[发明专利]扭曲翼型风帆及其设计方法

权利要求书

1.一种扭曲翼型风帆的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

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；

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；

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；

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；

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；

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)；

设计扭曲翼型风帆上、下端板(3)外形尺寸，

风帆设计的计算过程如下：

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；

S2、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；目标船营运平均航速12kn，则船上的最大相对风速为:

17.5+12×0.5144＝23.7m/s；

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的要求，确定翼型风帆弦长为14.6m，展长为50.0m；

S4、测得距海面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；

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；

S5、根据经验或传统CFD方法，确定上、下端板尺寸。

2.如权利要求1所述的扭曲翼型风帆的设计方法，其特征在于：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：

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：

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：

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：

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)。

3.如权利要求2所述的扭曲翼型风帆的设计方法，其特征在于：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。

4.如权利要求1所述的扭曲翼型风帆的设计方法，其特征在于：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、展弦比相关的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。

5.如权利要求1所述的扭曲翼型风帆的设计方法，其特征在于：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。