本發(fā)明涉及船舶節(jié)能減排，尤其是一種適用于純電拖輪的節(jié)能船體線型。

背景技術(shù)：

1、拖輪作為港口基建的關(guān)鍵配套之一，在港口發(fā)展建設(shè)過程中發(fā)揮了重要作用。截至2022年國(guó)內(nèi)在營(yíng)運(yùn)拖輪約800艘，年耗油量在20萬(wàn)噸以上，排放co2量在60萬(wàn)噸以上，已成為港口的主要碳排放源之一。目前，國(guó)內(nèi)營(yíng)運(yùn)拖輪以傳統(tǒng)柴油機(jī)為主要驅(qū)動(dòng)力，且長(zhǎng)期處于變負(fù)荷、燃燒效率低的工作環(huán)境下，普遍存在高能耗、高排放等問題，面對(duì)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，亟待綠色升級(jí)轉(zhuǎn)型。純電拖輪相比傳統(tǒng)燃油拖輪，能源利用效率更高，在環(huán)保排放、經(jīng)濟(jì)性等方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)。然而，受限于當(dāng)前電池能量密度水平，純電拖輪的續(xù)航里程受限，在執(zhí)行遠(yuǎn)洋拖帶等任務(wù)時(shí)存在一定問題。

2、目前針對(duì)港作拖輪國(guó)內(nèi)采用的主流船體線型有兩種：常規(guī)船型，為1972年由大連港采購(gòu)的一艘名為“櫻花丸”的二手asd拖輪，后改名為“連港13號(hào)”，此后我國(guó)除大量引入日本原型船以外，我國(guó)的多個(gè)造船廠和船舶設(shè)計(jì)公司也都具有該船型的設(shè)計(jì)和建造能力。其特點(diǎn)為船底平直，長(zhǎng)寬比較大船體線型瘦長(zhǎng)，同馬力拖輪吃水和噸位較小，首部線型為前傾型船首和破冰型船首，尾部線型有明顯的抬升，利于對(duì)舵槳的保護(hù)。羅伯特船型，為2006年寧波港委托加拿大羅伯特·艾倫公司為其設(shè)計(jì)、由鎮(zhèn)江船廠建造完成的“甬港眾聯(lián)6號(hào)”。盡管國(guó)內(nèi)保有量不大，但該船型世界保有量在600艘以上，僅在國(guó)內(nèi)建造的也有150余艘，即該船型也屬于成熟的asd拖輪船型。羅伯特船型首部、尾部、船底和側(cè)線均為流線型設(shè)計(jì)，在水線附近的線型設(shè)計(jì)提高了船舶的耐波性，較長(zhǎng)且寬大的分水中設(shè)計(jì)在提高航行穩(wěn)定性的同時(shí)也起到了減搖作用。

3、近年來(lái)，隨著計(jì)算流體力學(xué)(cfd)技術(shù)的發(fā)展，船體線型優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在三大主流船型上已有成熟且廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的節(jié)能效果。而在其他船型如港作拖輪方面，新技術(shù)的實(shí)船應(yīng)用案例較少，在運(yùn)營(yíng)船的線型優(yōu)化有較大的提升空間。另一方面，相比于采用調(diào)距槳等節(jié)能手段，船體線型優(yōu)化投入成本最少，且節(jié)能效果顯著，具有明顯的經(jīng)濟(jì)收益，可進(jìn)行大范圍市場(chǎng)化推廣。

4、現(xiàn)有的純電拖輪，

5、為此我們提出一種適用于純電拖輪的節(jié)能船體線型。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請(qǐng)人針對(duì)上述現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供一種適用于純電拖輪的節(jié)能船體線型，該船體線型能效水平較現(xiàn)有同類型船可提高5％以上，提升純電拖輪的能效水平，進(jìn)而提升其續(xù)航里程，是在目前市場(chǎng)上能效水平處于領(lǐng)先位置。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種適用于純電拖輪的節(jié)能船體線型，包括船型為航速下傅汝德數(shù)0.4的中高速船，其中設(shè)計(jì)吃水方形系數(shù)為0.547，浮心縱向位置為-5.6％；垂線間長(zhǎng)lpp為31.5m，型寬b為10.5m，設(shè)計(jì)吃水td為3.45m，結(jié)構(gòu)吃水ts為3.6m；

4、船型自首柱至尾垂線共分為20站；船型自船首至船尾依次為首部進(jìn)流段、尾部去流段、無(wú)平行中體；

5、首部采用前傾型首形式，首部站線在結(jié)構(gòu)水線以下采用隱形球首設(shè)計(jì)，在17站至20站首部橫剖線呈“u”型；

6、首部線型在設(shè)計(jì)吃水3.45m下進(jìn)流角為28-30°，水線面系數(shù)cwp為0.92-0.93；在100％設(shè)計(jì)吃水下，19站半寬為0.08-0.1b，17站半寬為0.25-0.27b，15站半寬為0.41-0.43b；在75％設(shè)計(jì)吃水下，19站半寬為0.03-0.04b，17站半寬為0.15-0.16b，15站半寬為0.33-0.35b；在50％設(shè)計(jì)吃水下，19站半寬為0.02-0.03b，17站半寬為0.12-0.13b，15站半寬為0.21-0.24b；在25％設(shè)計(jì)吃水下，17站半寬為0.05-0.06b，15站半寬為0.11-0.13b，13站半寬為0.23-0.25b；

7、尾部線型6-9站橫剖線最低點(diǎn)采用低于基線的設(shè)計(jì)，在基線處線型設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合呆木附體外形特征進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)；以設(shè)計(jì)吃水td為比較基準(zhǔn)，在25％半寬下2站距基線高度為0.67-0.69td，4站距基線高度為0.43-0.45td，6站距基線高度為0.22-0.24td；50％半寬下2站距基線高度為0.64-0.65td，4站距基線高度為0.34-0.36td，6站距基線高度為0.11-0.13td；75％半寬下2站距基線高度為0.64-0.65td，4站距基線高度為0.3-0.31td，6站距基線高度為0.04-0.05td。

8、其進(jìn)一步特征在于：

9、首部線型優(yōu)化是降低興波阻力，通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析優(yōu)化水線進(jìn)流角、水線面豐滿度、橫剖線“uv”度。

10、根據(jù)阻力性能與穩(wěn)性特征尋優(yōu)得到優(yōu)化后的首部線型，相比原型優(yōu)化線型首部興波的波谷深度顯著降低，船中興波明顯改善，達(dá)到降低興波阻力的目的，通過增大水線面面積增加穩(wěn)心高度。

11、尾部線型優(yōu)是降低粘壓阻力，針對(duì)尾部橫剖線“uv”度特征進(jìn)行船體線型多方案優(yōu)選，并應(yīng)用粘勢(shì)耦合方法對(duì)船體尾部線型開展精細(xì)化自航數(shù)值計(jì)算評(píng)估，以收到功率最低為目標(biāo)選擇最優(yōu)的尾部線型方案。

12、11-16站橫剖線比常規(guī)拖輪線型寬，使高速航行時(shí)船中區(qū)域的興波波谷深度以及所產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)減小從而減小阻力。

13、尾部整體橫剖線比常規(guī)拖輪線型下壓胖，橫剖線為平緩的“u”型特征。

14、本發(fā)明的有益效果如下：

15、本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、合理，操作方便，船型不帶節(jié)能裝置時(shí)的收到功率可降低約6％，首部?jī)?yōu)化后船中波谷深度降低，且船尾區(qū)域興波有明顯改善，優(yōu)化線型尾部壓力分布更均勻，在水線處的負(fù)壓區(qū)域減小，在尾封板處正壓區(qū)域增大，這些都有利于降低尾部粘壓阻力從而提升船型整體性能。

16、同時(shí)，本發(fā)明還具備如下優(yōu)點(diǎn)：

17、(1)經(jīng)深水拖曳水池模型試驗(yàn)驗(yàn)證，新的4000hp純電拖輪船體線型方案具有領(lǐng)先的水動(dòng)力性能水平，相較原型在巡航狀態(tài)下可節(jié)能約6-8％。

18、(2)經(jīng)水池模型試驗(yàn)驗(yàn)證，上一代日本引進(jìn)拖輪線型船型和優(yōu)化線型在設(shè)計(jì)吃水設(shè)計(jì)航速14kn下的船模試驗(yàn)興波對(duì)比。對(duì)比可知優(yōu)化線型改進(jìn)后的首部興波波峰高度小于原型，試驗(yàn)測(cè)試得到的有效功率pe值比原型低約10％。

技術(shù)特征：

1.一種適用于純電拖輪的節(jié)能船體線型，其特征在于，船型為航速下傅汝德數(shù)0.4的中高速船，其中設(shè)計(jì)吃水方形系數(shù)為0.547，浮心縱向位置為-5.6％；垂線間長(zhǎng)lpp為31.5m，型寬b為10.5m，設(shè)計(jì)吃水td為3.45m，結(jié)構(gòu)吃水ts為3.6m；

2.如權(quán)利要求1所述的一種適用于純電拖輪的節(jié)能船體線型，其特征在于：首部線型優(yōu)化是降低興波阻力，通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析優(yōu)化水線進(jìn)流角、水線面豐滿度、橫剖線“uv”度。

3.如權(quán)利要求2所述的一種適用于純電拖輪的節(jié)能船體線型，其特征在于：根據(jù)阻力性能與穩(wěn)性特征尋優(yōu)得到優(yōu)化后的首部線型，相比原型優(yōu)化線型首部興波的波谷深度顯著降低，船中興波明顯改善，達(dá)到降低興波阻力的目的，通過增大水線面面積增加穩(wěn)心高度。

4.如權(quán)利要求3所述的一種適用于純電拖輪的節(jié)能船體線型，其特征在于：尾部線型優(yōu)是降低粘壓阻力，針對(duì)尾部橫剖線“uv”度特征進(jìn)行船體線型多方案優(yōu)選，并應(yīng)用粘勢(shì)耦合方法對(duì)船體尾部線型開展精細(xì)化自航數(shù)值計(jì)算評(píng)估，以收到功率最低為目標(biāo)選擇最優(yōu)的尾部線型方案。

5.如權(quán)利要求1所述的一種適用于純電拖輪的節(jié)能船體線型，其特征在于：11-16站橫剖線比常規(guī)拖輪線型寬，使高速航行時(shí)船中區(qū)域的興波波谷深度以及所產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)減小從而減小阻力。

6.如權(quán)利要求1所述的一種適用于純電拖輪的節(jié)能船體線型，其特征在于：尾部整體橫剖線比常規(guī)拖輪線型下壓胖，橫剖線為平緩的“u”型特征。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種適用于純電拖輪的節(jié)能船體線型，包括船型為航速下傅汝德數(shù)0.4的中高速船，其中設(shè)計(jì)吃水方形系數(shù)為0.547，浮心縱向位置為?5.6％；垂線間長(zhǎng)Lpp為31.5m，型寬B為10.5m，設(shè)計(jì)吃水Td為3.45m，結(jié)構(gòu)吃水Ts為3.6m；船型自首柱至尾垂線共分為20站；船型自船首至船尾依次為首部進(jìn)流段、尾部去流段、無(wú)平行中體；首部采用前傾型首形式，首部站線在結(jié)構(gòu)水線以下采用隱形球首設(shè)計(jì)，在17站至20站首部橫剖線呈“U”型。本發(fā)明首部?jī)?yōu)化后船中波谷深度降低，且船尾區(qū)域興波有明顯改善，優(yōu)化線型尾部壓力分布更均勻，在水線處的負(fù)壓區(qū)域減小，在尾封板處正壓區(qū)域增大，降低尾部粘壓阻力從而提升船型整體性能。

技術(shù)研發(fā)人員：徐偉,刁峰,魏錦芳,鄭安燃,王艷霞,胡世良
受保護(hù)的技術(shù)使用者：深海技術(shù)科學(xué)太湖實(shí)驗(yàn)室
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15