CN107128470B - 一种套用在船舶烟囱外的马格努斯风帆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种套用在船舶烟囱外的马格努斯风帆，内层风筒和外层风筒之间通过螺旋叶片连接，内层风筒通过滚动轴承安装在烟囱的外侧壁上，风从内侧风筒和外层风筒的下边缘的缝隙内进入，风推动螺旋叶片，带动风筒旋转；内层风筒的侧壁底边呈环形沿周设置有齿缘，烟囱两侧对称设置有两个锥形齿轮，锥形齿轮与内层风筒的齿缘相互啮合；锥形齿轮通过电动机驱动，锥形齿轮转动带动内层风筒旋转。将马格努斯风筒与船舶烟囱结构组合设置，大大节约船舶上的空间，节约了安装成本，提高了风筒受力的稳固性；螺旋叶片有效利用风能驱动风筒旋转，提高效率，电动机驱动锥形齿轮带动风筒旋转，提高了马格努斯风帆的可控性与可调性。

Description

一种套用在船舶烟囱外的马格努斯风帆
技术领域
本发明属于船舶中利用风能助力风帆方面的研究领域，具体涉及一种套用在船舶烟囱外的马格努斯风帆。
背景技术
由于目前的燃油成本高、排放区域控制多、环保法规日趋严格等原因，风能作为船舶的一种“原始”动力,逐渐回归人们的视野。近年来，已有不少公司和研究机构对船舶风动力技术进行了深入研究，实现了风能的现代化利用。马格纳斯效应设计的风筒推进装置能够有效的节省能源，降低单位推力投资成本，结构简单，易于操作和控制。基于这些优点，积极的开展对马格纳斯效应应用的研究有助于推动船舶工业的发展。
虽然马格纳斯效应的发现已有一百多年，但是对于马格纳斯效应在船舶推进方面的应用只是近十几年的研究，其在具体的实际应用方面还存在一定的缺陷与弊端，常见的风筒装置中风能利用率受环境影响较大，当风速较大时大型装置的稳固性存在一定的隐患。
发明内容
针对现有技术中存在的风能利用率低受环境影响大的技术问题，本发明的目的在于提供一种套用在船舶烟囱外的马格努斯风帆。
本发明采取的技术方案为：
一种套用在船舶烟囱外的马格努斯风帆，包括船舶烟囱、风筒、螺旋叶片、锥形齿轮、电动机，风筒设置为由同轴排布的内层风筒和外层风筒组成的内外两层结构，内层风筒和外层风筒之间通过螺旋叶片连接，内层风筒通过滚动轴承安装在烟囱的外侧壁上，风从内侧风筒和外层风筒的下边缘的缝隙内进入，风推动螺旋叶片，带动风筒旋转；内层风筒的侧壁底边呈环形沿周设置有齿缘，烟囱两侧对称设置有两个锥形齿轮，锥形齿轮与内层风筒的齿缘相互啮合；锥形齿轮通过电动机驱动，锥形齿轮转动带动内层风筒旋转。
进一步的，所述风筒产生的马格纳斯驱动力大小为
Figure BDA0001297791030000011
其中R为风筒外层半径；ω为风筒的旋转角速度；v为垂直于风筒的风速大小；ρ为流体密度；A为常数。
进一步的，所述滚动轴承采用深沟球式轴承，滚动轴承沿着船舶烟囱的外侧壁至少设置有一对。
进一步的，所述内层风筒和外层风筒均设置为中空圆柱筒体结构，外层风筒的直径大于内层风筒的直径。
进一步的，所述齿缘和锥形齿轮的结构相互配合设置，齿缘上相邻齿牙的间隙与锥形齿轮上相邻齿牙间隙一致。
进一步的，所述螺旋叶片的迎风表面设置有导流板。
进一步的，所述导流板沿着风的流向设置为截面呈“V”字形渐缩口式的弧形桨叶，弧形桨叶的最宽宽度比螺旋叶片的宽度窄。
利用螺旋叶片的导流效果，提高风沿着内层风筒和外层风筒之间的间隙，从下向上传递，导流板的特殊结构，有利于对内、外层风筒内的风起到二次聚集的作用，增大了风力的接触面积，有利于增强风力对内层风筒和外层风筒的推动力，“V”字形渐缩口式的特殊结构，有利于增大风在螺旋叶片末端的推动力，充分利用了风能。
本发明的有益效果为：
将马格努斯风筒与船舶烟囱结构组合设置，大大节约船舶上的空间，节约了安装成本，提高了风筒受力的稳固性；
内层风筒和外层风筒之间设置螺旋叶片，有效利用风能驱动风筒旋转，使得船舶在顺风行驶时最大化的利用风能提供推进力，提高效率，大大减少了能源的消耗，节约能源，节约了运行成本。
风筒下缘设计为齿缘结构，通过可移动的电动机驱动锥形齿轮带动风筒旋转，提高了马格努斯风帆的可控性与可调性，使得船舶在航行过程中不仅仅在受到横向风时可以利用马格纳斯效应将风能转化为动能为船舶提供推进力，而且，可以在船舶顺风和逆风行驶时都能有效的利用风能，节约能源。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中风筒的马格纳斯力受力示意图；
其中，1、船舶烟囱；2、滚动轴承；3、内层风筒；4、外层风筒；5、螺旋叶片；6、锥形齿轮；7、电动机。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
实施例1
如图1和图2所示，一种套用在船舶烟囱外的马格努斯风帆，包括船舶烟囱1、风筒、螺旋叶片5、锥形齿轮6、电动机7，风筒设置为由同轴排布的内层风筒3和外层风筒4组成的内外两层结构，内层风筒3和外层风筒4之间通过螺旋叶片5连接，内层风筒3通过滚动轴承2安装在烟囱的外侧壁上，风从内侧风筒和外层风筒4的下边缘的缝隙内进入，风推动螺旋叶片5，带动风筒旋转；内层风筒3的侧壁底边呈环形沿周设置有齿缘，烟囱两侧对称设置有两个锥形齿轮6，锥形齿轮6与内层风筒3的齿缘相互啮合；锥形齿轮6通过电动机7驱动，锥形齿轮6转动带动内层风筒3旋转。
进一步的，所述风筒产生的马格纳斯驱动力大小为
Figure BDA0001297791030000021
其中R为风筒外层4半径；ω为风筒的旋转角速度；v为垂直于风筒的风速大小；ρ为流体密度；A为常数。
进一步的，所述滚动轴承2采用深沟球式轴承，滚动轴承2沿着船舶烟囱1的外侧壁至少设置有一对。两对滚动轴承2的支撑性强，且其起到连接船舶烟囱1和内层风筒3的作用，大大降低了船舶烟囱1和内层风筒3之间的转动阻力。
进一步的，所述内层风筒3和外层风筒4均设置为中空圆柱筒体结构，外层风筒4的直径大于内层风筒3的直径。内层风筒3和外层风筒4的双重筒体结构，使二者之间夹设缝隙，使风沿着该缝隙对风筒起到一定的推动作用。
进一步的，所述齿缘和锥形齿轮6的结构相互配合设置，齿缘上相邻齿牙的间隙与锥形齿轮6上相邻齿牙间隙一致。配合紧密性强，通过锥形齿轮6使风筒进行旋转。
根据测得的横向风速v及密度ρ，以及需要获得的驱动力大小F，便可由变形公式求得风筒的需要达到的角速度大小
Figure BDA0001297791030000031
本发明的工作原理如下所述：船舶在行驶过程中，受到横向风时，GPS传感器感应到风向及风速，若此时，风筒自由旋转时产生的旋转速度达不到需要值，或者此时的转向与所需受力方向相反，则锥形齿轮6将与风筒内层3下齿缘相啮合，由电动机7带动齿轮传动，有效地利用风能，大大节约了燃油成本。
实施例2
在实施例1的基础上，不同于实施例1，螺旋叶片5的迎风表面设置有导流板。
导流板沿着风的流向设置为截面呈“V”字形渐缩口式的弧形桨叶，弧形桨叶的最宽宽度比螺旋叶片5的宽度窄。
利用螺旋叶片5的导流效果，提高风沿着内层风筒3和外层风筒4之间的间隙，从下向上传递，导流板的特殊结构，有利于对内、外层风筒4内的风起到二次聚集的作用，增大了风力的接触面积，有利于增强风力对内层风筒3和外层风筒4的推动力，“V”字形渐缩口式的特殊结构，有利于增大风在螺旋叶片5末端的推动力，充分利用了风能。
以上所述并非是对本发明的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种套用在船舶烟囱外的马格努斯风帆，其特征在于，包括船舶烟囱、风筒、螺旋叶片、锥形齿轮、电动机，风筒设置为由同轴排布的内层风筒和外层风筒组成的内外两层结构，内层风筒和外层风筒之间通过螺旋叶片连接，内层风筒通过滚动轴承安装在烟囱的外侧壁上，风从内侧风筒和外层风筒的下边缘的缝隙内进入，风推动螺旋叶片，带动风筒旋转；内层风筒的侧壁底边呈环形沿周设置有齿缘，烟囱两侧对称设置有两个锥形齿轮，锥形齿轮与内层风筒的齿缘相互啮合；锥形齿轮通过电动机驱动，锥形齿轮转动带动内层风筒旋转；
所述齿缘和锥形齿轮的结构相互配合设置，齿缘上相邻齿牙的间隙与锥形齿轮上相邻齿牙间隙一致；
所述螺旋叶片的迎风表面设置有导流板，所述导流板沿着风的流向设置为截面呈“V”字形渐缩口式的弧形桨叶，弧形桨叶的最宽宽度比螺旋叶片的宽度窄。
2.根据权利要求1所述一种套用在船舶烟囱外的马格努斯风帆，其特征在于，所述风筒产生的马格努斯驱动力大小为
Figure QLYQS_1
其中R为风筒外层半径；ω为风筒的旋转角速度；v为垂直于风筒的风速大小；ρ为流体密度；A为常数。
3.根据权利要求1所述一种套用在船舶烟囱外的马格努斯风帆，其特征在于，所述滚动轴承采用深沟球式轴承，滚动轴承沿着船舶烟囱的外侧壁至少设置有一对。
4.根据权利要求1所述一种套用在船舶烟囱外的马格努斯风帆，其特征在于，所述内层风筒和外层风筒均设置为中空圆柱筒体结构，外层风筒的直径大于内层风筒的直径。
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