一种仿蝙蝠翼形的可收缩风帆

1.本发明属于船舶领域，涉及一种风帆，具体涉及一种仿蝙蝠翼形的可收缩风帆。


背景技术：

2.风能，即空气流动所产生的动能，是自然界中的可再生能源之一。随着以蒸汽机、内燃机为代表的工业革命的兴起，传统风帆便逐渐被以消耗化石能源的内燃机所取代。化石能源是全球消耗的最主要能源，同时也是人类生存和发展的重要物质基础。但是化石能源的不可再生性和人类对其的巨大消耗，使化石能源正在逐渐走向枯竭。同时，由于化石能源燃放后废气排放所引发的一系列环境问题，使得人们对节能环保以及温室气体的控制越来越重视。因此以化石能源为主的船舶传统驱动方式，正面临着能源缺口、排放限制等一系列问题，而风帆作为一个可以将风能转化为船舶动力的装置，无疑是一个可以缓解如今困局的所在；然而现有技术中风帆也存在其应用的局限性，最大问题就是占地面积和体积大，动力大小调节困难，无法很好适应多变风向，因此开发一种能够调整占地体积大小、调节驱动力大小及对提高对风向适应能力，能够极大推进风帆在现代船舶上的应用。


技术实现要素：

3.现有的绝大多数可收缩的风帆，在收帆后仍会有一部分结构留在比较高的空中，在一定程度上限制了船舶的航行及性能。本发明旨在针对上述现有技术的不足，开发一种体积可变的可收缩风帆。本发明借鉴蝙蝠翅膀张开、收缩的原理，开发了一种以液压杆驱动、仿蝙蝠翅膀骨架的可收缩风帆。与传统的可收缩风帆相比，仿蝙蝠翼形风帆能做到将帆面以及桅杆部分全部收缩至甲板上，减小对船舶航行的影响；仿蝙蝠翼形风帆还可以通过调整两片帆之间的夹角，以获取最大推进效率。
4.同时，本发明还采用帆面张紧装置辅助收帆，将拉绳分别固定于帆面各处，在收、放帆的同时进行同步拉紧、放松，从而使帆面收缩在桅杆结构所构成空间的内部。该设计结构简单、操作易行，可以提供一定的承力，提高了收、放帆时整体结构的稳定性，同时也可以保证收帆完成以后的帆面位置。
5.另外，整个结构上下驱动分别采用液压杆以及类挖掘机回转底盘的旋转底盘。旋转底盘可以保证两片帆之间运动的独立性，以及整体结构的稳定性；液压杆在缩短和伸长的同时，能够带动放帆和收帆，同时液压杆可以提供较大且稳定的作用力，使整个结构拥有更好的承力条件的同时，也兼具稳定性和安全性。
6.本发明是通过以下技术方案实现的：
7.一种仿蝙蝠翼形的可收缩风帆，其特征在于：包括两个能进行开合运动的旋转底盘、分别安装在两个旋转底盘上的翼形骨架以及覆盖在两个翼型骨架上的帆面，每个翼型骨架及其上的帆面一起形成翼面，两个翼面能通过旋转底盘的转动打开或者合拢；所述翼型骨架由设置于同一平面内的底部固定杆和若干转动杆相连组成，其中，所述底部固定杆水平固定安装在旋转底盘上，多个转动杆首尾依次通过转动关节相连，最底部转动杆下端
安装在旋转底盘上；通过转动关节运动，翼面在高度方向上收叠。
8.进一步地，所述转动关节上设有用于增强帆面稳定性的辅助固定杆。
9.进一步地，所述转动杆有三个，三个转动杆通过两个转动关节相连。
10.进一步地，所述转动杆中的第一转动杆底部与旋转底盘之间通过齿轮啮合驱动或者蜗轮蜗杆驱动旋转。
11.进一步地，所述转动关节包括将两个转动杆相连的转动副和驱动两个转动杆相对运动的液压杆，通过转动关节相连的两个转动杆中的一个尾部从转动副向外延伸形成延伸部，所述液压杆一端铰接在延伸部上，另一端铰接在另一个转动杆上，通过液压杆伸缩驱动两个转动杆相对于转动副转动，实现多个转动杆的收叠。
12.进一步地，所述的可收缩风帆还包括帆面张紧装置，所述帆面张紧装置包括若干拉绳和能驱动若干拉绳收放的拉绳收卷机构，若干拉绳自由端固定在帆面上的张拉点上。
13.进一步地，所述旋转底盘包括内齿盘、驱动杆和从动盘，所述内齿盘上设有一圈环形的内齿；所述驱动杆安装在从动盘上通过电机驱动，驱动杆下端设有与内齿盘上内齿啮合的驱动齿轮，通过电机驱动能使得从动盘相对于内齿盘转动。
14.进一步地，所述内齿盘固定在船甲板上，所述内齿盘中心处设有固定轴，所述从动盘通过转动副安装在固定轴上，通过转动副限定从动盘运动方式。
15.本发明相比现有技术具有以下优点：
16.仿蝙蝠翼形的可收缩风帆装置，将蝙蝠翅膀的骨架结构以及收放方式应用到该风帆之中，实现整体结构完全收缩至甲板之上，兼容性更强、对船舶行驶的影响更小，可适用更多种船型，尤其是内河船。同时，该风帆的两片帆之间的角度可以灵活调节，可以根据不同的风况进行自适应调节，进而获取最大的推进效率，更加高效。本设计还应用了一种帆面张紧装置，在收、放帆的同时进行同步拉紧、放松，使帆面收缩在桅杆结构所构成空间的内部。该设计可以在一定程度上提高整体结构的稳定性。
附图说明
17.图1是本发明实施例1中仿蝙蝠翼形的可收缩风帆的整体示意图；
18.图2是具有帆面张紧装置的可收缩风帆示意图；
19.图3是通过液压杆驱动的翼型骨架张开状态示意图；
20.图4是通过液压杆驱动的翼型骨架部分收缩状态示意图；
21.图5是旋转底盘内部结构示意图；
22.图6是底部转动关节结构示意图。
23.100-旋转底盘，101-内齿盘，102-驱动杆，103-从动盘，104-驱动齿轮，105-从动盘盖，200-翼形骨架，201-底部固定杆，202-第一转动杆，203-第二转动杆，204-第三转动杆，205-辅助固定杆，206-第一转动关节，207-第二转动关节，208-延伸部，209-第一液压杆，210-第二液压杆，211-底部转动关节，212-蜗轮，213-蜗杆，300-帆面，301-张拉点，400-帆面张紧装置，401-拉绳，402-拉绳收卷机构。
具体实施方式
24.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行
实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
25.实施例1：如图1和图3所示，一种仿蝙蝠翼形的可收缩风帆，包括两个能进行开合运动的旋转底盘100、分别安装在两个旋转底盘100上的翼形骨架200以及覆盖在两个翼型骨架上的帆面300，每个翼型骨架及其上的帆面300一起形成翼面，两个翼面能通过旋转底盘100的转动打开或者合拢；所述翼型骨架由设置于同一平面内的底部固定杆201和3个转动杆相连组成，其中，所述底部固定杆201水平固定安装在旋转底盘100上，3个转动杆首尾依次通过转动关节相连，最底部的第一转动杆202下端安装在旋转底盘100上，第二转动杆203下端通过第一转动关节206安装在第一转动杆202顶部，第三转动杆204通过第二转动关节207安装在第二转动杆203顶部；通过转动关节运动，翼面在高度方向上收叠，通过两个旋转底盘100的转动使得两个翼面能够开合，从使得两个帆面300能够进行仿蝙蝠翼的大幅度展开和收拢。
26.需要说明的是，本发明上述组成翼型骨架的底部固定杆、转动杆在一个平面，并不是要求绝对在一个平面，需要大致组成一个平面即可。
27.作为一种优选实施例，所述帆面300固定在所述翼形骨架200的杆件端部，最优的，固定在底部固定杆201或者转动杆上。
28.作为一种优选实施例，所述帆面300为一个整体的软性材料帆面300，覆盖于随旋转底盘100而分布的带液压驱动骨架上，随旋转底盘100的旋转、带液压驱动骨架的形变而收帆放帆。
29.作为一种优选实施例，如图1和图3所示，所述转动关节上设有用于增强帆面300稳定性的辅助固定杆205，所述辅助固定杆205水平方向固定设置在转动关节的本体上，虽然增加辅助固定杆205增加了收叠后的帆面300面积和收叠后的体积，但是辅助固定杆205可以增加帆面300张开后的稳定性，因此，可以根据船舶实际空间情况选择安装或者不安装辅助固定杆205，当然也可以将辅助固定杆205设置为可拆卸式，以增加灵活性。
30.作为一种优选实施例，如图3和图4所示，所述第一转动杆202底部与旋转底盘100之间通过底部转动关节211相连，所述底部转动关节211为齿轮啮合驱动机构或者蜗轮蜗杆驱动机构，通过齿轮啮合或者蜗轮蜗杆驱动第一转动杆202相对于底部固定杆201进行收叠，比如对于蜗轮蜗杆结构，可以将蜗轮212与第一转动杆202底部轴连接，蜗杆213通过轴承安装在旋转底盘100上，且与蜗轮212啮合，通过电机或者外力驱动蜗杆213转动，即可转换为蜗轮212转动，从而驱动第一转动杆202相对于旋转底盘100转动。
31.作为一种优选实施例，所述转动关节包括将两个转动杆相连的转动副和驱动两个转动杆相对运动的液压杆，本实施例中，所述转动副可以为转动销轴或者其他转动盘式结构，为公知结构(附图中未画出转动副详细结构)，通过转动关节相连的两个转动杆中的一个尾部从转动副向外延伸形成延伸部208，所述液压杆一端铰接在延伸部208上，另一端铰接在另一个转动杆上，通过液压杆伸缩驱动两个转动杆相对于转动副转动，实现多个转动杆的收叠；具体的，本实施例中，如图3所示，第一转动关节206结构如下：
32.第二转动杆203的下端通过转轴安装在第一转动杆202上端，并且第二转动杆203下端向下延伸，形成延伸部208；第一液压杆209底部铰接在第一转动杆202下端，第一液压杆209的自由伸缩端铰接在第二转动杆203的延伸部208；
33.第二转动关节207结构如下：
34.第三转动杆204的下端通过转轴安装在第二转动杆203上端，并且第三转动杆204下端向下延伸，形成延伸部208；第二液压杆210部铰接在第二转动杆203下端，第二液压缸的自由伸缩端铰接在第三转动杆204下端的延伸部208。
35.作为一种优选实施例，如图2所示，所述的可收缩风帆还包括帆面张紧装置400，所述帆面张紧装置400包括若干拉绳401和能驱动若干拉绳401收放的拉绳收卷机构402，若干拉绳401自由端固定在帆面300上的张拉点301上，本实施例中，帆面300上有6个张拉点301，所述拉绳收卷机构402可以为卷扬机或者卷绳器(卷筒加驱动电机)，可以对于没跟拉绳401设置一个卷绳器，也可以根据两个翼面对称原理，将两个对称张拉点301的拉绳401安装在同一个卷绳器上。
36.作为一种优选实施例，如图5所示，所述旋转底盘100包括内齿盘101、驱动杆102和从动盘103，所述内齿盘101上设有一圈环形的内齿；所述驱动杆102安装在从动盘103上通过电机驱动，驱动杆102下端设有与内齿盘101上内齿啮合的驱动齿轮104，通过电机(图中未画出)驱动能使得从动盘103相对于内齿盘101转动，从动盘103上设有从动盘盖105，用于将驱动杆102保护在内及安装底部固定杆201等部件。
37.作为一种优选实施例，所述内齿盘101固定在船甲板上，所述内齿盘101中心处设有固定轴，所述从动盘103通过转动副安装在固定轴上，通过转动副限定从动盘103运动方式。
38.收帆过程：图1和图3所示为放帆完成以后的基本样式，启动个转动关节，使得三个转动杆相对转动收叠，使得帆面300处于最低状态，如图4所示，如果转动关节采用齿轮啮合驱动，则几乎可以将所有转动杆收叠至接近水平状态，达到最佳水平，但是稳定性稍差；如果转动关节采用上述的液压杆，收叠时无法达到最小面积状态，但是帆面300张开后稳定性好，因此，可以根据实际船舶情况选择转动关节的类型；当每个翼面高度降低到最低后，启动旋转底盘100，驱动两个底部固定杆201合拢，从而带动两个翼面合拢，实现帆面300收叠至体积最小化。
39.放帆过程：收帆后，当需要使用风帆时，先启动旋转底盘100，直至两个翼面直接达到合适的角度，该角度以当前船舶航行区域风力大小和船舶所需航行驱动力大小有关；之后启动旋转关节，使得每个翼形骨架200携带帆面300张开，形成风帆，当翼形骨架200完全张开后，达到图3所示状态，完成方帆过程；航行过程中，通过旋转底盘100的转动改变两个翼面直接的夹角来改变风帆的迎风面积，从而改变驱动力，实现船舶加速或者减速；当然也可以通过旋转底盘100的转动改变整个风帆与风向夹角来调整驱动力或者驱动力方向实现船舶加速或者减速。
40.对于设置有帆面张紧装置400，在收帆和放帆的全过程中，帆面300上的各处张拉点301的拉绳401始终保持一个对帆面300固定且合适的拉力，防止收帆过程中帆面300的不规则折叠，在一定程度上保证收帆过程结束以后，所有的帆布位于以翼型骨架为边界的空间区域之中。
41.以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要
求范围当中。

技术特征：
1.一种仿蝙蝠翼形的可收缩风帆，其特征在于：包括两个能进行开合运动的旋转底盘、分别安装在两个旋转底盘上的翼形骨架以及覆盖在两个翼型骨架上的帆面，每个翼型骨架及其上的帆面一起形成翼面，两个翼面能通过旋转底盘的转动打开或者合拢；所述翼型骨架由设置于同一平面内的底部固定杆和若干转动杆相连组成，其中，所述底部固定杆水平固定安装在旋转底盘上，多个转动杆首尾依次通过转动关节相连，最底部转动杆下端安装在旋转底盘上；通过转动关节运动，翼面在高度方向上收叠。2.根据权利要求1所述的可收缩风帆，其特征在于：所述转动关节上设有用于增强帆面稳定性的辅助固定杆。3.根据权利要求1所述的可收缩风帆，其特征在于：所述转动杆有三个，三个转动杆通过两个转动关节相连。4.根据权利要求3所述的可收缩风帆，其特征在于：所述转动杆中的第一转动杆底部与旋转底盘之间通过齿轮啮合驱动或者蜗轮蜗杆驱动旋转。5.根据权利要求4所述的可收缩风帆，其特征在于：所述转动关节包括将两个转动杆相连的转动副和驱动两个转动杆相对运动的液压杆，通过转动关节相连的两个转动杆中的一个尾部从转动副向外延伸形成延伸部，所述液压杆一端铰接在延伸部上，另一端铰接在另一个转动杆上，通过液压杆伸缩驱动两个转动杆相对于转动副转动，实现多个转动杆的收叠。6.根据权利要求1-5任意一项所述的可收缩风帆，其特征在于：还包括帆面张紧装置，所述帆面张紧装置包括若干拉绳和能驱动若干拉绳收放的拉绳收卷机构，若干拉绳自由端固定在帆面上的张拉点上。7.根据权利要求1-5任意一项所述的可收缩风帆，其特征在于：所述旋转底盘包括内齿盘、驱动杆和从动盘，所述内齿盘上设有一圈环形的内齿；所述驱动杆安装在从动盘上通过电机驱动，驱动杆下端设有与内齿盘上内齿啮合的驱动齿轮，通过电机驱动能使得从动盘相对于内齿盘转动。8.根据权利要求7所述的可收缩风帆，其特征在于：所述内齿盘固定在船甲板上，所述内齿盘中心处设有固定轴，所述从动盘通过转动副安装在固定轴上，通过转动副限定从动盘运动方式。

技术总结
本发明公开了一种仿蝙蝠翼形的可收缩风帆，包括两个能进行开合运动的旋转底盘、分别安装在两个旋转底盘上的翼形骨架以及覆盖在两个翼型骨架上的帆面，每个翼型骨架及其上的帆面一起形成翼面，两个翼面能通过旋转底盘的转动打开或者合拢；所述翼型骨架由设置于同一平面内的底部固定杆和若干转动杆相连组成，其中，所述底部固定杆水平固定安装在旋转底盘上，多个转动杆首尾依次通过转动关节相连，最底部转动杆下端安装在旋转底盘上；通过转动关节运动，翼面在高度方向上收叠。本发明结构简单、使用方便、不仅能够通过收叠改变风帆占地面积和体积，而且还能根据风向和风力大小分别调整风帆迎风面积和角度的方式来调整驱动力大小和方向，提高了风帆适应能力。提高了风帆适应能力。提高了风帆适应能力。


技术研发人员：曾青松 徐鑫 李芸 蔡薇 胡海岳 王紫毅 张泽徐
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2022.12.15
技术公布日：2023/4/25