本發(fā)明涉及船舶中利用風(fēng)能助力風(fēng)帆方面的研究領(lǐng)域，尤其是一種利用馬格納斯效應(yīng)將風(fēng)能高效的轉(zhuǎn)化為動能的圓臺形旋筒風(fēng)帆裝置。

背景技術(shù)：

由于目前的燃油成本高、排放區(qū)域控制多、環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格等原因，風(fēng)能作為船舶的一種“原始”動力,逐漸回歸人們的視野。近年來，已有不少公司和研究機構(gòu)對船舶風(fēng)動力技術(shù)進(jìn)行了深入研究，實現(xiàn)了風(fēng)能的現(xiàn)代化利用。馬格納斯效應(yīng)設(shè)計的風(fēng)筒推進(jìn)裝置能夠有效的節(jié)省能源，降低單位推力投資成本，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作和控制?；谶@些優(yōu)點，積極的開展對馬格納斯效應(yīng)應(yīng)用的研究有助于推動船舶工業(yè)的發(fā)展。

雖然馬格納斯效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)已有一百多年，但是對于馬格納斯效應(yīng)在船舶推進(jìn)方面的應(yīng)用只是近十幾年的研究，其在具體的實際應(yīng)用方面還存在一定的缺陷與弊端，常見的圓柱形風(fēng)筒裝置對于不同角度的風(fēng)向不能做出及時的調(diào)整，風(fēng)能利用率受環(huán)境影響較大，當(dāng)風(fēng)速較大時大型裝置的穩(wěn)固性存在一定的隱患。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，提出了一種利用馬格納斯效應(yīng)的圓臺形旋筒風(fēng)帆裝置，該裝置可以在船舶運輸過程中有效利用風(fēng)能，為船舶提供動力，并且針對不同情況下的風(fēng)動力環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，將風(fēng)能高效的利用起來，更大的節(jié)約了燃料成本，避免了對環(huán)境的破環(huán)，并提高了運行過程中的穩(wěn)固性，大大降低了船舶運行成本。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種利用馬格納斯效應(yīng)的圓臺形旋筒風(fēng)帆裝置，其中，包括旋筒風(fēng)帆、gps傳感系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和電動機，旋筒風(fēng)帆、gps傳感系統(tǒng)和電動機分別與自動控制系統(tǒng)連接；

所述旋筒風(fēng)帆包括與甲板通過鉸接固定的旋筒主軸、用來固定翼型風(fēng)帆的軸承、圓臺形風(fēng)筒和翼形風(fēng)帆，旋筒主軸由外圈與內(nèi)圈組成，外圈和內(nèi)圈之間通過滾動軸承連接，旋筒主軸的內(nèi)圈與甲板之間通過鉸鏈連接，旋筒主軸內(nèi)圈與電動機ⅰ連接，旋筒主軸的外圈通過齒輪傳動裝置與電動機ⅱ相連，圓臺形風(fēng)筒固定套在旋筒主軸上，圓臺形風(fēng)筒呈上小下大設(shè)置，圓臺形風(fēng)筒的外側(cè)設(shè)有兩個翼型風(fēng)帆，兩個翼型風(fēng)帆相對于旋筒主軸呈對稱設(shè)置，翼型風(fēng)帆通過滾動軸承設(shè)置在圓臺形風(fēng)筒兩側(cè)，滾動軸承上設(shè)有控制翼型風(fēng)帆閉合的傳動裝置，主軸和翼型風(fēng)帆的傳動裝置以及電動機分別與自動控制系統(tǒng)連接；

所述圓臺形風(fēng)筒產(chǎn)生的馬格納斯驅(qū)動力大小為：

其中r為圓臺旋筒風(fēng)帆的水平橫截面最小直徑，r為圓臺旋筒風(fēng)帆的水平橫截面最大直徑；h為圓臺形旋筒風(fēng)帆的總高度；ω為旋筒風(fēng)帆的旋轉(zhuǎn)角速度；v為垂直于旋筒風(fēng)帆主軸的風(fēng)速大??；ρ為流體密度；a為常數(shù)。

gps傳感系統(tǒng)主要用于實時感知風(fēng)向和風(fēng)速，并將其感知到的風(fēng)向和風(fēng)速信號傳遞至自動控制系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速，控制旋筒主軸的轉(zhuǎn)動和與翼型風(fēng)帆連接的傳動裝置，通過鉸鏈實現(xiàn)旋筒主軸在豎直平面的偏轉(zhuǎn)，通過與旋筒主軸連接的電動機帶動圓臺形風(fēng)筒的旋轉(zhuǎn)，通過滾動軸承上的傳動裝置控制圓臺形風(fēng)筒兩側(cè)翼型風(fēng)帆的開合。

本發(fā)明中，自動控制系統(tǒng)包括控制面板，可以通過控制面板輸入旋筒風(fēng)帆的轉(zhuǎn)速和旋筒風(fēng)帆需要偏移的角度等數(shù)值。

所述圓臺形風(fēng)筒采用鋁制成。

所述翼型風(fēng)帆采用帆布制成。

本發(fā)明的有益效果：

(1)采用圓臺形旋轉(zhuǎn)風(fēng)筒，使風(fēng)筒所受到的馬格納斯力為梯度力，受力中心下移，航行過程中船舶更加穩(wěn)定；

(2)設(shè)置風(fēng)筒的主軸為豎直平面上角度可調(diào)節(jié)形式，使得船舶在航行過程中不僅僅在受到橫向風(fēng)時可以利用馬格納斯效應(yīng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動能為船舶提供推進(jìn)力，而且，可以在船舶順風(fēng)和逆風(fēng)行駛時都能有效的利用風(fēng)能，節(jié)約能源；

(3)采用圓筒風(fēng)帆與翼型風(fēng)帆組合的結(jié)構(gòu)，使得船舶在順風(fēng)行駛時最大化的利用風(fēng)能提供推進(jìn)力，大大減少了能源的消耗，節(jié)約了運行成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圓筒形風(fēng)帆的馬格納斯力受力示意圖；

圖3為本發(fā)明中圓臺形風(fēng)帆的馬格納斯力受力示意圖；

圖4為順風(fēng)行駛時旋筒風(fēng)帆產(chǎn)生升力示意圖。

圖中：1旋筒主軸；2翼型風(fēng)帆固定軸承；3圓臺形風(fēng)筒；4翼型風(fēng)帆。

具體實施方案：

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明：

如圖1所示，利用馬格納斯效應(yīng)的圓臺形旋筒風(fēng)帆裝置包括旋筒風(fēng)帆、gps傳感系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和電動機，其中旋筒風(fēng)帆、gps傳感系統(tǒng)和電動機分別與自動控制系統(tǒng)連接，旋筒風(fēng)帆設(shè)置在甲板上。自動控制系統(tǒng)包括控制面板，可以通過控制面板輸入旋筒風(fēng)帆的轉(zhuǎn)速和旋筒風(fēng)帆在豎直平面內(nèi)需要偏移的角度等數(shù)值。

旋筒風(fēng)帆包括旋筒主軸1、用來固定翼型風(fēng)帆的軸承2、圓臺形風(fēng)筒3和翼形風(fēng)帆4，旋筒主軸1由內(nèi)圈和外圈組成，內(nèi)圈和外圈之間通過滾動軸承連接，內(nèi)圈用來固定風(fēng)筒位置以及風(fēng)筒在豎直平面上的偏轉(zhuǎn)，內(nèi)圈與甲板之間通過鉸鏈連接，同時旋筒主軸1的內(nèi)圈與電動機ⅰ連接，用來控制主軸的偏轉(zhuǎn)。外圈用來帶動圓臺形風(fēng)筒旋轉(zhuǎn)，外圈通過齒輪傳動裝置與電動機ⅱ相連，從而控制旋筒主軸1的轉(zhuǎn)動。圓臺形風(fēng)筒3固定套在旋筒主軸1上，圓臺形風(fēng)筒3呈上小下大設(shè)置。在圓臺形風(fēng)筒3的外側(cè)設(shè)有兩個翼型風(fēng)帆4，兩個翼型風(fēng)帆4相對于旋筒主軸1呈對稱設(shè)置，翼型風(fēng)帆4通過軸承2支撐在旋筒風(fēng)帆兩側(cè)，同時軸承2上設(shè)有傳動裝置，該傳動裝置實現(xiàn)了翼型風(fēng)帆4的打開和閉合，翼型風(fēng)帆4采用帆布制成，旋筒風(fēng)帆3材料為鋁。其中主軸和翼型風(fēng)帆的傳動裝置以及兩個電動機分別與自動控制系統(tǒng)連接。

gps傳感系統(tǒng)主要用于實時感知風(fēng)向和風(fēng)速，并將其感知到的風(fēng)向和風(fēng)速信號傳遞至自動控制系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速，控制旋筒主軸1的旋轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)以及與翼型風(fēng)帆連接的軸承2上的傳動裝置，通過傳動裝置控制風(fēng)帆的打開和關(guān)閉。

本發(fā)明中，經(jīng)圓臺形旋筒風(fēng)帆產(chǎn)生的馬格納斯驅(qū)動力大小為：

其中r為圓臺旋筒風(fēng)帆的水平橫截面最小直徑，r為圓臺旋筒風(fēng)帆的水平橫截面最大直徑；h為圓臺形旋筒風(fēng)帆的總高度；ω為旋筒風(fēng)帆的旋轉(zhuǎn)角速度；v為垂直于旋筒風(fēng)帆主軸的風(fēng)速大??；ρ為流體密度；a為常數(shù)。

如圖2和圖3所示，與圓筒形風(fēng)帆相比，在受到橫向風(fēng)時，圓臺形風(fēng)帆產(chǎn)生的馬格納斯力為一個沿軸向的梯度力，受力中心下移，使船舶在行駛過程中受力更穩(wěn)定。船舶實際航行過程中，可測得水平方向風(fēng)速大小v，若船舶運行過程中預(yù)期獲得的單個旋筒風(fēng)帆產(chǎn)生的馬格納斯驅(qū)動力大小為fm，旋筒主軸的角速度大小為：

如圖4所示，當(dāng)船舶行駛方向與風(fēng)向平行時，是無法利用圓筒形風(fēng)帆產(chǎn)生馬格納斯驅(qū)動力的，但是可以通過改變旋筒主軸的偏移角度有效的利用風(fēng)能，此時船舶上裝載的旋筒風(fēng)帆的個數(shù)為偶數(shù)，且旋筒風(fēng)帆呈對稱設(shè)置。當(dāng)順風(fēng)行駛時，通過設(shè)定各個圓臺形風(fēng)筒的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生向內(nèi)的馬格納斯力，由于旋筒風(fēng)帆呈對稱設(shè)置，所以船舶橫向受力平衡，產(chǎn)生向上的升力，減小船舶吃水深度，加快了船舶在順風(fēng)行駛時的速度。同理，當(dāng)船舶逆風(fēng)行駛時，轉(zhuǎn)變圓臺形風(fēng)筒的轉(zhuǎn)向，可以產(chǎn)生向外的馬格納斯力，水平方向受力平衡，合力方向向下，增大船舶吃水深度，使船舶在逆風(fēng)行駛時，行駛過程更加平穩(wěn)。

當(dāng)船舶在實際航行中順風(fēng)行駛時，可使旋筒主軸與豎直方向偏移一定角度θ，來利用馬格納斯效應(yīng)產(chǎn)生升力fl，減小船舶吃水深度，有效的利用風(fēng)能減少航行阻力，增大速度。若船舶運行過程中預(yù)期獲得的單個旋筒風(fēng)帆產(chǎn)生的馬格納斯驅(qū)動力大小為fm，角度θ可表示為：

由上述方程可以看出，偏移角度θ與旋筒主軸旋轉(zhuǎn)角速度ω有關(guān)，為了實際應(yīng)用中的操作便捷、避免過程復(fù)雜化，可以固定旋筒主軸的偏轉(zhuǎn)角度θ的大小，只通過控制旋筒主軸旋轉(zhuǎn)角速度ω的大小與方向來達(dá)到升力fl的期望值即可。

則此時旋筒主軸旋轉(zhuǎn)角速度ω大小的表達(dá)式為：

如船舶逆風(fēng)行駛時，利用馬格納斯效應(yīng)產(chǎn)生的豎直方向壓力fp，此時旋筒主軸旋轉(zhuǎn)角速度ω大小同樣可以根據(jù)上述公式確定，但旋轉(zhuǎn)方向與船舶順風(fēng)行駛時相反。

本發(fā)明的工作原理如下所述：船舶在行駛過程中，受到橫向風(fēng)時，閉合兩側(cè)的翼型風(fēng)帆4，如圖3所示，gps傳感器感應(yīng)到風(fēng)向及風(fēng)速，自動控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速設(shè)定圓臺形風(fēng)筒的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速，使其產(chǎn)生與行駛方向同向的馬格納斯驅(qū)動力，有效地利用風(fēng)能，大大節(jié)約了燃油成本。當(dāng)船舶順風(fēng)行駛時，張開圓臺形風(fēng)筒兩側(cè)的翼型風(fēng)帆，帆面與風(fēng)向相迎，有效地利用風(fēng)能，為了使圓臺形風(fēng)筒在此時依然能夠利用風(fēng)能發(fā)揮作用，圓臺形風(fēng)筒呈對稱設(shè)置，且圓臺形風(fēng)筒的軸向與豎直方向偏移一定角度，如圖4所示，根據(jù)測得的風(fēng)速設(shè)置旋筒主軸的轉(zhuǎn)速，圓臺形風(fēng)筒產(chǎn)生豎直向上的合力，水平方向受力平衡，使船舶產(chǎn)生一個向上的升力，減小船舶吃水深度，增大船舶行駛速度。當(dāng)船舶逆風(fēng)行駛時，關(guān)閉兩側(cè)的翼型風(fēng)帆，旋筒主軸與豎直方向偏移一定角度，并且使旋筒主軸和圓臺形風(fēng)筒反向旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速根據(jù)所測的風(fēng)速及行駛需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，這時圓臺形風(fēng)筒產(chǎn)生豎直向下的合力，水平方向受力平衡，增大船舶吃水深度，減小由于逆風(fēng)產(chǎn)生的阻力，減小燃料的消耗。