一种适于船艏的仿生扑翼装置及其调节方法

1.本发明涉及船舶技术领域，具体指一种适于船艏的仿生扑翼装置及其调节方法。


背景技术：

2.船舶节能已成为当今世界各国造船界和航运界争辩的重要课题，它关系到船舶的燃油费用、单位排放量以及船舶运营经济效益等问题。通过添加附加船体装置来达到节能减阻是一种行之有效的方式。远洋航行中，船艏所受的阻力是影响船舶总阻力的最重要部分，大多数研究集中在船艏部设计，对其添加附属装置减少阻力的方式还鲜有报道。此外远洋航行中，由于风浪等作用，常常伴有船舶行驶过程的横摇、纵倾等多种摆动，使得船舶的平稳性下降。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种适于船艏的仿生扑翼装置，以此来达到船艏减阻和增加船舶平稳性的目的。本发明装置通过船艏附加的扑翼装置在船舶航行时根据航行需要可以在船艏周围展开任意角度的扑翼，达到节能减阻效果的同时提高船舶航行的稳定性。
4.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
5.一种适于船艏的仿生扑翼装置，包括两组呈对称结构设置在船艏两侧的调节装置和控制系统，所述调节装置包括仿生扑翼、转向装置和驱动装置，所述转向装置固定于船艏外部，所述仿生扑翼的翼根处与转向装置一端固定连接；所述转向装置的另一端与驱动装置的输出端固定连接，所述控制系统输出控制信号至驱动装置，所述仿生扑翼的一侧为凹面，且另一侧为凸面，所述仿生扑翼的凸面分布有若干凸起，所述仿生扑翼的凹面可贴合至船艏的外壁。
6.作为优选，所述驱动装置安装在船艏外壁。
7.作为优选，所述仿生扑翼的翼根处通过旋转轴与转向装置相连接。
8.作为优选，所述驱动装置为伺服电机。
9.作为优选，所述仿生扑翼的凸面为流线型仿生状结构。
10.作为优选，所述仿生扑翼包括两块结构相同的半椭圆形翼板，两块所述半椭圆形翼板的直线边缘侧固定连接。
11.作为优选，所述转向装置双节万向联轴器。
12.作为优选，所述控制系统为pid控制器。采用技术成熟、应用最为广泛的pid(proportional integral derivative)控制系统，具有原理简单、鲁棒性强和实用面广等优点。控制系统接入船舱控制室，可由船员操作，控制所述驱动装置，以精确驱动所述转向装置，灵活调节所述扑翼的方位角度。
13.本发明还提供了一种适于船艏的仿生扑翼装置的调节方法，所述控制系统输出控制信号至驱动装置，所述驱动装置接收控制系统输出的控制信号，并输出动力至转向装置，通过转向装置的转动调节仿生扑翼的方位角。
的含义是两个或两个以上。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.实施例1
33.本发明提供了一种适于船艏的仿生扑翼装置，如图1-图3所示，包括两组呈对称结构设置在船艏两侧的调节装置和控制系统5，所述调节装置包括仿生扑翼1、转向装置3和驱动装置4，所述转向装置3固定于船艏外部，所述仿生扑翼1的翼根处与转向装置3一端固定连接；所述转向装置3的另一端与驱动装置4的输出端固定连接，其中驱动装置4安装在船艏外壁，其通过传动轴动力输出至转向装置3。所述控制系统5输出控制信号至驱动装置4，所述仿生扑翼1呈披针形的树叶状结构，所述仿生扑翼1的一侧为凹面，且另一侧为凸面，所述仿生扑翼1的表面分布有若干凸起，所述仿生扑翼1的凹面可贴合至船艏的外壁。
34.可以理解的，海上情况变化多端，船舶航行时将受到不同风浪的影响，亟需对仿生扑翼进行自适应的调节，需不断调整仿生扑翼与船艏的水平方向和竖直方向的夹角及其与水平面间的夹角，以达到减小船艏阻力或提高船舶稳定性的效果，如图6所示，扑翼的外表面包含部分与船长方向一致的小凸起。这些小凸起会改变船艏的壁面层：根据壁面层厚度(δ)计算公式(其中x表示流向位移，r
ex
＝vx/v，v为平均速度，v为水体的粘度系数)，可知通过增加的凸起可以减小壁面层的厚度，进而减小船艏处的粘压阻力。同时，这些小凸起形成一系列小漩涡，可以中和掉船艏由于波浪或者横流等形成的涡旋，起到减小船艏阻力和增加稳定性的目的。
35.可以理解的，本实施例的仿生扑翼1的凹面可以根据船只的型号进行设置，因此设用于所有船只。本实施例以jbc(japan bulk carrier)散装货船为例讲解本发明。
36.本实施例中所述仿生扑翼1有凹面和凸面。凹面与所述jbc船艏部型线曲率相吻合，使所述仿生扑翼1能与所述jbc船艏无缝衔接。凸面通过流线型仿生设计，达到翼根坚实翼尖轻便的平缓弧度过渡效果，并与所述船舶艏部曲面达到较好的贴合度，保证在“扑翼”关闭状态下不会产生附加阻力。
37.进一步的，所述驱动装置4为伺服电机。可通过控制系统5控制伺服电机进行精准的控制。另外，所述仿生扑翼1的翼根处通过旋转轴2与转向装置3相连接。所述转向装置3双节万向联轴器。可以理解的，通过双节万向联轴器的设置，可通过伺服电机的转动，实现仿生扑翼1任意角度的转动。
38.具体的，所述双节万向联轴器的第一节与船艏相连，以控制所述仿生扑翼1与船艏的水平方向夹角。同时所述第二节万向联轴器与所述仿生扑翼1根部通过旋转轴传动连接，以控制所述仿生扑翼与船艏的竖直方向夹角。
39.船舶未航行时，此为所述仿生扑翼1闭合的初始状态：仿生扑翼1翼尖朝向所述jbc船球鼻艏，凹面紧贴船舶曲面，凸面流线型设计与船艏紧密贴合，对初始船艏形状无影响，保证在“扑翼”关闭状态下不会产生附加的阻力。
40.船舶航行时，根据航行需要，控制系统5以及驱动装置4操纵转向装置，通过所述转
向装置的运转快速准确地调整所述仿生扑翼与船艏的水平和竖直方向夹角以及仿生扑翼1的翼尖与船艏的相对水平距离。仿生起积极引流作用，以此来降低艏波的高度，减小兴波阻力，同时增加船舶行驶稳度，实现节约能源。
41.由于海上情况变化多端，船舶航行时将受到不同风浪的影响，亟需对仿生扑翼进行自适应的控制调节，pid控制系统将不断调整其攻角以及相对水平面夹角，达到减小船艏阻力或者提高船舶稳定性的效果。
42.进一步的，所述控制系统5为pid控制器。采用技术成熟、应用最为广泛的pid(proportional integral derivative)控制系统，具有原理简单、鲁棒性强和实用面广等优点。控制系统接入船舱控制室，可由船员操作，控制所述驱动装置，以精确驱动所述转向装置，灵活调节所述扑翼的方位角度。
43.实施例2
44.本实施例与实施例1的区别在于，所述仿生扑翼1包括两块结构相同的半椭圆形翼板，两块所述半椭圆形翼板的直线边缘侧固定连接。
45.本实施例的其他结构与实施例1相同，本实施例中不进行具体的撰述。
46.实施例3
47.本实施例提供了一种适于船艏的仿生扑翼装置的调节方法，如图4和图5所示，所述控制系统5输出控制信号至驱动装置4，所述驱动装置4接收控制系统5输出的控制信号，并输出动力至转向装置3，通过转向装置3的转动调节仿生扑翼1的方位角。
48.具体的，情况一，船舶未航行时，所述仿生扑翼处于关闭状态(亦称为：初始状态)，此时翼尖朝向所述jbc船艏，凹面紧贴船舶曲面；
49.情况二，船舶航行时，船员在控制室操纵其转向装置，调整仿生扑翼的展开角度。
50.情况三，海上情况变化多端，船舶航行时将受到不同风浪的影响，亟需对仿生扑翼进行自适应的调节，需不断调整仿生扑翼与船艏的水平方向和竖直方向的夹角及其与水平面间的夹角，以达到减小船艏阻力或提高船舶稳定性的效果；
51.情况四，船舶回港或临时停泊时，船员可操纵扑翼装置恢复至初始状态，即初始状态。
52.以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种适于船艏的仿生扑翼装置，其特征在于，包括两组呈对称结构设置在船艏两侧的减阻装置和控制系统(5)，所述减阻装置包括仿生扑翼(1)、转向装置(3)和驱动装置(4)，所述转向装置(3)固定于船艏外部，所述仿生扑翼(1)的翼根处与转向装置(3)一端固定连接；所述转向装置(3)的另一端与驱动装置(4)的输出端固定连接，所述控制系统(5)输出控制信号至驱动装置(4)，所述仿生扑翼(1)的一侧为凹面，且另一侧为凸面，所述仿生扑翼(1)的凸面分布有若干凸起，所述仿生扑翼(1)的凹面可贴合至船艏的外壁。2.根据权利要求1所述的一种适于船艏的仿生扑翼装置，其特征在于，所述驱动装置(4)安装在船艏外壁。3.根据权利要求1所述的一种适于船艏的仿生扑翼装置，其特征在于，所述仿生扑翼(1)的翼根处通过旋转轴(2)与转向装置(3)相连接。4.根据权利要求1所述的一种适于船艏的仿生扑翼装置，其特征在于，所述驱动装置(4)为伺服电机。5.根据权利要求1所述的一种适于船艏的仿生扑翼装置，其特征在于，所述仿生扑翼(1)的凸面为流线型仿生状结构。6.根据权利要求1所述的一种适于船艏的仿生扑翼装置，其特征在于，所述仿生扑翼(1)包括两块结构相同的半椭圆形翼板，两块所述半椭圆形翼板的直线边缘侧固定连接。7.根据权利要求1所述的一种适于船艏的仿生扑翼装置，其特征在于，所述转向装置(3)双节万向联轴器。8.根据权利要求1所述的一种适于船艏的仿生扑翼装置，其特征在于，所述控制系统(5)为pid控制器。9.一种根据权利要求1-8任意一项所述的一种适于船艏的仿生扑翼装置的调节方法，其特征在于，所述控制系统(5)输出控制信号至驱动装置(4)，所述驱动装置(4)接收控制系统(5)输出的控制信号，并输出动力至转向装置(3)，通过转向装置(3)的转动调节仿生扑翼(1)的方位角。

技术总结
本发明公开了一种适于船艏的仿生扑翼装置，包括两组呈对称结构设置在船艏两侧的调节装置和控制系统，所述调节装置包括仿生扑翼、转向装置和驱动装置，所述转向装置固定于船艏外部，所述仿生扑翼的翼根处与转向装置一端固定连接；所述转向装置的另一端与驱动装置的输出端固定连接，所述控制系统输出控制信号至驱动装置，所述仿生扑翼的一侧为凹面，且另一侧为凸面，所述仿生扑翼的凸面分布有若干凸起，所述仿生扑翼的凹面可贴合至船艏的外壁。该装置达到船艏减阻和增加船舶平稳性的目的。本发明装置通过船艏附加的扑翼装置在船舶航行时根据航行需要可以在船艏周围展开任意角度的扑翼，达到节能减阻效果的同时提高船舶航行的稳定性。稳定性。稳定性。


技术研发人员：田晓庆 谢添慰 范耿 徐航 葛浩凡 田超亚
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/3/10