推进器的制作方法

1.本发明涉及一种用于推进动力船只的装置，尤其涉及一种翼帆。


背景技术：

2.一种广泛提出的用于减少具有为船舶提供推进力的发动机的动力船舶(例如，船舶或超级游艇)的排放的方法是使用风能来提供用于推进船舶的部分或全部动力。这种风力推进可因此减少船舶主传动系统所需的动力。这可能会减少船舶驱动发动机的燃料消耗，进而可能导致温室气体排放量的减少。此外，这个过程还可以通过减少给定旅程使用的燃料量来降低船舶的运营成本。
3.风力动力船只已经使用了许多世纪，并且最近，风力辅助技术已应用于动力船只，例如，如上所述的船舶。该领域的风能技术范围广泛并且包括许多不同的设计和特点，其主要目的是实现高升阻比，因为这是风帆游艇的首选构造。
4.在一些已知的布置中，双元件刚性翼帆已应用于船只。然而，这种翼帆通常在设计时考虑到高升阻比，这可能会限制翼帆提供的绝对功率。
5.传统上，高升力机翼(例如，在航空航天和汽车工业中使用的)使用具有弧形形状的机翼。对于给定的迎角，这种形状增加了机翼每一侧之间的压力差，并因此增加了机翼的可实现升力。
6.机翼能够产生的最大升力取决于失速的开始，其中机翼上的气流在临界迎角下“分离”，导致升力显着降低。为了增加机翼在失速前可达到的临界迎角，从而增加它能够产生的升力，可以再生机翼低压侧的气流。这可以通过将机翼分成两部分(前翼和后翼)来实现，以这样的方式定位，以在前翼的后缘和后翼的前缘之间产生精心设计的狭槽。这个狭槽可以为机翼的低压“吸力”侧提供一连串高能流，这有助于保持气流的附着并延迟失速的发生，或防止失速的发生达到一定的角度。这种效应对狭槽的确切宽度非常敏感，因此需要仔细控制元件的定位。此外，为了产生更高的升力系数，通常使用更高的拱曲度。双元件机翼能够在失速前产生有限的拱曲度。
7.此外，具有弧形形状的翼型通常设计为仅在一个方向上产生升力(即从翼型的凹面到凸面的矢量)。然而，在船上，翼型产生的力的方向可能需要改变(实际上可能需要反转)，这取决于船是在右舷还是在左舷。通常，这可以通过使用对称翼型、变形以倒置其拱曲度的软帆或其形状从前到后镜像的弧形翼型来实现。然而，这样的布置可能导致在形状上不是最佳的翼型。本发明的一个目的是提供一种具有最佳形状并且能够倒置其拱曲度的翼帆。
8.在一些已知的布置中，双元件翼帆设置有襟翼，有时称为“尾翼”。该尾翼通常位于翼帆旋转点后方很远的地方。这种布置与本发明的布置不同，因为这些尾翼元件以产生与翼帆的其他两个元件相反方向的升力的方式旋转，以便将翼帆的迎角自然地引向视风。该尾翼元件因此可以消除对控制线和通过手动或动力装置进行调整的需求，但是尾翼元件产生的升力可能不利于翼帆的总升力。本领域技术人员将理解，“尾翼”布置不提供上述“狭
槽”效应，并且不会产生高升力机翼。在本发明中，每个翼型元件被设置成一定角度，以便沿着从凹侧到凸侧的向量产生升力。
9.现代船舶的风力辅助提案很少获得商业认可。船舶装载区域的结构可能会阻碍有效的装卸，并且这些结构的设置增加了船舶的资本成本和维护负担，这意味着运营费用要节省得足够多才能使其在经济上可行。在风向不利于船舶通过的情况下，风帆的存在可能会导致风阻，从而增加燃料消耗。
10.本发明的目的是至少部分地解决上述问题。


技术实现要素：

11.根据本公开，提供一种用于动力船只的翼帆，包括第一翼型元件、第二翼型元件和第三翼型元件，翼型元件中的每一个具有相对的第一边缘和第二边缘。翼型元件中的每一个能够绕轴线旋转，并具有面积中心比翼型元件的后缘更靠近翼型元件的前缘的翼型截面，以及翼型元件可移动到这样的构造，在该构造中来自第一元件或第三元件中的一个的第二边缘的流被引导朝向第二元件的第一边缘，并且来自第二元件的第二边缘的流被引导朝向第一元件或第三元件中的另一个的第一边缘。第一边缘可以是相应元件的前缘，而第二边缘可以是相应元件的后缘。这可以提供能够向船只提供大推进力的高升力翼帆。
12.可选地，翼型布置成阵列以便一起形成弧形形状。这可以提供高升力构造。
13.可选地，翼型元件中的至少两个被配置成旋转从而反转弧形形状的拱曲度。
14.可选地，第一翼型元件和第三翼型元件被配置成以彼此相反的旋转方向旋转，从而反转弧形形状的拱曲度。
15.可选地，翼型元件可在第一构造和第二构造之间移动，在第一构造中，来自第一元件的第二边缘的流被引导朝向第二元件的第一边缘，并且来自第二元件的第二边缘的流被引导朝向第三元件的第一边缘，在第二构造中，来自第三元件的第二边缘的流动被引导朝向第二元件的第一边缘，并且来自第二元件的第二边缘的流被引导朝向第一元件的第一边缘。因此，在第一构造和第二构造中，相对于单独的翼型元件，流以相同的方向在多个翼型元件上行进。这可以允许阵列的拱曲度被倒置。
16.可选地，第一翼型元件能够相对于第二翼型元件旋转。
17.可选地，第三翼型元件能够相对于第二翼型元件旋转。
18.可选地，第一翼型元件和/或第三翼型元件被配置成相对于第二翼型元件旋转至多110度，并且优选地至多90度。
19.可选地，翼型元件中的每一个能够相对于其他翼型元件中的每一个独立地围绕翼型元件中的每一个的各自的旋转轴线旋转。这可以允许翼帆在多种视风条件下使用。
20.可选地，翼型元件被配置成被定位使得在第一翼型元件与第二翼型元件之间以及在第二翼型元件与第三翼型元件之间形成狭槽，这些狭槽被配置成在在翼型元件的吸力侧上再生气流。这可能会延迟翼型元件的失速，并允许产生更高的升力。
21.可选地，狭槽的尺寸使得相邻翼型的前缘与后缘之间的距离为翼型中的至少一个的翼弦的20％或更小。
22.可选地，第一翼型元件的旋转轴线位于第一翼型元件的前缘与后缘之间。
23.可选地，第一翼型元件的旋转轴线位于第二翼型元件的前缘与后缘之间。
24.可选地，第三翼型元件的旋转轴线位于第二翼型元件的前缘与后缘之间。
25.可选地，第三翼型元件的旋转轴线位于第三翼型元件的前缘与后缘之间。
26.可选地，相应的旋转轴线中的每一个位于其相应翼型元件的前缘与后缘之间。这可以允许翼型元件在改变拱曲度时容易地移动。
27.可选地，翼型元件中的每一个的旋转轴线定位为比相应的翼型元件中的每一个的后缘更靠近前缘。
28.可选地，每个翼型元件的旋转轴线位于翼弦的距前缘的前三分之一处，优选地位于翼弦的距前缘的15％与35％之间的位置处，更优选地位于翼弦的距前缘的20％与30％之间的位置处。
29.可选地，第二元件的旋转轴线相对于在第一元件的轴线和第三元件的轴线之间延伸的平面偏移。这可以提供弧形形状。
30.可选地，旋转轴线中的每一个都相互平行。
31.可选地，翼型元件关于它们的翼弦线对称地成形。这可以允许颠倒元件的顺序以改变拱曲度。
32.可选地，从翼型元件中的每一个的最厚部分到前缘的距离小于从翼型元件中的每一个的最厚部分到后缘的距离。
33.可选地，翼型元件中的每一个的截面沿着翼型元件的翼展基本上是一致的。
34.可选地，翼帆还包括第四翼型元件，第四翼型元件具有面积中心比第四翼型元件的后缘更靠近第四翼型元件的前缘的翼型截面，其中，翼型元件可移动到这样的构造，在该构造中来自第三元件的后缘的流被引导朝第四元件的前缘。这可以提供对翼帆的拱曲度的进一步控制。
35.可选地，第四翼型元件能够相对于其它翼型元件围绕位于第四翼型元件的前缘与后缘之间的旋转轴线独立地旋转。
36.可选地，翼型元件中的至少一个被分成沿翼型的翼展分布的两个或更多个部分，每个部分能够相对于其他部分独立地旋转。这可以提供改进的控制。
37.可选地，翼型元件能够旋转至风向标构造，在该风向标构造中翼型元件中的每一个的翼弦线与视风向基本对齐。这可以允许提供故障安全构造，其中翼帆不用于产生任何实质性推进力。
38.可选地，翼型元件通过一个或多个弹性偏置构件偏置到风向标构造。
39.可选地，翼型元件能够旋转至收起构造，在该收起构造中翼型元件中的每一个的翼弦线基本上彼此平行，并且第一翼型的后缘和第三翼型的后缘朝向彼此。这可以允许翼帆的尺寸减小或最小化以用于存储。
40.可选地，翼型中的至少一个包括前缘缝翼和/或一个或多个边界层栅栏。这可以进一步增加翼帆的升力。
41.可选地，第二翼型被安装到布置成支撑翼帆的重量的主翼梁。这可以方便地将翼帆安装到船只上。
42.可选地，翼型安装在基板上并且能够相对于基板旋转，基板可旋转地安装在主翼梁上。这可以允许整个翼帆相对于船只旋转。通过使用其他布置，整个翼帆也可以相对于船只旋转。
43.可选地，翼帆还包括端板，端板安装在翼型的翼展的与基板相对的端部，使得翼型安装在基板与端板之间，端板可旋转地安装在主翼梁上。
44.可选地，翼型布置成使得翼型元件中的至少两个的旋转轴线能够相对于彼此移动。
45.根据本公开，还提供了一种系统，该系统包括如上所述的翼帆，以及布置成控制翼型元件的旋转的控制器。当安装在船只上时，这可以允许调整翼帆。
46.可选地，控制器布置成响应测量的风力条件、翼帆上的测量力或翼帆上的测量力矩中的至少一个而自动旋转翼型。这可以提供增加的燃料效率。
47.可选地，翼型元件布置成阵列以便一起形成弧形形状，并且控制器布置成旋转翼型元件中的至少两个，从而反转弧形形状的拱曲度。
48.根据本公开，还提供了一种包括如上所述的翼帆的船只。例如，船只可以是由发动机提供动力的船只，例如，船、散货船或超级游艇。
附图说明
49.现在将参照附图仅通过非限制性示例的方式描述本发明，其中：
50.图1示出了根据本发明的翼帆的透视图；
51.图2示出了根据本发明的翼帆的第二透视图；
52.图3示出了根据本发明的翼帆的横截面平面图；
53.图4示出了本发明的翼帆的翼型在开始抢风调向之前的平面图；
54.图5示出了图4的翼型改变航向的第一阶段；
55.图6示出了图4的翼型改变航向的第二阶段；
56.图7示出了图4的翼型改变航向的第三阶段；以及
57.图8示出了图7的翼型相对于图4的翼型旋转了大约180度；
58.图9示出了图3在改变航向之前受冲击风和升力的视图；
59.图10示出了图9的翼型改变航向的第一阶段；
60.图11示出了图9的翼型改变航向的第二阶段；
61.图12示出了图9的翼型改变航向的第三阶段；
62.图13示出了当改变航向完成时的图9的翼型；
63.图14示出了图4的翼型在风向标构造中的平面图；
64.图15示出了图4的翼型在收起构造中的平面图；
65.图16示出了包括根据本发明的翼帆的船只的透视图；
66.图17示出了包括根据本发明的翼帆的船只的平面图；
67.图18a示出了当风从第一方向冲击时翼型在船只上的定位；
68.图18b示出了当风从第二方向冲击时翼型在船只上的定位；
69.图19示出了转弯前的船只和冲击风；
70.图20示出了图19的船只转弯的第一阶段；
71.图21示出了图19的船只转弯的第二阶段；
72.图22示出了图19的船只转弯的第三阶段；
73.图23示出了当转弯完成时的图19的船只；
74.图24示出了包括四个翼型元件的翼帆的第二布置的截面平面图；
75.图25示出了包括四个翼型元件的翼帆的第二布置的透视图；
76.图26示出翼帆的第三构造的第一透视图，其中翼型被分成多个延翼展方向的部分；以及
77.图27示出了图15的翼帆的第二透视图；
78.图28示出了翼帆的第四构造的透视图；
79.图29示出了图28的构造的平面图；
80.图30示出了在开始抢风调向之前的图28和29的翼帆的翼型；
81.图31示出了在抢风调向期间的图28和29的翼帆的翼型；
82.图32示出了在抢风调向之后的图28和29的翼帆的翼型；
83.图33示出了一个完整的抢风调向的过程，包括图30-32的视图；
84.图34示出了在开始抢风调向之前的包括端板的图28和29的翼帆的翼型；
85.图35示出了在抢风调向期间的包括端板的图28和29的翼帆的翼型；以及
86.图36示出了在抢风调向之后的包括端板的图28和29的翼帆的翼型。
具体实施方式
87.本发明涉及一种用于动力船只的翼帆1。也就是说，翼帆1是可以安装到动力船只(例如，船舶)以便为船只提供风力推进的装置。如图1和图2所示，翼帆1包括第一翼型元件10、第二翼型元件11和第三翼型元件12。
88.如图1所示，翼型元件的每一个都可绕轴线旋转。也就是说，第一翼型10可围绕第一轴线10x旋转，第二翼型11可围绕第二轴线11x旋转，第三翼型12可围绕第三轴线12x旋转。每个翼型元件可以相对于其他翼型元件独立地围绕每个翼型元件的各自的轴线旋转。
89.也如(例如)图3所示，翼型元件的每一个都具有一个翼型截面，该翼型截面的面积中心更靠近其前缘而不是其后缘。换言之，从前缘面积中心的距离小于从后缘到面积中心的距离。也就是说，翼型的截面(即，沿翼弦线截取、垂直于翼展方向)使得翼型在翼弦线中点前方的截面面积大于弦线后面的截面面积。因此，翼型截面的一半以上面积更靠近(翼型的)前缘而不是(翼型的)后缘，并且翼型关于在50％翼弦处垂直于翼弦的线不对称。这可能意味着从每个翼型元件的最厚部分到前缘的距离小于从每个翼型元件的最厚部分到后缘的距离。这可以产生更有效的翼型形状，并且允许翼型的前缘和后缘专门设计成这样。
90.如图3的平面图最佳所示，翼型10、11、12可以移动到这样的构造，其中来自第一翼型元件10的后缘的流被引导朝向第二翼型元件11的前缘，并且来自第二翼型元件11的后缘的流被引导朝向第三翼型元件12的前缘。应当注意，多个翼型一起形成具有弧形形状的阵列。因此，在第一翼型元件10处冲击在阵列上的气流被连续引导到第二和第三翼型元件，并且围绕阵列流动。应当理解，在阵列中，翼型元件的每一个提供沿从弧形阵列的凹侧到凸侧的向量的升力。当如上所述的每个翼型元件相对于其他翼型元件独立地可旋转时，该旋转与具有比翼型元件后缘更接近翼型元件前缘的截面面积中心的翼型元件组合可以，如下面所描述的那样，让阵列的拱曲度倒置。
91.应当理解，在该取向上的翼型元件被对齐以便在翼型元件的后缘和随后的翼型元件的前缘之间产生狭槽，以产生前述效果。换言之，在第一翼型元件与第二翼型元件之间以
及在第二翼型元件与第三翼型元件之间设置有狭槽。在图3所示的布置中，第一狭槽17形成在第一翼型元件10的后缘与第二翼型元件11的前缘之间，并且第二狭槽18形成在第二翼型元件11的后缘与第三翼型元件12的前缘之间。
92.翼型元件之间的狭槽可为高压气流提供从弧形阵列的高压侧到弧形阵列的吸力侧(即低压侧)的通道(并因此到各个元件的吸力侧)。这可以“再生”气流并保持气流附着。反过来，这可能会推迟失速的发生，从而使翼帆产生更高的升力。应当理解，通过使翼型元件相对于彼此移动，可以控制狭槽的尺寸。在一些布置中，狭槽的尺寸可以被确定为使得一个翼型元件的后缘和下一个翼型元件的前缘之间的距离小于翼型元件中的一个或两个的翼弦的20％。也就是说，与翼型元件的尺寸相比，狭槽的尺寸相对较小。
93.上述布置允许实现非常高的升力构造。与使用高升阻比设计翼帆的传统方法不同，翼帆的绝对升力可以最大化。出于多种原因，这可能对船舶特别有利。首先，虽然船舶在典型航道上经历的主要视风角很小(由于船舶的前进速度)，但与针对较小视风角优化的翼帆相比(即针对高升阻比优化)，针对较大视风角(即针对高升力优化)优化的翼帆所实现的潜在燃油节省是很大的。其次，船舶一般具有较高的稳定性，因此可以容纳能够产生大量升力而无需降低动力的翼帆。第三，在视风角大于90度时，翼帆的升力和阻力都为船舶提供推力，因此从这些角度看，高升力和高阻力都是有益的。
94.在船舶经受小视风角，并且高升阻比是有利的情况下，本发明的翼帆可以简单地降低动力以产生较低的升力和因此较低的诱导阻力，以增加其升阻比。
95.翼型元件的每一个可以是刚性结构。也就是说，翼型元件10、11、12中的每一个由刚性材料形成，使得与传统的用于船的柔性帆相比，元件的形状不会响应风或其他力而显着改变。应当理解，刚性构造是这样一种构造，使得当没有流经过翼型时，保持翼型的形状。这种结构可以是其外表面由刚性材料(例如金属、复合材料或塑料材料)形成或者可以具有刚性框架的翼型，在框架上设置有柔性或可成形的皮。刚性翼型元件的使用还可以允许改进对上述一个狭槽(或多个狭槽)沿翼帆总翼展的尺寸的控制。
96.如图1-3所示，第二翼型元件11可以安装在能够相对于船旋转的主翼梁14上。主翼梁可以安装到甲板上，并且可以延伸穿过(即安装穿过)甲板并延伸到船体的主体中。主翼梁可以在轴承装置上围绕其轴线枢转。第二翼型11可以相对于主翼梁14固定，或者可围绕(即相对于)主翼梁14旋转。翼型10和12可以安装在基板15和端板16之间，基板15和端板16本身可以安装在主翼梁14上。基板15和端板16也可以围绕(即相对于)主翼梁14旋转。因此，第一翼型10和第三翼型12可以相对于主翼梁旋转，并且第二翼型11能够随主翼梁或独立于主翼梁旋转。
97.在替代实施例中，主翼梁14可以用作任何其他翼型元件的安装件，例如，在翼型序列中的第一翼型元件10或最后一个翼型元件12，其余的翼型元件安装到基板15和端板16。在另一个替代实施例中，所有翼型元件可以安装在基板和端板之间，以形成一个组件，整个组件可旋转地安装，例如，通过基板15在一个可旋转的底座mount上。
98.在一些布置中，翼型的一个或多个部分可以延伸使得当从横截面中观察时它们突出到基板的外部，例如，如图3所示。然而，应当理解，基板和端板的形状不限于图中所示的形状，可以是任何合适的形状。例如，基板和端板的形状可以使得在图3所示的配置中时翼型在翼展方向上的端部被端板覆盖。
99.如果风改变方向，或者船舶相对于风改变方向，则可能需要通过改变翼帆的拱曲度方向来改变翼帆的航向。现在将参考图4-8来描述可以转变翼帆航向的方式的简化示例，其中风从页面顶部冲击变为从页面底部冲击翼帆。应当理解，该示例是示意性的，并且运动的精确顺序不必按照如下所述的。
100.图4示出了与图3相同构造的翼型10、11、12。为了清楚起见，省略了翼帆1的其余部件。
101.首先，如图5所示，第一翼型元件10旋转大约180度，如图5中箭头a所示。接下来，第二翼型元件11大约旋转180度，如图6中箭头b所示。
102.然后，第三翼型元件12旋转大约180度，如图7中的箭头c所示。因此，翼型元件10、11、12中的每一个旋转，这导致组合阵列的拱曲度反转，机翼已经完成了抢风调向。
103.在图8中可以最佳看到反转的拱曲度，它是图7旋转180度的版本。应当理解，这种旋转不需要作为抢风调向过程的一部分来执行，而只是为了便于与图4进行比较。从图4与图7和图8的比较中，将注意到，由于这个过程，翼型阵列的整体拱曲度发生了反转(或倒置)，因此升力的方向发生了180度的变化。也就是说，翼型已经从第一构造移动至第二构造，在第一构造中，来自第一元件10的后缘的流被引导朝向第二元件11的前缘，而来自第二元件11的后缘的流被引导朝向第三元件12的前缘。在第二构造中，来自第三元件12的后缘的流被引导朝向第二元件11的前缘，而来自第二元件11的后缘的流被引导朝向第一元件10的前缘。可以理解，在第一和第二构造中，流对于各个翼型元件以相同的方向在翼型元件上行进。还可以理解的是，在这种变化之后，在第三翼型元件12的后缘与第二翼型元件11的前缘之间形成一个狭槽，并且在第二翼型元件11的后缘与第一翼型元件10的前缘之间形成一个狭槽。
104.图9-13示出了抢风调向过程的另一个示例，增加了基板15。在这些图中，示出了风向，以及由图9和13中的翼帆产生的升力。这个抢风调向过程可用于这样的构造，其中第二翼型元件11可旋转地安装到主翼梁并且基板和端板能够相对于主翼梁旋转。该过程被示出为一连串的离散运动，使得可以理解翼帆组件的每个部分之间的相互作用。然而，应当理解，翼帆的各个部分不需要按照本文所述的离散运动的特定顺序运动。在一些布置中，所有部件(或部件的子集)可以以同步方式同时移动，使得在抢风调向过程中每个翼型元件的翼弦线将与视风对齐(如在下面的另一个示例中所示的)。
105.在图9中，风从图中顶部的方向冲击翼帆。空气在翼帆周围流动(即，在翼型元件上方)，并产生合升力，(即，来自翼帆的总力垂直于气流的开始点的分量)在图中显示的视图中向右移动。翼型的位置使得翼帆在该方向上提供高升力。
106.抢风调向过程的第一阶段如图10所示。第二翼型元件11和主翼梁14逆时针旋转，如箭头aa所示。基板也随主翼梁旋转。因为第一和第三翼型元件10、12安装在基板上，它们相对于船围绕第二翼型元件11x的旋转轴线旋转，但尚未相对于第二翼型元件11或基板旋转。应当注意，在图10中，第二个翼型位于其最终位置(即，图13中所示的位置)。
107.接下来，如图11所示，基板继续相对于主翼梁旋转，如箭头bb所示，第二翼型元件11保持静止。由于安装在基板上，第一和第三翼型元件10、12继续围绕轴线11x旋转。
108.然后，如图12所示，第一翼型元件10和第二翼型元件12开始相对于基板旋转，如箭头cc和dd所示。尽管在此单独示出，但是应当理解，箭头aa、bb、cc、dd和ee所示的旋转可以
全部同时发生或作为单独的运动发生。应当注意，在图12中，第一和第三元件相对于基板但不相对于第二翼型元件处于它们的最终位置。
109.最后，基板旋转，使得其从其起始位置旋转180度，如图13中箭头ee所示。由于安装在基板上，第一和第三翼型元件相对于第二翼型元件移动，并且在最终位置，抢风调向完成，阵列的拱曲度已经反转(或倒置)，翼帆产生与图9所示方向相反的升力。再一次，翼型已从这样的构造——来自第一元件10的后缘的流被引导朝向第二元件11的前缘而来自第二元件11的后缘的流被引导朝向第三元件12的前缘——移动到这样的构造——来自第三元件12后缘的流被引导朝向第二元件11的前缘而来自第二元件11后缘的流被引导朝向第一元件10的前缘。因此，在第一种和第二种构造中，气流以相对于各个翼型元件的相同方向在翼型元件上行进。
110.尽管上面描述了翼型的几种特定可能的运动顺序，但是应当理解，各种翼型元件可以以任何顺序和在任何方向上旋转，只要实现了拱曲度的改变。例如，每个翼型元件可以同时移动，和/或以彼此相反的方向移动，并且可选地与整个翼帆的旋转同时移动。还应理解，如下所述，当使用具有多于三个翼型的布置时，附加翼型也以与上述类似的方式移动。
111.还应当理解，翼型布置成旋转所经过的角度是可以根据它们的功能来选择的。至少一个可以布置成旋转大约360度，而其他的可以布置成旋转大约180度。例如，当连接到第二翼型11时，主翼梁可以布置成围绕其轴线旋转360度，并且第一和第三翼型10、12可以布置成围绕它们的旋转轴线旋转至少180度。或者，所有翼型可布置成围绕它们的旋转轴线旋转180度。
112.如图3-8和9-13所示，本发明的系统允许使用围绕其翼弦线对称成形的翼型元件(即非弧形)来形成具有整体弧形形状的阵列。这允许在两个航向上轻松实现非常高的升力构造。在这些翼型形状中，从每个翼型的最厚部分到前缘的距离通常小于从每个翼型的最厚部分到其后缘的距离。即从前缘到后缘，翼型的厚度先增后减。
113.如图3所示，翼型元件具有圆形前缘和锥形后缘。因此，前缘附近的翼型厚度大于后缘附近的厚度。这可能导致前缘处的曲率半径大于后缘处的曲率半径的构造。因此，翼型元件具有明确定义的前缘和后缘，无论翼型元件的取向如何，它们都被照此使用。应当理解，“锥形”后缘可以是锋利或尖锐的边缘，可以被截断以形成平坦表面，或者可以在横截面上具有曲率半径小于后缘曲率半径的曲面。这种形状可以在翼型元件上提供最佳气流，并且尖端的后缘可以提供对上述狭槽的改进控制，因为该尖端允许后缘上的气流被精确引导。在这种形状中，翼型截面的面积中心通常比翼型的后缘更靠近翼型的前缘。
114.为了提供整体弧形阵列形状，第二元件11围绕其旋转的轴线11x可以相对于其他轴线偏移。特别地，当轴线10x和12x彼此平行或彼此相交时，轴线11x可以相对于在第一和第三翼型元件10、12围绕其旋转的轴线10x和12x之间延伸的平面偏移。换言之，如果在第一翼型10和第三翼型12的轴线10x和12x之间的平面图中(在轴线上的相同高度处)画一条线，则第二翼型元件11的旋转轴线不落在这条线上。应当注意，该偏移使得无论翼帆的航向如何，第一和第三翼型元件都朝向第二翼型元件的压力侧定位。
115.具有比其后缘更靠近其前缘的面积中心的翼型截面的翼型元件、布置成形成在元件之间具有狭槽的弧形阵列(即，具有相对于其他偏移的第二元件的轴线)的翼型元件、以及可相对于彼此独立旋转每个翼型元件的组合，与相对于安装它的船舶可旋转的整个翼帆
组件一起，可以实现高升力构造，该构造可以适应于任何视风。这可以通过调整翼型元件相对于彼此的位置以调整翼帆并提供最大升力以及在必要时反转拱曲度(如上所述)来实现。
116.在一些布置中，基板15和端板16中的一个或两个可以具有可移动部分，这些可移动部分能够改变每个翼型元件的旋转轴线的位置(例如，相对于彼此动态偏移轴线)，并因此能够改变翼帆的拱曲度。在一种布置中，基板15和端板16可以包括两个铰接部分，它们都可以围绕轴线11x旋转。因此，两个部分的旋转可以改变旋转轴线10x和12x的位置，从而调整翼帆的拱曲度。翼帆也可以以与上述不同的方式抢风调向，其中基板15和端板16的铰接部分旋转以反转机翼的拱曲度。
117.在一些布置中，例如图1所示的布置，翼型的旋转轴线10x、11x、12x中的每一个是平行的。然而，在一些其他布置中，旋转轴线可能不平行，并且轴线彼此的相对位置可能随高度而变化。
118.应当理解，在图1-3所示的布置中，每个翼型元件的旋转轴线位于该翼型元件的前缘和后缘之间。换言之，轴线位于翼型自身的内部，平行于翼型的翼展方向延伸，使得翼型元件围绕自身旋转。然而，应当理解，其他布置也是可能的。例如，旋转轴线可以位于翼型的前缘，或者可以位于翼型的外部。
119.特别地，轴线可以定位成比翼型元件的后缘更靠近前缘。换句话说，轴线位于翼弦的前50％。在一些布置中，轴线可以优选地位于距前缘的翼弦的前三分之一处，更优选地位于翼弦的15％和35％之间的位置，并且更优选地位于翼弦的20％和30％之间的位置。特别地，旋转轴线可以定位在翼型的压力中心处或附近。通常，这可能是从前缘测量的翼弦的大约25％，但这可能会根据翼型的形状、迎角和其他翼型元件的方向而变化。
120.如上所述，翼型可旋转成各种不同的构造，以提供不同的整体弧形阵列。翼型10、11、12也可以移动到它们不形成弧形阵列的其他位置。例如，如图14所示，翼型10、11、12移动到它们的所有翼弦线彼此平行的位置。例如，这可以是“风向标”的构造，其中每个翼型的翼弦线与视风向对齐。这可以提供故障保护模式，使得如果失去对翼型的控制，或者风对于翼型来说太强而无法承受，则可以允许翼型自由旋转并因此与视风向对齐。在其他故障保护布置中，翼型可以由致动器或液压油缸控制以移动到所需位置，并且还可以通过一个或多个弹性偏压构件(例如，弹簧)或其他动力存储装置(例如，蓄能器或气撑杆)偏移到风向标构造，使得它们在断电时恢复到这种构造。因此，当该装置通电时，致动器或液压油缸克服弹性偏压构件的力以控制翼型的位置，并且当没有动力时该装置被动地移动到风向标构造。
121.图15示出了翼型可以移动到的另一种可能的构造。该构造是收起构造，其中翼帆的宽度和长度被减小或最小化。在该构造中，翼弦线也彼此平行，但是两个翼型(第一和第二翼型件元件10、11)基本上在一个方向上对齐，并且第三翼型件元件12在不同方向上对齐。也就是说，第三翼型相对于其他两个翼型元件以180度角设置。这可以提供一种收起构造，其中整个组件的宽度(即，图15中的左右方向)被最小化。换言之，与例如图3和图10中所示的布置相反，第三翼型元件12不突出超过基板和端板的边缘。这种构造可以在不使用翼帆时使用，例如，当船停靠时，以最小化翼帆1占用的空间。
122.基板15和端板16、以及为第一和第三元件10和12提供的结构支撑，也可以容纳用于移动翼帆的各种部件的任何机械和系统。此外，它们还可以减少来自翼型元件的涡旋脱
落。
123.如图16和17所示，一个或多个翼帆1可以安装在船100上。船100可以是例如散货船、集装箱船或任何其他合适的船只。在图9和10所示的布置中，示出了三个翼帆1。然而，应当理解，任何数量的翼帆1可以安装在船100上，例如，考虑到船的尺寸和使用它的条件。还应当理解，翼帆不需要安装在船的左舷，而是可以安装在任何合适的位置。主翼梁14可以可旋转地安装到船上，并且可以穿过船的甲板安装，使得翼帆的重量(以及由气流和翼帆之间的相互作用产生的任何力和力矩)由主翼梁支撑。因此，当主翼梁、端板、基板和翼型自身旋转时，所有的旋转都是相对于船只的。图18a和18b示出了翼帆相对于船的旋转，使得当风从不同方向冲击时可以产生升力。应当理解，图18a和18b中的风向彼此成180度，并且当风处于中间相对位置时可以相应地调整翼帆。
124.图19-23的顺序示出了船正在执行的转弯，以及相应的翼帆调整。在这些图中，风示出为从图的顶部冲击。应当理解，该顺序也可以用在风相对于船移动(即改变方向)而不是船转向并因此相对于风改变方向的情况下。应该理解，可以使用与关于图9-13描述的相同的抢风调向过程来执行以下运动。
125.从图19所示的起始位置，船在图中所示的视图中开始顺时针转动(即转向右)，到图20所示的位置。如图20所示，转动翼型，使它们的翼弦线平行于视风。这通过转动连接到第二翼型元件的第二翼型11和主翼梁14以及转动安装有第一和第三翼型件元件的基板来完成。第一和第三翼型元件也相对于基板旋转，使得它们的翼弦线平行于视风。这导致当船“行进经过”视风时，机翼处于羽状构造。
126.然后船继续转动，通过图21和22所示的位置，机翼元件继续旋转，使得它们的翼弦线平行于视风。最后，当船已经到达图23所示的位置时，翼型元件被移动，使得它们形成上述的弧形阵列形状。应该注意的是，在从图19所示位置移动到图23所示位置时，机翼的拱曲度已经反转。
127.图24和25示出了翼帆1的第二布置。图24和25中所示的翼帆与上述类似，但除了第一、第二和第三翼型元件10、11、12之外，还包括第四翼型元件13。第四翼型元件13可以相对于其他翼型元件独立地旋转，并且可以具有面积中心比翼型元件后缘更靠近翼型元件前缘的翼型截面。因此将理解，在图24所示的构造中，来自第三翼型元件后缘的气流被引导朝向第四翼型元件13的前缘。虽然未示出，但图24和25中所示的翼帆可以以与图4-8所示和上述相同的方式改变航向。即，每个翼型元件旋转，使得整个阵列的拱曲度反转。同样，它也可以移动到上述风向标和收起构造。
128.应当理解，还可以添加更多的翼型元件，来自每个元件的后缘的气流被引导朝向下一个元件的前缘。同样地，整个拱曲度可以使得任何给定元件的旋转轴线不位于在该元件任一侧的两个元件之间延伸的平面内。
129.图26和27示出了根据本发明的翼帆1的第三布置。这种布置类似于图1-3中所示的布置，不同之处在于每个翼型元件被分成沿翼型的翼展分布的两个部分。也就是说，第一翼型元件10沿其翼展分为两个部分10a、10b，第二翼型元件11分为两个部分11a、11b，第三翼型元件12沿其翼展分为两个部分12a、12b。每个部分可以是单独可控的，使得每个翼型的两个部分可以相对于彼此移动。这可以允许每个翼型元件的迎角沿其翼展并且因此沿翼帆的翼展变化。这可以提供改进的空气动力学，因为视风向和强度可以随高度而变化。
130.尽管上述布置将每个翼型元件分成两部分，但应当理解，每个翼型元件可以分为两个以上的部分，或者一些翼型元件可以沿翼展划分，而其他翼型元件可以形成单个翼展。在一些布置中，翼型元件可以沿着它们的翼展分成很多部分。这可能导致翼型元件被铰接以使其表面变形，从而沿着翼帆的翼展产生变化的形状。
131.图28和29示出了根据本发明的翼帆1的第四种布置。类似于图1-3中所示的布置，翼帆1包括第一翼型元件10、第二翼型元件11和第三翼型元件12。这些翼型元件可以与上述那些基本相似。
132.如图29的平面图所示，翼型10、11、12可以移动到这样一种配置，其中来自第一翼型10的后缘的流被引导朝向第二翼型11的前缘，而来自第二翼型元件11的后缘的流被引导朝向第三翼型元件12的前缘。应当注意，多个翼型形成具有弧形形状的阵列，如图1-3的布置中所示的。因此，在第一翼型元件10处冲击在阵列上的气流被连续引导到第二和第三翼型元件，并且围绕阵列流动。应当理解，在阵列中，每个翼型元件提供沿从弧形阵列的凹侧到凸侧的向量的升力。
133.在图28和29所示的布置中，翼型不像图1-3的布置那样安装到共同的端板上，而是每个翼型在其翼展的每一端都有其各自的端板，翼型安装在其各自的端板上。也就是说，第一翼型元件10安装在两个第一端板10e之间，第二翼型元件11安装在两个第二端板11e之间，第三翼型元件12安装在两个第三端板12e之间。第二端板12e可以连接到主翼梁14以及第二翼型元件12，或第二端板12e可以连接到第二翼型元件12(如上所述)。第一和第三翼型元件(分别为10x和12x)的旋转轴线在图28中用虚线表示。
134.如图29中可见，第一端板和第二端板围绕枢轴点相互铰接，从而将第一翼型元件10连接到第二翼型元件11并提供第一翼型元件的旋转轴线10x。同样，第二端板和第三端板围绕枢轴点彼此铰接，从而将第三翼型元件12连接到第二翼型元件11并提供第三翼型元件的旋转轴线12x。
135.从图29将注意到，端板的形状可以与翼型元件的横截面形状相似，或者可以具有不同的形状。端板的形状可以根据空气动力学和/或结构考虑来选择。例如，第一端板10e在平面图中具有与第一翼型元件10的截面形状相似的形状，第一翼型元件的前缘延伸超过第一端板10e，并且第一端板10e具有额外的突起。第二端板11e具有六边形形状，第二翼型元件定位在六边形形状内。第三端板12e延伸超过第三翼型元件的前缘以接合第二端板11e。
136.应当理解，图28和29中所示的端板的特定布置仅仅是示例性的，其他布置也是可能的。例如，也可以采用用于所有三个翼型元件的单个端板，类似于以上关于图1和图2描述的端板。
137.应当注意，在这种布置中，第一翼型元件10的枢轴点(以及因此其旋转轴线10x)位于第一翼型元件的前缘和后缘之间。特别地，枢轴点朝向第一翼型元件的后缘定位。还将注意到，在这种布置中，第三翼型元件的枢轴点(以及因此其旋转轴线12x)位于第二翼型元件11的前缘和后缘之间。换句话说，第三翼型元件的枢轴点位于第三翼型元件的外侧。特别地，枢轴点位于第二翼型元件的后缘区域中。可以选择枢轴点，以提供组合翼型阵列的整体拱曲度的最佳形状。当布置在最佳升力构造中时，枢轴点的位置也可以与每个元件的投影的翼弦线的交点重合。上述枢轴点的布置可以允许在翼帆的正常操作位置处提供高升力，同时允许方便地反转拱曲度。
138.在图28和29的布置中，与图1-3中所示的布置相反，阵列的拱曲度可以通过仅移动两个翼型来反转(或倒置)。具体地，第一翼型元件10相对于第二翼型元件11移动，并且第三翼型元件12相对于第二翼型元件11移动。每个翼型元件的运动是围绕第一和第三翼型元件的相应轴线的旋转。
139.图30-32中示出了翼型的运动，以改变或反转阵列的整体拱曲度(并因此改变翼帆的航向)，其中为了便于理解，省略了翼型的支撑结构。
140.图30示出了抢风调向过程之前的翼型元件，图31示出了抢风调向过程中的翼型元件，图32示出了抢风调向过程完成后的元件(并且拱曲度已经反转)。应当理解，该示例是示意性的，并且运动的精确顺序不必如下所述。例如，第一和第三元件可以同时移动，也可以在不同时间移动。
141.图33显示了一个完整的抢风调向过程，视风向反转。应当注意，位置2-4与图30-32中所示的位置基本相似，并且反映了上述关于这些图的运动。位置1和5示出了整个翼帆也可以独立于单个翼型旋转(相对于安装翼帆的船只)。也就是说，在位置1和2之间，翼帆本身逆时针旋转以开始抢风调向，而在位置4和5之间，翼帆本身同样逆时针旋转以结束抢风调向。这可以例如通过旋转主翼梁14来实现，如上文关于其他布置所描述的。
142.在图30-32所示的顺序中，第一翼型元件10相对于第二翼型元件11沿顺时针方向旋转约70度。第三翼型元件12相对于第二翼型元件11沿逆时针方向旋转约50度。然而，应当理解，这些值仅是示例的，并且旋转量可以根据翼帆的整体拱曲度的形状而变化。一般来说，第一翼型元件10旋转的角度不超过110度，优选地不超过90度。第三翼型元件12旋转的角度不超过110度，优选地不超过90度。通过小于110度、优选地小于90度的角度的旋转，结合第一和第三元件在相反的角度方向(即，顺时针和逆时针)的旋转，可以允许翼帆的拱曲度被反转，同时最小化各个部分的运动。这继而可以降低制造成本和/或提高可靠性。
143.应当注意，在图31所示的布置中，第一、第二和第三翼型元件中的每一个的翼弦线彼此平行，使得三个翼型元件处于“首尾相连”线上。这是由于第二元件的旋转轴线位于在第一和第三元件的轴线之间延伸的平面中。这与上面图1-8中所示的布置形成对比，其中第二元件的旋转轴线相对于在第一和第三元件的轴线之间延伸的平面偏移。
144.尽管图31的布置被示为上述反转翼帆的拱曲度的过程中的中间步骤，但这种构造也可以被翼帆采用作为风向标构造，其中所有翼型元件与视风对齐。在这样的构造中，因为每个翼型元件都与视风对齐，并且没有整体拱曲度，所以基本上不产生升力。翼型移动到风向标构造的方式可以与上述相同。
145.图34-36示出了图30-32的枢转顺序，其中翼型元件可以围绕其枢轴点枢转，并且还示出了第一和第三翼型元件的端板。这提供了另一个说明，即，在这种布置中，第一翼型元件的旋转轴线位于第一翼型元件的前缘和后缘之间，并且第三翼型元件的旋转轴线位于第二翼型元件的前缘和后缘之间。
146.应当理解，枢轴位置的其他布置可能与上述那些和图28-36中所示的布置是相同的。例如，第一翼型元件的旋转轴线可以在第一翼型元件内部，并且第三翼型元件的旋转轴线可以在第三翼型元件内部。在另一种布置中，第一翼型元件的旋转轴线可以在第一翼型元件外部(并且可以在第二旋转元件内部)，并且第三翼型元件的旋转轴线可以在第三翼型外部(并且可以在第二旋转元件内部)。在又一布置中，第一翼型元件的旋转轴线可以在第
一翼型元件的外部(并且可以在第二旋转元件的内部)，并且第三翼型元件的旋转轴线可以在第三翼型元件的内部。同样，如上所述，当翼帆在两个航向上时，可以选择枢轴点以便限定所需的拱曲度的整体形状。在这些旋转轴位于这些布置中的特定元件内部时，它们可以位于上述翼弦长的百分比处。
147.在任何上述构造中，可以以任何组合将另外的空气动力学装置添加到一个或多个翼型。例如，一个或多个翼型可以包括前缘缝翼。即，可在一个或多个翼型的前缘处提供可移动部分以增加翼型的升力。此外，可以提供边界层栅栏。也就是说，可以提供在平行于翼型的翼弦的方向上伸长的固定装置以减少或防止延翼展方向的气流。
148.翼帆1的各种部件可以由任何合适的材料形成，下面给出了这样的示例。还应理解，以下列出的各种材料可以组合。翼型元件和主翼梁的结构元件可以由钢壳或实心钢筋或诸如铝的另一种金属合金形成，或包括钢壳或实心钢筋或诸如铝的另一种金属合金。这些元件也可以由诸如碳或无碱玻璃等结构复合材料形成，或包括诸如碳或无碱玻璃等结构复合材料，并且可以用热固性树脂固化。类似地，基板和端板的结构元件可以由钢壳或实心钢筋或诸如铝的另一种金属合金形成，或包括钢壳或实心钢筋或诸如铝的另一种金属合金。结构元件也可以由诸如碳或无碱玻璃等结构复合材料形成或包括诸如碳或无碱玻璃等结构复合材料，该结构复合材料可以用热固性树脂固化。
149.翼型元件可以由结构中心部分和非结构前缘和后缘整流罩形成，或包括结构中心部分和非结构前缘和后缘整流罩，该整流罩可以由诸如碳或无碱玻璃等复合材料形成或包括诸如碳或无碱玻璃等复合材料，该复合材料可以用热固性树脂固化。这些复合部件可以形成为两块或多块，随后粘合或固定在一起。或者，翼型元件可以是具有或不具有内部结构框架的单体壳。
150.金属结构和连接部件可以使用增材制造技术制造、挤压、铸造或印刷。复合部件可以使用真空灌注、预浸成型或湿法叠层(人工或机器人)制造。
151.机翼的尺寸可能因应用而异。在本发明的一个实施例中，翼帆可以安装到吃水线长度约为200m的散货船上。与这种船一起使用的翼帆的每个翼型元件可以具有超过30m的跨度和大于5m的翼弦长，元件的底部也可以从甲板升起。然而，应当理解，本发明的翼帆的尺寸不限于此，并且可以具有任何适合于将它们安装在其上的船只的尺寸。
152.应当理解，翼帆的各个部分的运动可以通过任何合适的致动装置产生。在本发明的一个实施例中，主翼梁通过甲板连接并延伸到船体的主体中。主翼梁可以在轴承装置上围绕其轴线枢转，以允许翼梁沿任一方向旋转360度。主翼梁的旋转位置可以通过一个或多个回转环和蜗杆传动齿轮系统来改变，该系统作用在抵靠船的结构的主翼梁的轴线上。
153.在本发明的另一实施例中，主翼梁通过一个或多个直接安装的旋转致动器旋转。在本发明的又一实施例中，附接到船舶结构的一个或多个线性致动器可以操作主翼梁上的杠杆臂，从而移动主翼梁。在所有上述布置中，用于移动翼帆部分的能源可以通过液压或气动压力的动态累积或直接电输入来提供。
154.第一和第三翼型元件10、12可以使其垂直轴线相对于主翼梁的轴线固定，但能够独立于由基板15和/或端板16内的一个或多个轴承支撑的主翼梁旋转。第一翼型和第三翼型可以通过以下任一方式定位：a)回转环和蜗杆驱动装置，b)一个或多个直接安装的旋转致动器，和c)一个或多个附接到基板和/或端板的线性致动器以操作翼梁上的杠杆臂或线
性齿轮装置，或它们的任何组合。提供致动的部件可以容纳在基板15和端板16的一个或两个中，或者可以容纳在翼型元件本身中。
155.基板15和端板16可以通过顶部和底部轴承连接到主翼梁，并且第一和第三翼型元件10和12可以以类似的方式连接到基板和端板。
156.翼帆1可以与控制系统装置组合以控制翼帆。即，控制系统可以控制翼梁、翼型元件中的一些或全部的旋转，以及端板和底板的旋转。控制系统可以自动控制翼帆，例如，响应于测量的风况，或者基于用户的输入。因此，控制器还可以布置成通过命令上述翼型运动来反转或倒置阵列的拱曲度。控制器还可以设置成通过例如调整翼型元件的旋转来控制上述狭槽的尺寸。控制系统可以与船只本身的控制系统集成。
157.如本文所述的翼帆可以各自能够在宽范围的风况下产生显着量的推力。在本发明的一个实施例中，其中三个翼帆被改装到前述散货船，在某些风速和角度下，在不使用发动机的情况下，翼帆能够产生足够的推力来推进船。
158.前面描述的翼帆和散货船布置可能能够显着减少船舶的年燃料消耗和温室气体排放，尤其是与路线优化软件结合使用时。如果船舶配备改进的附件，如中插板或背风板，翼帆可能能够减少更多的年燃料消耗和温室气体排放。
159.对推力和减少燃料消耗和温室气体排放的评估是基于对使用和不使用翼帆的船舶的若干全球航线的模拟。在六年的历史天气数据中，使用数千个不同的开始日期来重复模拟，以获得典型的平均年燃料节约率。这些模拟考虑了作用在船和翼帆上的全部水动力和空气动力和力矩。
160.本文还提供了一种控制动力船只的翼帆的方法，该翼帆包括第一翼型元件、第二翼型元件和第三翼型元件，其中每个翼型元件可围绕轴线旋转并且具有面积中心比其后缘更靠近其前缘的翼型截面。该方法包括将翼型移动到这样的配置，其中来自第一元件或第三元件中的一个的后缘的流被引导朝向第二元件的前缘，而来自第二元件的后缘的流被引导朝向第一元件或第三元件中另一个的前缘。在一些布置中，翼型元件布置成阵列以一起形成弧形，并且该方法可以包括移动至少两个翼型元件以反转(或倒置)弧形的拱曲度。运动尤其可以是上述运动中的任何一种。
161.本领域技术人员应当理解，虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例性实施例。取决于设计要求和其他因素，可以发生各种修改、组合、子组合和变更，只要它们在所附权利要求或其等价物的范围内。来自本公开的任何示例或实施例的特征可以与来自本公开的任何其他示例或实施例的特征组合。