CN101920777A

CN101920777A - 一种翼帆及具有该翼帆的船舶

Info

Publication number: CN101920777A
Application number: CN2010102815579A
Authority: CN
Inventors: 严新平; 王立明; 王亦工; 徐立; 袁成清; 陈鲁愚; 卢俊
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT; China Ocean Shipping Group Co
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2030-09-15
Also published as: CN101920777B

Abstract

本发明提供一种翼帆，它包括桅杆本体、帆面、及至少一个伸缩桅杆，该伸缩桅杆相对于该桅杆本体可升降运动，该帆面由上骨架和下骨架支撑，该帆面的上骨架与该伸缩桅杆固定连接，该帆面的下骨架与该桅杆本体固定连接。本发明还提供一种具有上述翼帆的船舶，其包括发动机及发动机调速装置，该船舶还包括用于检测风速风向信号的检测装置、用于获取发动机实际转速信号的转速传感器、及中央控制系统，该中央控制系统用于根据该检测装置获取的风速风向信息计算该翼帆的帆向角和发动机的转速，及用于控制翼帆的桅杆本体转动，从而调整翼帆的帆向角，并控制调速装置调整发动机的转速。本发明提供的翼帆及具有该翼帆的船舶具有节能及安全的优点。

Description

一种翼帆及具有该翼帆的船舶

技术领域

本发明涉及风帆助航领域，尤其涉及一种翼帆及具有该翼帆的船舶。

背景技术

自世界上第一艘以蒸汽机为动力的船舶问世以来，以热机（如柴油机、汽轮机以及燃汽轮机等）为动力直接驱动螺旋桨的机械推进系统成为船舶推进的主要方式，在船舶动力装置中占据了主导地位。然而，一方面船舶内燃机机械推进系统仍存在噪音大、调速范围小和灵活性差等难以解决的问题；另一方面随着全球石油资源的耗尽，内燃机将逐步退出历史舞台，人们必须在石油还没有用尽的约60年时间内找到新的能源及其动力装置。这是人类在进入21世纪所面临的巨大问题和挑战之一。因此，人们一直在努力寻找能源利用效率高、不污染环境并可以再生的新能源及其利用方式。近十年来，随着能源需求压力过大，油价逐年攀涨的严峻形势下，世界航运业的课题也主要集中在节能、寻找新能源以及探索能源新的利用方法等诸方面，风帆助航系统也应运而生。自第一艘现代风帆助航船“新爱德丸”出现，二十年来世界各国已建造了多种风帆助航船舶。对风帆助航技术的研究，欧、美等国要比日本早，但他们侧重于“帆—机配合”的方式（即以风帆为主，主机为辅），比起日本的“机—帆配合”方式（即以主机为主，风帆为辅）难度大，风险性也大，船东不敢贸然投资。但经过7～8年的研究、试验和论证，得到明确可行的结论后，欧洲国家开始了“帆—机配合”实船的设计与建造。

对于可应用于船舶上的风帆公开了一些专利，如公开号为CN101209752A（公开日为2008年7月2日）的专利申请公开了一种以风帆为辅助动力的远洋货轮，包括远洋货轮和一套辅助风帆，该辅助风帆由船尾帆和船侧帆两部分组成。该装置主要是利用了与船舶行驶方向较为一致的风向，即船后来风，所能利用的风向角度较小。公开号为CN201296376Y（公开日为2009年8月26日）的专利申请公开了一种基于对帆体和舵体的自动控制来实现在一定风向范围内利用风能推动帆船定向航行的自动调向式风力助航帆船，通过测出航向与设定航向之间的偏角转化为电信号，经电路和单片机处理后控制和调节帆向与舵向，实现助推帆船的定向航行。

然而，以上船舶所使用的翼帆通常是固定在一定高度的桅杆上，当通过航道和桥梁时存在高度上的限制，从而限制了翼帆的面积，使翼帆的节能效果无法进一步提高。而且在恶劣天气条件下，风速过高，暴露的翼帆存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术中存在的不足，提供一种节能，安全的翼帆及具有该翼帆的船舶。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种翼帆，它包括桅杆本体、帆面，所述翼帆还包括至少一个伸缩桅杆，所述伸缩桅杆相对于所述桅杆本体可升降运动，所述帆面由上骨架和下骨架支撑，所述帆面的上骨架与所述伸缩桅杆固定连接，所述帆面的下骨架与所述桅杆本体固定连接。

上述方案中，所述翼帆包括三个伸缩桅杆，所述三个伸缩桅杆收容于所述桅杆本体内，所述三个伸缩桅杆的中心轴线与所述桅杆本体的中心轴线均处于一条直线上。

上述方案中，所述帆面还包括位于上骨架和下骨架之间的第一骨架和第二骨架，上骨架、第一骨架、第二骨架及下骨架依次与三个伸缩桅杆和桅杆本体固定连接。

上述方案中，所述翼帆还包括液压机构，所述液压机构包括底座、液压缸及定位装置，所述桅杆本体设置于所述底座上，可相对于所述底座转动；所述液压缸收容于所述桅杆本体内，用于驱动所述伸缩桅杆升降运动；所述定位装置设置于所述伸缩桅杆内，用于锁定所述伸缩桅杆于固定位置。

上述方案中，所述定位装置包括弹簧及与所述弹簧端部连接的缸销，所述伸缩桅杆内的弹簧的压缩或拉伸分别用于使缸销脱离或卡固于相邻的伸缩桅杆或所述桅杆本体。

上述方案中，所述帆面包括两层帆布，所述两层帆布之间用纵向间隔的多条钢索支撑，保持帆面形状。

上述方案中，每条钢索中嵌入有多个铰链，用于使帆面在铰链的所在位置折叠。

上述方案中，所述帆面为圆弧型。

上述方案中，所述帆面的上骨架与所述伸缩桅杆之间通过支撑杆连接。

一种具有上述翼帆的船舶，其包括发动机及发动机调速装置，所述船舶还包括用于检测风速风向信号的检测装置、用于获取发动机实际转速信号的转速传感器、及中央控制系统，所述中央控制系统用于根据所述检测装置获取的风速风向信息计算所述翼帆的帆向角和发动机的转速，及用于控制翼帆的桅杆本体转动，从而调整翼帆的帆向角，并控制调速装置调整发动机的转速。

本发明的有益效果为：

1. 在未使用翼帆时，伸缩桅杆相对于桅杆本体下降，可以降低翼帆的高度，节省空间，摆脱桥梁等对翼帆高度的限制，降低恶劣天气对系统安全性的影响，由此可增大翼帆帆面的面积，增加翼帆的节能收益；

2. 利用三个伸缩桅杆可以根据实际需要来调整翼帆折叠的程度的高度，进而调节翼帆的高度，比较灵活；

3. 上骨架、第一骨架、第二骨架及下骨架依次与三个伸缩桅杆和桅杆本体固定连接，可以减小翼帆折叠后暴露在空气中的面积，进一步节省空间；

4. 采用单级液压缸的伸缩来驱动伸缩桅杆，由定位装置定位锁紧，安全可靠；

5. 使用定位装置的弹簧与缸销实现定位，结构简单，操作简便；

6. 两层帆布之间用纵向间隔的多条钢索支撑，可保持帆面形状，使其始终处于设计时的帆面形状，保持其最佳空气动力性能；

7. 每条钢索中嵌入有多个铰链，可使得翼帆按照既定的方向和尺寸进行折叠；

8. 圆弧型的帆面，其推进性能较好，可在较大迎风角范围（40°～320°）内使用，而且控制更为简便，可靠性更高；

9. 帆面的上骨架与所述伸缩桅杆之间通过支撑杆连接，而不与伸缩桅杆直接连接，可以降低桅杆对帆面空气动力性能的影响；

10. 具有该翼帆的船舶可完成对翼帆和船舶航速的自动监测与控制，实现船-机-帆-桨最优化匹配，从而使得船舶获得最大推进效益。此外，翼帆在未使用期间将其折叠存放，也省去了需不断根据风向的变化将翼帆调整至受力最小角度的步骤，降低了船舶的控制成本，提高了船舶的可靠性。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的翼帆展开状态的结构示意图。

图2为翼帆中液压机构、桅杆本体和伸缩桅杆的结构示意图，此时伸缩桅杆处于收缩状态。

图3为翼帆的俯视图。

图4为翼帆中帆面的截面图。

图5为翼帆中铰链和钢索的结构示意图。

图6为翼帆的折叠过程示意图。

图7为翼帆折叠状态的结构示意图。

图8为本发明第二实施例提供的船舶的结构示意图。

图中：1-桅杆本体，2-第一伸缩桅杆，3-第二伸缩桅杆，4-第三伸缩桅杆，5-上骨架，6-钢索，7-铰链，8-帆面，9-下骨架，10-底座，11-甲板，12-支撑杆，13-定位装置，14-液压缸，15-下骨架，16-第一骨架、17-第二骨架，18-检测装置，19-转速传感器，20-中央控制器，21-发动机，22-调速装置，132-弹簧，134-缸销，100-翼帆，200-船舶。

具体实施方式

请一并参阅图1至图7，其为本发明第一实施例提供的一种翼帆100。该翼帆100包括桅杆本体1、第一伸缩桅杆2、第二伸缩桅杆3、第三伸缩桅杆4、帆面8、及液压机构。

液压机构包括底座10、三个定位装置13、及液压缸14。底座10固定在甲板11上。桅杆本体1设置于底座10上，可相对于底座10转动。在本实施例中，三个伸缩桅杆2、3、4及液压缸14收容于桅杆本体1内。在本实施例中，桅杆本体1、第一伸缩桅杆2、第二伸缩桅杆3及第三伸缩桅杆4均为空心，其沿着远离底座10的方向依次排列，宽度逐渐减小。在本实施例中，液压缸14、桅杆本体1及三个伸缩桅杆2，3，4的中心轴线均位于一条直线上。三个定位装置13分别设置在三个伸缩桅杆2，3，4的底部。每个定位装置13包括弹簧132和与弹簧端部连接的缸销134。每个伸缩桅杆中的弹簧132的压缩或拉伸用于带动缸销134运动，从而将缸销134脱离于相邻的桅杆或卡固在相邻的桅杆上，如图2所示的第三伸缩桅杆4的缸销脱离于第二伸缩桅杆3，第二伸缩桅杆3的缸销卡固于第一伸缩桅杆2上，第一伸缩桅杆2的缸销卡固于桅杆本体1上。液压缸14与第三伸缩桅杆4固定连接，用于驱动第三伸缩桅杆4升降运动，进而通过定位装置13带动第二伸缩桅杆3和第一伸缩桅杆2升降运动。

帆面8由上骨架5和下骨架9支撑。在本实施例中，帆面8由两层帆布15组成，当然也可以用类似帆布的其他软质材料。两层帆布15中间设置有纵向间隔排列的多条钢索6，使得帆面8形成圆弧型。每条钢索6中嵌入有多个铰链7，用于使帆面8在铰链7的所在位置折叠。帆面8的中间部分由横向的第一骨架16和第二骨架17支撑。帆面8的第一骨架16、第二骨架17及下骨架9依次与第二伸缩桅杆3、第一伸缩桅杆2及桅杆本体1固定连接。帆面8的上骨架5与第三伸缩桅杆4之间通过支撑杆12连接。可以理解的是，帆面8的每个骨架之间都可以通过一个支撑杆与相应的桅杆连接，而不局限于本实施例中的仅上骨架3与第三伸缩桅杆4之间通过支撑杆12连接。可以理解的是，帆面8也可以为三个独立的帆面8a，8b，8c。

该翼帆100的工作过程如下：

当风速、风向均在可利用范围时，第三伸缩桅杆4中的定位装置13中的弹簧132压紧从而使缸销134脱离第二伸缩桅杆3，由液压缸14带动第三伸缩桅杆4上升至指定位置后，定位装置13中的弹簧132拉伸从而将缸销134卡固于第二伸缩桅杆3；同理，第二伸缩桅杆3中的定位装置13中的弹簧132压紧从而使缸销134脱离第一伸缩桅杆2，由液压缸14带动第二伸缩桅杆3上升；最后第一伸缩桅杆2中的定位装置13中的弹簧132压紧从而使缸销134脱离桅杆本体1，由液压缸14带动第一伸缩桅杆1升起，同时翼帆100的帆面8全部展开。桅杆本体1带动帆面8相对于底座10转动至最佳帆向角的位置。

当风速、风向不在可利用范围之内时，第三伸缩桅杆4中的定位装置13中的弹簧132压紧从而使缸销134脱离第二伸缩桅杆3，由液压缸14带动第三伸缩桅杆4下降至指定位置后，定位装置13中的弹簧132拉伸从而使缸销134卡固于第二伸缩桅杆3；同理，第二伸缩桅杆3中的定位装置13中的弹簧132压紧从而使缸销134脱离第一伸缩桅杆2，由液压缸14带动第二伸缩桅杆3下降；最后第一伸缩桅杆2中的定位装置13中的弹簧132压紧从而使缸销134脱离桅杆本体1，由液压缸14带动第一伸缩桅杆2下降，翼帆100在铰链7所在位置发生折叠。

请参阅图8，其为本发明第二实施例提供的船舶200。该船舶200包括翼帆100，检测装置18、转速传感器19，中央控制器20，发动机21及调速装置22。在本实施例中，发动机21为柴油机。检测装置18用于检测风速风向信号。在本实施例中，检测装置18为超声波风速风向仪。转速传感器19用于获取柴油机实际转速信号。中央控制器20用于根据检测装置18获取的风速风向信息计算翼帆100的最佳帆向角和柴油机21最佳转速后，控制翼帆100的桅杆本体1转动，从而调整翼帆100的帆向角，并控制电子调速装置22将柴油机21控制在最佳转速，实现船舶200的最大节能目的。

相较于现有技术，伸缩桅杆可以降低翼帆在未使用期间的高度，节省空间，摆脱桥梁等对翼帆高度的限制，降低恶劣天气对系统安全性的影响，由此可增大翼帆帆面的面积，增加翼帆的节能收益。此外，翼帆在未使用期间将其折叠存放，也省去了需不断根据风向的变化将翼帆调整至受力最小角度的步骤，降低了系统的控制成本，提高了系统的可靠性。而且，具有该翼帆的船舶可完成对翼帆和船舶航速的自动监测与控制，实现船-机-帆-桨最优化匹配，从而使得船舶获得最大推进效益。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims

1.一种翼帆，它包括桅杆本体、帆面，其特征在于，所述翼帆还包括至少一个伸缩桅杆，所述伸缩桅杆相对于所述桅杆本体可升降运动，所述帆面由上骨架和下骨架支撑，所述帆面的上骨架与所述伸缩桅杆固定连接，所述帆面的下骨架与所述桅杆本体固定连接。

2.如权利要求1所述的翼帆，其特征在于：所述翼帆包括三个伸缩桅杆，所述三个伸缩桅杆收容于所述桅杆本体内，所述三个伸缩桅杆的中心轴线与所述桅杆本体的中心轴线均处于一条直线上。

3.如权利要求2所述的翼帆，其特征在于：所述帆面还包括位于上骨架和下骨架之间的第一骨架和第二骨架，上骨架、第一骨架、第二骨架及下骨架依次与三个伸缩桅杆和桅杆本体固定连接。

4.如权利要求1至3任一项所述的翼帆，其特征在于：所述翼帆还包括液压机构，所述液压机构包括底座、液压缸及定位装置，所述桅杆本体设置于所述底座上，可相对于所述底座转动；所述液压缸收容于所述桅杆本体内，用于驱动所述伸缩桅杆升降运动；所述定位装置设置于所述伸缩桅杆内，用于锁定所述伸缩桅杆于固定位置。

5.如权利要求4所述的翼帆，其特征在于：所述定位装置包括弹簧及与所述弹簧端部连接的缸销，所述伸缩桅杆内的弹簧的压缩或拉伸分别用于使缸销脱离或卡固于相邻的伸缩桅杆或所述桅杆本体。

6.如权利要求1所述的翼帆，其特征在于：所述帆面包括两层帆布，所述两层帆布之间用纵向间隔的多条钢索支撑，保持帆面形状。

7.如权利要求6所述的翼帆，其特征在于：每条钢索中嵌入有多个铰链，用于使帆面在铰链的所在位置折叠。

8.如权利要求1所述的翼帆，其特征在于：所述帆面为圆弧型。

9.如权利要求1所述的翼帆，其特征在于：所述帆面的上骨架与所述伸缩桅杆之间通过支撑杆连接。

10.一种具有如权利要求1所述的翼帆的船舶，其包括发动机及发动机调速装置，其特征在于，所述船舶还包括用于检测风速风向信号的检测装置、用于获取发动机实际转速信号的转速传感器、及中央控制系统，所述中央控制系统用于根据所述检测装置获取的风速风向信息计算所述翼帆的帆向角和发动机的转速，及用于控制翼帆的桅杆本体转动，从而调整翼帆的帆向角，并控制调速装置调整发动机的转速。