垂直可变的海洋风帆系统的制作方法
【专利摘要】本发明的实施方案提供允许使用马格纳斯效应来给船提供推力的机械风帆系统、方法、设备和准则。在某些实施方案中，机械风帆系统被提供，所述机械风帆系统包括安置在船的甲板平面之下的筒仓，安装在所述筒仓内并且支撑第一风帆筒和第二风帆筒的提升托架，以及耦合到控制系统以选择性地在所述筒仓内定位所述提升托架的至少第一驱动马达，所述控制系统可操作来控制所述至少第一驱动马达在所述筒仓内将所述提升托架定位在顶部位置，以展开所述第一和第二风帆筒。
【专利说明】垂直可变的海洋风帆系统
[0001]相关申请的交叉引用:本申请要求于2011年6月22日递交的美国临时专利申请序号61/499，904的权益和优先权，该专利申请的内容特此出于所有目的整个地通过引用被并入。
【技术领域】
[0002]一些实施方案涉及船推进系统。更具体地讲，一些实施方案提供一种补充船推进系统的垂直可变的海洋风帆系统。
【背景技术】
[0003]全球航运业就能耗而言已经达到了重大临界点。燃料费当前消耗该行业的全球收入的35%——在其历史上的最高收入份额。这些费用正在稳步上升，并且没有表现出降低的迹象。期望的是提供降低这些燃料费的系统和方法，尤其是，给定燃料费通常表示超过船所有者/运营者的年经费的三分之二。
[0004]尽管航运与其他运输模式相比就每吨/每英里而言是一种高效率的运输方式，但是船仍然是污染和C02排放的主要来源。大型商业船使用船用燃料-炼油工艺的尾端产品，其排放伤害地球和人类健康的混合气体。连同C02 —起，存在氮氧化物和氧化硫(酸雨的起因)以及被称为颗粒物的内含物。
[0005]全球航运贸易是一年排放十亿吨C02的原因，并且随着全球经济复苏，这个数字必然增长。这意味着作为单个行业的航运是比整个工业化国家(比如，德国)更大的C02排放者。如果航运业是一个国家，则它在世界C02排行榜中将排名第6。期望的是提供减少这些排放的系统和方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1是使用一些实施方案的特征的船的截面图。
[0007]图2是使用一些实施方案的特征的船的平面图。
[0008]图3是使用一些实施方案的特征的船的截面图。
[0009]图4a_4e是根据一些实施方案的机械风帆的截面图。
[0010]图5是根据一些实施方案的机械风帆的一部分的截面图。
[0011]图6是根据一些实施方案的提升托架的截面图。
[0012]图7是根据一些实施方案的风帆系统的部分的截面图。
[0013]图8是根据一些实施方案的风帆系统的包括管芯的一部分的截面图。
[0014]图9是根据一些实施方案的风帆系统的包括上风帆筒的一部分的截面图。
[0015]图10是根据一些实施方案的风帆系统的一部分的截面图，所述风帆系统包括上风帆筒的一部分。
[0016]图11是根据一些实施方案的风帆系统的一部分的截面图，所述风帆系统包括筒仓的一部分。[0017]图12是根据一些实施方案的风帆系统的一部分的截面图，所述风帆系统包括提升驱动的一部分。
[0018]图13是根据一些实施方案的控制系统的框图。
【具体实施方式】
[0019]本发明的实施方案提供降低船的能耗和排放的系统、方法和设备。这些降低通过改装或以其他方式安装根据本发明的一个或多个垂直可变的海航风帆系统(在本文中被称为“风帆系统”或“V0SS”)而变得可能。风帆系统包括旋转并且将风转换为向前的推力，从而推进船的风帆筒。本发明的实施方案允许风帆系统增大船的主引擎，由此主引擎可以在仍然保持航行速度的同时关小油门。根据某些实施方案，风帆系统是可完全缩回的，并且在不利状况下或者在装载和卸载船的货物时可以下降。由风帆筒上方的风创建的推力意味着船只需要来自其主引擎的较少的功率，导致燃料消耗量降低。在典型的操作条件下，船的平均年燃料费可以得到有意义的减少。此外，如果船只被改装或被设计为合并本发明的风帆系统，则每年可以避免数百万吨的C02排放。
[0020]在某些实施方案中，机械风帆系统被提供，所述机械风帆系统包括安置在船的甲板平面之下的筒仓，安装在筒仓内并且支撑第一风帆筒和第二风帆筒的提升托架，以及耦合到控制系统以选择性地在筒仓内定位提升托架的至少第一驱动马达，所述控制系统可操作来控制所述至少第一驱动马达在筒仓内将提升托架定位在顶部位置，以展开第一和第二风帆筒。
[0021]现在将首先参照图1描述某些实施方案的特征，图1是其上安装有四个风帆系统120的船100的截面图。如所示，船100是具有用于运输散装货物的一个或多个货舱104的散装货物船(另称为“散货货轮”、“散装货船”，或简称为“散装船”)。本领域的技术人员在阅读本公开后将意识到，本发明的特征可以以可取的结果用在一些其他类型、构造和大小的船上，并且散装船上的使用仅仅是出于说明的目的。本发明的风帆系统120和控制系统的使用在本公开中针对散装货物船上的使用进行描述，以便描述某些实施方案的特征并且描述认为可以提供可取结果的特定构造，但是它们也可以用在其他类型的船上。
[0022]船100可以被改装或被特别设计为利用风帆系统120来补充船的现有螺旋桨推进系统106。风帆系统120被构造为通过利用海上的可用风生成向前的推力并且经由“马格纳斯效应”推动船来减少船100所用的燃料量。
[0023]马格纳斯效应是气流中的旋转筒生成大致垂直于风的方向的力的现象。总体行为类似于机翼在通过机械旋转、而不是通过机翼动作而产生的环流下的行为。本发明的风帆系统120使用这种效应来产生足够的推进以减小船对矿物燃料的依赖性。
[0024]尽管以下将结合图2-13提供风帆系统120的构造、设计和操作的进一步的细节，但是这里将提供简要的介绍。每个风帆系统120由被划分为上升(“延伸”)和下降(“缩回”)的各个筒节(section)的圆筒来形成。
[0025]在本文中描绘的实施方案中，风帆系统120是两级可缩回机械风帆系统，包括上风帆筒130和下风帆筒140。上风帆筒130和下风帆筒140缩回到筒仓122中，以当不使用时储放在甲板114的下面。发明人已经发现，两个筒节的使用提供可取的结果。例如，通过使用较少数量的筒节，风帆系统120不易于受到歪斜和停顿的影响。此外，本文中描述的构造提供作为利用风推动船只的常规风帆的可取结果，但是效率和所得功率更大。此外，较少数量的筒节的使用提供更大的制造、安装和维护效率。尽管本文中描述了两个风帆筒节(上风帆筒和下风帆筒)的使用，但是本领域的技术人员将意识到可以以类似可取的结果使用其他数量的筒节。
[0026]在某些实施方案中，每个风帆系统120包括以下主要组件:(i)风帆筒130、140;(?)提升托架(以下结合图6进一步描述提升驱动系统(以下结合图11和图12进一步描述)、以及(iv)筒仓122 (或“壳体”)。安装在船100上的风帆系统120 —起由命令和控制系统控制和操作。一般地，风帆系统120 (不同于命令和控制系统)的组件的物理尺寸根据三个主要属性被选择:甲板下方可用的空间、甲板上舱口梳状物(hatch combing)之间可用的空间、以及风帆筒的长宽比。
[0027]尽管制造和其他考虑因素可能影响物理尺寸，但是发明人已经发现以下设计属性对散装货轮或油轮提供可取的结果。一般地，散装货轮或正规形式的油轮中的露天甲板下方可用的空间可以提供54英尺的暴露风帆区域、以及当风帆部分展开时便利于将这些风帆部分锁在一起所需的相关重叠。在甲板上，舱口梳状物之间的空间规定18英尺的风帆筒直径，同时保持展开的(延伸的)风帆系统周围足以引导、而不妨碍例行船操作的空间。
[0028]在某些实施方案中，整个风帆系统120的最佳风帆长宽比是6:1，其中，高度是6，直径是I。考虑到甲板上下的船尺寸，风帆筒130、140的直径因此将为18英尺，高将为108英尺(也就是说，展开或延伸状态下的总高度为108英尺)。
[0029]根据某些实施方案，为了实现这些所需尺寸，风帆筒设计被选择来提供(a)可以装配在露天甲板下方的更少的嵌套风帆筒节、以及(b)在最大设计旋转速度范围内实现最佳的表面对风流速率比的风帆筒直径。在一个实施方案中，风帆筒的旋转速度针对一直到40节的每个风速进行优化,导致200rpm的最大旋转速度。在某些实施方案中,风帆筒的表面速率与风速的比率被用来作为形成并维持风帆系统120的后面与前面之间的压差的重要因素，该压差限定推力或驱动矢量。
[0030]风帆筒130、140被构造为允许上风帆筒130装配在下风帆筒140的上方。这允许上风帆筒130屏蔽水，防止降水和水沫在风帆系统120内部泄漏。如果风帆筒被构造为上风帆筒130装配在下风帆筒140的内部，则水将顺着流到上风帆筒140的外部，并且将需要橡胶密封件来使水在下风帆筒140的顶部偏向而不进入风帆系统120。
[0031]如以下将进一步描述的，风帆筒130、140均由形成框架的水平肋条的一系列圈环状边框形成。管状垂直纵条围绕圈环的圆周均匀分隔，并且将圈环一起连接为圆柱形格栅。间断的对角线被装配在圈环之间，并且被分隔以在框架中生成抗扭力。纵条和边框构件(在本文中被称为结构框架)可以由提供与船100的减少的电偶腐蚀并且足够强度的钢或其他材料形成。风帆筒130、140可以被轻重量的外蒙皮覆盖，该外蒙皮减小风帆系统120上的循环负载、振动和应力。例如，外蒙皮可以由轻重量的防风雨的材料(诸如铝等)形成。
[0032]每个风帆系统120是可缩回的，并且可以延伸以供使用(如图1所示)或者缩回到甲板114下方以避免干扰装载或卸载货物或其他行动。根据某些实施方案，风帆系统120的使用给船提供足够的额外的推进，以使燃料消耗量和排放降低显著的量。风帆系统120的大小和选择可以部分取决于船的大小以及将实现的期望效率。风帆筒的大小和形状已经被设计为船中可用的空间、以及风帆的长宽比和甲板上舱口梳状物之间可用的空间的几个方面的最佳融合。
[0033]例如，本领域的技术人员在阅读本公开后将意识到，根据某些实施方案的可以用于选择并确定风帆系统的大小和构造的一种设计方法是使用诸如Kutta-Joukowski提升理论的理论或其他流体动力学建模方法对设计的各方面进行建模。
[0034]一些其他的建模和设计方法可以用于选择满足特定设计需要的风帆系统设计和构造。
[0035]现在参照图2，其中显示了图1的船100的顶部平面图。图2显示船100的甲板114上的风帆系统120的一种可能的放置。每个风帆系统120可以沿着船100的中心线安置并且分隔开以确保每个风帆在延伸时接收到相对稳定的气流。风帆系统120还可以被安置在舱口盖108之间，以使得当风帆120缩回(例如，被安置在甲板114下方)时，工人和船员可以能够在舱口盖108之间的区域中自由地工作。在某些构造中，当风帆120在操作中完全延伸和放置时，在风帆系统120与舱口盖108之间存在足以允许无阻通过的区域。
[0036]现在参照图3，显示了船100的截面图，该截面图显示风帆系统120的细节。如所示，风帆系统120 (筒仓122)的底部部分通过焊接或以其他方式将筒仓122的基座附连到龙骨地板110而被附连到龙骨地板110。
[0037]实际上，筒仓122是用于缩回的上风帆筒130和下风帆筒140的壳体。如以下将进一步描述的，在某些实施方案中，筒仓122是从船内部底部(舱底或龙骨地板110的底面)延伸到露天甲板的粗壮的16面的管。它被装配到横舱壁118中，并且可以被形成为在露天甲板处具有单个开口的一个完整的隔舱。
[0038]现在参照图4a_4e，在图4a_4e中，显示了在提升周期期间风帆系统120在不同位置上的一系列视图。如本文中所使用的，术语“提升周期”用于指示用于延伸(或缩回)风帆系统120的机械移动次序。图4a_4e中的每个均表示提升周期中的不同次序。提升周期的控制和操作可以通过命令和控制软件来启用。
[0039]本发明的提升周期使用往复提升功能，由此风帆系统120在一系列向上和向下操纵中延伸到其最大操作高度。以下对整套提升操纵进行概述。根据某些实施方案，通过使用本发明的提升周期来延伸风帆系统120，操作者、船所有者和船员享有优于利用单一动作提升功能的其他可缩回转子系统的一些益处。例如，通过使用本发明的往复提升功能，任何组件(诸如上风帆筒130、下风帆筒140等)的行进距离是其他系统的行进距离的一半。在单一动作提升系统中，转子、机械风帆组装件或提升桅杆从储放到完全延伸必须行进整个距离。这导致更易于歪斜、拧转和停顿的系统。本发明的实施方案通过减小提升托架150和风帆筒130、140的行进来消除或大幅减少这些问题。
[0040]本发明的往复提升方法还具有优于利用固定桅杆或可伸缩式升降机(诸如液压油缸或其他多级装置或千斤顶)的提升系统的主要优点。本发明的系统通过下述方式来减轻重量，即，在风帆系统120自己展开时利用风帆系统120的主要组件，并且在整个展开/缩回周期和航行操作期间在仅进行相同的移动操作时使用风帆系统120的组件起到完全不同的作用。
[0041]因为本发明的实施方案仅使用筒仓122和锁紧装置(诸如以下结合图6-10描述的定位销)(筒仓122和这些锁紧装置还用于针对风帆系统120的操作将风帆筒130、140和提升托架150固定在适当的位置上)，所以本发明的实施方案使得可以通过一系列来回动作以及定位销启动和缩回来实现风帆系统120的完全展开。提升系统的组件的这样的多用途提供一些可取的优点，包括降低制造成本、降低复杂性以及减少操作和维护问题。
[0042]本发明的实施方案还允许所有提升操作都由露天甲板平面处的马达进行，这些马达驱动旋转绞车链轮以拉动或松开附连到提升托架的高强度链(以下结合图5、6、11和12进一步描述)。提升马达协调一致地动作，并且在提升托架的周边周围提供水平和相等的升力。当风帆系统120通过船100的运动而移动时，这些链还提供正方向和负方向两个方向上的支撑。
[0043]首先参照图4a，现在将描述提升周期。如图4a所示，风帆系统120处于储放位置上，组件在甲板114下方。具体地讲，筒仓122存放组件，包括上风帆筒130、下风帆筒140和提升托架150 (以及以下将进一步描述的驱动马达和其他提升设备)。当被储放时，顶板132可以保护风帆组件不受天气影响并且清空甲板以供装船、等等。
[0044]参照图4b，提升周期以风帆筒130、140在提升托架150上被从它们在筒仓122中的初始储放位置提升到露天甲板平面114开始。如图4c中所示，一旦两个风帆筒130、140已经被提升到露天甲板平面114，定位销(图4中未显示，但是以下进一步描述)就从筒仓侧面延伸，并且仅将上风帆筒130锁在露天甲板平面处。下风帆筒140和提升托架150返回到筒仓122中的缩回位置，将上风帆筒130留在甲板114上方。
[0045]现在参照图4d，此刻，位于下风帆筒140顶部的定位销(结合图7显示)被启动。这些销将上风帆筒130和下风帆筒140锁在一起；上风帆筒130的底部被锁到下风帆筒140的顶部。
[0046]现在参照图4e，露天甲板处的定位销现在缩回，允许上风帆筒130自由地移动。整个风帆系统120组装件(包括两个风帆筒130、140以及提升托架150)现在被提升到露天甲板114处的展开位置。一旦到位，露天甲板平面处的定位销就被启动以将提升托架150锁在露天甲板处，其中风帆系统120可以运行以生成推进力。
[0047]提升周期反序运行以使风帆系统120缩回。例如，露天甲板平面处的定位销缩回，允许整个风帆系统120组装件(包括两个风帆筒130、140以及提升托架150)缩回到筒仓122中。当提升托架150到达筒仓122的底部时，甲板平面定位销被启动，这些甲板平面定位销将上风帆筒130锁在露天甲板平面处的适当位置上。当确认上风帆筒130被锁在露天甲板平面处时，下风帆筒140顶部的定位销缩回，这些定位销使风帆筒130、140彼此解除耦
八
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[0048]下风帆筒140现在自由地在上风帆筒130的内部向上移动。下风帆筒140和提升托架150被提升到露天甲板平面。一旦所有三个组件都在露天甲板平面处，露天甲板定位销就缩回，并且提升托架150和两个风帆筒130、140 (现在是嵌套的)下降到筒仓122中。当所有组件(包括风帆筒130、140以及提升托架150)在完全缩回位置上时，顶板132在露天甲板平面处的甲板开口周围的排水孔壁上接合。锁紧夹具可以被接合以使风帆系统120防风雨并且在极端的或危险的海况下固定风帆系统120。
[0049]现在将参照图5描述筒仓122的某些实施方案的特征，在图5中，显示了筒仓122在甲板114与龙骨地板110之间的适当位置上的视图。根据某些实施方案，筒仓122被这样安装，其中一些组件(包括提升托架150和驱动马达170)被布置在之中。筒仓122被形成为当缩回时给风帆系统120提供坚固的套管，并且当风帆系统120展开时充当框架和结构支撑。此外，筒仓122被构造为将推力从风帆系统120传递到船100的结构中以推进船100。在某些实施方案中，筒仓122用钢形成为从龙骨地板110延伸到露天甲板114的16面的管。在某些实施方案中，筒仓122被设计有延伸筒仓122的整个高度的轧制的钢角件，当提升托架150上升或下降时，该轧制的钢角件充当提升托架150沿着其运行的导轨。在某些实施方案中，筒仓122被装配到船的横舱壁中，并且它所取代的舱壁被移除。
[0050]16个面的每个角可以用成形的大梁厚重地加固，这便利于紧固垂直导向件以供提升托架滚柱导向件(以下在图6中显示)使用。筒仓122优选地具有使得它可以经受装载货舱(装载货舱可以被填满沉重的矿石或煤炭)的压力、而不偏转的这样的强度。
[0051]围绕筒仓122的顶部周边布置的是甲板平面定位销176。这些定位销176位于稍高于露天甲板高度的平面处，但是在其中容纳有提升马达、变速箱和链轮导向件的防水夹层甲板下方受到保护。
[0052]当顶部风帆下降(如图5所示)时，顶板的底部与筒仓122壳体形成防水密封。尽管 申请人:相信16面的筒仓结构提供可取的结果，但是还可以使用其他筒仓边框结构。
[0053]现在参照图6，设置在筒仓122内的提升托架150围绕中心轴152形成，中心轴152从水平平面平台154向上延伸。水平平面平台154基本上是圆形的(也就是说，它被形成为装配在筒仓122的周边内)，并且以径向框架方式用重钢构成。水平平面平台154具有厚壁钢的垂直轴152，垂直轴152被精细地机加工为接纳风帆筒130、140的轴承，所述轴承位于管芯内部(以下结合图7和图8描述)。水平平面平台154与轴152—起在本文中被称为“提升托架”。
[0054]在某些实施方案中，提升托架150具有从中心轴152辐射的16个辐条(或径向臂154)。提升托架150的每个径向臂154通过互连钢构件而被加强。径向臂154的外端具有装配到它们的几个附件。在一个实施方案中，径向臂154中有八个装配有滚柱导向件148，滚柱导向件148作用于筒仓122中的垂直提升导向件(如图11所示)。其他八个径向臂154通过链端附连而被装配在顶部和底部(如图12所示)。如本文中所使用的，术语“链”用于指示驱动带和链两者。本发明的实施方案可以以可取的结果使用驱动带或链(或它们的组合)。
[0055]在某些实施方案中，两个主轴承在提升托架150的轴152上垂直相隔大约12英尺。在某些实施方案中，这些轴承中的上侧是推力径向轴承，下侧仅仅是径向轴承。参照图7和8，这些轴承作用于管芯146处的旋转风帆筒之间。在图7中，管芯146被显示为设置在筒仓122内的下风帆筒140的一部分。提升托架150被安置为使得中心轴152与管芯146中的轴承154配合。风帆筒140于是可以围绕非旋转轴152旋转。这些轴承作用于管芯处的旋转风帆筒与非旋转轴之间。这些轴承允许风帆筒140仅围绕垂直轴旋转。轴承的设计考虑风帆筒的旋转速率、以及由于船的俯仰和转动而导致可能施加于风帆系统120的任何附加的负载、在风帆筒停止时可能预期的风力、或者由于通过使风帆筒在气流中旋转而将引起的马格纳斯效应而导致可能预期的升力。在某些实施方案中，强制润滑系统被构建到这些轴承中以延长轴承寿命并且减少在高负载和旋转速率下可以预期的热量。轴承优选地被机加工为精细公差，并且在轴152和管芯146两者上被装配为精细公差。
[0056]本领域的技术人员在阅读本公开后将意识到，提升托架150的非旋转轴152、轴承154和管芯146/风帆筒140之间的配合是重要的设计特征，并且公差必须被精细地机加工并且针对每种安装进行设计。
[0057]简要地参照图6和图12两个图，整个转子和提升托架150被形成为在圆柱形筒仓122内部垂直移动。该垂直运动通过提升马达170、齿轮箱和驱动带/链172实现。在一个实施方案中，一组4个提升马达170均匀地分隔开，并且在甲板平面114处围绕筒仓122的顶部布置。每个提升马达170驱动具有从每个延伸的两个驱动轴的齿轮箱。这些驱动轴用链轮装配，这些链轮以高精度啮合到驱动链中。驱动带/链172在导向链轮上运行，并且在提升托架的径向臂的外端上附连到上拉紧连接器174。从同一径向臂的下端，驱动带/链172通过相同类型的拉紧连接器附连。该驱动带/链172向下延续到位于筒仓122底部的链轮。驱动带/链172围绕底部链轮，并且不受妨碍地返回到甲板平面，在甲板平面，它完成回路。作为整个回路，提升驱动器针对对于驱动带/链172具有等同效果的提升和下降两者是正向的，而不管驱动链轮的旋转方向如何。
[0058]重要的是，确保每个驱动器170是同步的以通过提升和展开处理来确保提升托架是保持水平。该水平提升受到链提升系统保持每个点和升力的能力的很大帮助，因此确保托架的止动或停顿被消除。
[0059]每个提升链连接被装配到提升托架上的8个径向臂的端部。这些臂之间的是用导向滚柱装配的径向臂。这些作用的散开分布进一步确保平稳的提升操作，因为可以从船在海上预期的力的垂直、水平和复杂组合可以被有效地克服。
[0060]现在将参照图5、9、10和11描述某些实施方案中的定位销(包括一组上定位销142和一组甲板平面定位销176)的使用的进一步的细节。提升操作以所有风帆筒130、140都被容纳在筒仓122中并且提升托架150被安置在筒仓122的底部开始。该状况可以通过将顶板132向下压紧到圆形排水孔来变得稳固，所述圆形排水孔上升到高于露天甲板114大约40英寸。为了展开风帆系统120，接着进行以下步骤。首先，松开顶板132。驱动马达被操作来使得提升托架150将两个风帆筒130、140提升到甲板水平114。甲板平面定位销176启动并延伸以在上风帆筒130的底部下方的平面处锁定。
[0061]接着，操作驱动马达以使提升托架150缩回或下降。因为下风帆筒140没有用定位销176锁在甲板平面处，所以下风帆筒140也下降，将上风帆筒130留在甲板平面处，用甲板平面定位销176保持。
[0062]接着，启动下风帆筒140的上侧部分中的定位销142。这使得两个风帆筒130、140锁在一起。如图9所示，定位销142被安置在下风帆筒140的上侧部分，并且因为下风帆筒140的顶部部分现在在与顶部风帆筒130的下侧部分对齐的位置上，所以定位销可以启动并且从风帆筒130、140的内部通过两个筒130、140。
[0063]接着，甲板平面定位销176缩回，并且驱动马达被启动以使提升托架150将两个风帆筒130、140 (现在被锁在一起)提升到甲板平面114。甲板平面定位销176再次被启动，并且它们将提升托架150 (在图6的定位销接受器158处)锁定到位。风帆系统120现在被展开，并且可以用于生成推进船100的推力。为了使风帆系统120缩回，反向执行所述处理。
[0064]使用定位销和其他组件使风帆系统120展开和缩回的这样的使用提供一些可取的优点，包括提高操作效率以及减少维护。
[0065]现在将描述风帆筒130、140的进一步的特征。下风帆筒140具有与上风帆筒140类似的结构，但是它的直径稍小，从而当装置缩回或储放时嵌套在上风帆筒130的内部。根据某些实施方案，筒140的下半部分在内部受到基本树枝状格栅的支撑，该格栅在其中心处具有管芯146。管芯146是旋转风帆筒130、140与静态提升托架150之间的连接点。一般地，两个轴承被装配到管芯中，这些轴承允许芯(其中风帆筒被附连)围绕形成提升托架150的上侧部分的重钢轴152自由地旋转。在管芯146的下端的是带沟槽的带接受器，该带接受器直接连接到驱动马达。
[0066]当展开时，上风帆筒130在下风帆筒140上方延伸，并且通过装配在上风帆筒130内部的垂直导向件而被引导到其展开位置。这些导向件与下风帆筒140的上端上的多组滚柱导向件匹配。这些垂直导向件和滚柱确保两个风帆筒130、140协调一致地旋转并且有效地充当旋转锁。当上风帆筒130上升到其展开位置时，它接合在其止挡构件中，并且通过定位销142被锁定到位，定位销142位于两个筒130、140之间的重叠部分中。当被启动时，这些定位销水平展开以有效地穿过两个风帆筒130、140并且将两个风帆筒保持(锁紧)在一起。
[0067]当上风帆筒130上升到其展开位置时，它接合在其止挡构件中，并且通过定位销142锁定到位，定位销142位于两个筒130、140之间的重叠部分中。当被启动时，这些定位销水平展开以有效地穿过两个风帆筒并且保持锁在一起的两个风帆筒。加固环136(图10)可以被附连到顶部风帆筒130的下侧部分，以向该部分提供刚性并且为当延伸时向将风帆筒130、140保持在一起的定位销142提供高强度连接点。在某些实施方案中，加固环136可以由提供刚性并且防腐蚀的钢、铝或其他轻重量材料形成。
[0068]每个风帆筒130、140的结构整体性可以进一步通过使用一个或多个肋条144 (包括垂直肋条和水平肋条)来提高。间断的对角肋条可以被装配在肋条之间，并且分隔开以在框架中生成抗扭力。肋条可以由其大小提供足够的结构支撑的材料(诸如厚管钢)形成。
[0069]风帆筒130、140中的每个均通过附连一片材料来加上外蒙皮，所述材料可以是铝、钢或复合材料。材料的选择可以受到意图操作区域和风帆系统120将展开操作的温度范围的影响。外蒙皮可以通过焊接、铆钉、螺钉或粘合剂而被附连到风帆筒。
[0070]风帆筒130、140旋转地平衡，并且惯性振动抑制装置可以被装配到风帆筒以消除在整个工作转速(rev)范围上操作期间的振动或谐波共振的传播。在某些实施方案中，上风帆筒130被形成为比下风帆筒140轻，以在展开时提供风帆系统120的较低的重心，从而减小系统上的应力和负载。
[0071]在现有船可以用本发明的风帆系统改装之前，需要深入的工程分析来确保当操作时船的结构的强度足以安全地传递风帆系统120施加的力。如果需要额外的结构构件或加固，则在安装风帆系统120之前和/或期间，它们应在必要时被添加到船。
[0072]在某些实施方案中，当风帆系统120上升时，风帆系统120顶部的甲板密封(例如，滑动或铰接)下方的变形形成防水密封。当风帆系统120下降时，顶板132的底部与筒仓122形成防水密封。
[0073]在某些实施方案中，筒仓122在甲板下方被合并到横舱壁中。筒仓122的基座被装配到龙骨构件或该构件上方的最近点。在某些情况下，船的船材尺寸和甲板必须被调整来实现经受由风帆系统120施加于船体的力所需的强度。在某些实施方案中，可能需要每个船的流体静力学分析来证明在正常操作下在风帆系统展开并且船处于其最小稳定状况时她的稳定性。
[0074]尽管风帆筒130、140已经被描述为由铝和钢形成，但是可以以可取的结果使用其他材料。例如，圆筒(或者其部分)可以由在该圆筒的内部支撑结构上方拉伸的柔性材料(诸如帆布或塑料)构成，或者由铺展形成完整表面的模块化刚性件构成。此外，可以使用替代的外蒙皮材料，诸如船级金属和复合物。诸如肋条的支撑结构也可以由其他材料(包括钢等)形成。
[0075]根据某些实施方案，风帆筒130、140和提升托架150可以围绕提升托架150的轴自由地枢转。在某些实施方案中，使用驱动马达(在某些实施方案中，其中四个成对装配在提升托架150的轴152的相对侧)。带或驱动链围绕管芯基座，并且伸出到一对驱动马达中的第一驱动马达。带接合在附连到驱动马达的轴的驱动皮带轮中。带围绕驱动皮带轮延续160度，然后延续到位于两个驱动马达之间的拉紧皮带轮上。该皮带轮可以就影响带的张力进行调整。该带然后通过第二驱动马达上的第二驱动皮带轮，然后回到管芯以完成回路。当通电时，驱动马达(两对)将驱动供给到风帆筒130、140和提升托架150中，提升托架150在整个转速范围上旋转，并且仅通过驱动马达被供电以这样做。马达的速度以及方向由计算机化的命令和控制系统(以下结合图13进一步描述)控制。当断电时，马达可以用于使风帆筒130、140和提升托架150的旋转通过它们自己的惯性并且通过内部刹车系统而变慢。
[0076]在某些实施方案中，多对驱动马达的位置彼此直接准确地相对，确保当驱动马达将施加最大功率时，即使在风帆筒130、140和提升托架150提速运行(加速度时间段)期间，力的中性平衡也将从驱动带或链施加于管芯上。
[0077]风帆筒130、140的延伸和缩回的控制由结合图11和图12显示的包括一个或多个提升马达、齿轮箱和链的控制系统执行。在某些实施方案中，马达170可以是电马达(诸如IOhp可变RPM液压齿轮箱马达)。然而，本领域的技术人员将意识到可以使用其他马达。在某些实施方案中，可以从中心控制站(例如，诸如被安置在舵手室中的一个中心控制站)操作马达。在某些实施方案中，可以(例如，诸如从甲板)提供本地控制。在某些实施方案中，控制系统可以增加允许提升托架的应急控制(例如，在天气或其他情况下快速地使风帆筒缩回)的超控系统。水可以经由一个或多个排水泵从筒仓122排出。当风帆筒130、140缩回时，这些部分被固定地容纳在筒仓122内，以使得甲板114保持清空(例如，在船装货或卸货期间)。
[0078]筒仓122通过其大小和位置向风帆系统120提供横向支撑的焊缝而被安装在甲板114与现有舱壁之间。筒仓122的基座通过焊缝而被固定到龙骨地板。以这种方式，多种船可以被改装为与本发明的风帆系统一起使用。
[0079]现在参照图13，在图13中，显示了可以与本发明的特征结合使用的控制系统200的进一步的细节。如所描绘的，控制系统200包括控制风帆系统202 (诸如开关217)的展开以控制提升马达的组件。系统200还包括开始风帆筒202的旋转的组件。这样的组件可以包括马达216，可以从逻辑中心230切换和控制马达216以开始风帆筒202的旋转或者根据需要改变风帆筒202的旋转方向。转速表218可以与每个风帆筒202相关联以监视每个风帆202的旋转速度。来自转速表的数据可以被提供给逻辑中心230以用于控制风帆系统并且用于监视性能。
[0080]根据某些实施方案，命令和控制系统800可以包括提供船上和岸上数据以及最大化燃料效率的决定支持的准则。命令和控制系统提供控制风帆系统120的自动超控和手动超控，这些超控从船、天气、前进方向采集信息，包括，但不限于，风速、相对于船前进方向的风向。船航线和前进方向信息从船桥罗盘采集。来自船工程部的输入包括船速度、每天的燃料使用吨数以及压载船况。由命令和控制系统800采集的信息和状态数据可以包括识别每个风帆系统的当前状态的信息(例如，它是展开还是缩回、旋转方向、以及风帆筒旋转动力学(诸如每分钟的旋转))。
[0081]在某些实施方案中，可以使用在计算作为在给定船速度的船功率要求的比例而生成的驱动的同时将风帆系统的旋转速度优化为给定风速的算法。在某些实施方案中，控制系统800显示每小时和每天的燃料节约以及对于给定航行的运行总计情况。
[0082]在某些实施方案中，命令和控制系统的屏幕显示可以显示罗盘刻度盘，其中，航向标线相当于船前进方向。该线从中心起按5%的增量从0%渐变到100%。航运角曲线显示在罗盘刻度盘的两侧。这些曲线显示风帆系统在给定风角的航运效率的百分比。罗盘刻度盘采用屏幕上的方向作为相对于视风向的船前进方向的因素。航运角曲线将移过渐变的航向标线，并且风帆系统航运效率的百分比可以直接从屏幕读取。该百分比还可以在屏幕的右上侧显示为一个百分比。
[0083]在某些实施方案中，所建议的航线修正可以显示在显示屏幕的右上角上。这从风帆效率百分比计算得到，并且向值班船员显示将导致更高的风帆系统航行效率百分比的航线调整建议。一般地，马达216可以是通过链或带驱动而被连接到提升托架或风帆筒的电马达或一对电马达。旋转速度可以由马达216上的变速齿轮箱或电控制单元控制(并且可以从逻辑中心230远程控制)。可以存在作为用于在海上即刻部署的备用零件安装的第二马达。
[0084]风帆筒的下侧部分由驱动马达驱动。这些可以通过齿形带、链或齿轮来接合。在某些实施方案中，马达不改变位置。在某些实施方案中，风帆筒永久与驱动马达接合。如果需要，该连接可以用作超限避雷器。
[0085]风帆系统可以帮助船只的掌舵，并且还帮助紧急停船操纵。紧急停船操纵用于使船只尽可能快地停止。风帆系统可以用于增添反向推力并且缩短使船只变慢和停止的时间量和距离。使大型船只完全停止可能需要两英里，由风帆系统提供的附加的反向推力可以帮助缩短所需的时间量和距离。还存在可以通过使用风帆系统来实现的一些方向改变。因此，风帆系统还可以用作应急舵。
[0086]还存在由于使风帆筒在彼此相对的方向上旋转而引起的风墙效应，当顺风运行时，该风墙效应将给予更加稳定的可用的驱动矢量。因为当风在正后方(顺风运行)时风帆系统生成垂直于龙骨方向的推力，所以风墙效应发生。存在在船只侧面输出的由风帆系统引起的有效的干扰空气墙。这相当于风帆系统的风帆区域的截面的大约四倍地作用于风帆系统上。每个风帆筒要被设置为在与相邻风帆筒相对的方向上旋转，以使得存在离开港口和右舷侧的风墙。该效应给予风帆系统更广范围的驱动，并且仅留下仅作为用于生成增加推力的死角的15度港口和右旋顺风，从而改进风帆系统的总体功效。
[0087]在某些实施方案中，风帆筒202可以在两个方向上旋转，旋转方向由风的方向确定或者由操作者手动确定(通过直接地或经由逻辑中心230对马达216的输入)。
[0088]在某些实施方案中，操作者可以与逻辑中心230交互以优化并控制旋转速度以优化燃料效率。在某些实施方案中，呈现给操作者的数据可以包括来自其他基于船的系统的数据，所述基于船的系统包括风向标240、燃料流量计262 (从燃料舱260测量燃料消耗量)以及导航仪器(诸如罗盘222)。在某些实施方案中，所有数据都可以经由控制屏幕220被呈现给操作者，控制屏幕220显示当前操作统计数据(诸如船的前进方向、风速和风向以及当前燃料消耗速率)。可以改进燃料消耗量的前进方向或航线改变的视觉表示还可以基于从不同输入收集的数据来提供。以这种方式，操作者可以通过改变航线来优化燃料效率。在某些实施方案中，逻辑中心230还允许操作者缩回或延伸一个或多个机械风帆202。在某些实施方案中，机械超控可以被提供来允许风帆筒在紧急情况下(诸如在突然危险的天气情况下)缩回。这样的机械超控可以在基座处或者在每个风帆系统附近提供，以使得船员可以根据需要快速地缩回风帆筒。
[0089]控制屏幕220可以在桥处提供，并且报告从风帆系统传感器接收的各种数据。数据可以包括每个风帆筒的状态(例如，延伸的或缩回的)、每个风帆筒的速率或旋转(例如，RPM)、每个风帆筒的旋转方向、引擎消耗的燃料量、以及引擎的当前功率输出。
[0090]在某些实施方案中，风帆系统可以具有在以下时候允许自动缩回的传感器:当船正在靠近逆风移动或直接移动到逆风中时，当在高风况或高海况下进行操作时，当通过低桥和地下通道下面时，当在港口中停靠时，或者当升降架和其他船上机械在一些其他定义状态之中正在被使用时。这些状态可以通过船上传感器以及远程信令装置来确定。在某些实施方案中，传感器被提供来报告关于船的当前的和预期的风速和风向。另外的传感器可以被提供来确定风帆筒外壳和桅杆上的压力。
[0091]根据某些实施方案，逻辑中心230可以包括实现确定风帆系统的最佳使用和展开的算法和操作过程的计算机代码。例如，将风帆筒外壳的表面速率与风的速率的比率进行比较的算法可以被提供来比较在风速的预期工作范围上输出的驱动。这样的数据可以基于特定风帆系统实现的结构特性来计算。此外，算法可以用于将船行驶的最佳航线确定为当前风况的函数。该信息在显示器220上以图形的形式显示给船的命令者，并且给出关于燃料节省的高级信息。
[0092]在某些实施方案中，本领域的气象导航系统的状态可以从控制屏幕访问。计算机路由系统被编程为允许船设置港口之间的航线、针对危险进行航线修正、然后将针对燃料消耗量和最佳到达时间对航线进行优化。
[0093]气象导航设施具有用于本发明的风帆系统的优化设施。这考虑当前天气情况(Met-Sit),并进行长达16天的预测。先前输入的路线可以自动地被调整来沿着将最好地使用被预期的风况(用于风帆展开和使用)、同时避免危险风暴或海况的路线驾驶船。集成工作日屏幕以及气象导航和风帆系统优化程序两者对导航员以及船所有者/操作者提供有力工具。
[0094]指出，图13表示用于描述根据某些实施方案的控制处理的逻辑架构，实际实现可以变化。而且，本文中所描述的每个船、风帆系统和控制系统可以用不同组合的任何数量的器件实现。例如，某些船可以被部署少于或多于四个风帆系统。在图13的控制系统中，所显示的器件中的两个或多个可以被部署为单个芯片组或功能系统。而且，每个器件可以包括适合于提供本文中所描述的功能以及任何其他功能的任何数量的硬件和/或软件元件。其他技术可以结合其他实施方案使用。[0095]本文中所讨论的所有控制系统和处理可以在存储在一个或多个计算机可读介质上的程序代码中实施。这样的介质可以包括⑶_R0M、DVD-R0M、磁带和固态随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)存储单元。根据某些实施方案，存储器存储单元可以与存取模式相关联，并且可以与器件无关(例如，磁性、光电、半导体/固态等)。而且，可以使用内存技术，以使得可以在处理器的RAM存储器中完整地操作数据库。实施方案因此不限于硬件和软件的任何特定组合。
[0096]尽管已经关于散装货物船描述了实施方案，但是指出实施方案可以用于实现与其他船或船只相关联的可取结果。在某些实施方案中，可以提供维护程序或系统。大多数进行中的维护由自润滑和注油单元和组件提供。与电气连接以及监视和报告装置一样，在所有移动部件上都需要定期检查和观察。在预定时间段(例如，一年)的运营时间段之后可能需要延伸桅杆的孔界定。此外，尽管已经描述了两个风帆筒的使用，但是本领域的技术人员将意识到可以使用其他数量的圆筒。
[0097]在本文中仅仅出于说明的目的描述了实施方案。本领域的技术人员从本描述将认识到，实施方案不限于所描述的那些实施方案，而是可以通过仅由所附权利要求的精神和范围限制的修改和改变来实施。
【权利要求】
1.一种机械风帆系统，所述机械风帆系统包括: 筒仓，所述筒仓被安置在船的甲板平面之下； 提升托架，所述提升托架被安装在所述筒仓内并且支撑第一风帆筒和第二风帆筒；以及 至少第一驱动马达，所述至少第一驱动马达被耦合到控制系统以选择性地在所述筒仓内定位所述提升托架，所述控制系统可操作来控制所述至少第一驱动马达在所述筒仓内将所述提升托架定位在顶部位置，以展开所述第一和第二风帆筒。
2.如权利要求1所述的机械风帆系统，其中所述风帆筒围绕所述提升托架的轴是可旋转的，并且其中所述提升托架是以旋转方式被装配在所述筒仓内的。
3.如权利要求2所述的机械风帆系统，其中所述风帆筒的旋转导致推力向船的结构的传递。
4.如权利要求1所述的机械风帆系统，还包括至少第三风帆筒，其中所述提升托架还支撑所述至少第三风帆筒，并且所述至少第一驱动马达可操作来展开所述第一、第二以及至少第三风帆筒。
5.如权利要求1所述的机械风帆系统，其中所述第一风帆筒是下风帆筒，所述第二风帆筒是直径稍大于所述第一风帆筒的上风帆筒。
6.如权利要求5所述的机械风帆系统，其中所述第二风帆筒比所述第一风帆筒轻。
7.如权利要求1所述的机械风帆系统，其中当所述系统没有展开时，所述提升托架、所述至少第一驱动马达以及所述第一和第二风帆筒被存放在所述筒仓内。
8.如权利要求7所述的机械风帆系统，还包括顶板，所述顶板用于当所述提升托架、所述至少第一驱动马达以及所述第一和第二风帆筒被存放在所述筒仓内时保护所述提升托架、所述至少第一驱动马达以及所述第一和第二风帆筒。
9.如权利要求2所述的机械风帆系统，其中所述提升托架被形成有从所述轴延伸的一组径向臂，所述组径向臂的一部分的末端为与所述筒仓上的轨道配合的滚柱导向件。
10.如权利要求9所述的机械风帆系统，其中存在十六个径向臂，并且八个径向臂的末夂而为滚柱导向件。
11.如权利要求9所述的机械风帆系统，其中所述组径向臂的第二部分的末端为提升点，所述提升点通过驱动带被耦合到所述至少第一驱动马达。
12.如权利要求11所述的机械风帆系统，其中存在十六个径向臂，八个径向臂的末端为滚柱导向件，八个径向臂的末端为提升点，所述系统还包括第二、第三和第四驱动马达。
13.一种操作机械风帆系统的方法，所述方法包括: 使提升托架、下风帆筒和上风帆筒上升到筒仓内的顶部位置； 启动第一锁紧装置以将所述上风帆筒固定在所述顶部位置； 使所述提升托架和所述下风帆筒缩回到所述筒仓内的底部位置； 启动第二锁紧装置以将所述下风帆筒的顶部部分固定到所述上风帆筒的底部部分； 解除所述第一锁紧装置； 使所述提升托架、所述下风帆筒和所述上风帆筒上升到所述筒仓内的所述顶部位置；以及 启动所述第一锁紧装置以将所述下风帆筒和所述上风帆筒固定在所述顶部位置。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述第一锁紧装置是多个定位销。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述第二锁紧装置是第二组多个定位销。
16.如权利要求9所述的方法，其中所述提升托架的上升和缩回通过使用至少第一提升驱动器来执行。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述至少第一提升驱动器由控制计算机控制。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述至少第一提升驱动器被安置在所述筒仓的顶部，并且通过带驱动系统被连接到所述提升托架。
19.一种机械风帆，所述机械风帆包括: 上风帆筒，所述上风帆筒具有顶板和基座，所述基座保持有多个定位销； 下风帆筒，所述下风帆筒具有比所述上风帆筒的直径稍小的直径，并且具有与所述上风帆筒的所述基座配合的顶部部分，所述上风帆筒和所述下风帆筒通过所述定位销可拆卸地连接；以及 提升托架，所述提升托架具有中心轴，所述提升托架与所述下风帆筒的基座配合，以使得所述上风帆筒和所述下风帆筒可围绕所述中心轴一起旋转，所述提升托架被保持在筒仓内，所述筒仓被安装在船的甲板的下面。
【文档编号】B63H9/02GK103906680SQ201280041025
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年6月22日 优先权日:2011年6月22日
【发明者】E·霍洛汉, E·舍格利斯, J·罗兹, J·林齐 申请人:麦格纳斯有限公司