三葉型推進發電兩用式風帆的製作方法

2023-06-08 19:28:26

專利名稱：三葉型推進發電兩用式風帆的製作方法
技術領域：
本發明涉及船用風帆，特別是一種三葉型推進發電兩用式風帆。
背景技術：
風能是具有大規模發展潛力的可再生能源，上世紀70年代的石油危機使人們意 識到在船舶上開展風能利用的重要性。現代化風帆船舶研究已經成為一些發達國家，如德 國、日本、瑞典、丹麥等的研究重點。國外實踐證明把風帆作為輔助動力用於船舶航行，能夠把船舶主機油耗降低 10 % 30 %，而船舶工程師們絞盡腦汁也很難把發動機和螺旋槳的效率提高1 % 2 %。 對於油費已經佔運營成本的40% -60%的船舶運輸而言，風帆助推技術無疑有極大的誘惑 力。因此，也有人認為「風帆輔助技術是目前已知的降低船舶油耗的最佳方法」；「使用風 力推進的船舶並不是懷古情緒的復活，而是船舶動力的改革」。上世紀90年代，日本在一些噸位不太大的遠洋船舶上開展了硬質風帆的實船試 驗，後因石油價格下跌、技術不完善和操作複雜等原因，沒有得到推廣。這種風帆的形式和 操縱相對較簡單，但效率不能讓人完全滿意，對風的利用受風向限制較大。儘管如此，日本 政府自2001年以來，一直在支持新型風帆助航船舶的研究。2006年，德國研發了風箏型(傘翼型)風帆，並在15000噸級遠洋船舶上進行了實 船試驗。風箏型風帆成本較低，結構簡單，對船體改造要求低，佔用船舶空間較小，但其釋放 與控制難度高，對風向的要求更高。以上硬質風帆和風箏型風帆統稱為現代風帆，裝備現代風帆的船舶稱為現代風帆 船，現代風帆船與傳統風帆船有巨大的區別。我國從80年代初期開始，在武漢、廣東、浙江、上海等地區相繼開展了風帆助航的 研究，並取得了可喜的成果。其中，由華南理工大學、廣東省水產局、廣東省航運研究所共同 研製的小型漁船風帆助推裝置在廣東省各漁區近千艘漁船上推廣應用，但是均為小噸位的 漁船，風帆裝置和操帆系統都較為簡單。武漢水運工程學院(現武漢理工大學)與江蘇、湖 南航運部門共同研製了多艘小型風帆助推貨船，由708和711所設計、寧波海運公司承建的 2500DWT風帆助航綜合節能多用途貨櫃船「明州22號」輪於1996年2月14日首航日本。綜上，上述幾種「現代帆型」技術，或則節能效果欠佳，或則建造和運行費用高昂， 或則對航線要求嚴苛，都難有較滿意的結果。因此，有必要對現有技術進行創新，設計一種 推進效率高、工作時間穩定、節能效果明顯的新型帆型。對於可應用於船舶上的風帆裝置，目前已經公開了一些專利，但基本上都主要是 針對輔助船舶推進而設計的，而對可採用推進和發電兩種用途使用的風帆研究卻很少。公 開號為CN101209752A(申請號200610148105. 7)公開了一種以風帆為輔助動力的遠洋貨 輪，包括遠洋貨輪和一套輔助風帆，其特徵在於輔助風帆由船尾帆和船側帆兩部分組成；該 裝置主要是利用了與船舶行駛方向較為一致的風向，即船後來風，所能利用的風向角度較 小。公開號為CN101314397A(申請號200810048212. 1)公開了一種母子風帆船，它包括母船體、子船體、風帆以及風帆與船體連接物，其特徵在於母船體與子船體的縱中剖面在船 舶前方的交角小於20度；在子船體內設置至少一套給水排水系統；該裝置的主要是利用子 船體為母船體提供額外的穩性，使母船體能夠採用面積巨大的日式硬帆，進而為船舶推進 提供輔助動力。公開號CN101486375A(申請號200910060732. 9)公開了一種子船體可移 動式母子風帆船，它包括母船體、子船體、風帆以及風帆與船體的連接物，結構連接物與母 船體及子船體的連接，是一種可水平轉動的連接。使用風帆時，可伸縮傳動物收縮，子船體 遠離母船體，能使船舶獲得巨大的恢復力矩。與母子風帆船相比，子船體可移動式母子風 帆船主要優點是可在航道寬度受限制、航道繁忙時航行。公開號為CN101497369A(申請號 200910071582. 1)公開了一種空心帆船桅杆，它為解決現有帆船桅杆截面的對稱性帶來的 承載側的材料強度不足、不承載側的材料強度沒有得到完全的發揮及下粗上細的大型桅杆 不便於在桅頂上裝三角帆的問題。該裝置的上桅杆和下桅杆的截面形狀設計為空心且大半 橢圓形，這種截面形狀使得裝置在受風時，承載側的材料得到充分利用；上桅杆和下桅杆的 等截面設計，保證了桅杆頂部有一個較大的截面和一定的負載量，使桅頂能夠安裝大三角 帆。上述公開專利都是基於給船舶提供輔助推進動力的出發點而提出的，但由於船舶 遠洋航行時所面臨的風向變化不定，船舶在面臨相對不利風向時風帆便不能對船舶推進產 生有利作用甚至對船舶前進產生阻力，因此風向的變化對船舶的節能效果影響很大。另外， 由於海洋環境、航道和橋梁的限制，船舶使用風帆的面積不能過大。為更加有效地利用海洋 環境的風能資源，需要設計一種可靈活、高效利用風能的風帆裝置。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是為現代船舶提供一種具有合理構造、啟動快捷的 三葉型推進發電兩用式風帆，該風帆可在不良風速風向條件下取得較大經濟收益，並且可 作為船舶的輔助和備用動力。本發明解決其技術問題採用以下的技術方案一種三葉型推進發電兩用風帆，它主要由固定在船體甲板上的發電機組和風帆轉 動機構，與風帆轉動機構轉動連接的且只朝設計方向轉動的風帆桅杆，設在風帆桅杆上部 通過第一推進發電帆面連接杆與之相連的第一推進發電帆面，通過第二推進發電帆面連接 杆與之相連的第二推進發電帆面，通過第三推進發電帆面連接杆與之相連的第三推進發電 帆面，以及裝在所述的風帆桅杆頂部的風力風向採集及分析系統構成。本發明提供的三葉型推進發電兩用風帆，其作為船舶的輔助和備用動力。本發明提供的三葉型推進發電兩用式風帆(簡稱風帆)，其工作過程如下當船舶行駛方向與相對風向的夾角為40° 180°時，三個推進發電帆面先分別 通過與其相連的推進發電帆面連接杆轉動合成一個整體帆面，然後，風帆轉動機構將風帆 桅杆與整體帆面轉動到設計角度固定，風作用在三個推進發電帆面上產生的推力通過風帆 桅杆傳遞到船體，產生輔助船舶前進的推力，此時，降低船舶主機轉速以達到減少燃油消耗 量的目的；當船舶航行方向與來風方向的角度為0° 40°時，三個推進發電帆面先分別通 過與其相連的推進發電帆面連接杆轉到固定位置，在此位置時，兩個相鄰的推進發電帆面連接杆之間的角度為120°，推進發電帆面在風力的作用下產生一個離心力，風帆桅杆在離 心力的作用下繞一個固定方向轉動，發電機組被帶動進行發電，進而為船舶電力系統提供 部分電能。本發明提供的三葉型推進發電兩用風帆與現有技術相比具有以下的主要優點1.與單純採用推進式風帆的船舶相比的主要優點傳統推進式風帆採用空氣動力學性能最佳的帆型，其推進性能較好；但在迎風 向-40° 40°之間時，風帆的推進性能不佳，甚至會對船舶正常航行產生額外的阻力。三葉型推進發電兩用風帆在迎風向-40° 40°之間時採用發電模式運行，不會 對船舶正常航行產生影響，為船舶的電力系統提供部分能源；相對傳統風帆，本發明減少了 不利風向下傳統風帆對船舶的阻力，並將不利風向下的風能轉化為電能，實現了風向的全 方位利用，使風帆對風能的利用效率極大地提高。2.與傳統的岸基垂直軸風力發電機相比的主要優點海上風力資源豐富，三葉型推進發電兩用風帆所能得到的節能收益更多。傳統岸基垂直軸風力發電機的啟動風速需要達到2m/s以上，在微風環境下無法 工作。而三葉型推進發電兩用風帆是固定於船舶甲板以上的，即使是海上無風的情況下，由 於船舶的航行所帶來的氣流相對運動，都能使本發明風帆可以在發電模式下正常運行。3.與基於遠洋船舶的傳統垂直軸風力發電機相比的主要優點三葉型推進發電兩用風帆的推進模式直接轉化風能為船舶前進方向上的動能，而 基於遠洋船舶的傳統垂直軸風力發電機需要將風能轉化為發電機轉動的機械能，然後將機 械能轉化為船舶電力系統的部分電能，其中還有電能存儲過程中會帶來的損耗問題，因此 三葉型推進發電兩用風帆利用風能的效率將比基於遠洋船舶的傳統垂直軸風力發電機的 利用效率高上一個數量級以上；在船舶面臨有利風向(船後來風或船側來風)時，基於遠洋 船舶的傳統垂直軸風力發電機只採用一種工作模式，無法得到更高的節能收益，而採用三 葉型推進發電兩用風帆的船舶可採用更加靈活和高效的節能方式。4.實用性強本發明提供的三葉型推進發電兩用風帆在適宜情況下採用風帆助航模式，船舶得 到推力；在風帆提供的船舶推力小於一定程度時，可將帆面收起，採用發電模式運行。因此 該三葉型推進發電兩用風帆除極惡劣情況下可全天候適用，其得到的節能效果將是同樣面 積傳統帆無法相比的。當船舶失去動力時，只要海面上有風的存在，三葉型推進發電兩用風 帆可作為船舶的備用動力使船舶前進，提高了船舶的安全性。


圖1為本發明三葉型推進發電兩用式風帆發電模式下的主視圖。圖2為圖1的左視圖。圖3為圖1的俯視圖。圖4為圖1的後視圖。圖5為本發明三葉型推進發電兩用式風帆推進模式下的主視圖。圖6為圖5的左視圖。圖7為圖5的俯視圖。
圖8為圖5的後視圖。圖9為本發明電動轉攻角裝置示意圖。圖中1.發電機組；2.風帆桅杆；3.第一推進發電帆面；4.第一推進發電帆面連 接杆；5.第二推進發電帆面；6.風力風向採集及分析系統；7.第三推進發電帆面連接杆； 8.第三推進發電帆面；9.風帆轉動機構；10.船體甲板；11.第二推進發電帆面連接杆； 12.第一推進發電帆面支撐杆；13.第二推進發電帆面支撐杆；14.第三推進發電帆面支撐 杆；15.第一電動機；16.第一蝸杆；17.第一齒輪；18.第一渦輪；19.第一扇形齒弧；20.第 一縱向旋轉柄；21.第一緩衝彈簧。
具體實施例方式本發明提供的三葉型推進發電兩用式風帆，該風帆通過結構連接物與船體甲板10 連接成一個整體，並且通過推進帆面受力為船體提供推進動力；結構連接物為包括桅杆2、 轉動機構及其發電機組1的底座支撐物；整個風帆以桅杆2為中軸線旋轉，風帆可隨桅杆 2固定在最佳角度輔助船舶推進，也可隨桅杆轉動進而提供發電系統的動力；發電機組1的 位置在風帆底部。這樣的結構允許船舶在迎風向40° 320°之間時採用風帆輔助船舶推 進，在另外的迎風向-40° 40°之間時進行風力發電。由於營運船舶的噸位、用途、航速、 航區等有著巨大的差別，應選擇相應的技術措施。所述的船舶自設有主機、螺旋槳、發電機，在船舶駕駛甲板以上設置風速風向採 集系統6，在船舶駕駛室內設置風帆自動控制系統，主要控制推進發電帆面的收放、桅杆2 的轉動和發電機組1的工作監控。下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步說明。本發明提供的三葉型推進發電兩用式風帆(簡稱風帆)，其結構如圖1和圖2所 示，包括發電機組1、風帆桅杆2、風帆轉動機構9、第一推進發電帆面3、第二推進發電帆面 5、第三推進發電帆面8。所述的風帆轉動機構9固定裝在船體甲板10上，風帆轉動機構9與風帆桅杆2轉 動連接，風帆桅杆2隻朝設計方向轉動。風帆轉動機構9可通過船舶本身提供的動力轉動， 並帶動風帆桅杆的轉動與方向固定。該風帆轉動機構由卷揚機、離合器和轉盤組成，其中， 轉盤安裝在風帆桅杆2的底部，離合器連接轉盤的內外轉軸，轉盤的內轉軸與發電機組1連 接，卷揚機通過轉盤外繞的鋼絲繩與轉盤的外轉軸連接。風帆處於推進模式時，離合器為分 離狀態，風帆轉動機構9通過鋼絲繩傳動，用可逆轉的卷揚機來回牽引鋼絲繩轉動轉盤，使 風帆桅杆2轉動和固定，風帆桅杆的轉動不對發電機組產生影響；風帆處於發電模式時，離 合器為接合狀態，第一推進發電帆面3、第二推進發電帆面5和第三推進發電帆面8在風的 作用下產生使風帆桅杆2旋轉的離心力，風帆桅杆的旋轉進而帶動發電機組1發電。所述的風帆桅杆2內部為空心結構，設置內部骨架，在腳點和應力集中處設有加 強構件。所述骨架為鋼質桁架結構。所述加強構件為鋼質三角形角鋼。所述的推進發電帆面有三個，分別是第一推進發電帆面3、第二推進發電帆面5和 第三推進發電帆面8。所有的推進發電帆面下沿底部高於船舶駕駛甲板1.6m以上。所述的 推進發電帆面可分別控制其攻角大小。其中第一電動機15帶動第一蝸杆16和第一渦輪 18轉動；第一電動機15由中央控制系統控制；第一齒輪17和第一渦輪18同軸，隨第一渦輪18的轉動帶動第一扇形齒弧19 ；第一扇形齒弧19的轉動牽拉緩衝彈簧21而推動第一 縱向旋轉柄20 ；第一縱向旋轉柄20用鍵套在第一推進發電帆面支撐杆12上，第一推進發 電帆面支撐杆12內嵌在第一推進發電帆面3內，所以第一縱向旋轉柄20的轉動就使第一 推進發電帆面3偏轉。第二推進發電帆面支撐杆，第三推進發電帆面支撐杆，採用與第一推 進發電帆面支撐杆相同方式分別和第二縱向旋轉柄，第三縱向旋轉柄，第二推進發電帆面， 第三推進發電帆面連接。上述的三個推進發電帆面的材料可以採用碳纖維、輕質金屬或合成材料，其具有 一定拱度比。拱度比在0. 10 0. 15之間，建議拱度比為0. 10或0.12。三個推進發電帆面 橫剖面呈翼型形狀。本發明的三葉型推進發電兩用式風帆的最大寬度小於或等於船體甲板(10)的寬度。所述的推進發電帆面連接杆有三個，分別是第一推進發電帆面連接杆4、第二推進 發電帆面連接杆11和第三推進發電帆面連接杆7，第一推進發電帆面連接杆4連接第一推 進發電帆面3和風帆桅杆2，第二推進發電帆面連接杆11連接第二推進發電帆面5和風帆 桅杆2，第三推進發電帆面連接杆7連接第三推進發電帆面8和風帆桅杆2。所述的三個推 進發電連接杆通過設置在風帆桅杆2內的液壓轉動機構進行轉動到某一方向上固定，以達 到推進或發電的目的，所述的液壓轉動機構可通過市場購買。所述的風力風向採集及分析系統6可通過市場購買，裝在風帆桅杆2的頂部。該 風力風向採集及分析系統組成是包括風速測量儀、風向測量儀及其分析系統。上述的風力風向採集及分析系統6，其工作過程是將採集分析的風力風向信息 轉換成信號傳達至駕駛臺的風帆控制系統，風帆控制系統根據信號自動控制所述的三個推 進發電帆面進行攻角改變、轉向、固定等動作。所述的發電機組1可以由市場上購買，該發電機組位於風帆轉動機構9的底部，與 船體甲板10固定連接。在第一推進發電帆面3、第二推進發電帆面5和第三推進發電帆面 8受風力作用轉動時，該發電機組將機械能轉換為電能，向船舶電網輸送同頻率同電壓的電功率。本發明提供的三葉型推進發電兩用式風帆(簡稱風帆)，其工作過程如下當船舶行駛方向與相對風向的夾角為40° 180°時，三個推進發電帆面先通過 連接杆的轉動合成一個整體帆面，然後，風帆轉動機構9將風帆桅杆2與整體帆面轉動到設 計角度固定，風作用在三個推進發電帆面上產生的推力通過風帆桅杆2傳遞到船體，產生 輔助船舶前進的推力，船舶主機進而降低轉速以達到減少燃油消耗量的目的；當船舶航行方向與來風方向的角度為0° 40°時，三個推進發電帆面通過連接 杆轉到固定位置，在此位置時，兩個相鄰的推進發電帆面連接杆之間的角度為120°，推進 發電帆面在風力的作用下產生一個離心力，風帆桅杆2在離心力的作用下繞一個固定方向 轉動，發電機組1被帶動進行發電，進而為船舶電力系統提供部分電能。本發明提供的三葉型推進發電兩用式風帆，其作為船舶的輔助和備用動力。本發明能使常規風帆的效率提高20%到40%，採用兩種節能方式可使三葉型推 進發電兩用式風帆在任何風向情況下均可運行，並且至少節省船舶主機或發電機總燃油消 耗的6%。具有較大的經濟性、實用性和社會價值。
權利要求
1.一種三葉型推進發電兩用式風帆，其特徵是，它主要由固定在船體甲板(10)上的發 電機組(1)和風帆轉動機構(9)，與風帆轉動機構(9)轉動連接的且只朝設計方向轉動的風 帆桅杆(2)，設在風帆桅杆(2)上部通過第一推進發電帆面連接杆(4)與之相連的第一推進 發電帆面(3)，通過第二推進發電帆面連接杆(11)與之相連的第二推進發電帆面(5)，通過 第三推進發電帆面連接杆(7)與之相連的第三推進發電帆面(，8)，以及裝在所述的風帆桅 杆頂部的風力風向採集及分析系統(6)構成。
2.根據權利要求1所述的三葉型推進發電兩用式風帆，其特徵是，所述的風帆轉動機 構(9)由卷揚機、離合器和轉盤組成，其中轉盤與風帆桅杆(2)連接，離合器連接轉盤的內 外轉軸，轉盤的內轉軸與發電機組(1)相連，卷揚機通過鋼絲繩與轉盤的外轉軸相連。
3.根據權利要求1所述的三葉型推進發電兩用式風帆，其特徵是，所述的風帆桅杆(2) 內部為空心結構，設置內部骨架，在腳點和應力集中處設有加強構件；所述的骨架為鋼質桁 架；所述的加強構件為鋼質三角形角鋼。
4.根據權利要求1所述的三葉型推進發電兩用式風帆，其特徵是，所述風力風向採集 及分析系統(6)將採集分析的風力風向信息轉換成信號傳達至駕駛臺的風帆控制系統，風 帆控制系統根據信號自動控制所述的第一推進發電帆面(3)，第二推進發電帆面(5)以及 第三推進發電帆面(8)的攻角，並且自動控制所述的三個推進發電帆面進行攻角改變、轉 動發電或固定推進的動作。
5.根據權利要求1所述的三葉型推進發電兩用式風帆，其特徵是，所述的第一推進發 電帆面連接杆(4)、第二推進發電帆面連接杆(11)、第三推進發電帆面連接杆(7)，通過桅 杆上設置的液壓轉動機構進行相對位置變化與固定，以達到推進或發電的目的；在所述的 三個推進發電帆面連接杆上設置有電動變攻角裝置來改變推進發電帆面的迎風攻角，達到 其最佳工作狀況。
6.根據權利要求1所述的三葉型推進發電兩用式風帆，其特徵是，所述的推進發電帆 面採用輕質金屬或合成材料製成，其橫剖面呈翼型形狀。
7.根據權利要求1所述的三葉型推進發電兩用式風帆，其特徵是，所述的三葉型推進 發電兩用式風帆的最大寬度小於或等於船體甲板(10)的寬度。
8.根據權利要求1所述的三葉型推進發電兩用式風帆，其特徵是，所述的三個推進發 電帆面受風力作用轉動帶動發電機組發的電能，向船舶電網輸送同頻率同電壓的電功率。
9.權利要求1至8中任一權利要求所述的三葉型推進發電兩用式風帆的用途，其特徵 是作為船舶的輔助和備用動力。
10.根據權利要求9所述的三葉型推進發電兩用式風帆的用途，其特徵是當船舶行駛方向與相對風向的夾角為40° 180°時，三個推進發電帆面先分別通過 與其相連的推進發電帆面連接杆轉動合成一個整體帆面，然後，風帆轉動機構(9)將風帆 桅杆(2)與整體帆面轉動到設計角度固定，風作用在三個推進發電帆面上產生的推力通過 風帆桅杆(2)傳遞到船體，產生輔助船舶前進的推力，此時，降低船舶主機轉速以達到減少 燃油消耗量的目的；當船舶航行方向與來風方向的角度為0° 40°時，三個推進發電帆面先分別通過與 其相連的推進發電帆面連接杆轉到固定位置，在此位置時，兩個相鄰的推進發電帆面連接 杆之間的角度為120°，推進發電帆面在風力的作用下產生一個離心力，風帆桅杆(2)在離心力的作用下繞一個固定方向轉動，發電機組(1)被帶動進行發電，進而為船舶電力系統 提供部分電能。
全文摘要
一種三葉型推進發電兩用式風帆，它主要由固定在船體甲板(10)上的發電機組(1)和風帆轉動機構(9)，與風帆轉動機構(9)轉動連接的且只朝設計方向轉動的風帆桅杆(2)，設在風帆桅杆(2)上部通過第一推進發電帆面連接杆(4)與之相連的第一推進發電帆面(3)，通過第二推進發電帆面連接杆(11)與之相連的第二推進發電帆面(5)，通過第三推進發電帆面連接杆(7)與之相連的第三推進發電帆面(8)，以及裝在所述的風帆桅杆頂部的風力風向採集及分析系統(6)構成。本發明能使常規風帆的效率提高20％到40％，採用「主推進輔發電」的運行方式使三葉型推進發電兩用式風帆在任何風向情況下均可運行，節省船舶主機或發電機油耗的6％以上。
文檔編號B63H9/04GK102001431SQ20101053875
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月10日 優先權日2010年11月10日
發明者徐立, 漆婓, 陳順懷, 陳魯愚 申請人:武漢理工大學