一种利用马格努斯效应表面旋转的船舶风力辅助推进装置及推进方法

1.本发明涉及一种利用马格努斯效应表面旋转的船舶风力辅助推进装置及推进方法，属于新能源及节能技术领域。


背景技术：

2.近年来，国际航运业机遇与挑战并存，一方面国际局势给航运业带来了大量的订单与利润，另外一方面，日益上涨的油价和对于碳排放量日益增大的需求，也对航运行业节能减排，采用各种绿色能源提出了要求。在船舶推进这一领域，使用风能推进是一个古老而又可靠的方法；风能作为一种免费的可再生能源，在海洋中广泛存在，虽然对于大多数国际航运船舶来说风力不适合作为主要能源使用，但关于航运中典型船舶的平均输出功率与主机功率要求的比较表明，风可以提供相当大的功率份额。例如，在5500 dwt的普通货船上安装三个转筒帆，在典型的慢速航行条件下，平均可提供主机所需功率的一半以上。风力辅助推进技术能在航运中提供的大幅减排的可能性，在当下轮机效率难以突破的情况下成为了下一个热点。
3.风力辅助推进装置作为一种环保推进手段，目前在很多船舶中都有所应用。2020年6月，上海船舶设计院为巴西淡水河谷公司设计的一条32.5万吨货轮上，就配备了转筒帆，经统计可以为船舶节约8%的燃料消耗。目前配备于船舶上的转筒帆有两种，在大型船舶上配备的转筒帆主要为垂直布置，在船舶受到侧风影响的时候，转筒帆能够为船舶提供大量的推力；在小型船舶上比较常见的是水平布置的转筒帆，在小型船舶向前快速航行时，转筒帆水平转动，在上下形成流速差，为船舶提供向上的升力，从而达到减少阻力的效果。


技术实现要素：

4.本发明的目的：为了减少现有转筒帆在帆面旋转的时候在轴向上推力抵消产生的推力损失，增加风力辅助推进的推进效率，从而达到减少燃料消耗的目的，节能减排，为此，本发明提出了一种基于马格努斯效应表面旋转的转筒帆装置及推进方法。这种转筒帆区别于以往带端板的转筒整体旋转，其截面形状为两端为圆弧的狭长矩形，这种结构最大限度减少了推力在轴向上的损失，为了适应这种结构，帆面采用内部上下附有传动带的蒙皮结构，上下传动带与帆面刚性结构上的上下限位槽配合，限制蒙皮位置，同时内部两根转动轴上的传动轮与蒙皮上的传动带配合，带动蒙皮高速转动。在实际航行时，根据船舶航行时所受风向不同，使用第一电机调整装置受风角度，保证装置始终提供最大推进效率，同时通过对舵角进行微调，抵消此时产生的侧向推力。
5.本发明所采用的技术方案：一种利用马格努斯效应表面旋转的船舶风力辅助推进装置包括第一电机、支撑轴和辅助推进机构，第一电机通过支撑轴连接辅助推进机构，所述辅助推进机构包含依次连接的下端板、帆面刚性结构和上端板。
6.所述帆面刚性结构包含刚性主体、上限位板和下限位板，刚性主体采用横截面为
圆弧矩形的桶形结构，刚性主体的顶部设置两个l型的上限位板，底部设置两个l型的下限位板，帆面刚性结构的外部套有帆面蒙皮，帆面蒙皮的上部和下部分别设置传动带。
7.两个传动轴分别穿过下端板两侧的传动轴孔、帆面刚性结构通过传动轮连接帆面蒙皮上的传动带。两个传动轴分别通过第二电机、第三电机驱动连接。
8.所述帆面蒙皮的横截面为两端为圆弧的矩形，帆面蒙皮上部的传动带卡入上限位板上的上限位槽内，帆面蒙皮下部的传动带卡入下限位板上的下限位槽内。
9.辅助推进机构的整体转动由第一电机控制，第一电机通过支撑轴与辅助推进机构传动相连，与支撑轴同一板面上安装有第二电机、第三电机，其分别与两根传动轴相连。帆面蒙皮为柔性材质，上部内侧、下部内侧分别设置传动带，两根传动轴分别穿过下端板两侧的传动轴孔通过传动轴上设置的两个传动轮分别连接帆面蒙皮上部、下部的传动带，传动带与传动轴上的传动轮配合，当传动轮转动时，带动蒙皮在帆面高速运动，同时蒙皮上部和下部的传动带分别与上、下限位槽配合，保证蒙皮在水平方向上高速运动，同时限制帆面蒙皮的垂向位移，防止蒙皮脱落，控制帆面蒙皮位置。
10.第一电机直接安装在甲板上，支撑轴设在支撑板的中部，支撑板的两端分别安装第二电机、第三电机，帆面蒙皮的上下传动带与帆面刚性结构的上下限位槽配合，两根转动轴分别与第二电机、第三电机相连，轴上的传动轮与帆面蒙皮上的传动带配合，带动蒙皮转动。
11.所述推进装置可以用于各种货运船舶，根据实际航向和需要，在风向较为稳定的航线中可以删除结构中的第一电机，减少结构重量和能量消耗。
12.对于上述的技术方案，在航行时，根据航行时所受风向不同，利用第一电机控制推进装置的角度，启动第二电机、第三电机以后，两根传动轴带动帆面蒙皮在表面高速运动，帆面蒙皮带动空气运动，与侧向来风混合，在推进装置表面形成流速差，根据玛格努斯原理，此时产生大量推力，辅助船舶推进。
13.本发明的有益效果在于：一种利用马格努斯效应表面旋转的船舶风力辅助推进装置包括第一电机、支撑轴和辅助推进机构。该装置通过两台电机带动传动轴，通过传动轴与帆面蒙皮结合，使表面的转动带高速转动，在船舶航行过程中，与船舶侧向来风结合，在装置表面形成高流速区与低流速区，产生大量推力，辅助船舶推进。在推进装置的上下部安装有端板，可以起到整流作用，有效增加推进效率，同时由于收到侧向来风面积较小，装置侧向阻力大幅度降低，进一步提高了装置的推进效率。在装置底部安装有电机，当海面风向变化时，通过电机调整辅助推进装置角度，可以在不同风向下增大推力，减小侧向阻力。相比于其他风力辅助推进装置，本装置采用表面蒙皮转动，减少转动结构重量，提升推进效率；相比于传统传统帆圆柱截面，采用两端为圆弧的狭长矩形截面，减少轴向上推力抵消的损失，增加推进效率；采用第一电机控制帆面整体转动，根据不同风向改变装置朝向，提升效率。
14.附图说明：图1是一种利用马格努斯效应表面旋转的船舶风力辅助推进装置的立体结构图。
15.图2是图1中的a-a视图。
16.图3是一种不含蒙皮的利用马格努斯效应表面旋转的船舶风力辅助推进装置立体结构图。
17.图4是一种不含蒙皮的利用马格努斯效应表面旋转的船舶风力辅助推进装置的主视图。
18.图5是图2中的a局部放大图。
19.图6是图1中帆面蒙皮的立体结构图。
20.图7是图1中传动轴的立体结构图。
21.图8是图3中帆面刚性结构的右视图。
22.图9是图3中帆面刚性结构的俯视图。
23.图10是一种利用马格努斯效应表面旋转的船舶风力辅助推进装置在不同转速比和雷诺数下升力系数图。
24.图中，1、第一电机，2、第二电机，2a、第三电机，3、支撑轴，4、下端板，5、帆面刚性结构，5a、刚性主体，5b、上限位板，5c、下限位板，6、上端板，7、上限位槽，7a、下限位槽，8、传动轴孔，9、帆面蒙皮，10、传动带，11、传动轴，12、传动轮。
具体实施方式
25.为了更好地为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
26.下面结合附图对本发明进行进一步说明。
27.图1-4示出了一种利用马格努斯效应表面旋转的船舶风力辅助推进装置的结构示意图，为了便于观察结构，图3为只装配一根传动轴时的等轴视图。图中，这种利用马格努斯效应表面旋转的船舶风力辅助推进装置包括第一电机1、支撑轴3和辅助推进机构，第一电机1通过支撑轴连接辅助推进机构，辅助推进机构包含由下到上依次连接的下端板4、帆面刚性结构5和上端板6。帆面刚性结构5包含刚性主体5a、上限位板5b和下限位板5c，刚性主体5a采用横截面为圆弧矩形的桶形结构，刚性主体5a顶部的两个长矩形边各设置一个l型的上限位板5b，底部的两个长矩形边上各设置一个l型的下限位板5c，上限位板5b、刚性主体5a和下限位板5c采用一体成型结构，上限位板5b和下限位板5c的板厚大于刚性主体5a的壁厚（如图8和9所示）。
28.帆面刚性结构5的外部套有帆面蒙皮9，帆面蒙皮9的上部内侧和下部内侧分别设置传动带10。
29.传动轴11上设置两个传动轮12，两个传动轴11分别穿过下端板4两侧的传动轴孔、帆面刚性结构5通过传动轮12连接帆面蒙皮9上的传动带10；两个传动轴11分别通过第二电机2、第三电机2a驱动连接。帆面蒙皮9的横截面为两端为圆弧的矩形，帆面蒙皮9上部内侧的传动带10卡入上限位板5b上的上限位槽7内，帆面蒙皮9下部内侧的传动带10卡入下限位板5c上的下限位槽7a内（如图5所示）。下端板4、上端板6的宽度为帆面蒙皮9宽度的1.5倍。
30.第一电机直接安装在甲板上，支撑轴设在支撑板的中部，支撑板的两端分别安装第二电机、第三电机，帆面蒙皮的上下传动带与帆面刚性结构的上下限位槽配合，两根传动轴穿过下端板上的传动轴孔分别与第二电机、第三电机相连，轴上的两个传动轮分别与帆面蒙皮上的两个传动带配合，带动蒙皮转动（如图6和7所示）。
31.当传动轮转动时，带动蒙皮在帆面高速运动，帆面蒙皮为柔性材质，帆面蒙皮上部、下部的传动带分别与上、下限位槽配合，保证蒙皮在水平方向上可以高速运动，同时限
制蒙皮垂向位移，防止蒙皮脱落，控制帆面蒙皮位置。在装置上下分别有端板，起到整流作用。
32.该装置在结构上，采用表面蒙皮旋转，相比于传统转筒帆，旋转结构部分重量大幅度降低；相比于传统传统帆圆柱截面，采用两端为圆弧的狭长矩形截面，减少轴向上推力抵消的损失，增加推进效率；采用第一电机控制帆面整体转动，根据不同风向改变装置朝向，提升效率。在实际航行时，根据船舶航行时所受风向不同，使用第一电机调整装置受风角度，保证装置始终提供最大推进效率，同时通过对舵角进行微调，抵消此时产生的侧向推力。
33.为了模拟该装置结构升力系数，使用商业软件star-ccm+进行模拟仿真，建立流场、结构模型，分别建立本发明中的推进结构模型与受力面积相同的传统转筒帆模型，计算雷诺数在1.8*10^5、3.6*10^5、2.5*10^5和10*10^5这几种典型雷诺数情况下，不同转速比下两种结构的升力系数，经计算，本发明中的推进装置在相同雷诺数情况下，在转速比2.5以下时，相较于传统转筒帆升力系数提升在15%以上，在转速比为4时，升力系数与传统转筒帆持平，其中转速比k为帆面线速度与流场来流速度比值，具体模拟数据结果见附图10。
34.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。本领域的普通技术人员依据本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种利用马格努斯效应表面旋转的船舶风力辅助推进装置，它包括第一电机（1）、支撑轴（3）和辅助推进机构，其特征在于，第一电机（1）通过支撑轴连接辅助推进机构，所述辅助推进机构包含依次连接的下端板（4）、帆面刚性结构（5）和上端板（6）；所述帆面刚性结构（5）包含刚性主体（5a）、上限位板（5b）和下限位板（5c），刚性主体（5a）采用横截面为圆弧矩形的桶形结构，刚性主体（5a）的顶部设置两个l型的上限位板（5b），底部设置两个l型的下限位板（5c），帆面刚性结构（5）的外部套有帆面蒙皮（9），帆面蒙皮（9）的上部和下部分别设置传动带（10）；两个传动轴（11）分别穿过下端板（4）两侧的传动轴孔、帆面刚性结构（5）通过传动轮（12）连接帆面蒙皮（9）上的传动带（10）；两个传动轴（11）分别通过第二电机（2）、第三电机（2a）驱动连接。2.根据权利要求1所述的一种利用马格努斯效应表面旋转的船舶风力辅助推进装置，其特征在于，所述帆面蒙皮（9）的横截面为两端为圆弧的矩形，帆面蒙皮（9）上部的传动带（10）卡入上限位板（5b）上的上限位槽（7）内，帆面蒙皮（9）下部的传动带（10）卡入下限位板（5c）上的下限位槽（7a）内。3.根据权利要求1所述的一种利用马格努斯效应表面旋转的船舶风力辅助推进装置，其特征在于，下端板（4）、上端板（6）的宽度不小于帆面蒙皮（9）宽度的1.5倍。4.根据权利要求1所述的一种利用马格努斯效应表面旋转的船舶风力辅助推进装置的推进方法，其特征在于，在航行时，根据航行时的风向，通过第一电机（1）控制辅助推进机构的角度，启动第二电机（2）、第三电机（2a）以后，两根传动轴带动帆面蒙皮（9）在表面高速转动，帆面蒙皮（9）带动空气运动，与侧向来风混合，在推进装置表面形成流速差，产生推力，辅助船舶推进。

技术总结
一种利用马格努斯效应表面旋转的船舶风力辅助推进装置及推进方法，属于新能源及节能技术领域。该装置通过两台电机带动传动轴，通过传动轴与帆面蒙皮结合，使表面的转动带高速转动，在船舶航行过程中，与船舶侧向来风结合，在装置表面形成高流速区与低流速区，产生大量推力，辅助船舶推进。在推进装置上下安装有端板，可以起到整流作用，有效增加推进效率，同时由于收到侧向来风面积较小，装置侧向阻力大幅度降低，进一步提高了装置的推进效率。在装置底部安装有电机，当海面风向变化时，通过电机调整辅助推进装置角度，可以在不同风向下增大推力，减小侧向阻力。减小侧向阻力。减小侧向阻力。


技术研发人员：周波 刘聪睿 刘辉 于佳玮 张桂勇 陆丛红
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/6/3