扭曲翼型风帆及其设计方法与流程

1.本发明涉及船舶技术领域，尤其是一种扭曲翼型风帆及其设计方法。


背景技术：

2.翼型风帆是利用风帆在气流攻角下产生的气动力在船舶前进方向上产生的推力分量实现助推的。
3.由于海面的存在，海上的风都是梯度风，即风速在垂向高度上是自海平面向上是不断增大的。当船舶以一定航速航行时，根据速度三角形法则，船舶甲板面以上不同高度处的相对风速及相对风向是不同的。在此条件下，对于加装的传统船用翼型风帆，垂向最大高度往往超过30m-50m，不同高度处的风帆剖面气流攻角是不同的。由此必然不能同时使得不同高度处的风帆剖面气动力特性，尤其是推力特性，达到最佳，同时因失速影响，有些高度剖面甚至气动力特性大幅下降，与之对应的，也必然不能发挥不同高度处风帆剖面的最大助推效果。


技术实现要素：

4.本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的扭曲翼型风帆及其设计方法，能够在船舶垂向上充分利用因船舶航速与大地梯度风剖面合成的扭曲梯度风，使得装置垂向各处的水平剖面均为最佳的风帆攻角，可达到最佳的状态产生最大助推力，从而进一步发掘该类型装置的推进效果，降低船舶主机功率输出及温室气体减排，大幅提高船舶的经济性和环保性。
5.本发明所采用的技术方案如下：
6.一种扭曲翼型风帆的设计方法，包括如下步骤：
7.根据目标船总体布置以及国际航运公约驾驶视线要求，确定安装的扭曲翼型风帆在甲板上的布置位置及对应所允许的最大弦长；
8.确定目标船未安装扭曲翼型风帆时营运航行所遭遇的绝对风速范围，根据目标船的营运航速，确定风帆助推航行时的相对风速u
ref
范围；
9.评估营运航线安装的翼型风帆个数及对应的侧投影面积大小；
10.根据上述确定的最大弦长、侧投影面积计算翼型风帆的高度；
11.根据目标船营运航速u
船
、营运航线海上风剖面u
t
(h)，计算各垂向高度的翼型风帆剖面相对于翼型风帆最下端剖面的扭曲角度α；
12.计算各垂向高度的翼型风帆剖面相对于翼型风帆最下端剖面的扭曲角度α的具体步骤如下：
13.假定船舶典型营运航线所历经的大气风剖面满足1/8指数律分布，则不同垂向高度处的风速可按如下确定：
14.15.式中，z为距离海平面的垂向高度值，u
10
为距离海平面垂向高度为10m处的风速，uz为距离海平面垂向高度为z处的风速；
16.记风帆最下沿距离海平面垂向高度为z
down
，该处来风的绝对风向与10m高度处的绝对风向相同，记为ψ，该处的绝对风速u
down
可根据公式1确定；记船速为u
船
，则风帆最下沿处的相对风速及相对风向角根据速度三角形法则确定，满足如下关系：
[0017][0018][0019]
以风帆最下沿处为基准，则不同垂向高度处的来风相对风向角与最下沿处的来风相对风向角偏差即为设计的扭曲角度；距离风帆最下沿i高度处剖面的相对风速及风向计算如下：
[0020][0021][0022][0023]
距风帆下沿垂向高度i处的风帆剖面相对风帆最下沿剖面的扭曲角度α为：
[0024]
α＝ψ
ai-ψ
adown
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0025]
根据翼型风帆各高度位置的扭曲角度α，成型翼型风帆的立式连续光滑扭曲帆面；
[0026]
设计扭曲翼型风帆上、下端板外形尺寸。
[0027]
相对风速及相对风向角为在运动船体中所感知的风速、风向，为船速和大地风速的合成。
[0028]
评估营运航线拟安装的风帆个数及对应侧投影面积的影响因素包括：船东期望的投资回收期、展弦比翼型风帆在不同船舶吃水/航速对应的燃油节约以及燃油市场价格。
[0029]
结合最大相对风速u
ref
、翼型风帆外形，作业攻角范围内对应的扭矩、功率小于设备的最大扭矩和功率。
[0030]
扭曲翼型风帆上、下端板外形尺寸采用cfd计算流体动力学或采用行业已有数据确定。
[0031]
一种扭曲翼型风帆，包括基座，基座顶部设有帆面。
[0032]
所述基座上设有驱动电机，驱动电机与帆面之间通过齿轮副连接；驱动电机的输出轴上连接主动轮，帆面底部引出桅杆，桅杆上同轴设置从动轮。
[0033]
作为上述技术方案的进一步改进：
[0034]
所述帆面的顶部和底部分别设有上端板和下端板。
[0035]
本发明的有益效果如下：
[0036]
本发明基于速度三角形法则，根据航行船舶营运航速及梯度来风风剖面的特点，提出的扭曲式翼型风帆方案在满足公约布置的同时，可使得不同高度处的翼型风帆剖面达到最佳的气流攻角，从而可使得各高度处的翼型风帆剖面气动力特性达到最佳，并从整体上最大限度提高风帆的助推效果。
[0037]
本发明通过在翼型风帆的上、下端部增加端板，有效抑制了翼型风帆的端部流动
分离，可有效提高上、下端部的气动特性，并使得风帆整体的助推效果得到进一步的提高。
[0038]
本发明所述的扭曲式翼型风帆方案充分利用了流体动力学的特点，具有优良的助推特性，应用本发明所述高性能风帆方案，可显著降低船舶推进主机输出功率，降低燃油消耗及温室气体排放，提高风帆助推经济性及环保性，具有广阔的工程应用前景。
附图说明
[0039]
图1为翼型风帆推力产生示意图。
[0040]
图2为升力系数随攻角变化曲线。
[0041]
图3为实船航行遭遇的海上梯度风剖面及传统翼型风帆剖面相对风向角分析。
[0042]
图4为本发明的翼型风帆立体图。
[0043]
图5为本发明的翼型风帆俯视图，为便于观看结构，本图作透视图。
[0044]
图6为本发明的翼型风帆主视图。
[0045]
图7-1和图7-2为本发明的翼型风帆安装在船舶上的示意图。
[0046]
图8为扭曲翼型风帆气动力外形设计流程框图。
[0047]
图9为各垂向高度翼型剖面扭曲角度的确定流程框图。
[0048]
其中：1、上端板；2、帆面；3、下端板；4、桅杆；5、主动轮；6、从动轮；7、驱动电机；8、基座；9、驾驶室；10、船体甲板。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
[0050]
如图1-图9所示，本实施例的扭曲翼型风帆的设计方法，包括如下步骤：
[0051]
根据目标船总体布置以及国际航运公约驾驶视线要求，确定安装的扭曲翼型风帆在甲板上的布置位置及对应所允许的最大弦长；
[0052]
确定目标船未安装扭曲翼型风帆时营运航行所遭遇的绝对风速范围，根据目标船的营运航速，确定风帆助推航行时的相对风速u
ref
范围；
[0053]
评估营运航线安装的翼型风帆个数及对应的侧投影面积大小；
[0054]
根据上述确定的最大弦长、侧投影面积计算翼型风帆的高度；
[0055]
根据目标船营运航速u
船
、营运航线海上风剖面u
t
(h)，计算各垂向高度的翼型风帆剖面相对于翼型风帆最下端剖面的扭曲角度α；
[0056]
计算各垂向高度的翼型风帆剖面相对于翼型风帆最下端剖面的扭曲角度α的具体步骤如下：
[0057]
假定船舶典型营运航线所历经的大气风剖面满足1/8指数律分布，则不同垂向高度处的风速可按如下确定：
[0058][0059]
式中，z为距离海平面的垂向高度值，u
10
为距离海平面垂向高度为10m处的风速，uz为距离海平面垂向高度为z处的风速；
[0060]
记风帆最下沿距离海平面垂向高度为z
down
，该处来风的绝对风向与10m高度处的绝对风向相同，记为ψ，该处的绝对风速u
down
可根据公式1确定；记船速为u
船
，则风帆最下沿
处的相对风速及相对风向角根据速度三角形法则确定，满足如下关系：
[0061][0062][0063]
以风帆最下沿处为基准，则不同垂向高度处的来风相对风向角与最下沿处的来风相对风向角偏差即为设计的扭曲角度；距离风帆最下沿i高度处剖面的相对风速及风向计算如下：
[0064][0065][0066][0067]
距风帆下沿垂向高度i处的风帆剖面相对风帆最下沿剖面的扭曲角度α为：
[0068]
α＝ψ
ai-ψ
adown
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0069]
根据翼型风帆各高度位置的扭曲角度α，成型翼型风帆的立式连续光滑扭曲帆面2；
[0070]
设计扭曲翼型风帆上端板1、下端板3外形尺寸。
[0071]
相对风速及相对风向角为在运动船体中所感知的风速、风向，为船速和大地风速的合成。
[0072]
评估营运航线拟安装的风帆个数及对应侧投影面积的影响因素包括：船东期望的投资回收期、展弦比翼型风帆在不同船舶吃水/航速对应的燃油节约以及燃油市场价格。
[0073]
结合最大相对风速u
ref
、翼型风帆外形，作业攻角范围内对应的扭矩、功率小于设备的最大扭矩和功率。
[0074]
扭曲翼型风帆上端板1、下端板3外形尺寸采用cfd计算流体动力学或采用行业已有数据确定。
[0075]
本实施例设计的扭曲翼型风帆，包括基座8，基座8顶部设有帆面2，基座8上设有驱动电机7，驱动电机7与帆面2之间通过齿轮副连接；驱动电机7的输出轴上连接主动轮5，帆面2底部引出桅杆4，桅杆4上同轴设置从动轮6。
[0076]
帆面2的顶部和底部分别设有上端板1和下端板3。
[0077]
本发明的思路如下：
[0078]
如图1所示，为翼型风帆推力产生的原理示意图，图2为其典型翼型风帆方案的气动力特性随攻角变化的曲线。图2中，横坐标表征的是风帆攻角，纵坐标为无因次升力系数。
[0079]
结合参考图3，海面上的风为梯度风，即风速在垂向高度上是自海平面向上是不断增大的，当船舶以一定航速航行时，根据速度三角形法则，船舶甲板面以上不同高度处的相对风速及相对风向是不同的。在此条件下，对于加装的传统船用翼型风帆，不同高度处的风帆剖面气流攻角是不同的。以船舶在设计吃水状态航速12kn航行，并受绝对风向角90
°
，海平面以上10m高度处风速u
10
＝10m/s的侧风为例，风帆最下沿及最上沿的相对风向角偏差超过了5
°
，由此必然不能同时使得不同高度处的风帆剖面气动力特性，尤其是推力特性，达到最佳，同时因失速影响，有些高度剖面甚至气动力特性大幅下降，与之对应的，也必然不能
发挥不同高度处风帆剖面的最大助推效果。
[0080]
因此，本发明根据上述流体动力学特点的理论分析，提出了针对扭曲翼型风帆装置方案设计的方法。应用本发明所述方法，设计的扭曲翼型风帆方案，在布置满足国际公约中的驾驶视线要求前提下，设计的外形方案可使得不同高度处的剖面都能够获得最佳的攻角，从而充分发挥垂向不同高度的剖面助推效果，并实现装置整体在来风条件下的高效助推，降低船舶推进主机的输出功率及燃油消耗、温室气体排放，提高装置经济性、环保性及工程应用价值。
[0081]
本发明的一个实施例中，具体步骤如下：
[0082]
s1、根据目标船总体布置以及国际航运公约驾驶视线要求，确定拟安装的扭曲翼型风帆在甲板上的布置位置及对应所允许的最大弦长；
[0083]
s2、根据目标船典型营运航线历史风场数据统计，确定目标船未安装扭曲翼型风帆时营运航行所遭遇的绝对风速范围；进一步地，根据船舶营运航速，确定风帆助推作业的相对风速u
ref
范围，可为系统的结构强度校核提供依据；
[0084]
s3、根据船东期望的投资回收期、基于s2获得的不同展弦比翼型风帆在不同船舶吃水/航速对应的燃油节约以及燃油市场价格等，评估典型营运航线拟安装的翼型风帆个数及对应侧投影面积大小；
[0085]
s4、根据s1确定的最大弦长、s3确定的侧投影面积大小，计算翼型风帆的高度；
[0086]
s5、根据船舶营运航速u
船
、典型营运航线海上风剖面u
t
(h)，计算不同垂向高度的翼型风帆剖面相较最下端剖面的扭曲角度，具体流程如下：
[0087]
假定船舶典型营运航线所历经的大气风剖面满足1/8指数律分布，则不同垂向高度处的风速可按如下确定：
[0088][0089]
式中，z为距离海平面的垂向高度值，u
10
为距离海平面垂向高度为10m处的风速，uz为距离海平面垂向高度为z处的风速。
[0090]
记风帆最下沿距离海平面垂向高度为z
down
，该处来风的绝对风向与10m高度处的绝对风向相同，记为ψ，该处的绝对风速u
down
可根据公式(1)确定；记船速为u
船
，则风帆最下沿处的相对风速及相对风向角可根据速度三角形法则确定(相对风速及相对风向角为在运动船体中所感知的风速、风向，是船速和大地风速的合成)，具体地：
[0091][0092][0093]
以风帆最下沿处为基准，则不同垂向高度处的来风相对风向角与最下沿处的来风相对风向角偏差即为设计的扭曲角度。例如，距离风帆最下沿i高度处剖面的相对风速及风向计算如下：
[0094][0095]
[0096][0097]
距风帆下沿垂向高度i处的风帆剖面相对风帆最下沿剖面的扭曲角度α为：
[0098]
α＝ψ
ai-ψ
adown
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0099]
依此类推，即可获得翼型风帆不同垂向高度处的扭曲角度，并可获得立式连续光滑扭曲帆面。
[0100]
s6、为抑制风帆端部绕流，设计扭曲翼型风帆上、下端板外形尺寸，具体可采用经验或传统cfd方法确定。
[0101]
本发明的一个具体实施例计算过程如下：
[0102]
s1、自驾驶楼向前，根据国际公约驾驶视线要求，扭曲翼型风帆布置在视线范围外区域，不影响船舶正常驾驶营运；为保证安装基础的结构强度，风帆安装位置选择在船体横舱壁位置；
[0103]
s2、以全球主要海运航线统计风场数据为例，船舶正常营运航线遭遇的风速范围为0～17.5m/s，该风速为距离海面10m高度处的风速。进一步地，以目标船营运平均航速12kn为例，则船上的最大相对风速为:
[0104]
17.5 12
×
0.5144＝23.7m/s；
[0105]
s3、以s2确定的风速统计满足结构强度、典型航线节能指标以及不超驱动装置扭矩等，确定翼型风帆弦长为14.6m，展长为50.0m；
[0106]
s4、假定距海面10m高度处绝对风速为10m/s，绝对风向角为90
°
，风帆下沿高度距海面10.85m，根据翼型风帆高度50.0m，确定风帆下端和上端的相对风向为58.6
°
和63.8
°
，进而给出上、下端面翼型剖面的扭曲角度。类似地，可求取各高度翼型风帆剖面为获得最优风帆攻角应扭曲的角度，由此即可获得扭曲翼型风帆的外形轮廓；如图4-图6所示。
[0107]
s5、根据经验或传统cfd方法，确定上、下端板尺寸。
[0108]
设计结束后，安装结构如图7所示。
[0109]
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。