一种被动式风帆转动控制装置

本发明涉及船舶风帆助航，尤其涉及一种被动式风帆转动控制装置。

背景技术：

1、船舶风帆助航是一种利用风力来提高船舶的动力和节省燃料的技术，船舶风帆助航的优点是可以减少船舶的油耗和排放，提高船舶的航速和稳定性，降低船舶的运营成本和维护费用。船舶风帆助航的原理是在船舶的甲板上安装一个或多个可旋转的风帆，根据风向和风速，自动调节风帆的角度和位置，从而为船舶提供额外的推力。无论是软帆还是硬帆，在与风向成一定夹角时（或称之为攻角），将在帆面上产生升力与阻力，升力与阻力在船舶航行方向上的分力之和即为推进船舶前进的推力。现有的风帆的如图1所示，所述风帆100包括桅杆110及帆布120，所述桅杆110的下端转动安装于船体1上，所述帆布120固设于所述桅杆110的上端。

2、假如桅杆可以自由旋转，那么风帆会像旗帜一样自动偏转到顺风位置，即力矩最小的位置，但此时攻角为零，风帆不产生推力。若要使风帆产生推力，需要对桅杆或帆面施加额外的反向力矩，使之与风向形成攻角。反向力矩可主动产生，例如采用伺服电机进行控制，也可以被动产生，例如采用额外的副帆。现有的风帆助航装置（如申请号为202111500132.7 中公开的一种活动式风帆及风帆调整方法）采用伺服电机主动控制风帆的转动，需要消耗电能或化学能等能量获得驱动风帆转动的力，因而不利于提高节能减排效果，另外采用额外的副帆控制风帆转动，因为其转帆阻尼通常是恒定值，在小风向角时难以启动，而在大风向角时容易过载，因此，亟需一种被动式风帆转动控制装置，实现对风帆角度的被动式调节。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种被动式风帆转动控制装置，解决现有技术中风帆助航装置若采用伺服电机主动控制风帆的转动，不利于提高节能减排效果，若采用额外的副帆控制风帆转动，则在小风向角时难以启动，在大风向角时容易过载的技术问题。

2、为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种被动式风帆转动控制装置, 包括：

3、两个控帆机构，均自上而下间隔设置于桅杆的侧方，分别用以调控所述桅杆顺时针和逆时针转动的角度，其包括固定于船体上的基板、若干个挡块、若干个弹性件及档杆组件，各个所述挡块均沿着所述桅杆的径向间隔且滑动设置于所述基板上，并能以所述桅杆的轴心为圆心做弧形运动，各个所述弹性件与各个所述挡块一一对应，所述弹性件的两端分别与所述基板和所述挡块固定连接，以使所述挡块位于初始位置，各个所述挡块的初始位置均由内向外依次朝向所述弹性件的拉伸弹力方向偏移，所述档杆组件的一端与所述桅杆固定连接，在所述桅杆转动的过程中，所述档杆组件用于依次挤压各个所述挡块。

4、进一步的，所述基板水平设置，所述基板上由内向外依次开设有若干个弧形结构的导向通槽，各个所述导向通槽的圆心均与所述桅杆的轴心重合，各个所述挡块与各个所述导向通槽一一对应，所述挡块滑动贯穿所述导向通槽，所述弹性件设置于所述导向通槽内。

5、进一步的，所述档杆组件包括两个档杆，两个所述档杆均沿着所述桅杆的径向自下而上水平设置，两个所述档杆的一端均与所述桅杆固定连接，两个所述档杆分别用于挤压所述挡块的上端和下端。

6、进一步的，所述控帆机构还包括若干个导向曲杆，各个所述导向曲杆与各个所述导向通槽一一对应，所述导向曲杆设置于所述导向通槽内，所述导向曲杆的两端均与所述基板固定连接，所述弹性件绕设于所述导向曲杆上，所述挡块滑动套设于所述导向曲杆上。

7、进一步的，所述弹性件为弹簧。

8、进一步的，所述控帆机构还包括若干个密封膜，各个所述密封膜与各个所述导向通槽一一对应，用于对所述导向通槽上方的开口和下方的开口进行封堵，所述密封膜为可形变结构。

9、进一步的，所述基板上还开设有用以供所述桅杆穿过的通孔，各个所述导向通槽的圆心均与所述通孔的圆心重合。

10、进一步的，所述被动式风帆转动控制装置，还包括阻尼机构，所述阻尼机构设置于所述桅杆的侧方，所述阻尼机构与两个所述控帆机构相对，并位于两个所述控帆机构之间，所述阻尼机构用以牵拉所述桅杆的转动。

11、进一步的，所述阻尼机构包括固定杆、套筒、带孔活塞及内杆，所述固定杆竖直设置，并固定于船体上，所述套筒内用于盛装阻尼液，所述套筒的一端与所述固定杆的上端铰接，所述带孔活塞密封滑动设置于所述套筒内，所述内杆的一端与所述带孔活塞固定连接，所述内杆的另一端密封滑动穿过所述套筒的另一端并伸出至所述套筒的外部，所述内杆的另一端用以与所述桅杆铰接。

12、进一步的，所述基板为扇形结构，所述基板的圆心与所述桅杆的轴心重合，所述基板的半径小于所述固定杆到所述桅杆的距离。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果包括：在使用时，外界风力吹动帆布，使得桅杆产生顺时针转动或者逆时针转动，并带动档杆组件顺时针转动或者逆时针转动，档杆组件会依次挤压各个挡块，各个挡块会挤压对应的弹性件，使得弹性件处于压缩状态，风帆在风力和弹性件压缩弹力的作用下达到平衡，与风向形成一定夹角，即风帆攻角，从而产生升阻力，实现推力助航的效果，在这个过程中不消耗任何能源，实现零功耗转帆操作，达到较好的节能减排效果，由于各个挡块的初始位置均由内向外依次朝向弹性件的拉伸弹力方向偏移，使得桅杆在转动的过程中，档杆组件依次挤压各个挡块，解决了微风或较小风向角时因启动力较小无法转帆的问题，也兼顾了大风或较大风向角时系统过载的问题，各个弹性件也可互为备份，提高系统的鲁棒性。

技术特征：

1.一种被动式风帆转动控制装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的被动式风帆转动控制装置，其特征在于，所述基板水平设置，所述基板上由内向外依次开设有若干个弧形结构的导向通槽，各个所述导向通槽的圆心均与所述桅杆的轴心重合，各个所述挡块与各个所述导向通槽一一对应，所述挡块滑动贯穿所述导向通槽，所述弹性件设置于所述导向通槽内。

3.根据权利要求2所述的被动式风帆转动控制装置，其特征在于，所述档杆组件包括两个档杆，两个所述档杆均沿着所述桅杆的径向自下而上水平设置，两个所述档杆的一端均与所述桅杆固定连接，两个所述档杆分别用于挤压所述挡块的上端和下端。

4.根据权利要求2所述的被动式风帆转动控制装置，其特征在于，所述控帆机构还包括若干个导向曲杆，各个所述导向曲杆与各个所述导向通槽一一对应，所述导向曲杆设置于所述导向通槽内，所述导向曲杆的两端均与所述基板固定连接，所述弹性件绕设于所述导向曲杆上，所述挡块滑动套设于所述导向曲杆上。

5.根据权利要求4所述的被动式风帆转动控制装置，其特征在于，所述弹性件为弹簧。

6.根据权利要求2所述的被动式风帆转动控制装置，其特征在于，所述控帆机构还包括若干个密封膜，各个所述密封膜与各个所述导向通槽一一对应，用于对所述导向通槽上方的开口和下方的开口进行封堵，所述密封膜为可形变结构。

7.根据权利要求2所述的被动式风帆转动控制装置，其特征在于，所述基板上还开设有用以供所述桅杆穿过的通孔，各个所述导向通槽的圆心均与所述通孔的圆心重合。

8.根据权利要求1所述的被动式风帆转动控制装置，其特征在于，还包括阻尼机构，所述阻尼机构设置于所述桅杆的侧方，所述阻尼机构与两个所述控帆机构相对，并位于两个所述控帆机构之间，所述阻尼机构用以牵拉所述桅杆的转动。

9.根据权利要求8所述的被动式风帆转动控制装置，其特征在于，所述阻尼机构包括固定杆、套筒、带孔活塞及内杆，所述固定杆竖直设置，并固定于船体上，所述套筒内用于盛装阻尼液，所述套筒的一端与所述固定杆的上端铰接，所述带孔活塞密封滑动设置于所述套筒内，所述内杆的一端与所述带孔活塞固定连接，所述内杆的另一端密封滑动穿过所述套筒的另一端并伸出至所述套筒的外部，所述内杆的另一端用以与所述桅杆铰接。

10.根据权利要求9所述的被动式风帆转动控制装置，其特征在于，所述基板为扇形结构，所述基板的圆心与所述桅杆的轴心重合，所述基板的半径小于所述固定杆到所述桅杆的距离。

技术总结
本发明公开了一种被动式风帆转动控制装置，其包括两个控帆机构，两个所述控帆机构均自上而下间隔设置于桅杆的侧方，分别用以调控所述桅杆顺时针和逆时针转动的角度，其包括固定于船体上的基板、若干个挡块、若干个弹性件及档杆组件，各个所述挡块均沿着所述桅杆的径向间隔且滑动设置于所述基板上。本发明的有益效果是：风帆在风力和弹性件压缩弹力的作用下达到平衡，与风向形成一定夹角，即风帆攻角，从而产生升阻力，实现推力助航的效果，在这个过程中不消耗任何能源，实现零功耗转帆操作，达到较好的节能减排效果，解决了微风或较小风向角时因启动力较小无法转帆的问题，也兼顾了大风或较大风向角时系统过载的问题。

技术研发人员：曾青松,周越,蔡薇,徐俊辉
受保护的技术使用者：武汉理工大学三亚科教创新园
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22