CN112158320A - 一种基于马格努斯效应的旋筒风帆及艉楼 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于马格努斯效应的旋筒风帆及艉楼，该装置包括：船舶艉楼、圆环架外齿、风筒架、雨刷器、透明风筒、电动机，其中船舶艉楼上设有固定圆盘、左舷观察窗、紧急按钮、环形轨道，本发明针对传统旋筒风帆产生的马格努斯效应力小以及航行船舶艉楼的风阻大等问题，提出一种与船舶艉楼巧妙结合的旋筒风帆，在不影响船舶现有功能的前提下，该旋筒风帆的直径可与船宽相等，所以受风面积大，在船舶航行过程中能够产生较大的马格努斯效应力，为船舶航行提供助推力，此外，该旋筒风帆既减小了船舶航行时艉楼的风阻，又节省了旋筒风帆的安装空间。所以本发明的安装可以节省船舶燃油消耗，实现船舶节能减排。
Description
技术领域
本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种基于马格努斯效应的旋筒风帆及艉楼。
背景技术
随着航运技术的不断发展，世界各国的货物交易越来越依赖于船舶运输，然而船舶在航行过程中不仅要消耗大量的燃油，而且燃烧燃油排放的二氧化碳等废气加剧了对环境的污染，所以寻找可替代能源成为船舶业亟待解决的问题，而风能作为一种清洁能源，其在航行船舶上应用有着得天独厚的优势。
将一个绕轴线旋转的圆柱体垂直安装在船舶上，在船舶航行过程中，若是旋转圆柱体受到横向风力的作用，则会改变周围风力流速，根据伯努利定律，流体速度增加将导致压强减小，流体速度减小将导致压强增加，这样就造成圆柱体产生横向的压力差，并形成横向力，这就是马格努斯效应力，若圆柱体的旋转方向相反，在风向不改变的情况下，则马格努斯效应产生横向力的作用方向随之发生180°改变。
基于马格努斯效应的旋筒风帆在船舶上的应用已有近十几年的研究历史，如专利号为CN208344518 U的中国专利公开了一种基于马格努斯效应的旋筒风帆装置，该装置能将船舶航行过程马格努斯效应力转化成船舶航行的助推力，其风筒外表面沿其筒长方向设有螺旋槽道，风可通过槽道进入风筒，辅助风筒的转动，在一定程度上提高了风能转化率，但由于该旋筒风帆尺寸较小，所以为船舶提供的助推力有限。
由马格努斯效应力产生的条件可知，马格努斯效应力的大小不仅取决于风力大小和旋筒风帆的转速，而且取决于旋筒风帆的受风面积。船舶在航行的过程中风力的大小是不可控的，而旋筒风帆的转速增加则需消耗船上的能源，所以最行之有效的办法是增大旋筒风帆的受风面积，也即是增加旋筒风帆的高度或是旋筒风帆的直径，但旋筒风帆过高不但会造成船舶高度超过海上大桥的限制高度，或是船舶靠泊码头时触及码头的桥式吊车，而且也会使得船舶的重心上移，增加船舶的倾覆力矩；若是增大旋筒风帆的直径，则会占据甲板面积，影响舱口和甲板机械设备的布置，进而影响船舶装卸货，另外增加旋筒风帆高度和直径也会影响船舶驾驶员的瞭望视野和范围。
此外，船舶艉楼是设于船尾部的上层建筑，设有驾驶室和船员居住室等，由于传统的船舶艉楼高度较高，迎风面通常为平面，在船舶航行过程中会造成较大的风阻，另外，艉楼的侧面形状不规则，当船舶侧面来风时，会增加船舶倾覆力矩，影响船舶稳性。
基于上述问题，若在不影响船舶现有功能的前提下能够发明出一种既能增大旋筒风帆受风面积，又能降低船舶艉楼风阻的装置，将具有更大的实际意义。
发明内容
本发明的目的是针对上述提到的问题，提出一种基于马格努斯效应的旋筒风帆及艉楼，将马格努斯效应产生的横向力，转化成船舶航行时的助推力。
该装置包括：船舶艉楼、圆环架外齿、风筒架、雨刷器、透明风筒、电动机，其中风筒架和透明风筒组成旋筒风帆，所述旋筒风帆罩在船舶艉楼，所述风筒架包括：支撑架和圆环架。
所述船舶艉楼共分五层，自下往上依次是第一层艉楼、第二层艉楼、第三层艉楼、第四层艉楼、第五层艉楼，其中第三层艉楼是救生层，第五层艉楼是驾驶层，在船舶艉楼上设有：固定圆盘、左舷观察窗、紧急按钮、环形轨道。所述电动机安装在船舶艉楼之后，船尾主甲板之上，其中电动机的齿轮与圆环架外齿啮合。
所述救生层在靠近船尾位置设有救生艇，所述驾驶层的外缘对应的圆心角大于180°，所述左舷观察窗位于驾驶层左侧位置，其竖直平分线与船舶左舷相切，右舷观察窗与左舷观察窗关于船舶中纵剖面对称。
所述风筒架共有5层相同的圆环架和8根支撑架构成，其中每层圆环架同轴心且直径等于船宽，相邻层圆环架之间距离相等，将圆环架平行于船舶基平面安装，自下往上依次是第1层、第2层、第3层、第4层、第5层，其相邻层的距离分别等于船舶第二层艉楼、第三层艉楼、第四层艉楼、第五层艉楼的高度。
所述8根支撑架包括4根长支撑架和4根短支撑架，短支撑架和长支撑架相间且均匀分布在圆环架上，其中短支撑架用来支撑圆环架第1层到第4层，长支撑架来支撑圆环架第1层到第5层，所述圆环架外齿固定在第1层圆环架上，与电动机的齿轮啮合。
所述透明风筒的形状是选用透明材料做成的无底圆筒形，其长度等于长支撑架长度，直径等于圆环架直径，两端分别固定在第5层圆环架和第1层圆环架，可以实现与风筒架同步转动，其中风筒架和透明风筒组成旋筒风帆。
所述固定圆盘固定在驾驶层顶甲板上，其直径与船宽相等，中心与圆环架中心重合，固定圆盘与第5层圆环架配合，所述环形轨道位于船舶第一层艉楼与第二层艉楼之间，与固定圆盘的中心重合且直径相等，环形轨道与第1层圆环架配合。
所述雨刷器的底座安装在固定圆盘上。
所述紧急按钮设于船舶每一层艉楼上，在救生层设有安全锤，当船舶遭遇紧急情况时，如发生海难、火灾，先启动紧急按钮，此时电动机停止运转，即旋筒风帆停止转动，再用安全锤击破第2层圆环架与第3层圆环架之间、相邻支撑架之间的透明风筒，进而进入救生艇。
本发明装置中的旋筒风帆罩在船舶艉楼并通过电动机驱动从而实现绕轴线旋转，当船舶在海上航行，若右舷来风，则控制电动机俯视船舶时顺时针转动，从而带动旋筒风帆逆时针转动，此时旋筒风帆周围风力流速发生改变，根据伯努利定律，流体速度增加将导致压强减小，流体速度减小将导致压强增加，这样就导致旋筒风帆产生向船首方向的马格努斯效应力，从而对固定圆盘和环形轨道产生向船首方向的力，进而为船舶航行提供助推力，若船舶左舷来风，则控制电动机俯视船舶时逆时针转动，从而带动旋筒风帆顺时针转动，此时旋筒风帆周围风力流速发生改变，根据伯努利定律，流体速度增加将导致压强减小，流体速度减小将导致压强增加，这样就导致旋筒风帆产生向船首方向的马格努斯效应力，从而对固定圆盘和环形轨道产生向船首方向的力，进而为船舶航行提供助推力。所以可通过调控电动机转向，从而实现对船舶航行时所受风能的合理利用。
本发明有益效果：
1.本发明装置中的旋筒风帆直径可与船宽相等，解决了传统马格努斯旋筒风帆受风面积不能太大的技术问题，所以在船舶航行过程中能够产生较大的马格努斯效应力，为船舶航行提供助推力，节省了船舶燃油消耗，实现了船舶节能减排。
2.相较于传统船舶艉楼而言，本发明装置中的船舶艉楼罩有旋筒风帆，在不影响船舶现有功能的前提下，既减小了船舶在航行过程中的风阻，又减小了船舶侧面来风时船舶的倾覆力矩。
3.本发明装置中的旋筒风帆和船舶艉楼巧妙结合，无需在甲板上单独安装旋筒风帆，既节省了安装空间，又不会给甲板货舱和机械设备的布局以及船舶装卸货造成影响。
附图说明
图1是本发明装置的示意图；
图2是电动机与紧急按钮的安装位置示意图；
图3是本发明装置的三维模型；
图4是本发明装置在船舶上的三维模型；
图5是本发明中艉楼的三维模型；
图6是本发明装置风筒架的三维模型；
图7是本发明装置旋筒风帆的三维模型；
附图中：1.船舶艉楼；101.固定圆盘；102.左舷观察窗；103.紧急按钮；104.环形轨道；2.圆环架外齿；3.风筒架；301.支撑架；302.圆环架；4.雨刷器；5.透明风筒；6.电动机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
一种基于马格努斯效应的旋筒风帆及艉楼，如图1和图2所示，该装置包括：船舶艉楼1、圆环架外齿2、风筒架3、雨刷器4、透明风筒5、电动机6，本发明的三维模型如图3所示，其中风筒架3和透明风筒5组成旋筒风帆。所述风筒架3包括支撑架301和圆环架302，本发明装置在船舶上的三维模型如图4所示。
如图5所示，所述船舶艉楼1共分五层，自下往上依次是第一层艉楼、第二层艉楼、第三层艉楼、第四层艉楼、第五层艉楼，其中第三层艉楼是救生层，第五层艉楼是驾驶层，在船舶艉楼1上设有：固定圆盘101、左舷观察窗102、紧急按钮103、环形轨道104。
在船舶艉楼1后，船尾主甲板上安有电动机6，其中电动机6的齿轮与圆环架外齿2啮合。
当船舶遭遇紧急情况，需弃船逃生时，所述救生层为船上人员的逃生层，其甲板为救生甲板，船舶在船尾靠近救生甲板处设有救生艇，所述驾驶层的外缘对应的圆心角大于180°，所述左舷观察窗102位于驾驶层左侧位置，其竖直平分线与船舶左舷相切，右舷观察窗与左舷观察窗102关于船舶中纵剖面对称，设置左、右舷观察窗的目的是：在船舶靠泊或离港过程中便于观测船舶左右舷外状况。
如图6所示，所述风筒架3共有5层相同的圆环架302和8根支撑架301构成，其中每层圆环架302同轴心且直径等于船宽，相邻层圆环架302之间距离相等，将圆环架302平行于船舶基平面安装，自下往上依次是第1层、第2层、第3层、第4层、第5层，其相邻层的距离分别等于船舶第二层艉楼、第三层艉楼、第四层艉楼、第五层艉楼的高度。
所述8根支撑架301包括4根长支撑架和4根短支撑架，短支撑架和长支撑架相间且均匀分布在圆环架302上，其中短支撑架用来支撑圆环架302第1层到第4层，长支撑架来支撑圆环架302第1层到第5层，所述圆环架外齿2固定在第1层圆环架302上，与电动机6的齿轮啮合。
如图7所示，所述透明风筒5的形状是选用透明材料制成的无底圆筒形，其长度等于长支撑架的长度，直径等于圆环架302直径，两端面分别固定在第5层圆环架302和第1层圆环架302，可以实现与风筒架3同步转动，其中风筒架3和透明风筒5组成旋筒风帆，所以旋筒风帆直径等于圆环架302直径等于船宽。
所述固定圆盘101固定在驾驶层顶甲板上，其直径与船宽相等，中心与圆环架302中心重合，固定圆盘101与第5层圆环架302配合，设置固定圆盘101的作用是：对旋筒风帆的马格努斯效应力进行传递和对旋筒风帆进行限位。
所述环形轨道104位于船舶第一层艉楼与第二层艉楼之间，与固定圆盘101的中心重合且直径相等，环形轨道104与第1层圆环架302配合，设置环形轨道104的作用：对旋筒风帆的马格努斯效应力进行传递和保证旋筒风帆沿其轨道转动。
所述雨刷器4的底座安装在固定圆盘101上，当船舶航行中遇到雨雪天气时，旋筒风帆在电动机6驱动下绕轴线旋转，此时雨刷器4接触并清理旋筒风帆上的雨水，从而保证驾驶员有清晰的瞭望视野。
所述紧急按钮103设于船舶艉楼1每一层上，在救生甲板靠近救生艇处设有安全锤，当船舶遭遇紧急情况时，如发生海难、火灾，先启动紧急按钮103，此时电动机6停止运转，即旋筒风帆停止转动，再用安全锤击破第2层圆环架302与第3层圆环架302之间、相邻支撑架之间的透明风筒5，后进入救生艇。
当船舶在海上航行时，本发明装置中的旋筒风帆罩在船舶艉楼1并通过电动机6驱动从而实现绕轴线旋转，若船舶右舷来风，则控制电动机6俯视船舶时顺时针转动，从而带动旋筒风帆逆时针转动，此时旋筒风帆周围风力流速发生改变，根据伯努利定律，流体速度增加将导致压强减小，流体速度减小将导致压强增加，这样就导致旋筒风帆产生向船首方向的马格努斯效应力，从而对固定圆盘101和环形轨道104产生向船首方向的力，进而为船舶航行提供助推力，当船舶左舷来风时，则控制电动机6俯视船舶时逆时针转动，从而带动旋筒风帆顺时针转动，此时旋筒风帆周围风力流速发生改变，根据伯努利定律，流体速度增加将导致压强减小，流体速度减小将导致压强增加，这样就导致旋筒风帆产生向船首方向的马格努斯效应力，从而对固定圆盘101和环形轨道104产生向船首方向的力，进而为船舶航行提供助推力。所以可通过调控电动机6转向，从而实现对船舶航行时所受风能的合理利用。
以上所述仅是本发明的优先实施方式，但实现时不受上述实施例限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于马格努斯效应的旋筒风帆及艉楼，其特征在于：该装置包括船舶艉楼(1)、圆环架外齿(2)、风筒架(3)、雨刷器(4)、透明风筒(5)、电动机(6)，其中风筒架(3)和透明风筒(5)组成旋筒风帆，
所述风筒架(3)包括支撑架(301)和圆环架(302)，
所述船舶艉楼(1)上设有：固定圆盘(101)、左舷观察窗(102)、紧急按钮(103)、环形轨道(104)。
2.根据权利要求1所述的一种基于马格努斯效应的旋筒风帆及艉楼，其特征在于：所述旋筒风帆罩在船舶艉楼(1)并通过电动机(6)驱动实现绕轴线旋转。
3.根据权利要求1所述的一种基于马格努斯效应的旋筒风帆及艉楼，其特征在于：所述左舷观察窗(102)位于驾驶层左侧位置，其竖直平分线与船舶左舷相切。
4.根据权利要求1所述的一种基于马格努斯效应的旋筒风帆及艉楼，其特征在于：所述风筒架(3)共有5层相同圆环架(302)和8根支撑架(301)构成，其中每层圆环架(302)同轴心且直径等于船宽，相邻层圆环架(302)之间距离相等，将圆环架(302)平行于船舶基平面安装，自下往上依次是第1层、第2层、第3层、第4层、第5层，其相邻层的距离分别等于船舶第二层艉楼、第三层艉楼、第四层艉楼、第五层艉楼的高度。
5.根据权利要求1所述的一种基于马格努斯效应的旋筒风帆及艉楼，其特征在于：所述透明风筒(5)的形状是选用透明材料制成的无底圆筒形，其长度等于长支撑架的长度，直径等于圆环架(302)直径，两端面分别固定在第5层圆环架(302)和第1层圆环架(302)。
6.根据权利要求1所述的一种基于马格努斯效应的旋筒风帆及艉楼，其特征在于：所述旋筒风帆直径等于圆环架(302)直径等于船宽。
7.根据权利要求1所述的一种基于马格努斯效应的旋筒风帆及艉楼，其特征在于：所述固定圆盘(101)固定在驾驶层顶甲板上，其直径与船宽相等，中心与圆环架(302)中心重合，固定圆盘(101)与第5层圆环架(302)配合。
8.根据权利要求1所述的一种基于马格努斯效应的旋筒风帆及艉楼，其特征在于：所述紧急按钮(103)设于船舶艉楼(1)每一层上。
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