CN214875503U - 一种风帆 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及风帆技术领域，尤其是一种风帆，包括风帆本体，风帆本体为曲面状，风帆本体自上而下向风帆本体的一侧扭曲，所述风帆本体的水平横截面为翼型或者U型，当风帆本体的水平横截面为U型时，U型的两侧壁的厚度小于两侧壁之间相连的连接臂的厚度，本申请可使得不同高度处的风帆剖面都能够获得最佳的气流攻角，从而充分发挥垂向不同高度的风帆剖面助推效果，并实现风帆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，提高风帆经济性、环保性及工程应用价值。

Description

一种风帆

技术领域

本实用新型是基于申请日为2020年10月21日，申请号为2020223627333的实用新型申请的分案申请；本实用新型涉及风帆技术领域，尤其是一种风帆。

背景技术

风能是一种安全、清洁的自然资源，船用风帆是将风能直接转化为船舶辅助动力的绿色节能装置，其助推原理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。因此，风帆的设计、开发是船用风帆助推技术研究的重要方向之一。

船用风帆剖面类型多样，有椭圆弧形、翼型等，均可利用气流攻角实现水中航行船舶的助推。实质上，由于水面的存在，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。当船舶在此类环境中以一定航速航行时，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。以船舶在设计吃水状态航速12kn航行，并受侧风(绝对风向角90°，海平面以上10m高度处风速U₁₀＝10m/s)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(升力特性、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。

实用新型内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种风帆，可使得不同高度处的风帆剖面都能够获得最佳的气流攻角，从而充分发挥垂向不同高度的风帆剖面助推效果，并实现风帆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，提高风帆经济性、环保性及工程应用价值。

本实用新型所采用的技术方案如下：一种风帆，包括风帆本体，风帆本体为曲面状，风帆本体自上而下向风帆本体的一侧扭曲，所述风帆本体的水平横截面为翼型或者U型，当风帆本体的水平横截面为U型时，U型的两侧壁的厚度小于两侧壁之间相连的连接臂的厚度。

本实用新型的有益效果如下：

基于速度三角形法则，根据航行船舶设计航速及梯度来风风剖面的特点，提出的扭曲式风帆方案，即将风帆本体自上而下扭曲设计，可使得不同高度处的风帆剖面达到最佳的气流攻角，从而可使得各高度处的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。

通过以上论证及说明可知，本发明所述的扭曲式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，应用本申请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

图1是当风帆本体为翼型时的结构图。

图2是当风帆本体为U型时的结构图。

图3是海面梯度风中帆下沿和帆面不同高度处的绝对风速大小示意图。

图4是风帆帆面不同高度处的相对风向角计算示意图。

图5是风帆帆面下沿处的相对风向角计算示意图。

图6是风帆的安装示意图。

图7是图6中AA向剖视图。

图8是图6中BB向剖视图。

图9是BB处风帆剖面相对风帆最下沿AA处剖面的扭曲角度示意图。

其中：10、风帆本体。

具体实施方式

下面结合附图1-9，说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，一种风帆，包括风帆本体10，风帆本体10为曲面状，风帆本体10自上而下向风帆本体10的一侧扭曲，风帆本体10的水平横截面为翼型或者U型，当风帆本体10的水平横截面为U型时，U型的两侧壁的厚度小于两侧壁之间相连的连接臂的厚度。

各垂向高度处的的风帆剖面扭曲角度确定方法：

假定船舶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：

式中，z为距离海平面的垂向高度值，U₁₀为距离海平面垂向高度为10m处的风速，U_z为距离海平面垂向高度为z处的风速。

记风帆最下沿距离海平面垂向高度为z_down，该处来风的风向与10m高度处的风向相同，记为ψ，该处来风的风速U_风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：

以风帆最下沿处为基准，则不同垂向高度处的来风相对角度与最下沿处的来风相对角度偏差为设计的扭曲角度。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：

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：

α＝ψ_ai-ψ_adown (7)

本申请具有以下优点：

基于速度三角形法则，根据航行船舶设计航速及梯度来风风剖面的特点，提出的扭曲式风帆方案，即将风帆本体10自上而下扭曲设计，可使得不同高度处的风帆剖面达到最佳的气流攻角，从而可使得各高度处的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。

通过以上论证及说明可知，本发明所述的扭曲式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，应用本申请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。

以上描述是对本实用新型的解释，不是对实用新型的限定，本实用新型所限定的范围参见权利要求，在本实用新型的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (1)

1.一种风帆，其特征在于：包括风帆本体(10)，风帆本体(10)为曲面状，风帆本体(10)自上而下向风帆本体(10)的一侧扭曲，所述风帆本体(10)的水平横截面为翼型或者U型，当风帆本体(10)的水平横截面为U型时，U型的两侧壁的厚度小于两侧壁之间相连的连接臂的厚度。

Images