CN113232818A - 翼型帆 - Google Patents

Abstract

一种用于为水上船舶提供动力的翼型帆(30)，所述帆包括前翼型部件(35a)和后翼型部件(35b)，并且所述帆包括桅杆(32)，至少一个翼型部件能够旋转并能够定位，并且所述帆包括控制器，以便单独地控制至少一个翼型部件相对于桅杆的角位置，并且所述桅杆相对于它的纵向轴线能够旋转并能够定位。

Description

翼型帆

本申请是申请号为201380040307.8、申请日为2013年7月1日、发明名称为“翼型帆”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明大体上涉及一种水上船舶的推进器。在一个实施方案中，提供了一种翼型帆，该翼型帆的控制大体上为自动化的。

背景技术

由通商航运造成的燃料消耗、产生CO₂排放物以及其他碳氢化合物副产品的当前水平非常高。我们意识到需要解决这个问题，并且我们设计一种用于通商航运的辅助动力供给装置以便帮助减少燃料消耗和排放物。

发明内容

根据本发明的第一个方面，提供一种用于为水上船舶提供动力的翼型帆，所述帆包括前翼型部件和后翼型部件，并且所述帆包括桅杆结构，至少一个翼型部件能够旋转定位，并且所述帆包括控制器以便单独地控制至少一个翼型部件相对于桅杆结构的角位置，并且所述桅杆结构相对于它的纵向轴线能够旋转并能够定位。

所述控制器优选地执行至少一个翼型部件和桅杆的自动化控制，优选地不需要或者需要最低的人工干预。所述控制器可以使用来自一个或者多个传感器(与所述帆整合、相关联或者影响所述帆)的反馈信号以便确定合适的控制信号。

一个翼型部件与所述桅杆之间为刚性的，另一个翼型部件可以相对于所述桅杆能够旋转并能够定位。

桅杆可以是能够相对于纵向轴线可以旋转地能够定位至需要的(角)位置。

两个翼型部件都可相对于所述桅杆能够枢轴地能够定位。

当对齐时，前部件与后部件可以形成翼形轮廓。

前部件和后部件之间的空间或者间隙设置为使得气流从中间穿过，优选地大体上为无障碍地通过。

当以平面查看时，优选地后部件比前部件更长。当以平面查看时，前部件可以比后部件更长。

当以平面查看时，与后部件的最大宽度相比，前部件在其最宽的点处可以具有更大的宽度。

优选地，帆翼部(sail wing)包括多组前部件与后部件，每组前部件与后部件布置在另一组的上方。

每组前部件与后部件处于大体上相同的竖向位置。

每个前部件与后部件包括前副翼和后副翼。

优选地，前部件与后部件中的至少一个能够枢轴旋转大约六十度。

每个前部件与后部件可以在曲线轨迹上能够驱动。

前部件和后部件可以被视为副翼。

优选地，每个前部件与后部件通过带齿的啮合装置能够枢轴旋转。优选地，每个带齿的啮合装置包括齿条与齿轮。

优选地，帆的作用力的中心位于桅杆的中心线的前面。

桅杆的内部容积的尺寸为要允许技工进入其中。优选地，所述桅杆的尺寸要允许对于桅杆的长度的主要部分，技工能够进入桅杆之内。优选地，桅杆的内部空间包括至少一个梯子，以便允许进入桅杆的不同部分。

在本发明的一个实施方案中，帆的维护要么在甲板平面上完成，要么在主桅杆内部完成。大型开口可以设置在工作甲板平面附近的顶部轴承的上方以便允许进入桅杆的内部区域。设置一系列错列的阶梯，以减少在内部空间中太高坠落的危险。所有在海上或者靠岸期间需要维护的系统和马达能够从内部阶梯接近。为健康和安全起见，可以提供安全绳(harness lines)和轨道系统。

本发明的另一个方面涉及一种帆组件/帆具，包括多个本发明第一个方面的帆。

在一个实施方案中，桅杆在船只中的两个轴承上旋转，并且能够被甲板平面上的减速电动机旋转。前缘(LE)和后缘(TE)副翼优选地装配在每个副翼的两个轨道上，所述轨道附接于主桅杆。副翼被升起至与主桅杆的中心线呈大约九十度的位置，副翼上的滑块与主桅杆上的轨道接合。一旦就位，副翼被旋转从而中心线对齐成一线。

优选地，所述帆大体上为刚性结构。优选地，前部件和后部件为刚性结构。

在本发明的一个实施方案中，帆包括主中间桅杆，该主中间桅杆在船只的主甲板和内部结构中的两个轴承组上旋转，并且能够随着减速电动机旋转。帆具有多个LE和TE副翼，所述副翼能够绕着主桅杆旋转，并且同样由多个减速电动机驱动。LE和TE副翼能够被驱动，从船舶的左舷或者右舷侧产生不对称的升力面。副翼还能够布置为使得在高效升力面的同时，所述副翼还能够将帆的作用力中心移动到与主桅杆的中心轴线对齐并且“自平衡”。LE和TE副翼位于中心线上的帆的作用力中心优选地与主桅杆的中心线相距足够远，并且因此总是指示风向/与风对齐而作为故障保护位置。

帆可以包括一个或者更多的特征，如具体实施方式部分中和/或在附图中所示。

根据本发明的第三个方面，提供了一种水上船舶，包括至少一个本发明的第一个方面的帆。

该船舶可以为载货船。

本发明的上述或进一步的方面可以包括上述特征和/或在具体实施方式部分和/或附图中所述的任何特征的组合。

附图说明

现在将描述本发明的各个实施方案，仅以示例的方式参考如下附图，其中：

图1为翼型帆的侧视图，

图2为第一种条件下图1的帆的横截面，

图3为第二种条件下图1的帆的横截面，

图4为图1的帆的立体图，

图5为设置有图1的翼型帆的船舶的侧视图，

图6为帆组件的前视立体图，

图7为帆组件的后视立体图，

图8为图7帆组件的帆在第一位置下的前缘和后缘的平面图，

图9为图7帆组件的帆在第二位置下的前缘和后缘的平面图，

图10为图7帆组件的帆在第三位置下的前缘和后缘的平面图，

图11为设置有图7帆组件的船舶的侧视图，以及

图12为功率曲线图。

具体实施方式

首先参考图1，其示出了一种翼形(或“翅形”)帆1，用于船只或者水上船舶，尤其用于载货船舶。如下面将描述的，帆将辅助动力提供至螺旋桨驱动的船舶，从而减少为螺旋桨提供动力所需的燃料。大体上，操作的原理为通过使用高效能翼型帆具而利用风的动力，可以从船只的舰桥上对翼型帆具进行简单地控制(很大程度上是自动的)，并且能够在航行中对其进行维护。

帆1包括桅杆2，数组前部件与后部件安装至所述桅杆2，每个前部件与每个后部件形成相应的一对，并且位于桅杆2相应的高度。每个前部件与后部件由刚性材料形成，并且可以为空心的或者实心的。这里提供前缘部件3a和后缘部件3b、前缘部件4a和后缘部件4b以及前缘部件5a和后缘部件5b。如图1中所看到的，最底下的数组前部件与后部件3a、3b、4a和4b具有平行轮廓，而最上面的组5a和5b具有锥形轮廓。

后部件5b的最上面部分设置有小翼14。

前缘部件和后缘部件装配为通过齿条齿轮装置(rack and pinionarrangements)(全部以10表示)相对于桅杆可枢转运动或者可旋转运动，从而每个部件的角位置能够得到控制。每个这样的装置可以为轨道与滑块(rack and slider)的形式。每个前缘部件和后缘部件包括上部齿条齿轮装置以及下部齿条齿轮装置。每对齿条齿轮装置布置为相对于桅杆2对部件的角位置进行控制。对于每个齿条齿轮装置，所述齿条元件与齿轮元件中的一个附接至前部件/后部件，所述齿条元件与齿轮元件中的另一个附接至桅杆。

每个前缘部件和后缘部件的角位置通过相应的齿条齿轮装置或者其他致动器被单独地控制。每对齿条齿轮装置的驱动器由液压源或者电压源来提供，所述液压源或者电压源提供方向性驱动力。

参照图2和图3，其示出了每个部件的运动的角度范围，在此情况下，每个前缘部件和后缘部件能够在六十度的范围内运动，即，中心线的每侧三十度。正如所看到的，后缘部件比前缘部件更长。当部件对齐时，形成总体翼的形状。

桅杆2为大体上空心的结构，并且包括基础部分2a，该基础部分2a呈锥形。基础部分2a被容纳在甲板20中的孔中，并且布置为用以相对于纵向轴线旋转运动。提供允许旋转运动的上轴承15a和下轴承15b。旋转运动由驱动装置产生，该驱动装置可以以液压为动力。驱动装置(没有示出)可以包括围绕桅杆设置的带齿的轴环，该带齿的轴环被驱动轮齿或类似装置驱动。驱动装置提供减速电动机(geared motor)。

为了能够进行帆的维护，桅杆包括开口17，该开口17允许技工进入桅杆2。桅杆2的内部容积为使得技工能够在内部空间之内移动并且通过附接于桅杆内壁的错列的阶梯(没有示出)而到达该内部空间中不同的高度。有利地，比起技工必须在外部接近帆，以这种方式他能够更安全地执行维护工作。例如，通过允许这样的内部进入，技工能够从桅杆2之内相对安全的地方从事维修、更换或者检查齿条与齿轮装置的工作。

对于帆2的每个前缘部件和后缘部件的安装，一旦部件定位在中心线上，电动机齿轮(motor gear)从桅杆的内部被装配，并且与副翼的尾部表面上的转动的半圆形水平齿轮(semi circular horizontal racked gear)相啮合。随着电动机齿轮旋转，副翼在轨道上滑动至期望的位置。轨道和滑块为机械加工以便自动对准，以便有利地允许桅杆在负载下弯曲和仍然工作。

现在描述本发明进一步的实施方案，其包括帆组件30。

帆组件30包括三个间隔开的翼型帆(布置为并排的装置)31a、31b以及31c。每个帆包括数组前部件与后部件，每个前部件35a和每个后部件35b形成相应的一对并且位于桅杆2相应的高度。每个前部件与后部件由刚性材料形成，并且可以为空心的或者实心的。

帆31b为中间帆并且被桅杆32支撑。支撑构件32a从桅杆32延伸，并且支撑帆31a和31c。桅杆32延伸穿过帆31b，支撑构件32a支撑延伸穿过外部的帆31a和31c的前部件的桅杆(没有示出)。帆通过连接部件37而保持隔开的关系，该连接部件37连接外部的帆的前部件至中间的帆的前部件。

后缘部件装配为可枢转的或者可旋转的运动(例如，通过齿条齿轮装置)，从而使得每个部件的角位置能够得到控制。每个这样的装置可以为轨道和滑块的布置。

每个后部件的角位置可以通过相应的制动器单独控制。每个后部件的驱动器可以被液压源或者电力供应，所述驱动器提供定向的驱动力。

参照图8、图9以及图10，其显示了每个后缘部件的运动的角度范围，在此情况下，每个后缘部件能够在六十度范围内运动，即，中心线的每侧三十度。正如所能看到的，该前缘部件比后缘部件更长。制动器36可以包括往复杆，例如包括柱塞(ram)。

每个前部件与后部件形成翼形。每个后部件通过两个臂35c连接至其相应的后缘。每个臂35c的末端连接至枢轴37，并且臂能够相对于枢轴被可控制地驱动。随着后部件和前部件位于对齐呈直线的位置(如图10所示)，所述部件彼此隔开。优选地，枢轴连接件37位于沿着帆的总长度(即，从后部件的末端至前部件的末端)的百分之十至百分之三十的位置。

桅杆32为大体上空心的结构，并且包括基础部分(与基础部分2a相似)，该基础部分为锥形。基础部分被容纳在甲板20中的孔中，并且布置为相对于纵向轴线可旋转地运动。在甲板平面处提供上轴承，并且在甲板平面之下提供下轴承，这使得桅杆可旋转运动。该旋转运动由驱动装置产生，该驱动装置可以以液压为动力。驱动装置(没有示出)可以包括围绕桅杆设置的锯齿形的轴环，该轴环被驱动轮齿或类似装置所驱动。驱动装置设有减速电动机。这使得整个帆组件能够作受控旋转。

帆组件设置在球面轴承上，该球面轴承优选地设置有不变的再循环机油泵以便保持轴承润滑。

维护口(maintenance hatch)40设置于桅杆的顶部处，以便允许附接或者释放提升滑车索(lifting strops)。

有利地，由于加速的气流越过后部件使得升力系数显著增加，帆组件30提供了效率上的增长。我们已发现，与帆1的升力系数1.4比较，帆组件30的升力系数为2.5。

所述帆或者每个帆能够由黑色金属与有色金属的组合制成，还能由复合材料(例如纤维增强塑料)制成。可以设想，由于帆将在海上经受的力，所以高强度钢将是最适合的。

应该明白，尽管示出了所述帆/每个帆的三对前部件与后部件，但是在其它实施方案中，可以提供更多或者更少对。

在使用中，一个或者更多的帆或者帆组件安装在船只的甲板上。所述帆/帆组件可以设置为与船舶的中心线对齐呈直线、相对于中心线偏移(例如朝着右舷或者左舷侧)，或者这些情况的组合。控制系统设置为允许控制每个帆的每个前部件和/或后部件。使用负载传感器的反馈系统可以用控制每组前部件与后部件的角位置以及桅杆或者每个桅杆的旋转位置，该负载传感器与桅杆或者每个桅杆结合在一起。可以额外地采用或者选择性地采用来自其他传感器甚至其他类型传感器的信息的反馈。控制系统利用来自传感器的反馈信息处理来自传感器的信号，并且布置为输出至每个前部件与后部件的控制信号，以及用于桅杆的旋转位置的控制信号，该控制系统包括设置有可执行指令的数据处理器。用这种方法，帆的控制能够受到极大的自动控制。然而，应该明白，当需要时控制系统需考虑到人工干预。在此情况下，控制可以来自船舶的舰桥，以及来自靠近帆(或每个帆)/帆组件的第二控制点。

参考图5，其显示了载货船舶100，该载货船舶100沿着船舶的中心线设置有四个帆1，参考图11，其显示了船舶200。

因为每个前部件与后部件可以单独地控制，所以每个帆的配置能够被调整，以便能够最大限度地应用风力条件(如船载传感器所示)，并且从而将帆提供的推进功率最大化。然而，在某些情况下，帆可能需要配置为将推进功率减至最小，例如当船舶需要减速或基本上不需要驱动力时。

借助于处于船只每一端的帆，有利地，可以操纵船只长途航行，并有助于减小船舵的阻力，船舵的阻力在大型船舶中是相当大的。此外，在港口内，帆可以被有利地用作用于操纵的推进器，并且在海上它们将极大地有助于稳定船只的动态摇晃。

用于多个翼部的控制系统保证这样强有力的装置的安全运行。借助于这样来自帆的能够被利用的功率，所需的燃料消耗可以有利地显著降低。图12显示了两个帆组件30的各种功率曲线(考虑了来自航空测试数据的30％损耗)。

可以设想多个帆/帆组件将安装于船只，并且定位为将装载和卸载操作的干扰减到最小。有利地，帆为坚固的、高的，且具有高的纵横比，并且帆不应该妨碍大多数天车(overhead cranes)。

由于商船的高排水量，抵抗船身倾斜力的扶正力矩将非常大，并且由翼部所造成的稳定五度船身倾斜(stable five degree heel)应该为最大值。这一点显然取决于每艘船，具体问题具体分析。实际情况为船越大此系统工作得越好。

侧向力以及由于侧向力存在的辅助动力供给，船只将总是达到大致13节(标准商业速度)。总是存在通过船体以大约十三节的速度经过水面所产生的侧向力，因此翼部的侧向力应该没有什么影响。

有利地，刚性的帆为是非常可预测的，并且很大程度上可以自平衡，控制它的力将非常低。控制系统将为故障自动保险的，例如翼部自动地与风对齐。如果以钢制造并且用液压马达驱动，这将对航运业更加有吸引力，这些是公知的，并且为非常可靠的技术。

在另一个实施方案中，每对中的后部件刚性地固定至桅杆，并且前部件安装为用于相对于后缘作受控制的角运动。凭借能够绕自身旋转的桅杆，能够以受控方式改变固定部相对于桅杆纵向轴线的角位置。

在一个实施方案中，帆/多个帆的外表面可以设置有太阳能板，从该太阳能板所获得的能源能够用于驱动角度可控制的部件。

在另一个实施方案中，安装桅杆的轴承都以套管或者轴孔罩的方式设置在甲板上方。可以理解，可以提供两个以上的轴承。

用于以上所述实施方案的桅杆轴承为自动对准的，当帆/帆组件提升到适当位置时，借助于为了水密完整性而连接这些桅杆轴承的管件而自动对准。

以上所述的实施方案包括指示风向的故障保险机构，并且可致动的前部件/后部件包括液压或者电力导螺杆致动器，该液压或者电力导螺杆致动器将释放并且允许部件自然地查找空挡位置。

优选地，桅杆或者每个桅杆在其所有高度为可以进出的，以便允许技工的维护或检查。这通过将大型开口(man-sized openings)和进出通道设置到桅杆上/设置在桅杆之内来实现。

Claims (24)

1.一种用于为水上船舶提供动力的翼型帆，所述帆包括前翼型部件和后翼型部件，并且所述帆包括桅杆，至少一个翼型部件能够旋转并能够定位，并且所述帆包括控制器以便单独地控制的至少一个所述翼型部件相对于桅杆的角位置，并且所述桅杆相对于其纵向轴线能够旋转并能够定位。

2.根据权利要求1所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中所述控制器执行所述至少一个翼型部件和桅杆的自动化控制。

3.根据权利要求2所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中所述控制器可以使用来自一个或者多个传感器(与所述帆整合、相关联或者影响所述帆)的反馈信号以便确定合适的控制信号。

4.根据前述任一项权利要求所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中一个翼型部件对于所述桅杆呈刚性关系，另一个翼型部件相对于所述桅杆能够旋转并能够定位。

5.根据前述任一项权利要求所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中翼型部件两者都相对于所述桅杆能够枢轴地能够定位。

6.根据前述任一项权利要求所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中当对齐时，前部件与后部件形成翼形轮廓。

7.根据前述任一项权利要求所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中当以平面查看时，后部件比前部件更长。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中当以平面查看时，每个部件都为翼形。

9.根据权利要求8所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中所述至少一个能够旋转并能够定位的翼型部件能够旋转地连接至(固定的)翼型部件。

10.根据前述任一项权利要求所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，包括多组前部件与后部件，每组前部件与后部件布置在另一组的上方。

11.根据权利要求10所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中每组前部件与后部件处于大体上相同的竖向位置处。

12.根据权利要求10所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中每组后部件与前部件包括前副翼和后副翼。

13.根据前述任一项权利要求所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中前部件与后部件中的至少一个能够枢轴旋转大约六十度。

14.根据前述任一项权利要求所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中每前部件与后部件可以是能够在曲线轨迹上驱动的。

15.根据前述任一项权利要求所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中每个前部件与后部件能够通过带齿的啮合装置枢轴旋转。

16.根据权利要求15所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中每个带齿的啮合装置包括齿条与齿轮。

17.根据前述任一项权利要求所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中帆的作用力的中心位于桅杆的中心线的前面。

18.根据前述任一项权利要求所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中桅杆的内部容积的尺寸要允许技工进入其中。

19.根据权利要求18所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中所述桅杆的尺寸要使得对于桅杆的长度的主要部分，允许技工进入桅杆之内。

20.根据前述任一项权利要求所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中所述帆大体上为刚性结构。

21.根据前述任一项权利要求所述的用于为水上船舶提供动力的翼型帆，其中所述桅杆支撑所述翼型部件。

22.一种翼型帆组件，包括至少两个如前述任一项权利要求所述的翼型帆。

23.根据权利要求22所述的翼型帆组件，其中所述翼型帆以隔开的关系并排设置。

24.一种翼型帆或者翼型帆组件，大体上参考附图在此描述。

Images