CN104608895A - 扇形结构形式的船舶尾流能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扇形结构形式的船舶尾流能量回收装置，包括船体，所述船体的艉部通过桨轴安装有螺旋桨，位于桨轴前端的船尾尾毂的外圆周面上均匀间隔设置有多个翼型支架，所述翼型支架上支撑有流线型的导管，所述导管的内立面与翼型支架抵接。本发明结构紧凑、合理，通过扇形加速导管，将距船体表面一定距离处、且相对于船体具有更高动能的流体介质，引导至螺旋桨正前方的船舶尾流区，以提升其相对于船体的动能。

Description

扇形结构形式的船舶尾流能量回收装置

技术领域

本发明涉及能量回收装置技术领域，尤其是一种用于中大型原油船、VLCC和散货船的扇形结构形式的船舶尾流能量回收装置。

背景技术

对于中大型油船、VLCC和散货船等方型系数较大的船舶，其推进效率一般在70%左右，另外30%左右的功率/能量以尾流的形式耗散掉了。

现有技术中尚未有如能将尾流能量回收（或部分回收）用于船舶推进，则可以降低船舶能耗、减少温室气体排放，能够获得良好的经济和社会效益。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的扇形结构形式的船舶尾流能量回收装置，从而降低船舶能耗、减少温室气体排放。

本发明所采用的技术方案如下：

一种扇形结构形式的船舶尾流能量回收装置，包括船体，所述船体的艉部通过桨轴安装有螺旋桨，位于桨轴前端的船尾尾毂的外圆周面上均匀间隔设置有多个翼型支架，所述翼型支架上支撑有流线型的导管，所述导管的内立面与翼型支架抵接。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述导管成扇形结构；

船尾尾毂的外圆周面上均匀间隔设置有三个翼型支架。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，通过扇形加速导管（其半径从前缘至后缘逐渐收缩），将距船体表面一定距离处、且相对于船体具有更高动能的流体介质，引导至螺旋桨正前方的船舶尾流区，以提升其相对于船体的动能。

本发明通过翼型支架的作用，将尾流动能提升后的、沿螺旋桨轴向的流动，转化为与螺旋桨旋转方向相反的周向流动。

本发明通过旋转的螺旋桨，将这部分船舶尾流能量转化为船舶的推进力。

本发明特别适用于中大型油船、VLCC和散货船等各类方型系数较大的船舶，可以针对不同类型的船体尾部线型及相应的螺旋桨设计，改变扇形导管的形状、尺寸以及翼型支架等，实现船舶尾流能量回收效果的最优化。

本发明使用的是扇形导管（其弧度小于180°），而不是360°全向导管，可以根据不同的船体尾部形状，以最小的周向角度和最优的导管收缩率，实现最佳的船舶尾流能量回收效果；同时，根据螺旋桨正前方的尾流区流动特征，以最少的翼型支架数和最优的攻角，将沿螺旋桨轴向的流动转化为与螺旋桨旋转方向相反的周向流动，并使尾流区水流动能在周向上分布更为均匀，便于螺旋桨充分吸收，进而减小了轴向、周向和切向的能量损失。同时，由于扇形导管环向角度和翼型支架数目的最小化，也最大程度地简化了加工工艺，并降低了造价。

本发明根据船体尾部形状和螺旋桨几何形状，设计出满足结构紧凑和结构安全性要求，并能实现民用船舶尾流能量最优化的回收装置。

本发明能够将10~30%的船舶尾流能量回收用于船舶推进，适用于中大型油船、VLCC和散货船等各类方型系数较大的船舶；本装置同时具有结构形式简洁、造价较低、便于安装等诸多优点，非常适合大规模推广应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的主视图。

图3为螺旋桨入流面的云图（无尾流能量回收装置）。

图4为螺旋桨入流面的云图（带尾流能量回收装置）。

图5为螺旋桨入流面的横向矢量图（无尾流能量回收装置）。

图6为螺旋桨入流面的横向矢量图（带尾流能量回收装置）。

其中：1、船体；2、导管；3、翼型支架；4、船尾尾毂；5、桨轴；6、螺旋桨。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，本实施例的扇形结构形式的船舶尾流能量回收装置，包括船体1，船体1的艉部通过桨轴5安装有螺旋桨6，位于桨轴5前端的船尾尾毂4的外圆周面上均匀间隔设置有多个翼型支架3，翼型支架3上支撑有流线型的导管2，导管2的内立面与翼型支架3抵接。

导管2成扇形结构。

船尾尾毂4的外圆周面上均匀间隔设置有三个翼型支架3。

本发明在前期的评估和设计中，主要借助于CFD计算与分析。CFD计算与分析，分别考虑不带船舶尾流能量回收装置和带船舶尾流能量回收装置，并考虑螺旋桨的抽吸作用，螺旋桨使用真实的几何模型，进行迭代计算。通过计算结果和流场分析（云图和矢量图）来设置和调节扇形导管的前后缘形状、尺寸和位置及翼型支架的迎流特定攻角、周向角度等。

见图3和图4，由于扇形导管2的作用，使得部分桨轴5下方的高速区汇入桨轴5上方，使得整个周向伴流能量均匀化，充分回收了螺旋桨6三向能量（轴向、周向和切向）损失。

如图3所示，此图为轴向速度等值线图，颜色越深，轴向速度越大。该图表示无尾流能量回收装置情况下，桨前方入流沿螺旋桨周向分布呈向桨轴下方入流速度大于桨轴上方入流速度，主要是桨轴5上方水流速度受制于水流粘性的影响，船体表面边界层内外形成速度梯度，边界层外为高动能流体介质，边界层内为层流状态，形成了法线方向速度梯度场，且受螺旋桨6抽吸作用的影响，桨轴5下方入流加速，上方受制于边界层及船体尾部形状的影响，水流速度减缓。整个螺旋桨前方的速度场呈现周向的不均匀分布即能量分布不均匀，意味着轴向来流具有较大的能量损失。

如图4所示，如图所示颜色类似于图3，安装尾流能量回收装置后，螺旋桨6前方入流经导管2聚流和翼型支架预旋流动后，将边界层外的高动能流体介质引入边界层以内削弱了边界层厚度，减小了法线方向的速度梯度，也避免了船舶尾部经常出现的流动分离，因此，桨前入流加速。如图所示，桨轴5上方轴向速度明显增加，与桨轴5下方的速度场，几乎保持了相同的入流。因此，整个桨盘面的轴向速度场沿周向区域均匀分布，意味着轴向来流能量损失减少。

如图5所示，为横向速度矢量图，表示了切向和径向合成速度矢量，无尾流能量回收装置，在螺旋桨6抽吸作用下，桨盘面入流在周向的合成速度全部汇入桨轴5中心线。螺旋桨3的水动力主要有0.6相对半径以外的区域提供，上述矢量图表明，螺旋桨根部接收的实效伴流要大于叶梢处，因此，叶梢部位由于实效伴流的弱化，引起螺旋桨水动力的损失，且易引起螺旋桨叶面的空化形成空泡导致能量损失加剧。同时，螺旋桨3上方入流速度方向，并没有形成预旋流动，导致螺旋桨3需要主机提供更高的转速才能形成相同功率下的水动力。

如图6所示，安装能量回收装置后，桨轴5上方呈现了两个明显的漩涡，流动方向与右旋桨相反（注：本发明装置如无特别说明，使用的螺旋桨6都为右旋桨），即形成了向左的预旋流动，表明螺旋桨6在主机提供相同功率的情况下，螺旋桨6可以以较小的转速提供相同的推力，耗能减少。上诉预旋流动主要有支撑的翼型支架提供，翼型支架与水流特殊的攻角，改边了入流方向，演化成右旋桨所需要的高品质预旋入流，减少了螺旋桨6需要预旋而克服的能量损失。

如下表所示，加装该装置后该船舶尾流能量回收高达23.4%。

表1 75000DWT原油船尾流能量回收计算结果

	航速(kn)	尾流能量损失（kW）	尾流能量回收(kW)	回收率（%）
					裸船体	15.5	2424	0	0.00
裸船体+尾流能量回收装置	15.5	2424	568	23.4

注：上述计算结果已经将能量转化为功率

由表1可知，采用尾流能量回收装置后，其回收率明显增加，获得了良好的经济和设备效益。

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。

Claims (3)

1.一种扇形结构形式的船舶尾流能量回收装置，包括船体（1），所述船体（1）的艉部通过桨轴（5）安装有螺旋桨（6），其特征在于：位于桨轴（5）前端的船尾尾毂（4）的外圆周面上均匀间隔设置有多个翼型支架（3），所述翼型支架（3）上支撑有流线型的导管（2），所述导管（2）的内立面与翼型支架（3）抵接。

2.如权利要求1所述的扇形结构形式的船舶尾流能量回收装置，其特征在于：所述导管（2）成扇形结构。

3.如权利要求1所述的扇形结构形式的船舶尾流能量回收装置，其特征在于：船尾尾毂（4）的外圆周面上均匀间隔设置有三个翼型支架（3）。