一种活动式风帆及风帆调整方法与流程

1.本发明涉及船用特种装备技术领域，尤其是一种活动式风帆及风帆调整方法。


背景技术：

2.风力资源作为一种清洁、安全、经济的自然资源，随着全球碳达峰与碳中和战略目标的制定与实施，利用风帆助推功能将成为现代绿色船舶技术发展的重要方向，目前也是全球科研人员开发研究的热点之一。
3.风帆助推设计不仅要考虑其能够产生的助推力和节能效果，同时还需从安全角度充分考虑其在遭遇极限恶劣风场环境下带来的自身安全问题。根据流体力学理论，风帆帆面产生的气动升力与来流风速平方成正比，当风速超过风帆允许的工作范围时，帆面产生的气动力将成倍增加。由此可能会对风帆系统造成严重破坏和失效，危及生命财产安全。


技术实现要素：

4.本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的活动式风帆及风帆调整方法，能够对船舶航行产生助推效果，亦能解决其在遭遇极限恶劣风场环境下的安全性问题，大幅提高风帆的经济性及工程实用性。
5.本发明所采用的技术方案如下：
6.一种活动式风帆，包括风帆基座，所述风帆基座上设有回转机构，回转机构上连接有辅助支撑帆面；所述辅助支撑帆面顶部转动连接有主帆面，
7.所述回转机构在水平面内转动，回转机构包括回转电机，所述回转电机的输出轴上同轴连接有回转齿轮，在回转齿轮的齿面上啮合有内齿式回转支撑轴承，辅助支撑帆面固定安装于内齿式回转支承轴承顶部，
8.所述辅助支撑帆面与主帆面之间的夹角在竖直面内调整；辅助支撑帆面、主帆面之间通过转轴转动相连，转轴上固定安装转动法兰；所述辅助支撑帆面上设有摆动电缸，所述摆动电缸的输出轴顶端与转动法兰铰接。
9.所述辅助支撑帆面保持竖直状态，主帆面底部与辅助支撑帆面底部之间预留竖直间距。
10.所述回转电机的输出轴竖直向上引出，所述回转齿轮的直径小于内齿式回转支撑轴承的内齿径，回转齿轮与内齿式回转支承轴承内壁局部啮合。
11.所述风帆基座内部设有用于承托回转电机的回转支座，所述回转支座延伸至回转齿轮正下方。
12.所述摆动电缸底部与辅助支撑帆面之间通过支耳、电缸轴销相连，支耳固定在辅助支撑帆面上，摆动电缸尾部设有尾耳，支耳、尾耳之间通过电缸轴销铰接。
13.摆动电缸与辅助支撑帆面铰接点、转轴之间预留水平方向上的间距。
14.所述辅助支撑帆面、主帆面的同侧分别设有支撑封板，主帆封板；所述辅助支撑帆面背离支撑封板的一侧贴设有限位板，限位板的顶部低于辅助支撑帆面的顶部，且高于主
帆面的底部，限位板自辅助支撑帆面伸出，向水平方向两侧延伸。
15.所述主帆面的厚度自其底部向上逐渐变薄。
16.风帆基座侧边对应设置支撑座，主帆面转动至水平状态时，与支撑座相接触；支撑座高度可调。
17.一种利用活动式风帆的风帆调整方法，包括如下步骤：
18.以主帆面为水平状态时为初始状态；
19.主帆面需要竖起阶段：
20.启动摆动电缸，摆动电缸的活塞杆伸出，推动转轴，转轴绕辅助支撑帆面上的轴套转动，使主帆面绕辅助支撑帆面转动；当主帆面转动至垂直状态时，摆动电缸停止运行；
21.主帆面需要改变迎风角阶段：
22.启动回转点击，回转电机带动回转齿轮水平转动，回转齿轮带动内齿式回转支撑轴承水平转动，内齿式回转支撑轴承带动辅助支撑帆面及主帆面水平转动；当主帆面达到设定迎风角时，回转电机停止运转；
23.主帆面需要卧倒阶段：
24.启动摆动电缸，使摆动电缸的活塞杆收回，带动转轴反向转动，转轴带动主帆面卧倒；当主帆面转动至水平卧倒状态时，主帆面被支撑座顶住端部，摆动电缸停止运行。
25.本发明的有益效果如下：
26.本发明结构紧凑、合理，操作方便，本发明的风帆结构安装于船舶甲板上，在风速允许工作状态下，根据风的方向和大小，通过带齿轮的电机驱动载有帆面的回转支撑轴承水平转动，从而改变帆面迎风角，使风帆在风能作用下产生最大有效推力，进而为船舶航行提供有效的助推功能。当风速超过风帆允许的工作范围时，特别是在遭遇极限恶劣风场环境下，帆面通过可倾倒机构实现水平卧倒，从而减小帆面迎风载荷，避免风帆整体载荷过载引起风帆系统破坏与失效。
27.在风速允许工作状态下，通过运行帆面回转机构，使风帆可接收自然界各向来风，助推有效风向范围广。
28.在风速超过风帆允许的工作范围时，运行风帆倾倒机构，使主帆面处于水平卧倒状态，帆面受到的气动力载荷大大降低，避免了帆面承受载荷过大对风帆系统造成破坏和失效。
29.本发明中采用限位板，用于在主帆面转动至竖直状态时，阻碍主帆面的底部继续转动，从而实现对主帆面极限位置的精准限位。
30.本发明中采用的支撑座用于支撑主帆面的顶端，由于主帆面的尺寸大、自重大，在主帆面卧倒时，对其他部位的承重要求高，支撑座能够有效缓解承重载荷。
31.应用本发明所述一种可倾倒硬质帆面风帆设计方案，可提高风帆助推性能，降低船舶运行成本，增效节能，大幅提高风帆的经济性及工程实用性，具有广阔的工程应用前景。
附图说明
32.图1为本发明的整体结构正面剖视示意图。
33.图2为本发明的侧视剖视图。
34.图3为图2的a部放大图用于体现转动法兰、限位平键的结构。
35.图4为本发明的主帆面倾倒状态示意图。
36.图5为本发明的横剖面俯视图。
37.图6为图5中b部放大图用于体现固定法兰、轴套的结构。
38.其中：1、风帆基座；2、回转支座；3、回转电机；4、内齿式回转支撑轴承；5、回转齿轮；6、辅助支撑帆面；7、支耳；8、电缸轴销；9、摆动电缸；10、主帆面；11、法兰轴销；12、转轴；13、限位板；14、支撑座；
39.21、固定法兰；22、防转动平键；23、轴套；
40.31、转动法兰；32、限位平键；33、支撑封板。
具体实施方式
41.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
42.如图1-图6所示，本实施例的活动式风帆，包括风帆基座1，风帆基座1上设有回转机构，回转机构上连接有辅助支撑帆面6；辅助支撑帆面6顶部转动连接有主帆面10，
43.回转机构在水平面内转动，回转机构包括回转电机3，回转电机3的输出轴上同轴连接有回转齿轮5，在回转齿轮5的齿面上啮合有内齿式回转支撑轴承4，辅助支撑帆面6固定安装于内齿式回转支承轴承顶部，
44.辅助支撑帆面6与主帆面10之间的夹角在竖直面内调整；辅助支撑帆面6、主帆面10之间通过转轴12转动相连，转轴12上固定安装转动法兰31；辅助支撑帆面6上设有摆动电缸9，摆动电缸9的输出轴顶端与转动法兰31铰接。
45.辅助支撑帆面6保持竖直状态，主帆面10底部与辅助支撑帆面6底部之间预留竖直间距。
46.回转电机3的输出轴竖直向上引出，回转齿轮5的直径小于内齿式回转支撑轴承4的内齿径，回转齿轮5与内齿式回转支承轴承内壁局部啮合。
47.风帆基座1内部设有用于承托回转电机3的回转支座2，回转支座2延伸至回转齿轮5正下方。
48.摆动电缸9底部与辅助支撑帆面6之间通过支耳7、电缸轴销8相连，支耳7固定在辅助支撑帆面6上，摆动电缸9尾部设有尾耳，支耳7、尾耳之间通过电缸轴销8铰接。
49.摆动电缸9与辅助支撑帆面6铰接点、转轴12之间预留水平方向上的间距。
50.辅助支撑帆面6、主帆面10的同侧分别设有支撑封板33，主帆封板；辅助支撑帆面6背离支撑封板33的一侧贴设有限位板13，限位板13的顶部低于辅助支撑帆面6的顶部，且高于主帆面10的底部，限位板13自辅助支撑帆面6伸出，向水平方向两侧延伸。
51.主帆面10的厚度自其底部向上逐渐变薄。
52.风帆基座1侧边对应设置支撑座14，主帆面10转动至水平状态时，与支撑座14相接触；支撑座14高度可调。
53.本实施例的利用活动式风帆的风帆调整方法，包括如下步骤：
54.以主帆面10为水平状态时为初始状态；
55.主帆面10需要竖起阶段：
56.启动摆动电缸9，摆动电缸9的活塞杆伸出，推动转轴12，转轴12绕辅助支撑帆面6
上的轴套23转动，使主帆面10绕辅助支撑帆面6转动；当主帆面10转动至垂直状态时，摆动电缸9停止运行；
57.主帆面10需要改变迎风角阶段：
58.启动回转电机3，回转电机3带动回转齿轮5水平转动，回转齿轮5带动内齿式回转支撑轴承4水平转动，内齿式回转支撑轴承4带动辅助支撑帆面6及主帆面10水平转动；当主帆面10达到设定迎风角时，回转电机3停止运转；
59.主帆面10需要卧倒阶段：
60.启动摆动电缸9，使摆动电缸9的活塞杆收回，带动转轴12反向转动，转轴12带动主帆面10卧倒；当主帆面10转动至水平卧倒状态时，主帆面10被支撑座14顶住端部，摆动电缸9停止运行。
61.本实施例的具体结构及工作过程如下：
62.风帆基座1安装在船舶甲板上，在风帆基座1上断面安装内齿式回转支撑轴承4，在风帆基座1内部安装回转电机3支座，在回转电机3支座上安装回转电机3，在回转电机3的输出轴上安装回转齿轮5，并使回转齿轮5与内齿式可回转支撑轴承啮合。
63.在内齿式回转支撑轴承4上安装辅助支撑帆面6，在辅助支撑帆面6内部中间位置处安装支耳7，在支耳7内插入摆动电缸9的尾耳，在支耳7和尾耳的孔内插入电缸轴销8并锁定。
64.在辅助支撑帆面6左右两侧安装并固定轴套23，在左右轴套23内套入转轴12，在转轴12上安装转动法兰31，在转轴12与转动法兰31之间安装限位平键32，使转轴12与转动法兰31之间不产生相对转动。
65.在转轴12左右两端分别安装一个固定法兰21，在转轴12两端还设有防转动平键22，防转动平键22位于转轴12两端和固定法兰21之间。
66.将主帆面10内壁两侧与主帆面10的固定法兰21通过螺栓固连，使主帆面10通过转轴12绕这辅助支撑帆面6上下转动。在辅助支撑帆面6背部、主帆面10背部安装支撑封板33。
67.当主帆面10需要竖起时，启动摆动电缸9，摆动电缸9的活塞杆伸出，活塞杆由于与转轴12之间有一定角度，因此活塞杆伸出即可推动转轴12；活塞杆通过转动法兰31带动转轴12绕辅助支撑帆面6两侧的轴套23转动，转轴12通过固定法兰21带动主帆面10转动。
68.同时，受到摆动电缸9活塞杆伸出位置与转动法兰31之间转动角度的变化，摆动电缸9的尾耳能够绕支耳7转动，当主帆面10转动至垂直状态时，摆动电缸9停止运行。当主帆面10转动至垂直状态时，也正好与辅助支撑帆面6两侧的限位板13相贴，限位板13用于防止主帆面10继续转动。
69.当需要改变帆面迎风角时，启动回转电机3，回转电机3带动回转齿轮5转动，回转齿轮5带动内齿式回转支撑轴承4水平转动，内齿式回转支撑轴承4带动固定于其上的辅助支撑帆面6及主帆面10水平转动。当帆面达到设定的迎风角时，回转电机3停止运行，辅助支撑帆面6与主帆面10在风能作用下产生指向船舶前进方向的最大有效推力，进而为船舶航行提供有效的助推功能。
70.当主帆面10需要卧倒时，启动摆动电缸9，使摆动电缸9的活塞杆收回，活塞杆通过转动法兰31带动转轴12，绕辅助支撑帆面6左右壁安装的轴套23反向转动，转轴12通过主帆面10固定法兰21带动主帆面10反向转动，当主帆面10转动至水平卧倒状态时，摆动电缸9停
止运动，主帆面10顶部落在支撑座14上。
71.本实施例中的支撑座14可采用高度固定不变的支架、采用活塞缸调节竖直高度的支架等多种结构，从经济成本角度出发，优选高度固定不变的支架。
72.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。