一种基于环量控制技术的船用翼型风帆结构的制作方法

本发明涉及风帆推进船舶，尤其是一种基于环量控制技术的船用翼型风帆结构。

背景技术：

1、随着国际贸易的快速发展和传统化石能源的消耗枯竭，节能减排已经成为航运业刻不容缓的问题。风帆助推作为一种绿色能源推进技术，在近些年来重获广泛的关注。风帆的形式有很多种，包括翼型帆、滚筒帆、抽气式涡轮帆、风筝帆等等。这其中，参照飞机机翼原理设计的翼型风帆因具有良好的气动性能，因此获得了广泛的研究。

2、为了使风帆助推的功率更大，一般期望翼型运行在较大的风向角下。然而，与飞机机翼类似，当风向角大到一定程度时，翼型风帆的上表面会产生流动分离，翼型达到失速状态，从而使其气动性能迅速下降。

3、对于传统翼型风帆，解决上述问题的方式往往是从翼型本身的形状优化入手。然而，这一方式的效果极其有限，升力的增加往往很难达到满意的效果。

4、为此我们提出一种基于环量控制技术的船用翼型风帆结构。

技术实现思路

1、本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种基于环量控制技术的船用翼型风帆结构，从而在传统翼型风帆的基础之上，提高升力，延迟失速角，进而增强风帆推进的功率，并有利于适应更大角度的风向变化。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种基于环量控制技术的船用翼型风帆结构，包括：

4、翼型主体，其尾缘为圆形，翼型主体包括射流作用段、及设置在射流作用段两端的射流入口段和端部封口段；

5、至少两个流道，间隔设置在翼型主体上；

6、其中，每个流道包括相互连通的射流入口、集气室和射流出口；射流入口设置在射流入口段，集气室设置在射流作用段中，射流出口设置在射流作用段上表面；至少一个射流出口设置在翼型主体的尾缘上方，且该射流出口的高度为h；翼型主体尾缘的半径为r；翼型主体的弦长为c；

7、则，0.05＜h/c＜0.25和0.02＜r/c＜0.05。

8、其进一步特征在于：

9、所述流道设置有四个，射流入口段依次设置有第一射流入口、第二射流入口、第三射流入口和第四射流入口，射流作用段中依次设置有第一集气室、第二集气室、第三集气室和第四集气室，射流作用段的上表面依次设置有第一射流出口、第二射流出口、第三射流出口和第四射流出口，第一射流入口、第一集气室和第一射流出口组成第一流道，第二射流入口、第二集气室和第二射流出口组成第二流道，第三射流入口、第三集气室和第三射流出口组成第三流道，第四射流入口、第四集气室和第四射流出口组成第四流道。

10、所述射流出口为狭长的长方形，集气室的截面呈雨滴状。

11、所述第一流道和第二流道处于翼型主体的一侧，第三流道和第四流道处于翼型主体的另一侧。

12、所述第一射流出口和第四射流出口分别设于翼型主体两侧的尾缘处。

13、所述第一射流入口和第三射流入口开启，第二射流入口和第四射流入口不工作，压缩空气分别通过第一射流入口和第三射流入口进入到对应的第一集气室和第三集气室中，再分别通过对应的第一射流出口和第三射流出口沿翼型主体的表面切线方向喷出，增加喷出处的气流流速。

14、所述第二射流入口和第四射流入口开启，第一射流入口和第三射流入口不工作，压缩空气分别通过第二射流入口和第四射流入口进入到对应的第二集气室和第四集气室中，再分别通过对应的第二射流出口和第四射流出口沿翼型主体的表面切线方向喷出，增加喷出处的气流流速。

15、所述第一射流出口和第四射流出口的高度相同。

16、所述射流出口的速度为来流速度的3-5倍。

17、本发明的有益效果如下：

18、本发明结构紧凑、合理，操作方便，翼型主体上方的行程较长，至少需要开启两处的射流入口才能在大风向角下产生控制效果，且若只开启两处的射流，则这两处不能同时处于翼型的左侧或者右侧。通过射流入口将压缩空气注入到翼型主体中的集气室中，再通过射流出口喷出，进而改变翼型风帆外部的空气绕流情况，进而改善翼型风帆的空气动力学特性，达到增加推力输出的效果。

19、同时，本发明还具备如下优点：

20、(1)射流出口的速度大于来流速度才能获得正向的控制效果，控制效果与经济性俱佳的射流出口速度大约为来流速度的3-5倍，超过此范围，控制效果的增强显著减缓，而由于吹气能量消耗带来的经济性下降显著增加。

21、(2)通过对传统翼型风帆的形状进行了改进，将翼型主体两端由尖锐的尾缘改成钝体尾缘，并在翼型主体内部设置集气室，通过在翼型上方的四个位置处有选择地吹气或者吸气，实现翼型主体失速角的大幅延后，并且显著增加了翼型风帆的升力极值。另外，本发明结构简单，加工方便，无需装配，且容易通过控制和监测系统实现各风向角下吹气或者吸气的开闭以及强度变化的自动化控制。

技术特征：

1.一种基于环量控制技术的船用翼型风帆结构，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种基于环量控制技术的船用翼型风帆结构，其特征在于：所述流道设置有四个，射流入口段(102)依次设置有第一射流入口(201)、第二射流入口(202)、第三射流入口(203)和第四射流入口(204)，射流作用段(101)中依次设置有第一集气室(401)、第二集气室(402)、第三集气室(403)和第四集气室(404)，射流作用段(101)的上表面依次设置有第一射流出口(301)、第二射流出口(302)、第三射流出口(303)和第四射流出口(304)，第一射流入口(201)、第一集气室(401)和第一射流出口(301)组成第一流道，第二射流入口(202)、第二集气室(402)和第二射流出口(302)组成第二流道，第三射流入口(203)、第三集气室(403)和第三射流出口(303)组成第三流道，第四射流入口(204)、第四集气室(404)和第四射流出口(304)组成第四流道。

3.如权利要求1所述的一种基于环量控制技术的船用翼型风帆结构，其特征在于：所述射流出口为狭长的长方形，集气室的截面呈雨滴状。

4.如权利要求2所述的一种基于环量控制技术的船用翼型风帆结构，其特征在于：所述第一流道和第二流道处于翼型主体(1)的一侧，第三流道和第四流道处于翼型主体(1)的另一侧。

5.如权利要求4所述的一种基于环量控制技术的船用翼型风帆结构，其特征在于：所述第一射流出口(301)和第四射流出口(304)分别设于翼型主体(1)两侧的尾缘处。

6.如权利要求5所述的一种基于环量控制技术的船用翼型风帆结构，其特征在于：所述第一射流入口(201)和第三射流入口(203)开启，第二射流入口(202)和第四射流入口(204)不工作，压缩空气分别通过第一射流入口(201)和第三射流入口(203)进入到对应的第一集气室(401)和第三集气室(403)中，再分别通过对应的第一射流出口(301)和第三射流出口(303)沿翼型主体(1)的表面切线方向喷出，增加喷出处的气流流速。

7.如权利要求5所述的一种基于环量控制技术的船用翼型风帆结构，其特征在于：所述第二射流入口(202)和第四射流入口(204)开启，第一射流入口(201)和第三射流入口(203)不工作，压缩空气分别通过第二射流入口(202)和第四射流入口(204)进入到对应的第二集气室(402)和第四集气室(404)中，再分别通过对应的第二射流出口(302)和第四射流出口(304)沿翼型主体(1)的表面切线方向喷出，增加喷出处的气流流速。

8.如权利要求5所述的一种基于环量控制技术的船用翼型风帆结构，其特征在于：所述第一射流出口(301)和第四射流出口(304)的高度相同。

9.如权利要求1所述的一种基于环量控制技术的船用翼型风帆结构，其特征在于：所述射流出口的速度为来流速度的3-5倍。

技术总结本发明涉及一种基于环量控制技术的船用翼型风帆结构，包括翼型主体，其尾缘为圆形，翼型主体包括射流作用段、及设置在射流作用段两端的射流入口段和端部封口段；至少两个流道间隔设置在翼型主体上；其中，每个流道包括相互连通的射流入口、集气室和射流出口；射流入口设置在射流入口段，集气室设置在射流作用段中，射流出口设置在射流作用段上表面；至少一个射流出口设置在翼型主体的尾缘上方，且该射流出口的高度为h；翼型主体尾缘的半径为r；翼型主体的弦长为c；则，0.05＜h/c＜0.25和0.02＜r/c＜0.05。本发明能够提高升力，延迟失速角，进而增强风帆推进的功率，并有利于适应更大角度的风向变化。技术研发人员：李子焱,陈纪军,司朝善,张璇,郑文涛受保护的技术使用者：中国船舶科学研究中心技术研发日：技术公布日：2024/7/15