TWI426038B

TWI426038B - 馬格努斯轉子

Info

Publication number: TWI426038B
Application number: TW100132140A
Authority: TW
Inventors: Rolf Rohden
Original assignee: Wobben Aloys
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2014-02-11
Also published as: KR101488835B1; WO2012034861A1; KR20130082158A; PL2616321T3; ES2497890T3; DK2616321T3; JP5528633B2; EP2616321A1; CA2811065A1; CN103118937A; US9580158B2; TW201217227A; EP2616321B1; PT2616321E; JP2013538158A; US20130243593A1; HRP20141031T1; CN103118937B; DE102010040917A1; CA2811065C

Description

馬格努斯轉子

本發明係關於一種馬格努斯轉子。

馬格努斯轉子亦被稱為佛來納轉子或航行轉子。

馬格努斯轉子在先進技術中係已知。尤其呈船隻驅動裝置形式時，馬格努斯轉子亦以術語佛來納轉子來稱謂且使船隻配備此一佛來納轉子或馬格努斯轉子係在Ernst Kabel Verlag GmbH(Hamburg 1991)出版之Klaus D Wagner之書「Die Segelmaschine」中加以描述。

當此等船隻驅動裝置產生船隻之一推進力時，利用轉子之旋轉運動與流動於轉子周圍之風之共同操作，馬格努斯轉子可在風力足夠盛行之任何地方基本用作為船隻驅動裝置。全球全部海域(即，地球之全部氣候區中)之情況基本如此。

然而，就此而言，地球之海洋及氣候區具有即使在相同位置亦會因季節不同而劇烈波動之非常不同氣候條件及天氣條件。此等氣候條件會限制馬格努斯轉子之使用。

作為一般先進技術，應關注於DE 10 2006 025 732 A1。

因此，本發明之目的為提供可儘可能獨立於氣候條件而使用之一馬格努斯轉子。

根據本發明，該目的係由具有如技術方案1之特徵之一馬格努斯轉子及如技術方案12之一船隻(尤其是一貨船)實現。附屬技術方案中陳述有利發展。

因此，本發明提供一種馬格努斯轉子，其包括配置在該馬格努斯轉子之內部中之一載具、在該馬格努斯轉子操作時圍繞該載具轉動之一轉子、承載該載具上之該轉子之一軸承及經設置以在該載具之內部中產生熱空氣之一加熱裝置。該載具具有在其外側處之至少一開口，該開口以使得空氣可穿行於該載具中之內部空間與該載具與該轉子之間之中間空間之間之一方式將該內部空間連接至該中間空間。

有利地，將一加熱裝置設置在載具之內部中以導致該空氣被加熱且允許熱空氣通過至少一開口而上升至載具外側及載具上方之區域中而到達轉子，使得該熱空氣自內部加熱轉子且藉此可融化緊附至其外壁之冰。當一馬格努斯轉子因冰黏附至其外側而無法操作時，可藉由該融化作用而使一結冰馬格努斯轉子再現可操作性。因此，緊附至轉子之冰可代表必須經額外驅動且損害馬格努斯轉子驅動裝置之效率之一可觀額外質量。另外，冰可非對稱地緊附至外壁且以該方式產生負面影響操作或使操作不可行之一失衡。亦存在之風險為在操作中緊附至轉子之冰係自馬格努斯轉子之外壁松脫且脫離馬格努斯轉子之外壁，藉此周圍區會因冰塊掉落而存在危險。因此，為安全起見且為恢復馬格努斯轉子之操作，需要提供能夠使一結冰馬格努斯轉子儘可能快地融化之一可行方式。

在本發明之一態樣中，假定加熱裝置係以使得由加熱裝置加熱之空氣可流入至載具與轉子之間之中間空間中之一方式藉由至少一空氣引導構件而連接至載具開口。這使得熱空氣被儘可能完全而非僅部分地排入至該中間空間中，若熱空氣自加熱裝置排入至載具之內部中且自載具之內部僅部分上升至該中間空間中，則情況係如此。可較高效率地實現利用熱空氣之熱來加熱及融化轉子。此外，載具內側之空間之額外加熱可為非所欲使得就此而言亦有利地使熱空氣儘可能完全地排入至載具與轉子之間之中間空間中。

在本發明之另一態樣中，轉子係藉由一連接元件而承載在軸承上。該連接元件具有以使得空氣可穿行於載具與轉子之間之中間空間與該連接元件上方之空間之間之一方式將該中間空間連接至該連接元件上方之該空間之至少一開口。支撐元件中之該開口(其將轉子之外壁連接至馬格努斯轉子之中心線上之軸承及驅動裝置)允許空氣向上交換進入轉子之內部空間中以儘可能完全地加熱馬格努斯轉子直至其上端且使馬格努斯轉子融化。

在本發明之一態樣中，加熱裝置具有複數個空氣引導構件，及/或載具具有複數個開口，及/或連接元件具有複數個開口。一方面，這使得向上交換進入轉子之空氣被增加，藉此同時實現轉子之外壁之更多或更快加熱及融化。另一方面，氣流係通過複數個開口而更均勻地分佈在轉子內使得此亦提供更均勻且因此更快之加熱及融化。

在本發明之另一態樣中，連接元件具有使得連接元件之開口佔用大於連接元件本身沿水平面之面積之一組態。由於此等大量開口，連接元件下方與上方之空間係以便於提供一整體空間之一方式連接在一起，該整體空間係儘可能地大且其中因沒有導致一干擾或產生一通道效應之隔離構件而可快速及均勻地分佈熱空氣。

在本發明之一態樣中，加熱裝置之複數個空氣引導構件及/或載具之複數個開口及/或連接元件之複數個開口係經設置以實質上均勻地分佈在載具及/或連接元件之周邊周圍。這使得上升熱空氣儘可能均勻地分佈，這是因為存在分別等距設置在載具及連接元件之周邊上之諸多等距分佈開口，且熱空氣可通過此等開口而升入至轉子之內部空間中。

在本發明之另一態樣中，加熱裝置之複數個空氣引導構件及/或載具之複數個開口及/或連接元件之複數個開口係設置在載具及/或連接元件之周邊上以沿徑向方向與馬格努斯轉子之中心線儘可能遠地隔開。以該方式，熱空氣可直接上升至轉子之外壁之內側且可因此儘可能快且完全地將其熱能傳遞至轉子。

在本發明之一態樣中，加熱裝置之複數個空氣引導構件及/或載具之複數個開口及/或連接元件之複數個開口具有使得沿周邊方向之其等面積大於沿徑向方向之其等面積之一組態。由於該幾何結構，開口係以使得當熱空氣上升時開口使熱空氣之一儘可能大之氣流與轉子之外壁之內側直接接觸之一方式呈狹槽或類似物形式。此促進熱至轉子之外壁之傳遞。

在本發明之另一態樣中，轉子係由鋁製成。因為鋁具有較好導熱性(例如相較於鋼)，所以可自熱空氣較佳及快速地吸收熱能。此促進轉子之快速融化。

在本發明之一態樣中，載具係由鋼製成。鋼具有較差導熱性(例如相較於鋁)。因此，鋼載具自熱空氣吸收之熱能少於轉子吸收之熱能。以該方式，熱空氣之熱可最佳地用以融化轉子。

在本發明之另一態樣中，一電動馬達係設置在載具之內部中。藉由電線而給加熱裝置饋送電能，在馬格努斯轉子操作時藉由該等電線而饋電給該電動馬達。電力供應器至電動馬達或加熱裝置之該配置利用此等兩個裝置不同時操作之事實，因為轉子之融化恰好發生在轉子因結冰而無法由電動馬達驅動時。因此，可降低此等兩個裝置之電力供應器之安裝難度及費用，因為可最大可能地由相同線路實現該電力供應。

在下文中，參考以下圖式而更詳細描述本發明之例示實施例及優點。

圖1顯示具有複數個馬格努斯轉子2之一船隻之一圖解視圖。在此情況中，船隻具有包括一水下區16及一水上區15之一船身。另外，船隻具有配置在船身之四角處且較佳為圓柱形之四個馬格努斯轉子或佛來納轉子2。在此情況中，四個馬格努斯轉子2代表根據本發明之用於船隻之風動驅動裝置。船隻具有配置在艏艛中且具有一橋艛30之一甲板船艙40。在水下，船隻具有一推進器50或螺旋槳50。為改良可操縱性，船隻亦可具有橫向推進舵，其中較佳地一者係配置在船尾處且一至兩者係設置在船頭處。較佳地，此等橫向推進舵係經電力驅動。住艙、廚房、食物儲藏室、餐室等等係配置在甲板船艙40中。在此情況中，露天甲板14上之甲板船艙40、橋艛30及全部上層結構具有一空氣動力學形狀以減小風阻力。此尤其藉由實質上避免銳緣及銳緣結構而實現。提供儘可能少之上層結構以最小化風阻力且實現一空氣動力學形狀。

圖2顯示一馬格努斯轉子之一圖解透視圖。馬格努斯轉子2具有藉由一軸承6而連接在一起之一上轉動部件(即，轉子8)及一下固定部件(即，載具4)。一端板10係安裝至轉子8之上端處。馬格努斯轉子2之載具4係藉由螺栓或螺釘9而固定在一底板20上。若馬格努斯轉子2係安裝(例如)在一船隻之甲板或類似物上，則無需一對應底板20來固定載具4，因為底板係由船隻之甲板本身或類似物形成。就此而言，載具4係配置在馬格努斯轉子2之內部中。上轉子8藉由軸承6而在該載具上轉動。軸承6可為一已知滾動軸承或任何其他適合軸承構造。

圖3顯示馬格努斯轉子2之一詳細圖解側視圖。用於驅動轉子8(即，用於使轉子8轉動)之一驅動裝置15以及用於控制驅動裝置15之一控制件16及用於饋電驅動裝置15之一反向器17係設置在馬格努斯轉子2之內部中。其等係設置在載具4之內部中。在此配置中，轉子8之驅動裝置15係安置在固定載具4之上區中使得驅動裝置15之驅動軸15a係穿過軸承6。上轉子8係藉由一輪轂7而連接至驅動軸15a。馬格努斯轉子2係藉由螺栓或螺釘9而安裝在底板20或一船隻之甲板或類似物上。如所述且如圖2中所示，馬格努斯轉子2具有內置載具4、軸承6、上轉子8及端板10。

圖4顯示一第一實施例中之具有一加熱裝置3之馬格努斯轉子2之一圖解簡化側視圖。圖式顯示具有端板10及輪轂7(作為在馬格努斯轉子2操作時移動之部件)之轉子8。其等係藉由亦轉動之驅動軸15a(圖中未顯示)支撐在載具4之軸承6上。

設置在載具4之上區中之一風扇加熱器3係顯示在載具4之內部中作為一加熱裝置3。風扇加熱器3藉由自周圍環境(即，自載具4之內部空間50)抽入空氣且使空氣移動通過經電流加熱之繞組而產生熱空氣。在該情況中，被抽入之空氣自經電流流過之繞組吸收熱。接著，該熱空氣係由風扇加熱器3吹出。根據本發明，此係藉由連接至風扇加熱器3之排放口之至少一風扇加熱器管3a而實現。該加熱空氣管3a導引至設置在載具4中之至少一載具開口4a以將載具4中之內部空間50連接至載具4與轉子8之間之中間空間51、52。在此情況中，中間空間51、52包括實質上由介於載具4、輪轂7與輪轂7下方之轉子8之部分之間之容積形成之一中間空間51及實質上由介於輪轂7、輪轂7上方之轉子8之部分與端板10之間之容積形成之一中間空間52。以該方式，藉由自風扇加熱器3經由加熱空氣管3a之該載具開口4a而將熱空氣自載具4吹入至中間空間51、52中。

替代地，所使用之加熱裝置3亦可為一熱交換器3或類似物，其自另一流體吸取加熱空氣之熱能且將自該流體獲得之熱能至少部分地傳遞至自風扇加熱器管3a流出之空氣。因此，例如，熱能可藉由一熱交換器3而(例如)自船隻之一內燃機之排放氣體獲得，該船隻驅動其推進器50或螺旋槳50或產生驅動推進器50或螺旋槳50之一電動馬達之電能，且該熱能可至少部分用以產生熱空氣。

當熱空氣上升時，實質上自載具開口4a之高度(載具開口4a係設置在該高度處)起加熱且由此融化轉子8之外壁。然而，應注意氣流係向上受限於將轉子8之外壁連接至驅動軸15a之輪轂7。因此，亦需要在輪轂7中設置至少一輪轂開口7a使得熱空氣可進一步上升以加熱及融化轉子8之整個上區。換言之，藉由載具開口4a而將熱空氣傳遞至中間空間51中。然而，當輪轂7將中間空間51與中間空間52隔開時，需要輪轂開口7a來將兩個中間空間51與52連接在一起且允許其等之間之空氣交換。

圖5顯示一第二實施例中之具有一加熱裝置3之馬格努斯轉子2之一圖解簡化側視圖。圖5大致顯示圖4之組件。另外，圖5顯示藉由螺栓或螺釘9而使馬格努斯轉子2固定在其上之底板20或船隻甲板或類似物。

在此第二實施例中，加熱裝置3係配置在載具4之下區中且風扇加熱器管3a及載具開口4a係呈徑向定向關係設置在馬格努斯轉子2之區域中，其中轉子8之外壁圍繞載具4延伸。因此，在此實施例中，熱空氣係通過轉子8之外壁(幾乎遍及轉子之整個高度)。

以該方式，亦可在整個高度上加熱及融化外壁。然而，在此實施例中，已在轉子8之下區中將熱空氣之熱之一部分傳遞至轉子之外壁使得僅仍然暖和之空氣到達轉子8之上區中，即，空氣相較於自風扇加熱器管3a排出之空氣已明顯冷卻。因此，轉子8之上區不如下部分熱使得當轉子8之上區嚴重結冰時(在惡劣條件下)無法完全移除或僅可至少緩慢地移除該結冰(相較於第一實施例)。反過來，第二實施例具有優於第一實施例之優點：此處可加熱及融化轉子8之整個高度，而在第一實施例中僅加熱及融化大致在載具開口4a上方之區域，因為熱空氣自此等載具開口4a上升。然而，反過來應注意第一實施例中之轉子8之上區之加熱多於第二實施例中之加熱。

在第一及第二實施例中，圖4及圖5顯示兩個風扇加熱器管3a、兩個載具開口4a及兩個輪轂開口7a。然而，就此而言，亦可僅具有一個風扇加熱器管3a、載具開口4a及輪轂開口7a。亦可提供兩個以上風扇加熱器管3a、載具開口4a及輪轂開口7a。另外，亦可僅具有一個風扇加熱器管3a及複數個載具開口4a及/或輪轂開口7a。就此而言，重點考量將儘可能多之熱空氣自載具4運送至馬格努斯轉子2之轉子8之整個上區(即，中間空間52)中且使該處之熱空氣儘可能均勻地分佈在轉子之外壁處。因此，風扇加熱器管3a、載具開口4a及輪轂開口7a之各種組態及組合係可行。

圖6顯示第一及第二實施例中之一馬格努斯轉子2之一輪轂7之一圖解平面圖。在此視圖中，輪轂7具有使得其藉由肋條而將轉子8之外壁連接至驅動軸15a之一組態。因此，開口7a可特別大且配置在此處提供自載具4之頂側至轉子8之端板10之在轉子8之內部中之一幾乎連續中間空間51、52，其中熱空氣可自載具開口4a幾乎無障礙且沿一直線垂直地上升至端板10。

就此而言，在第一及第二實施例中，有利地將複數個風扇加熱器管3a、載具開口4a及輪轂開口7a均勻地分別設置在載具4之周邊處及輪轂7中以向上吹出儘可能多之熱空氣且亦使熱空氣儘可能均勻地分佈在自載具4至端板10之中間空間51、52中以亦提供轉子8之外壁之均勻加熱。

載具開口4a及/或輪轂開口7a亦可具有使得其等特別導引上升熱空氣之流動且使熱空氣分佈在轉子8之內部空間中之一組態。以該方式，載具開口4a及/或輪轂開口7a可沿徑向方向而設置在向上儘可能遠離馬格努斯轉子2之中心線(即，轉動軸)之位置處以導致自風扇加熱器管3a排出之熱空氣儘可能貼近地通過轉子8之外壁且由此提供自上升熱空氣至轉子8之外壁之一儘可能完全熱傳遞。載具開口4a及/或輪轂開口7a亦可呈狹槽或類似物形式以引導熱空氣沿儘可能呈層流而流動通過轉子8之外壁且由此最佳化轉子8之外壁之加熱。這可使得儘可能快且完全地融化突然結冰。

圖7顯示第一實施例中之一馬格努斯轉子2之一載具4之一圖解平面圖。在此視圖中，載具開口4a係呈狹槽形式且沿徑向方向儘可能向外(即，儘可能貼近於轉子8之外壁)地配置在載具4之上區上。由於該配置，熱空氣儘可能平行於轉子8之外壁之內側而自載具開口4a通過。

為促進轉子8之外壁之加熱，轉子8可由鋁製成，因為鋁比(例如)鋼更佳地吸收及傳導熱。因為轉子8之外壁僅需承載由其自身重量引起之力且需承受自外側作用在其上之風力，所以在一馬格努斯轉子2之情況中此一構造係可行且不會負面影響轉子8之結構之所需穩定性。在該情況中，輪轂7及固定部件(即，在馬格努斯轉子2操作時不會轉動之部件)可由鋼製成以實現一高階值之結構剛性，因為此等部件無需自熱空氣吸收熱且亦不應如此以使熱空氣之熱儘可能完全地被傳遞至轉子8之外壁。

就此而言，有利地給風扇加熱器3饋送在馬格努斯轉子2操作時被饋送至驅動裝置15之電能，因為只要轉子8結冰馬格努斯轉子2就無法操作，即，由驅動裝置15驅動。該配置意謂無需另外電氣設備以將電能饋送至驅動裝置15，藉此可在裝配風扇加熱器3時降低安裝難度及花費。電氣設備亦僅設計用於裝置之一者(即，驅動裝置15或風扇加熱器3)之電力消耗，且非用於兩個裝置之部分之同時電力消耗，因為此等裝置不會同時操作。

圖8顯示第二實施例中之具有一加熱裝置3之馬格努斯轉子2之一圖解簡化側視圖。在此視圖中，另一較佳圓柱體係設置在轉子8之內部中作為一內部圓柱體8a。利用內部圓柱體8a之較佳為大致圓形之下邊緣，內部圓柱體8a以使得輪轂開口7a係安置於轉子8與內部圓柱體8a之間之一方式鄰接輪轂7。以該方式，將輪轂7與端板10之間之中間空間52分成內部圓柱體8a內之一中間空間52a及內部圓柱體8a與轉子8之間之一中間空間52。

在此實施例中，沿轉子8之內側表面引導自輪轂開口7a流出之熱空氣，其中熱空氣將其熱儘可能快且完全地釋放至轉子8以加熱及融化轉子8。同時，熱空氣無法在轉子8之上部之內部中(即，在中間空間52中)自由流通，這是因為內部圓柱體8a將內部圓柱體8a之內部(即，中間空間52a)與內部圓柱體8a與轉子8之間之內部空間52隔開。該配置意謂熱空氣之熱可更佳地用以加熱及融化轉子8，因為沒有熱空氣被儲存在中間空間52a之容積中且因此沒有熱空氣不用以加熱及融化轉子8。

為獲悉冰可能已形成於轉子8之外壁處，一方面可參考氣象資料。在該情況中，此氣象資料可藉由一資料傳輸而接收。亦可確定馬格努斯轉子2周圍區域(例如在可由馬格努斯轉子2驅動之船隻上)之氣象資料。此資料可包含風向與風力、氣溫、相對濕度、氣壓及其之一變化或類似物以及轉子8之旋轉速度與轉子8之表面之溫度。接著，可自此等及其他資料得出轉子8之外壁處之結冰在氣候上係完全可能或可能。

亦可提供轉子8之一可能失衡之偵測。為此，可沿垂直於轉子8之轉動軸之至少兩個軸向位移平面偵測失衡。較佳地，藉由(例如)沿各平面安裝之應變計量測條而偵測失衡。就此而言，可有利使用已存在且被永久裝配至轉子8以(例如)量測推進力之應變計量測條。

圖9顯示穿過一馬格努斯轉子2之一圖解橫截面圖。馬格努斯轉子2具有在轉子8內之載具4。一第一應變計感測器9及一第二應變計感測器11係配置在載具4之內側表面4b處作為一量測裝置之部件。該量測裝置係經調適以由於作用在轉子8上之力而測定由大致徑向作用在軸承6上之一力引起之轉子安裝配置上之一翹曲負載。該量測裝置具有在本實施例中相對於彼此成一90°角配置之兩個應變計感測器9、11。如自載具4之中心點所觀看，第一應變計感測器9係安置在一第一軸13a上。第一軸13a沿相對於船隻之縱向軸之一角β延伸。在一尤佳實施例中，角β=0°。第二應變計感測器11(自載具之中心點觀看)係沿一第二軸17而配置在載具之內側表面4b處。在一尤佳實施例中，第一軸13a與第二軸17之間之角α=90°。

第一應變計感測器9係藉由一信號線19而連接至一資料處理設備23。第二應變計感測器11係藉由一第二信號線21而連接至資料處理設備23。資料處理設備23係藉由一第三信號線25而連接至一顯示裝置27。顯示裝置27係經調適以顯示作用在載具4上之推進力之方向及量值。

除作用在載具4上之推進力之所述判定功能以外或替代於作用在載具4上之推進力之所述判定功能，量測裝置之應變計感測器9、11及裝置本身亦可用以偵測轉子8處之失衡以除藉由氣象資料而測定黏附至轉子8之冰以外或替代於藉由氣象資料而測定黏附至轉子8之冰而亦偵測氣象資料，以考慮終止馬格努斯轉子2之操作且根據本發明而使馬格努斯轉子2融化。

本發明之概念係關於即使發生突然結冰(例如在如加拿大之氣候區中)亦可操作之一馬格努斯轉子。此結冰可因雨或雪在其被冷卻至冰點以下之條件下黏附至馬格努斯轉子而在低於冰點之溫度下非常突然地發生。就此而言，該突然結冰較佳發生在馬格努斯轉子之上區中且可承擔對應大重量之一大質量。該額外重量可意謂馬格努斯轉子無法再操作。

為此，根據本發明之馬格努斯轉子具有一融化功能。就此而言，熱空氣係藉由馬格努斯轉子之載具之內部中之一加熱配置而產生且自載具中之內側通口傳至馬格努斯轉子之轉子之外壁，在該外壁處已形成突然結冰。該熱空氣導致轉子被加熱且導致冰被融化。在該情況中，包括鋁之轉子尤佳地向外傳遞熱空氣之熱使得可以該方式尤佳地實施融化。另外，當結冰馬格努斯轉子無法操作且兩個裝置(即，加熱裝置及馬格努斯轉子驅動裝置)因此無法同時操作時，用於驅動馬格努斯轉子之電能可藉由加熱裝置而用於加熱空氣。

2．．．馬格努斯轉子

3．．．加熱裝置

3a．．．風扇加熱器管/空氣引導構件

4．．．載具

4a．．．載具開口

4b．．．內側表面

6．．．軸承

7．．．輪轂/連接元件

7a．．．輪轂開口

8．．．轉子

8a．．．內部圓柱體

9．．．螺栓/螺釘/第一應變計感測器

10．．．端板

11．．．第二應變計感測器

13a．．．第一軸

14．．．露天甲板

15．．．水上區/驅動裝置/電動馬達

15a．．．驅動軸

16．．．水下區/控制件

17．．．反向器/第二軸

19．．．信號線

20．．．底板

21．．．第二信號線

23．．．資料處理設備

25．．．第三信號線

27．．．顯示裝置

30．．．橋艛

40．．．甲板船艙

50．．．內部空間/推進器/螺旋槳

51．．．中間空間

52．．．中間空間

52a．．．中間空間

圖1顯示具有複數個馬格努斯轉子之一船隻之一透視圖；

圖2顯示一馬格努斯轉子之一圖解透視圖；

圖3顯示馬格努斯轉子之一詳細圖解側視圖；

圖4顯示一第一實施例中之具有一加熱裝置之馬格努斯轉子之一圖解簡化側視圖；

圖5顯示一第二實施例中之具有一加熱裝置之馬格努斯轉子之一圖解簡化側視圖；

圖6顯示第一及第二實施例中之一馬格努斯轉子之輪轂之一圖解平面圖；

圖7顯示第一實施例中之一馬格努斯轉子之載具之一圖解平面圖；

圖8顯示第二實施例中之具有一加熱裝置之馬格努斯轉子之一圖解簡化側視圖；及

圖9顯示穿過一馬格努斯轉子之一圖解橫截面圖。