CN108891569A - 一种可变翼型船用风帆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变翼型船用风帆，涉及船舶技术领域，该船用风帆主要包括主帆面、第一襟翼、第二襟翼、第一转动电机、第二转动电机以及帆面转动机构，主帆面及两侧襟翼外形均为翼型结构，帆面转动机构可带动主帆面进行转动从而接收自然界各方向来风，两个转动电机分别带动两侧襟翼转动以调整襟翼与主帆面的不同夹角，从而形成有利的翼型，取得高效率的升力系数，可使风帆在风能作用下产生指向船舶前进方向的最大有效推力，进而为船舶航行提供有效的助推功能，大幅度提高船舶航行的经济性及工程实用性，从而节能增效，具有广阔的工程应用前景。

Description

一种可变翼型船用风帆

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，尤其是一种可变翼型船用风帆。

背景技术

海上及水上风能是一种清洁、安全、经济的自然资源，风能的利用是船舶绿色能源开发研究的热点，风帆是将风能直接转化为船舶辅助动力的绿色节能装置，采用风帆可以有效利用风能产生可观的助推力和节能效果，因此风帆助推是绿色船舶技术发展的重要方向。

风帆助推性能主要体现在风帆气动升力在船舶前进方向上产生的推力分量的大小，风帆可产生气动推力的风向角范围越大，风帆助推效果越好，因此风帆外形是决定风帆气动推力特性的主要影响因素，风帆外形及其结构形式是风帆气动力设计的关键技术。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种可变翼型船用风帆，该船用风帆可提高风帆助推性能、降低船舶运行成本、增效节能，大幅提高风帆的经济性及工程实用性，具有广阔的工程应用前景。

本发明的技术方案如下：

一种可变翼型船用风帆，该风帆包括：主帆面、第一襟翼、第二襟翼、第一转轴、第二转轴、第一转动电机、第二转动电机、帆面支柱以及帆面转动机构；主帆面呈工字型结构，主帆面两侧分别开设有第一缺口和第二缺口，帆面支柱的顶端连接主帆面的下端面的正中位置、底端连接帆面转动机构，帆面转动机构固定在船舶甲板上，帆面转动机构通过帆面支柱带动主帆面绕着帆面支柱转动；主帆面开设的第一缺口的尺寸与第一襟翼的尺寸相匹配，第一襟翼设置在第一缺口中且第一襟翼的前缘靠近主帆面、尾缘远离主帆面，第一襟翼通过平行于帆面支柱的第一转轴与主帆面相连，第一转动电机连接并驱动第一襟翼绕着第一转轴转动从而与主帆面形成相应的夹角；第二缺口的尺寸与第二襟翼的尺寸相匹配，第二襟翼设置在第二缺口中且第二襟翼的前缘靠近主帆面、尾缘远离主帆面，第二襟翼通过平行于帆面支柱的第二转轴与主帆面相连，第二转动电机连接并驱动第二襟翼绕着第二转轴转动从而与主帆面形成相应的夹角。

其进一步的技术方案为，在船舶航向与风向顺向且风向角在±90°范围内时，主帆面在帆面转动机构的驱动下转动至第一迎风角度，第一襟翼和第二襟翼分别在转动电机的驱动下向相反的转动方向转动，第一襟翼的尾缘向着主帆面的迎风侧转动第一角度，第二襟翼的尾缘向着主帆面的迎风侧转动第二角度。

其进一步的技术方案为，在船舶航向与风向逆向且风向角在±90°范围内时，主帆面在帆面转动机构的驱动下转动至第二迎风角度，第一襟翼和第二襟翼分别在转动电机的驱动下向同一转动方向转动，第一襟翼的尾缘向着主帆面的迎风侧转动第三角度，第二襟翼的尾缘向着主帆面背风侧转动第四角度。

其进一步的技术方案为，主帆面的上端面在第一缺口和第二缺口处分别开设平行于帆面支柱的上端面轴孔，主帆面的下端面在第一缺口和第二缺口处分别开设平行于帆面支柱的下端面轴孔，第一缺口处的上端面轴孔和下端面轴孔在同一直线上，第二缺口处的上端面轴孔和下端面轴孔在同一直线上；第一襟翼设置在第一缺口中，第一转轴穿过第一缺口处的上端面轴孔并连接第一襟翼，第一转动电机固定在主帆面的下端面，第一转动电机的电机轴穿过第一缺口处的下端面轴孔并连接第一襟翼；第二襟翼设置在第二缺口中，第二转轴穿过第二缺口处的上端面轴孔并连接第二襟翼，第二转动电机固定在主帆面的下端面，第二转动电机的电机轴穿过第二缺口处的下端面轴孔并连接第二襟翼。

其进一步的技术方案为，主帆面、第一襟翼和第二襟翼的横剖面外形均为标准NACA翼型。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种可变翼型船用风帆，该风帆采用可变翼型，将本申请的船用风帆安装在船舶甲板上，根据风的方向和大小，利用帆面转动机构可对主帆面进行转动从而接收自然界各方向来风，连个转动电机分别带动两侧襟翼转动以调整襟翼与主帆面的不同夹角，从而形成有利的翼型，取得高效率的升力系数，可使风帆在风能作用下产生指向船舶前进方向的最大有效推力，进而为船舶航行提供有效的助推功能，大幅度提高船舶航行的经济性及工程实用性，从而节能增效，具有广阔的工程应用前景。

附图说明

图1是本申请公开的可变翼型船用风帆的应用场景图。

图2是本申请公开的可变翼型船用风帆的结构图。

图3是本申请公开的可变翼型船用风帆的剖面示意图。

图4是本申请公开的可变翼型船用风帆在顺向风时的变翼结构示意图。

图5是本申请公开的可变翼型船用风帆在逆向风时的变翼结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。需要说明的是，本申请中所有出现的“第一”和“第二”仅是为了对两者进行区分，而没有特别的含义。

本申请公开了一种可变翼型船用风帆，请参考图1，该船用风帆100呈立式结构设置在船舶200的甲板上，实际实现时，为了更好地利用风能，该船用风帆100通常不会是单个应用，而是以阵列形成组合应用，如图1所示，以船舶200上排列设置有4个本申请公开的船用风帆100为例。

请参考图2，本申请公开的可变翼型船用风帆包括主帆面110、第一襟翼120、第二襟翼130、第一转轴140、第二转轴150、第一转动电机160、第二转动电机170、帆面支柱180以及帆面转动机构190。主帆面110呈工字型结构，主帆面110两侧分别开设有第一缺口和第二缺口，第一缺口的尺寸与第一襟翼120的尺寸相匹配，第二缺口的尺寸与第二襟翼120的尺寸相匹配，实际实现时，第一襟翼120和第二襟翼130的规格通常完全相同，则第一缺口和第二缺口的开口规格完全相同，主帆面110呈工字型结构对称。帆面支柱180的顶端连接主帆面110的下端面的正中位置、底端连接帆面转动机构190，帆面转动机构190固定在船舶甲板上，帆面转动机构190在目前的风帆结构中是比较常见的，可以有多种实现方式，比如采用驱动电机和传动结构结合的方式，本申请对此不做具体赘述。帆面转动机构190通过帆面支柱180带动主帆面110绕着帆面支柱180转动，从而转向一定的迎风角度。

在本申请中，主帆面110、第一襟翼120和第二襟翼130的横剖面外形均为标准NACA翼型，第一襟翼120设置在主帆面110的第一缺口中，第二襟翼130设置在主帆面110的第二缺口中，请参考图3示出的剖面图，在初始状态时，第一襟翼120、第二襟翼130与主帆面110在同一平面，第一襟翼120的前缘靠近主帆面110、尾缘远离主帆面110，第二襟翼130的前缘靠近主帆面110、尾缘远离主帆面110，其中襟翼的剖面呈圆头尖尾形状，襟翼的圆头侧为襟翼的前缘，襟翼的尖尾侧为襟翼的尾缘。

第一襟翼120通过平行于帆面支柱180的第一转轴140与主帆面110相连，第一转动电机160连接第一襟翼120。具体的，主帆面110的上端面在第一缺口处开设平行于帆面支柱180的上端面轴孔、下端面在第一缺口处开设平行于帆面支柱180的下端面轴孔，第一缺口处的上端面轴孔和下端面轴孔在同一直线上。第一襟翼120设置在第一缺口中，第一转轴140穿过第一缺口处的上端面轴孔并连接第一襟翼120，第一转动电机160固定在主帆面110的下端面，第一转动电机160的电机轴穿过第一缺口处的下端面轴孔并连接第一襟翼120。

第二襟翼130通过平行于帆面支柱的第二转轴150与主帆面110相连，第二转动电机170连接第二襟翼130。具体的，主帆面110的上端面在第二缺口处也开设平行于帆面支柱180的上端面轴孔、下端面在第一缺口处也开设平行于帆面支柱180的下端面轴孔，第二缺口处的上端面轴孔和下端面轴孔在同一直线上。第二襟翼130设置在第二缺口中，第二转轴150穿过第二缺口处的上端面轴孔并连接第二襟翼130，第二转动电机170固定在主帆面110的下端面，第二转动电机170的电机轴穿过第二缺口处的下端面轴孔并连接第二襟翼130。

在船舶航行过程中，主帆面110可以在帆面转动机构190的驱动下进行转动，从而接收自然界各方向来风，同时，第一襟翼120和第二襟翼130可以在各自相连的转动电机的驱动下绕着转轴与主帆面形成一定的夹角，具体的：

第一种情况，当船舶航向与风向顺向且风向角在±90°范围内时，帆面转动机构190带动主帆面110转动至第一迎风角度，该第一迎风角度通常是利用预先确定的计算公式根据实际情况计算得到的，本申请对计算方式不作赘述。第一襟翼120和第二襟翼130分别在各自连接的转动电机的驱动下向相反的转动方向转动，也即一个顺时针转动、另一个逆时针转动，使得第一襟翼120的尾缘向着主帆面110的迎风侧转动第一角度，第二襟翼130的尾缘向着主帆面110的迎风侧转动第二角度，其中，主帆面110被风吹的一侧即为迎风侧，另一侧为背风侧，第一角度和第二角度也是利用预先确定的计算公式根据实际情况计算得到的，本申请对计算方式不作赘述。由此，可以使得整个风帆在顺向风能作用下产生指向船舶前进方向上的推力。

请参考图4所示的示例，船舶航向与风向均为从左往右，则主帆面110的左侧为迎风侧、右侧为背风侧，则第一转动电机160驱动第一襟翼120绕着第一转轴140顺时针转动，第二转动电机170驱动第二襟翼130绕着第二转轴150逆时针转动。

第二种情况，当船舶航向与风向逆向且风向角在±90°范围内时，帆面转动机构190带动主帆面110转动至第二迎风角度，该第二迎风角度也是利用预先确定的计算公式根据实际情况计算得到的，本申请对计算方式不作赘述。第一襟翼120和第二襟翼130分别在各自连接的转动电机的驱动下向同一转动方向转动，也即两个都顺时针转动或两个都逆时针转动，使得第一襟翼120的尾缘向着主帆面110的迎风侧转动第三角度，第二襟翼130的尾缘向着主帆面110背风侧转动第四角度，第三角度和第四角度也是利用预先确定的计算公式根据实际情况计算得到的，本申请对计算方式不作赘述。由此，可以使得整个风帆在逆向风能作用下产生指向船舶前进方向上的推力。

请参考图5所示的示例，船舶航向为从左往右，风向为从右往左，主帆面110的右侧为迎风侧、左侧为背风侧，则第一转动电机160驱动第一襟翼120绕着第一转轴140逆时针转动，第二转动电机170也驱动第二襟翼130绕着第二转轴150逆时针转动。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可变翼型船用风帆，其特征在于，所述风帆包括：主帆面、第一襟翼、第二襟翼、第一转轴、第二转轴、第一转动电机、第二转动电机、帆面支柱以及帆面转动机构；所述主帆面呈工字型结构，所述主帆面两侧分别开设有第一缺口和第二缺口，所述帆面支柱的顶端连接所述主帆面的下端面的正中位置、底端连接所述帆面转动机构，所述帆面转动机构固定在船舶甲板上，所述帆面转动机构通过所述帆面支柱带动所述主帆面绕着所述帆面支柱转动；所述主帆面开设的第一缺口的尺寸与所述第一襟翼的尺寸相匹配，所述第一襟翼设置在所述第一缺口中且所述第一襟翼的前缘靠近所述主帆面、尾缘远离所述主帆面，所述第一襟翼通过平行于所述帆面支柱的第一转轴与所述主帆面相连，所述第一转动电机连接并驱动所述第一襟翼绕着所述第一转轴转动从而与所述主帆面形成相应的夹角；所述第二缺口的尺寸与所述第二襟翼的尺寸相匹配，所述第二襟翼设置在所述第二缺口中且所述第二襟翼的前缘靠近所述主帆面、尾缘远离所述主帆面，所述第二襟翼通过平行于所述帆面支柱的第二转轴与所述主帆面相连，所述第二转动电机连接并驱动所述第二襟翼绕着所述第二转轴转动从而与所述主帆面形成相应的夹角。

2.根据权利要求1所述的船用风帆，其特征在于，在船舶航向与风向顺向且风向角在±90°范围内时，所述主帆面在所述帆面转动机构的驱动下转动至第一迎风角度，所述第一襟翼和所述第二襟翼分别在转动电机的驱动下向相反的转动方向转动，所述第一襟翼的尾缘向着所述主帆面的迎风侧转动第一角度，所述第二襟翼的尾缘向着所述主帆面的迎风侧转动第二角度。

3.根据权利要求1所述的船用风帆，其特征在于，在船舶航向与风向逆向且风向角在±90°范围内时，所述主帆面在所述帆面转动机构的驱动下转动至第二迎风角度，所述第一襟翼和所述第二襟翼分别在转动电机的驱动下向同一转动方向转动，所述第一襟翼的尾缘向着所述主帆面的迎风侧转动第三角度，所述第二襟翼的尾缘向着所述主帆面背风侧转动第四角度。

4.根据权利要求1至3任一所述的船用风帆，其特征在于，所述主帆面的上端面在所述第一缺口和第二缺口处分别开设平行于所述帆面支柱的上端面轴孔，所述主帆面的下端面在所述第一缺口和第二缺口处分别开设平行于所述帆面支柱的下端面轴孔，所述第一缺口处的上端面轴孔和下端面轴孔在同一直线上，所述第二缺口处的上端面轴孔和下端面轴孔在同一直线上；所述第一襟翼设置在所述第一缺口中，所述第一转轴穿过所述第一缺口处的上端面轴孔并连接所述第一襟翼，所述第一转动电机固定在所述主帆面的下端面，所述第一转动电机的电机轴穿过所述第一缺口处的下端面轴孔并连接所述第一襟翼；所述第二襟翼设置在所述第二缺口中，所述第二转轴穿过所述第二缺口处的上端面轴孔并连接所述第二襟翼，所述第二转动电机固定在所述主帆面的下端面，所述第二转动电机的电机轴穿过所述第二缺口处的下端面轴孔并连接所述第二襟翼。

5.根据权利要求1至3任一所述的船用风帆，其特征在于，所述主帆面、第一襟翼和第二襟翼的横剖面外形均为标准NACA翼型。