CN113060266A - 一种船用导流式风力助推设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种船用导流式风力助推设备，包括底座，底座中心处竖直固装有旋转轴，位于底座上方的旋转轴周向套装有旋转体，旋转体在转子动力机构带动下相对于旋转轴转动；位于底座上方的旋转体前方和后方分别安装有导流体和尾翼，导流体和尾翼由导流动力机构带动各自以旋转轴轴向为圆心摆动；旋转体外壁面与导流体、尾翼之间均转动连接；通过导流体和尾翼的摆动调整表面压力分布，以控制不同风速、风向下的升力方向，大大提升了为船舶提供的推力，降低了横向力影响，有效提高了不同风速风向下的适应性；并且导流体和尾翼构成旋转体的支撑结构，以保证内部旋转体的稳定，有效降低旋转体的转速和能耗。

Description

一种船用导流式风力助推设备
技术领域
本发明涉及船舶风力助推设备技术领域，尤其是一种船用导流式风力助推设备。
背景技术
当前国际海事组织对船舶能效的要求不断提高，利用风能、高效减阻等创新手段成为提高船舶能效、减少碳排放的重要技术手段。近年来，船舶硬质翼帆、马格纳斯转子等风力助推设备均实现了实船应用，为船舶节能减排提供了新的技术手段。与此同时，提高风力助推设备助推效果和适用范围、降低其对船舶的影响成为风力助推设备发展创新过程中需要特别关注的技术问题。
现有的风能利用设备中，风帆节能效果显著，钢质的翼帆可以通过调整攻角适应不同的风向，提高对风能的利用率，但面积巨大、且帆的翼型不可变，对船舶的影响较大；翼帆可以适用的风向较多，但结构强度低，重量高；风筝在小型游艇上应用较多，风向适宜时可以产生极大的助推效果，但适用的风向较小，对船舶安全影响较大；船用助推转子能够适用的风向广、效果好，对船舶的影响相对较小，但是其本身要求的转速较高，需要提供附加驱动力，同时转子本身的悬臂结构形式对于机构的稳定要求较高，对建造和加工提出了很高的要求。另外，现有的这些设备在助推的同时还不可避免地会产生沿船宽方向的分力，并且助推效果越明显分力越大，分力的存在对船舶稳性和航向保持能力都是不利的。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的船用导流式风力助推设备，从而大大提升了风向适应性，提高了对风力资源的利用率，并在为船舶提供推力的同时亦降低了横向力的产生。
本发明所采用的技术方案如下：
一种船用导流式风力助推设备，包括底座，所述底座中心处竖直固装有旋转轴，位于底座上方的旋转轴周向套装有旋转体，旋转体在转子动力机构带动下相对于旋转轴转动；位于底座上方的旋转体前方和后方分别安装有导流体和尾翼，导流体和尾翼由导流动力机构带动各自以旋转轴轴向为圆心摆动；所述旋转体外壁面与导流体、尾翼之间均转动连接。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述导流体和尾翼面向旋转体的侧面均设置为内凹弧形结构，导流体和尾翼分别通过内凹弧形结构包容于旋转体的前侧和后侧。
所述旋转体、导流体和尾翼分别从上至下设置有相同数量的多组，位于相邻两组旋转体之间的旋转轴上均转动安装有中端板，位于最上方一组旋转体上方、和位于最下方一组旋转体下方的旋转轴上分别转动安装有顶端板和底端板；多组导流体同步摆动，多组尾翼同步摆动。
所述导流体与顶端板、中端板均固装构为一体，相邻尾翼之间通过小轴固连为一体，中端板上开有供小轴贯穿的弧形槽，尾翼摆动过程中，小轴沿着弧形槽弧线方向移动。
所述底端板包括有相互分离、各自相对于旋转轴转动的导流端板和尾翼端板，导流端板与相邻的导流体固装，尾翼端板与相邻的尾翼固装；导流动力机构分别带动尾翼端板和导流端板以旋转轴为圆心摆动。
所述导流动力机构的结构为：包括固装于底座的电机，电机输出端安装有主动齿轮；所述底端板底部设置有从动齿轮，主动齿轮与从动齿轮啮合带动底端板摆动。
所述导流动力机构设置有两组，与导流体和尾翼对应；导流端板底面设置有齿轮结构一，尾翼端板底面设置有齿轮结构二，两组导流动力机构的主动齿轮分别与齿轮结构一、齿轮结构二啮合；所述齿轮结构一、齿轮结构二位于以旋转轴中心为圆心的同一圆周上。
所述导流体面向旋转体的内侧面延伸有导流支撑，导流支撑套设于旋转体周向，导流支撑与旋转体之间安装有大轴承；所述尾翼面向旋转体的内侧面延伸有尾翼支撑，尾翼支撑套设于旋转体周向，尾翼支撑与旋转体之间安装有相同的大轴承，两组大轴承构成轴承组；所述导流支撑和尾翼支撑在旋转体的轴向上错开布置。
所述导流体上背向旋转体的前侧为迎风面，尾翼上背向旋转体的后侧为背风面；所述导流体和尾翼的截面均为对称结构，导流体前侧为外凸弧形结构，尾翼后侧向着背风的方向横截面尺寸逐渐减小直至形成尖角。
所述旋转体为筒形结构，旋转体内壁面向内延伸有内支撑，内支撑与旋转轴之间安装有小轴承构成转动连接；其中一个内支撑上安装有齿轮，该齿轮由转子动力机构带动转动。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过导流体和尾翼的摆动，改变助推设备的剖面结构，从而调整表面压力分布，以控制不同风速、风向下的升力方向，大大提升了为船舶提供的推力，并能降低横向力影响，有效提高了不同风速风向下的适应性，对风力资源的利用率更高；另一方面，导流体和尾翼构成旋转体的支撑结构，进一步保证内部旋转体的稳定，有效降低旋转体的转速和能耗；
本发明还包括如下优点：
在风向改变时，调整导流体与尾翼以适应风向，在助推设备两侧形成压力差从而为船舶提供推力；通过改变旋转体的转速来提高助推设备的升力，并控制高压区和低压区的位置，以保持船舶前进方向力的分量较大。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的剖视图。
图3为图2中A部的局部放大图。
图4为本发明导流体和尾翼与旋转体之间的安装示意图。
图5为本发明导流动力机构与底端板之间的安装示意图。
图6为本发明底端板的结构示意图。
图7为本发明上端板与导流体、尾翼的安装示意图。
图8为本发明不工作、减小阻力状态时的示意图。
图9为本发明工作时控制升力状态时的示意图。
其中：1、底座；2、底端板；3、导流体；4、旋转体；5、中端板；6、尾翼；7、顶端板；8、导流动力机构；9、旋转轴；10、轴承组；20、从动齿轮；21、导流端板；22、尾翼端板；201、齿轮结构一；202、齿轮结构二；31、导流支撑；32、内凹弧形结构；41、小轴承；42、内支撑；43、转子动力机构；61、小轴；62、尾翼支撑；71、弧形槽；81、电机；82、主动齿轮。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示，本实施例的一种船用导流式风力助推设备，包括底座1，底座1中心处竖直固装有旋转轴9，位于底座1上方的旋转轴9周向套装有旋转体4，旋转体4在转子动力机构43带动下相对于旋转轴9转动；位于底座1上方的旋转体4前方和后方分别安装有导流体3和尾翼6，导流体3和尾翼6由导流动力机构8带动各自以旋转轴9轴向为圆心摆动；旋转体4外壁面与导流体3、尾翼6之间均转动连接。
通过导流体3和尾翼6的摆动，改变助推设备的剖面结构，从而调整表面压力分布，以控制不同风速、风向下的升力方向，大大提升了为船舶提供的推力，并能降低横向力影响，有效提高了不同风速风向下的适应性，对风力资源的利用率更高；另一方面，导流体3和尾翼6构成旋转体4的支撑结构，进一步保证内部旋转体4的稳定，有效降低旋转体4的转速和能耗。
导流体3和尾翼6面向旋转体4的侧面均设置为内凹弧形结构32，导流体3和尾翼6分别通过内凹弧形结构32包容于旋转体4的前侧和后侧。
旋转体4、导流体3和尾翼6分别从上至下设置有相同数量的多组，位于相邻两组旋转体4之间的旋转轴9上均转动安装有中端板5，位于最上方一组旋转体4上方、和位于最下方一组旋转体4下方的旋转轴9上分别转动安装有顶端板7和底端板2；多组导流体3同步摆动，多组尾翼6同步摆动。
导流体3与顶端板7、中端板5均固装构为一体，相邻尾翼6之间通过小轴61固连为一体，中端板5上开有供小轴61贯穿的弧形槽71，尾翼6摆动过程中，小轴61沿着弧形槽71弧线方向移动，如图3和图7所示；最上方的尾翼6顶端亦向上延伸有相同的小轴61，顶端板7上开有供该小轴61穿过的相同的弧形槽71，在尾翼6摆动过程中，小轴61在弧形槽71中移动，为尾翼6的摆动提供导向作用。
如图6所示，底端板2包括有相互分离、各自相对于旋转轴9转动的导流端板21和尾翼端板22，导流端板21与相邻的导流体3固装，尾翼端板22与相邻的尾翼6固装；导流动力机构8分别带动尾翼端板22和导流端板21以旋转轴9为圆心摆动，尾翼端板22和导流端板21分别通过内侧的支臂与旋转轴9之间通过轴承转动连接，尾翼端板22和导流端板21的支臂在旋转轴9轴向上错开布置。
如图5所示，导流动力机构8的结构为：包括固装于底座1的电机81，电机81输出端安装有主动齿轮82；底端板2底部设置有从动齿轮20，主动齿轮82与从动齿轮20啮合带动底端板2摆动。
导流动力机构8设置有两组，与导流体3和尾翼6分别对应；导流端板21底面设置有齿轮结构一201，尾翼端板22底面设置有齿轮结构二202，两组导流动力机构8的主动齿轮82分别与齿轮结构一201、齿轮结构二202啮合；齿轮结构一201、齿轮结构二202位于以旋转轴9中心为圆心的同一圆周上。
电机81工作，驱动主动齿轮82转动，与主动齿轮82啮合的从动齿轮20，如齿轮结构一201或齿轮结构二202随着主动齿轮82的转动在水平面内转动，带动对应的导流端板21或尾翼端板22在水平面内转动，从而实现导流体3或是尾翼6的摆动。
如图4所示，导流体3面向旋转体4的内侧面延伸有导流支撑31，导流支撑31套设于旋转体4周向，导流支撑31与旋转体4之间安装有大轴承；尾翼6面向旋转体4的内侧面延伸有尾翼支撑62，尾翼支撑62套设于旋转体4周向，尾翼支撑62与旋转体4之间安装有相同的大轴承，两组大轴承构成轴承组10；导流支撑31和尾翼支撑62在旋转体4的轴向上错开布置，使得导流体3和尾翼6各自相对于旋转体4摆动。
导流体3上背向旋转体4的前侧为迎风面，尾翼6上背向旋转体4的后侧为背风面；导流体3和尾翼6的截面均为对称结构，导流体3前侧为外凸弧形结构，尾翼6后侧向着背风的方向横截面尺寸逐渐减小直至形成尖角。
旋转体4为筒形结构，旋转体4内壁面向内延伸有内支撑42，内支撑42与旋转轴9之间安装有小轴承41构成转动连接；其中一个内支撑42上安装有齿轮，该齿轮由转子动力机构43带动转动。从而带动内支撑42、旋转体4相对于旋转轴9转动。
如图8所示，当助推设备不工作时，通过导流动力机构8分别驱动导流体3和尾翼6相对于旋转轴9摆动，使得导流体3和尾翼6平行，即其中心面位于同一平面内，从而降低船舶运行阻力；对于船舶而言，是降低了逆风状态下助推设备对船舶的阻力，提高助推设备的整体效果，同时也可以在自存状态下降低助推设备的受力
如图9所示，在风向改变时，调整导流体3与尾翼6的相对角度以适应风向，在助推设备两侧形成压力差从而为船舶提供推力；并通过改变中间旋转体4的转速来进一步增加两侧压力差，调整高压区和低压区的分布位置，提高助推设备的升力F并降低横向力影响，以保持船舶前进方向力的分量较大。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种船用导流式风力助推设备，包括底座(1)，其特征在于：所述底座(1)中心处竖直固装有旋转轴(9)，位于底座(1)上方的旋转轴(9)周向套装有旋转体(4)，旋转体(4)在转子动力机构(43)带动下相对于旋转轴(9)转动；位于底座(1)上方的旋转体(4)前方和后方分别安装有导流体(3)和尾翼(6)，导流体(3)和尾翼(6)由导流动力机构(8)带动各自以旋转轴(9)轴向为圆心摆动；所述旋转体(4)外壁面与导流体(3)、尾翼(6)之间均转动连接。
2.如权利要求1所述的一种船用导流式风力助推设备，其特征在于：所述导流体(3)和尾翼(6)面向旋转体(4)的侧面均设置为内凹弧形结构(32)，导流体(3)和尾翼(6)分别通过内凹弧形结构(32)包容于旋转体(4)的前侧和后侧。
3.如权利要求1所述的一种船用导流式风力助推设备，其特征在于：所述旋转体(4)、导流体(3)和尾翼(6)分别从上至下设置有相同数量的多组，位于相邻两组旋转体(4)之间的旋转轴(9)上均转动安装有中端板(5)，位于最上方一组旋转体(4)上方、和位于最下方一组旋转体(4)下方的旋转轴(9)上分别转动安装有顶端板(7)和底端板(2)；多组导流体(3)同步摆动，多组尾翼(6)同步摆动。
4.如权利要求3所述的一种船用导流式风力助推设备，其特征在于：所述导流体(3)与顶端板(7)、中端板(5)均固装构为一体，相邻尾翼(6)之间通过小轴(61)固连为一体，中端板(5)上开有供小轴(61)贯穿的弧形槽(71)，尾翼(6)摆动过程中，小轴(61)沿着弧形槽(71)弧线方向移动。
5.如权利要求3所述的一种船用导流式风力助推设备，其特征在于：所述底端板(2)包括有相互分离、各自相对于旋转轴(9)转动的导流端板(21)和尾翼端板(22)，导流端板(21)与相邻的导流体(3)固装，尾翼端板(22)与相邻的尾翼(6)固装；导流动力机构(8)分别带动尾翼端板(22)和导流端板(21)以旋转轴(9)为圆心摆动。
6.如权利要求5所述的一种船用导流式风力助推设备，其特征在于：所述导流动力机构(8)的结构为：包括固装于底座(1)的电机(81)，电机(81)输出端安装有主动齿轮(82)；所述底端板(2)底部设置有从动齿轮(20)，主动齿轮(82)与从动齿轮(20)啮合带动底端板(2)摆动。
7.如权利要求6所述的一种船用导流式风力助推设备，其特征在于：所述导流动力机构(8)设置有两组，与导流体(3)和尾翼(6)对应；导流端板(21)底面设置有齿轮结构一(201)，尾翼端板(22)底面设置有齿轮结构二(202)，两组导流动力机构(8)的主动齿轮(82)分别与齿轮结构一(201)、齿轮结构二(202)啮合；所述齿轮结构一(201)、齿轮结构二(202)位于以旋转轴(9)中心为圆心的同一圆周上。
8.如权利要求1所述的一种船用导流式风力助推设备，其特征在于：所述导流体(3)面向旋转体(4)的内侧面延伸有导流支撑(31)，导流支撑(31)套设于旋转体(4)周向，导流支撑(31)与旋转体(4)之间安装有大轴承；所述尾翼(6)面向旋转体(4)的内侧面延伸有尾翼支撑(62)，尾翼支撑(62)套设于旋转体(4)周向，尾翼支撑(62)与旋转体(4)之间安装有相同的大轴承，两组大轴承构成轴承组(10)；所述导流支撑(31)和尾翼支撑(62)在旋转体(4)的轴向上错开布置。
9.如权利要求1所述的一种船用导流式风力助推设备，其特征在于：所述导流体(3)上背向旋转体(4)的前侧为迎风面，尾翼(6)上背向旋转体(4)的后侧为背风面；所述导流体(3)和尾翼(6)的截面均为对称结构，导流体(3)前侧为外凸弧形结构，尾翼(6)后侧向着背风的方向横截面尺寸逐渐减小直至形成尖角。
10.如权利要求1所述的一种船用导流式风力助推设备，其特征在于：所述旋转体(4)为筒形结构，旋转体(4)内壁面向内延伸有内支撑(42)，内支撑(42)与旋转轴(9)之间安装有小轴承(41)构成转动连接；其中一个内支撑(42)上安装有齿轮，该齿轮由转子动力机构(43)带动转动。
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