大型远洋风帆助航船舶节能效率分析

天 帆
转 筒 帆
硬 帆
优
们
雪 空动学技 星 气力 檗
际贸易是 通过 船 舶 来 实 现 的Ｌ ， 航 线上 的 风 能 ２对 ］ 进行 开 发利用 不 仅 能 降低 船 舶 的年 营运 费 用 ， 同 时也 能 大大减 少能 源消 耗Ｅ 。
风 帆助航是 一种 直接 将风 能转 化 为船舶 辅助
匿
０
０４
Ｏ８
１２
１６
风帆 阻力系数Ｃ
图 ３ 展 弦 比为 １４ ．５的 系 列 圆 弧 型 矩 形 硬 帆 的 空 气 动 力 特 性 曲线
图 ５
设计 帆 受 力 示 意 及 极 坐 标
图 ５中 ， 帆与船 艏垂 向线 的夹角 为 帆 角 ， 相
对 风 向 与 船 艏 中 心 线 的 夹 角 称 迎 风 角 ， 角 ａ是 攻
目前 在船 舶上 取得 应用并 且 节能 效果 较好 的
气 动力 特性 曲线 ［ 即 为 帆 的极 坐 标 图） 其 部分 （ ， 典 型 曲线见 图 １ 。 ～４
帆型主要 有 以下 三类 ： 帆 （ 筝 帆 ） 硬 帆 、 简 天 风 、 转 帆等 。帆型之 间 的 优 缺 点 与 最 大 升 力 系 数
陛 磊
善 嚣
推进 力 的技术 ， 帆 助航 船 舶 可 采 用 航 速保 持 不 风
不褰积 攀 积 酾 足 不 板 的 大 是蕊 总 面 需 面
、
。
变、 降低 主机输 出功 率［或 是 主机输 出功 率不 变 、 ４ ｊ
航速提 高等 方式 从 而 达 到 节 约燃 油 消耗 的 目的。 对风 帆 的型式进 行分 析和 对风 帆助 航船舶 的节能 效果进 行 预测是 对其 综合 经济 效益 作 出切合 实 际
动力 特 性 影 响 ， 绍 了风 帆 助 航 船 舶 的节 能效 果 预 报 方 法 ， 过 气 象 资 料 对 加 装 风 帆 助 航 装 置 的 巴拿 马级 散 介 通 货 船在 某些 航 线 上 的 节 能 效率 进 行 了估 算 。 关 键 词 ： 帆 助 航 ； 帆特 性 曲 线 ； 能 效 率 风 风 节 中 图 分 类号 ： ６． １ Ｕ６ ４ ３ 文献标志码 ： Ａ 文章 编 号 ：６ １７ ５ （ ０ ００ —１ １０ １ ７ —９３ ２ １ ）６０ ２—４
船必 须操 帆改 变 帆 的迎 风 角度 ， 以使船 在 前 进 方 向上得 到最 大 的风 帆推力 。图 ５为某 一角 度下设
计 风 帆的受 力示 意 图及其 极坐标 图。
图 ２ 拱 度 比为 ０ １ ．６的 系 列 圆弧 型 矩 形硬 帆 的 空气 动 力 特 性 曲线
６
４
喜
表 １ 帆型 优 缺 点及 Ｇ一 对 比
风 能是 一种 取之 不尽 用之不 竭 、 廉价 、 污染 无
的新 能源 ， 世界 气象组 织 估计 ， 据 整个 地球 上 可以 利 用 的风能 为 ２ ０ ×１ ＭＷ ， 为地 球 上 可资 源 化 利
用 的水 能总量 的 １ ０倍 ｌ 。世 界上 ９ 以上 的 国 １ ］ Ｏ
估 算 的重要保 证 ｌ 。 ５ ］
１ｌ ＿
６Ｏ ７０ ． ～ ．
１ ４ １８ ． ～ Ｉ
２ 风 帆 推 力特 性 比较
根 据一 系列 不 同拱度 比及 展 弦 比的 圆弧 型矩
形 硬 帆在风 洞 中 的试 验 结 果 ， 得 出相 应 帆 的空 可
１ 帆 型 应 用 对 比
（ 武汉理工大学 ａ 交通 学院；ｂ 能源与动力工程 学院可靠性 工程研 究所 ； ． ．
Ｃ船 舶 动 力 工程 技 术 交 通行 业 重 点 实验 室 ， 汉 ４ ０ ６ ） ． 武 ３０ ３
摘
要 ： 大 型 远 洋 船 舶 可 采 用 的 帆 型进 行 了对 比 ， 析 了 硬 帆 的展 弦 比或 拱 度 比 的不 同 所 带 来 的 空 气 对 分
的对 比见 表 １ 。
从表 中可 以看 出 ， 筒 帆 和 天 帆各 自具 有 在 转 船 舶上 应用 的优 势 ， 是 尚有一 些缺 点没 有克 服 。 但 文 中的研究 对象 为 圆弧型 矩形硬 帆 。
瓤
垛
０７ ５
收 稿 日期 ： ０ ００ — Ｏ ２ １ — ６３
修 回 日期 ：０ ００ —１ ２ １—８１
第３ ９卷
第 ６期
船 海 工 程
Ｓ Ｐ ＆ ＯＣＥ ＨＩ ＡＮ ＥＮＧＩ ＮＥＥ ＮＧ ＲＩ
Ｖ０ ． ９ Ｎｏ ６ １３ ． Ｄｅ ． ０ ０ ｃ ２ １
２１ ０ ０年 １ ２月
大 型远 洋 风 帆助 航 船 舶 节 能效 率 分 析
陈 鲁 愚 陈顺 怀 严新 平 ， ， ・
数 随之 升高 ； 而随 着拱 度 比的变大 ， 帆的最 大升 硬
ห้องสมุดไป่ตู้
８
２
力 系数也 随之 提高 。
根据 线 性 插 值 方 法［ 可 以 得 到 拱 度 比 为
束 善
匿
０ １ 、 弦 比为 ０ ８的 某设 计 风 帆 的空 气动 力 特 ． ２展 ． 性 曲线 （ 即极 坐标 图 ） 。在 某 一 实 际航 线 上 ， 的 风 方 向和速 度 随时 问 的变 化 而不 断变 化 ， 帆 助 航 风
１１ ２
第 ６ 期
船
海
工
程
第 ３ ９卷
其 升力 系数 Ｃ 和 阻 力 系数 也不 同 ， 帆 的升 硬
力 系数 变化值 的区 间较 阻力 系数 的变化 值 区间要
ｌ ６ ｌ ４ ｌ ０ Ｏ ８ Ｏ ６ ０ ４ ０ ２
大 。而且 ， 随着展 弦 比的下 降 ， 帆的最 大升 力系 硬
资助项 目： 武汉理工大 学 自主创新 研究基金资助 作者简介 ： 陈鲁愚 （９ ５ ， ， １ ８ 一） 男 硕士生 。 研究方 向： 船舶与海洋结构物设计 制造
Ｅ ｍａｌｗ ｃ ｅ ｌ＠ １ ３ ｃ ｍ － ｉ ｏ ｈ ｎｙ ６ ． ｏ ：
图 １ 拱 度 比为 ０ １ 的 系 列 圆 弧 型 ．４ 矩形硬 帆的空气 动力特性曲线