CN113761736B - 一种船用风力助推转子的节能效果评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船用风力助推转子的节能效果评估方法，涉及船舶节能减排技术领域，该方法基于对地风谱确定相对风谱，根据船用风力助推转子的转子转速和相对风速计算得到转子升力和转子阻力，基于转子升力和转子阻力得到船用风力助推转子沿着船舶航向的推力分量，基于推力分量和船舶的目标航速计算得到船用风力助推转子对船舶产生的净节能功率实现节能效果评估，该方法以IMO对风力助推技术能效评估方法为框架，以装备转子的船舶的快速性特性、转子的基础性能、航线风场环境为输入，综合考虑转子在运行过程中的由于航速引起的相对风速风向变化、转子变速控制引起的推力变化，可以切实评估风力助推转子的节能效果。
Description
技术领域
本发明涉及船舶节能减排技术领域，尤其是一种船用风力助推转子的节能效果评估方法。
背景技术
当前国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)对船舶能效的要求不断提高，风能、高效减阻等创新手段成为提高船舶能效、减少碳排放的重要技术手段。近年来，船舶硬质翼帆、风力助推转子等风力助推设备均实现了实船应用，为船舶节能减排提供了新的技术手段。在IMO划分的A、B、C三类船舶节能技术中，船用风力助推转子属于B类节能装置。常见的B类节能装置包括风帆、风力助推转子、气层减阻等，该类节能装置在运行的过程中需要船舶提供额外的驱动力，同时其节能效果的大小随风向、浪向等环境条件的不断变化，因此，无法通过单一条件下的计算结果评估B类节能技术的节能效果。
2013年IMO发布了《2013年用于计算和验证EEDI的创新型能效技术处理指南》中规定了考虑B类节能技术时的船舶设计能效指数的计算公式，详细评估方法至今尚未确认。IMO将B类节能技术的节能效果通过等效功率表现，等效功率包括有效功率Peff和利用率系数feff两项，在IMO的定义中，有效功率Peff为风力助推转子实际情况下产生船舶主机功率降低值，利用率系数feff通过船舶航线上的风谱表现：
其中，Vref是船舶的基准速度单位为knot，ηT是主机75％额定装机功率下的总效率，F(Vref)是给定航速Vref下风力助推转子的推力矩阵，W为全球风力概率矩阵，P(Vref)为消耗的功率矩阵，但是IMO的上述定义并未给出各部分的计算方式，也未考虑转子的气动力特性、操控模式等，并不具备可行性。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种船用风力助推转子的节能效果评估方法，本发明的技术方案如下：
一种船用风力助推转子的节能效果评估方法，该方法包括：
基于对地风谱确定相对风谱，相对风谱包括随船坐标系下的相对风速和相对风向；
根据船用风力助推转子的转子转速和相对风速计算得到转子升力L和转子阻力D，转子阻力D的方向沿着相对风向，转子升力L的方向垂直于相对风向且与船舶的运动方向一致；
基于转子升力L和转子阻力D计算得到船用风力助推转子沿着船舶航向的推力分量FT；
基于推力分量FT和船舶的目标航速V1计算得到船用风力助推转子对船舶产生的净节能功率ΔP，得到船用风力助推转子的节能效果评估结果。
其进一步的技术方案为，基于推力分量FT和船舶的目标航速V1计算得到船用风力助推转子对船舶产生的净节能功率ΔP，包括：
确定净节能功率ΔP＝FT·V1-Pconsumption，其中Pconsumption是转子消耗功率。
其进一步的技术方案为，基于推力分量FT和船舶的目标航速V1计算得到船用风力助推转子对船舶产生的净节能功率ΔP，包括：
根据阻力-航速曲线确定目标航速V1下的阻力R1，并确定阻力-航速曲线中对应阻力为R′＝R1+FT时的实际航速V′；
对功率-航速曲线进行曲线平移，使得功率-航速曲线中对应于目标航速V1下的轴功率P1修正至对应实际航速V′，得到修正后的功率-航速曲线；
根据修正后的功率-航速曲线确定安装船用风力助推转子后目标航速V1下的实际轴功率P′；
确定净节能功率ΔP＝P1-P′-Pconsumption，其中Pconsumption是转子消耗功率。
其进一步的技术方案为，基于对地风谱确定相对风谱，包括：
根据船舶的航向将对地风谱从大地坐标系映射到随船坐标系中，得到随船坐标系下的绝对风速以及相对风向；
将绝对风速和船舶航行引起的风速Vs进行矢量合成得到相对风速。
其进一步的技术方案为，根据船用风力助推转子的转子转速和相对风速计算得到转子升力L和转子阻力D，包括：
根据转子转速和相对风速计算得到实际转速比；
根据转子升力系数-转速比曲线确定实际转速比对应的转子升力系数，基于转子升力系数计算得到转子升力L；
根据转子阻力系数-转速比曲线确定实际转速比对应的转子阻力系数，基于转子阻力系数计算得到转子阻力D。
其进一步的技术方案为，按照
计算得到转子升力L和转子阻力D，其中，CL是与实际转速比对应的转子升力系数，CD是与实际转速比对应的转子阻力系数，ρ是空气密度，Vr是相对风速，A是转子的侧投影面积。
其进一步的技术方案为，基于转子升力L和转子阻力D计算得到船用风力助推转子沿着船舶航向的推力分量FT，包括：
对转子升力L和转子阻力D进行矢量合成得到合力F；
对合力F沿着船舶航向和沿着船舶横向进行分解，得到沿着船舶航向的推力分量FT。
其进一步的技术方案为，该方法还包括：
当净节能功率ΔP小于等于0时，控制船用风力助推转子停止工作；
当净节能功率ΔP大于0时，根据相对风速调整船用风力助推转子的转子转速。
其进一步的技术方案为，根据相对风速控制船用风力助推转子的转子转速，包括：
当按照设计转速比和相对风速确定的转子转速不大于最大转子转速时，控制船用风力助推转子按照转子转速工作；
当按照设计转速比和相对风速确定的转子转速大于最大转子转速时，控制船用风力助推转子按照最大转子转速工作。
其进一步的技术方案为，得到船用风力助推转子的节能效果评估结果，包括：
对净节能功率通过风谱按照
进行加权平均，得到节能效果评估结果，其中，m、n表示风谱中风向、风速维度元素数量。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种船用风力助推转子的节能效果评估方法，该方法以IMO对风力助推技术能效评估方法为框架，假设风力助推转子对船体水动力性能没有影响，以装备转子的船舶的快速性特性、转子的基础性能、航线风场环境为输入，综合考虑转子在运行过程中的由于航速引起的相对风速风向变化、转子变速控制引起的推力变化，提供了风力助推转子的推力分量和相对风谱的计算方法，从而形成了风力助推转子对船舶的净节能功率的计算方法，可以切实评估风力助推转子的节能效果。
同时该方法综合考虑了风力助推转子的最高转子转速限制、控制策略等因素制定可行的风力助推转子的控制方法，可以基于评估结果以船舶节能效果最优为目标来实时调整风力助推转子的工作状态。
附图说明
图1是本申请的节能效果评估方法的信息流向图。
图2是风速合成以及受力合成分解示意图。
图3是一个实例中的船舶的阻力-航速曲线R-V示意图。
图4是图3实例中的船舶的功率-航速曲线P-V示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种船用风力助推转子的节能效果评估方法，该方法包括如下步骤，请参考图1：
1、基于对地风谱确定相对风谱，相对风谱包括随船坐标系下的相对风速和相对风向，对地风谱一般是可以直接获得的气象资料，包括统计得到的大地坐标系下的绝对风速和绝对风向的概率值。具体的，根据船舶的航向将对地风谱从大地坐标系映射到随船坐标系中，得到随船坐标系下的绝对风速Vw以及相对风向，对船坐标系与大地坐标系的映射关系是可以根据船舶的航向确定得到的。将绝对风速Vw和船舶航行引起的风速Vs进行矢量合成得到相对风速Vr，请参考图2，角度θ用于标识相对风向，船舶航行引起的风速Vs在计算时可以选取为目标航速V1。
2、根据船用风力助推转子的转子转速和相对风速计算得到转子升力L和转子阻力D，转子阻力D的方向沿着相对风向，转子升力L的方向垂直于相对风向且与船舶的运动方向一致，请结合图2。
具体的，根据转子转速r和相对风速Vr计算得到实际转速比
然后根据转子升力系数-转速比曲线CL-α确定实际转速比α对应的转子升力系数CL，根据转子阻力系数-转速比曲线CD-α确定实际转速比α对应的转子阻力系数CD。其中，预先通过计算不同转速比下的升力系数和阻力系数，利用数值计算或者模型试验的方法可以拟合得到曲线CL-α和CD-α。
然后，基于确定得到的转子升力系数CL计算得到转子升力L，基于转子阻力系数CD计算得到转子阻力D。具体的，按照
计算得到转子升力L和转子阻力D，其中，ρ是空气密度，Vr是相对风速，A是转子的侧投影面积，由转子尺寸决定，可以预先获知。
3、基于转子升力L和转子阻力D计算得到船用风力助推转子沿着船舶航向的推力分量FT。对转子升力L和转子阻力D进行矢量合成得到合力F，然后对合力F沿着船舶航向和沿着船舶横向进行分解，得到沿着船舶航向的推力分量FT，以及沿着船舶横向、垂直于船舶航向的横向分量FN。
4、基于推力分量FT和船舶的目标航速V1计算得到船用风力助推转子对船舶产生的净节能功率ΔP，得到船用风力助推转子的节能效果评估结果。
净节能功率ΔP是转子节能功率与转子消耗功率Pconsumption的差值，转子消耗功率Pconsumption是转子工作时产生的消耗功率，设计过程中可以将转子驱动电机的额定功率作为转子消耗功率，实船监测过程中可以使用电机消耗监测值作为转子消耗功率。本申请提供如下两种不同的方法计算净节能功率ΔP：
方法一、参考IMO提供的有效功率计算结果，确定净节能功率ΔP＝FT·V1-Pconsumption。
方法二、结合阻力-航速曲线R-V和功率-航速曲线P-V确定净节能功率ΔP，其中R-V和P-V是船舶性能评估的重要曲线，是船舶设计过程中重要结论，可以通过数字计算、模型试验等方法获得。比如某9万吨级船舶数值计算获得的阻力-航速曲线R-V如图3所示，功率-航速曲线P-V如图4所示。
根据阻力-航速曲线R-V确定目标航速V1下的阻力R1，并确定阻力-航速曲线R-V中对应阻力为R′＝R1+FT时的实际航速V′，如图3所示。对功率-航速曲线P-V进行曲线平移，使得功率-航速曲线P-V中对应于目标航速V1下的轴功率P1修正至对应实际航速V′，得到修正后的功率-航速曲线，如图4中实线表示功率-航速曲线P-V，虚线表示修正后的功率-航速曲线。根据修正后的功率-航速曲线确定安装船用风力助推转子后目标航速V1下的实际轴功率P′，确定净节能功率ΔP＝P1-P′-Pconsumption。
另外，在得到船用风力助推转子对船舶产生的净节能功率ΔP后，还根据净节能功率ΔP调节船用风力助推转子的工作状态：
(1)当净节能功率ΔP小于等于0时，也即ΔP≤0时，表示转子节能功率小于等于转子消耗功率，此时控制船用风力助推转子停止工作。
(2)当净节能功率ΔP大于0时，也即ΔP>0时，表示转子节能功率大于转子消耗功率，则根据相对风速Vr调整船用风力助推转子的转子转速r。具体的有：当按照设计转速比α0和相对风速Vr确定的转子转速α0·Vr不大于最大转子转速rmax时，也即α0·Vr≤rmax时，控制船用风力助推转子按照计算得到的转子转速α0·Vr工作。当按照设计转速比α0和相对风速Vr确定的转子转速α0·Vr大于最大转子转速rmax时，也即α0·Vr>rmax时，控制船用风力助推转子按照最大转子转速rmax工作。一般设计转速比α0在3.5～4.0范围内。
通过迭代计算，可以得到若干个不同相对风谱对应的净节能功率ΔP，由此依据IMO对与B类节能技术的定义，对净节能功率通过相对风谱按照
进行加权平均可以得到最终的节能效果评估结果，其中，m、n表示风谱中风向、风俗维度元素数量。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种船用风力助推转子的节能效果评估方法，其特征在于，所述方法包括：
基于对地风谱确定相对风谱，所述相对风谱包括随船坐标系下的相对风速和相对风向；
根据船用风力助推转子的转子转速和相对风速计算得到转子升力L和转子阻力D，所述转子阻力D的方向沿着相对风向，所述转子升力L的方向垂直于相对风向且与船舶的运动方向一致；
基于所述转子升力L和转子阻力D计算得到所述船用风力助推转子沿着船舶航向的推力分量FT；
基于所述推力分量FT和船舶的目标航速V1计算得到所述船用风力助推转子对船舶产生的净节能功率ΔP，包括：根据阻力-航速曲线确定所述目标航速V1下的阻力R1，并确定所述阻力-航速曲线中对应阻力为R′＝R1+FT时的实际航速V′，对功率-航速曲线进行曲线平移，使得功率-航速曲线中对应于所述目标航速V1下的轴功率P1修正至对应实际航速V′，得到修正后的功率-航速曲线，根据修正后的功率-航速曲线确定安装所述船用风力助推转子后所述目标航速V1下的实际轴功率P′；确定所述净节能功率ΔP＝P1-P′-Pconsumption，其中Pconsumption是转子消耗功率；得到所述船用风力助推转子的节能效果评估结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述推力分量FT和船舶的目标航速V1计算得到所述船用风力助推转子对船舶产生的净节能功率ΔP，包括：
确定所述净节能功率ΔP＝FT·V1-Pconsumption，其中Pconsumption是转子消耗功率。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基于对地风谱确定相对风谱，包括：
根据船舶的航向将对地风谱从大地坐标系映射到随船坐标系中，得到随船坐标系下的绝对风速以及所述相对风向；
将所述绝对风速和船舶航行引起的风速Vs进行矢量合成得到所述相对风速。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据船用风力助推转子的转子转速和相对风速计算得到转子升力L和转子阻力D，包括：
根据所述转子转速和相对风速计算得到实际转速比；
根据转子升力系数-转速比曲线确定所述实际转速比对应的转子升力系数，基于所述转子升力系数计算得到转子升力L；
根据转子阻力系数-转速比曲线确定所述实际转速比对应的转子阻力系数，基于所述转子阻力系数计算得到转子阻力D。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
按照
计算得到所述转子升力L和转子阻力D，其中，CL是与所述实际转速比对应的转子升力系数，CD是与所述实际转速比对应的转子阻力系数，ρ是空气密度，Vr是所述相对风速，A是转子的侧投影面积。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基于所述转子升力L和转子阻力D计算得到所述船用风力助推转子沿着船舶航向的推力分量FT，包括：
对所述转子升力L和转子阻力D进行矢量合成得到合力F；
对所述合力F沿着船舶航向和沿着船舶横向进行分解，得到沿着船舶航向的推力分量FT。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当净节能功率ΔP小于等于0时，控制所述船用风力助推转子停止工作；
当所述净节能功率ΔP大于0时，根据所述相对风速调整所述船用风力助推转子的转子转速。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述相对风速控制所述船用风力助推转子的转子转速，包括：
当按照设计转速比和所述相对风速确定的转子转速不大于最大转子转速时，控制所述船用风力助推转子按照所述转子转速工作；
当按照设计转速比和所述相对风速确定的转子转速大于最大转子转速时，控制所述船用风力助推转子按照所述最大转子转速工作。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述得到所述船用风力助推转子的节能效果评估结果，包括：
对净节能功率通过风谱按照
进行加权平均，得到所述节能效果评估结果，其中，m、n表示风谱中风向、风速维度元素数量，feff是利用率系数，Peff是有效功率，Wi,j是全球风力概率矩阵W在风向维度i、风速维度j处的元素。
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