CN114852249A - 一种大型商船兼具风帆功能的艉楼 - Google Patents

一种大型商船兼具风帆功能的艉楼 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种大型商船兼具风帆功能的艉楼，本发明艉楼安装在大型商船的甲板上，既保留了传统艉楼的功能，又使其具备像超级翼型风帆一样捕获风能的功能，并且不占用甲板上额外的空间，能给船舶提供非常大的助推力，并且还能根据船舶在航行过程中不同的风向调整角度，可以在不同风向的条件下将捕获风能的效率达到最大，助推效果显著。在船首来风时，能减小沿船舶航行方向上的投影面积，进而大大降低航行过程中产生的风阻，有效减少了船舶的燃油消耗，有利于船舶的节能减排。

Description

一种大型商船兼具风帆功能的艉楼
技术领域
本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种大型商船兼具风帆功能的艉楼。
背景技术
随着大型商船数量的不断增加，船舶航行产生的二氧化硫等有害物质也随着增多，对大气的污染在不断加重。自国际海事组织颁布的“限硫令”在2020年1月1日起正式实施后，不少船舶公司都纷纷寻找新的清洁能源代替传统燃油。
风能是可再生的清洁能源，储量大、分布广，在广袤无垠的海面上尤为丰富，所以可以在大型船舶上安装捕获风能的风帆，通过风帆利用风能对船舶进行助推，给船舶提供一定的动力，减少船舶航行过程中的燃油消耗。风帆的种类很多，主要包括旋筒风帆、风筝风帆和翼型风帆，其中，翼型风帆助推的原理是“伯努利效应”，所谓伯努利效应就是流体速度加快时，物体与流体接触的界面上的压力会减小，反之压力会增加。由于翼型风帆特殊的弧形设计，当船舶舷侧来风时，气流从风帆的一侧穿过风帆，被风帆分成两股气流，一股从风帆前方吹过，一股从风帆后方吹过，从风帆前方流过的气流由于距离更长，所以流速快压强小，从风帆后方流过的气流流速慢压强大，利用风帆前方和后方产生压力差，对船舶产生向前的推力，对船舶产生一定的助推作用。当船尾来风时，可以利用风对风帆冲击产生的压力对船舶进行助推，但是当船首来风时，虽然船舶采用“之”字航行的方式，风帆依旧可以产生一定的助推力，但是会造成船舶航线大大增加，消耗的燃油量比原本不使用风帆助推时的耗油量更多，产生更多的废气，所以依靠传统风帆对船舶助推在有些情况下并不适用。
许多大型商船甲板表面都比较空旷，甲板表面风能资源充足。比如像VLCC超大型油轮和散货船船体结构大，通常甲板表面只有一个大型艉楼，这种艉楼高度比较高，在船首来风时沿船舶航行方向的投影面积非常大，所以会在航行过程中对船舶产生很大的风阻，大大增加船舶的耗油量。
基于此，如果设计一种艉楼，使其对船舶产生的风阻大大减小，并且还可以像超级风帆一样充分利用风能，对船舶进行有效助推，这将大大减少船舶的燃油消耗，所以这种艉楼将具有非常好的实际应用价值。
发明内容
本发明的目的是针对上述提到的问题，提出一种大型商船兼具风帆功能的艉楼。本发明艉楼安装在大型商船靠近船尾的甲板上，使其像超级风帆一样具有助推功能，可以根据在航行过程中不同的风向调整艉楼的角度，最大化的捕获风能，给船舶提供一定的动力，并且还可以在船首来风时通过减少本发明艉楼沿船舶航行方向上的投影面积，进而大大降低航行风阻。
本发明包括：底部艉楼、顶部艉楼、救生艇、顶部电动机、齿条、导轨、滚轮、底部电动机、轨道、回转柱、玻璃罩、齿轮、转动孔。其中，所述底部艉楼包括第一层艉楼、第二层艉楼、第三层艉楼和第四层艉楼。
所述底部艉楼和顶部艉楼的外形均由圆弧面和平面组成，底部艉楼和顶部艉楼在俯视方向的截面轮廓相同，均由圆弧线AB、BB′和B′A′、线段AA′构成。
所述圆弧线AB和B′A′相同，均从圆心为O，半径为R0，圆心角为β所对应的圆弧中截取；所述圆弧线BB′从圆心为O′，半径为R1，圆心角为α所对应的圆弧中截取；所述线段AA′为分别取两段圆弧线AB和B′A′的中的端点A和A′连接所得。
所述底部艉楼安装在甲板上，在底部艉楼里开设电梯和楼梯，从下往上分别为第一层艉楼、第二层艉楼、第三层艉楼和第四层艉楼，其中，在第一层艉楼的下底面开设导轨，在导轨上加装滚轮，在第三层艉楼靠近船舶左右舷侧的房间内分别开设救生房，两个救生房内分别设有救生艇以及相应的紧急复位按钮和破窗锤；所述玻璃罩采用透明材料制作，外形与底部艉楼的圆弧面外形一致，高度与底部艉楼的高度一致，玻璃罩镶嵌在底部艉楼的圆弧面上。
所述顶部艉楼安装在底部艉楼上面，顶部艉楼设有驾驶室和观察窗，并在顶部艉楼外侧设有风向传感器，在顶部艉楼的下底面开设导轨，并在导轨上加装滚轮。
所述转动孔开设在底部艉楼和顶部艉楼上，转动孔完全贯穿顶部艉楼和底部艉楼；所述齿条共有两组，两组所述齿条分别安装在第一层艉楼和顶部艉楼对应的转动孔内。
在船舶靠近船尾的甲板上开设回转柱，回转柱为空心圆柱，回转柱上开设相应的凸台，回转柱内设有船舶排烟所用的烟囱，所述底部艉楼和顶部艉楼通过转动孔套在回转柱上，实现转动配合；所述轨道共有两组，其中一组所述轨道开设在甲板上，该轨道与第一层艉楼的导轨实现转动配合；其中另一组所述轨道开设在第四层艉楼的上底面，该轨道与顶部艉楼下底面的导轨实现转动配合。
所述顶部电动机安装在回转柱的凸台上；所述底部电动机安装在甲板上；所述齿轮共有两个，两个所述齿轮分别安装在顶部电动机输出轴和底部电动机输出轴上，顶部电动机上的齿轮与顶部艉楼上安装的齿条啮合传动，底部电动机上的齿轮与第一层艉楼上安装的齿条啮合传动。
船舶在海上航行时，安装在顶部艉楼外侧的风向传感器可以自动感知风向，将风向信息作为输入信号传递给船舶控制***，船舶控制***将收到的输入信号转变为控制信号，将控制信号传递给顶部电动机和底部电动机。
以X轴指向右舷方向为正向，Y轴指向船首方向为正向，建立坐标系，[0°，45°]∪[315°，360°]为右舷来风，(45°，135°)为船首来风，[135°，225°]为左舷来风，(225°，315°)为船尾来风。
定义本发明艉楼(顶部艉楼和底部艉楼)的“初始位置”为本发明艉楼的平面与船舶中横剖面平行的位置。本发明艉楼在“初始位置”下靠近船尾的一面称为“后面”，靠近船首的一面称为“前面”。
下述对每种风向进行实施例描述过程中，都是本发明艉楼从初始位置作为起始状态开始变化。
当风向传感器感应到的风向是船首来风时，风向传感器将风向信息作为输入信号给船舶控制***，船舶控制***发出控制信号，控制底部电动机启动，进而带动底部电动机输出轴的齿轮转动，齿轮与安装在底部艉楼上的齿条啮合传动，底部艉楼上的导轨带动滚轮沿着甲板上开设的轨道旋转，实现以回转柱为中心转动90°，通过顶部艉楼上的导轨和滚轮与第四层艉楼上的轨道转动配合，最终实现底部艉楼转动90°而保证顶部艉楼不动。在此风向下，底部艉楼通过减少沿船舶航行方向上的投影面积，进而大大降低了航行过程中所产生的风阻。若途中遇到海难等紧急情况，船上人员迅速到达第三层艉楼上最接近船尾一侧的救生房，使用破窗锤打破玻璃罩，将救生艇推入海中，乘坐救生艇迅速弃船逃生。
当风向传感器检测到的风向是右舷来风时，风向传感器将风向信息作为输入信号给船舶控制***，此时船舶控制***发出控制信号，控制底部电动机和顶部电动机启动，进而分别带动底部电动机输出轴的齿轮和顶部电动机输出轴上的齿轮都转动，底部电动机上的齿轮与安装在底部艉楼上的齿条啮合，带动底部艉楼上的导轨带动滚轮沿着甲板上开设的轨道旋转；顶部电动机上的齿轮与安装在顶部艉楼上的齿条啮合，带动顶部艉楼上的导轨带动滚轮沿着第四层艉楼上底面的轨道旋转，最终底部艉楼和顶部艉楼都旋转到平面与风向平行的位置。根据“伯努利效应”可知本发明艉楼的“前面”和“后面”会产生压力差，这个压力差会对船舶产生向前的推力。若途中遇到海难等紧急情况，船上人员迅速到达第三层艉楼的救生房，按下紧急复位按钮后本发明艉楼迅速转回初始位置，使用破窗锤打破玻璃罩，将救生艇推入海中，乘坐救生艇迅速弃船逃生。
同理，风向传感器感知到的风向是左舷来风时的情况与右舷来风时相同。
当风向传感器感知到的风向是船尾来风时，风向传感器将风向信息作为输入信号给船舶控制***，船舶控制***不发出控制信号，因此底部电动机和顶部电动机都不启动，本发明艉楼保持初始位置不动，利用风能对本发明艉楼冲击产生的压力对船舶进行助推。若途中遇到海难等紧急情况，船上人员迅速到达第三层艉楼的救生房，使用破窗锤打破玻璃罩，将救生艇推入海中，乘坐救生艇迅速弃船逃生。
本发明有益效果：
1.本发明巧妙地将艉楼与翼型风帆相结合，设计出一种兼具超级风帆功能的艉楼，既保留了传统艉楼的功能，又使其具备像超级翼型风帆一样捕获风能的功能，并且不占用甲板上额外的空间，能给船舶提供非常大的助推力。
2.本发明艉楼能根据船舶在航行过程中不同的风向调整角度，可以在不同风向的条件下将捕获风能的效率达到最大，助推效果显著；并且在船首来风时能减小沿船舶航行方向上的投影面积，进而大大降低航行过程中产生的风阻，有效减少了船舶的燃油消耗。
3.本发明艉楼在设计时既不破坏传统艉楼原有的功能，又实现了本发明艉楼所达到的有益效果。
附图说明
图1本发明艉楼的示意图；
图2本发明艉楼截面轮廓示意图；
图3顶部艉楼结构示意图；
图4第一层艉楼结构示意图；
图5本发明艉楼在船舶上安装位置示意图
图6回转柱和轨道示意图；
图7底部艉楼示意图；
图8船舶控制***示意图；
图9风向角度示意图；
图10船首来风时本发明艉楼示意图；
图11右舷来风时本发明艉楼实施例一示意图；
图12右舷来风时本发明艉楼实施例二示意图；
图13左舷来风时本发明艉楼示意图；
图14船尾来风时本发明艉楼示意图；
附图中：1.底部艉楼；1001.第一层艉楼；1002.第二层艉楼；1003第三层艉楼；1004第四层艉楼；2.顶部艉楼；3.救生艇；4.顶部电动机；5.齿条；6.导轨；7.滚轮；8.底部电动机；9.轨道；10.回转柱；11.玻璃罩；12.齿轮；13.转动孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
一种大型商船兼具风帆功能的艉楼，如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，本发明艉楼包括底部艉楼1、顶部艉楼2、救生艇3、顶部电动机4、齿条5、导轨6、滚轮7、底部电动机8、轨道9、回转柱10、玻璃罩11、齿轮12和回转孔13。所述底部艉楼1包括第一层艉楼1001、第二层艉楼1002、第三层艉楼1003和第四层艉楼1004。
所述底部艉楼1和顶部艉楼2的外形均由圆弧面和平面组成，底部艉楼1和顶部艉楼2在俯视方向的截面轮廓相同，均由圆弧线AB、BB′和B′A′、线段AA′构成。
所述圆弧线AB和B′A′相同，均从圆心为O，半径为R0，圆心角为β所对应的圆弧中截取；所述圆弧线BB′从圆心为O′，半径为R1，圆心角为α所对应的圆弧中截取；所述线段AA′为分别取两段圆弧线AB和B′A′的端点A和A′连接所得。
所述底部艉楼1安装在甲板上，在底部艉楼1里开设电梯和楼梯，从下往上分别为第一层艉楼1001、第二层艉楼1002、第三层艉楼1003和第四层艉楼1004。其中，在第一层艉楼1001的下底面开设导轨6，在导轨6上加装滚轮7。所述第三层艉楼1003为救生层，在第三层艉楼1003靠近船舶左右舷侧的房间内分别开设救生房，两个救生房内分别设有救生艇3以及相应的紧急复位按钮和破窗锤，以备在遇到海难等紧急情况时迅速弃船逃生，保证船上人员的安全。
所述玻璃罩11采用透明材料制作，玻璃罩11的外形与底部艉楼1的圆弧面外形一致，高度与底部艉楼1的高度一致，玻璃罩11镶嵌在底部艉楼1的圆弧面上，玻璃罩11使底部艉楼1与风能的接触面积更大，提高本发明艉楼对风能的捕获效率。
所述顶部艉楼2安装在底部艉楼1的上面，顶部艉楼2为驾驶层，内设驾驶室和观察窗，并在顶部艉楼2的外侧设有风向传感器，风向传感器用来感知海上的风向并生成相应的风向信息。在顶部艉楼2的下底面开设导轨6，并在导轨6上加装滚轮7。
所述转动孔13开设在底部艉楼1和顶部艉楼2上，转动孔13完全贯穿底部艉楼1和顶部艉楼2；所述齿条5共有两组，两组所述齿条5分别安装在第一层艉楼1001和顶部艉楼2对应的回转孔13内。
在船舶靠近船尾的甲板上开设回转柱10，回转柱10为空心圆柱，回转柱10上开设相应的凸台，回转柱10内设有船舶排烟所用的烟囱，所述底部艉楼1和顶部艉楼2通过回转孔13套在回转柱10上，回转孔13和回转柱10实现转动配合。所述轨道9共有两组，其中一组所述轨道9开设在甲板上，该轨道9与底部艉楼1的导轨6实现转动配合；另一组所述轨道9开设在第四层艉楼1004的上底面，该轨道9与顶部艉楼2下底面的导轨6实现转动配合。
所述顶部电动机4安装在回转柱10开设的凸台上；所述底部电动机8安装在甲板上；所述齿轮12共有两个，两个所述齿轮12分别安装在顶部电动机4的输出轴和底部电动机8的输出轴上，顶部电动机4上的齿轮12与顶部艉楼2上装的齿条5啮合传动，底部电动机8上的齿轮12与第一层艉楼1001上安装的齿条5啮合传动。
如图8所示，船舶在海上航行时，安装在顶部艉楼2外侧的风向传感器可以自动感知风向，将风向信息作为输入信号传递给船舶控制***，船舶控制***将收到的输入信号转变为控制信号，将控制信号传递给顶部电动机4和底部电动机8。
如图9所示，以X轴指向右舷方向为正向，Y轴指向船首方向为正向，建立坐标系，[0°，45°]∪[315°，360°]为右舷来风，(45°，135°)为船首来风，[135°，225°]为左舷来风，(225°，315°)为船尾来风。
定义本发明艉楼(底部艉楼1和顶部艉楼2)的“初始位置”为本发明艉楼的平面与船舶中横剖面平行的位置。本发明艉楼在“初始位置”下靠近船尾的一面称为“后面”，靠近船首的一面称为“前面”。
下述对每种风向进行实施例描述过程中，都是本发明艉楼从初始位置作为起始状态开始变化。
如图10所示，当风向传感器感应到的风向是船首来风时，风向传感器将风向信息作为输入信号给船舶控制***，船舶控制***发出控制信号，控制底部电动机8启动，进而带动底部电动机8输出轴上的齿轮12转动，齿轮12与安装在底部艉楼1上的齿条5啮合传动，底部艉楼1上的导轨6带动滚轮7沿着甲板上开设的轨道9旋转，实现以回转柱10为中心转动90°，通过顶部艉楼2上的导轨6和滚轮7与第四层艉楼1004上的轨道9转动配合，最终实现底部艉楼1转动90°而保证顶部艉楼2不动。在此风向下，底部艉楼1通过减少沿船舶航行方向上的投影面积，进而大大降低航行过程中产生的风阻。若途中遇到海难等紧急情况，船上人员迅速到达第三层艉楼1003上最接近船尾一侧的救生房，使用破窗锤打破玻璃罩11，将救生艇3推入海中，乘坐救生艇3迅速弃船逃生。
如图11和图12所示，当风向传感器检测到的风向是右舷来风时，风向传感器将风向信息作为输入信号给船舶控制***，此时船舶控制***发出控制信号，控制底部电动机8和顶部电动机4启动，进而分别带动底部电动机8输出轴的齿轮12和顶部电动机4输出轴上的齿轮12都转动，底部电动机8上的齿轮12与安装在底部艉楼1上的齿条5啮合，带动底部艉楼1上的导轨6带动滚轮7沿着甲板上开设的轨道9旋转；顶部电动机4上的齿轮12与安装在顶部艉楼2上的齿条5啮合，带动顶部艉楼2上的导轨6带动滚轮7沿着第四层艉楼1004上底面的轨道9旋转，最终实现底部艉楼1和顶部艉楼2都旋转到平面与风向平行的位置。根据“伯努利效应”可知本发明艉楼的“前面”和“后面”会产生压力差，这个压力差会对船舶产生向前的推力。若途中遇到海难等紧急情况，船上人员迅速到达第三层艉楼1003的救生房，按下紧急复位按钮后本发明艉楼迅速转回初始位置，使用破窗锤打破玻璃罩11，将救生艇3推入海中，乘坐救生艇3迅速弃船逃生。
如图13所示，同理，当风向传感器感知到的风向是左舷来风时的情况与右舷来风时相同。
如图14所示，当风向传感器感知到的风向是船尾来风时，风向传感器将风向信息作为输入信号给船舶控制***，船舶控制***不发出控制信号，因此底部电动机8和顶部电动机4都不启动，本发明艉楼保持初始位置不动，利用风能对本发明艉楼冲击产生的压力对船舶进行助推。若途中遇到海难等紧急情况，船上人员迅速到达第三层艉楼1003的救生房，使用破窗锤打破玻璃罩11，将救生艇3推入海中，乘坐救生艇3迅速弃船逃生。
以上所述仅是本发明的优先实施方式，但实现时不受上述实施例限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大型商船兼具风帆功能的艉楼，其特征在于：本发明艉楼包括底部艉楼(1)、顶部艉楼(2)、救生艇(3)、顶部电动机(4)、齿条(5)、导轨(6)、滚轮(7)、底部电动机(8)、轨道(9)、回转柱(10)、玻璃罩(11)、齿轮(12)、转动孔(13)，其中，所述底部艉楼(1)包括第一层艉楼(1001)、第二层艉楼(1002)、第三层艉楼(1003)和第四层艉楼(1004)，底部艉楼(1)从下往上分别为第一层艉楼(1001)、第二层艉楼(1002)、第三层艉楼(1003)和第四层艉楼(1004)，
所述底部艉楼(1)和顶部艉楼(2)的外形均由圆弧面和平面组成，底部艉楼(1)和顶部艉楼(2)在俯视方向的截面轮廓相同，均由圆弧线AB、BB′和B′A′、线段A A′构成，
所述底部艉楼(1)安装在甲板上，在第一层艉楼(1001)的下底面开设导轨(6)，在导轨(6)上加装滚轮(7)；在第三层艉楼(1003)靠近船舶左右舷侧的房间内分别设有救生艇(3)；所述玻璃罩(11)采用透明材料制作，安装在底部艉楼(1)的圆弧面上；所述顶部艉楼(2)安装在底部艉楼(1)上面，在顶部艉楼(2)的下底面开设导轨(6)，并在导轨(6)上加装滚轮(7)，
所述转动孔(13)开设在在底部艉楼(1)和顶部艉楼(2)上；所述齿条(5)共有两组，两组所述齿条(5)分别安装在在第一层艉楼(1001)和顶部艉楼(2)对应的转动孔(13)内，
在甲板上开设回转柱(10)，在回转柱(10)上开设相应的凸台；所述轨道(9)共有两组，其中一组所述轨道(9)开设在甲板上，其中另一组所述轨道(9)开设在第四层艉楼(1004)的上底面，
所述顶部电动机(4)安装在回转柱(10)的凸台上，所述底部电动机(8)安装在甲板上；所述齿轮(12)共有两个，两个所述齿轮(12)分别安装在顶部电动机(4)输出轴和底部电动机(8)输出轴上。
2.根据权利要求1所述的一种大型商船兼具风帆功能的艉楼，其特征在于：所述圆弧线AB和B′A′相同，均从圆心为O，半径为R0，圆心角为β所对应的圆弧中截取；所述圆弧线BB′从圆心为O′，半径为R1，圆心角为α所对应的圆弧中截取；所述线段AA′为分别取两段圆弧线AB和B′A′的中的端点A和A′连接所得。
3.根据权利要求1所述的一种大型商船兼具风帆功能的艉楼，其特征在于：所述底部艉楼(1)和顶部艉楼(2)通过转动孔(13)套在回转柱(10)上，实现转动配合。
4.根据权利要求1所述的一种大型商船兼具风帆功能的艉楼，其特征在于：所述轨道(9)共有两组，其中一组所述轨道(9)开设在甲板上，该轨道(9)与底部艉楼(1)的导轨(6)实现转动配合；其中另一组所述轨道(9)开设在第四层艉楼(1004)的上底面，该轨道(9)与顶部艉楼(2)下底面的导轨(6)实现转动配合。
5.根据权利要求1所述的一种大型商船兼具风帆功能的艉楼，其特征在于：所述齿轮(12)共有两个，两个所述齿轮(12)分别安装在顶部电动机(4)输出轴和底部电动机(8)输出轴上，顶部电动机(4)上的齿轮(12)与顶部艉楼(2)上安装的齿条(5)啮合传动，底部电动机(8)上的齿轮(12)与第一层艉楼(1001)上安装的齿条(5)啮合传动。
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Citations (6)

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