CN2042819U - 伞帆推进船舶和伞帆式发电装置 - Google Patents

Abstract

一类新型船舶和水力、风力发电装置。伞顶(1)的边(5)与伞底(4)连结，系绳(2)的一端与边(6)连结，另一端与伞底(4)连结，就构成“伞帆”。它在水中作周期性往复运动就会象降落伞那样周期性张开、闭合，在单方向产生推力。可用它制成往复和转动“伞帆装置”，就可制成各种伞帆推进船舶、潜艇、游泳器及伞帆式水力、风力发电装置。伞帆用软质材料可做得极大又轻便、价廉，故具有推进器效率高(达95％)、善于利用分散的水能、风能等优点。

Description

本申请提供了一类新型的船舶推进器及其相应的各种船舶和潜水艇，也提供了一类新型的水力、风力发电装置。

现有的船舶推进器主要是各种螺旋桨，现有的水力、风力发电装置主要是各种水轮机和风轮机。其结构都有共同点：都是叶片绕轴旋转。但叶片一般只能由硬质金属材料制成，因而尺寸不可能太大，但强度较高，只适合利用集中的水能。例如：

现有水电站都修拦河大坝，以增大落差，将水能集中冲、压水轮机，从而增大发电功率。但修大坝投资太大，有些达数亿、数十亿元，单位瓩造价达1－2千元以上，占电站总投资的70－85％，而且工期太长，达几年、十几年。

又如，要增大发电功率或推力，风轮或螺旋桨只有增加转速（尺寸无法过大），但效率（能量利用率）就因此而大大降低。实用螺旋桨效率在60％以下，而风轮机的效率只有30－40％。

但自然状态的水或风的能量是分散分布于水或风中的。要更多的直接利用这种分散的能量或提高螺旋桨效率，只有增大水轮、风轮和螺旋桨的硬质叶片的面积。但这就必然导致重量太大、强度不够、转折不变、技术复杂、加工困难而且造价昂贵等等一系列无法解决的困难。

古老帆船上的风帆用软质材料制成，因而可以做得很大，能利用较多的风能。但它的用途极为有限。

在86108352号和86108768号中国发明专利申请中，本人提出了降落伞船舶推进器，可以将降落伞做得极大，能极大的提高推进器效率（达95％以上）。但它的形状和结构有很大局限性。例如，只能往复运动，不能连续转动，仍有一定阻力，等等。

本申请的目的，是将降落伞、甚至一般的伞和风帆的优点集中利用起来，并加以改进，发明出主要用软质材料制成的“伞帆”、“往复伞帆装置”和“转动伞帆装置”，再利用它们制成各种伞帆推进船舶、潜水艇和各种水力、风力发电装置，并可克服上述缺点。

该发明的基本构思是：将图1－图3所示的“往复伞帆装置”在水中作周期性往复运动，它就会象降落伞那样周期性的张开、闭合，只在单方向产生推力。进一步可制成图4－图7所示的“转动伞帆装置”，能在风、水中单方向连续转动而在单方向产生推力。利用这两种伞帆装置，就能制成各种伞帆推进船舶、潜水艇和水力、风力发电装置。

下面先描述“伞帆”、“往复伞帆装置”及“转动伞帆装置”的基本结构和工作原理，再介绍6种伞帆推进船舶、潜水艇、游泳器的具体结构，然后是两种伞帆式水力发电装置和一种伞帆式风力发电装置的具体结构。最后系统介绍本发明的优点和实验结果。

本申请共有34幅附图。

图1、图2是“伞帆”和“往复伞帆装置”的立体结构图，图3是它们的侧视结构图。

图4是“转动伞帆装置”的立体结构图，图5是它的侧视结构图，图6是它的俯视图，图7是它的轴承座和轴承的结构图，图8是“往复转动伞帆装置”的侧视结构图。

图9、图10是现有船舶和潜水艇的基本结构的侧视图，图11、图13是将螺旋桨换成传动轮后的基本结构图。

图12是用“往复伞帆装置”作推进器的船舶或潜水艇的底面的结构图，图14、图16、图17是它的横截面的结构图，图15是它的侧视结构图。

图19是用“转动伞帆装置”或“往复转动伞帆装置”作推进器的凹底船或双身船的底面的结构图（俯视图），图18、图20是其横截面结构图。

图21是伞帆式游泳器的立体结构图，图22是它的传动轮的安装结构俯视图，图23是它的侧视图，图24是它的底面的结构图（俯视图）和另一种转动伞帆装置的俯视结构示意图。

图25、图27、图28是伞帆式双身发电船（或发电水箱、发电“水渠”的立体）结构图，图26是它的变速轮的剖视结构图。

图30、图33是两种“桥式”水力发电装置的立体结构图，图29是它们的环套的结构图。

图31、图32是安装两种转动伞帆装置的“升降装置”的具体结构示意图。

图34是一种伞帆式风力发电装置的立体结构图。

一、“伞帆”和“往复伞帆装置”

在图1中，4是“伞底”（指长方形DEFG），1是“伞顶”（指AA′B′B等），它的一边5（即AA′和CC′等）与伞底4牢固连结（一般情况下，AA′⊥EF），另一边6（即BB′、B₁B₁′等）与系绳2的一端H₁、H₂等牢固连结，系绳2的另一端H₃、H₄等又与伞底4牢固连结。

伞顶1一般是长方形（也可是其他形状）的某种软质薄膜或布，如各种塑料薄膜或某种纤维纺织物或纺织物，如高强度合成纤维或金属丝编织成的“布”。边5、边6都是硬质材料（如钢铁、塑料等）制成的细杆，与伞顶1的“布”牢固连结。CC′等也是同样的硬质细杆，与伞底4牢固连结。系绳2的端点H₃、H₄等就通过与硬杆CC′等牢固连结而与伞底4牢固连结（一般CC′⊥EF）。伞顶1可以比伞底4更宽，即AA′、BB′、CC′的长度可以大于ED或FG。

系绳2一般是由强度较高的软质纤维材料或金属丝制成，如钢索、尼龙绳，等等。系绳2的根数不限，当伞顶1不太宽时，两根即可，当伞顶1太宽时，可有更多的根数。

伞底4可以是硬质材料（如金属、塑料）制成的薄板，也可以是某种软质材料制成的薄板或软带，例如皮带传动装置上较硬的软皮带，如图1中的长方形DEFG。由于伞顶1和系绳2都通过硬杆AA′、BB′、CC′与伞底4连结，因此，伞底4不一定是整块的板或带，可以退化成两根“绳索”DG和EF，如图2所示。它可以是各种传动皮带，链传动中的传动链，等等，以下统称“传动带”。A₁、A₁′、H₃、H₄、H₃′、H₄′等是伞顶1、系绳2与伞底4（传动带）的连结点。

同一伞底4上，可以连结着多个伞顶1，如图1、图2中的AA′B′B、CC′B₁′B₁，等等。这时硬杆CC′等最好同时又是“下一个”伞顶1CC′B₁′B₁的边——与伞底4牢固连结的边。

若使图1、图2所示装置颠倒放置于水中，其侧视图如图3，则当伞底4向右运动时，水将使伞顶1张开（鼓起），伞顶1将水向右推动，水的反作用力指向左方。若使伞底4向左运动，则水将使伞顶1及系绳2紧贴于伞底4上（闭合），阻力极小。这样，若使伞底4不断左、右往复运动，则伞顶1将不断产生向左的推动力。

上述装置类似于降落伞，能在流体作用下张开、闭合，向单方向产生推力，但其形状、结构又不象降落伞，而有点象（也不全象）帆船上的风帆。因此我们将它称之为“伞帆”——表示它集中利用了“伞”和“帆”的特点。将伞顶1、系绳2统称为“伞”。

将伞底4与往复运动装置9（具体结构见下文）相连，使伞帆能不断在水中作往复运动，从而能不断在单方向产生推力。我们将这样的装置叫做“往复伞帆装置”。很明显，可以将它用作船舶推进器。

往复运动装置9包括动力机和往复运动机械两部分，在图1、图2、图3中未画出具体结构。动力机就是现代工业上常用的柴油机、电动机、蒸汽机，等等。往复运动机械在现代工业中种类也很多，如液压传动装置、平面连杆机构（如曲柄摇感机构、摆动导杆机构，等等），等等。可视实际需要适当选择。

二、“转动伞帆装置”

图4是其基本结构的立体图。其中K₁K₂K₃K₄是由4根硬杆连结成的方框或构架（最好是长方形）。再连结K₅K₆、K₇K₈以加强构架强度。各12、38是“传动轮”，它包括各种皮带传动装置中的各种皮带轮，链传动中的各种齿轮，等等。

硬杆K₁K₂、K₃K₄作为转轴穿过各传动轮12的中心并与这些中心牢固连结，还穿过连结在端点K₁、K₂、K₃、K₄处分别安装的轴承座内的滚珠轴承的内圈并与之牢固连结（其具体结构见图7），再穿进位于其两端附近的传动轮38的中心并与之牢固连结。这样，传动轮12转动就会带动转轴K₁K₂、K₃K₄和传动轮38一起转动。

将图2所示的“伞帆”的伞底4，即两根传动带DG和EF，用较长的环形传动带4做成，并分别环绕在传动轮12上，如图4中虚线所示，实际上构成两个普通的带（或链）传动装置。由伞顶1、系绳2组成的一系列伞分布连结在整个环形传动带4的上表面，不与传动轮12接触，伞的宽度比K₁K₂稍窄一点，但可比两传动带4之距宽。但伞在图4中未画出（因画出后使图形混乱，看不清楚），其连结结构与图2完全一样。其侧视图如图5所示，就可看清伞的结构。其俯视图如图6所示，其中只把伞与伞底4连结的边AA′、CC′、C₁C₁′（见图2）等画出，伞的其余部分没画出（为使图形清晰）。

若伞太宽，即相应的杆K₁K₂、K₃K₄和AA′、CC′、C₁C₁′太长，则其上的传动轮12可以不只两个（共4个），而是3个（共6个）或更多个数。传动轮12、38、框架K₁K₂K₃K₄用钢铁（例如角铁）、塑料或木头等硬质材料制成。

若将上述装置固定放在（通过杆K₁K₄、K₂K₃固定）流动的水或风中，它就会连续转动，其原理如图5：设水或风从右向左流动，则水或风将使传动轮12下部的伞象帆一样张开，给伞帆以向左的推动力，从而带动伞底4，又使伞底4带动传动轮12转动（图5中是沿顺时针方向）。当伞随伞底4运动到左边的传动轮12时，张开的伞将随传动轮12转到上面，此时伞将在水或风的作用下紧贴在伞底4上，阻力极小。故在图5中用弯曲的曲线表示上面的伞的伞顶1和系绳2。上面的伞随伞底4转到右边的传动轮12时，又将转到下面张开……这样周而复始，传动轮12就将通过伞帆在水或风的冲击下连续转动，并带动转轴K₁K₂、K₃K₄和传动轮38转动。

此时若将发电机的转轴与转轴K₁K₂或K₃K₄连结（直接或通过传动轮38连结），则发电机转轴将随之转动而发电，将水或风的动能转变成电能。

若将上述装置固定在静止的水中，使传动轮下部的伞浸入水中，上部的伞在水面以上，并将动力机（如电动机、柴油机，等等）的转轴与转轴K₁K₂或K₃K₄直接或间接连结并带动它转动（在图5中是沿反时针方向转动），则水下的伞将张开而将水向右推动，并产生向左推动的反作用力。而水上面的伞将在重力作用下自动贴在伞底4上，只有极小的空气阻力。每个伞都周期性的浸入－离开水面，循环往复，在单方向产生推力。很明显，这一装置也可用作船舶推进器。

我们将图4－图7所描述的装置称为“转动伞帆装置”。

但上面只描述了单方向连续转动。也可用动力机和传动装置使轴K₁K₂、K₃K₄沿顺时针、反时针方向交替的作周期性的往复转动。沿反时针方向转动时，水下的伞张开，将水向右推动，反作用推力向左。沿顺时针方向转动时，水下的伞紧贴伞底4，阻力极小。这时水上面的伞（即传动轮12上部传动带4上的伞）就是多余的了，可以去掉不要。这种“往复转动伞帆装置”的侧视图就如图8所示。其立体图、俯视图仍如图4、图6所示。这种装置仍然可以用作船舶推进器。

以上就是可用于发电和船舶推进的“伞帆”及其往复与转动“伞帆装置”的基本结构。下面将详细描述用它们制作的船舶和发电装置的具体结构。

三、伞帆推进船舶（包括潜水艇）

1.一般船舶的基本结构都如图9所示：从船身3的下部伸出一根转轴10，其下端在船外水中，连接螺旋桨11，其上端与船上动力机及其传动装置连接。转轴10穿过船外壳，但水不会漏进船身。船上动力机又和控制系统、舵、驾驶系统等装置8连接。它们可以控制转轴10的转速、转向（顺时针、逆时针方向均可转动），从而控制船的航速和航向——这些，都是已有技术。潜水艇同样有这套已有技术，只不过再加上整个艇身都有密封、不漏水的结构而已。

上述已有技术也包括人力船。这时动力、驾驶及部分控制系统就是人——人的手、足、身体，等等。

如果将转轴10垂直于船底（或艇底）伸入水中，如图10所示，其余一切不变，则并不需要改变上述已有技术（即不算创新）——我们就由此开始来描述伞帆推进船舶，这只须作如下改进：

将转轴10上的螺旋桨取下，换上传动轮12，如图11所示〔17是船（艇）底〕。

使船（艇）底有一块具有一定长度和宽度的平面（但不一定就是平底船），该平面上除了有与转轴10相连的传动轮12，还有另三个传动轮13，它们分别位于该平面上一个其长边平行于船长方向的长方形的4个顶角上，如图12所示。

有两个图1所示的伞帆（但不要图1中的往复运动装置9），它的伞底4是由硬质材料制成的长方形平板DGFE。绳或杆MD、ME（和MG、MF）长度相等，交于M点，分别连结于D、E点（和G、F点）。在图12中，两个伞帆上的伞只用两条弯曲线14表示。

一条传动带15（最好是V形皮带或嵌齿皮带——此时传动轮12、13也是相应的齿轮），分别绕过四个传动轮12、13，并分别与4个M端点牢固连结。即传动带15与两个伞帆的伞底DGFE组成一环形，并与四个传动轮12、13构成一个带或链传动装置。

转轴10穿进传动轮12的圆心并牢固连结，使转轴10能带动传动轮12同步转动，如图11所示，另三根轴16的下端分别插进三个传动轮13的中心并牢固连结，其上端分别插进三个轴承座16′内的滚珠轴承的内圈并与之牢固连结，而三个轴承座16′则牢固固定在船（艇）底17上。即：使传动轮13能随轴16转动，如图13所示。当然，轴10和16都有一定长度，但不宜太长，使传动轮12、13离船（艇）底17有一定距离，使两个伞帆的伞底DGFE和传动带15不接触，但尽量接近船（艇）底17。

船（艇）上动力机和控制系统使转轴10带动传动轮12周期性的交替的沿顺时针、反时针方向转动（这是已有技术），则两个伞帆将由传动带15带动同时作周期性的往复运动，但运动方向总是相反。因两伞帆上的伞张开、闭合的方向一致，因此，在图12中，一个伞帆的伞张开，将水向右推动，将船向左推动，另一个伞帆必然向左运动，其伞必然闭合，阻力极小。反之亦然，（参看对图1－图3的说明）船（艇）总是被向左推动。

这种船（艇）的横截面〔面对船（艇）头看去）如图14。图中虚线表示伞帆的伞张开后的位置。其侧视图如图15。图中虚线图形表示伞紧贴于伞底4上的闭合伞帆。

2.还可在船（艇）底平面上，牢固连结两块长方形硬板18（钢板等），它与船底平面垂直或成一定角度，其长边沿图12中船底平面的沿船长方向的ab、cd线连结。必要时，还可在船（艇）底平面的与ab平行的中线上，连结一块垂直于船（艇）底的长方形中隔板19，其长边与该中线连结，但比硬板18短一点，不与两端传动带15接触。这样，船、艇的横截面就如图16所示。这样，在船（艇）底形成了“管道”或“隧道”，伞帆在其中可以得到保护，防止水底硬物损坏，而且可以一次推动更多的水（“隧道”中的全部水），因而提高推进器效率。必要时（不是一定需要），还可在两硬板18、中隔板19的下端，连结一块平行于船（艇）底的“底壳板”20，使船（艇）底管道更完整，更能起到保护伞帆的作用。

3.也可以将船（艇）底制成凹底（向上凹），使其横截面呈图17所示的“讲话队形”：船（艇）底平面bd仍安装图12所示的往复伞帆装置，但自然形成的两侧面21相当于图16中的硬板18。必要时仍可用同样方式连结中隔板19和“底壳板”20。这种“凹底船（艇）”的“凹底”仍起到管道或隧道的保护伞帆和提高推进器效率的作用。

4.这种凹底船（艇）还可安装图8所示的“往复转动伞帆装置”作为推进器，如图18所示。这里转轴10可以从下部船（艇）身26的侧面21的前端部或后端部伸入水中并平行于水面，而船（艇）上与转轴10相连的动力机及其传动装置、控制与驾驶系统等装置8的下部就应位于下部船（艇）身26的位置。这样安装转轴10和装置8并未超出已有技术的范围。进一步改进之处在于：

图18中的转轴10与图8和图4所示的“往复转动伞帆装置”的转轴K₁K₂或K₃K₄对接（在同一直线上），其余三端点K₂（或K₁）、K₃、K₄（三个滚珠轴承）也分别连结在船（艇）的凹底的两侧面21上，使船（艇）底的俯视图如图19所示。“往复转动伞帆装置”的传动轮12和传动带4与船（艇）底平面bd尽量接近但不接触，即缝隙22尽量小（图18）。

这样，当转轴10及传动轮12在船上动力机及控制、传动等装置8的作用下，沿顺时针、反时针方向周期性的交替转动时，“往复转动伞帆装置”下部的伞（见图8），将随伞底4周期性的往复运动、周期性的张开（推水）、闭合（阻力极小），从而在单方向产生推力而将船（艇）推动运行（参见对图1－图3的说明）。

5.双身船：其横截面见图20，可以在两船身27之间安装图4－图5（或图8）所示的转动（或往复转动）伞帆装置。其安装、连接的方式和位置，与图18、图19所示的在凹底船两下部船身26之间安装基本上完全一样，其上部船身28底面俯视图也仍如图19所示。故不再重述。不同之处仅在于：双身船的两个船身27（见图20）这里相当于凹底船的两个下部船身26（见图18），但比下部船身26更大、更高，使它的上部船身28可以高出水面29很多。这样，转动（或往复转动）伞帆装置的传动轮12上部的传动带4及其上面的伞，也就可以高出水面29，但传动轮12下部的传动带4及其伞仍浸入水中，因此，转动（或往复转动）伞帆装置除了往复转动外，还可向单方向连续转动（当然由装置8和转轴10带动），从而使每个伞总是随伞底4周期性的浸入－离开水面，水面上的伞总是自动贴在伞底4上，阻力极小，而水下的伞总是张开、推水、反作用力推动船向单方向运行（详细过程参看对图4－图5的说明）。

6.另一种转动伞帆装置

图24是它的俯视结构示意图。图中q₁q₂q₃q₄是硬杆构成的长方形构架。它的4个顶角附近，安有4个传动轮13，其具体安装结构的俯视图如图24。OO′是穿过传动轮13的圆心（是滚珠轴承）的轴。30是与轴OO′两端连接的两根支杆，与杆q₁q₂、q₃q₄牢固连结。两环形传动带4分别环绕在传动轮13上（与图4一样）。传动带4上连接有一系列由伞顶1、系绳2构成的“伞帆”，其结构与图2、图4－图8所示完全一样，图24中未画出。

在伞顶1与两条传动带4连结的边5（即一些硬杆A₁A₁′、H₄H₃、H₄′H₃′等，见图24）之间，用绳索连结成对角线A₁H₃、A₁′H₄、H₄H₃′、H₄′H₃，等等，如图24。这样就可使两条传动带4随传动轮13同步转动：不致一条转得快（慢），另一条转得慢（快），从而使伞顶1的面总是正对水或风。

如果该装置用于利用水能、风能发电，那么，如果传动带4是V形三角皮带（特别是同类型活络带），则传动轮13应是相应的V形皮带轮，应该是双槽（或四槽、六槽等双数），其截面如图22：传动带4的上表面应高出皮带轮13的V形槽，使传动带4上表面连结的伞顶1的边5（硬杆）在运转时不与皮带轮13接触。伞顶1的边5的长度也不能超过传动带4而位于另一V形槽4′的上面（图22），这另一V形槽4′应套上另外的三角带与发电机的传动轮环绕连接（见下文）。

7.伞帆式游泳器

这只须在图24所述转动伞帆装置中作如下一些改变：

在长方形构架q₁q₂q₃q₄间嵌上薄板29，它和传动轮13等最好都用木头、泡沫塑料等比重小于水的材料制作。

游泳器背面（放在水中时向上的一面）结构如图21。硬质杆b₁b₂与两传动带4分别牢固连结于b₁、b₂点，并与长度相等的两条软绳（相交于b₃点）连结于b₁、b₂点。有弹性的松紧带b₃C的b₃端点与软绳b₁b₃、b₂b₃牢固连结于b₃点，但均不与薄板29连结。端点C牢固钉在薄板29的背面上。两个保护外壳30嵌在薄板29上，将后端（图21中是右端）的传动带4和传动轮13分别罩住，但不影响它们的运动。保护外壳30可由薄铁皮之类的硬质材料制作，其形状是横截面为圆形或椭圆形的半圆筒，它的长边缘31与薄板29牢固连结，后端适当向下弯曲，其纵截面（侧视图）形状可从图23看出。

游泳器的底面（“腹部”，即放在水中时向下的一面）的结构如图24（俯视图）：将由伞顶1和系绳2组成的“伞”象图2所示那样连结在传动带4上，构成图2所示那种“伞帆”（参看第一节对图2的说明）。图24中只画出了与传动带4连结的伞顶1的边（硬杆）A₁A₁′、H₃H₄、H₃′H₄′等，伞顶1和系绳2未画出（因画出后反而看不清楚），在图21中画出了它们的一部分。

软绳NH₃′、NH₄′一端交结于N点，另一端分别连结于传动带4上的H₃′、H₄′点。两根适当长的软绳32一端交结于N点，另一端分别连结在硬质圆环状足套33上。

整个伞帆式游泳器的侧视结构示意图如图23所示。

使用方法：将游泳器置于水中，有伞帆的一面向下，人两手分别抓在两保护外壳30的位置，头位于两保护外壳31之间的位置（必要时，甚至可将胸部压在两保护外壳31之间的薄板29上），两足分别穿进两足套33。

这样，当两足向后一蹬，则软绳32将传动带4及其上面的伞帆拉动向后（向右）移动（传动带4沿反时针方向绕传动轮

转动）、伞帆张开、将水向后推动，反作用力将游泳器和人向前推进。此时弹性松紧带b₃C被拉长。

当两足向前收缩，则松紧带b₃C也收缩（回到原长度），在它的收缩弹力的作用下，传动带4沿顺时针方向绕传动轮13转动，其上的伞帆被拉动向前（向左）移动，伞帆闭合，伞顶1紧贴于薄板29底面的传动带4上，阻力极小。然后双足又向后蹬，又向前收缩……如此往复运动，人和游泳器就在水中不断向前运动。

这种“游泳器”，实际上也是一种“退化了的”伞帆推进船舶或潜艇：它的动力机、驾驶系统、控制系统、舵和一部分传动装置（相当于前面各图中的装置8）就是人——人的手、足、身体，等等。而前面各图中的转轴10，则由软绳32、NH₃′、NH₄′所取代。

四、伞帆式发电装置

如果直接利用河水动能发电（或转换成其他形式能量），可将固定两种“转动伞帆装置”（如图4－图7或图24所示）的装置做成“双身船”、“水箱”或“桥”的形式。如果利用风能发电，则可做成“发电风箱”的形式，其具体结构详述如下：

1.“发电船”或“发电水箱”

只需在图4或图24中增加如下两部分结构（如图25，伞帆仍未画出）：

1）在图4或图24所示框架上面连结“发电机架”，用于安放发电机。就是在杆K₁K₄、K₂K₃上牢固连结4根竖直杆b₁b₂、b₃b₄、b₅b₆、b₇b₈，再在其上端用杆连结成长方形b₁b₃b₅b₇，再连结杆b₉b₁₀、b₁₁b₁₂。必要时，上面铺上铁皮或木板，发电机35就放在上面牢固固定，见图25。发电机一般是两台或4台（成对），它的传动轮37应放在“发电机架”的两个外侧或内侧边缘，如图25所示，便于与传动轮38或13用传动皮带连结——直接或通过“变速轮”38′连结。变速轮38′由半径不同的两个同轴皮带轮组成，位于“发电机架”的外侧或内侧。其轴插入连结于竖杆b₇b₈、b₁b₂（或b₃b₄、b₅b₆）上的轴承座内的滚珠轴承的内圈中并与之牢固连结，见图26。一条传动皮带环绕于传动轮38或13（注意：传动轮13的另一槽环绕传动带4）和变速轮38′的小轮上，另一条皮带环绕于变速轮38′的大轮和发电机传动轮37上。就能增大发电机转速。

传动轮37、38或13也可用其他传动装置（如齿轮系统）连接。

整个发电装置上部有一个保护外壳29，其位置由图25中曲线29表示，连结在“发电机架”和杆K₂K₃、K₁K₄上，其外形象小汽车，可用铁皮等材料制作，起到美观、防雨等保护作用（特别对发电机防雨）。

2）将这种发电装置“固定于水中的装置”，可以有如下两种结构：

——在K₅、K₆、K₇、K₈的位置分别连结竖杆29′（共4根），起到四只“足”或“固定架”的作用，插在河底，就可将该发电装置固定在河水中（如果水不太深）而成为“发电水箱”，见图25。

——顺着杆K₂K₃、K₁K₄各连结一根中空的长圆筒形的“浮筒”（用铁皮等制成，不漏水进去即可），或各连结一条细长的驳船（构成双体船，仍可用铁皮等材料制作），图25中用“27”表示。就可将该发电装置浮在水面上（如果水很深），而成为“发电船”。

这时传动轮38可分别置于两船身27中，不再与水接触，而发电机也可置于船身27中（同样隔水），其传动轮37与传动轮38的连接方式不变（见上文，图25中未画出）。当然，前述“发电机架”在这里就不再需要。

上述“双体船”可进一步作如下改变（上述其余一切不变）：两船身27向两端延伸，并向外弯曲，即两船身27之间距离越来越大。并且两船身27的最底部之间连结上一块平板27′（仍用铁皮之类制作），它两头大，中间小，两侧边随两船身27向外弯曲。于是形成一条浮在水上面的两头开口宽，中间窄的“人工水渠”。如图27所示（图中“发电机架”、发电机等未详细画出）。这样，河水沿图27箭头①所示方向流进“人工水渠”。根据连续性方程：S₁V₁＝S₂V₂，因“水渠”中间（发电装置处）横截面积S₂小于进口处截面积S₁（见图27），因此“水渠”中间的流速V₂大于进口处流速V₁，水能更集中，水能密度更大，可以更多的利用河水动能，增大发电功率。而“水渠”出口处宽，便于排出因发电变慢了的水。

这种人工发电水渠，还可将其前端变弯曲：进水口位于河中间（流进速度大的水），可用一端固定在岸上的绳索“27″”拉住，而发电装置及“水渠”出水口靠在岸边，可用前述“固定架”固定住。如图28所示。这样，可以充分利用河中心速度大的水发电，又能将整个装置固定得更牢固。还便于安装发电机和输电设备（因在岸边）。

使用方法和发电过程如下：将发电装置置于流动的河水中，用强度合适的绳索、锚等设备将其固定于河中不动。两船身27或固定架将整个装置浮在水上。转动伞帆装置（见图4－图7）的传动轮12下部的传动带4及其上的伞浸入水中，而它上部的传动带4及其上面的伞则位于水面上。水面最好不超过K₁K₂的位置。

河水沿图25或图27、图28中箭头①所示方向流向发电装置，将浸于水中的伞张开、冲动（沿箭头②所示方向流出），推动伞底4带动传动轮12（13）、38、轴杆K₁K₂、K₃K₄连续转动（详细过程参看对图4－图7的说明，图25－图28未画伞帆），从而通过传动皮带带动发电机传动轮37转动而发电，将河水动能转变成电能。电能通过导线传到变压器等输电设备中（可置于“发电机架”上、船上或岸上），再由导线输到岸上供实用。

在发电装置后面挂上鱼网或其他捕鱼装置，还可顺便搞点捕鱼的“副业”。在它的“水渠”的进水口处有“拦污栅”29′。

这种“船”或“水渠”的功能完全是利用河水动能发电，不用于运输，因此它没有动力机、控制与驾驶系统，等等。两船身27产生的浮力只须能把并不太重的整个船体及发电机等浮在水面即可。因此它的排水量相对于整个船体的体积并不需太大。此外，在结构上，要求伞帆尽量宽，因而整个船的宽度（不是船身27的宽度，而是K₁K₂的长度或“水渠”进水口宽度）应尽量宽，能利用更多的水能发电。而船的长度只需够用即可，并不需太长。因此，这种“双身发电船”（或“水渠”）与图20所示的双身运输船相比，外表结构虽较类似，但实际上有很大区别。

2.“桥式”水力发电装置

在图29中，有一定厚度的硬质环套42上，通过轴承座牢固的嵌上一个滚珠轴承44。环套42外形是圆形或方形均可，它与下面的尖锥43构成一块整体。其制作材料是钢铁、钢筋水泥、塑料、木材或其他硬质材料。

在图30所示河流MN的两岸边，分别插上两个（共4个）环套42，其尖锥43足够牢固的插入泥土中，垂直于地面，并分别位于一长方形的四个顶角上。当然，必要时可将河岸甚至河底适当修整或用水泥修光滑、牢固。

也可在两岸各修建两个（共4个）水泥建筑42′，呈“碑”、“柱”或“堤”等各种形状。其上仍分别嵌上四个滚珠轴承44（其位置、分布仍与环套42一样），如图30所示。

将图4－图7所示的转动伞帆装置的轴杆K₁K₂和K₃K₄的两端分别垂直于河岸而插进四个环套42或水泥建筑42′上的四个滚珠轴承44中，并可在轴承44中转动（与轴承内圈牢固连结）。其上的传动轮12、38的中心与轴杆K₁K₂、K₃K₄牢固连结，环绕于其上的传动带4及其上面的伞帆（图30中未画出，见侧视图图5）等结构仍与图4－图7所述完全一样。唯一不同之处是河岸取代了硬杆K₁K₄及K₂K₃。

发电机35（及相应的输电设备等）等最好固定于岸上，其转轴36与转轴K₁K₂、K₃K₄或传动轮38直接或通过前述传动装置相连接，例如图30中发电机35A、35B等。

同样，传动轮12下部的传动带4及其伞都浸于水中，而上部的传动带4及其伞都位于水面之上（图30中未画出）。这样，当河水沿图30中箭头所示方向流向该装置时，将冲动水下的伞张开、推动传动带4并带动传动轮12、转轴K₁K₂、K₃K₄及传动轮38转动，从而带动发电机35转动、发电（详细过程参见对图4－图7的说明）。

这种发电装置类似于在河上修一座“桥”，因此我们将它称为“发电桥”或“桥式水力发电装置”。

因河中水面会升高或降低，因此，为了始终使下部的伞浸入水中而上部的伞位于水面之上，可采用如下两种结构的“升降装置”来调节转动伞帆装置的高度：

1）如图31，水泥建筑42′中部有一较长（较高）的空腔S，空腔S下面放有千斤顶P（其结构属已有技术，未画出）。其上面牢固连结有轴承座44′。转轴K₁K₂、K₃K₄两端仍插入轴承座44′内的滚珠轴承44的内圈并牢固连结。这样，调节千斤顶P就可使轴承座44′及转轴K₁K₂、K₃K₄上下移动，从而使整个转动伞帆装置能升高或降低。

2）另一种结构如图32，水泥建筑42′的空腔S的侧壁上，有一系列牙齿状尖锥Q，向上凹形成一方槽Q′。转轴K₁K₂、K₃K₄两端插进轴承座44′（此时最好是方形）上的滚珠轴承44的内圈并牢固连结。这样，轴承座44′就可放在高度不同的各个尖锥Q的方槽Q′上（卡得较紧，不影响转轴K₁K₂、K₃K₄转动），从而能使转动伞帆装置升高或降低。

如果河太宽，可在河中修若干个“桥墩”，而在河中平行的安装二个以上的转动伞帆装置。例如，图33所示的大河中，修了4个桥墩45，形状是梯形或曲边梯形，更能承受河水冲力。有一定厚度，当然用钢筋水泥，用修真正桥墩的方法牢固的建筑在河底上。其上端部穿孔嵌上滚珠轴承44（或做成图31或图32所示的、装有升降装置的结构，图33中未画出），较长的转轴K₁K₂（K₃K₄）穿过桥墩45上K₁′、K₂′（K₃′、K₄′）处的滚珠轴承44，而穿进两岸上环套42（或图31、图32所示水泥建筑42′中的轴承座44′）内的滚珠轴承。除此之外，其余一切结构（转动伞帆装置、发电机安装等）均与图30所述装置完全一样，发电过程也完全一样，故不再重述，一看图33就一目了然。

这是另一种类型的“桥式”水力发电装置。图33中平行排列了三个转动伞帆发电装置。这两种桥式装置后面也可顺便挂上鱼网或其他捕鱼装置，搞点捕鱼副业。

3.伞帆式风力发电装置

其结构如图34所示：两种转动伞帆装置（如图4－图7和图24所示）之一的构架的四个顶点K₁、K₂、K₃、K₄（或q₁、q₂、q₃、q₄）与长方体构架B₁B₂B₃B₄B₅B₆B₇B₈（由12条硬质杆连结成）的四条竖直棱边分别连结。轴杆K₁K₂、K₃K₄（或q₁q₂、q₃q₄）上套有传动轮12、38或传动轮13，其上环绕传动带4及其伞帆（图34中未画出），等等，与图4－图7或图24、图25所述的转动伞帆装置完全一样，故不再重述。

发电机放置于图34中“A”或“C”的位置，牢固固定在杆K₁K₄、K₅K₆、K₇K₈、K₃K₂上或C处固定杆52′上（图34中未画出），其转轴直接或通过前述传动装置（未画出）与传动轮38或13连接，具体结构与图25所述完全一样，故不在重述。

风向标结构：硬杆B₉B₁₀连结于杆B₅B₈、B₆B₇上的B₉、B₁₁点并与之垂直。长方形薄片52连结于杆B₉B₁₀的B₁₀端下面并与两长方形薄片53连结并成一角度，如图34。

4根连杆B₅O、B₆O、B₇O、B₈O的一端与转轴OO′牢固连结于O点，其另一端分别牢固连结于B₅、B₆、B₇、B₈点。圆筒状套筒46内壁嵌上两滚珠轴承50（其外圈与内壁牢固连结）。转轴OO′穿入两轴承50的内圈并牢固连结。套筒46与圆板47垂直并牢固连结在它的中心。

一系列全同弹簧49的两端分别连在两圆板47、48的边缘并与两圆板垂直。圆板48牢固连结在下面塔架上。图34中51都是构成塔架的杆。塔架的结构、连结点和形状一看图34便一目了然或与现有风力机塔架完全一样（包括所有材料），故不再一一叙述。塔架牢固的与地面连结（未画出）。

该装置发电过程如下：设风由图34中箭头①所示方向吹向长方体构架的B₃B₄B₅B₈面，则它将吹动长方体构架内的转动伞帆装置连续转动而带动A或C处的发电机发电。风再由箭头②所示方向从B₁B₂B₇B₆面吹出。其详细过程与 图25或图4－图7所述完全一样，故不再重述。

发电机上的输电线经过塔架牵到地面，和地面上的蓄电池、控制器等电器系统连结，再输向    用电器（图34中未画出）。

转轴OO′可在套筒46中任意转动，从而使长方形构架能随转轴OO′非常灵敏的转动。加上风向标的作用（薄片52、53），长方体构架的位置就可以非常灵敏的随风向而变化，使风总是垂直吹向其B₃B₄B₅B₈面，从而有效的利用风能发电。

适当选择弹簧49的强度，使其能达到这样的目的：当风速等于或小于设计的额定风速时，一系列弹簧49基本上既不拉长，也不缩短，两圆板47、48互相平行，长方体构架的上下底面处于水平位置。吹进B₃B₄B₅B₈面的风量最大。当风速大于额定风速时，长方体构架发生倾斜，其上下底面不再处于水平位置，棱边B₃B₄、B₅B₈升高，其下面所对的弹簧49被拉长。而棱边B₁B₂、B₆B₇降低，其下面所对的弹簧49被压缩缩短，长方体构架的倾斜程度使吹进面B₃B₄B₅B₈的风量减小，但风能和发电功率不变。

必要时，还可将长方体构架的除B₃B₄B₅B₈和B₁B₂B₇B₆两面以外的其余四面都封住（用硬质板或某种涂布，例如化纤纺织物上涂上某种耐光、防腐的涂料）。B₃B₄B₅B₈面的上半部（例如自杆K₁K₂以上或传动轮12的下部边缘以上）也可封住。这样可以将风集中于长方体构架中用于推动伞帆，从而更有效的利用风能发电。

上述装置象一个箱子放在塔架上，因此可将它称为“发电风箱”。和前述“发电水箱”相对应。它还可有其他各种具体方案。

在上述发电“船”、“桥”、“箱”中，转动伞帆装置的转轴K₁K₂、K₃K₄或传动轮38也可不与发电机而直接或间接与其他机器（例如抽水机等）的转轴连接并带动它转动，就可将风、水的动能转变成其他形式的能量。

※        ※        ※

本发明最大的优点是：因伞帆，特别是伞顶1用高强度化纤等软质材料制成，因此它可以做得极大而又同样轻便、结实和便宜。例如，一只万吨巨轮大小的伞帆式船舶（包括双身发电船），将伞顶1做得与该巨轮的横截面同样大（达数百平方米），在技术上也是完全现实的。而且重量并不会太大，转折（旋转）同样轻便，强度也足够高（因有些纤维抗拉强度比钢丝高数倍，如碳纤维、B纤维等），形状、技术简单，造价便宜。

这一优点是现有“硬质”水（风）轮机、螺旋桨等根本不可能有的。

这一优点使我们可以用增大伞顶1面积的方法，有效的直接利用分散于水、风中的能量和提高推进器效率。而不必耗费巨大的人力、物力、财力和时间去修筑拦河大坝以集中水能，或为提高推力（增大转速）而大大降低螺旋桨效率。

本人在86105027号中国发明专利申请中（已公布），推导出了如下公式（对伞帆水电装置也适用）：N＝0.5ηSV³。计算表明：即使河水流速V＝1.5－2.5米／秒（极低的流速，这种河、沟极为普遍），伞顶1垂直于水流方向的面积S只有0.2－0.3米²（一张四开的小报大小），效率η不到0.5（比现水电站低，实际不止），发电功率N也要上千瓦。相当于我国较大型的风力发电机（小型风力机还有三、五十瓦的），适用于广大边远农村照明、家用电器和小农具用电需要。

当然还可造出各种大小、各种发电功率的伞帆式发电船（桥）。例如，如果V＝5－7米／秒（这种江河在全国〔全球！〕并不少见），S＝150－250米²（中型轮船横截面积），η＝0.5，则N可达上万千瓦。若修建数十个、数百个这样的发电船（桥），密布于大江大河中，组成“发电船（桥）阵”（例如在长江三峡一带、或黄河上游，也不难找到其他大河），则发电功率仍可达几十万、几百万瓩，仍相当于现有大、中型水电站。但一次性投资（和总投资）都比现电站低得多。因它可以造一只，投入使用一只，一边投资，一边收回投资。

在86108352号和86108768号专利申请（已公布）中，推导出了“降落伞推进器”效率的如下公式（对伞帆式推进器仍然适用）：η＝ 1/(1＋m／2M) 。由此公式计算得出如下结论：

1）被伞推动的水的质量M与船的质量m之比 (M)/(m) （水－船质量比）达到1－9.5（这对伞帆也是完全现实的），则有实用意义的推进器效率可达67－95％。

2）只要 (M)/(m) ≥1，则推进器效率与推力能同时提高。从而克服了过去螺旋桨等推进器 (M)/(m) 远小于1，因而其效率－推力互相矛盾这一致命缺陷。这在推进理论上也是一重要进展。

本申请并未停留在技术方案阶段，它的主要技术方案都已进行了模型试验并已获得完全成功。现正在制造小型实用样品。试验的一些主要结构如下：

——第一、二节所述的“伞帆”、“往复伞帆装置”和“转动伞帆装置”在水、风中的运转情况，和预期结果完全一致。

——双身运输、发电船（发电水箱）及发电风箱的模型试验也已完全成功，现正制作实用样品。具体设计和成本（造价）核算已全部完成，一个月内可拿出实物。

——发电水箱单位瓩造价比现有大型水电站（每瓩1600－1800元，1986年造价）还低得多，比现有小型水电站（每瓩3000－5000元）低得更多。而与现有风力发电机（每瓩上万元）相比，其造价简直可以忽略不计。

这些，都是实验事实，而不只是理论推论、推测或“假设”。

最后，本申请还有如下优点：

可选任何河边（特别是自然条件好，不太边远的地方）放置发电船（桥），并可随水位变化移动位置。因而可以非常灵便的利用分散于全国（全球！）的大量江河、溪沟的分散水能。此外，它不影响行船、无淹没损失与移民问题，等等。这也是现水电站无法办到的。

伞帆推进船舶（潜艇）还可克服螺旋桨的空泡、斜流、谐鸣、激振、噪音等缺陷。在军事上，不易被敌人发觉（特别是潜艇），运行平稳，不影响武器射击的准确性，等等。

总之，本申请已是公布的86105027、86108352和86108768号专利申请的综合和进一步发展。

Claims (10)

1、一种船舶和潜水艇，其船(艇)身内装有驾驶系统、控制系统、舵、动力机及传动装置8，它与转轴10的一端连接并可控制轴10的转速、转向，转轴10的另一端从船(艇)身穿出但不引起船(艇)漏水，其特征是：

1)转轴10穿出船(艇)身的一端不连接螺旋桨，而直接或间接与“伞帆”或“转动伞帆装置”相连接，构成推进器；

2)“伞帆”的基本结构是：伞顶1的边5与伞底4相连，边6与系绳2的一端连结，系绳2的另一端与伞底4连接，伞底4可以与往复运动装置连接而构成“往复伞帆装置”；

3)“转动伞帆装置”的基本结构是：硬杆构架K₁K₂K₃K₄(连着加强杆K₅K₆、K₇K₈)的杆K₁K₂、K₃K₄穿过传动轮12的中心并牢固连结，并穿过K₁、K₂、K₃、K₄处的轴承，还穿进传动轮38的中心并牢固连结，环形传动带(4)(即伞底4)环绕在传动轮12上，传动带4上连结有一系列由伞顶1、系绳2组成的伞，若传动轮12上部的传动带4上不连结伞，就可构成“往复转动伞帆装置”。

2、权利要求1所述的船、艇，其特征是：其底面是有一定面积的平面，转轴10从此平面穿出，其外端与传动轮12的中心牢固连结，三根转轴16一端分别插进固定在船（艇）底的轴承座16′内的滚珠轴承的内圈并与之牢固连结，另一端分别与另三个传动轮13的中心牢固连结，传动带15连接两个伞帆（其伞底4是硬薄板）并绕过这4个传动轮12、13形成一环形。

这种船、艇的底面也可以是有一定面积的平面的凹底或底面连结有两块硬板18，必要时还连结有中隔板19和底壳板20。

3、权利要求1所述的船、艇，其特征是：其底是凹底，转轴10从下部船（艇）身26的侧面21穿出船（艇）外并与“往复转动伞帆装置”的转轴K₁K₂或K₃K₄对接，它的另三个端点K₂（或K₁）、K₃、K₄（三个轴承）也分别连结在两侧边21上。

4、权利要求1所述的船舶，其特征是：它是双身船，转动（或往复转动）伞帆装置在两船身27之间的安装方式与在凹底船（艇）两下部船身26之间的安装方式完全一样。

5、一种用作船、艇推进器或发电装置的转动伞帆装置，其特征是：

1）长方形构架q₁q₂q₃q₄的4个顶角附近，安有4个传动轮13，轴OO′穿过其圆心（是滚珠轴承），两端与支杆30牢固连结，支杆30与杆q₁q₂、q₃q₄牢固连结，其余结构与权利要求1相同；

2）在伞顶1与两条传动带4连结的边5（一些硬杆）之间，用绳索连结成一系列对角线（A₁H₃等）；

3）传动轮13可以是V形皮带轮，其槽数是双数，传动带4是V形三角带，其上表面应高出皮带轮13的V形槽，其上表面连结的伞顶1的边5（硬杆）不与皮带轮13接触，其长度也不能超过传动带4而位于另一V形槽4′之上，V形槽4′与发电机传动带环绕连接（直接或间接）。

6、权利要求5所述的装置，其特征是：薄板29嵌在长方形构架q₁q₂q₃q₄之间，传动轮13上环绕连有伞顶1、系绳2的传动带4，并连有硬质杆b₁b₂和软绳b₁b₃、b₂b₃及松紧带b₃C，端点C钉在薄板29的背面，该背面后端还连结有保护外壳30，其底面的传动带4上，连有软绳C₁N、C₁′N及软绳32，软绳32的另一端连有足套33。

7、一类能将水、风等流体的动能转变成电能（或其他形式能量）的装置，它有发电机、变压器或蓄电池、稳压器、输电线等电器系统（或有如抽水机等其他机器和有关装置），其特征是：

1）由权利要求1或5所描述的转动伞帆装置的转轴K₁K₂或K₃K₄，或传动轮38、13直接或通过传动装置，与发电机（或如抽水机等其他机器）的转轴相连接并可带动它转动；

2）有将上述装置固定于水中或风中的装置。

8、如权利要求7所述的装置，其特征是：固定于水中的装置是两船身（或浮筒）27或竖直杆29′构成的固定架，发电机35（或抽水机等其他机器）固定在船身27或“发电机架”上，其传动轮37与传动轮38或13用传动皮带直接连接或通过变速轮38′或其他传动装置间接连接，该装置上部有保护外壳29，后面挂有鱼网或其他捕鱼装置；两船身27可以向两端延伸并弯曲，两船身27的最底部之间连接有平板27′。

9、权利要求7所述的装置，其特征是：转动伞帆装置的转轴K₁K₂、K₃K₄插进环套42（或水泥建筑42′内的轴承座44′）内的滚珠轴承44的内圈并与之牢固连结，环套42（或水泥建筑42′）与两河岸牢固连结，构架K₁K₂K₃K₄的杆K₁K₄、K₂K₃由河岸取代；河太宽时，可在较长的转轴K₁K₂、K₃K₄上并排连结多个转动伞帆装置并将中段的一些点支承在河中桥墩45上（仍穿过其滚珠轴承44），发电机、抽水机或其他机器最好放置在河岸上，其传动轮37最好与传动轮38啮合或由传动带4′带动，该装置后面挂有鱼网或其他捕鱼装置；

水泥建筑42′和桥墩45可以有空腔S并放有千斤顶，其上连结轴承座44′（或：空腔S侧壁有一系列尖锥Q，向上凹形成方槽Q′，轴承座44′可放在各方槽Q′处），转轴K₁K₂、K₃K₄两端仍插进轴承座44′内的滚珠轴承44的内圈并牢固连结。

10、权利要求7所述的装置，其特征是：

1）两种转动伞帆装置之一的构架的四个顶点K₁、K₂、K₃、K₄或q₁、q₂、q₃、q₄与长方体构架B₁B₂B₃B₄B₅B₆B₇B₈的四个竖直棱边分别连结；

2）发电机等牢固连接在长方体构架的A或C处；

3）薄片52、53和杆B₁B₁₀连结组成的风向标与长方体构架相连结；

4）连杆B₅O、B₆O、B₇O、B₈O一端与长方体构架连结，另一端与转轴OO′连结，转轴OO′插进套筒46内壁嵌上的滚珠轴承50的内圈并牢固连结；

5）套筒46的下端与圆板47牢固连结，一系列弹簧49两端分别与圆板47、48连结；

6）圆板48与由一系列杆51构成的塔架连结，塔架牢固的与地面连结；

7）必要时，还可将长方体构架的除B₃B₄B₅B₆和B₁B₂B₇B₆两面的其余4面都封住，B₃B₄B₅B₆面的上半部也可封住（用硬质板或涂布）。

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