本发明涉及风帆助航船舶技术领域，尤其是一种新型风帆船体结构。
背景技术：
近年来，随着资源与环保问题的日益突出，人们对船舶的节能问题给予了越来越多地关注。利用风帆产生的推力辅助船舶航行成为了新能源应用于船舶绿色航运的典型示范，风帆助推船舶的优势如下：
1.环境友好。风帆船在航运过程中由于风帆产生的额外推力使得船舶的主机功率减小，能耗亦随之降低，符合绿色船舶的发展理念；
2.设计简单。风帆辅助设备的设计较为简单，其剖面基本为常规翼型且可采用升降机构进行回收布放；
3.推进效率高。公开发表的文献表明，常规风帆船的推力系数基本可以达到2.0以上，可有效辅助船舶推进。
传统的风帆船在概念设计时，仅仅将风帆作为辅助推进机构，即风帆船的助推效果仅依靠风帆来实现。其弊端为由于受到船舶尺寸的限制以及船舶稳性的要求，风帆的尺寸也受到极大约束，因此风帆的产生的助推效果是有限的，从而无法进一步降低船舶能耗，传统的风帆船设计方法已无法满足要求。
鉴于此，很有必要对风帆船的设计方法进行改进，本发明提出一种新的风帆船外形设计。
技术实现要素：
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种新型风帆船体结构，从而通过传统风帆船的主体进行优化设计，保持水线以下部分不变，采用naca0015剖面的翼型代替水线以上船舶主体，使之可在给定风向角下产生一定的推力，从而与风帆一起减小船舶航行时的阻力，达到进一步减小船舶能耗的目的。
本发明所采用的技术方案如下：
一种新型风帆船体结构，包括船舶主体，所述船舶主体分为下半主体和上半主体，所述上半主体的上表面安装有甲板，所述甲板的上表面间隔安装有多根支杆，每根支杆的顶面安装有风帆；位于甲板的船头位置设置有驾驶楼，所述驾驶楼的截面成半圆形结构，所述驾驶楼上均布有多个瞭望窗口，在驾驶楼两侧的甲板上设置有垂直架，驾驶楼的上方两侧向外延伸有瞭望通道，所述垂直架的顶部与瞭望通道固定，所述垂直架的底部与瞭望通道之间还连接有支撑架，位于驾驶楼顶面安装有一根支杆，支杆的顶面安装风帆。
所述甲板上安装有四根支杆。
所有风帆的结构相同，并位于同一高度位置。
位于驾驶楼顶面的支杆矮于甲板上的支杆。
单个风帆的截面呈圆弧结构，端面呈菱形结构。
所述上半主体和下半主体之间形成水线。
所述上半主体采用naca0015剖面。
所述下半主体的剖面与上半主体匹配。
下半主体底面尾部位置安装有尾部结构，所述尾部结构的截面呈三角形。
驾驶楼的宽度小于等于船舶主体的宽度。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过将风帆船的外形进行优化设计，使得船舶整体在给定姿态角时(水流漂角和风速漂角)亦可产生向前的推力，即船舶主体与风帆都可作为辅助推进机构，从而达到大幅增大风帆船推力的目的。
此外，传统风帆船设计中往往将驾驶楼置于船体后部(靠近船尾)，该设计的局限于有二：
1.驾驶室置于后侧使得驾驶员的视线受到遮挡，遇到紧急航行事故时无法第一时间做出准确应急反应；
2.驾驶楼的存在使得船体表面可用于布置风帆的空间有所减小，无法充分利用船体的有效空间进行风帆的布置，使得风帆船的助推效果无法进一步提升。
鉴于此，本发明采用驾驶楼前移的创新性设计，将传统的驾驶楼布放位置由船尾移至船体头部，且将驾驶楼的高度降低并且在其上布置风帆，从而达到增大助推效果的目的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的另一视角的结构示意图。
图3为本发明的侧视图。
图4为本发明单个风帆与支杆的结构示意图。
图5为本发明上半主体的结构示意图。
图6为本发明上半主体的主视图。
图7为本发明上半主体的俯视图。
图8为本发明下半主体的结构示意图。
图9为本发明下半主体的主视图。
图10为本发明下半主体的俯视图。
图11为本发明优化前后风帆船体推力系数值(风向角变化范围为0°到180°)。
其中：1、风帆；2、支杆；3、甲板；4、上半主体；5、下半主体；6、驾驶楼；7、瞭望窗口；8、瞭望通道；9、垂直架；10、支撑架；11、水线；
401、尾部结构。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1-图10所示，本实施例的新型风帆船体结构，包括船舶主体，船舶主体分为下半主体5和上半主体4，上半主体4的上表面安装有甲板3，甲板3的上表面间隔安装有多根支杆2，每根支杆2的顶面安装有风帆1；位于甲板3的船头位置设置有驾驶楼6，驾驶楼6的截面成半圆形结构，驾驶楼6上均布有多个瞭望窗口7，在驾驶楼6两侧的甲板3上设置有垂直架9，驾驶楼6的上方两侧向外延伸有瞭望通道8，垂直架9的顶部与瞭望通道8固定，垂直架9的底部与瞭望通道8之间还连接有支撑架10，位于驾驶楼6顶面安装有一根支杆2，支杆2的顶面安装风帆1。
甲板3上安装有四根支杆2。
所有风帆1的结构相同，并位于同一高度位置。
位于驾驶楼6顶面的支杆2矮于甲板3上的支杆2。
单个风帆1的截面呈圆弧结构，端面呈菱形结构。
上半主体4和下半主体5之间形成水线11。
上半主体4采用naca0015剖面。
下半主体5的剖面与上半主体4匹配。
下半主体5底面尾部位置安装有尾部结构401，尾部结构401的截面呈三角形。
驾驶楼6的宽度小于等于船舶主体的宽度。
本发明所述的支杆2，主要用于连接风帆1与船体表面。
本发明所述的瞭望通道8，该通道与艏楼连接在一起，主要用于驾驶员观察观察航行状况。
本发明所述的驾驶楼6，内里布置驾驶舱，主要用于驾驶。
本发明所述的瞭望窗口7，其在驾驶楼6的左右两侧以及正前侧均有布置，主要用于同气以及增大观察面积以便于更好观察船舶航行状况。
本发明所述的甲板3，甲板3的外形与船舶主体的形状相同，并在甲板3的边缘进行倒圆角处理，其优点在于减小阻力，降低能耗从而提升其续航力和航程；
本发明所述的船舶主体，水线11以上部分为上半主体4，水线11以下部分为下半主体5，采用naca0015剖面的翼型平板使其具备助推功能。
本发明的具体结构和功能如下：
主要包括风帆1、驾驶楼6、甲板3、船舶主体等。
风帆1主要包括有五个，每个风帆1均为变弦长风帆，风帆1的最底处和最高处弦长相等，记为特征长度c；风帆1的弦长由高至低呈现出先逐渐增大后逐渐减小的趋势，且最大弦长为2.0c。
此外，五个风帆1沿着船舶长度方向均匀布置，间距相同均为五倍弦长(约为五分之一船长)。
经过一系列数值试验发现该种布置方式下风帆1可产生最优推进效果。
风帆1布置时已考虑船长因素，该方案已最大程度利用船舶长度；
驾驶楼6布置于船舶最前端，好处在于可以增加观察视野范围，同时也可消除其布置于船尾时视线遮挡的问题。
驾驶楼6：
a、位置特征在于船舶首部，减小视线干扰，增加风帆1布置空间；
b、几何特征在于横向宽度近似等于船舶宽度，满足航道对船舶宽度的要求；纵向高度低于风帆1的下端高度，消除艏楼对风帆1助推效果的影响；
c、驾驶楼6左右两侧以及前侧布有瞭望孔，增加瞭望面积；
驾驶楼6左右两侧连接瞭望通道8(左右各一个)，该通道供巡逻人员行走以观察情况。
瞭望通道8的下侧通过支撑架10和垂直架9与船舶表面进行连接，主要作用是支撑瞭望通道8，使其满足结构强度的要求。
驾驶楼6的左右两侧以及前侧开有瞭望窗口7，其功能主要在于使得驾驶楼6与外界保持空气流通，改善驾驶员及其他工作人员工作环境。同时也可增加其观察面积，使得不利情况发生时可第一时间发现并采取措施；值得注意的是，在本发明中驾驶楼6的高度略低于风帆1的最下端，其目的在于驾驶楼6不会对风帆1起到任何的遮蔽作用，从而最大限度地发挥风帆1的助推功效。
上半主体4和下半主体5剖面采用naca0015剖面翼型并通过沿着型深方向垂直拉伸而成。其优势在于结构简单、制作简便。更为重要的是由于该部分近似为一个三维naca翼型，其在合适的风向角下会产生向前的推力，从而有助于减小船舶航行过程中的能量消耗。
此外，船舶推进装置以及操纵装置的布放与安装与传统船舶一致，无需再进行重新设计与论证，大大减小了工作量。
尾部结构401用于布放推进装置(主要是螺旋桨)和操纵装置(主要是舵)。
该种布置方式已最大程度利用船长，从而可以充分发挥风帆1的助推优势；
船舶主体水线11以下部分其外观设计为传统流线型设计方法，并在船舶尾部进行线型收缩处理得到从而保证船舶水线11以下部分流体阻力较小，以及方便推进装置以及操纵装置的布放与安装。
本发明所述的船舶主体的双功能模块化设计。本发明设计的船舶主体具备搭载货物与助推两种功能。具体而言，在设计过程中将风帆1与船舶主体都作为辅助推进装置。在传统帆船设计的基础上，将船舶水线11以上主体设计为naca0015剖面的三维翼型，水线11以下部分仍然采用传统的流线型设计方案以满足常规的流体动力性能要求(主要是满足快速性、操纵性等方面的要求)。采用本发明设计的船可有效发挥助推效果，减小能耗。
本发明驾驶楼6前移的创新性设计。本发明设计的船体将驾驶楼6前移至船体首部，并且驾驶楼6的横向宽度不得大于船体型宽以满足航道的要求，此外，驾驶楼6的高度亦进行调整和限制，其最大高度低于风帆1的下缘位置以最大程度上削弱驾驶楼6对风帆1的遮蔽影响。驾驶楼6的四周开设瞭望窗口7，以满足驾驶员实施观察的需求。为了最大程度利用风帆1的助推效果，驾驶楼6的顶部亦布置了一个风帆1，其几何尺寸与驾驶楼6几何尺寸亦有所关联。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
1.一种新型风帆船体结构，其特征在于：包括船舶主体，所述船舶主体分为下半主体(5)和上半主体(4)，所述上半主体(4)的上表面安装有甲板(3)，所述甲板(3)的上表面间隔安装有多根支杆(2)，每根支杆(2)的顶面安装有风帆(1)；位于甲板(3)的船头位置设置有驾驶楼(6)，所述驾驶楼(6)的截面成半圆形结构，所述驾驶楼(6)上均布有多个瞭望窗口(7)，在驾驶楼(6)两侧的甲板(3)上设置有垂直架(9)，驾驶楼(6)的上方两侧向外延伸有瞭望通道(8)，所述垂直架(9)的顶部与瞭望通道(8)固定，所述垂直架(9)的底部与瞭望通道(8)之间还连接有支撑架(10)，位于驾驶楼(6)顶面安装有一根支杆(2)，支杆(2)的顶面安装风帆(1)。
2.如权利要求1所述的一种新型风帆船体结构，其特征在于：所述甲板(3)上安装有四根支杆(2)。
3.如权利要求1所述的一种新型风帆船体结构，其特征在于：所有风帆(1)的结构相同，并位于同一高度位置。
4.如权利要求1所述的一种新型风帆船体结构，其特征在于：位于驾驶楼(6)顶面的支杆(2)矮于甲板(3)上的支杆(2)。
5.如权利要求1所述的一种新型风帆船体结构，其特征在于：单个风帆(1)的截面呈圆弧结构，端面呈菱形结构。
6.如权利要求1所述的一种新型风帆船体结构，其特征在于：所述上半主体(4)和下半主体(5)之间形成水线(11)。
7.如权利要求1所述的一种新型风帆船体结构，其特征在于：所述上半主体(4)采用naca0015剖面。
8.如权利要求1所述的一种新型风帆船体结构，其特征在于：所述下半主体(5)的剖面与上半主体(4)匹配。
9.如权利要求1所述的一种新型风帆船体结构，其特征在于：下半主体(5)底面尾部位置安装有尾部结构(401)，所述尾部结构(401)的截面呈三角形。
10.如权利要求1所述的一种新型风帆船体结构，其特征在于：驾驶楼(6)的宽度小于等于船舶主体的宽度。
技术总结