CN115056954B - 船用变截面转动柱体及其设计方法 - Google Patents

船用变截面转动柱体及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种船用变截面转动柱体及其设计方法，包括柱体设计阶段和端板设计阶段，通过论证和计算，确定甲板安装位置及展弦比取值范围；根据目标船遭遇绝对风速范围计算相对风速范围；评估确定目标船上安装的柱体个数，以及柱体对应的侧投影面积；确定系列展弦比方案的速度比；确定转动柱体平均直径和高度；计算获得各垂向高度的相对风速；计算各垂向高度的柱体直径。本发明在满足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转速比。

Description

船用变截面转动柱体及其设计方法
技术领域
本发明涉及船舶风能利用技术领域，尤其是一种船用变截面转动柱体及其设计方法。
背景技术
海上蕴含的风能丰富，利用风能辅助船舶推进的转子帆技术具有安全、清洁和高效等优点，备受船舶设计方、运营方、设备供应商等的青睐和关注。
转子帆推进技术是根据船舶海上航行时，船上转子帆安装的当地位置所感知的实际风速，通过外在装置的驱动控制转子本身达到最优的转速，从而改变自身周围的环量分布，以实现最大的推力输出。图1给出了转子帆转动后推力产生的原理示意。图2为其典型展弦比方案下的转子帆气动力特性随速度比变化的曲线，该图中，横坐标表征的是自身旋转的周向速度与相对风速的比值，纵坐标为无因次升力系数。
本质上，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。当加装传统等截面的圆柱形转子助推的船舶以一定航速航行时，因为圆柱与船舶甲板固联，因此柱体不同高度处的前进速度是相同的。根据速度三角形法则，船舶甲板面以上圆柱形转子不同高度处的相对风速U及相对风向是不同的，由于柱体不同高度处的剖面角速度n相同，因此横坐标的速度比在不同高度是不同的，且随着高度的增加，速度比呈减小趋势，与之对应的不同高度处气动力特性未达到最优。与之对应，转子帆整体的最大助推效果也必然不能发挥。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种船用变截面转动柱体设计方法，在满足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转速比，从而充分发挥垂向不同高度的剖面助推效果。
本发明所采用的技术方案如下：
一种船用变截面转动柱体设计方法，包括柱体设计阶段和端板设计阶段，
柱体设计阶段：
根据目标船总体布置，以及航运公约驾驶实现要求，确定柱体在甲板上的位置、对应允许的最大直径，并根据最大允许安装高度，计算对应的展弦比λ取值范围；
确定目标船未安装柱体时营运航行所遭遇的绝对风速范围、柱体助推作业的相对风速范围Uref；
评估确定目标船上安装的柱体个数，以及柱体对应的侧投影面积；
根据系列展弦比转动柱体的气动力特性曲线，确定系列展弦比方案的速度比J；
根据上述确定的最大相对风速Uref以及速度比J，结合驱动装置的扭矩、功率、转速n，确定展弦比方案对应的柱体直径D，D满足如下公式：
Figure BDA0003718525090000021
根据侧投影面积确定柱体高度；
根据船舶设计航速U船、典型航线海上风剖面UT(h)，按下式计算获得各垂向高度的相对风速Ua(h)：
Figure BDA0003718525090000022
式中，h为海平面的高度，Ψ为风向角；
结合展弦比转动柱体的速度比J，根据额定转速n，以及各垂向高度的相对风速大小Ua(h)，按下式计算各垂向高度的柱体直径D(h)：
Figure BDA0003718525090000023
作为上述技术方案的进一步改进：
端板直径与柱体直径之间呈系数关系。
柱体设计阶段，最大允许安装高度忽略柱体折倒功能。
根据目标船营运航线的历史风场数据统计，确定目标船未安装转动柱体时，营运航行所遭遇的绝对风速范围；根据目标船营运航速，确定转动柱体助推作业的相对风速Uref范围。
根据侧投影面积确定柱体高度过程中，若求得的速度比对应的柱体直径、扭矩、功率大于理论最大值，则根据实际情况降低柱体的侧投影面积，直至柱体直径、扭矩、功率满足要求。
评估柱体个数及对应侧投影面积时，考虑因素包括：船东期望投资、各展弦比转动柱体在不同船舶吃水/航速对应的燃油节约及燃油价格。
按1.5倍柱体剖面当地直径设计转动柱体上、下端板外形尺寸。
所确定的柱体在甲板上的位置、对应允许的最大直径满足公约船舶驾驶视线要求。
根据最大相对风速Uref、速度比J，获得的直径对应的扭矩、功率小于设备的最大扭矩和功率。
各高度处直径对应的速度比J相同。
一种船用变截面转动柱体，设置在船舶甲板中间位置，变截面柱体的截面积从下向上逐渐增大，变截面柱体的两端分别设有上端板和下端板。
本发明的有益效果如下：
本发明设计的变截面转动柱体方案，在满足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转速比，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、温室气体减排，提高装置经济性、环保性及工程应用价值。
本发明基于速度三角形法则，根据水中航行船舶航速及遭遇梯度风风剖面的特点，提出的转动的倒置圆台形装置方案可使得不同高度处的剖面达到最佳的速度比，从而可使得各高度处的剖面气动力特性达到最佳，并从整体上最大限度提高装置的助推效果。
通过在装置的上、下端部增加端板，有效抑制了转子帆的端部流动分离，可有效提高上、下端部的气动特性，并使得整体的助推效果得到进一步的提高。
附图说明
图1-1和图1-2为转子帆推力产生示意图。
图2为升力系数随速度比变化曲线。
图3为船舶航行遭遇海上梯度风的剖面分析图。
图4为本发明的变截面转动柱体气动力外形设计流程。
图5为本发明的不同垂向高度直径的确定流程。
图6为通过本发明设计所得的转动柱体。
图7为通过本发明设计所得的转子安装在船体上的主视图。
图8为通过本发明设计所得的转子安装在船体上的俯视图。
其中：1、上端板；2、下端板；3、柱体；4、船体甲板。
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-图8所示，本实施例的船用变截面转动柱体设计方法，包括柱体3设计阶段和端板设计阶段，
柱体3设计阶段：
根据目标船总体布置，以及航运公约驾驶实现要求，确定柱体3在甲板上的位置、对应允许的最大直径，并根据最大允许安装高度，计算对应的展弦比λ取值范围；
确定目标船未安装柱体3时营运航行所遭遇的绝对风速范围、柱体3助推作业的相对风速范围Uref；
评估确定目标船上安装的柱体3个数，以及柱体3对应的侧投影面积；
根据系列展弦比转动柱体3的气动力特性曲线，确定系列展弦比方案的速度比J；
根据上述确定的最大相对风速Uref以及速度比J，结合驱动装置的扭矩、功率、转速n，确定展弦比方案对应的柱体3平均直径D，D满足如下公式：
Figure BDA0003718525090000051
根据侧投影面积确定柱体3高度；
根据船舶设计航速U船、典型航线海上风剖面UT(h)，按下式计算获得各垂向高度的相对风速Ua(h)：
Figure BDA0003718525090000052
式中，h为海平面的高度，Ψ为风向角；
结合展弦比转动柱体3的速度比J，根据额定转速n，以及各垂向高度的相对风速大小Ua(h)，按下式计算各垂向高度的柱体3直径D(h)：
Figure BDA0003718525090000053
端板直径与柱体3平均直径之间呈系数关系。
柱体3设计阶段，最大允许安装高度忽略柱体3折倒功能。
根据目标船营运航线的历史风场数据统计，确定目标船未安装转动柱体3时，营运航行所遭遇的绝对风速范围；根据目标船营运航速，确定转动柱体3助推作业的相对风速Uref范围。
根据侧投影面积确定柱体3高度过程中，若求得的速度比对应的柱体3直径、扭矩、功率大于理论最大值，则根据实际情况降低柱体3的侧投影面积，直至柱体3直径、扭矩、功率满足要求。
评估柱体3个数及对应侧投影面积时，考虑因素包括：船东期望投资、各展弦比转动柱体3在不同船舶吃水/航速对应的燃油节约及燃油价格。
按1.5倍柱体3剖面当地直径设计转动柱体3上端板1、下端板2外形尺寸。
所确定的柱体3在甲板上的位置、对应允许的最大直径满足公约船舶驾驶视线要求。
根据最大相对风速Uref、速度比J，获得的直径对应的扭矩、功率小于设备的最大扭矩和功率。
各高度处直径对应的速度比J相同。
本实施例的船用变截面转动柱体3，设置在船舶甲板中间位置，变截面柱体3的截面积从下向上逐渐增大，变截面柱体3的两端分别设有上端板1和下端板2。
本实施例的具体思路如下：
如图1-1和图1-2所示，为转子帆转动后，推力产生的原理示意图，图2为其典型展弦比方案下，转子帆气动力特性随速度比变化的曲线。图中，横坐标表征的是自身旋转的周向速度与相对风速的比值，纵坐标为无因次升力系数。
如图3所示，由于海面上的梯度风风速在垂向高度上不断增大，普通柱形转子助推时，柱体各高度处的前进速度相同；根据三角形法则，船舶甲板面以上圆柱形转子不同高度处的相对风速及相对风向不同，如图3中所示，Uaup>Uadown。结合参考图2，柱体各高度的剖面角速度n相同，因此横坐标的速度比在不同高度是不同的，且随着高度的增加，速度比呈减小趋势，与之对应的不同高度处气动力特性未达到最优。与之对应，转子帆整体的最大助推效果也必然不能发挥。
本发明根据上述流体动力学特点的理论分析，提出了针对变截面转动柱体装置方案设计的方法。方法的步骤如下：
S1、根据目标船总体布置以及航运公约驾驶视线要求，确定拟安装的转动柱体在甲板上的布置位置；及对应所允许的最大直径，并根据最大允许安装高度，计算对应展弦比λ范围；
S2、根据目标船典型营运航线历史风场数据统计，确定目标船未安装转动柱体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，确定转动柱体助推作业的相对风速Uref范围，可供后续转动柱体的转速n和直径D确定提供输入，也可为系统的结构强度提供依据；
S3、根据船东期望的投资回收期、不同展弦比转动柱体在不同船舶吃水/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转动柱体个数及对应侧投影面积大小；
S4、根据系列展弦比转动柱体的气动力特性曲线，确定系列展弦比方案最优的速度比J；
S5、根据S2确定的最大相对风速Uref及S4确定的最优速度比J，结合驱动装置扭矩、功率及对应的转速n能力，可按下式确定各选择展弦比方案对应的转动柱体平均直径：
Figure BDA0003718525090000071
在此基础上，根据侧投影面积确定高度；这里，若最优速度比对应的直径超过S1允许值或最大允许的扭矩、功率，可根据实际情况降低转动柱体侧投影面积，直到确定的柱体直径及扭矩、功率等满足要求；
S6、根据船舶设计航速U船、典型航线海上风剖面UT(h)，按下式计算获得不同垂向高度的相对风速大小Ua(h)：
Figure BDA0003718525090000072
式中，h为海平面的高度，Ψ为风向角；
S7、结合典型展弦比转动柱体的最优速度比值J，根据额定转速n，以及S6计算的不同垂向高度的相对风速大小Ua(h)，即可按下式确定不同垂向高度的转动柱体直径Da(h)：
Figure BDA0003718525090000073
S8、为抑制转动柱体端部绕流，设计转动柱体上、下端板外形尺寸。根据经验，端板直径可选确定的当地柱体直径的1.5倍。
上述步骤的一个具体实施方式如下：
S1、自驾驶楼向前，根据公约驾驶视线需求，转动柱体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，转动柱体安装位置可选择在船体横舱壁位置；
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17.5+12×0.5144＝23.7m/s；
S3、以图2所示转速比J最优值3.5、设备额定功率下的转速n为453rpm为例，可计算平均直径为3.5m；
S4、以转动柱体高度21.0m，平均直径取S3中3.5m时不超驱动设备的扭矩及功率为例，以海上风剖面满足1/8指数律为例，可知转动柱体下端和上端不同高度处的相对风速，其中，下端和上端的相对风速分别为22.8m/s和27.0m/s；距海面高度分别为7.4m和28.4m，根据图2所示转速比J最优值3.5，可知下端和上端的直径分别为3.4m和3.8m。类似地，求取相同转速比下各高度处的剖面直径；由此获得柱体外形轮廓；
S5、根据经验确定上、下端板直径分别为5.1m和5.7m。
如图6-图8所示，为设计所得的转子与船舶示意图，图8中夹角α为视角。
本发明的变截面转动柱体装置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设计方案，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，提高风能助推经济性及环保性，具有广阔的工程应用前景。
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 (10)

1.一种船用变截面转动柱体设计方法，其特征在于，包括柱体(3)设计阶段和端板设计阶段，
柱体(3)设计阶段：
根据目标船总体布置，以及航运公约驾驶视线要求，确定柱体(3)在甲板上的位置、对应允许的最大直径，并根据最大允许安装高度，计算对应的展弦比λ取值范围；
确定目标船未安装柱体(3)时营运航行所遭遇的绝对风速范围、柱体(3)助推作业的相对风速范围Uref；
评估确定目标船上安装的柱体(3)个数，以及柱体(3)对应的侧投影面积；
根据系列展弦比转动柱体(3)的气动力特性曲线，确定系列展弦比方案的速度比J；
根据上述确定的最大相对风速Uref以及速度比J，结合驱动装置的扭矩、功率、转速n，确定展弦比方案对应的柱体(3)直径D，D满足如下公式：
Figure QLYQS_1
根据侧投影面积确定柱体(3)高度；
根据船舶设计航速U船、典型航线海上风剖面UT(h)，按下式计算获得各垂向高度的相对风速Ua(h)：
Figure QLYQS_2
式中，h为海平面的高度，Ψ为风向角；
结合展弦比转动柱体(3)的速度比J，根据额定转速n，以及各垂向高度的相对风速大小Ua(h)，按下式计算各垂向高度的柱体(3)直径D(h)：
Figure QLYQS_3
端板设计阶段：
端板设置在柱体(3)两端，端板直径与柱体(3)直径之间呈系数关系。
2.如权利要求1所述的船用变截面转动柱体设计方法，其特征在于：柱体(3)设计阶段，最大允许安装高度忽略柱体(3)折倒功能。
3.如权利要求1所述的船用变截面转动柱体设计方法，其特征在于：根据目标船营运航线的历史风场数据统计，确定目标船未安装转动柱体(3)时，营运航行所遭遇的绝对风速范围；根据目标船营运航速，确定转动柱体(3)助推作业的相对风速Uref范围。
4.如权利要求1所述的船用变截面转动柱体设计方法，其特征在于：根据侧投影面积确定柱体(3)高度过程中，若求得的速度比对应的柱体(3)直径、扭矩、功率大于理论最大值，则根据实际情况降低柱体的侧投影面积，直至柱体(3)直径、扭矩、功率满足要求。
5.如权利要求1所述的船用变截面转动柱体设计方法，其特征在于：评估柱体(3)个数及对应侧投影面积时，考虑因素包括：船东期望投资、各展弦比转动柱体(3)在不同船舶吃水/航速对应的燃油节约及燃油价格。
6.如权利要求1所述的船用变截面转动柱体设计方法，其特征在于：按1.5倍柱体(3)剖面当地直径设计转动柱体(3)上端板(1)、下端板(2)外形尺寸。
7.如权利要求1所述的船用变截面转动柱体设计方法，其特征在于：所确定的柱体(3)在甲板上的位置、对应允许的最大直径满足公约船舶驾驶视线要求。
8.如权利要求1所述的船用变截面转动柱体设计方法，其特征在于：根据最大相对风速Uref、速度比J，获得的直径对应的扭矩、功率小于设备的最大扭矩和功率。
9.如权利要求1所述的船用变截面转动柱体设计方法，其特征在于：各高度处直径对应的速度比J相同。
10.一种利用权利要求1所述的设计方法设计得到的船用变截面转动柱体，其特征在于：设置在船舶甲板中间位置，变截面柱体(3)的截面积从下向上逐渐增大，变截面柱体(3)的两端分别设有上端板(1)和下端板(2)。
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