13000dwt风帆助推散货船风帆设计及稳性研究(附件)

摘 要摘 要 本文主要研究散货船的风帆设计以及加装风帆后船舶的稳性。在对提供的13000DWT散货船的船型资料进行详细分析的基础上进行风帆设计,选取改进翼型为风帆翼型,参考相关文献资料确定风帆的相关系数。计算风帆尺寸和剖面形状,并查阅相关文献资料选取风帆所用的材料,计算风帆的重量重心,确定风帆在该船上的安装位置。根据风帆的面积尺寸以及布置位置在原有13000DWT散货船总布置图的基础上绘制13000DWT风帆助推散货船的总布置图。根据计算所得风帆有关数据对加装风帆后船舶的浮态进行计算校核。利用Maxsurf 软件进行船体建模,计算风帆助推散货船在各载况下的完整稳性。根据动稳性曲线计算所得的稳性衡准数K可知虽然13000DWT散货船船加装风帆后船舶重心提高、受风面积大幅增加,但该船的稳性仍满足相关法规的要求。关键词风帆助推;风帆设计;稳性
目 录
第一章 绪论 1
1.1 选题背景 1
1.1.1 选题意义 1
1.1.2 风帆助推船的前景 2
1.2 风帆助推船的发展 2
1.2.1 风帆助推船国外研究现状 2
1.2.2 风帆助推船国内研究现状 3
1.3 风帆助推船存在的问题 3
1.4本文的主要内容 4
第二章 风帆设计 5
2.1 船型资料 5
2.2 确定风帆尺寸 6
2.2.1 所需风帆面积的计算 6
2.2.2 帆面及桅杆尺寸和材料的确定 7
2.2.3 风帆剖面形状计算 8
2.3计算风帆的重量和重心 9
2.4绘制总布置图 10
第三章 浮态计算 12
3.1 浮态计算 12
3.2 干舷校核 15
3.3 新静水力参数计算 17
第四章 稳性计算 21
4.1 Maxsurf建模 21
4.2 完整稳性计算 22
结 论 53
致 谢 54
参 考 文 献 55
第一章 绪论
1.1 选题背景
1.1. style="display:inline-block;width:630px;height:85px" data-ad-client="ca-pub-6529562764548102" data-ad-slot="6284556726"> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({ });

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1 选题意义
目前,随着人类自身的发展,能源日益短缺,发展可再生能源逐渐成为主流趋势,节约燃油、提高经济性已经成为一个重要课题。随着航运业的快速发展,船舶排放的CO2也不可小觑,开发绿色船舶迫在眉睫。目前,新能源主要有太阳能、核能、地热能、风能、生物质能等,而根据海洋特有的条件,发展利用风能助推的船舶越来越受青睐[1]。人类最初的帆船以风能为动力推动船舶前行,但是单纯以风力驱动的船舶可靠性差,危险性高。因此许多国家开始研究制造以风能作为辅助动力的船舶,既风帆助推船[1]。
作为三大主流船型之一的散货船,其发展历史悠久。20世纪50年代中期,散货船这一船型诞生,随着人们对商品交换的需求,散货船这一船型发展迅猛,逐渐成为船舶运输的主力军。在国际航运业,用散货船运输的商品占货物运输总量的30%以上。近年来,散货船朝着大型化、快速、多用途化以及环保等方面发展,技术日趋成熟,而在环保化这一方面还有很大的上升空间[2]。将普通的主机推进型散货船变为风帆助推散货船可以获得多方面的利润,一方面,可以节省燃油的消耗降低运输成本获得更大的经济利益,另一方面,还可以减少CO2的排放保护环境实现绿色船舶的发展。由此可见,发展风帆助推散货船前景广阔,散货船成熟的技术也是发展风帆助推散货船的依据。
风帆助推船节能原理是利用风能使风帆产生推力而减少主机输出功率,或是增加航速来提高节能收益。它可以降低一定比例的耗油量达到一定的节能减排效果,而且能减少营运时间产生经济效益[3]。风帆助航船的推进效率以及节能效果受到风帆类型的影响,不同翼型的风帆的空气动力特性不一样,达到的推进效果也自然不同,因此对不同类型的船舶以及不同的航区我们需要选择合适的风帆。
加装了风帆系统的船舶各项性能都有所改变,例如船舶总重量的增加以及风帆所引起的侧倾力矩对稳性有较大影响[4],因此必须对船舶加装风帆后的性能变化进行分析计算,为风帆助航船的经济性论证提供可靠论证。
1.1.2 风帆助推船的前景
风力作为一种不确定因素给船舶的稳定航行添加了许多困难,当下风帆助推技术还不是那么成熟并且存在一定风险,因此许多人不愿冒险采用风帆助推船。但是在能源日益萎缩、环境污染越趋严重的情况下,研制开发绿色船舶必然是大势所趋。许多国内外研究表明,风帆助推船不仅可以节约能源创造经济利益,还能减少污染保护环境,风帆助推船的优势也越发明显[4],我们相信科技帆船新时代即将来临。
1.2 风帆助推船的发展
1.2.1 风帆助推船国外研究现状
风帆助推船在国外的研究[5]开始得比较早,如今也取得了许多成果。
德国:上世纪中期,德国就开始研究比较大型的风帆助推船。比较著名的成果有:设计了六桅风帆助推船“DYNA”号;2007年,全球第一艘用矩形风筝拉动的货轮“白鲸天帆”号(Beluga Sky Sails)在德国汉堡一个港口下水,以风力辅助推动船舶航行,这艘船的优点是能减少耗油量,但存在缺点是当风速超过一定值或逆风时,风帆就不能达到设计预期的效果。在2010年8月,德国的“EShip 1”号船进行了首次试航。这艘船上装有4个由Enercon公司开发的Flettner型转筒帆,该转筒帆直径为4m,帆高约27m。
美国:20世纪70年,成立了专门的委员会,制定了风帆助航规划。在货船“大西洋”号上装了一面独桅三角帆,该帆的面积为120m2。
法国:1980年,建造了一批风帆助推客船,其后,又建造了“La Fayette”号客轮,在加勒比海域航行。
日本:虽然欧美在现代帆具的开发上先于日本,但日本在实用化上却捷足先登。二十世纪八十年代致力于风帆助推船的研究。1980年,建成了“新爱德丸”号[3],全球第一艘用现代帆具助航的船舶。该船配置的风帆是钢骨架和聚酯纤维制造的硬质风帆。日本在本世纪初进行了伸子帆的性能试验和次世代型风帆助航研究[6]。2009年4月,日本邮船(NYK)公布了一艘环保型集装箱概念船“NYK2030”船。?2011年,日本Eco船用动力有限公司宣布,该公司已经完成被称为Energy Sail的创新刚性帆的设计,这是一种有助于船舶利用风能和太阳能,减少燃油成本、降低有害气体排放的革命性、高水平装置设计。日本东京大学主导的“风之挑战者项目”(Wind Challenger Project)为设计一艘名为“UT Wind Challenge ”号的好望角型散货船做了大量的研究工作,该船在船舶甲板的舱口盖之间设置了9根桅杆及配套的刚性风帆。
1.2.2 风帆助推船国内研究现状
风帆助推船在我国的研究[4]开始得比较晚,在20世纪80年代开始了自主研究。我国的科研人员为风帆助航技术做出了艰辛地努力,当时研制了几条小型风帆助航船在长江试运,获得了可喜的成果。在千余艘渔船上广泛应用了中小型渔船帆翼助推装置,但这些渔船都是小吨位船舶,其风帆装置也比较简单。1985年,由武汉水运学院和南京航运公司联合研制的200t圆弧翼型帆助推船下水,节能达50%以上。当时的突出成果是1986年研制成功的我国第一艘实用型120吨风帆助航机动船,首创了“轴带风帆”的操作装置。1990年5月,我国建成了第一艘电子控制的全自动3000吨风帆货轮。上世纪九十年代,708所和709所设计了2500吨级的“明州22号”风帆助推综合节能多用途集装箱船,在1996年2月成功试航。“明州22号”风帆助推船采用了钢制圆弧帆翼,帆面积约为120平方米,采用计算机控制油压操纵风帆设备,可以在320m/s的风速下安全航行。

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