一种具有减摇功能的船舶旋筒风帆装置及应用方法

本发明属于船舶，具体涉及一种具有减摇功能的船舶旋筒风帆装置及应用方法。

背景技术：

1、随着国际海事组织制定的愈发严苛的排放标准，越来越多的商船逐渐采用风能、太阳能清洁可再生能源驱动。其中，旋筒风帆是商船上常见一种的风能利用形式，其基于马格努斯效应产生推力实现航行助推。然而，船舶航行过程中旋筒风帆也会对船舶的稳性产生一些负面影响，主要原因是安装旋筒风帆会在船舶甲板上增加一定的重量，导致船舶的重心升高稳心下降，这会对船舶的初始稳定性产生一定的负面影响。

2、商船上通用的旋筒风帆的直径约为5m、高度约30m，在船舶航行过程中，旋筒风帆的转速要根据外界风力条件设定，但其转速一般都会几百转每分钟以上，旋筒最外围的线速度可达40m/s～50m/s，因此船舶航行过程中旋筒风帆会有较高的线速度。根据此特点，可以将旋筒风帆看作是一个陀螺装置。众所周知，陀螺减横摇能力大小由陀螺转子动量矩和角速度的乘积来决定。其中，旋筒风帆装置的旋转角速度与外界风力条件有关，不能随意改变，根据动量矩的定义以及旋筒风帆中空的特性，若要增加旋筒风帆的减摇能力，可以利用旋筒风帆中空的空间增加整个旋筒风帆的质量，从而增加整个旋筒风帆的转动惯量，进而增强其减摇能力。

3、基于旋筒风帆应用过程中存在的问题以及旋筒风帆的特点，本发明提出一种具有减摇功能的船舶旋筒风帆装置及应用方法。本发明基于原有的旋筒风帆装置巧妙利用其内部空间增加，增加整个旋筒风帆的质量，进而提高旋筒风帆的转动惯量，利用旋筒风帆增加船舶稳性，解决了安装旋筒风帆的船舶初稳性差的问题。同时，本发明提出的这种具有减摇功能的船舶旋筒风帆装置及应用方法可以提高船舶航行的安全性，使得旋筒风帆具有更成熟的应用技术，促进旋筒风帆广泛应用，具有较大的实际应用价值。

技术实现思路

1、本发明基于旋筒风帆应用过程中影响船舶稳性的问题，提出一种具有减摇功能的船舶旋筒风帆装置及应用方法。该装置包括：通气孔、高位通水阀、中位通水阀、低位通水阀、高位蓄水舱、中位蓄水舱、低位蓄水舱、轴承、高液位传感器、中液位传感器、低液位传感器、排水管、三通阀、水泵、中心轴、旋筒、输水管、进水管。

2、所述旋筒即为旋筒风帆最外围的套筒，旋筒通过船舶上安装的驱动装置驱动旋转，船舶航行过程中旋筒会有较高的转速，旋筒最外围线速度可达40m/s～50m/s，因此增加旋筒整体的质量，可大大增加整个旋筒的转动惯量。

3、所述中心轴安装固定在船舶甲板上，用于支撑旋筒的旋转。

4、所述轴承共有两个，分别安装固定在中心轴上下两端，使旋筒与中心轴之间能够实现转动配合。

5、所述低位蓄水舱、中位蓄水舱、高位蓄水舱均在旋筒内部开设，低位蓄水舱开设在旋筒最底段，中位蓄水舱开设在旋筒中段位置，高位蓄水舱开设在旋筒的高段位置，将旋筒内部空间分成三个独立的蓄水舱，可以保证单独向一个舱室注水，避免旋筒转动时水随旋筒内壁运动对船舶稳性产生过大影响。

6、所述高液位传感器安装在高位蓄水舱最顶端位置，用于监测高位蓄水舱内部的液位高度；所述中液位传感器安装在中位蓄水舱最顶端位置，用于监测中位蓄水舱内部的液位高度；所述低液位传感器安装在低位蓄水舱最顶端位置，用于监测低位蓄水舱内部的液位高度。

7、所述进水管共有两段，第一段的一端延伸至大海里，另一端与水泵相连，用于将海水输送至水泵处；进水管第二段的一端与水泵相连，另一端与三通阀相连，用于将海水从水泵处输送至三通阀处。

8、所述排水管一端与三通阀连接另一端延申至舷外，用于将海水排放大海。

9、所述输水管一端与三通阀相连另一端与低位蓄水舱相连，用于将海水从三通阀输送到低位蓄水舱内部或从低位蓄水舱将海水输送到三通阀处。

10、所述三通阀共有三个端口，其中一端通过进水管的第二段与水泵连接，另一端通过输水管与低位蓄水舱连接，三通阀用于控制水泵向低位蓄水舱、中位蓄水舱、高位蓄水舱注水，并且还控制低位蓄水舱、中位蓄水舱、高位蓄水舱舷外放水，三通阀第三个端口与排水管连接，用于向舷外排水。

11、所述水泵一端通过进水管与大海相连，另一端与进水管的第二段相连，水泵通过进水管将海水输送至三通阀处。

12、所述通气孔是旋筒上的一个通孔，在低位通水阀、中位通水阀、高位通水阀同时打开时可以保证低位蓄水舱、中位蓄水舱、高位蓄水舱连通大气，保证注水时低位蓄水舱、中位蓄水舱、高位蓄水舱内部的气压平衡。

13、所述中心轴固定在船舶甲板上，所述旋筒与中心轴之间通过轴承转动配合。所述低位蓄水舱、中位蓄水舱、高位蓄水舱均为旋筒内部的舱室，所述高液位传感器、中液位传感器、低液位传感器分别安装在高位蓄水舱、中位蓄水舱低位蓄水舱最顶端位置。所述通气孔设置在旋筒的最顶端，所述高位通水阀安装在通气孔内部，所述中位通水阀安装在高位蓄水舱与中位蓄水舱之间，所述低位通水阀安装在低位蓄水舱与中位蓄水舱之间。

14、所述进水管第一段一端连接大海，另一端连接水泵，并且另一段一端与水泵相连另一端与三通阀相连，所述输水管一端与三通阀相连另一端与低位蓄水舱相连，所述排水管一端与三通阀连接另一端延申至舷外。

15、当只需对低位蓄水舱注水时：

16、同时打开高位通水阀、中位通水阀、低位通水阀，启动水泵从大海抽取海水通过进水管输送至三通阀处，三通阀开启通向低位蓄水舱的通路并关闭通向舷外的排水通路，即开始向低位蓄水舱内注水，当低液位传感器监测到低位蓄水舱内部蓄满海水时关闭低位通水阀，并且水泵停止工作；

17、当只需对低位蓄水舱、中位蓄水舱注水时：

18、同时打开高位通水阀、中位通水阀、低位通水阀，启动水泵从大海抽取海水通过进水管输送至三通阀处，三通阀开启通向低位蓄水舱的通路关闭通向舷外的排水通路，即开始向低位蓄水舱、中位蓄水舱内注水，当中液位传感器监测到中位蓄水舱内部蓄满水时关闭中位通水阀，并且水泵停止工作；

19、当需要对低位蓄水舱、中位蓄水舱、高位蓄水舱注水时：

20、同时打开高位通水阀、中位通水阀、低位通水阀，启动水泵从大海抽取海水通过进水管输送至三通阀处，三通阀开启通向低位蓄水舱的通路关闭通向舷外的排水通路，即开始向低位蓄水舱、中位蓄水舱、高位蓄水舱内注水，当高液位传感器监测到高位蓄水舱内部蓄满水时，关闭高位通水阀，并且水泵停止工作。

21、当需要执行放水操作时：同时打开高位通水阀、中位通水阀、低位通水阀，三通阀打开向舷外排水的通路关闭从水泵向低位蓄水舱注水的通路，即可完成放水。优先排出高位蓄水舱内部海水，随后排出中位蓄水舱内部海水，最后排出低位蓄水舱内部海水。完成排水后，关闭三通阀、高位通水阀、中位通水阀、低位通水阀。

22、向低位蓄水舱、中位蓄水舱、高位蓄水舱内部注水会导致船舶重心升高稳心下降，为避免旋筒风帆注水后船舶重心升高稳心下降对船舶稳性产生负面影响，需要控制低位蓄水舱、中位蓄水舱、高位蓄水舱内部的水量，以保证船舶重心升高稳心下降在允许范围内。

23、低位蓄水舱、中位蓄水舱、高位蓄水舱注水的量以及何时向外排水取决于船舶航行时的风浪条件以及注水后对船舶重心和稳心位置的影响。低位蓄水舱、中位蓄水舱、高位蓄水舱未注水时船舶的重心位置为g，此时船舶受风浪作用横倾一定角度时，船舶稳心为m点，此时重力w的作用于重心位置g和浮力δ的作用点不在同一铅垂线上，因而产生的复原力矩为：

24、低位蓄水舱、中位蓄水舱、高位蓄水舱注水后，船舶重心发生变化，当船舶受风浪作用横倾相同角度时，此时重力w′的坐于点g′，船舶稳心为m′，产生的复原力矩为旋筒风帆注水后额外产生的陀螺力矩为mh，陀螺力矩指绕对称轴高速旋转的转子当旋转轴在空间中改变方位时所表现出的抗阻力矩，通常称为陀螺力矩，陀螺力矩主要由自身旋转的角速度、转动惯量有关。在船舶航行过程中旋筒风帆最外围线速度可达40m/s～50m/s，因此在向低位蓄水舱、中位蓄水舱、高位蓄水舱注水后会大大增加旋筒风帆自身的转动惯量，进而会产生较大的陀螺力矩。

25、注水方法：低位蓄水舱、中位蓄水舱、高位蓄水舱具体注水量应满足公式若将低位蓄水舱、中位蓄水舱、高位蓄水舱都加满海水，船舶重心位置g′和稳心位置m′满足公式则将每个蓄水舱都加满水；若加满三个蓄水舱不满足公式则只向低位蓄水舱、中位蓄水舱注满水，判断船舶重心位置g′和稳心位置m′满足公式若依旧不满足则只向低位蓄水舱注满水，判断船舶重心位置g′和稳心位置m′满足公式若依旧不满足，则不需要注水。

26、当船舶横摇角度过大时或其他情况导致低位蓄水舱、中位蓄水舱、高位蓄水舱内部蓄水过多，导致船舶重心过高稳心下降对船舶稳性产生负面影响，即出现：时，需要执行放水操作，向舷外排放海水。排水方法：优先排空高位蓄水舱内海水，使得船舶重心和稳心位置满足若只排空高位蓄水舱内的水不能满足公式则同时排空高位蓄水舱、中位蓄水舱内的海水，判断船舶重心和稳心位置是否满足公式若同时将高位蓄水舱、中位蓄水舱内海水全部排出后船舶重心位置g′和稳心位置m′依旧不满足依旧不满足公式则将高位蓄水舱、中位蓄水舱、低位蓄水舱中的海水全部排出。

27、本发明提出的注水方法实际上是保证船舶重心升高和稳心下降不会对船舶稳性产生负面影响。变化后的船舶的重心位置g′和稳心位置m′应始终满足公式这种情况下船舶发生横摇时总是可以产生比注水之前大的复原力矩；当船舶行驶过程中突遇恶劣条件出现较大横摇时，即出现时，这种情况下船舶发生横摇会产生比注水之前小的复原力矩，此刻旋筒风帆内注水引起的船舶重心升高稳心下降可能会对船舶稳性产生负面影响，需要执行放水操作，直至船舶重心位置和稳心位置满足公式停止放水。这样本方法即可保证始终对船舶稳性产生正面影响。

28、本发明的有益效果：

29、1.本发明基于原有的旋筒风帆装置，保证了旋筒风帆原有的助推功能的同时巧妙利用了旋筒风帆内部原有的空间增加整个旋筒风帆的质量，进而提高旋筒风帆的转动惯量，提高了船舶航行的稳性。

30、2.本发明提出的这种具有减摇功能的船舶旋筒风帆装置及应用方法，采用更科学的注水方法避免旋筒风帆对船舶稳性产生负面影响，保证了本发明方法始终可以增加船舶稳性。

31、3.本发明利用原有旋筒风帆装置的内部空间，装置的结构简单比较易于实现，制造成本较低，具有较大的实际应用价值。