CN117377616A - 风帆推进装置、风帆推进的交通工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风帆推进装置，该风帆推进装置包括：桅杆(3)；可充气风帆(1)，其基本上由两个大体密封的相邻表面(4a、4b)组成，两个相邻表面(4a、4b)围绕它们的周边彼此连接，从而在它们之间形成围绕桅杆(3)的至少一个闭合腔体，所述风帆包括上部、下部、前缘(6)和后缘(7)；至少一个空气导管，其设置在风帆的腔体的内部和外部之间；至少一个用于将空气注入所述腔体的装置，风帆一旦充气不论所述推进装置的移动或者风的方向或强度如何都具有保持永久性对称的轮廓；顶板，其位于风帆的上部；以及风帆容座，其在风帆的下部位于前缘与后缘之间。装置的特征在于，风帆包括在风帆上沿跨距方向布置的多个单元室(5)，每个单元室(5)从前缘(6)延伸至后缘(7)，所述单元室(5)由肋间隔开，所述肋由第一软质材料组成。

Description

风帆推进装置、风帆推进的交通工具

技术领域

本发明涉及一种可充气风帆，属于风帆推进领域或混合动力风帆推进领域。

下面给出对在下文所用的一些定义的提示：

-缩帆：在于通过将风帆从底部部分地收拢来减少风帆的表面积，从而调整风帆的表面积以适应风的强度。可以手动或自动地进行缩帆。

-缩帆带：部分加强的水平区域，其可附接有缩帆转动块(其例如具有索环或滑轮)。这些缩帆带在风帆上设置在风帆具有缩帆点的每个高度的肋处。有多少缩帆的可能性，就有多少缩帆带。

-拦帆索：用于在缩帆和下降风帆的操作过程中引导风帆的设备。

-帆桁：相对于桅杆底部铰接的水平梁，其保持并允许某些风帆的定向。当风帆已经降下时，帆桁也可以接收风帆。某些帆船具有桅杆辊；风帆则存储在桅杆中。

-摆动：正在摆动的风帆没有被充分地拉紧，因此部分地瘪下去。良好调整的风帆需要处于摆动的极限。恰当鼓起的风帆不会摆动，所以可以迎风航行。

-前缘：气动力学轮廓(翼、螺旋桨等)的前部，流体在该前部会分成两股流。

-后缘：任何轮廓(翼、龙骨、舵叶等)的特征性部分，在其每一侧经受流体(空气、水等)的流动。它是指与方向感相反的部分，换言之，是指在从流动的方向考虑时的后部。

-顶板：风帆的上端，其与风帆的上部轮廓一致。

-下降：在于降下风帆。

-提升：在于升起风帆。

-索具：帆船类型的船的固定部件和移动部件的集合，其使得可对船进行推进和操纵。

-风帆容座：除了接收下降的风帆外，它还可以包括其他功能，例如对风帆所提供的张力作出反应，或者容纳用于操作风帆的其他致动器、储能传感器和控制模块。

-水动力阻力：船与水之间的摩擦力。阻力越大，船就越慢。

-气动力阻力：物体在移动通过流体时所受到的力的分量，其是在与移动方向相反的方向上施加的。根据本发明，风帆产生气动力阻力。

-气动力升力：物体在移动通过流体时所受到的力的分量，其是垂直于移动方向施加的。根据本发明，风帆产生气动力升力。

-相对风或视风：由船的自身速度产生的风与实际风速的矢量和。

-气动力合力：气动力升力与气动力阻力的矢量和。

背景技术

从文献WO 2017/221117A1中已知一种风帆推进装置，其包括具有对称轮廓的可充气风帆。该推进装置包括可充气风帆，所述可充气风帆基本上由两个大体密封的相邻表面组成，两个相邻表面沿着它们的周边接合在一起，从而形成至少一个闭合腔体。该装置进一步包括在腔体的内部和外部之间设置的导管以及用于将空气注入腔体的装置。一旦充气后，无论装置的移动或者风的方向或强度如何，这种风帆的轮廓都保持永久性对称。该文献中的风帆在用于航行时被不断地充气。

可惜，如这样的软质风帆的缺点是不能提供适合其各个使用阶段(特别是在提升和下降阶段中)的充气水平。具体地，与硬质风帆不同，软质风帆在这些操作(提升和下降)阶段没有明确界定的位置。在这些阶段中，重要的是保持风帆靠近风帆轮廓的对称轴，以避免风帆落入水中或被附近的元件卡住、或未塌陷成适合紧凑存放的一堆。此外，重要的是在下降或缩帆阶段的风帆中保持轻微压力，以防止其摆动，因为这可能会缩短其寿命。

最后，这样的风帆需要存在多个空气注入点，以便在收拢的情况下可以将其提升，由此需要改变制成风帆的织物的结构，然而仍不能使收拢的风帆快速可靠地展开。

再次地，文献WO2009043823A1公开了一种滑翔伞，其从前缘延伸到后缘的翼形轮廓在风帆的跨距方向上包括多个单元室，这些单元室通过肋彼此间隔开。这种滑翔伞包括在下游的多个空气入口，这些空气入口用于在飞行期间使第一存储空间鼓起。

可惜，这种风帆包括不同类别的单元室，这些单元室具有或不具有旨在用于通过空气的开口。这些单元室设置为不仅用于将空气从一个单元室均匀且连续地传送至另一个单元室，直到例如收拢的风帆完全展开，而且还用于在风帆部分或全部下降的过程中喷出空气，没有风帆落入水中的风险。最后，开口在风帆的体积上的不规则分布往往会导致在展开风帆时遇到困难，因为由于孔口没有适当地对齐以允许空气通过而在孔口处阻塞的可能性很大。

发明内容

因此，仍然需要一种可充气风帆，其在下降/充气过程中将空气均匀平稳地传送通过风帆的整个体积，并且同时风帆沿着桅杆恰当地保持在其对称轴线上，不会摆动，没有损坏的风险，并且其可以手动或自动地反复进行完全或部分的展开。此外，即使在展开位置，仍然需要能够使得充气设备的消耗最小化，并且能够将它们置于风帆容座中以简化电力的供应。

本发明的一个主题是一种风帆推进装置，该风帆推进装置包括：桅杆；可充气风帆，其基本上由两个大体密封的相邻表面组成，两个相邻表面沿着它们的周边接合在一起，从而在它们之间形成至少一个围绕桅杆闭合的腔体，所述风帆包括上部、下部、前缘和后缘；至少一个空气导管，其设置在风帆的腔体的内部和外部之间；至少一个用于将空气注入所述腔体的装置，风帆一旦充气不论所述推进装置的移动或者风的方向或强度如何都具有保持永久性对称的轮廓；顶板，其设置在风帆的上部；以及风帆容座，其在风帆的下部设置在前缘与后缘之间。

根据本发明的推进装置的特征在于，风帆包括在风帆的跨距方向上的多个单元室，每个单元室从前缘延伸至后缘，所述单元室由肋间隔开，所述肋由允许空气通过的第一软质材料(例如3D类型的结构)制成。

因此，肋界定了两个相邻的单元室，设有多个肋来界定风帆的多个单元室。有利的是，肋允许空气通过，使压降最小化，而且还能够传递负荷。在此应该强调如下的重要性：能够使空气在充气过程中所经历的压降(亦即空气为了经过其完整路径而需要克服的压力水平)最小化。具体地，当风帆是降下的并且操作者希望用空气对风帆充气时，关键的是，在本发明的解决方案中从风帆的底部到达的所吹空气不应被困在最下面的箱形部分(或底部单元室)中，而应在充气期间能够尽可能容易地接近风帆的顶部(风帆的顶部单元室)。如本发明所提出的，在单元室之间设置的能够允许空气通过的肋提供了该问题的解决方案，因为现在可以使用肋的整个表面积来允许空气通过。因此，与现有技术的配置(其中，空气必须穿过在肋中形成的多个孔，并且根据风帆降下时这些肋的堆叠方式压降可能更大)不同，空气在此总是可成功地获取容易的路径来供应所有的单元室，特别是在风帆上部的那些单元室。

根据本发明的推进装置提供以下各种优点。

由于空气连续地通过每个肋，空气从一个单元室平稳均匀地流通到另一个单元室。具体地，肋允许空气在其基本整个表面积上穿过，使得即使仅存在一个单一的空气注入点，也可以获得在整个体积中近乎均匀的内部压力，从而确保了风帆的轮廓的精度。这种肋的存在使得在风帆放气之后的自动充气和收拢更容易，特别是仅使用存在于风帆容座中(因此位于风帆的下部)的风扇，并且没有任何外部干预。透气肋与现有的解决方案相比改善了空气的传送，并且同时是将风扇置于风帆的下部。因此，在现有技术的可充气风帆中，空气通过位于风帆前缘上的多个孔口和风扇到达，使得电力供应电缆需要穿过各个单元室以便连接风扇。使用在基本整个表面积上可透气的肋，简化了对致动器(风扇)的电力供应，这些致动器可以由此位于风帆接收容座中，从而位于风帆的下部，并且同时在风帆的整个体积中提供均匀的充气。风扇可以由注入空气的其他手段代替，例如鼓风机，或加压空气供给。

对称轮廓意指在翼的拱腹侧和拱背侧的压力相等时完全对称的轮廓，但考虑到风帆的柔软性(当谈到充气的帆时，顺便称之为机翼)，当风帆的拱腹侧和拱背侧之间的压力差导致轮廓轻微变形时，所述轮廓可能略有变化。

优选地，每个肋包括围绕桅杆界定的增强区域，所述增强区域由被增强以能够传递负荷的软质复合材料制成。

作为优选，第一软质材料和第二软质材料是具有不同编织的编织材料。

作为优选，第一软质材料具有约2至4mm的网孔尺寸。

作为优选，第二软质材料具有约2至4mm的网孔尺寸。

作为优选，肋包括从前缘延伸到后缘的中央带。

作为优选，中央带由第二软质材料制成。在本发明的替代形式中，中央带是实心的。

作为优选，中央带具有范围为1至10cm的宽度。

作为优选，单元室间隔开0.8至2m之间的距离。

作为优选，沿着前缘均匀地设置有离散的增强件。

作为优选，引导线设置在所述风帆的闭合腔体中，用于提升和下降风帆的操纵，所述引导线从所述风帆的前缘延伸到后缘，穿过顶板和风帆容座，所述引导线穿过离散的增强件。要回顾的是，引导线是通过线绳绳索产生的设备，用以使得可在操作期间以及在提升或下降阶段中对风帆进行恰当的几何定位。具体地，风帆的肋(例如在该风帆的高度的中间考虑时)因其允许桅杆穿过为此目的所形成的孔而在位置上受到约束，但除了风帆的刚性(低)之外，没有什么可防止它在施加至风帆的压力的作用下围绕桅杆旋转。这样的旋转会产生如下影响：造成风帆扭曲，从而以不利于风帆性能的方式改变其轮廓。为了避免这种扭曲，每个肋具有在离桅杆足够远的位置穿过其的引导线。在提升或下降的过程中，肋沿着桅杆并沿着这根引导线滑动。

作为优选，当存在引导线时，引导线形成为一个部件，在后缘上固定地附接至风帆容座并且能够通过前缘上的辊移动，或者能够通过后缘上在风帆容座中的辊移动并且固定地附接至前缘；引导线沿着顶板设置为能够在后缘与前缘之间的至少一个滑轮上移动。

作为优选，当存在引导线时，引导线形成为两个部分，在后缘侧的第一部分是固定的或者能够与顶板上的滑轮一起移动并能够通过风帆容座上的辊移动；在前缘侧的第二部分是固定的或者能够与顶板上的滑轮一起移动并能够通过风帆容座上的辊移动。

本发明的另一个主题是通过风帆推进或混合动力推进的交通工具，其包括至少一个如上文所述的风帆推进装置、船体和桅杆，所述桅杆固定至所述船体并同时仍然保持旋转自由度。这种交通工具的特征在于，桅杆的大部分设置在上述可充气风帆的腔体内。

作为优选，桅杆设置在所述可充气风帆的腔体内。

作为优选，风帆根据风的方向和根据交通工具的行驶方向手动或自动地定向。

根据本发明的混合动力推进的交通工具意指风帆推进与诸如以下的另一种推进源联合：例如，借助于由电动机或内燃机(具有电池、氢(带燃料电池)、天然气或燃料油作为储能方式)驱动的螺旋桨的推进。

交通工具意指在陆地或水上移动的任何船只，其可以具有或不具有轮子。

附图说明

将借助以下附图对本发明进行描述，这些附图是示意性的并且不必按比例绘制，其中：

-图1提供了对施加在船舶(例如机动帆船类型)上的各种物理力的提示，尤其是合成气动力的投影的提示；

-图2为根据本发明的风帆推进装置的示意性前视图，其是完全升起的；

-图3为部分地包括肋的风帆推进装置的示意性前视图；

-图4为根据本发明的风帆推进装置中包括肋的部分的放大示意图；

-图5为根据本发明的风帆推进装置的示意性前视图，其是完全收拢的；

-图6为肋的示意性立体图。

具体实施方式

在借助上述附图更详细地解释形成本发明主题的风帆推进装置之前，下面给出对一些水动力学定义和气动力学定义的提示。

风帆推进交通工具(下文称为帆船或船舶)与空气和水接触。从物理角度来看，主要因素是施加在船体、风帆和附属体(中央板、龙骨、船舵、螺旋桨)上的水动力和气动力。

如图1所示，气动力(或风帆推力)是空气被至少一个风帆偏转的结果。气动力与风帆的位置和表面积以及相对风的位置和强度有关。阻力在相对风的方向上，升力在垂直于相对风的方向上，并不总是垂直于风帆。例如，在0°时，对称轮廓不会产生升力，因为空气在拱背表面和拱腹表面上覆盖的距离完全相同。此时，它只产生阻力。

由风帆产生的气动力也可以在船的参考系(而不是风帆的参考系)中分解成风帆推进力(沿着船的行驶轴线)和漂移力(垂直于船的轴线)，漂移力可能导致船倾侧(倾侧是如由外部现象(例如风)所引起的船的横向倾斜)。

水动力是水与船体、中央板或龙骨以及各种水下附属体摩擦的结果。它的方向取决于它所对抗的气动力、混合动力模式下的推进力、海况和洋流。纵向分量称为水动力阻力，横向分量称为侧向力、抗倾侧力或水动力升力。水动力的方向和强度不仅仅取决于气动力。对于以混合动力模式(风和另一种能源)运行的水面船只(船)，水动力将在很大程度上取决于例如通过发动机或马达推进所产生的船只速度、海况和洋流。

当风帆的力大于水动力时，船会加速。当风帆的力小于水动力时，船会减速。此外，如果气动力较大，但是朝向船的后部，则船将减速。如果水动力朝着船的行驶方向(由于水流强劲)，则船将加速。

通过使得对风帆的调整最佳化，帆船会在行驶方向上的风帆推力方面实现最大性能。具体地，通过使得风帆相对于相对风和船的方向的角度最佳化并通过调整风帆的表面积，可以使得船沿着船的轴线实现最大的风帆推进水平。取决于风的条件，可能需要进行额外的调整操作，以改变风帆中的内部压力。这样则使得借助于风帆推进，能够提高船的速度，或者在另一方面，保持相同的速度并同时减少其他能源的消耗。

图1以参数自身的具体标记重复了上述定义的每个参数，所有参数如下文所列：

a：升力

b：阻力

c：气动力合力

d：气动力推力(沿着船舶的轴线)

e：气动力漂移力

f：相对风

g：翼与船轴线之间的相对角度(例如15°)

h：相对风与船轴线之间的角度(例如30°)

i：螺旋桨推进力

j：船体

k：风帆

l：桅杆

m：气动力推力的中心

n：螺旋桨

o：在固定部件上的传感器(船体参考系)

p：在移动部件上的传感器(风帆参考系)

图1中给出的信息允许从船体参考系中的数据传感器转换到风帆参考系中的数据传感器，反之亦然。

图2示出了根据本发明的具有整体标记1的推进装置，其安装在帆船类型的船的船体2上，使用自支撑桅杆3。桅杆3使用支撑件(未示出)连接至船体，所述支撑件旨在吸收物理力的负荷。在支撑件或桅杆自身处测量负荷。风帆包括两个相邻表面4a和4b，这两个相邻表面4a和4b以形成闭合腔体的方式彼此连接。每个表面4a、4b可以由具有多个层的材料制成，从而实现诸如机械强度、气密性、耐火性和抗紫外线的各种特性。

风帆1包括沿跨距方向在风帆1的整个高度上分布的多个单元室5。每个单元室5从前缘6延伸到后缘7(如图5所示)。单元室5间隔开约1m。

如图3所示，单元室5通过肋8彼此分隔开。每个肋8由第一材料制成，所述第一材料例如为由约3mm的纬纱填充的经纱组成的编织材料，其中纱线可能涂覆有诸如PVC的化合物。即使在下降模式下收拢风帆时，这种类型的3D编织也可确保空气恰当的通过。

可以为编织材料的该第一材料通过粘合方式、缝合或熔接或任何可稳固附接的其他方式附接至风帆。不进行后续涂覆，因为这会堵塞材料的孔隙并阻止空气恰当地流通。

甚至可以通过第一编织材料使用这样的织物，其在构成风帆1的外层的材料与肋8的第一编织材料之间实现渐进式过渡。也可以使用丝线膜。

如图4所示，每个单元室5由肋8分隔开。在提升/下降的过程中，由风扇或任何其他充气装置产生并位于例如风帆容座中的空气被吹入或吸入到风帆的腔体中。空气从上到下或从下到上(取决于风帆是充气还是放气)穿过肋8(箭头9)，从而使得不论风帆是完全展开的情况，还是风帆已经通过缩帆减少了风帆面积的情况，还是风帆在肋是堆叠的同时开始充气的情况，风帆1中的内部压力均可基本均匀地分布。

肋8的构造还使得能够对与风帆1的内部压力相关的负荷作出反应，并且使得能够将施加到风帆1的轮廓上的气动力压力传递至桅杆3。实际上，肋可对风帆的内部压力作出反应，并且还能够传递气动力。

如符号所示(箭头10)，风帆的内部压力施加到风帆的壁上。

根据本发明的用于肋8的第一编织材料的特定选择，特别是制成该材料的纱线的定向，使得可将气动力从风帆恰当地传递至桅杆3。围绕桅杆3的有限的空气通道并非是不利的。最重要的是允许空气通过肋的前部(朝向前缘)和肋的后部(朝向后缘)。换言之，肋不是固定在桅杆上的，而是“浮动”的。尽管如此，这允许传递气动力，并且同时使得能够将空气均匀地分布在风帆的整个体积中。

与分布在风帆的表面上的离散孔口不同，使用根据本发明的允许空气通过并可对负荷作出反应的第一材料的第一益处在于，它避免了一个或多个孔口的部分或完全阻塞(阻塞将对空气在风帆1的腔体中的恰当流通产生更大的不利影响)。

第二益处在于，它使得可以显著地降低压降并同时保持足够的强度来传递负荷，从而降低功率并因此降低充气设备的能耗。

该第一材料的最后益处是可以在前缘免用风扇。通过本发明的解决方案，在风帆容座中设置的风扇足以用于需要吹入空气或抽出空气的大多数操纵。

如图5所示，单元室5允许空气(箭头9)向上通过根据本发明的完全收拢的装置，从而提升风帆1。

图6中的示意图示出了在风帆的下部围绕桅杆3界定的增强区域11。该区域具有约7.5m²的表面积。它由与第一材料不同的第二材料制成，其例如可以使用相同的材料但具有不同的角度来制得，例如第一材料具有0°和90°的编织角，第二材料相对于第一材料具有+/-45°的角度。在替代形式中，这种增强可以通过使用与肋相同的编织织物并且通过将两个织物层彼此成45°叠置来实现。

该第二材料由尺寸为约3mm的网孔限定。

图5进一步示出了由增强材料制成的带12的存在。该带12具有约80mm的宽度。

其功能是在各种线绳索(例如缩帆线或引导线)穿过的点处分配力并限制磨损。

可以在肋8处沿着前缘和/或后缘均匀地设置离散的增强件(未示出)。

示例

如下示例仅以举例的方式给出，是完全非限制性的。下表整理了各种可能的情况。

风帆的外层(也称为主体)由编织织物制成，所述编织织物包括与外部空气接触的外部部分和内部部分。这种织物可以是涂覆有聚氨酯的编织聚酯。对于约100m²的风帆面积，该织物的克重可以是180g/m²。

风帆的上部可以使用Velcro类型的钩环带固定。风帆的外部部分与肋之间的连接(内部连接)以及外部部分的组成元件之间的连接可以通过熔接或粘接或任何其他连接方式(例如拉链)来实现，所述连接方式能够确保与现有充气系统相配的足够低的渗透水平，同时还确保负荷的传递。

Claims (13)

1.风帆推进装置，其包括：

a.桅杆(3)，

b.可充气风帆(1)，其基本上由两个大体密封的相邻表面(4a、4b)组成，两个相邻表面(4a、4b)沿着它们的周边接合在一起，从而在它们之间形成至少一个围绕所述桅杆(3)闭合的腔体，所述风帆包括上部、下部、前缘(6)和后缘(7)，

c.至少一个空气导管，其设置在风帆的腔体的内部和外部之间，

d.至少一个用于将空气注入所述腔体的装置，风帆一旦充气就具有保持永久性对称的轮廓，不论所述推进装置的移动或者风的方向或强度如何，

e.顶板，其设置在风帆的上部，

f.风帆容座，其在风帆的下部设置在前缘(6)与后缘(7)之间，

其特征在于，风帆包括在风帆的跨距方向上的多个单元室(5)，每个单元室(5)从前缘(6)延伸至后缘(7)，所述单元室(5)由肋(8)间隔开，所述肋(8)由允许空气通过的第一软质材料制成。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，每个肋(8)包括围绕桅杆(3)界定的增强区域(11)，所述增强区域(11)由复合第二软质材料制成。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一软质材料和第二软质材料是具有不同编织的编织材料。

4.根据权利要求1或3中任一项所述的装置，其中，所述第一软质材料具有约2至4mm的网孔尺寸。

5.根据权利要求2或3中任一项所述的装置，其中，所述第二软质材料具有约2至4mm的网孔尺寸。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述肋包括从前缘延伸到后缘的中央带。

7.根据权利要求2和6所述的装置，其中，中央带由第二软质材料制成。

8.根据权利要求5或6中任一项所述的装置，其中，中央带具有范围为1至10cm的宽度。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述单元室间隔开0.8至2m之间的距离。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，沿着前缘均匀地设置有离散的增强件。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，引导线设置在所述风帆的闭合腔体中，用于提升和下降风帆的操纵，所述引导线从所述风帆的前缘延伸到后缘，穿过顶板和风帆容座，所述引导线穿过离散的增强件。

12.通过风帆推进或混合动力推进的交通工具，其包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的装置、船体和固定至所述船体但仍然保持旋转自由度的桅杆，其特征在于，所述桅杆的大部分设置在所述可充气风帆的腔体内。

13.根据权利要求12所述的交通工具，其中，所述风帆根据风的方向和根据交通工具的行驶方向手动或自动地定向。