CN100519332C - 具有筝帆式部件的水上运输工具 - Google Patents

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Abstract

具有筝帆式部件的水上运输工具，该部件通过牵引绳索(3)与水上运输工具连接，其特征在于，筝帆式部件设置有调整装置和能量产生装置(1)，该能量产生装置在施加在牵引绳索(3)上的牵引力变化时给出能量。

Description

具有筝帆式部件的水上运输工具
技术领域
本发明涉及一种具有筝帆式(drachenartig)部件的水上运输工具，该筝帆式部件通过一牵引绳索与水上运输工具连接。
背景技术
在已知的水上运输工具(WO 01/192102 A1)中可以设置使争帆式部件通过多根牵引绳索与水上运输工具相连接。在此筝帆式部件通过风来驱动船，其中这种驱动仅仅通过风实现，或者通过风的驱动只用于支持机械的驱动，用于节省燃料或者提高速度。由于多根牵引绳索可以控制筝帆式部件。但是多根牵引绳索存在缺陷，它们必需单独地卷绕或退卷，用于收取或放置筝帆式部件。也会出现多根牵引绳索纠结。因此由上述文献也已知具有上述形式的筝帆式部件的水上运输工具，其中只有一根牵引绳索，通过它避免上述问题。
但是缺点是，不再能够轻而易举地控制筝帆式部件。
发明内容
本发明的目的是，提供上述类型的具有筝帆式部件的水上运输工具，其中可以有针对性地控制筝帆式部件。
按照本发明的解决方案是，使筝帆式部件配有调整装置和一种能量产生装置，该能量产生装置在施加在牵引绳索上的牵引力发生变化时给出能量。
在此设置有调整装置，通过它们可以改变或影响筝帆式部件的帆形状、迎风角、打开角、收帆过程和类似参数。在此通过在筝帆式部件上设置的传感器或者特别有利地通过来自船上的无线电可以自动地实现这种控制。在此没有问题地使信号发送到筝帆式部件。但是必需对于调整装置提供能量。
按照本发明，相应的能量通过一种能量产生装置获得，该能量在施加在牵引绳索上的牵引力变化时给出。因此在牵引力恒定时不能获取能量。必需使筝帆式部件总是远离开船，用于从牵引力与牵引绳索经过的延长的乘积获取能量。这种解决方案当然是不实际的。现在按照本发明已经发现，可以在施加在牵引绳索上的牵引力变化时获取能量。在这里所谈及的“获取能量”或“产生能量”当然不是凭空产生能量，而是发生能量转换。按照本发明已经发现，由于变化的风速、由于波浪引起的船舶运动或者由于有针对性执行的筝帆式部件的轨迹运动，牵引力这样强烈地变化，即使得由此可以获取用于控制筝帆式部件的能量。
所述能量产生装置设置在筝帆式部件的控制箱(Steuergondel)与牵引绳索之间。在牵引绳索上负荷很小的情况，能量产生装置处于相对卸载的状态。如果负荷变大，则能量产生装置处于更大的拉应力下。这种拉应力可以用于产生能量。
由测量已经得出，由牵引力变化可以获取直到200％所需的控制能量。
在一种有利的实施方式中，所述能量产生装置具有活塞气缸单元，它具有弹簧加载的活塞，其中气缸与牵引绳索连接而活塞与筝帆式部件连接，或者气缸与筝帆式部件连接而活塞与牵引绳索连接，并且气缸通过止回阀与压力流体蓄能器连接。如果弹簧力增加，则活塞相对于牵引力运动并且压缩位于气缸中的流体，使它然后可以通过止回阀导入到压力流体蓄能器里面。如果牵引力减小，则活塞在相反的方向上运动并且从外部重新吸收流体，这同样可以通过止回阀控制。在牵引力又增长时继续将流体压进压力流体蓄能器。
在一种有利的实施方式中，所述活塞设置在活塞气缸单元的中间。气缸容积位于活塞的两侧上并分别通过止回阀与压力流体蓄能器连接。当牵引力增加时，压力流体通过-气缸容积导入到压力流体蓄能器，而另一气缸容积则吸入压力流体。如果牵引力变小并且活塞通过一个或多个弹簧在相反的方向上运动，由此使压力流体在另一气缸容积中被压缩并且导入到压力流体蓄能器，而在第一气缸容积中吸入压力流体。
在此活塞相对于压力流体蓄能器的压力工作。如果在压力流体蓄能器中的压力是高的，则存储有许多能量，因此只在非常高的牵引力时才由能量产生装置给出流体。如果存在少的能量，则在压力流体蓄能器中的压力也低，因此活塞在较小的牵引力时就可以输送新的压力流体。不言而喻，所述装置必需配有安全阀，用于避免在非常高的牵引力时太高的过压。
代替活塞气缸单元，所述能量产生装置可以是一种袋式的结构，该结构具有一个不透气的外罩，并在一端上与牵引绳索连接，而在另一端上与筝帆式部件连接，该结构通过弹性的扩张元件扩张，并在出现牵引力时在容积减小的情况下相互拉开，并且通过止回阀与压力流体蓄能器连接。如果只存在小的牵引力，则袋式的结构通过弹性的扩张元件扩张并由此容纳大的容积。当牵引力增加时，则使袋式结构的容积变小，在其中的压力升高并由此当压力升高足够大时，使空气输送到压力流体蓄能器里面。当然不言而喻，在这个实施方式中空气是适合的压力流体。在上述的具有活塞汽缸单元的能量产生装置中也可以使用液压流体，尽管在这里由于重量的原因并由于可能产生泄漏优选空气作为压力流体。
所述袋式结构可以例如由牵引绳索网式地围织构成。如果负荷变大，则张紧牵引绳索，并且使网式地包围着弹性外罩的拉负荷的纤维相互拉紧(通过绷紧，处于相互平行)，并由此使弹性扩张的以空气充满的外罩挤压在一起。由此使通过止回阀流入的位于外罩中的空气压缩，并且与在活塞气缸单元中类似地导入到压力流体蓄能器里面。
所述压力流体可以直接用于控制。但是也可以使压力流体蓄能器与用于产生电能的发电机连接，那么在此通过电能而不是通过压力流体实现控制。如果通过压力流体实现这种控制，可以使用用于产生电能的小发电机，通过该电动机控制阀门，对传感器供电等。
如果规定，所述能量产生装置具有线性发电机，它具有弹簧加载的转子，其中定子与牵引绳索连接而转子与筝帆式部件连接，或者定子与筝帆式部件连接而转子与牵引绳索连接，则可以直接产生电能。当牵引力增加时，则转子相对于弹簧力移动并产生电流。如果牵引力变小，则弹簧使转子向回运动，由此同样产生电流。
在另一种类似构成的有利实施方式中规定，所述能量产生装置具有在结构部件中可移动设置的弹性加载的齿条，它通过支承在结构部件上的小齿轮驱动发电机，并且所述结构部件与牵引绳索连接而齿条与筝帆式部件连接，或者结构部件与筝帆式部件连接而齿条与牵引绳索连接。工作原理与上述的线性发电机类似，因此不必再详细描述。
在另一种有利的实施方式中，所述能量产生装置是压电元件。该压电元件在一侧与牵引绳索连接，而在另一侧与筝帆式部件连接。当作用于压电元件上的机械应力变化时，产生电能。
在一种有利的实施方式中规定，具有多个并联或串联设置的能量产生装置。并联设置的装置产生更大的压力空气、压力流体或能量，而不必使单个能量产生装置具有大的外形尺寸。如果串联地设置能量产生装置，则使牵引力分布在各个能量产生装置。在阻力小、即牵引力小时可以锁闭能量产生装置之一，由此使整个牵引力作用于一个能量产生装置，用于由此得到用于控制的足够高的压力。反之如果牵引力增加，则串联地使用两个(或更多)能量产生装置，由此使牵引力分布在各个能量产生装置，由此产生不高的作用力和压力。
代替一个弹性部件，可以设置多个弹性部件。当出现平均牵引力时，如果要使活塞、线性电动机或齿条位于中间位置，则例如设置两个弹性部件。牵引力越大，弹性部件挤压或拉开越强，由此使弹性部件不仅对于小的牵引力而且对于大的牵引力都可以起作用。也可以附加地规定，使所述弹簧力是可调节的，用于由此得到对于不同的牵引力和风力的优化。
也可以使用机械的、尤其是金属的弹簧，其中弹簧常数是连续可调的。但是在一种有利的实施方式中，所述弹簧是压力空气弹簧。通过在弹簧活塞中的压力，弹簧特性曲线可以分别适配于存在的风力条件。筝帆式部件的工作点可以根据风速显著改变。为了以相同的装置在不同的风速时产生能量，可调节的弹簧是有利的。
也可以这样实现活塞的回程驱动或者空气袋的扩张，即代替使用弹簧力或者附加地使用弹簧力，将在压力流体蓄能器中存在的流体的一部分用于回程驱动。为了通过这个装置产生能量，当然必须在一个牵引力相当小的时刻进行回程驱动。
作为压力流体有利地使用液压流体，尤其是液压油。其优点是在大的调整力下有小的结构方式和小的重量(如果要保持所达到的控制状态，由于高压、快速换向性和由于液压流体的不可压缩性而不消耗能量)。如果关闭阀门，则特别有利地保持这种控制状态。其它的优点是良好且通用的工业标准以及零部件的世界范围使用性。
如果作为流体使用液压液体，有利的是直接存储液压能量。为此可以使用在工业中常见的蓄能器，它除了含有液压液体以外还含有气垫。所述能量产生装置可以在压力升高的条件下使能量存储在这个蓄能器里面。在取出液压液体时压力降低，并且可以利用相应的能量。因为对于筝帆式部件涉及动态系统，该系统在时间过程中获得重力方向和离心力方向和大小的快速变化，有利的是，通过柔性的软管实现取出液压液体，该软管的端部通过重物增重。因为液压流体比气垫更沉，因此增重的软管端部总是位于液压流体存储。因此能够保证，在各种操纵和飞行状态都可以取出液压流体。在一种可选择的实施方式中，液压流体与气垫通过薄膜相互分开。如果为了取出流压液体使软管位于蓄能器的流体部分里面，则也可以保证，在各种操纵和飞行状态都可以取出液压液体并且供控制使用。
如果拉力恒定，则不能获得能量。但是这种状态很少出现。但是对于非常均匀的风和微小的波浪牵引力的变化可能不足以获取足够的能量用于控制筝帆式部件。在这种情况下可以在水上运输工具上设置绞盘，利用它通过收缆或放缆改变牵引绳索的牵引力。即借助于绞盘获得能量，它通过牵引绳索传递到能量产生装置。
在一种有利的实施方式中，为了使变化的牵引力和相关的变化能量从船传递到箱盒，不使用绞盘而使用独立的液压支柱(Hydraulikstempel)，因为绞盘具有高惯性和高的必需夹持力的缺陷。该液压支柱作用于牵引绳索并且通过脉冲传递能量。在另一种实施方式中或者附加地将使绞盘设置在溜板上，在溜板上绞盘可以往复移动，这也可以借助于液压支柱实现。通过这种方式不仅可以传递能量，而且可以使牵引绳索的作用点在船上移动。
如果通过按照本发明的能量产生装置产生电流，可以简单地使电流存储在设置在筝帆式部件上的蓄电池里面。将在筝帆式部件上产生的能量进行储存是重要的，因为这可以渡过能量收益小的时期，例如在维修筝帆式部件时。蓄能器对于这种情况也是重要的，即能量产生单元失效并且要可靠地收帆。在这里蓄能器可以提供必需的控制能量供使用。
对于上述的产生能量和存储能量的方法，也可以选择或对其附加地规定所述能量产生装置具有弹簧，它构造为用于存储能量。这种弹簧形式的蓄能器的优点是，它实际上可以立刻释放其作用力或其扭矩。也这样长时间地提供作用力或转矩，直到耗尽所存储的能量。弹簧形式的蓄能器的另一优点是，它具有相当小的重量。在这里可以避免可能非常沉重的液压系统的缺陷，并且以更轻的重量以相同的作用力或扭矩输出提供相同的能量。
在一种有利的实施例中，所述弹簧是螺旋弹簧(Schraubenfeder)，它通过压缩或伸展来存储能量。
在另一种有利的实施方式中，所述弹簧是螺旋盘簧(Spiralfeder)，其一端与基本呈圆柱形的外壳壁共同作用，而其另一端与外壳的中心轴线连接。
附图说明
下面借助于有利的实施方式参照附图描述本发明。示意的附图示出：
图1本发明的第一实施方式的结构，
图2本发明的第二实施方式的结构，
图3本发明的第三实施方式的结构，
图4本发明的第四实施方式，
图5本发明的第五实施方式，
图6螺旋盘簧蓄能器，它可以在按照图5的实施方式中使用，
图7本发明的第六实施方式。
具体实施方式
在图1中示出了一种活塞气缸单元1形式的一个能量产生装置。在此，气缸2与牵引绳索3连接，而活塞4通过缆绳15与筝帆式部件或其控制箱连接。所述活塞4通过一压力弹簧5向左顶压。所述气缸2通过一第一止回阀6与大气连接，并通过一第二止回阀7与一压力气体蓄能器8连接。如果在所示的活塞4位置中牵引力增加，则活塞4克服弹簧力5被向右拉动，并使位于气缸2中的气体通过止回阀7顶压进压力蓄能器8。如果压力变小，则活塞4通过压力弹簧5再向左移动，气缸中的压力变小，并且在达到足够多地向左偏移时通过止回阀6吸入新的空气。然后压力空气8通过一管道9输送到控制元件、或者可能输送到用于产生电能的发电机。
在图2的实施方式中，所述活塞气缸单元1具有两个压力弹簧5。在此，活塞4在一种平均的压力下位于气缸2的中间，如同在图2中所示的那样。在活塞4的两侧分别具有用于吸入空气的止回阀6和用于将空气压进压力蓄能器8中的止回阀7。当压力增加时，则在图2左侧所示的气缸容积中吸入空气，并且在右侧所示的容积中压缩空气、并导入到压力蓄能器8中。如果牵引力变小，那么在右侧的气缸容积中吸入空气，并且在左侧的气缸容积中压缩空气、并导入到压力蓄能器8中。
在图3的实施例中，在一外壳10中滑动地支承着通过一压力弹簧5加载的齿条11，它通过一小齿轮12驱动未示出的发电机。当牵引力增加时，齿条11向右移动，使小齿轮12旋转，由此产生电流。如果牵引力变小，则由于弹簧力5使齿条11在相反的方向上移动，使小齿轮12旋转，由此同样产生电能。
图4，5和6示出通过弹簧的蓄能器。这些蓄能器可以选择地或附加地用于上述的能量产生装置的实施方式。
原则上作为弹簧形式的蓄能器可以使用一种板簧、一种螺旋弹簧和螺旋盘簧。用于通过弯曲来吸收和释放能量的板簧是在这里未详细描述的方法。图4示出螺旋弹簧的应用，它通过压缩来吸收并释放能量。当然也可以通过对于弹簧进行拉伸来存储能量。用于存储能量的螺旋弹簧16设置在一外壳17里面，该外壳与筝帆式部件的箱盒连接或者是这个箱盒的一部分，利用箱盒起到控制筝帆式部件的作用。通过牵引绳索3使弹簧16张紧。在此，如果通过牵引绳索3施加的作用力大于已经存在的弹簧张力，则弹簧端板18在图4中被向下拉动，并在这里卡在止动凸起19中。每次当牵引绳索3的牵引力大于弹簧张力时，端板18就继续被向下拉动并且存储更多的能量。如果要获取能量，则抬起端板18的限动机构，使端板18通过弹簧力向上移动，并且由此操纵一种能量产生装置20。这个能量产生装置例如可以是一种液压缸，或者可以(通过适当的转向装置)使绳索张紧，利用该绳索来操纵阀门或类似部件。
图4的蓄能器在通常情况下具有一种恒定的弹簧特性曲线。这一点当筝帆式部件在非常不同的风力条件下飞行的时候，可能是不利的，用于获取能量的牵引力在其强度上由此变化。在这里为了保证最佳地获取能量，有利的变型方案是：弹簧不是直接由牵引绳索张紧，而是由一种使弹簧常数适配于筝帆的牵引力的传动机构张紧。更加简单的是，使用一种杠杆来张紧弹簧，牵引力的作用点可以在其上移动。通过选择在杠杆上的作用点位置，就可以使弹簧总是最佳地张紧。
在图5的实施例中首先使变化的牵引力转换成一种旋转运动。这由此实现：使弹性元件5(最好是具有可调整的弹性常数的气动弹簧)在牵引绳索与筝帆式部件之间张紧。在这种情况下，所述弹簧5仍然设置在一外壳17里面。牵引绳索3的作用力作用于一端板18上，在该端板上设置有一齿条11。这个齿条作用于一具有螺旋盘簧的蓄能器22的一齿轮21上，它在图6中详细示出。如果在牵引绳索3上出现一种相应较大的牵引力，则端板18通过齿条11被向下拉动，并且“由此拉起螺旋盘簧蓄能器”。如果牵引力变小，则端板18通过弹簧5再向上运动，其中螺旋蓄能器的蓄能容量由于空程而不再变化。
在图6中更详细地示出图5的蓄能器。螺旋盘簧22通过其一端与外壳24的一中心轴23连接，螺旋盘簧22位于该外壳里面。如果齿条11向下移动，则外壳24在顺时针方向上旋转。在此，棘爪25通过止动凸起26带动，并且在顺时针方向上运动，由此使弹簧张紧。在此棘爪25通过未示出的定位机构防止在逆时针方向上运动，即使不再存在通过止动凸起26张紧。这在此时是这种情况：齿条11向上运动，并且外壳24在逆时针方向上旋转。在此棘爪25在止动凸起26上滑行。再恢复到外壳24的初始位置中，从而可以重新将额外的张力施加到螺旋盘簧22上，只要牵引力足够大。在此张紧的弹簧22的扭矩持续地作用于中心轴23上，因此在这里可以连续地释放能量，同时可以从外面通过齿条11输送新的能量。
也可以设想，将外壳24的使弹簧张紧的旋转运动用于获取能量。在此必需解除棘爪25的止锁，从而使弹簧卸载，并且可以从所述轴释放能量。但是这个解决方案的缺陷是，在取出能量期间不能输入新的能量。在按照本发明的实施方式中避免这种缺陷，其中通过中心轴23释放能量。如果选择这种结构，则存在多种运行状态。
i.卸载和处于静止：螺旋盘簧22卸载，整个系统静止。
ii.使弹簧22张紧：缠绕螺旋盘簧22并存储能量。
iii.使弹簧卸载：使螺旋盘簧22卸载并且于此在其外壳24中旋转，用于获取能量的单元与轴23自由地一起旋转。
iv.使弹簧张紧并卸载：使螺旋盘簧22在一端(在25上)缠绕，并同时卸载(在23上)。
在图7中示出一种压电元件27形式的能量产生装置。在作用于压电元件27上的机械应力变化时会产生电能。通过导线28将电能导入到一蓄能器29中并存储在那里。

Claims (25)

1.具有一种筝帆式部件的水上运输工具，该筝帆式部件通过一牵引绳索(3)与水上运输工具相连接，其特征在于，所述筝帆式部件设有调整装置和一能量产生装置(1)，该能量产生装置在施加在牵引绳索(3)上的牵引力发生变化时给出能量。
2.如权利要求1所述的水上运输工具，其特征在于，所述能量产生装置(1)具有一活塞气缸单元(2，4)，它具有一弹簧加载的活塞(4)，其中气缸(2)与牵引绳索(3)连接、而活塞(4)与筝帆式部件连接，或者气缸(2)与筝帆式部件连接、而活塞(4)与牵引绳索(3)连接，并且气缸(2)通过一止回阀(7)与一压力流体蓄能器(8)相连接。
3.如权利要求2所述的水上运输工具，其特征在于，两个通过所述活塞(4)分开的气缸容积分别通过一止回阀(7)与压力流体蓄能器(8)连接。
4.如权利要求1所述的水上运输工具，其特征在于，所述能量产生装置具有一种袋式的结构，它具有一不透气的外罩，该结构在一端上与牵引绳索(3)连接，而在另一端上与筝帆式部件连接，该结构通过弹性的扩张部件扩张，在出现牵引力时在容积减小的情况下相互拉开，并且通过一止回阀(7)与一压力流体蓄能器(8)连接。
5.如权利要求1所述的水上运输工具，其特征在于，所述能量产生装置具有一线性发电机，它具有一弹簧加载的转子，其中定子与牵引绳索(3)连接、而转子与筝帆式部件连接，或者定子与筝帆式部件连接、而转子与牵引绳索(3)连接。
6.如权利要求1所述的水上运输工具，其特征在于，所述能量产生装置具有一在一结构部件(10)中能够移动地设置的弹簧加载的齿条(11)，它通过一支承在结构部件(10)上的小齿轮(12)驱动一发电机，并且所述结构部件(10)与牵引绳索(3)连接、而齿条(11)与筝帆式部件连接，或者结构部件(10)与筝帆式部件连接、而齿条(11)与牵引绳索(3)连接。
7.如权利要求1所述的水上运输工具，其特征在于，所述能量产生装置具有一压电元件(27)。
8.如权利要求2至4中任一项所述的水上运输工具，其特征在于，所述压力流体蓄能器(8)与一用于产生电能的发电机连接。
9.如权利要求2、3、4中任一项所述的水上运输工具，其特征在于，空气作为流体使用。
10.如权利要求1至7中任一项所述的水上运输工具，其特征在于，设有多个并联或串联设置的能量产生装置(1)。
11.如权利要求2、3、5、6中任一项所述的水上运输工具，其特征在于，设有多个用于弹簧加载的弹簧元件(5)。
12.如权利要求2或3所述的水上运输工具，其特征在于，所述弹簧的弹簧力是能够调节的。
13.如权利要求2、3、5、6中任一项所述的水上运输工具，其特征在于，所述弹簧是一种压力空气弹簧。
14.如权利要求2或3所述的水上运输工具，其特征在于，将在压力流体蓄能器(8)中存在的流体的一部分代替所述弹簧用于使能量产生装置(1)复位；或者与所述弹簧一起，将在压力流体蓄能器(8)中存在的流体的一部分用于使能量产生装置(1)复位。
15.如权利要求2所述的水上运输工具，其特征在于，所述流体是液压流体。
16.如权利要求15所述的水上运输工具，其特征在于，所述用于液压流体的压力流体蓄能器具有一种气垫。
17.如权利要求16所述的水上运输工具，其特征在于，借助于一种柔性的软管实现从压力流体蓄能器中取出液压流体，软管的端部通过一重物来增重。
18.如权利要求16所述的水上运输工具，其特征在于，所述液压流体与气垫通过一薄膜相互分开。
19.如权利要求1至7以及15至18中任一项所述的水上运输工具，其特征在于，在水上运输工具上设置一绞盘，利用它通过收缆或放缆能够改变牵引绳索(3)的牵引力。
20.如权利要求1至7以及15至18中任一项所述的水上运输工具，其特征在于，所述牵引绳索(3)的张力能够通过一种液压支柱改变。
21.如权利要求19或20所述的水上运输工具，其特征在于，所述绞盘能够往复移动。
22.如权利要求5至7中任一项所述的水上运输工具，其特征在于，所述筝帆式部件具有用于存储电能的蓄电池。
23.如权利要求1至7以及15至18中任一项所述的水上运输工具，其特征在于，所述能量产生装置(1)具有一弹簧(16，22)，它用于存储能量。
24.如权利要求1至7以及15至18中任一项所述的水上运输工具，其特征在于，所述能量产生装置(1)具有一弹簧(16，22)，它用于存储能量，并且所述弹簧是一种螺旋弹簧(16)，它通过压缩或伸展而存储能量。
25.如权利要求1至7以及15至18中任一项所述的水上运输工具，其特征在于，所述能量产生装置(1)具有一弹簧(16，22)，它用于存储能量，并且所述弹簧是一种螺旋盘簧(22)，其一端与基本呈圆柱形的外壳壁(24)共同作用，而其另一端与外壳(24)的中心轴(23)连接。
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