NL8002427A

NL8002427A - Windmill type propulsion unit for sail-board - has single mast with universal coupling to board and to rotating assembly with four aerofoil section blades

Info

Publication number: NL8002427A
Application number: NL8002427A
Authority: NL
Original assignee: Hendrik Schutte
Priority date: 1980-04-25
Filing date: 1980-04-25
Publication date: 1981-11-16

Abstract

The wind propelled vessel comprises a sail-board with a universal joint coupling to an aluminium tube or glass-fibre mast attached at the upper end to a cruciform sail connection piece which has double finger slots on each of its four edges. The connection piece has a central ball joint coupling to the mast and swivel couplings to each of four similar rods fixed to each of four similar aerofoil section sails. In motion, the wind rotates the sails in the manner of a windmill and provides a tractive force to the mast to pull the sailboard along. The angle of the mast is controlled by a horse- shoe shaped coupling, a pivot and a T-shaped hand lever.

Description

l· 4 t -1-l4 t -1-

Inrichting voor de voortstuwing van zeilvaartuigen.Establishment for the propulsion of sailing vessels.

De uitvinding heeft betrekking op een molenachtig mechanisme ten behoeve van het transport te water, waarbij de middels de wieken van de molen gevangen windkracht rechtstreeks wordt overgebracht: op het vaartuig, zonder tussenkomst van assen, 5 scheepsschroeven of soortgelijke voorzieningen.The invention relates to a mill-like mechanism for water transport, in which the wind force captured by the blades of the mill is transmitted directly: to the vessel, without the intervention of shafts, 5 ship's propellers or similar provisions.

Yanouds geldt dat,bij. het toepassen van normale zeilen, slechts een zeer klein gedeelte van de in. de langsstrijkende wind aanwezige kinetische energie benut kan worden voor de voortstuwing van een vaartuig (art.van A.Betz in Die Naturwissenschaf-10 ten d.d.t8 nov,1927,Gdttingen,getiteld:"Die Nindmdhlen im Lichte neuerer Forschung”). Naast factoren als oppervlakte , boiling, invalshoek der schijnbare wind en dergelijke, is het aërodynamisch kwaliteitsgetal van. een zeil,uitgedrukt als de verhouding ^/D=Lift/Drift,zeer wezenlijk voor de effisiency 15 van de energieomzetting.(L.Prandtl,Göttiger Segelprofilen).Yanouds holds that, at. using normal sails, only a very small part of the in. the kinetic energy present in the passing wind can be utilized for the propulsion of a vessel (art. of A. Betz in Die Naturwissenschaf-10, dated Nov 8, 1927, Gdttingen, entitled: "Die Nindmdhlen im Licht neuerer Forschung"). as surface, boiling, angle of attack of the apparent wind and the like, the aerodynamic quality number of a sail, expressed as the ratio ^ / D = Lift / Drift, is very essential for the effisiency of the energy conversion. (L.Prandtl, Göttiger Segelprofilen ).

De getalswaarde van opgenoemde coefficient,kan bij gebruikmaking van conventioneel zeiltuig,de limiet 7 niet zonder grote bezwaren overschrijden,vanwege de in de praktijk van het zeilen optredende koppeling tussen de aërodynamische slank-20 heid van het zeil enerzijds en de kenterneiging van het vaartuig anderzijds. Het prijsgeven van de starre verbinding tussen de mast (in de hoedanigheid van zeildrager) en het eigenlijke vaartuig is in dit opzicht een doorbraak gebleken ( we-reldsnelheidsrecord 1979 gevestigd op een zeilplank volgens 25 het octrooi van de Amerikaan Hoyle Schweitzer).The numerical value of the aforementioned coefficient, when using conventional sailing gear, cannot exceed the limit 7 without major drawbacks, due to the coupling occurring in sailing practice between the aerodynamic thinness of the sail on the one hand and the turning tendency of the vessel on the other . The abandonment of the rigid connection between the mast (in the capacity of a sail carrier) and the actual vessel has proved to be a breakthrough in this respect (world speed record 1979 set on a sailboard according to the patent of the American Hoyle Schweitzer).

De mogelijkheden met laatsgenoemde constructie zijn evenwel beperkt tot kleine vaartuigen,daar het vereiste tegenkoppel voor de trekkracht van het zeil begrensd wordt door het lichaamsgewicht van de zeiler. Min of meer los van de construc-30 tie van de zeilplank staat ten slotte het in 1960 bij de 0-lympische Spelen te Napels ontdekte fenomeen van het door middel van spierarbeid inrotatie brengen van het zeil extra stuw-kracht=snelheid oplevert (Het zogenaamde Pompen).However, the possibilities with the latter construction are limited to small vessels, since the required torque for the sail's pulling force is limited by the body weight of the sailor. Finally, more or less separate from the construction of the sailboard, the phenomenon of bringing the sail into rotation by means of muscle work, discovered in 1960 at the 0-lympic Games in Naples, provides extra thrust = speed (The so-called Pumps).

In de constructie van een soort molenzeil dat navolgend wordt 35 beschreven,wordt het fenomeen van de pomp-energie (in dit geval uit de wind) op zodanige wijze gecombineerd met de schar- 800 2 4 27 £- v »2* scharnierende mast of staakvoet van de zeilplank en het principe van de autügyro (uitvinding van de spaanse ingenieur Juan de la Cierva, 1928) dat opnieuw (de practijlc proeven hebben dat inmiddels bevestigd) van een. doorbraak kan worden 5 gesproken, daar de bezwaren opstaand vermeld, alsmede de bezwaren die het. plaatsen van een logge starre molen, op een vaartuig heeft (Windturbine octrooi,Berlijn 1922 van de duitser Anton Flettner) niet alleen zijn opgeheven ,doch waarvan de kwaliteiten vermeerderd zijn met de navolgende voordelen : 10 1) Door de ontkoppeling van de voortbewegings snelheid van 'het zeil enerzijds en de vaarsnelheid anderzijds kan per eenheid van zeiloppervlak een enige tientallen malen hoger vermogen aan de wind worden onttrokken. Omgezet door de molen in voortstuwende kracht wordt vervolgens ook hydro dynamisch dit 15 vermogen minder verspild in het overwinnen van de verleie-ringsweerstand.In the construction of a kind of mill sail described below, the phenomenon of the pump energy (in this case from the wind) is combined in such a way with the hinged mast 800 2 4 27 £ - v »2 * hinged mast or stake of the sailboard and the principle of the autügyro (invention of the Spanish engineer Juan de la Cierva, 1928) that again (the practical tests have now confirmed this) of a. breakthrough can be spoken, as the objections are raised, as well as the objections raised by it. placing a unwieldy rigid reel on a vessel (Windturbine patent, Berlin 1922 of the German Anton Flettner) has not only been canceled, but the qualities of which have been increased with the following advantages: 10 1) By decoupling the speed of movement of the sail on the one hand and the sailing speed on the other hand, a unit of tens of times higher power can be extracted from the wind per unit of sail area. Converted by the mill into propulsive power, this power is then also wasted hydro dynamically in overcoming the drag resistance.

2) De trekkracht van het wiekenstelsel slechts een gering koppel via de staak en de stuurknuppel op het vaartuig overbrengt, waardoor niet alleen kostbare maar bovenal veel weer- 20 stand veroorzakende rolstabiliteits-vlakken achterwege kunnen bli jven of althans kleiner kunnen worden gedimensioneerd.2) The tensile force of the vane system transmits only a small amount of torque via the pole and the tiller handle to the vessel, so that not only costly but above all highly resistant rolling stability surfaces can be dispensed with or at least reduced in size.

3) De benodigde opwaartse kracht voor het vaartuig + nutti-last niet langer uitsluitend ontleend behoeft te worden aan de statische waterverplaatsing,maar gedeeltelijk ontleend- kan 25 worden, aan de vertikaal, omhoog gerichte component van. de trekkracht van het wiekenstelsel (het autogyro effect),tengevolge waarvan de planeer toestand van het vaartuig eerder wordt bereikt. Voor ingewijden, is het duidelijk dat aldus de golf-weerstand klein gehouden wordt-, terwijl de hydrodynamische 30 draagkracht juist sterk toeneemt.3) The required buoyancy for the vessel + useful load no longer needs to be derived solely from the static displacement of water, but can be derived in part from the vertical, upwardly directed component of. the tensile force of the wing system (the autogyro effect), as a result of which the planing state of the vessel is reached earlier. It is clear to insiders that the wave resistance is thus kept small, while the hydrodynamic carrying capacity increases considerably.

4) Een voordeel is ook door het meer of minder vertikaal stellen van de staak de verhouding van de vertikale en de horizontale componenten van de trekkracht van de molen continu instelbaar is,zowel in tijd als in ruimtelijke zin.4) An advantage is also by setting the stake more or less vertically, the ratio of the vertical and horizontal components of the tensile force of the mill is continuously adjustable, both in time and in spatial sense.

35 Deze laatste handeling die simpel met behulp van de stuur knu ppel uitgevoerd wordt vervangt niet alleen het zeer omslachtige reven of zelfs vervangen der zeilen,maar levert daarnaast de onder punt 3 genoemde en zeer begeerde hefkracht op het vaartuig , inclusief nuttige last.35 This last operation, which is simply carried out with the aid of the steering handle, not only replaces the very cumbersome reefing or even replacement of the sails, but also provides the coveted lifting force mentioned under point 3, including payload.

80024 27 % 3· Λ -3- 5 ) Een groot voordeel is ook dat door de relatief hoge snelheid van de wieken,de trekkracht een uitgesteld afhankelijke functie is van de momentane windsnelheid. De totale stabiliteit kan dientengevolge aanmerkelijk groter- zi'j'n dan.80024 27% 3 · Λ -3- 5) A major advantage is also that due to the relatively high speed of the blades, the pulling force is a delayed dependent function of the current wind speed. As a result, overall stability can be significantly greater than.

5 bij toepassing van onverwijld op windstoten reagerende conventionele zeilen.5 when using conventional sails that react immediately to wind gusts.

ïënslotte zei opgeraerkt dat alle tot nu toe bekende molenachtige voortstuwingsconstructies op schepen, toegespitst waren op de vermeende eigenschap van het rerecht tegen de wind f0 kunnen varen",waarbij een. reeks van verlies gevende energieconversies, middels topzware mechanismen,onontkoombaar bleken te zijn. Essentieel voor deze uitvinding is dan ook dat juist geen enkel as-koppel wordt afgedragen,waardoor deze conceptie niet alleen, reactie vrij is,maar bovendien het eigenlijke f5 wiekontwerp (koorde-profielenjtapsheidjslankheidjwrong,e.d.) geoptimaliseerd kon. worden op het leveren van uitsluitend trekkracht loodrecht op het vlak gevormd door de wieken in werking· Theoretisch is de hefkracht namelijk een tweede machts functie van de rotatie - of omwentelings-snelheid van 20 de wieken.Finally, all the hitherto known mill-like propulsion structures on ships focused on the alleged property of sailing right against the wind f0, "whereby a series of loss-making energy conversions, through top-heavy mechanisms, proved to be inescapable. for this invention, therefore, is that no shaft torque is transferred, so that this concept is not only reaction-free, but moreover the actual f5 blade design (chord-profile taperedness, slenderness, etc.) could be optimized to supply only pulling force perpendicularly. in the plane formed by the blades in operation · Theoretically, the lifting force is a second power function of the rotation or rotation speed of the blades.

De uitvinding zal nu beschreven worden, aan de hand van een specifiek uitvoerings voorbeeld en wel m.b.v.twee figuren:The invention will now be described on the basis of a specific exemplary embodiment, by means of two figures:

Fig.1 ...... Eenvoudige handbestuurbare zeilmolen in combi natie met een zeilplank· 2-5 Fig 2...... Het wiekenkruisstuk (detail nr.5 van fig.1 )·Fig.1 ...... Simple hand-operated sailmill in combination with a sailboard · 2-5 Fig 2 ...... The sail cross piece (detail nr.5 of fig.1) ·

Figuur 1 toont de uitvinding in zijn eenvoudigste vorm n.1. in een zodanig handzame uitvoering dat toepassing op een zeilplank een zeer goed te zeilen combinatie oplevert. De zeilmolen is opgebouwd uit de volgende hoofdbestanddelen: een 30 enigszins neerwaarts doorgebogen glasfiber of aluminium buis of staak(2),welke de verbinding vormt tussen het wieken-kruis-stuk(5) en het kogelgewricht (3) waarmede de staak losneembaar op de niet tot de uitvinding behorende zeilplank (t) wordt geschoven. Het wiekenkruisstuk(5) is middels een as en kogella-35 gers(l2) draaibaar en tevens losneembaar gemonteerd op het topeind van de staak(2). Aan de omtrek is het kruisstuk(5) voorzien van een aantal- overeenkomend met het aantal wieken-— adapters (1.0), welke vorkvormig zijn uitgevoerd en zodanig 8002427 V ' ^ -r via. een draaibare as met de wiekstangen( .11 ) zijn verbonden dat deze laatste over hoeken van +en- 90 graden kunnen weg klappen, gerekend vanuit het gemeenschappelijke vlak dat de wieken onder invloed van de centripetale versnellingskrachten 5 trachten in te nemen. Tevens is deze draaibare as onder een zodanige hoek t.o.v.het vlak van het wiekenkruisstulc(5) in de vorkadapter(lO)gemonteerd,dat wanneer de corresponderende wiek (4) b.v. ten gevolge van een hogere windsnelheid naar boven (in de richting van de aangegeven pijl) klapt deze 10 relatieve snelheidsvector tevens een component heeft in het rotatievlak der wieken en qua teken samenvallend met de draai-ingsrichting van de wieken. Deze scharnierconstructie garan-r deert een trillingsvrije omloop der wieken en een minimale wringbelasting van het vorkscharnier. In de geschetste uit-15 voering is de molen uitgerust met 4 wieken (4), die zich vanaf de tip (13) gerekend uitstrekken tot op ongeveer tweederde van de halve molendiameter met als gevolg dat de geen draagkracht en minimale weerstand opwekkende wiekstangen(11),welke de verbinding vormen tussen de wiekworteluiteinden (14) 20 en het wiekenkruisstuk (5) ongeveer 1/3 R lang zijn. De wieken zijn bij voorkeur gevormd uit twee zelfdragende huidpla-ten van lichtmetaal,kanststof of vliegtuigtriplex. De aërodynamische kromming van deze platen wordt verkregen door het inwendige van de wieken te voorzien van b.v. balsa-houten 25 ribben die een zodanige reeks ( boven zowel als onder) profiel coördinaten bevatten dat de wiek(voor dit doel) zijn optimale vorm aanneemt. Op 11/2 a2 meter boven de staakvoet(3) is middels een bout met moer(9) de stuurknuppel of hefboom(7) gemonteerd en wel aan de holla zijde van de gekromde staak(2) 30 en wel zodanig dat de stuurknuppel(7) middels een star aan de stuurknuppel bevestigde vork^reactieloos op en neer bewogen kan worden. Dwars op het andere uiteinde van de hefboom(7)is horizontaal de Stuurstang met handgrepen (6) vast gezet ,zodat wanneer hierop een moment wordt uitgeoefend de molen in 35 de juiste wind en scheeps positie gemanoevreerd kan worden. Door aan de stuurknuppel te trekken wordt de mogelijkheid geboden de staak(2.) meer vertikaal en dientengevolge het wie-kenstel(4) meer horizontaal te stellen.Figure 1 shows the invention in its simplest form n.1. in such a handy design that application on a sailboard provides a very good sailing combination. The sailmill consists of the following main components: a slightly downwardly bent glass fiber or aluminum tube or stake (2), which forms the connection between the sail cross piece (5) and the ball joint (3) with which the stake is detachably on the sailboard (t) not belonging to the invention is slid. The sail crosspiece (5) is rotatable by means of a shaft and ball bearings (12) and is also detachably mounted on the top end of the stake (2). On the circumference, the cross piece (5) is provided with a number corresponding to the number of blade adapters (1.0), which are designed in a fork-shaped manner and are thus 8002427 V-1 through. a rotatable shaft are connected to the wing rods (.11) so that the latter can fold away over angles of + and- 90 degrees, calculated from the common plane which the wings try to take up under the influence of the centripetal acceleration forces. This rotatable shaft is also mounted at an angle to the plane of the crosshair strut (5) in the fork adapter (10), so that when the corresponding wick (4) e.g. due to a higher wind speed upwards (in the direction of the indicated arrow), this relative speed vector also flaps a component in the plane of rotation of the blades and in terms of sign coincides with the direction of rotation of the blades. This hinge construction guarantees a vibration-free circulation of the blades and a minimal twisting load on the fork hinge. In the sketched embodiment, the mill is equipped with 4 blades (4), which extend from the tip (13) to approximately two-thirds of the half-mill diameter, with the result that the wing bars generate no carrying capacity and minimal resistance (11 ), which form the connection between the wick root tips (14) and the wick cross (5) are about 1/3 R. long. The blades are preferably formed from two self-supporting base plates of light metal, plastic or aircraft plywood. The aerodynamic curvature of these plates is obtained by providing the interior of the blades with e.g. balsa wooden ribs containing a series of (top and bottom) profile coordinates such that the wick (for this purpose) takes its optimal shape. At 11/2 a2 meters above the stake foot (3) the control stick or lever (7) is mounted by means of a bolt with nut (9), namely on the holla side of the curved stake (2) 30, such that the control stick ( 7) can be moved up and down without reaction by means of a fork rigidly attached to the tiller handle. Transversely on the other end of the lever (7) the handlebar (6) is fixed horizontally, so that when this is applied for a moment the mill can be maneuvered in the correct wind and ship position. By pulling the tiller handle, the possibility is offered to make the stake (2.) More vertical and consequently to set the swivel gear (4) more horizontally.

800 2 4 27800 2 4 27

Claims

1. Device for the propulsion of vessels using wind power directly by rotating wings. retraction force is converted and wherein this force is introduced into the vessel by means of a simple steerable stake construction, characterized in that the stake is coupled to the vessel by means of a ball joint.

2. Propulsion device according to claim 1, characterized in that the wheel shape is aerodynamically optimized by means of the appropriate design parameters such as profile coordinates, slenderness, taper and twist 10 to provide a maximum pulling force at a wind speed of 6.5 meters. / second and in which the load-bearing portion of the blades extends between a third and three-thirds of the half-diameter of the turning circle of the blades and wherein the remaining part of the blades are formed by aerodynamically profiled connecting rods, which in the design wind condition contribute to the carrying capacity and wherein these rods are connected to the top end of the stake in such a way that the blades can fold up and down separately, with the understanding that the angle with which this plane folds up from the top is with a neutral turning plane 80 a.85 degrees, at least smaller than perpendicular, while in addition, by means of bearings, the rotation is ensured iing of. the blades are not significantly braked by friction * 25

Propulsion device according to claims 1 and 2, characterized in that the mass of the blades plus rods and the associated centrifugal forces are so small that tip speeds of 110 m / s for the strength are permissible.

4. Propulsion device according to 1,2 and 3, characterized in that the desired position of the stake / mill combination can be adjusted and maintained by means of a T-shaped control stick hinged at shoulder height to the slightly curved stake by by means of a fork in such a way that a considerable torque can be transferred from the control stick to the stake and then to the shaft of the blades ·

Propulsion device according to claims 1 and 2, characterized by so-called tipvanes at the ends of the blades. - - Λ J A Tf