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CN107131098A - 一种船用风能辅助推进系统 - Google Patents

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王艳霞
陈京普
周伟新
李鸿瑞
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杨立
刁峰
苏甲
魏锦芳
孙文愈
陈少峰
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Abstract

本发明提出了一种船用风能辅助推进系统，其特征在于，包括转子、固定在船甲板上的支撑平台，所述转子安装在支撑平台上，其中，所述转子包括吊环、转筒端板和转筒，所述吊环安装在转筒端板上，所述转筒端板安装在转筒顶部；所述支撑平台包括转轴及其轴承座，所述轴承座的上部由上至下依次设有推力轴承、扭矩传感器和一个深沟球轴承，所述轴承座的下部安装一个深沟球轴承，所述转轴的下端连接有齿轮箱，所述齿轮箱通过扭力臂连接有变频调速电机；所述转筒下部与转轴上端固定连接。本发明具有结构简单、节约能源的优点。

Description

一种船用风能辅助推进系统
技术领域
本发明涉及风能利用设计环保与节能领域，尤其涉及一种船用风能辅助推进系统。
背景技术
随着全球气候变暖，世界各国对于环境问题日益重视，船舶节能减排在全球节能减排的大趋势下成为船舶水动力研究的热门。国际海事组织也不断以强制性公约、规范的形式加强对海洋环境和大气环境的保护。随着MEPC第70次会议的召开，船舶能效问题进一步发酵，已建议在2020年时采取更为严格的设计要求和更改的折减率，将考虑提高PhaseⅢ折减率甚至提出PhaseⅣ。这些对于船舶节能减排新技术提出了迫切的需求，需要在船舶设计过程中，进一步加强对船舶整体性能的研究。
风能属于清洁能源，在特定航线上，据气象统计存在较为恒定的风力风向，对风能的有效利用可以为船舶在现有能耗基础上提供额外的节能减排空间。在存在长期侧向风的航线，利用一种Flettner转筒(又称马格努斯转筒)具有为船舶提供额外推力的可能。这种风力助推装置利用马格努斯效应，在设定转筒的转速转向后，可以在侧向风中为船舶提供沿船舶前进方向的额外推力，通过进一步调控船舶主机，可以使得在这些航线上的船舶减少能耗。随着对船舶节能减排的进一步精细化要求，系统性的节能技术需要在船舶整体系统中优化配置，对新型的包括转筒外形、支撑结构、传动系统、感知与控制系统的一体化整合设计提出了要求。
中国专利CN201110461591涉及风力混合转子，该风力混合转子只用于发电，而不能用风能作为辅助推进系统。
中国专利CN201180014216涉及包括装载式马格纳斯效应转子的船舶，它只能用于特定的装载马格纳斯效应转子的船，而不适用安装于多种类型船舶的推进系统。而且该船舶装载的马格纳斯效应转子要伸缩至船体内部，结构复杂、维修不方便，占据船体内部空间。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种船用风能辅助推进系统，其特征在于，包括转子、固定在船甲板上的支撑平台，所述转子安装在支撑平台上，其中，
所述转子包括转筒端板和转筒，所述转筒端板安装在转筒顶部；
所述支撑平台包括上端与所述转筒下部固定连接的转轴转轴及其轴承座，所述轴承座的上部由上至下依次设有推力轴承、扭矩传感器和一个深沟球轴承，所述轴承座的下部安装一个深沟球轴承，所述转轴的下端连接有齿轮箱，所述齿轮箱通过扭力臂连接有变频调速电机。
进一步地，所述转子的高度为支撑平台的1.5-10倍。
进一步地，所述转筒端板的直径为转筒的1-3倍。
进一步地，所述转筒为圆柱形空心金属，表面采用磨砂处理。
进一步地，还包括钢架，所述钢架底部与船甲板通过螺栓连接。
进一步地，所述轴承座通过螺栓固定在钢架上。
进一步地，还包括感知设备与控制台，所述感知设备为控制台提供数据，所述控制台通过变频调速电机调节转筒的转速。
进一步地，所述感知设备包括风力、风向测试仪。
本发明提供的船用风能辅助推进系统通过利用风能，来产生船舶前进方向上的推力，从而辅助船舶推进。具有结构简单、节约能源的优点。而且维修方便，不占据船体内部空间。此外，本发明的转筒表面采用磨砂处理，该处理可增强马格努斯效应，提高助推效率。
附图说明
图1为本发明一种船用风能辅助推进系统的纵剖图；
图2为图1中的局部放大图A；
图3为本发明实现控制的原理图。
图中：1-吊环、2-转筒端板、3-转筒、4-轴承座、5-转轴、6-推力轴承、7-深沟球轴承、8-钢架、9-扭力臂、10-变频调速电机、11-齿轮箱、12-扭矩传感器、13-螺栓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种船用风能辅助推进系统的具体实施方式进行详细说明，该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1和图2，一种船用风能辅助推进系统，包括转子和支撑平台，转子垂直固定于支撑平台之上，支撑平台固定于船甲板之上。转子由一个圆柱形空心金属转筒3、用于消涡的转筒端板2及用于起吊的吊环1组成，吊环1焊接在转筒端板2上，用于整个装置的起竖与收放。转筒端板2焊接在转筒3顶部，转筒端板2用于减少绕过转筒3顶部的流动，增大转筒载荷，从而增大转筒3提供的推力，转筒端板2的直径为转筒3的1-3倍。转筒3为空心金属圆柱筒，筒外表面做磨砂处理，以增大转筒3外表面与空气之间的摩擦系数，从而加强马格努斯效应，增大推力。转子由支撑平台上的传动机构带动，可以做水平方向的自转运动。在风向风速适合时，转子通过旋转在风能作用下产生马格努斯效应。所谓马格努斯效应：当一个旋转物体的旋转角速度矢量与物体飞行速度矢量不重合时，在与旋转角速度矢量和平动角速度矢量组成的平面相垂直的方向上桨产生一个横向力。在这个横向力的作用下物体的飞行轨迹将发生偏转的现象叫做马格努斯效应。转子就是利用该效应中的产生的船舶前进方向的横向力，辅助船舶推进。
支撑平台包括轴承座4，轴承座4通过螺栓固定在钢架8上，钢架8底部与船甲板通过螺栓13连接，轴承座4的上部由上至下依次固定安装推力轴承6、扭矩传感器12和一个深沟球轴承7，有利于承担转子在风能作用下产生的扭矩。轴承座4的下部安装一个深沟球轴承7，转轴5的下端与齿轮箱11连接，转子与转轴5上端通过螺栓13连接，齿轮箱11通过扭力臂9固定并与变频调速电机10连接。
支撑平台用于固定转子，并通过变频调速电机10、齿轮箱11和轴系带动转子转动。带动转子转动的轴系包括与转筒3直接连接的转轴5、一个用于承担垂向力的推力轴承6、两个用于承担水平方向力与扭矩的深沟球轴承7、一套用于扭矩传感器12以及用于固定轴承的轴承座4。其中，推力轴承6承担转子及转轴5的重力，深沟球轴承7承担水平方向的推力和扭矩，这样的设计结构简单、强度大，抗弯矩能力强，通过扭矩传感器12，可实时监测转子运转时的受力情况，并且便于拆装、保养、维护。转子与支撑平台的高度由船舶大小决定，转子的高度为支撑平台的1.5-10倍。
本发明还包括感知设备与控制台，感知设备布置于船舶上层建筑之上，控制系统布置于驾驶室，控制台用于控制风能辅助推进系统工作。感知设备包括风力、风向测试仪，用于测量本发明系统所处位置处的实时风速、风向用以为控制器计算最佳转速提供数据。
控制台为一台计算机，用于处理风能辅助推进系统感知、推进设备的数据，包括实时风速、风向、船速、转子产生的推力与扭矩等，并控制系统正常运转。控制台通过预设软件系统根据传感器参数计算当前海洋环境及船舶航行状态下转筒最佳运转转速，并通过变频器控制电机调节转筒转速，同时还从船舶主机、GPS系统等获取航行数据。
如图3为发明感知与控制系统的原理图，其中，E1、E2分别为风速风向传感器及GPS系统，分别对应风速风向数据船舶航行状态数据，根据这两个数据通过控制台SE，给出在当前海洋环境及船舶航行状态下的最佳匹配的转速，工作人员通过变频器回路U调节10变频调速电机M的转速，进而控制转子C工作。E3为扭矩传感器12，测得转筒3运转时受力情况，反馈给控制台控制台SE，辅助调节转速。同时，S1、S2、S3组成的感知系统将数据传输至监控器，供操作人员监控整个船用风能辅助推进系统实时运转情况。
本发明创新了感知及控制系统，感知包括风速风向传感器、测量六自由度力/扭矩传感器及船上航行系统，这些装置将船舶航行时的海洋环境参数及航行状态信息传达至控制台。控制台经过优化控制软件计算得出当前条件下的最佳转速，通过控制变频调速电机根据实时情况调整转速。这样，通过进行实时的转筒最佳运行方式产生最大的前进方向上的推力，从而实现在同航速下船舶主机功率的降低，达到节能减排的目的。
本发明系统利用风能，获得船舶前进方向的推力，从而实现船舶辅助推进的功能。有助于船舶节能减排，解决目前船舶运营带来的全球气候变暖问题，同时可降低船舶运营成本。本发明具有结构简单设备智能，维护方便的特点，经数值模拟和模型试验验证，该船用风能辅助推进系统推进效率高，控制响应迅速，结构强度满足要求，适于工程应用。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种船用风能辅助推进系统，其特征在于，包括转子、固定在船甲板上的支撑平台，所述转子安装在支撑平台上，其中，
所述转子包括转筒端板(2)和转筒(3)，所述转筒端板(2)安装在转筒(3)顶部；
所述支撑平台包括上端与所述转筒(3)下部固定连接的转轴(5)及其轴承座(4)，所述轴承座(4)的上部由上至下依次设有推力轴承(6)、扭矩传感器(12)和一个深沟球轴承(7)，所述转轴(5)的下端连接有齿轮箱(11)，所述齿轮箱(11)通过扭力臂(9)连接有变频调速电机(10)。
2.根据权利要求1所述的船用风能辅助推进系统，其特征在于，所述转子的高度为支撑平台的1.5-10倍。
3.根据权利要求1所述的船用风能辅助推进系统，其特征在于，所述转筒端板(2)的直径为转筒(3)的1-3倍。
4.根据权利要求1所述的船用风能辅助推进系统，其特征在于，所述转筒(3)为圆柱形空心金属，表面采用磨砂处理。
5.根据权利要求1所述的船用风能辅助推进系统，其特征在于，还包括钢架(8)，所述钢架(8)底部与船甲板固定连接，所述轴承座(4)固定在钢架(8)上。
6.根据权利要求1所述的船用风能辅助推进系统，其特征在于，还包括感知设备与控制台，所述感知设备为控制台提供数据，所述控制台通过变频调速电机(10)调节转筒(3)的转速。
7.根据权利要求6所述的船用风能辅助推进系统，其特征在于，所述感知设备包括风力、风向测试仪。
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