CN117508535A - 一种攻角控制装置及被动攻角翼型帆船 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种攻角控制装置及被动攻角翼型帆船，属于硬帆的被动攻角控制领域。该攻角控制装置包括翼型帆和旋转机构，翼型帆包括翼型帆面、桅杆和与桅杆相匹配的底座，桅杆垂直于底座，桅杆与底座可转动连接，桅杆与翼型帆面的底部固定连接，旋转机构设置于翼型帆面的顶部。旋转机构包括电机和转筒，电机包括旋转驱动部件，变速部件和输出轴，电机设置于翼型帆面的顶部，输出轴与桅杆平行，输出轴与转筒固定连接。该被动攻角翼型帆船包括双船体和多个攻角控制装置，多个攻角控制装置成阵列排布在双船体上。采用本发明提供的一种攻角控制装置及被动攻角翼型帆船，能够解决现有技术中翼型帆结构过大，主帆面积过小，受到推进力不足的问题。

Description

一种攻角控制装置及被动攻角翼型帆船

技术领域

本发明涉及硬帆的被动攻角控制领域，特别涉及一种攻角控制装置及被动攻角翼型帆船。

背景技术

现代风帆多采用升力推进形式，基于机翼升力原理，使用翼型形状作为风帆的横截面形状，翼型硬帆的升力和阻力受攻角的影响显著，因此需要根据风向实时的调整风帆的帆角，以使风帆具有最佳的推进性能。现有的主动式攻角控制和被动式攻角控制两种，主动式攻角控制是通过风向传感器获得来流方向，通过电机控制桅杆转动来得到目标攻角。被动攻角控制是通过使桅杆具有转动自由度，其风帆攻角控制通过其他结构来实现。在多风帆系统中，因为风帆的相互影响导致上游风帆的尾流会对下游风帆的攻角产生影响，来流风向角和经过上游翼型风帆的风向角之间会有一个变化，通常风向角会变小，因此为了达到最佳的推进效果，多帆系统的各个风帆的帆角都是不同的，进而增加多帆系统的各个帆的主动攻角控制的复杂度，因此当使用被动式攻角控制时可以根据当前的来流风向，自动进行修正，选择最佳的来流攻角。

现有技术中的被动攻角控制是一种尾翼式的攻角控制方式，在主帆的后方设计一个小型的翼型帆，通过控制尾翼翼型帆的攻角，改变升力系数，从而改变为尾翼作用在桅杆上的扭矩，使主帆的攻角发生改变，从而对攻角进行控制。

现有技术中的被动攻角控制是基于尾翼的被动攻角控制，其结构过大，在有限的船体空间内，会导致布置的主帆面积缩小，降低了风帆的推进性能。

发明内容

本发明实施例提供了一种攻角控制装置及被动攻角翼型帆船，能够解决现有技术中翼型帆结构过大，主帆面积过小，受到推进力不足的问题。所述技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种攻角控制装置，包括翼型帆和旋转机构，

所述翼型帆包括翼型帆面、桅杆和与所述桅杆相匹配的底座，所述桅杆垂直于所述底座，所述桅杆与所述底座可转动连接，所述桅杆与所述翼型帆面的底部固定连接，所述旋转机构设置于所述翼型帆面的顶部；

所述旋转机构包括电机和转筒，所述电机可驱动所述转筒转动，所述转筒转动的轴线与所述桅杆平行。

可选地，所述桅杆与所述翼型帆面底部间设有导流板，所述导流板平行所述底座设置。

可选地，所述旋转机构与所述翼型帆面顶部间设有导流支撑板，所述导流支撑板平行所述底座设置，所述旋转机构设置于所述导流支撑板上。

可选地，所述导流板和所述导流支撑板为两个直径相同的圆形板。

可选地，所述旋转机构设置在所述翼型帆面的弦线上。

可选地，所述旋转机构设置在所述导流支撑板的边缘。

可选地，所述旋转机构设置有两个，且分别设置在所述翼型帆面弦线的两端。

可选地，所述桅杆和所述翼型帆面可拆卸连接。

第二方面，本发明实施例提供了一种被动攻角翼型帆船，包括前述任一项所述的攻角控制装置，还包括双体船，所述底座设置在所述双体船上。

可选地，所述翼型帆和所述旋转机构设置有多个，且多个所述翼型帆呈阵列排布在所述双体船上。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明提供的一种攻角控制装置及被动攻角翼型帆船，可以通过控制设置在翼型帆上的旋转机构旋转的速度和方向，从而控制来流风向的攻角，使得翼型帆获得最佳的推进力，省去了尾翼的设计，节省了船体大量空间，可以使翼型帆面尽可能大的设计，进一步提高在风力作用下翼型帆受到的推进力，能够有效解决现有技术中翼型帆结构过大，主帆面积过小，受到推进力不足的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的翼型帆受力图；

图2是本发明实施例提供的图1的A处放大示意图；

图3是本发明实施例提供的翼型帆压力示意图；

图4是本发明实施例提供的被动攻角翼型帆船受力示意图；

图5是本发明实施例提供的被动攻角翼型帆船整体示意图。

图中：1-翼型帆；11-翼型帆面；12-桅杆；13-底座；14-导流板；15-导流支撑板；2-旋转机构；21-电机；211-旋转驱动部件；212-变速部件；213-输出轴；22-转筒；3-双体船。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的翼型帆受力图；图2是本发明实施例提供的图1的A处放大示意图；图3是本发明实施例提供的翼型帆压力示意图；图4是本发明实施例提供的被动攻角翼型帆船受力示意图；图5是本发明实施例提供的被动攻角翼型帆船整体示意图。

如图1至图3所示的一种攻角控制装置，包括翼型帆1和旋转机构2，翼型帆1包括翼型帆面11、桅杆12和与桅杆12相匹配的底座13，桅杆12垂直于底座13，桅杆12与底座13可转动连接，桅杆12与翼型帆面11的底部固定连接，旋转机构2设置于翼型帆面11的顶部。

旋转机构2包括电机21和转筒22，电机21可驱动转筒22转动，转筒22转动的轴线与桅杆12平行。

示例性地，在本发明实施例中，旋转机构2包括电机21和转筒22，电机21包括旋转驱动部件211，变速部件212和输出轴213，电机21设置于翼型帆面11的顶部，输出轴213与桅杆12平行，输出轴213与转筒22一端面的圆心固定连接，旋转驱动部件211可驱使转筒22旋转，变速部件212可改变转筒22旋转速度。

桅杆12沿长度方向穿透翼型帆面11并与其在转动方向上固定连接，桅杆12与翼型帆面11的接合点位于翼型帆面11的弦线上。选取翼型帆面11的截面为NACA0018翼型，NACA0018翼型是一个以其弦线为对称轴的对称弧形结构。在旋转机构2不工作时，翼型帆1自动保持为零攻角状态，在旋转机构2进行工作时，如图1所示，为翼型帆1的受力分析图，翼型帆主要受到两个力矩，一个是翼型帆面11表面所受空气动力合力形成的扭矩b，其大小与来流风向的攻角a有关，另一个是旋转机构2基于马格努斯效应产生的力矩c，其大小和方向与旋转机构2的旋转速度以及旋转方向有关。

在工作过程中，翼型帆面11为了保持平衡，由于桅杆12与底座13可自由转动连接，当控制旋转机构2的旋转速度以及旋转方向来控制马格努斯效应产生的力矩c时，桅杆12会带动翼型帆面11自动旋转到合适的角度，以达到合适的攻角a来改变扭矩b，从而使自身受力平衡，由此，达到了通过控制旋转机构2的旋转速度以及旋转方向来控制攻角a的目的。

相比现有相关技术中，采用尾翼式的攻角控制方式，其结构过大，在有限的船体空间内，会导致布置的主帆面积缩小，降低了风帆的推进性能，本发明提供的一种攻角控制装置，可以通过控制设置在翼型帆1上的旋转机构2旋转的速度和方向，从而控制来流风向的攻角，使得作为主帆的翼型帆1获得最佳的推进力，省去了尾翼的设计，节省了船体大量空间，可以使翼型帆面11尽可能大的设计，进一步提高在风力作用下翼型帆1受到的推进力，能够有效解决现有技术中翼型帆结构过大，主帆面积过小，受到推进力不足的问题。

可选地，桅杆12与翼型帆面11底部间设有导流板14，导流板14平行底座13设置。

示例性地，在本发明实施例中，如图3和图4所示，翼型帆面11由弦线k将前缘d和后缘e之间的表面分为了高压区f和低压区g。由伯努利原理，流体风向会对翼型帆面11产生升力h和阻力i，翼型帆面11受到来流风向产生的推进力j是由伯努利原理的产生的升力h提供的，高压区f和低压区g的压力差越大，翼型帆面受到的推进力j越大，翼型帆面11的底部边缘处帆面因低压区g和高压区f距离较近，会使表面流体具有高压区f流向低压区g的速度分量，同时也会降低边缘帆面高压区f和低压区g的压力差，降低边缘帆面的推进性能，通过在翼型帆面11底部设置导流板14，可以将边缘区域的帆面的高压区f和低压区g有效分隔，提高翼型帆面11受到的推进力j。

可选地，旋转机构2与翼型帆面11顶部间设有导流支撑板15，导流支撑板15平行底座13设置，旋转机构2设置于导流支撑板15上。

示例性地，在本发明实施例中，如图3和图4所示，翼型帆面11的顶部边缘处帆面因低压区g和高压区f距离较近，会使表面流体具有高压区f流向低压区g的速度分量，同时也会降低边缘帆面高压区f和低压区g的压力差，降低边缘帆面的推进性能，通过在翼型帆面11顶部设置导流支撑板15，可以将边缘区域的帆面的高压区f和低压区g有效分隔，提高翼型帆面11受到的推进力j。同时将旋转机构2设置于导流支撑板15上，可以为旋转机构2提供有效支撑，提高了本攻角控制装置的稳定性。

可选地，导流板14和导流支撑板15为两个直径相同的圆形板。

示例性地，在本发明实施例中，如图3和图4所示，设置导流板14和导流支撑板15的目的是为了分隔边缘帆面的高压区f和低压区g，根据表面压力场分布来设计导流板形状是最佳的，采用圆形的设计能够兼顾前缘d和两侧翼面的压力场分布，进一步提高了翼型帆面11受到的推进力j，同时易于加工，降低了本攻角控制装置的制造成本，导流板14和导流支撑板15直径相同是为了使整个装置的占用空间尽可能的小，在将本攻角控制装置实际应用中，可以节省其占用空间，提高了本攻角控制装置的实用性。

可选地，旋转机构2设置在翼型帆面11的弦线上。

示例性地，在本发明实施例中，如图1和图3所示，根据马格努斯效应，在对转筒22施加相同转向和转速时，当旋转机构2设置在翼型帆面11的弦线k上时，转筒22产生的横向力m最大，提高了转筒22对翼型帆1产生的最大力矩，从而可以应对更快流速下的风向对翼型帆面11产生的力，通过旋转机构2设置在翼型帆面11的弦线k上，提高了本攻角控制装置的适用性。

可选地，旋转机构2设置在导流支撑板15的边缘。

示例性地，在本发明实施例中，如图1和图3所示，将旋转机构2设置在导流支撑板15的边缘可以增加转筒22产生的横向力m的力臂长度，进一步提高了转筒22对翼型帆1产生的最大力矩，从而可以应对更快流速下的风向对翼型帆面11产生的力，通过将旋转机构2设置在导流支撑板15的边缘，进一步提高了本攻角控制装置的适用性。

可选地，旋转机构2设置有两个，且分别设置在翼型帆面11弦线的两端。

示例性地，在本发明实施例中，如图1和图3所示，在导流支撑板15上，在翼型帆面11弦线的两端处分别设置两个旋转方向相反的旋转机构2，两个旋转机构2可以同时产生相反的横向力m，进一步提高了转筒22对翼型帆1产生的最大力矩，从而可以应对更快流速下的风向对翼型帆面11产生的力，通过在翼型帆面11弦线k的两端处分别设置两个旋转机构2，进一步提高了本攻角控制装置的适用性。

可选地，桅杆12和翼型帆面11可拆卸连接。

示例性地，在本发明实施例中，桅杆12和翼型帆面11采用可拆卸连接，在装置使用过程中，翼型帆面11会受到海水和风力的侵蚀，经过长时间使用后，会影响对本装置提供的推进力，此时可以对翼型帆面11进行拆卸更换，桅杆12和翼型帆面11采用可拆卸连接提高了本攻角控制装置的适用性。

示例性地，在本发明实施例中，提供一种根据来流风向和翼型帆面11的大小来确定桅杆12位置和转筒22参数的设计方法，其方法如下：

气动力对桅杆12的扭矩b：

b＝0.5ρV²MHC_l(a)L cos a+0.5ρV²MHC_d(a)L sin a+0.5ρV²M²HC_m(a) (1)

其中，a为攻角，ρ为来流流体密度，取为1.29kg/m³；V为来流速度；L为桅杆12和翼型帆面11弦线中点的距离；M为翼型帆面11弦长；H为翼型帆面11展向高度；C_l(a)为攻角为a时的翼型帆面11升力系数；C_d(a)为攻角为a时的翼型帆面11阻力系数；C_m(a)为攻角为a时的翼型帆面11力矩系数。C_l(a)、C_d(a)和C_m(a)可以从数据库《Airfoil Tools翼型数据库》中获取。

确定L就确定了桅杆12的位置，翼型帆面11的攻角a范围为5度到15度，选择合适的L使扭矩b在工作范围递增。

根据计算的典型工况下的扭矩b的最大值，选择合适的转筒22参数。

转筒22对桅杆12产生的力矩c为：

c＝F₂(0.5E₁+0.5M-L)cos a+F₁(0.5E₂+0.5M+L)cos a

F₁＝0.5ρV²E₂H₂C_l前置(n,V_C)

F₂＝0.5ρV²E₁H₁C_l后置(n,V_C) (2)

其中，E₁为前置转筒直径；E₂为后置转筒直径；H₁为前置转筒高度；H₂为后置转筒高度；F₁为后置转筒横向力；F₂为前置转筒横向力；n为转筒帆的转速；V_C为转筒的线速度；C_l前置(n，V_C)为转速为n，线速度为V_C时的前置转筒升力系数；C_l后置(n，V_C)为转速为n，线速度为V_C时的后置转筒升力系数；C_l前置(n，V_C)和C_l后置(n，V_C)的数据在文献《转筒帆空气动力性能的数值研究》中获得。需要说明的是，前述前置转筒和后置转筒对应图1中的两个转筒。

根据转筒22的最大转速n，选择合适的转筒直径E₁和E₂，在文献《转筒帆空气动力性能的数值研究》中确定转筒22的升力系数，进一步的，选择合适的转筒高度，使计算出的转筒22对桅杆12的力矩c与扭矩b的最大值相等。

示例性地，在本发明实施例中，经由以上设计方法，提供的一个设计实施例，具体设计参数如下：

在来流工况为8m/s下，为弦长为10米高度为30米的翼型帆面11设计攻角控制装置。

计算翼型帆雷诺数：

其中，R_e为雷诺数；μ为空气动力粘度系数，取为1.87×10^-5Pa·s；o为特征长度，在本发明中，其为翼型帆面的弦线k的长度。

本实施例的雷诺数计算为：5.5×10⁶

在数据库《Airfoil Tools翼型数据库》中获得翼型帆各个攻角a下的空气动力系数。翼型帆工作工况为攻角5度到15度。

计算桅杆12位置：

预设桅杆12位于距离前缘d30％弦长处，所以L＝2m。

带入公式可得气动力对桅杆12的扭矩b：

扭矩b在各个攻角a下递增趋势且每个值都为正，符合要求。桅杆12设置为位于距离前缘d30％弦长处。

计算转筒22的结构参数：

转筒22的最大转速设置为3r/s，转筒22直径预选为2米，从参考文献《转筒帆空气动力性能的数值研究》中可以获得升力系数数据。

C_l(3,20)＝5.92

令b＝c，将参数带入公式(2)得：

H₁＝H₂＝6.6m

因此转筒22得结构参数为：直径2米，高度6.6米。通过控制电机21的转速就可以调节攻角a的大小。

翼型横截面选择NACA系列翼型，本实施例选择NACA0018翼型作为翼型截面，为了保证转筒22无转速时，翼型帆面11自动保持为零攻角状态，将桅杆12的位置设计为靠近翼型前缘的布局，以保证在如图1所示的攻角a工况下工作时，来流风向对桅杆12的扭矩b为逆时针方向，且随着攻角a的增加，扭矩b也相应增加。不同的翼型截面形状，桅杆12和翼型帆面11的相对位置略有不同，可以通过实验和数值模拟的方法，获得翼型帆面11在各个攻角a，和其桅杆12位置下的扭矩b，来选择合适的桅杆12相对位置。确定好桅杆12的位置，就确定了扭矩b随攻角a的变化曲线，也就确定了保持不同的攻角a转筒22需要提供的力矩c。通过儒可夫斯基定理可以计算出转筒22受到的垂直于来流方向下的横向力m，通过选择合适大小和转速的转筒22，来保证转筒22提供足够的力，来保持目标攻角a。

如图4至图5所示的一种被动攻角翼型帆船，包括1-8任一项的攻角控制装置，还包括双体船3，底座13设置在双体船3上。

示例性地，在本发明实施例中，将本攻角控制装置设置在双体船3上，底座13与双体船3的甲板固定连接，前述来流风向对翼型帆面11产生的推进力转化成了对双体船3的推进力。

相比现有的带尾翼的被动攻角翼型帆船，本发明实施例提供的一种被动攻角翼型帆船省去了尾翼的结构，减少了攻角控制装置的体积，在同样大小的双体船3上，可以采用更大面积的翼型帆面11，从而对双船体3产生更大的推进力。

可选地，翼型帆1和旋转机构2设置有多个，且多个翼型帆1呈阵列排布在双体船3上。

示例性的地，在本发明实施例中，多个翼型帆1呈阵列排布在双体船3上，在相同大小双体船3上，设置多个小型翼型帆面11比设置一个大型翼型帆面11的总面积更大，通过设置多个翼型帆1可以增加双体船3上的翼型帆面11的总面积，同时，设置多个翼型帆1可以方便对本被动攻角翼型帆船的组装，在需要对翼型帆面11进行更换的时候也更加方便。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种攻角控制装置，其特征在于，包括翼型帆(1)和旋转机构(2)，

所述翼型帆(1)包括翼型帆面(11)、桅杆(12)和与所述桅杆(12)相匹配的底座(13)，所述桅杆(12)垂直于所述底座(13)，所述桅杆(12)与所述底座(13)可转动连接，所述桅杆(12)与所述翼型帆面(11)的底部固定连接，所述旋转机构(2)设置于所述翼型帆面(11)的顶部；

所述旋转机构(2)包括电机(21)和转筒(22)，所述电机(21)可驱动所述转筒(22)转动，所述转筒(22)转动的轴线与所述桅杆(12)平行。

2.根据权利要求1所述的一种攻角控制装置，其特征在于，所述桅杆(12)与所述翼型帆面(11)底部间设有导流板(14)，所述导流板(14)平行所述底座(13)设置。

3.根据权利要求2所述的一种攻角控制装置，其特征在于，所述旋转机构(2)与所述翼型帆面(11)顶部间设有导流支撑板(15)，所述导流支撑板(15)平行所述底座(13)设置，所述旋转机构(2)设置于所述导流支撑板(15)上。

4.根据权利要求3所述的一种攻角控制装置，其特征在于，所述导流板(14)和所述导流支撑板(15)为两个直径相同的圆形板。

5.根据权利要求4所述的一种攻角控制装置，其特征在于，所述旋转机构(2)设置在所述翼型帆面(11)的弦线上。

6.根据权利要求5所述的一种攻角控制装置，其特征在于，所述旋转机构(2)设置在所述导流支撑板(15)的边缘。

7.根据权利要求6所述的一种攻角控制装置，其特征在于，所述旋转机构(2)设置有两个，且分别设置在所述翼型帆面(11)弦线的两端。

8.根据权利要求1所述的一种攻角控制装置，其特征在于，所述桅杆(12)和所述翼型帆面(11)可拆卸连接。

9.一种被动攻角翼型帆船，包括1至8任一项所述的攻角控制装置，其特征在于，还包括双体船(3)，所述底座(13)设置在所述双体船(3)上。

10.根据权利要求9所述的一种被动攻角翼型帆船，其特征在于，所述翼型帆(1)和所述旋转机构(2)设置有多个，且多个所述翼型帆(1)呈阵列排布在所述双体船(3)上。