一种用于调整风帆角度的装置及调整方法与流程

本发明涉及一种用于调整风帆角度的装置及调整方法。
背景技术：
：在船舶航行过程中，风向与航向不断变化，需及时调整帆角以使风帆得到最大的推进功率；再者，有风帆的船舶航行遇到较低桥梁是，需降低帆面高度，在风速过大时为避免横向力过大影响船舶稳定需进行收帆，停港靠岸时须收帆以保持稳定等等，这些因素都要求风帆有一个灵活的姿态角控制装置，而目前对风帆角度进行调整的装置结构较为复杂，对风帆转动角度的调整不够方便。技术实现要素：为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于调整风帆角度的装置，该用于调整风帆角度的装置结构简单，能够使船舶的风帆的角度转变更加灵活，从而提高风帆对船舶的推进功率。与此相应，为解决上述技术问题，本是使用新型的另一个目的在于提供一种风帆角度的调整方法，该方法能够完成对船舶风帆的角度进行精确的调整，且原理简单可靠。基于此，本发明提出了一种用于调整风帆角度的装置，包括风帆、第一基座、回转机构和液压杆，所述风帆连接于所述第一基座，所述液压杆的两端分别连接所述风帆和所述第一基座，所述回转机构包括第一齿轮装置、传动轴和第二齿轮装置，所述第一基座与所述第一齿轮装置相连接，所述第一齿轮装置与所述第二齿轮装置通过所述传动轴相连接。可选的，所述第一齿轮装置包括回转支承轴承和第一齿轮，所述第一齿轮内啮合于所述回转支承轴承，且所述第一齿轮通过传动轴与所述第二齿轮装置相连接。可选的，所述回转机构包括用于固定连接于船舶甲板上的第二基座，所述回转支承轴承设置于所述第一基座与所述第二基座之间，所述传动轴穿过所述第二基座与所述第一齿轮相连接。进一步的，所述传动轴与所述第二基座通过角接触球轴承相连接。可选的，所述回转支承轴承的内侧与所述第一基座相连接，所述回转支承轴承的外侧与所述第二基座固定连接。可选的，所述回转支承轴承为三排滚柱式回转支承轴承。可选的，所述第二齿轮装置为用于连接驱动装置的锥齿轮系。可选的，所述风帆通过铰链可转动地连接于所述第一基座。为了实现上述目的，本发明还提供了一种调整风帆角度的方法，包括以下步骤：s1、通过对于风帆的空气动力性能的分析，获得风向与船舶航向的夹角β；s2、通过以下公式计算所述风帆绕竖直方向的最佳旋转角度，即调整后所述风帆的帆面与所述船舶航向的夹角θopt：当0°≤β≤45°时，θopt＝2.656×10-4β3-0.009487β2+0.277β+7.575当45°≤β≤145°时，θopt＝β-20当145°≤β≤180°时，θopt＝-5.939×10-5β3+0.02689β2-3.539β+212.9s3、通过以下公式计算所述风帆在水平方向上的倾斜角，即所述风帆与竖直方向的夹角其中，h为太阳高度角，pt为太阳能风帆的发电功率，ps为风帆的风能推进功率。进一步的，s31、通过以下步骤计算得到所述太阳能风帆的发电功率pt：其中，idn为到达地面的光照强度，i为太阳光在水平面的投影与风帆的夹角，η为光电转化效率，f为综合效率，t为环境温度；s32、通过以下步骤计算得到所述风帆的风能推进功率ps：其中，α为所述风帆与风向的夹角，g(α)＝cl、h(α)＝cd，分别为风帆的升阻力系数，ρa为空气密度，v为相对风速，vs为船舶航速。通过以下公式计算所述风帆的升阻力系数g(α)和h(α)：当-30°≤α≤20°时，g(α)＝1.31sin(0.014α+2.446)+1.5sin(0.054α-0.043)h(α)＝1.568sin(0.05α+1.53)+1.431sin(0.061α-1.48)当20°≤α≤90°时，g(α)＝1.2sin(0.0146α+1.75)+0.14sin(0.076α+3.84)h(α)＝1.38sin(0.0052α+0.532)+0.38sin(0.047α+4.36)。实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明的用于调整风帆角度的装置包括风帆、第一基座、回转机构和液压杆，所述风帆连接于所述第一基座，所述液压杆的两端分别连接所述风帆和所述第一基座，所述回转机构包括第一齿轮装置、传动轴和第二齿轮装置，所述第一基座与所述第一齿轮装置相连接，所述第一齿轮装置与所述第二齿轮装置通过所述传动轴相连接，由第二齿轮装置通过传动轴将动力传递至第一齿轮装置，第一齿轮装置带动第一基座沿竖直方向做360度的旋转，风帆连接在第一基座上，故在船舶航行过程中，根据风向和航向的变化，能够及时调整风帆的角度，从而使得风帆带给船舶最大的推动力，有效的提高推动效率；当船舶遇到较低的桥梁或者其他紧急情况需要将风帆收起时，由液压杆的伸缩带动风帆进行0至90度的倾斜，能够有效的降低帆面的高度，保证船舶能够平稳航行或者稳定停靠，整个装置的结构简单且船舶的风帆角度转变非常灵活，便于使用。进一步的，所述第一齿轮装置包括回转支承轴承和第一齿轮，所述第一齿轮内啮合于所述回转支承轴承，由传动轴将第二齿轮装置传递的动力传给第一齿轮，能够便于实现第一齿轮与回转支承轴承的同向转动，对风帆转动方向的控制更加方便；所述回转机构包括用于固定连接于船舶甲板上的第二基座，所述回转支承轴承设置于所述第一基座和所述第二基座之间，且所述回转支承轴承内侧的转动部件与第一基座相连接，所述回转支承轴承的外侧与所述第二基座相连接，对回转支承轴承进行可靠的安装后，使得该回转支承轴承能够更加便捷的将获得的旋转传递给第一基座，带动风帆改变旋转角度，整个过程更加有效和可靠，且连接更加简便；所述第二齿轮装置为用于连接驱动装置的锥齿轮系，能够实现传动方向的改变，使得驱动装置的安装位置的选择更加灵活，传动轴穿过所述第二基座与所述第一齿轮相连接，且所述传动轴与所述第二基座采用角接触球轴承相连接，以便于承受轴向和径向的荷载，能够使得传动轴的连接更加可靠，回转支承轴承采用三排滚柱式回转支承轴承，其能够同时承受第一基座上的风帆及其它装置产生的轴向荷载、径向荷载和倾覆力矩，其承压能力更强，使得整个装置获得更大的强度，工作过程有效且可靠。本发明的用于调整风帆角度的装置涉及一种调整方法，该方法是第二齿轮装置将动力通过传动轴传递至第一齿轮装置，由第一齿轮装置带动第一基座转动，从而使风帆实现竖直方向上360度的旋转；而液压杆则能够带动风帆完成0至90度的倾斜。通过相关的计算能够使得风帆在任意情况下均能够获得精确的竖直方向上的旋转角度和水平方向上的倾斜角度，并通过该装置自动对风帆的角度进行快捷的调整，能够使风帆在竖直方向上的旋转更加灵活，也能够使风帆完成倾斜，整个装置的结构简单，原理可靠。附图说明图1是本实施例所述的用于调整风帆角度的装置的整体结构示意图；图2是本实施例所述的用于调整风帆角度的装置的回转机构的结构示意图；图3是本实施例所述的用于调整风帆角度的装置的第一基座处的正视结构示意图；图4是本实施例所述的用于调整风帆角度的装置的第一基座处的俯视结构示意图。附图标记说明：1、风帆，2、第一基座，3、回转机构，31、第一齿轮装置，311、第一齿轮，312、三排滚柱式回转支承轴承，32、传动轴，321、竖直传动轴，322、水平传动轴，33、第二齿轮装置，34、第二基座，35、减速器，36、电动机，4、液压杆，5、角接触球轴承，61、第一铰链，62、第二铰链，63、第三铰链，64、第四铰链，7、太阳能电池板。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例一由于船舶在航行过程中，风帆1同时受到光照和风向的作用，本发明中的用于调整风帆角度的装置主要能够实现风帆1在三维空间中任意角度的转换，从而使得船舶能够获得最大的推进力，为船舶的航行提供充足的动力，但是船舶在航行过程中，太阳光照角度和风向在不断的变化，因此风帆需要不断的进行转动，以使风帆1的旋转和倾斜角度能够获得及时和准确的调整，这就需要对风帆的最佳旋转和倾斜角度作出精确的计算，并通过控制器对所述液压杆4和回转机构3进行有效的控制，从而达到实际情况想要的风帆角度的调整效果，以获得最佳的能源综合利用率。故而需要通过以下调整方法对风帆1的最佳调整角度进行精确地计算：(s1)绕竖直方向进行旋转的角度：通过对于所述风帆1的空气动力性能的分析，得出风向与船舶航向的夹角为β；通过以下公式计算所述风帆绕竖直方向的最佳旋转角度，即调整后所述风帆的帆面与所述船舶航向的夹角θopt：当0°≤β≤45°时，θopt＝2.656×10-4β3-0.009487β2+0.277β+7.575当45°≤β≤145°时，θopt＝β-20当145°≤β≤180°时，θopt＝-5.939×10-5β3+0.02689β2-3.539β+212.9。(s2)在水平方向上的倾斜角度：通过以下公式计算所述风帆在水平方向上的倾斜角，即所述风帆与竖直方向的夹角其中，h为太阳高度角，pt为太阳能风帆的发电功率，ps为风帆的风能推进功率；通过以下步骤计算得到所述太阳能风帆的发电功率pt：其中，idn为到达地面的光照强度，i为太阳光在水平面的投影与风帆的夹角，η为光电转化效率，f为综合效率，t为环境温度；通过以下步骤计算得到所述风帆的风能推进功率ps：其中，α为所述风帆与风向的夹角，g(α)＝cl、h(α)＝cd，分别为风帆的升阻力系数，ρa为空气密度，v为相对风速，vs为船舶航速；通过以下公式计算所述风帆的升阻力系数g(α)和h(α)：当-30°≤α≤20°时，g(α)＝1.31sin(0.014α+2.446)+1.5sin(0.054α-0.043)h(α)＝1.568sin(0.05α+1.53)+1.431sin(0.061α-1.48)当20°≤α≤90°时，g(α)＝1.2sin(0.0146α+1.75)+0.14sin(0.076α+3.84)h(α)＝1.38sin(0.0052α+0.532)+0.38sin(0.047α+4.36)。基于以上方法，本优选实施例提供了一种用于调整风帆角度的装置，对风帆1的旋转和倾斜作出及时的调整，有效的实现能源综合利用率的最大化。参见图1至图4，本优选实施例所述的用于调整风帆角度的装置包括风帆1、第一基座2、回转机构3和液压杆4，风帆1连接于第一基座2，且风帆1上安装有一个或多个太阳能电池板7，本实施例中为一个太阳能电池板7，液压杆4的两端分别连接风帆1和第一基座2，回转机构3包括第一齿轮装置31、传动轴32和第二齿轮装置33，第一基座2与第一齿轮装置31相连接，第一齿轮装置31与第二齿轮装置33通过所述传动轴32相连接。基于以上结构，该用于调整风帆角度的装置通过回转机构3来实现风帆1在竖直方向上360度的旋转，通过液压杆4来实现风帆1进行0至90度的倾斜，传动轴32包括竖直传动轴321和水平传动轴322，回转机构3的第二齿轮装置33与驱动装置相连接，所述驱动装置为电动机36，且第二齿轮装置33与电动机36之间设有减速器35，减速器35将电动机36的动力传递给第二齿轮装置33，电动机36、减速器35和第二齿轮装置33通过水平传动轴322相连接，在水平方向上完成电动机36动力的传输，再由第二齿轮装置33将电动机36的动力通过竖直传动轴321传递给第一齿轮装置31，使动力的传递更加可靠，损失较小，由第一齿轮装置31直接带动第一基座2进行旋转，从而使第一基座2上的风帆1获得方向的变化，能够使得风帆1转动的角度直接由第一齿轮装置31的转动角度来确定；通过采用齿轮传动的传动形式，使该装置的整体结构更加紧凑，传动更加准确且效率更高，因而该第一齿轮装置31对风帆1的角度变化的控制能够更加准确和方便。在船舶航行过程中，风向和航向不断的变化，使用该回转机构3对风帆1的帆角作出及时的调整，能够提高风帆1的推进功率，从而使船舶获得更大的推进力；风帆1连接于第一基座2，液压杆4的两端分别连接风帆1和第一基座2，通过该液压杆4的伸缩能够实现风帆1在空间上0至90度的倾斜变化，液压杆4能够实现往复运动，且没有传动间隙，故而其带动风帆1进行运动时非常平稳，且液压杆4的结构比较简单，其对风帆1的倾斜控制更加方便和可靠；在船舶运行过程中，当遇到较低的桥梁或是遇到大的风浪时，需要调整风帆1的高度，当船舶需要停港靠岸时，需要收帆以保持船体的稳定，这些情况均能够通过液压杆4的收缩来实现降低风帆1的高度或使风帆1平躺于船舶甲板上，从而保证船舶能够顺利平稳的航行或停靠。其中，所述风帆1的帆翼内侧安装有一个太阳能电池板7，太阳能电池板7的个数按照实际的需要和风帆1的帆翼面积来确定，只要能够满足将船舶行驶过程中收集到的太阳能转化成电能即可；将太阳能转化成电能供船舶使用，极大地提高了整个装置对可再生资源的有效利用，太阳能电池板7受光照强度和方向的影响很大，船舶航行过程中，太阳光照的方向在不断的变化，回转机构3对风帆角度的调整也能够实现风帆上太阳能电池板7朝向太阳光照射的方向，使得该太阳能电池板7上始终获得最强的光照，从而实现对太阳能利用率的最大化，太阳能电池板7将获得太阳能转化为电能，供为该装置提供动力的驱动装置使用，也能够将多余的电能进行储存，供下一次使用，有效地避免船舶消耗过多的石化能源。另外，所述风帆1通过第一铰链61和第二铰链62的配合可转动的连接于第一基座2，液压杆4的一端通过第三铰链连接于风帆1，液压杆4的另一端通过第四铰链64连接于第一基座2，当液压杆4本身能够进行伸缩运动，也能够通过第四铰链64在第一基座2上摆动，当液压杆4进行伸缩运动时，液压杆4的收缩端通过第三铰链带动风帆1运动，能够使风帆1在液压杆4收缩时产生的拉力的作用下通过该第一铰链61相对于第二铰链62的运动来实现倾斜。第一齿轮装置31包括回转支承轴承、第一齿轮311和第二基座34，第一齿轮311内啮合于回转支承轴承，且第一齿轮311通过传动轴32与第二齿轮装置33相连接。在此需要说明的是，在本实施例中，该回转支承轴承采用的是三排滚柱式回转支承轴承312，其能够同时承受风帆1及其他装置产生的轴向荷载、径向荷载和倾覆力矩，提高整个装置的强度，使该装置的工作更加可靠；所述三排滚柱式回转支承轴承312设置于第一基座2和第二基座34之间，第二基座34用于固定连接于船舶甲板上，故第二基座34能够对三排滚柱式回转支承轴承312进行固定，而第一齿轮311将从传动轴32上获得的动力传递至三排滚柱式回转支承轴承312内侧的转动部件上，并使该三排滚柱式回转支承轴承312内侧的转动部件进行转动，且该三排滚柱式回转支承轴承312内部的转动部件与第一基座2相连接，从而能够带动第一基座2旋转；所述三排滚柱式回转支承轴承312的外侧与第二基座34相连接，传动轴32穿过该第二基座34与第一齿轮311相连接，为保证传动轴32的有效转动，该传动轴32与第二基座34通过轴承相连接，本实施例中采用的轴承为角接触球轴承5，其具有承受较大的轴向荷载的能力，使传动轴的旋转运动更加可靠。需要说明的是，三排滚柱式回转支承轴承312的外侧与第二基座34之间、三排滚柱式回转支承轴承312的内侧与第一基座2之间均采用高强度的螺栓进行固定连接，但其连接方式也不仅限于此，也可以采用其他可靠的固定连接的方式。参见图1和图2，用于连接驱动装置的第二齿轮装置33为锥齿轮系，故而其能够方便实现传动方向的改变，使驱动装置的安装位置具有更多的选择，本实施例中，驱动装置驱动横向的转轴进行转动，经过锥齿轮系后转化为竖直方向的转动，由此将横向的动力转化至纵向并进行输出，从而带动风帆1实现沿竖直方向的360度的旋转。需要说明的是，本实施例中，所述风帆1的帆翼为矩形硬质帆，其剖面结构采用的是圆弧形，帆面为矩形，具有很好的空气动力特性，面积较大，便于安装更多的太阳能电池板7；但在其他实施例中，风帆1的形状并不受此实施例的限制，当可按照实际的需要，选择合适的形状。为了详细说明使用本发明的用于调整风帆角度的装置进行调整风帆角度的方法，参见图1和图2，具体步骤如下：(s1)驱动装置将动力由横向输出轴传递至锥齿轮系；(s2)由锥齿轮系将横向的输出力转化为竖直方向的动力并通过传动轴32传递至第一齿轮311；(s3)由内啮合于三排滚柱式回转支承轴承312的第一齿轮311带动三排滚柱式回转支承轴承312内侧的转动部件进行转动，从而使得连接于该转动部件上的第一基座2旋转，带动第一基座2上的风帆1沿竖直方向进行360度的旋转；(s4)由液压杆4进行收缩产生拉力，拉动风帆1绕铰链转动，从而收起风帆1，使其平躺于船舶甲板上。实施例二本实施例中给出一组将所述用于调整风帆角度的装置运用于实际中的各组件的具体参数，且本实施例中用于调整风帆角度的装置的结构与调整方法均与实施例一中一致，但是需要说明的是本实施例中的参数并不唯一，在其他实施例中，当可选择合适的参数。下面表1给出的是运用该所述调整风帆角度的装置的船舶的参数，其中包括船舶的总长、垂线间长、型宽、型深、设计吃水和载重量：表1运用所述调整风帆角度的装置的船舶的参数名称符号数值总长(m)l81垂线间长(m)lpp76型宽(m)b13.6型深(m)d6.8设计吃水(m)ds5.5载重量(t)▽3000下面表2给出的是该用于调整风帆角度的装置的部分部件的尺寸参数，其中包括帆翼长度、帆翼宽度、翼面拱度、第一基座直径、第一基座高度、回转支承轴承高度、第二基座高度、液压杆长度、液压杆数目、铰链长度、铰链数目。表2用于调整风帆角度的装置的部分部件的尺寸参数名称尺寸帆翼长度(m)5帆翼宽度(m)3翼面拱度(m)0.375第一基座直径(m)1第一基座高度(m)0.3回转支承轴承高度(m)0.1第二基座高度(m)0.1液压杆长度(m)2.4(共2节)液压杆数目2铰链长度(m)0.8铰链数目1下面表3是所述回转支承轴承与所述第一齿轮的各部分的参数。表3回转支承轴承与第一齿轮的各部分的参数下面表4为所述传动轴的尺寸。表4传动轴尺寸下面表5为所述角接触球轴承的参数。表5角接触球轴承参数内径(mm)外径(mm)厚度(mm)轴向载荷kn径向载荷kn13020033129137下面表6为所述第二齿轮装置的尺寸，即锥齿轮系的参数。表6第二齿轮装置的尺寸下面表7是所述液压杆的参数。表7液压杆参数下面表8是所述铰链的参数。表8铰链参数外径(mm)内径(mm)长度(mm)375240800本发明的用于调整风帆角度的装置包括风帆、第一基座、回转机构和液压杆，所述风帆连接于所述第一基座，所述液压杆的两端分别连接所述风帆和所述第一基座，所述回转机构包括第一齿轮装置、传动轴和第二齿轮装置，所述第一基座与所述第一齿轮装置相连接，所述第一齿轮装置与所述第二齿轮装置通过所述传动轴相连接，由第二齿轮装置通过传动轴将动力传递至第一齿轮装置，第一齿轮装置带动第一基座沿竖直方向做360度的旋转，风帆连接在第一基座上，故在船舶航行过程中，根据风向和航向的变化，能够及时调整风帆的角度，从而使得风帆带给船舶最大的推动力，有效的提高推动效率；当船舶遇到较低的桥梁或者其他紧急情况需要将风帆收起时，由液压杆的伸缩带动风帆进行0至90度的倾斜，能够有效的降低帆面的高度，保证船舶能够平稳航行或者稳定停靠，整个装置的结构简单且船舶的风帆角度转变非常灵活，便于使用。本发明的用于调整风帆角度的装置涉及一种调整方法，该调整方法过程简单，原理可靠，且使风帆角度的变化更加灵活。应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。以上所述是本发明的优选实施方式，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变形，这些改进和变形也视为本发明的保护范围。当前第1页12