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CN105545607A - 一种船用风力助推装置 - Google Patents

一种船用风力助推装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种船用风力助推装置，包括转筒、叶扇、转筒驱动电机、动力增强盘、转筒旋转轴、叶片旋转电机和水平旋转轴，所述转筒驱动电机安装在转筒的底部且通过转筒旋转轴与转筒连接，叶扇由一组叶片组成，叶片以转筒为中心对称布置，其特征在于，所述叶扇中的每个叶片的剖面为一段圆弧，该圆弧所对应的圆心角的角度范围覆盖0.5～3弧度，叶片的根部设有水平旋转轴，叶片旋转电机安装在水平旋转轴上；动力增强盘安装在转筒的顶端，并与转筒同轴、同圆心固定连接。本发明船用风力助推装置，在Flettner转筒基础上增加自转效应，更充分地利用风能，使转筒能实现自启动并提高转筒相对风速的转速，提高转筒的助推效果，减少能耗。

Description

一种船用风力助推装置
技术领域
本发明涉及一种船舶风力助推装置，特别是助推装置的转筒结构。
背景技术
近年来，由于全球能源紧张以及航运形势的低迷，船舶节能技术已成为航运业研究的热点之一。同时，随着世界各国对环保的关注越来越多，航运界和造船界纷纷制定出各种规范以满足日益严格的节能环保要求。能源问题和新的排放规定为全球新造船市场带来了挑战，但同时也提供了一次新的发展机遇。设计、开发出了一系列绿色船舶技术产品，切实做好节能减排工作是航运业应对当前局势的重要途径。其中，作为新能源之一的风能，将在新形势下的船舶节能减排技术中扮演重要的角色。
风能作为一种无污染且无限可再生资源，风能助推技术是绿色船舶技术的重要内容之一，合理的节能推进装置将有效地降低船舶能耗、减少船舶造成的环境污染。在船舶辅助推进(节能)的应用上，风能具有很高的可操作性，不仅能为船舶提供一定的推进力，有效降低船舶能耗，而且这些新技术基本都能用于旧船改装，对船体结构或者甲板布置的影响不大。因此，国外对此已经开展了不少研究与应用，其中，Flettner转筒是其中一种节能效果良好、可行性较高的、有应用前景的风力助推装置。1925年，AntonFlettner与Prandtl提出马格纳斯效应可应用于船舶推进。为了证实他们的理论，AntonFlettner制造了一艘名为BadenBaden(原名Buckau)的以双圆筒转筒为推进力的海船，并在1926年成功横穿了大西洋，随后这种圆筒体驱动装置广为人知，被称为Flettner转筒。与传统风力驱动装置相比，Flettner转筒具有轻巧、灵活且更环保节能的优点，且随着转筒转速的增加，其产生的升力也越大，与此同时它的旋转需要额外的能耗也越大。1924年，Savonius通过在圆筒上增加两个相反的叶片产生旋转矩使圆筒自转，发明了一种新的转筒——Savonius转筒，至今为大家所熟知，并应用广泛。
Savonius转筒的优点是启动转矩大，几乎能在任何风速下自启动，且其旋转方向固定，不受风向变化；缺点是风能转化率较低。
Flettner转筒的缺点是自启动性能差，需要额外的电机带动其旋转。但是一旦正常运行，转速要远远高于Savonius转筒，整体的风能利用率更高。船舶上利用Flettner转筒产生助推效果时，其旋转方向需要随着风向的变化而变化。
因此，将Savonius转筒装置和Flettner转筒装置的优点相结合，设计一种新型船用风力助推装置，将具有重要的意义和广阔的市场前景。而两者结合时，需要保证Flettner转筒正常工作的前提下提高自启动性能，这就意味着增加的Savonius装置旋转的方向需随着风向改变而改变。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提出了一种船用风力助推装置，通过对旋转圆筒的设计，降低船舶能耗、减少污染。
本发明一种船用风力助推装置，包括转筒、叶扇、转筒驱动电机、动力增强盘、转筒旋转轴、叶片旋转电机和水平旋转轴，所述动力增强盘安装在转筒的顶端，并与转筒同轴、同圆心固定连接，转筒驱动电机安装在转筒的底部且通过转筒旋转轴与转筒连接，叶扇由一组叶片组成，叶片以转筒为中心对称布置，其特征在于，所述叶扇中的每个叶片的剖面为一段圆弧，该圆弧所对应的圆心角的角度范围覆盖0.5～3弧度，叶片的根部设有水平旋转轴，叶片旋转电机安装在水平旋转轴上。
所述转筒为空心筒体。
所述动力增强盘为直径大于转筒的圆盘。
所述叶片的数量为偶数，且≤8组，叶扇由4-20个叶片组成。
本发明船用风力助推装置，在Flettner转筒基础上增加自转效应，更充分地利用风能，使转筒能实现自启动并提高转筒相对风速的转速，提高转筒的助推效果，从而达到进一步减少能耗的目的，具体包括：在Flettner转筒基础上，通过在转筒上加装中心对称的叶片，使转筒具备自启动的功能，从而减少转筒驱动用电机的消耗；②每个叶片的根部安装相应的驱动马达，使叶片具备自动转向的功能，当转筒旋转方向需要随着风向改变时，通过将叶片旋转180度来调整转筒的自转方向，以规避转筒自转方向与所需旋转方向不同而导致转筒驱动用电机能耗的额外增加。
经数值模拟和理论计算验证，本发明船用风力助推装置与常规的Flettner转筒相比，其助推效果可提升5％-20％，在条件好时，例如转筒气动性能佳、来流方向和风速较稳定，其提升效果可以高达40～50％。
附图及说明
图1为本发明船用风力助推装置的结构示意图；
图2a为图1的A-A视图；
图2b为图2b叶片翻转状态的示意图。
具体实施方式
为了使本发明船用风力助推装置易于明白了解，下面结合附图，进一步详细阐述。
本发明船用风力助推装置通过在Flettner转筒基础上增加自启动装置-叶扇3，实现相对增加转筒1的转速进而达到减少能耗的目的。
如图1所示，转筒1的顶端装有动力增强盘2，并与转筒1同轴、同圆心固定连接，以增加气体在转筒1上的流动，降低流动的湍流度，从而增加马格纳斯效应，增加推力。转筒1的外周面设有4组叶扇3，叶扇3的数量为偶数组，最多8组，根据叶扇3对转筒1的外力影响确定，叶扇3关于转筒旋转轴7中心对称布置。叶扇3由一组叶片组成，其数量根据叶片旋转电机5的输出功率和叶片所用材料确定，一般为4-20个叶片，以满足工程需求为准。叶片投影剖面为一段圆弧(劣弧)，该圆弧所对应的圆心角的角度范围覆盖0.5～3弧度，如图2a所示，叶扇3包括4个叶片，互成90°夹角，且关于转筒1呈中心对称。每个叶片的根部设有水平旋转轴6，叶片旋转电机5安装在水平旋转轴6上。转筒1的底部安装转筒驱动电机4，转筒驱动电机4通过转筒旋转轴7与转筒1连接。
将本发明船用风力助推装置通过转筒驱动电机5垂直固定安装在船体甲板上。转筒1的数目取决于船型的主尺度以及具体实际需求，最少1个，最高6-8个。转筒1的旋转方向及旋转速度可根据实际航向、航速，风向、风速来确定，以获得最佳工作效率。
当风均匀吹向转筒1时，迎风面(叶片弯曲方向朝着来流方向)积聚更多气流，速度低，导致压力大，而背风面(叶片弯曲方向远离来流方向)气流逃逸快，速度高，因此压力小，最终叶扇3的叶片将产生扭矩使转筒1自启动并加速转筒1旋转。一方面，利用叶片使转筒自启动可有效提高电机启动时的效率；另一方面，转筒旋转转速的相对增加可有效减少电机的输出功率，优化电机的选型，可以更大程度地利用风能，大大地降低电机的消耗，减少能源消耗。当风向改变，需要改变转筒(1)的旋转方向时，利用叶片旋转用电机5驱动水平旋转轴6，将叶扇3的叶片翻转180度，使叶片布置从图2a状态变化为图2b状态，即将叶片的背风面与迎风面相互转换，从而改变转筒1的自启动旋转方向，保证转筒1的助推效果。此时，转筒驱动电机4并未开启，只是依靠叶扇3叶片的圆弧剖面产生的力矩，带动转筒1自动启动旋转。
当风速较低，且转筒1未达到目标转速时，开启转筒驱动电机4，转筒驱动电机4带动转筒旋转轴7转动，进而驱动转筒1旋转，直至达到目标转速。当风向发生180度左右的改变后，转筒1的转向也要改变，此时利用叶片旋转电机5驱动水平旋转轴6实现叶片的翻转，实现叶片迎风面和背风面的互调。
以上系根据附图对本发明船用风力助推装置的一个实施例的说明，但是具体结构并不局限于此，只要在不脱离本发明宗旨的范围内进行改进和追加，均属于本发明的范畴。例如，在上述实施例中所述的用于实现转筒1自启动转动的叶扇3的叶片剖面并不仅仅限于圆弧状，只要能在转筒表面产生自启动扭矩，无论什么形状均可。

Claims (4)

1.一种船用风力助推装置，包括转筒(1)、叶扇(3)、转筒驱动电机(4)、动力增强盘(2)、转筒旋转轴(7)、叶片旋转电机(5)和水平旋转轴(6)，所述转动力增强盘(2)安装在转筒(1)的顶端，并与转筒(1)同轴、同圆心固定连接，筒驱动电机(4)安装在转筒(1)的底部且通过转筒旋转轴(7)与转筒(1)连接，叶扇(3)由一组叶片组成，叶片以转筒(1)为中心对称布置，其特征在于，所述叶扇(3)中的每个叶片的剖面为一段圆弧，该圆弧所对应的圆心角的角度范围覆盖0.5～3弧度，每个叶片的根部设有水平旋转轴(6)，叶片旋转电机(5)安装在水平旋转轴(6)上。
2.根据权利要求1所述的船用风力助推装置，其特征在于，所述转筒(1)为空心筒体。
3.根据权利要求1所述的船用风力助推装置，其特征在于，所述动力增强盘(2)为直径大于转筒(1)的圆盘。
4.根据权利要求1所述的船用风力助推装置，其特征在于，叶扇(3)的数量为偶数，且≤8组，叶扇(3)由4-20个叶片组成。
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