CN116588302A - 一种新型船舶助力风帆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型船舶助力风帆，包括船舶主体，所述船舶主体上转动连接有桅杆，所述桅杆上连接有船帆，所述桅杆的下端连接有转向机构，所述船帆的内部安装有变形机构，所述变形机构包括套接在桅杆上的外壳和安装在外壳内的主动转筒和从动转筒，外壳位于主动转筒和从动转筒的上、下端，所述外壳包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体和第二壳体上下交错分布，第一壳体位于桅杆的左侧，第二壳体位于桅杆的右侧，本发明通过设置可转动角度的桅杆和调节拱度的船帆，并在船帆内设置转筒使船帆转动，通过依次调节船帆的角度、拱度和转动船帆，逐步增大船帆所受到的推力，在不影响正常航行的情况下，最大程度的利用风能。

Description

一种新型船舶助力风帆

技术领域

本发明涉及船舶风帆技术领域，具体为一种新型船舶助力风帆。

背景技术

传统风帆可在顺风下利用风压助力，逆风与侧风条件下通过调整风帆的与来风之间的攻角，利用风帆两侧的压差产生升力，并靠推力在行驶方向的分力为船舶前进提供动力，虽然传统风帆可在多种风向下发挥作用，但是对非顺风向来风利用率不高。

近年来，多种新概念的风帆助力系统的在实船上得到应用，其中具有代表性的是天帆系统，天帆系统通过在船舶露天甲板上挂充氦气的风筝帆，通过风筝帆的牵引力来实现对船舶航行的助力，但是由于风筝帆的自由度较高，降低了其操控性与可靠性，所以该装置最大的短板是对风向要求较高，天帆系统无法应用于风向多变的场景，而仅应用于特定航线的远洋船舶。另外还有一种得到认可的新型船帆是转筒帆（也叫转子帆），转筒帆是运用马格努斯效应，使经过转筒的侧向来风在转筒的驱动下在行驶方向产生推力产生压差，进而起到利用风能为船舶助力的作用。在航线经过设计的前提下，上述两种系统可以利用特定方向的风，降低油耗达到20%-30%，但是使用场景受航线与风向的限制，当海况复杂，风向不稳定，风帆助力系统难以发挥作用。综上所述，亟需引入一种新型的助力船帆，在满足对多方向风能的高效利用的同时，提高系统的操纵性与稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型船舶助力风帆，通过依次调节船帆与气流之间的攻角、船帆的拱度并转动船帆逐步增大船帆所受到的推力，在保证横向的受力没有超过影响船舶正常航行的阈值的情况下，最大程度的提高对风能的利用率，提高风帆对航行的加速作用，达到降低油耗、节约能源的效果，同时船舶始终处于正常航行状态，提高了船舶的操纵性和稳定性。

本发明提供如下技术方案：一种新型船舶助力风帆，包括船舶主体，所述船舶主体上转动连接有桅杆，所述桅杆的下端连接有转向机构，所述桅杆上安装有变形机构，变形机构上套接有船帆，所述变形机构包括套接在桅杆上的第一套筒，所述第一套筒上套接有第二套筒，所述第一套筒上连接有上下分布的第二壳体，所述第二套筒上连接有上下分布的第一壳体，所述第一壳体和第二壳体上下交错分布，第二壳体位于桅杆的左侧，第一壳体位于桅杆的右侧，所述第二套筒上还开设有滑动槽用于使第二壳体在滑动槽内转动，所述第一壳体和第二壳体的结构对称，所述第一壳体是横截面为扁平状的环形壳体，所述第一壳体和第二壳体的内壁端部均固定主动转筒，两个主动转筒分别位于第一壳体之间和第二壳体之间，所述船帆套接在两个主动转筒上。

为了船帆转动更加顺畅，并保证船帆的张力，所述第一壳体包括固定壳体和滑动壳体，两者滑动连接，所述滑动壳体包括转筒安装槽和连接部，所述连接部与固定壳体连接，所述转筒安装槽内安装有多个从动转筒，所述主动转筒固定在转筒安装槽的外侧端部，所述固定壳体套接在第二套筒上，所述第一套筒与第二壳体的主动转筒之间以及第二套筒与第一壳体的主动转筒之间均连接有伸缩杆，所述伸缩杆位于固定壳体和滑动壳体之间用于保证船帆的张力。

为了驱动主动转筒旋转，进一步使船帆转动，提高船帆推力，所述主动转筒包括上下两端的安装部和位于中间的旋转部，下端的所述安装部内固定有电动机，所述旋转部与电动机与连接，由电动机驱动旋转，所述船帆套接在旋转部上。

为了控制桅杆、内套筒和外套筒的转动角度，进一步调整船帆与气流之间的攻角和船帆的拱度，所述转向机构包括旋转平台和控制器，所述旋转平台包括第一平台、第二平台和第三平台，所述第一平台与桅杆连接，所述第二平台固定在桅杆上，与桅杆一起转动，所述第二平台的上表面与第一套筒连接，控制第一套筒的转动，所述第三平台固定在第一套筒，所述第二套筒与第三平台连接，所述控制器控制旋转平台的转动，所述桅杆和船舶主体的甲板之间安装有测力装置，用于检测船舶纵横两向的受力信息，所述测力装置与控制器连接。

为了提高顺风航行时船帆对风能的利用率，船帆的调节方法如下：

船舶顺风航行时，

S11、将伸缩杆向两侧拉伸，将船帆完全展开；

S12、转向机构旋转调整船帆的迎风角度，增大船帆受到的推力，当纵向推力最大且横向的受力没有超过影响船舶正常航行的阈值时转向机构停止调整；

S13、将船帆固定，且船帆内部的主动转筒不转动；

船舶受到横向来风时，F_船为当前船帆所受到的推力，F_阈为船帆在不影响船舶正常航行所受到的最大值推力；

S21、转向机构调整船帆的角度，以增加船帆翼型与气流之间的攻角，增大船帆受到的推力，当F_船=F_阈时，旋转平台停止转动，将船帆角度固定；

S22、当F_船<F_阈，变形机构控制船帆变形，调整船帆的拱度，改变船帆翼型与气流之间的攻角，进一步增大船帆受到的推力，当F_船=F_阈时，变形机构停止对船帆拱度的调节；

S23、当F_船<F_阈，启动主动转筒带动船帆转动，风帆凸面运动方向与气流运动方向相同，帆面对气流起加速作用，进一步提高船帆所受的推力。

根据上述技术方案，在S21和S22中，船帆的角度转动所受到的推力L为

其中α是风帆的攻角，c是来流速度，v是机翼运动速度，ρ是流体密度，可见在一定范围内，随着攻角增大，船帆翼型产生的升力逐渐增大。

根据上述技术方案，在S23中，由主动转筒转动产生的马格努斯力为

其中，n表示主动转筒数量，h表示风帆转筒的高度，A是常数，ω表示转筒旋转的角速度，v是来流速度，r是转筒的半径，风帆所受的合力为F_船=L+Fm。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：通过依次调节船帆与气流之间的攻角、船帆的拱度并转动船帆依次增大船帆所受到的推力，在保证横向的受力没有超过影响船舶正常航行的阈值的情况下，最大程度的提高对风能的利用率，提高风帆对航行的加速作用，达到降低油耗、节约能源的效果，同时船舶始终处于正常航行状态，提高了船舶的操纵性和稳定性。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的船帆的局部结构的剖面示意图；

图3是本发明的船帆的转向机构示意图；

图4是本发明的船帆结构的俯视示意图；

图5是本发明的第一壳体的内部结构示意图；

图6是本发明的主动转筒的内部结构示意图；

图7是船舶顺风航行的船帆朝向示意图；

图8是船帆在横向来风中的朝向示意图；

图9是船帆在横向来风中的拱度变化示意图；

图10是船帆在横向来风中的船帆滚动示意图；

图中：1、船帆；2、变形机构；4、桅杆；5、旋转平台；51、第一平台；52、第二平台；53、第三平台；6、控制器；7、从动转筒；8、主动转筒；9、船舶主体；101、第一壳体；1011、固定壳体；1012、滑动壳体；10121、连接部；10122、转筒安装槽；102、第二壳体；11、伸缩杆；12、电动机；13、旋转部；14、安装部；15、第一套筒；16、第二套筒。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图1、图2和图3，本发明提供技术方案：一种新型船舶助力风帆，包括船舶主体9，船舶主体9上转动连接有桅杆4，桅杆4的下端连接有转向机构，桅杆4上安装有变形机构2，变形机构2上套接有船帆1，船帆1为高分子聚合物材料，具有充分的强度与韧性，船帆1能够随着变形机构2一起变形，变形机构2包括套接在桅杆4上的第一套筒15，第一套筒15上套接有第二套筒16，第一套筒15和第二套筒16能够实现单独的小角度的转动，第一套筒15上连接有上下分布的第二壳体102，第二套筒16上连接有上下分布的第一壳体101，第一壳体101和第二壳体102上下交错分布，第二套筒16和第一套筒15的转动能够分别对第一壳体101和第二壳体102之间的角度进行调整，调节船帆1的拱度，第二壳体102位于桅杆4的左侧，第一壳体101位于桅杆4的右侧，第二套筒16上还开设有滑动槽用于使第二壳体102在滑动槽内转动，滑动槽包括水平开设的弧形槽用于方便第二壳体102转动，同时还包括竖直开设的条形槽，用于方便将第二套筒16扣合在第一套筒15上，第一壳体101和第二壳体102的结构对称，第一壳体101是横截面为扁平状的环形壳体，第一壳体101和第二壳体102的内壁端部均固定主动转筒8，两个主动转筒8分别位于第一壳体101之间和第二壳体102之间，第一壳体101为刚性壳体，船帆1套接在两个主动转筒8上，主动转筒8转动会带动船帆1围绕变形机构2进行转动，若船帆1存在拱度，凸面的帆面运动方向与来流速度方向一致，另一侧则相反，通过这种方式可增大船帆1两侧的速度差，根据马格努斯效应，两侧速度差增大，将会产生更大的推力，进一步提高对风能的利用率。

如图4和5所示，第一壳体101包括固定壳体1011和滑动壳体1012，两者滑动连接，滑动壳体1012包括转筒安装槽10122和连接部10121，连接部10121与固定壳体1011连接，转筒安装槽10122内安装有从动转筒7，主动转筒8固定在转筒安装槽10122的外侧端部，固定壳体1011套接在第二套筒16上，第一套筒15与第二壳体102的主动转筒8之间以及第二套筒16与第一壳体101的主动转筒8之间均连接有伸缩杆11，伸缩杆11为机械式，伸缩杆11位于固定壳体1011和滑动壳体1012之间通过伸缩调整长度以保证船帆1表面具有足够的张力，伸缩杆11的伸长会使固定壳体1011与滑动壳体1012之间的总长度变长，进一步增强船帆1的张力，保证船帆1能够稳定受到风的推力。

如图6所示，主动转筒8包括上下两端的安装部14和位于中间的旋转部13，下端的安装部14内固定有电动机12，旋转部13与电动机12与连接，由电动机12驱动旋转，船帆1套接在旋转部13上，电动机12驱动旋转部13旋转，使从动转筒7旋转，进一步带动船帆1转动。

如图3所示，转向机构包括旋转平台5和控制器6，旋转平台5包括第一平台51、第二平台52和第三平台53，第一平台51与桅杆4连接，第一平台51能够驱动桅杆4转动，第二平台52固定在桅杆4的凸台上，与桅杆4一起转动，第二平台52的上表面与第一套筒15连接，控制第一套筒15的转动，第二平台52能够驱动第一套筒15单独转动，调节第二壳体102的转向，第三平台53固定在第一套筒15的凸台上，第三平台53跟随第一套筒15转动，第二套筒16与第三平台53连接，第三平台53能够单独控制第二套筒16的转动，调节第一壳体101的转向，控制器6控制旋转平台5的转动，当只有第一平台51转动，第二平台52和第三平台53不转动，桅杆4会转动，而第二平台52和桅杆4一起转动，进一步带动第一套筒15和桅杆4一起转动，第三平台53固定在第一套筒15上，从而使第三平台53上的第二套筒16和第一套筒15一起转动，进一步利用桅杆4同时控制第一套筒15和第二套筒16的转动，利用第二平台52和第三平台53的单独转动，调节第一套筒15和第二套筒16的转动，进一步控制第二壳体102和第一壳体101之间的角度，控制船帆1的拱度，桅杆4和船舶主体9的甲板之间安装有测力装置，用于检测船舶纵横两向的受力信息，测力装置与控制器6连接，将检测到的受力信息传递给控制器6，将受力信息和桅杆在正常航行下所能受到的最大推力做比较，调整船帆1的角度，在不影响正常航行的情况下最大程度的利用风能。

船帆1的调节方法如下：

如图7所示，船舶顺风航行时，

S11、将伸缩杆11向两侧拉伸，将船帆1完全展开，提高船帆1所受到的风的推力；

S12、转向机构旋转调整船帆1的迎风角度，增大船帆1受到的推力，推力随着迎风角度的增大而增大，利用测力装置对桅杆4的受力进行检测，当纵向推力最大且横向的受力没有超过影响船舶正常航行的阈值时转向机构停止调整，避免桅杆受损；

S13、使船帆1处于最大推力下进行航行，最大程度的利用了风能，且船帆1内部的主动转筒8不转动，避免进一步增大了船帆1推力，对桅杆4造成损伤。

船舶受到横向来风时，F_船为当前船帆1所受到的推力，F_阈为船帆1在不影响船舶正常航行所受到的最大值推力；

如图8所示，S21、转向机构调整船帆1的角度，以增加船帆1翼型与气流之间的攻角，增大船帆1受到的推力，当F_船=F_阈时，旋转平台5停止转动，将船帆1角度固定；

如图9所示，S22、当F_船<F_阈，变形机构2控制船帆1变形，调整船帆1的拱度，改变船帆1翼型与气流之间的攻角，进一步增大船帆1受到的推力，当F_船=F_阈时，变形机构2停止对船帆1拱度的调节；

如图10所示，S23、当F_船<F_阈，启动主动转筒8带动船帆1转动，风帆凸面运动方向与气流运动方向相同，船帆1更凸的一侧帆面运动方向与来流速度方向一致，另一侧则相反，增大船帆1两侧的速度差，会产生更大的推力，帆面对气流起加速作用，进一步提高船帆1所受的推力。

在S12、S21和S22中，船帆1的角度转动所受到的推力L为

其中α是风帆的攻角，c是来流速度，v是机翼运动速度，ρ是流体密度，可见在一定范围内，随着攻角增大，船帆1翼型产生的升力逐渐增大。

在S23中，由主动转筒8转动产生的马格努斯力为

其中，n表示主动转筒8数量，h表示风帆转筒的高度，A是常数，ω表示转筒旋转的角速度，v是来流速度，r是转筒的半径，如图9所示，船帆所受的合力为船帆在风力作用下受到的推力和船帆滚动在船帆两侧存在速度差而产生的推力的和，即F_船=L+Fm。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型船舶助力风帆，包括船舶主体，所述船舶主体上转动连接有桅杆，所述桅杆的下端连接有转向机构，其特征在于：所述桅杆上安装有变形机构，变形机构上套接有船帆，所述变形机构包括套接在桅杆上的第一套筒，所述第一套筒上套接有第二套筒，所述第一套筒上连接有上下分布的第二壳体，所述第二套筒上连接有上下分布的第一壳体，所述第一壳体和第二壳体上下交错分布，第二壳体位于桅杆的左侧，第一壳体位于桅杆的右侧，所述第二套筒上还开设有滑动槽用于使第二壳体在滑动槽内转动，所述第一壳体和第二壳体的结构对称，所述第一壳体是横截面为扁平状的环形壳体，所述第一壳体和第二壳体的内壁端部均固定主动转筒，两个主动转筒分别位于第一壳体之间和第二壳体之间，所述船帆套接在两个主动转筒上。

2.根据权利要求1所述的一种新型船舶助力风帆，其特征在于：所述第一壳体包括固定壳体和滑动壳体，两者滑动连接，所述滑动壳体包括转筒安装槽和连接部，所述连接部与固定壳体连接，所述转筒安装槽内安装有多个从动转筒，所述主动转筒固定在转筒安装槽的外侧端部，所述固定壳体套接在第二套筒上，所述第一套筒与第二壳体的主动转筒之间以及第二套筒与第一壳体的主动转筒之间均连接有伸缩杆，所述伸缩杆位于固定壳体和滑动壳体之间用于保证船帆的张力。

3.根据权利要求1所述的一种新型船舶助力风帆，其特征在于：所述主动转筒包括上下两端的安装部和位于中间的旋转部，下端的所述安装部内固定有电动机，所述旋转部与电动机与连接，由电动机驱动旋转，所述船帆套接在旋转部上。

4.根据权利要求1所述的一种新型船舶助力风帆，其特征在于：所述转向机构包括旋转平台和控制器，所述旋转平台包括第一平台、第二平台和第三平台，所述第一平台与桅杆连接，所述第二平台固定在桅杆上，与桅杆一起转动，所述第二平台的上表面与第一套筒连接，控制第一套筒的转动，所述第三平台固定在第一套筒，所述第二套筒与第三平台连接，所述控制器控制旋转平台的转动，所述桅杆和船舶主体的甲板之间安装有测力装置，用于检测船舶纵横两向的受力信息，所述测力装置与控制器连接。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种新型船舶助力风帆，其特征在于：船帆的调节方法如下：

船舶顺风航行时，

S11、将伸缩杆向两侧拉伸，将船帆完全展开；

S12、转向机构旋转调整船帆的迎风角度，增大船帆受到的推力，当纵向推力最大且横向的受力没有超过影响船舶正常航行的阈值时转向机构停止调整；

S13、将船帆固定，且船帆内部的主动转筒不转动；

船舶受到横向来风时，F_船为当前船帆所受到的推力，F_阈为船帆在不影响船舶正常航行所受到的最大值推力；

S21、转向机构调整船帆的角度，以增加船帆翼型与气流之间的攻角，增大船帆受到的推力，当F_船=F_阈时，旋转平台停止转动，将船帆角度固定；

S22、当F_船<F_阈，变形机构控制船帆变形，调整船帆的拱度，改变船帆翼型与气流之间的攻角，进一步增大船帆受到的推力，当F_船=F_阈时，变形机构停止对船帆拱度的调节；

S23、当F_船<F_阈，启动主动转筒带动船帆转动，风帆凸面运动方向与气流运动方向相同，帆面对气流起加速作用，进一步提高船帆所受的推力。

6.根据权利要求5所述的一种新型船舶助力风帆，其特征在于：在S12、S21和S22中，船帆的角度转动所受到的推力L为

其中α是风帆的攻角，c是来流速度，v是机翼运动速度，ρ是流体密度，可见在一定范围内，随着攻角增大，船帆翼型产生的升力逐渐增大。

7.根据权利要求5所述的一种新型船舶助力风帆，其特征在于：在S23中，由主动转筒转动产生的马格努斯力为

其中，n表示主动转筒数量，h表示风帆转筒的高度，A是常数，ω表示转筒旋转的角速度，v是来流速度，r是转筒的半径，风帆所受的合力为F_船=L+Fm。