[发明专利]扭曲翼型风帆及其设计方法

说明书

本发明涉及一种扭曲翼型风帆及其设计方法，先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Uref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；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；成型翼型风帆的立式连续光滑扭曲帆面。

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，尤其是一种扭曲翼型风帆及其设计方法。

背景技术

翼型风帆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。

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。当船舶以一定航速航行时，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翼型风帆，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。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，尤其是推力特性，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。

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扭曲翼型风帆及其设计方法，能够在船舶垂向上充分利用因船舶航速与大地梯度风剖面合成的扭曲梯度风，使得装置垂向各处的水平剖面均为最佳的风帆攻角，可达到最佳的状态产生最大助推力，从而进一步发掘该类型装置的推进效果，降低船舶主机功率输出及温室气体减排，大幅提高船舶的经济性和环保性。

本发明所采用的技术方案如下：

一种扭曲翼型风帆的设计方法，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；

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：