CN106938693B - 利用马格纳斯效应的圆台形旋筒风帆装置 - Google Patents

利用马格纳斯效应的圆台形旋筒风帆装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及船舶中利用风能助力风帆方面的研究领域，尤其是一种利用马格纳斯效应将风能高效的转化为动能的圆台形旋筒风帆装置。所述旋筒风帆包括与甲板通过铰接固定的旋筒主轴、用来固定翼型风帆的轴承、圆台形风筒和翼形风帆，圆台形风筒固定套在旋筒主轴上，圆台形风筒呈上小下大设置，圆台形风筒的外侧设有两个翼型风帆，两个翼型风帆相对于旋筒主轴呈对称设置，翼型风帆通过滚动轴承设置在圆台形风筒两侧，滚动轴承上设有控制翼型风帆闭合的传动装置。可以在船舶运输过程中有效利用风能，为船舶提供动力，并且针对不同情况下的风动力环境进行适当调整，更大的节约了燃料成本，并提高了运行过程中的稳固性，大大降低了船舶运行成本。

Description

利用马格纳斯效应的圆台形旋筒风帆装置
技术领域
本发明涉及船舶中利用风能助力风帆方面的研究领域，尤其是一种利用马格纳斯效应将风能高效的转化为动能的圆台形旋筒风帆装置。
背景技术
由于目前的燃油成本高、排放区域控制多、环保法规日趋严格等原因，风能作为船舶的一种“原始”动力,逐渐回归人们的视野。近年来，已有不少公司和研究机构对船舶风动力技术进行了深入研究，实现了风能的现代化利用。马格纳斯效应设计的风筒推进装置能够有效的节省能源，降低单位推力投资成本，结构简单，易于操作和控制。基于这些优点，积极的开展对马格纳斯效应应用的研究有助于推动船舶工业的发展。
虽然马格纳斯效应的发现已有一百多年，但是对于马格纳斯效应在船舶推进方面的应用只是近十几年的研究，其在具体的实际应用方面还存在一定的缺陷与弊端，常见的圆柱形风筒装置对于不同角度的风向不能做出及时的调整，风能利用率受环境影响较大，当风速较大时大型装置的稳固性存在一定的隐患。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述缺陷，提出了一种利用马格纳斯效应的圆台形旋筒风帆装置，该装置可以在船舶运输过程中有效利用风能，为船舶提供动力，并且针对不同情况下的风动力环境进行适当调整，将风能高效的利用起来，更大的节约了燃料成本，避免了对环境的破环，并提高了运行过程中的稳固性，大大降低了船舶运行成本。
本发明的技术方案是：一种利用马格纳斯效应的圆台形旋筒风帆装置，其中，包括旋筒风帆、GPS传感系统、自动控制系统和电动机，旋筒风帆、GPS传感系统和电动机分别与自动控制系统连接；
所述旋筒风帆包括与甲板通过铰接固定的旋筒主轴、用来固定翼型风帆的轴承、圆台形风筒和翼形风帆，旋筒主轴由外圈与内圈组成，外圈和内圈之间通过滚动轴承连接，旋筒主轴的内圈与甲板之间通过铰链连接，旋筒主轴内圈与电动机Ⅰ连接，旋筒主轴的外圈通过齿轮传动装置与电动机Ⅱ相连，圆台形风筒固定套在旋筒主轴上，圆台形风筒呈上小下大设置，圆台形风筒的外侧设有两个翼型风帆，两个翼型风帆相对于旋筒主轴呈对称设置，翼型风帆通过滚动轴承设置在圆台形风筒两侧，滚动轴承上设有控制翼型风帆闭合的传动装置，主轴和翼型风帆的传动装置以及电动机分别与自动控制系统连接；
所述圆台形风筒产生的马格纳斯驱动力大小为：
其中r为圆台旋筒风帆的水平横截面最小直径，R为圆台旋筒风帆的水平横截面最大直径；H为圆台形旋筒风帆的总高度；ω为旋筒风帆的旋转角速度；v为垂直于旋筒风帆主轴的风速大小；ρ为流体密度；A为常数。
GPS传感系统主要用于实时感知风向和风速，并将其感知到的风向和风速信号传递至自动控制系统，自动控制系统根据风向和风速，控制旋筒主轴的转动和与翼型风帆连接的传动装置，通过铰链实现旋筒主轴在竖直平面的偏转，通过与旋筒主轴连接的电动机带动圆台形风筒的旋转，通过滚动轴承上的传动装置控制圆台形风筒两侧翼型风帆的开合。
本发明中，自动控制系统包括控制面板，可以通过控制面板输入旋筒风帆的转速和旋筒风帆需要偏移的角度等数值。
所述圆台形风筒采用铝制成。
所述翼型风帆采用帆布制成。
本发明的有益效果：
(1)采用圆台形旋转风筒，使风筒所受到的马格纳斯力为梯度力，受力中心下移，航行过程中船舶更加稳定；
(2)设置风筒的主轴为竖直平面上角度可调节形式，使得船舶在航行过程中不仅仅在受到横向风时可以利用马格纳斯效应将风能转化为动能为船舶提供推进力，而且，可以在船舶顺风和逆风行驶时都能有效的利用风能，节约能源；
(3)采用圆筒风帆与翼型风帆组合的结构，使得船舶在顺风行驶时最大化的利用风能提供推进力，大大减少了能源的消耗，节约了运行成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为圆筒形风帆的马格纳斯力受力示意图；
图3为本发明中圆台形风帆的马格纳斯力受力示意图；
图4为顺风行驶时旋筒风帆产生升力示意图。
图中：1旋筒主轴；2翼型风帆固定轴承；3圆台形风筒；4翼型风帆。
具体实施方案：
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：
如图1所示，利用马格纳斯效应的圆台形旋筒风帆装置包括旋筒风帆、GPS传感系统、自动控制系统和电动机，其中旋筒风帆、GPS传感系统和电动机分别与自动控制系统连接，旋筒风帆设置在甲板上。自动控制系统包括控制面板，可以通过控制面板输入旋筒风帆的转速和旋筒风帆在竖直平面内需要偏移的角度等数值。
旋筒风帆包括旋筒主轴1、用来固定翼型风帆的轴承2、圆台形风筒3和翼形风帆4，旋筒主轴1由内圈和外圈组成，内圈和外圈之间通过滚动轴承连接，内圈用来固定风筒位置以及风筒在竖直平面上的偏转，内圈与甲板之间通过铰链连接，同时旋筒主轴1的内圈与电动机Ⅰ连接，用来控制主轴的偏转。外圈用来带动圆台形风筒旋转，外圈通过齿轮传动装置与电动机Ⅱ相连，从而控制旋筒主轴1的转动。圆台形风筒3固定套在旋筒主轴1上，圆台形风筒3呈上小下大设置。在圆台形风筒3的外侧设有两个翼型风帆4，两个翼型风帆4相对于旋筒主轴1呈对称设置，翼型风帆4通过轴承2支撑在旋筒风帆两侧，同时轴承2上设有传动装置，该传动装置实现了翼型风帆4的打开和闭合，翼型风帆4采用帆布制成，旋筒风帆3材料为铝。其中主轴和翼型风帆的传动装置以及两个电动机分别与自动控制系统连接。
GPS传感系统主要用于实时感知风向和风速，并将其感知到的风向和风速信号传递至自动控制系统，自动控制系统根据风向和风速，控制旋筒主轴1的旋转和偏转以及与翼型风帆连接的轴承2上的传动装置，通过传动装置控制风帆的打开和关闭。
本发明中，经圆台形旋筒风帆产生的马格纳斯驱动力大小为：
其中r为圆台旋筒风帆的水平横截面最小直径，R为圆台旋筒风帆的水平横截面最大直径；H为圆台形旋筒风帆的总高度；ω为旋筒风帆的旋转角速度；v为垂直于旋筒风帆主轴的风速大小；ρ为流体密度；A为常数。
如图2和图3所示，与圆筒形风帆相比，在受到横向风时，圆台形风帆产生的马格纳斯力为一个沿轴向的梯度力，受力中心下移，使船舶在行驶过程中受力更稳定。船舶实际航行过程中，可测得水平方向风速大小v，若船舶运行过程中预期获得的单个旋筒风帆产生的马格纳斯驱动力大小为FM，旋筒主轴的角速度大小为：
如图4所示，当船舶行驶方向与风向平行时，是无法利用圆筒形风帆产生马格纳斯驱动力的，但是可以通过改变旋筒主轴的偏移角度有效的利用风能，此时船舶上装载的旋筒风帆的个数为偶数，且旋筒风帆呈对称设置。当顺风行驶时，通过设定各个圆台形风筒的转向及转速，产生向内的马格纳斯力，由于旋筒风帆呈对称设置，所以船舶横向受力平衡，产生向上的升力，减小船舶吃水深度，加快了船舶在顺风行驶时的速度。同理，当船舶逆风行驶时，转变圆台形风筒的转向，可以产生向外的马格纳斯力，水平方向受力平衡，合力方向向下，增大船舶吃水深度，使船舶在逆风行驶时，行驶过程更加平稳。
当船舶在实际航行中顺风行驶时，可使旋筒主轴与竖直方向偏移一定角度θ，来利用马格纳斯效应产生升力FL，减小船舶吃水深度，有效的利用风能减少航行阻力，增大速度。若船舶运行过程中预期获得的单个旋筒风帆产生的马格纳斯驱动力大小为FM，角度θ可表示为：
由上述方程可以看出，偏移角度θ与旋筒主轴旋转角速度ω有关，为了实际应用中的操作便捷、避免过程复杂化，可以固定旋筒主轴的偏转角度θ的大小，只通过控制旋筒主轴旋转角速度ω的大小与方向来达到升力FL的期望值即可。
则此时旋筒主轴旋转角速度ω大小的表达式为：
如船舶逆风行驶时，利用马格纳斯效应产生的竖直方向压力FP，此时旋筒主轴旋转角速度ω大小同样可以根据上述公式确定，但旋转方向与船舶顺风行驶时相反。
本发明的工作原理如下所述：船舶在行驶过程中，受到横向风时，闭合两侧的翼型风帆4，如图3所示，GPS传感器感应到风向及风速，自动控制系统根据风向和风速设定圆台形风筒的转向及转速，使其产生与行驶方向同向的马格纳斯驱动力，有效地利用风能，大大节约了燃油成本。当船舶顺风行驶时，张开圆台形风筒两侧的翼型风帆，帆面与风向相迎，有效地利用风能，为了使圆台形风筒在此时依然能够利用风能发挥作用，圆台形风筒呈对称设置，且圆台形风筒的轴向与竖直方向偏移一定角度，如图4所示，根据测得的风速设置旋筒主轴的转速，圆台形风筒产生竖直向上的合力，水平方向受力平衡，使船舶产生一个向上的升力，减小船舶吃水深度，增大船舶行驶速度。当船舶逆风行驶时，关闭两侧的翼型风帆，旋筒主轴与竖直方向偏移一定角度，并且使旋筒主轴和圆台形风筒反向旋转，其转速根据所测的风速及行驶需要进行调节，这时圆台形风筒产生竖直向下的合力，水平方向受力平衡，增大船舶吃水深度，减小由于逆风产生的阻力，减小燃料的消耗。

Claims (4)

1.一种利用马格纳斯效应的圆台形旋筒风帆装置，其特征在于：包括旋筒风帆、GPS传感系统、自动控制系统和电动机，旋筒风帆、GPS传感系统和电动机分别与自动控制系统连接；
所述旋筒风帆包括与甲板通过铰接固定的旋筒主轴(1)、用来固定翼型风帆的固定轴承(2)、圆台形风筒(3)和翼形风帆(4)，旋筒主轴(1)由外圈与内圈组成，外圈和内圈之间通过滚动轴承连接，旋筒主轴(1)的内圈与甲板之间通过铰链连接，旋筒主轴(1)内圈与电动机Ⅰ连接，旋筒主轴(1)的外圈通过齿轮传动装置与电动机Ⅱ相连，圆台形风筒(3)固定套在旋筒主轴(1)上，圆台形风筒(3)呈上小下大设置，圆台形风筒(3)的外侧设有两个翼型风帆(4)，两个翼型风帆(4)相对于旋筒主轴(1)呈对称设置，翼型风帆(4)通过固定轴承(2)设置在圆台形风筒(3)两侧，固定轴承(2)上设有控制翼型风帆闭合的传动装置，旋筒主轴和翼型风帆的传动装置以及电动机分别与自动控制系统连接；
所述圆台形风筒(3)产生的马格纳斯驱动力大小为
其中r为圆台旋筒风帆的水平横截面最小直径，R为圆台旋筒风帆的水平横截面最大直径；H为圆台形旋筒风帆的总高度；ω为旋筒风帆的旋转角速度；v为垂直于旋筒主轴的风速大小；ρ为流体密度；A为常数。
2.根据权利要求1所述的利用马格纳斯效应的圆台形旋筒风帆装置，其特征在于：所述自动控制系统包括控制面板，通过控制面板输入旋筒风帆的转速和旋筒风帆偏移的角度。
3.根据权利要求1所述的利用马格纳斯效应的圆台形旋筒风帆装置，其特征在于：所述翼型风帆(4)采用帆布制成。
4.根据权利要求1所述的利用马格纳斯效应的圆台形旋筒风帆装置，其特征在于：所述圆台形风筒(3)采用铝材料制成。
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