop」的瑞典製造商正在行銷這種發想自海豚尾鰭的產品。後來，愛好者們開發出件具垂直和水平的機械尾翼，以實現更高效率的推進能力。該技術在小船上的表演示範，證明機械尾翼推進技術的大型版本開發有一定潛力，可能利用馬格努斯效應並由垂直軸型的耐颱風級風機技術驅動，而此技術是源自日本。
耐颱風級風機配備有圓柱形馬格努斯效應垂直軸轉子，能夠以極高的轉速旋轉，同時施加槓桿力量來驅動中心驅動軸，以相對較低的轉速來承載極高的扭矩。一項理想的未來概念，是將這種風機的功率特性跟大型機械翼片相結合，使之能夠推動大型船舶，於北大西洋向西航行，並穿過該地每年後半的劇烈逆風。另一種配置方式，是在兩種成熟的垂直軸推進技術之間選擇一種。
三、 垂直軸風機
雖然垂直軸風機的能量轉換效率低於水平軸風機，但它們的重心可以安排得較低，這在移動應用中具有穩定性優勢。最近的創新發展是將馬格努斯效應轉子安裝到垂直軸風機設計中，能在極高速風力條件下運轉。這種轉子目前是為了海事產業生產，以作為風帆的替代品。安裝於甲板的大型垂直軸風機上可以採用相同的轉子，並有可能在同一組件上操作上下兩組轉子。
本配置結合了承載旋轉風機組件重量且可行於彎曲軌道上的可拆卸式軌道輪，並且在每個轉子都配備制動器和電動或氣動馬達，以及Challenergy在日本首創的尾翼概念。馬格努斯效應垂直軸風機技術有望解決早期垂直軸風機設計在極端風速下運轉的問題。對於海上推進裝置而言，較低重心的特性使其比水平軸塔式風機更適用於較大型結構。
四、 水平軸風機
風機產業的開發向來集中於安裝在塔上的水平軸風機，應用於公用電網的發電，其中最大的海上風機為三葉片式，額定功率為 14 兆瓦（18,700 馬力），葉片直徑為 354 英呎。這樣的功率位準是連續多年持續研究和開發的成果，現在已經開發出能承受颶風的技術。塔上的水平軸風機已經曾被用來推進小船，以機械齒輪傳動。
一部額定功率為 500 kW（670 馬力）的風機，在風速為 30 mph，轉速為 240 RPM時，可提供約 15,000 lb-ft 的扭矩。若輔以行星齒輪箱，透過 90 度螺旋錐齒輪和同心反向旋轉的垂直軸來傳動，可以在 1,500 lb-ft 的扭矩下將轉速提高到 2,400 RPM。
五、 未來風機開發
日本所開發的耐颱風級垂直軸風機技術，帶來了進一步研究並開發出實用且具競爭力的多兆瓦超大型版本之契機。這種版本將為航海應用提供充足推進力。垂直軸技術允許風機直接驅動垂直軸推進技術，並選擇行星齒輪來調整相對轉速，或使用曲柄連桿技術來驅動大型機械尾翼推進技術。二層樓高的巨型耐颱風級風機的中心軸以 90 RPM 的速度旋轉，承載 250,000 lb-ft 的扭矩，將可為垂直軸螺旋槳提供超過 4,300 馬力或 3,200 kW 的功率。
六、 福伊特-施耐德推進裝置
垂直軸福伊特-施耐德（Voith-Schneider）推進技術在拖船應用中得到了充分證明，且可由垂直軸風機驅動。若將垂直葉片角度調整到中性零推力設定，便可以讓風機以微乎其微的啟動扭矩開始運轉。雖然延長推進葉片高度，可增加最大推進力，但這種修改會增加葉片上的撓曲負荷。針對使用上下兩層圓盤板、將各個垂直推進葉片固定在巨型風機版本的兩端之方法，可能需要再研究其優點。透過使用直接無齒輪驅動技術，或是在風機和推進裝置之間安裝垂直軸行星齒輪系統，讓垂直軸風機技術有機會驅動福伊特-施耐德推進裝置。推進器葉片包含樞軸與相關技術的定期檢查及維護，而垂直運轉軸流式螺旋槳因為沒有樞軸和相關技術，所需的檢查和維護將會較少。專用於遠洋航行的風機動力船，將需要高水準的長期可靠性，以及易於檢查、維護的動力與推進系統。
七、 垂直軸軸流式螺旋槳
一家英國公司最近提供了一款安裝在風道內的垂直軸軸流式螺旋槳，因此具有可操縱方向的能力。雖然這款可自行啟動的垂直軸風機可以直接驅動垂直軸螺旋槳，但可能需要在低轉動的風機和高轉動的螺旋槳之間安裝超速傳動裝置。基於環形齒輪的行星齒輪系統和多具平行行星齒輪組合，將能夠在低轉速下承受持續的高扭矩負荷。此外，將垂直軸螺旋槳打造為超大直徑，加上可變螺距的葉片，就能夠在相對較低 RPM 下進行高效率運轉。
在螺旋槳的下游處，矩形風道的水平截面具有可變跨截面出口，可以調節航行速度。一組垂直軸風機陣列將被安裝在甲板上，每具風機都能驅動一個垂直的三衝程曲柄軸，由張力電纜相互連接，並驅動一具單一垂直軸螺旋槳。每具垂直軸風機具有風道，在船尾與其他風道相通，所以對自身的垂直軸螺旋槳也有其他方式驅動。可變節距葉片將被調整到符合一定範圍的功率輸出，並調節風機轉速，同時能在強風條件下航行更遠的距離。
八、 機械尾翼
垂直軸風機將驅動垂直曲柄軸，兩根曲柄軸相隔 180 度。曲柄軸將驅動一對連桿，而這對連桿會連接到一對由彈簧施予負荷的平行垂直機械尾翼啟動桿上。每根槓桿的前端將連接到固定在船體上的垂直軸舵型樞軸。每根連桿將在位於尾翼和舵型軸之間的垂直軸樞軸處，連接到每根槓桿。在運轉過程中，尾翼會以相反方向循環移動以提供推進力。
未來大型版本的平行尾翼概念，將可能會取代彈簧施力系統，將前後垂直軸曲柄軸結合並分開 90 度。一組向前的上下連桿將連接到尾鰭的前導區，而後連桿將連接到尾翼的後曳區。在具有可變面積出口的矩形風道內安裝機械尾翼，將可能提高推進效率，同時能夠調節航行速度。機械連動裝置會將垂直軸風機連接到推進系統。
九、 結論
從2022年過去的十年中，具有耐颱風/颶風能力的風機已經用於水平軸和垂直軸配置中。當與機械尾翼推進裝置和垂直軸軸流螺旋槳相關發展結合時，這些技術為高大的風力船舶提供了新的前景，不過它們將僅侷限在高度無限淨空的航線和港口。未來的巨型馬格努斯效應垂直軸風機將可能直接驅動配備有可變節距葉片的垂直軸軸流螺旋槳。
資料來源: Maritime Executive，11/13/2022
