专利名称：翼帆及其使用方法
技术领域：
本发明涉及诸如轮船、小船、游艇、帆板等帆船的翼帆，尤其是涉及具有一机翼形状的一翼帆。
航行领域既有传统的又有非传统的翼帆设计。某些这种装置具有如飞机机翼的形状。例如，由Joachim Schult提交的“新奇的游艇发明”(ISBN 0-808-2104-1)公开了几种机翼形状的翼帆设计。图56和57表示一可充涨的翼帆，以形成一机翼形状。图73表示具有刚性船翼来替代织物翼帆的Dyna轮船，并且这些船翼是从船桥通过遥控来操作。它们设置在空心的可变椭圆部段的单件桅杆上。船翼大约为梯形形状，并且类似于蜗轮的桨叶，其迎风面设置成减少的角度。图74表示一个三体帆船，当该船在港时，其五个垂直的船翼可以折叠。28英尺长的原型的迎风角度近似为6°，而织物翼帆小船的为20°。尽管其翼帆面积为323平方英尺，这相对于船体重量来说是较大的，但帆船不能倾覆，因为风向总是以最佳的角度吹向翼帆。整套船翼总是以这样的角度面向风，以至于以最小的阻力产生最大的驱动。图75包括一可调节轮廓的船翼，其上连接有一织物翼帆。使用该装置，游艇驾驶者可确定最有利的轮廓，其以最大的驱动产生最小的阻力。图77包括一改进的船翼设计，其允许有选择地改变翼帆的曲率。图83表示一推进系统，其中绕一公共轴线旋转的几个船翼被安装在一转盘上。图86和87表示一转动船翼，其也前、后和横向移动。该设计减少旋转轴的流体动压力和便于翼帆的平衡。图88包括一多船翼翼帆，其在平行支柱的协助下可以相对于中央的一个前、后移动两个外侧的船翼，而不会显著地改变入射角度。图89包括绕一垂直轴线自由的转动的船翼。设置一风向标来左转或右转，并且由此在翼帆的凸出侧产生负压，其中翼帆本身以迎风角度设置，因而产生驱动力。由C.J.Satchwell编辑出版的于1985年4月24～25日在英国南安普顿召开的“风船技术国际研讨会—风船技术论文集(Windtech’85)”，ISBN 0444425330(套)，LCCN 85016170//r88，公开了多种翼帆，大多是用于大型轮船的刚性结构。
本发明是针对帆船的机翼形翼帆，其具有一机翼的形状，从而产生类似于一飞机机翼升力的一推力。通过使用一可动桅杆，本发明具有在其两侧的任一侧都呈一机翼形状的独特性质。即，根据风相对于翼帆的方向，可动桅杆被风推向翼帆的背风层，从而将背风侧转换为一机翼的较长的侧。机翼形状造成被用来推进帆船的一推力。此外，通过对迎风冲角(迎风角度)的一较小的改变，背风侧也改变，机翼形状逆转，并且推力的方向迅速地和戏剧性地变化。
本发明具有相对于传统翼帆的许多优点。本发明允许以非常小的冲角非常“靠近于风”地航行，从而显著地降低了阻力。最大的推力是在大约10～20°的冲角范围内建立起来。此外，本发明翼帆的高度可以仅为传统翼帆的30～40％。因为本发明的翼帆较短，因此由风所产生的倾斜力矩也就小。这允许既减少压舱物，又获得一流线型的船体设计，获得一更大的船速。而且，由于较短的翼帆，因此翼帆的推力水平地指向。这与传统的帆船正相反，其中传统的帆船侧倾并因而垂直地消耗了一些航行力。
根据本发明的一优选实施例，一前端桅杆被连接到一大致共面的后端桅杆上，从而限定一翼帆平面。一可动桅杆设置在该前端桅杆和后端桅杆之间。该可动桅杆大致平行于翼帆平面。前端桅杆、可动桅杆和后端桅杆被翼帆织物的一外壳横向地包覆。可动桅杆可以沿大致垂直于翼帆平面的一方向移动。
根据本发明的一重要的方面，前端桅杆、后端桅杆和可动桅杆大致平行，并且前端桅杆与后端桅杆隔开一预定距离。
根据本发明的一重要特征，至少一个横向凸肋连接前端桅杆和后端桅杆，该横向凸肋大致垂直于前端桅杆。
根据本发明的另一重要方面，横向凸肋可纵向调节，从而所述的预定距离可以有选择地改变。
根据本发明的另一重要特征，前端桅杆具有一第一长度，后端桅杆具有一第二长度，可动桅杆具有一第三长度，和外壳具有一第四长度，其中第一长度大于第二长度，第二长度大于第三长度，而第三长度则大致等于第四长度。
根据本发明的另一重要方面，前端桅杆具有邻接外壳的一弯曲的前端边缘。
根据本发明的另一特征，前端桅杆具有一大致圆形横截面。
根据本发明的另一方面，后端桅杆具有邻接外壳的一大致V形的后端边缘。
根据本发明的另一特征，与离后端桅杆相比，可动桅杆位于更靠近前端桅杆的位置。
根据本发明的一方面，前端桅杆具有一纵向轴线。
一转动装置被连接到前端桅杆上，从而前端桅杆可以有选择地绕纵向轴线转动。
根据本发明的另一重要特征，外壳具有形成一第一外表面的一第一侧和形成一第二外表面的一相对的第二侧。可动桅杆具有凸起地弯曲的一第一侧和凸起地弯曲的相对的一第二侧。
根据本发明的一特征，可动桅杆的凸起地弯曲的第一侧被连接到外壳的第一侧上；和可动桅杆的凸起地弯曲的第二侧被连接到外壳的第二侧上。
根据本发明的一重要方面，当风吹向第一外侧表面上时，可动桅杆沿着大致垂直于翼帆平面的一方向被推向外壳的第二侧，从而将第二外侧表面转换成一机翼的一弯曲侧。
根据本发明的一重要特征，当风吹向第二外侧表面上时，可动桅杆沿着大致垂直于翼帆平面的一方向被推向外壳的第一侧，从而将第一外侧表面转换成一机翼的一弯曲侧。
根据本发明的一方面，可动桅杆具有一大致蛋形横截面。
根据本发明的一特征，前端桅杆具有垂直于翼帆平面测量的一第一厚度。可动桅杆具有垂直于翼帆平面测量的一第二厚度，该第二厚度大于第一厚度。
通过结合附图由下列详细描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中所作的详细描述是以示例的方式叙述本发明的原理。
图1是根据本发明的一翼帆的一透视图；图2是沿图1的2-2线的一放大的剖视图；图3是图1的区域3的一放大的局部侧视平面图；图4是表示翼帆如何形成一机翼形状的一放大的剖视图；图5是表示翼帆如何形成一反向机翼形状的另一放大的剖视图；图6是推力相对于迎风角度的一曲线图；图7A、7B和7C是表示在一帆船中所使用的翼帆逆风时的顶视图；图8A、8B和8C是表示在一帆船中所使用翼帆的顺风时的顶视图；图9是表示使用翼帆来制动或减慢一帆船时翼帆的顶视图；图10是垂直地安装在一帆船上的多个翼帆的一侧视图；图11是垂直地安装在一帆船上的多个翼帆的一顶视图12表示用于转动前端桅杆和保持多个翼帆的平面平行的一转动装置。
首先参照图1和2，其分别示出了根据本发明的一翼帆的透视图和放大的剖视图，该翼帆大体上由20表示。翼帆20包括一前端桅杆22和一后端桅杆24。前端桅杆22和后端桅杆24基本上共面，并且限定一翼帆平面26。一可动桅杆28设置在前端桅杆22与后端桅杆24之间。可动桅杆28大致平行于翼帆平面26，并且可以在大致垂直于翼帆平面26的一方向移动。参照图2，可动桅杆28既可沿方向23、也可沿方向25移动。前端桅杆22、可动桅杆28和后端桅杆24由一翼帆织物外壳30横向地包覆着，从而形成一双侧的柔性表面翼帆20，其形状大体上类似于一机翼。外壳30具有构成一第一外表面32的一第一侧，和形成一第二外表面34的一相对的第二侧。应注意到这里所使用的术语“翼帆织物”广泛地包括任何织物材料、纤维、合成物等，其适于制成一翼帆。在一优选的实施例中，前端桅杆22、后端桅杆24和可动桅杆28基本上都是平行的，而前端桅杆22与后端桅杆24隔开一预定的距离D。(还参照图3)距离D限定了翼帆20的弦长或宽度。而且在一优选实施例中，至少一个横向凸肋36将前端桅杆22连接到后端桅杆24。在所示的实施例中，采用了两个横向凸肋36和38。横向凸肋36和38大致垂直于前端桅杆22，并且纵向可调节，从而可以有选择地改变预定的距离D。通过增大预定的距离D，外壳30就绕前端桅杆22、可动桅杆28和后端桅杆24绷紧。这调节外壳30的张力，从而当可动桅杆28由风而被推向一侧或另一侧时，外壳形成合适的机翼形状。
由图1可看出，前端桅杆22具有一第一长度，后端桅杆24具有一第二长度，可动桅杆28具有一第三长度，而外壳30具有一第四长度，其中第一长度大于第二长度，第二长度大于第三长度，而第三长度基本上等于第四长度。参照图2，前端桅杆22具有一弯曲的或圆形的前端边缘40，其抵靠于外壳30上。当使用翼帆20时，其前端桅杆22就转向风向，从而弯曲的前端边缘40产生小的风阻，类似于飞机机翼的前端边缘。在一优选实施例中，前端桅杆22具有一大致圆形横截面。另一方面，后端桅杆24具有一大致V形边缘42，其抵靠于外壳30上，其中V形的底背离风向。在一优选实施例中，后端桅杆24具有一大致楔形的横截面。
为了形成一最佳的机翼形状，与离后端桅杆24相比，可动桅杆28应当位于更靠近前端桅杆22处。在一优选实施例中，可动桅杆28位于离前端桅杆22在弦长D的大约1/3～1/4处。为了调节翼帆20相对于风向的方位，一转动装置被连接到前端桅杆22上，从而前端桅杆22和因而翼帆20可以绕前端桅杆22的纵向轴线44有选择地转动(还参照图12)。在图1中，前端桅杆22可以在任一方向46或48绕纵向轴线44有选择地转动。该转动装置可以是机械或电子控制的，并且可以在任何方便的位置连接到前端桅杆22上。在一优选实施例中，转动装置的连接位于前端桅杆22的底部。
参照图2，外壳30具有构成一第一外表面32的一第一侧，和形成一第二外表面34的一相对的第二侧。可动桅杆28具有一凸起地弯曲的第一侧50和一相对的凸起地弯曲的第二侧52。可动桅杆28的凸起的弯曲的第一侧50被连接到外壳30的第一侧上，桅杆28的凸起地弯曲的第二表面52被连接到外壳30的第二侧上。应当在可动桅杆22的顶部和底部处进行连接，每两处连接点之间为1～3米。该连接可以用任何方便的方式进行，例如粘合、钉合、缝合、Velcro等。在一优选实施例中，可动桅杆28具有一大致蛋形横截面，其较厚侧面向前端桅杆22。前端桅杆22具有垂直于翼帆平面26测量的一第一厚度T1，而可动桅杆28则具有也垂直于翼帆平面26测量的一第二厚度T2。为了使外表面50和52形成一最佳的机翼形状，可动桅杆28的厚度T2应当略大于前端桅杆22的厚度T1。例如，如果前端桅杆22为10厘米厚，则可动桅杆28应当为12～15厘米厚。
现参照图4，示出了如何将翼帆20形成一机翼形状的一横截面视图。当相对于翼帆平面26的冲角为A°的风600吹向第二外表面34时，可动桅杆28沿大致垂直于翼帆平面26的一方向54被推向外壳30的第一侧。因此可动桅杆28的第一弯曲表面50推靠到外壳30的第一侧上，并且将第一外表面32转换成一机翼的弯曲的或较长的侧。理想的是，可动桅杆28的迎风侧(在该例子中是52侧)将仅在一个位置接触外壳30的第二侧，而第二外表面34将形成一机翼的大致笔直的或较短的侧。如果第二外表面34向里弯，则可调节的凸肋36和38可以被增长，以在外壳30获得合适的张紧，从而获得第二外表面34的合适的大致笔直的形状。可注意到当第一外表面32被可动桅杆28向外弯曲时，外壳30可在产生机翼的弯曲侧时绕前端桅杆22的边缘40滑动。另外，翼帆织物也可略微拉紧，以允许形成机翼形状。由于形成的机翼的弯曲侧32比笔直侧34长，因此由伯努利原理而产生压力差，并且沿方向54产生一推力。这当然类似于由飞机的机翼所产生的升力。
现参照图5，示出了表示形成一相对方向的机翼形状的翼帆20的另一横截面视图。当相对于翼帆平面26的冲角为A°的风600吹向第一外表面32时，可动桅杆28沿大致垂直于翼帆平面26的一方向56被推向外壳30的第二侧。因此可动桅杆28的第二弯曲表面52推靠到外壳30的第二侧上，并且将第二外表面34转换成一机翼的弯曲的或较长的侧，而将第一外表面32转换成一机翼的笔直的或较短的侧。
图6表示由翼帆20所产生的作为冲角A°函数的推力。可注意到对于在大约10°～20°之间的冲角A°，推力最大。当冲角A°接近零度时，可动桅杆28没有被推向外壳30的任一侧，并且不会产生机翼形状或推力。类似地，当冲角A°接近大约50～60°时，绕翼帆20的气流将变得太紊乱而不能产生一推力。
图7A、7B和7C是表示在逆风(迎风)时一帆船500上所使用的翼帆20的顶视图。作为第一步，允许前端桅杆22自由地转动，从而翼帆平面26与风向600对齐。然后在每一情况中，翼帆20的前端桅杆22被选择地转动，从而翼帆平面26形成在大约10～20°之间的迎风冲角A°，由此获得一最大的推力54。可注意到在风600吹入船首501内时，由翼帆20所产生的推力54指向船首501，从而船500可以向前运动。在图7A中推力54具有沿船500的中心线指向船首501的一纵向分量55。可注意到在此使用时，正的冲角A°造成大体上指向帆船500的船首501的推力54，而负的冲角A°则造成大体上指向帆船500的船尾502的推力54。
图8A、8B和8C是表示在顺风时在帆船500上所使用的翼帆20的顶视图。再次转动翼帆20的前端桅杆22，从而翼帆平面26形成在大约10～20°之间的一冲角A°。在图7和8中，前端桅杆22被连续地有选择地转动，从而冲角A°被保持在大致10～20°之间，并且在翼帆20上产生一推力54，其纵向分量指向帆船500的船首501。
图9是翼帆20在用来制动或减慢一帆船500时的一顶视图。这是本发明的一非常独特和重要的特性。在图8A中，翼帆20被转动成与风600对齐，从而在船首501的总体方向产生一最大的推力54。但是，如果某种原因需要快速地减慢船500该怎么办？对于本发明，如图8A所示，通过简单地逆时针转动前端桅杆22和因而转动翼帆平面26大约20～40°(转向大约在-10～-20°之间的一冲角A°)，就可以戏剧性地改变推力54，从而其大体上指向帆船的船尾502，并且帆船500因而迅速地减慢。即，为了减慢，快速地转动前端桅杆22，从而冲角A°被保持在大致-10～-20°之间，并且在翼帆20上产生推力54，其纵向分量55沿着帆船的中心线指向帆船500的船尾502。
图10是垂直地安装在一帆船500上的多个翼帆20的一侧视图。可以利用水平杆或支柱505来提供对较长的翼帆20的附加支撑。
图11是垂直地安装在一帆船500上的多个翼帆20的一顶视图。翼帆20同时地转动，从而所有的翼帆20和翼帆平面26都连续地平行，并且所产生的推力都是平行的。
图12表示用于转动前端桅杆22和保持多个翼帆20的翼帆平面26平行的一转动装置。在所示的实施例中，多个齿形皮带轮510被连接到帆船500的舱顶上。每一皮带轮510可移动地容纳一翼帆20的前端桅杆22。一链条512将皮带轮510连接到一操作轮514上。当操作轮514转动时，所有的皮带轮510都一致地转动，从而保持所有的翼帆平面26都平行。可以在操作轮514内装入一离合机构，其允许操作轮514和因而允许皮带轮510自由地转动。这将导致所有的翼帆20都与风对齐。当然，也可利用其它的机械方法来使翼帆20平行一致地转动。或者，也可采用一同步马达驱动系统。
前端桅杆22和后端桅杆24可以由铝、复合材料或者甚至木制的轴来制造。但是，可动桅杆28最好由诸如聚氨酯、空心塑料管或“泡沫尼龙”之类的轻质材料来制造。在一变化的实施例中，后端桅杆24可以是一拉紧的缆索(taut cable)而不是一实心桅杆。
翼帆20的数量、尺寸和形状被选择成最佳地适应具体的帆船500。一般地，当帆船500的尺寸增大时，翼帆20的数量也增加。例如，对于9～10米的一帆船500，可以有大约6～8个垂直地安装的3～5米高的翼帆20、大约0.45～0.65米的一弦长(宽度)、和大约7～10厘米厚度的一前端桅杆22。实际上，由于由翼帆20所产生的力矩的量而使弦宽受到了限制。对于3～5米的一帆船500，2个或3个相同或较小尺寸的翼帆就足够了。为便于在帆船500上的贮藏，翼帆20的高度将不大于帆船500舱顶的长度。多个翼帆20将被设置成使得在一个翼帆20的后端桅杆24与下一个翼帆20的前端桅杆22之间具有大约5～10厘米的间隔。还可注意到翼帆20具有一非常高的高宽比，因而比传统的翼帆更有效。高宽比被定义成高度相对于弦宽的比例，并且对于翼帆20来说大约为8～10。
在此所述的本发明的优选实施例只是示例性的，并且可以容易地想象到多种修改、尺寸变化和重新布置来取得一等同的效果，所有这些都将包括在所附权利要求书的范围内。
权利要求
1.一翼帆，包括一前端桅杆；被连接到所述前端桅杆上的一后端桅杆；所述的前端桅杆和所述后端桅杆大体上共面并且限定一翼帆平面；设置在所述前端桅杆和所述后端桅杆之间的一可动桅杆，所述可动桅杆大致平行于所述翼帆平面；所述前端桅杆、所述可动桅杆和所述后端桅杆被一翼帆织物的外壳横向地包覆；并且所述可动桅杆可以沿大致垂直于所述翼帆平面的一方向移动。
2.根据权利要求1所述的一翼帆，其特征是所述前端桅杆、所述后端桅杆和所述可动桅杆大致平行，并且所述前端桅杆与所述后端桅杆隔开一预定距离。
3.根据权利要求2所述的一翼帆，其特征是还包括至少一个连接所述前端桅杆和所述后端桅杆的横向凸肋，该横向凸肋大致垂直于所述前端桅杆。
4.根据权利要求3所述的一翼帆，其特征是所述横向凸肋可纵向调节，从而所述的预定距离可以有选择地改变。
5.根据权利要求2所述的一翼帆，其特征是还包括所述前端桅杆具有一第一长度，所述后端桅杆具有一第二长度，所述可动桅杆具有一第三长度，和所述外壳具有一第四长度，其中所述第一长度大于所述第二长度，所述第二长度大于所述第三长度，而所述第三长度则大致等于所述第四长度。
6.根据权利要求1所述的一翼帆，其特征是所述前端桅杆具有邻接所述外壳的一弯曲的前端边缘。
7.根据权利要求6所述的一翼帆，其特征是所述前端桅杆具有一大致圆形横截面。
8.根据权利要求1所述的一翼帆，其特征是所述后端桅杆具有邻接所述外壳的一大致V形的后端边缘。
9.根据权利要求8所述的一翼帆，其特征是所述后端桅杆具有一大致楔形横截面。
10.根据权利要求1所述的一翼帆，其特征是与离所述后端桅杆相比，所述可动桅杆位于更靠近所述前端桅杆的位置。
11.根据权利要求1所述的一翼帆，还包括所述前端桅杆具有一纵向轴线；和一转动装置被连接到所述前端桅杆上，从而所述前端桅杆可以有选择地绕所述纵向轴线转动。
12.根据权利要求1所述的一翼帆，还包括所述外壳具有形成一第一外表面的一第一侧和形成一第二外表面的一相对的第二侧；和所述可动桅杆具有凸起地弯曲的一第一侧和凸起地弯曲的相对的一第二侧。
13.根据权利要求12所述的一翼帆，还包括所述可动桅杆的所述凸起地弯曲的第一侧被连接到所述外壳的所述第一侧上；和所述可动桅杆的所述凸起地弯曲的第二侧被连接到所述外壳的所述第二侧上。
14.根据权利要求12所述的一翼帆，其特征是当风吹向所述第一外侧表面上时，所述可动桅杆沿着大致垂直于所述翼帆平面的一方向被推向所述外壳的所述第二侧，从而将所述第二外侧表面转换成一机翼的一弯曲侧。
15.根据权利要求12所述的一翼帆，其特征是当风吹向所述第二外侧表面上时，所述可动桅杆沿着大致垂直于所述翼帆平面的一方向被推向所述外壳的所述第一侧，从而将所述第一外侧表面转换成一机翼的一弯曲侧。
16.根据权利要求1所述的一翼帆，其特征是所述可动桅杆具有一大致蛋形横截面。
17.根据权利要求1所述的一翼帆，还包括所述前端桅杆具有垂直于所述翼帆平面测量的一第一厚度；所述可动桅杆具有垂直于所述翼帆平面测量的一第二厚度；和所述第二厚度大于所述第一厚度。
18.根据权利要求1所述的一翼帆，还包括至少一个所述的翼帆垂直地安装在一帆船上。
19.航行一帆船的方法，包括步骤提供一翼帆，包括一前端桅杆；被连接到所述前端桅杆上的一后端桅杆；所述的前端桅杆和所述后端桅杆共面并且限定一翼帆平面；设置在所述前端桅杆和所述后端桅杆之间的一可动桅杆，所述可动桅杆大致平行于所述翼帆平面，所述可动桅杆可以沿大致垂直于所述翼帆平面的一方向移动；所述前端桅杆、所述可动桅杆和所述后端桅杆被一翼帆织物的外壳横向地包覆；所述前端桅杆具有一纵向轴线；和一转动装置被连接到所述前端桅杆上，从而所述前端桅杆可以有选择地绕所述纵向轴线转动；提供具有一船首和一船尾的一帆船；在该帆船上垂直地安装至少一个所述的翼帆；允许所述的前端桅杆自由地转动，从而所述的翼帆平面与风向对齐；有选择地转动所述前端桅杆，从而所述翼帆平面与风形成一冲角，所述可动桅杆被从风推离，并且所述的翼帆具有一机翼的形状。
20.如权利要求19所述的方法，还包括步骤连续地有选择地转动所述的前端桅杆，从而所述的冲角被保持在大致10～20°之间，并且在所述翼帆上产生一推力，其纵向分量指向船首。
21.如权利要求20所述的方法，还包括步骤快速地转动所述前端桅杆，从而所述的冲角被保持在大致-10～-20°之间，并且在所述翼帆上产生一推力，其纵向分量指向船尾。
22.如权利要求19所述的方法，还包括步骤在帆船上安装多个所述的翼帆；同时地转动每一所述翼帆，从而所有的所述翼帆平面都连续地平行。
23.如权利要求19所述的方法，还包括步骤提供所述的后端桅杆大致平行于所述的前端桅杆；提供至少一个纵向可调节的连接所述前端桅杆和所述后端桅杆的横向凸肋；和调节所述横向凸肋，从而所述预定距离增大和所述外壳绕所述前端桅杆、所述可动桅杆和所述后端桅杆被拉紧。
全文摘要
用于一帆船500的一翼帆20,包括一前端桅杆22;一共面的后端桅杆24;和设置在两者之间的一可动桅杆28。一翼帆织物的外壳30横向地包覆这三个桅杆,形成一柔性的双侧机翼状结构。当风600吹向翼帆20时,可以桅杆28被推向翼帆20的背风侧,并且将该侧转换成一翼面的弯曲的或较长的侧,从而产生推进帆船500的一推力54。
文档编号B63H9/06GK1267264SQ98806174
公开日2000年9月20日 申请日期1998年6月22日 优先权日1997年6月24日
发明者姆拉登·米利德拉戈维奇 申请人:姆拉登·米利德拉戈维奇