1.本发明属于船舶风能利用技术领域，具体涉及一种截面几何特征可调节的风帆装置。
背景技术：
2.随着imo限硫及脱碳协议的升级，以及碳达峰与碳中和目标的日益临近，人们对节能减排的技术愈加重视。船舶行业是碳排放的重要来源之一，正在寻求更多有效的碳减排措施。风能作为一种传统的绿色可再生能源，分布广泛，风帆助航是大有可为的一个解决方案，结合现代设计技术，开发可用于船舶航行的新型高效的风帆装备，是船舶领域绿色能源利用的重要努力方向。
3.而在风力推进技术领域，除了有我们所常见的那种传统风帆之外，还存在着一种马格努斯效应制成的旋筒帆，这种风帆为圆筒状，当船舶遇到从侧向吹来的横风时，利用电机驱动产生自转的旋筒在运动的气流中旋转，会使得转筒帆一侧的气压增大，另一侧气压降低，从而产生一个垂直于气流方向的横向力，通过调整旋筒的转速，推力的大小和方向可以调整，从而可以为船舶提供向前的动力。但是在实际航行过程中，航向和风向总是在不停的变换，现有的旋筒帆经常不能有效的发挥作用，因此若船舶风帆的截面几何特征能够根据实际风向进行调节，将能更加高效的利用风力，对船舶行业的节能减排具有重要意义。
技术实现要素：
4.本发明的主要目的在于通过提供的一种截面几何特征可调节的风帆助航装备，使航行的船舶在多种不同的风况下均能发挥极佳的推进效果，从而降低燃料消耗，减少污染排放。
5.本发明是这样实现的：
6.本发明提供了一种截面几何特征可调节的风帆助航装备，其特征在于：包括变截面帆体、变形机构和支承装置，所述变截面帆体由多列竖直方向的板条依次通过竖直方向的转动副转动连接而成，其中第一列板条和最后一列板条不相连；所述板条的外侧面为弧面，内侧面为平面；所述支承装置设置在船体上用于支承所述变截面帆体，所述变截面帆体通过变形机构安装在支承装置上；通过所述变形机构能将所述板条展开成多种迎风面积不同的弧形帆，也能卷折成圆筒形的转筒帆。
7.所述支承装置包括安装在船体上的桅杆，所述变截面帆体通过变形机构安装在桅杆上，通过变形机构驱动变截面帆体以桅杆为中心收缩或者展开。
8.所述变形机构包括多个回转运动装置和多个与之对应的伸缩运动装置，所述回转运动装置同轴地安装在所述桅杆上，所述伸缩运动装置的固定端安装在所述回转运动装置的回转运动端上，通过所述回转运动装置能控制相应的伸缩运动装置绕桅杆转动，所述伸缩运动装置的工作端与变截面帆体活接相连，通过伸缩运动装置调整变截面帆体展开或者收缩过程中相应板条的径向距离，通过回转运动装置调整变截面帆体展开或者收缩过程中
相应板条的旋转角度，从而调整变截面帆体的展开和收缩。
9.优选的，所述板条之间还设置有用于防止板条过渡外翻的限位机构，所述限位机构包括限位环和限位杆，所述限位环与限位杆分别固定于相邻的两列板条的内侧面，限位杆插入限位环内，通过限位环和限位杆限制相邻的两列板条最大张开角度。
10.优选的，所述回转运动装置采用的是能双向运动的圆弧形液压杆，圆弧形液压杆包括弧形缸体和内杆，所述弧形缸体为半圆环状缸体，半圆环状缸体内设有一个能自由滑动的活塞，所述内杆为与半圆环状缸体同心的圆环形杆，圆环形杆上设有断开的缺口，圆环形杆同心的装配在半圆环状缸体内，且在断开处，圆环形杆的两端分别于活塞两侧固定相连，半圆环状缸体两端分别设有用于进出液压油的油口。
11.优选的，所述伸缩运动装置采用的是所述伸缩运动装置为多级伸缩的直形液压杆、气缸以及电动推杆中的任意一种。
12.优选的，所述圆弧形液压杆的弧形缸体通过支撑杆固定安装在桅杆上，所述圆弧形液压杆的内杆上还设有用于安装所述伸缩运动装置的安装孔；所述伸缩运动装置的本体尾部穿过安装孔后通过轴承安装在桅杆上，且所述轴承与支撑杆交错设置。
13.优选的，所述支承装置还包括轴承底座和电机，所述轴承底座设于船舶甲板下方，所述桅杆垂直地安装在所述轴承底座(轴承座中安装有轴承)中，桅杆下部设有传动齿轮，所述电机的输出轴上设有与传动齿轮啮合的驱动齿轮，通过所述电机能控制所述桅杆绕自身中心轴旋转，当变截面帆体收拢为筒状风帆时，通过电机驱动筒状风帆旋转，形成马格努斯旋筒帆。
14.优选的，所述变形机构有两个，两个变形机构分别设于变截面帆体上下两端。
15.优选的，所述变截面帆体由6
‑
12列板条拼接而成。
16.本发明有益效果是：本发明提供的这种截面几何特征可调节的风帆助航装备，截面几何形状可以调节，根据实际的各种风力风向特征，既能展开成多种拱度和线型不同的弧形帆，同时也能卷折成圆筒形的转筒帆，使其在各种风况下均能发挥极佳的推进效果，从而降低燃料消耗，减少污染排放，同时还能节省占地面积保护风帆。
附图说明
17.图1为本发明实施例提供的风帆助航装备的整体结构示意图；
18.图2为本发明实施例提供的风帆助航装备的变截面帆体在收拢时的主视图；
19.图3为本发明实施例提供的风帆助航装备的变截面帆体在收拢时的俯视图；
20.图4为本发明实施例提供的风帆助航装备的变截面帆体在常规状态下展开时的主视图；
21.图5为本发明实施例提供的风帆助航装备的变截面帆体在常规状态下展开时的俯视图；
22.图6为本发明实施例提供的风帆助航装备的不同拱度展开形态示意图；
23.图7为本发明实施例提供的风帆助航装备的非对称展开形态示意图；
24.图8为本发明实施例提供的风帆助航装备中直形液压杆、圆弧形液压杆与桅杆的连接关系示意图；
25.图9为本发明实施例提供的风帆助航装备中限位机构的结构示意图
26.图10为本发明实施例提供的风帆助航装备中5号直形液压杆及与之相对应的圆弧形液压杆的初始位置示意图。
27.图11为本发明实施例提供的风帆助航装备中1号直形液压杆及与之相对应的圆弧形液压杆的初始位置示意图；
28.图12为本发明实施例提供的风帆助航装备中2号直形液压杆及与之相对应的圆弧形液压杆的初始位置示意图；
29.图13为本发明实施例提供的风帆助航装备中3号直形液压杆及与之相对应的圆弧形液压杆的初始位置示意图；
30.图14为本发明实施例提供的风帆助航装备中4号直形液压杆及与之相对应的圆弧形液压杆的初始位置示意图；
31.图中：1
‑
桅杆、2
‑
轴承底座、3
‑
电机、4
‑
传动齿轮、5
‑
板条、6
‑
转轴、7
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限位环、8
‑
限位杆、9
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支撑杆、10
‑
双列轴承、11
‑
船舶甲板、12
‑
第一直形液压杆、13
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第二直形液压杆、14
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第三直形液压杆、15
‑
第四直形液压杆、16
‑
第五直形液压杆、17
‑
弧形缸体、18
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内杆、19
‑
安装孔、20
‑
活塞。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
33.本发明提供了一种截面几何特征可调节的风帆助航装备，包括变截面帆体、变形机构和支承装置，所述支承装置设置在船体上，所述变截面帆体通过变形机构安装在支承装置上，所述变截面帆体在变形机构的控制下既能沿轴向剖切展开成不同迎风面积的弧形帆，同时也能卷折成圆筒形的转筒帆。具体的：
34.如图1和图2所示，所述支承装置包括桅杆1、轴承底座2和电机3，其中所述轴承底座2设于船舶甲板11下方，所述桅杆1垂直地安装在所述轴承底座2中，所述船舶甲板11下方的桅杆1上还设有传动齿轮4，所述电机3的输出轴上设有与传动齿轮4啮合的驱动齿轮，电机3通过电机座安装在甲板底部或者船体上，电机3通过齿轮啮合驱动桅杆1旋转，从而可以调整展开后弧形帆的方向，当变截面帆体为收拢成圆筒形的转筒帆时，通过电机3也可驱动变截面帆体绕桅杆1旋转，依据马格努斯效应将船舶的侧向风力持续转换成船舶的推力。
35.如图1至图7所示，在本实施例中，所述变截面帆体由八列竖向分布的板条5依次相连，相邻的两列板条5的宽边之间通过转轴6依次铰接相连，第一个板条5和最后一列板条5不相连，八列板条5向内折围起来形成柱状壳体形的转筒帆，展开后形成弧形帆(从第一个板条5最后一列板条5之间缝隙展开)。通过控制八列板条5的整体展开角度，能够形成不同迎风面积的弧形帆，通过控制八列板条5中每个都采用不同的展开角度，能够形成不同形状的弧形帆，从而可以调整风力方向，在不启动桅杆底部的电机情况下，能够调整风力方向。
36.进一步的，所述板条5的外侧为弧面，内侧为平面，当变截面帆体收拢时，能确保其为外表面光滑的圆柱形，使得风阻最小，起到与现有技术中布帆一样的收帆作用。
37.作为一种优选实施例，每两列板条5之间还设有两对以上的限位机构，用于防止板条5之间的张开角度过大，具体的，如图1和图9所示，所述限位机构包括限位环7和限位杆8，所述限位环7为弯折的环状结构，所述限位杆8为弯折的杆状结构，所述限位环7与限位杆8
的一端分别固定于相邻的两列板条5内侧上，另一端相互配合，当相邻两列板条5向外张开角度接近180度时，所述限位环7与限位杆8会相互搭扣在一起，从而防止板条5继续外翻。
38.如图1所示，所述变形机构有上下两组，所述变截面帆体则通过上下两组变形机构与桅杆1相连，每组变形机构都包括多个回转运动装置和多个与之对应的伸缩运动装置，上下两组变形机构除安装位置不同外，连接方式与数量均相同，通过回转运动装置和伸缩运动装置的相互配合工作，来实现所述变截面帆体展开和卷折的复合运动；以设置在桅杆1上部的变形机构为例，多个所述回转运动装置上下方向排列的固定安装固定在所述桅杆1上，其回转中心线与桅杆1的轴线重合，每个回转运动装置的转动端上安装一个伸缩运动装置，伸缩运动装置的伸缩端与一个板条5内侧面铰接相连，通过伸缩运动装置调整变截面帆体展开或者收缩过程中相应板条5的径向距离，通过回转运动装置调整变截面帆体展开或者收缩过程中相应板条5的旋转角度；变截面帆体展开或者收缩时，所述伸缩运动装置通过所述回转运动装置绕桅杆1转动时，同步控制相应的伸缩运动装置工作端的行程距离，从而能将所述变截面帆体形状在多种弧形帆和转筒帆中自由切换。
39.具体的，如图8所示，在本实施例中，所述每组变形机构包括五个回转运动装置和五个伸缩运动装置，所述回转运动装置均采用的是一种能够双向运动的圆弧形液压杆，包括弧形缸体17和内杆18，所述弧形缸体17为半圆环状缸体，半圆环状缸体内设有一个能自由滑动的活塞20，所述内杆18为与半圆环状缸体同心的圆环形杆，圆环形杆上设有断开的缺口，在断开处，圆环形杆同心的装配在半圆环状缸体内，且圆环形杆的两端分别与活塞20两侧固定相连，弧形缸体17两端分别设有用于进出液压油的油口，通过液压油站控制弧形缸体17内活塞20两侧的液压油进出，可以推动活塞20在弧形缸体17中圆形回转运动，从而控制内杆18的旋转角度与速度；所述伸缩运动装置采用的是一种通用多节可伸缩的直形液压杆，直形液压杆的缸体装配在内杆18的中部，并且径向固定设置，直形液压杆的前端与相应板条5铰接相连。
40.为了保证装置的结构强度，所述每个圆弧形液压杆的半圆环状缸体通过三根支撑杆9固定连接在所述桅杆1上，并且所述半圆环状缸体的半圆环所在平面与所述桅杆1垂直，每个直形液压杆的缸体尾部通过轴承(本实施例中采用双列轴承10)安装在桅杆1上，所述支撑杆9与桅杆1的连接点设置在两个相邻轴承的间隙之间，防止支撑杆9和直形液压杆相互干扰，因此所述支撑杆9并不会影响轴承的旋转；所述内杆18中部还开有用于安装所述直形液压杆的安装孔19，所述安装孔19的位置设置在所述活塞20的正对面，这种设计能保证内杆18的有效行程最大；安装时，五个直形液压杆的工作端分别与八列板条5之间通过转轴6进行连接，每一个直形液压杆的缸体则穿过了相对应的内杆18上的安装孔19后，与所述桅杆1上的双列轴承10相连，使所述直形液压杆可在圆弧形液压杆的驱动下绕桅杆1旋转，并随着相应直形液压杆的同步伸缩，从而实现变截面帆体的展开和收拢。
41.需要说明的是，本发明直形液压杆和板条5的数量可以一一对应，也就是每个板条5对应一个直形液压杆，这种情况下，直形液压杆的伸缩端一般安装在板条5内侧中部，也可以每两个板条5安装一个直形液压杆，此时直形液压杆的伸缩端一般安装在两个相邻板条5的连接处(间隔一个连接处安装)，但需要保证第一个板条和最后一个板条都安装一个直形液压杆。
42.如图5所示，为变截面帆体展开的俯视图，为了方便描述，当所述变截面帆体展开
成弧形帆后，从左至右支撑变截面帆体的直形液压杆分别命名为第一直形液压杆12、第三直形液压杆14、第五直形液压杆16、第四直形液压杆15和第二直形液压杆13，其中，所示的第一直形液压杆12和第二直形液压杆13两个直形液压杆沿桅杆1左右对称支承在变截面帆体的最外侧，分别于第一个板条5外端和第八个板条5外端通过转轴铰接相连，由于这两个液压杆行程最长，故采用的是四节可伸缩液压杆，而用于支撑变截面帆体中部的第三直形液压杆14、第四直形液压杆15和第五直形液压杆16则采用的是三节可伸缩液压杆。如图10至图14所示，需要注意的是，所述弧形缸体17在安装时需要根据各自实际情况以桅杆1为轴线偏转适当角度后再进行固定，从而保证直形液压杆在实际工作时转动的角度范围正好在所述圆弧形液压杆的有效行程内；具体的，如图10至图14所示，若所述第五直形液压杆16的收拢成转筒帆的初始角度为90
°
，与之相对应的圆弧形液压杆的液压缸的安装角度为0
°
，则第一直形液压杆12、第二直形液压杆13、第三直形液压杆14和第四直形液压杆15的初始角度分别为，270
°
、270
°
、180
°
、0
°
，与之相对应的弧形缸体17的安装角度分别为105
°
、255
°
、45
°
、315
°
。
43.本发明具体工作原理如下：
44.弧形帆：当风况良好需要将变截面帆体展开时，伸出直形液压杆，同时顺时针旋转与第一直形液压杆12和第三直形液压杆14相对应的圆弧形液压杆，逆时针旋转与第二直形液压杆13和第四直形液压杆15相对应的圆弧形液压杆，从而将变截面帆体展开，根据实际情况，通过调整圆弧形液压杆的转动角度和直形液压杆伸长量，还可以进一步自由改变变截面帆体的弧度，在液压杆的行程范围内，理论上可以实现无数种截面几何参数不同的弧形帆；如图6和7所示，既可以调节对称性的弧形帆的拱度，还可以变形成非对称的曲线形帆，以适应不同的风况。
45.转筒帆：当风况恶劣时，收缩直形液压杆，同时逆时针旋转与第一直形液压杆12和第三直形液压杆14相对应的圆弧形液压杆，顺时针旋转与第二直形液压杆13和第四直形液压杆15相对应的圆弧形液压杆，从而将变截面帆体向桅杆1收拢拉近，带动直形液压杆回到初始位置，此时变截面帆体的被收卷成了圆筒形的转筒帆，从而能有效防止恶劣天气损坏风帆，当船舶在航行过程中遇到从侧面来的横风时，还可以启动电机3，通过传动齿轮4驱动转筒帆旋转，利用马格努斯效应继续给船舶的航行提供动力。
46.需要说明的是，本发明各个圆弧形液压杆和直形液压杆都需要单独控制，因此需要添加油压站，油压站和液压杆的控制采用现有技术即可，比如，还需要配套相应的控制器、位移传感器等等，由于具体形态和安装方式对于本发明技术方案实施不构成影响，所以本发明不再赘述。
47.需要说明的是，本发明伸缩运动装置不限于直形液压杆，也可以是伸缩气缸、电动推杆等等结构，动力机构做相应更改即可；本发明回转运动装置也不限于圆弧形液压杆，只要能进行圆弧形回转运动即可，比如圆环形齿条配合齿轮和电极形成的齿轮齿条结构，或者圆环形导轨和行走轮构成的圆环形运动机构等等。
48.以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。