BR112012002690B1 - EQUIPMENT FOR ROLLING DAMPING ON VESSELS - Google Patents
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Abstract
equipamento para amortecimento de rolagem em embarcações um equipamento de amortecimento de rolagem (200) para reduzir o movimento de rolagem em um navio oceânico (100) inclui um tanque alongado (20) disposto transversalmente na embarcação (100) parcialmente preenchido com um líquido (10). um dispositivo de controle (210, 220) monitora em operação um ângulo de rolagem (a) do navio (100) e controla dinamicamente uma profundidade efetiva (d) do líquido (10), para que uma onda (30) que se propaga em superfície do líquido (10) está pelo menos parcialmente em anti-fase com o movimento de rolagem do navio (100) para reduzir a magnitude do movimento de rolagem.boat roll damping equipment a boat roll damping equipment (200) to reduce the roll movement on an ocean vessel (100) includes an elongated tank (20) disposed transversely on the vessel (100) partially filled with liquid (10 ). a control device (210, 220) monitors in operation a roll angle (a) of the ship (100) and dynamically controls an effective depth (d) of the liquid (10), so that a wave (30) propagates in The surface of the liquid (10) is at least partially in anti-phase with the rolling motion of the vessel (100) to reduce the magnitude of the rolling motion.
Description
A presente invenção trata de equipamento de amortecimento de rolagem para reduzir movimento de rolagem em navios oceânicos. Além disso, a presente invenção refere-se a métodos de controle do equipamento de amortecimento de rolagem para reduzir movimento de rolagem em navios oceânicos. Além disso, a presente invenção trata de produtos de software gravados em mídias de armazenamento de dados lidas por máquina, onde os produtos de software são executáveis no hardware de computação para a execução dos métodos.The present invention deals with roll-cushioning equipment to reduce roll movement in ocean vessels. In addition, the present invention relates to methods of controlling roll-damping equipment to reduce roll movement in ocean vessels. In addition, the present invention deals with software products written on machine-readable data storage media, where the software products are executable on the computing hardware for the execution of the methods.
É sabido que os navios oceânicos são afetados por ondas do mar que atuam sobre eles, fazendo com que os navios oceânicos experimentem tanto a rotação angular (rolagem, inclinação, giro), bem como o deslocamento linear (balanço, levantamento, oscilação). Para as pessoas em navios oceânicos, os movimentos de rolagem e levantamento são geralmente mais perceptíveis. Movimentos de rolagem se referem a movimentos oscilatórios de navios oceânicos sobre o seu eixo longitudinal substancialmente horizontal, e movimentos de levantamento se referem a movimentos lineares oscilatórios de navios oceânicos em uma direção vertical.It is known that ocean vessels are affected by ocean waves that act on them, causing ocean vessels to experience both angular rotation (roll, tilt, turn), as well as linear displacement (swing, lift, oscillation). For people on ocean ships, the movements of rolling and lifting are generally more noticeable. Scrolling movements refer to oscillatory movements of ocean vessels on their substantially horizontal longitudinal axis, and lifting movements refer to linear oscillatory movements of ocean vessels in a vertical direction.
É conhecido o fato de que o movimento angular pode ser resistido por dispositivos giroscópicos de Coreolis, por exemplo, como empregados em barcos contemporâneos impulsionados a jato de água que incluem grandes turbinas internas para gerar os jatos de água de propulsão; as turbinas são sinergicamente operáveis para funcionar como grandes volantes rotativos. No entanto, tais dispositivos giroscópicos não são capazes de resistir a deslocamentos lineares (balanço, levantamento, oscilação) por conta do principio da conservação do momento linear. Uma empresa australiana ShipDynamics Ltd.. (Austrália) apresentou recentemente um relatório de um estabilizador giroscópico de rolagem para um iate de 50 metros que é capaz de impedir completamente o movimento de rolagem do iate. No entanto, tal dispositivo giroscópico necessita de aproximadamente 20 kW de potência de entrada para funcionar e, portanto, é um refinamento de luxo potencialmente caro em um mundo em um contexto de rápida diminuição das reservas de combustíveis fósseis do mundo.It is known that the angular movement can be resisted by Coreolis gyroscopic devices, for example, as used in contemporary waterjet driven boats that include large internal turbines to generate the propulsion water jets; the turbines are synergistically operable to function as large rotating wheels. However, such gyroscopic devices are not able to withstand linear displacements (swing, lift, oscillation) due to the principle of conservation of linear momentum. An Australian company ShipDynamics Ltd .. (Australia) recently filed a report on a gyroscopic roll stabilizer for a 50 meter yacht that is capable of completely preventing the yacht from rolling. However, such a gyroscopic device requires approximately 20 kW of input power to function and is therefore a potentially expensive luxury refinement in a world in a context of rapidly decreasing the world's fossil fuel reserves.
Em um pedido de patente japonês publicado n°. JP 2006219114, é descrito um dispositivo redutor de inclinação e rolagem para um navio oceânico. O dispositivo utiliza um sensor de monitoramento de movimento de líquido. Além disso, em um pedido de patente japonês publicado n°. JP 2005291830 (Shinko Engineering &Maintenance Co. Ltd.), é descrito um equipamento de medição de imagem e um método de medição de imagem correspondente para detecção de nível de líquido.In a Japanese patent application published no. JP 2006219114, a tilt and roll reduction device for an ocean vessel is described. The device uses a liquid motion monitoring sensor. In addition, in a Japanese patent application published no. JP 2005291830 (Shinko Engineering & Maintenance Co. Ltd.), an image measurement equipment and a corresponding image measurement method for liquid level detection are described.
Equipamentos contemporâneos passivos para reduzir movimento de rolagem em navios oceânicos utilizando tanques de líquido funcionam muitas vezes de forma inadequada, porque as características dinâmicas dos tanques não são adequadamente monitoradas. Em determinadas circunstâncias, estes equipamentos contemporâneos podem até mesmo tornar os movimentos de rolagem de navios oceânicos mais graves do que seria o caso para os navios desprovidos do equipamento contemporâneo. Em determinadas condições meteorológicas adversas, equipamentos contemporâneos mencionados para reduzir movimento de rolagem podem causar desconforto considerável para pessoal e/ou passageiros, e até mesmo colocar em perigo momentâneo a estabilidade dos navios oceânicos.Contemporary passive equipment to reduce rollover in ocean vessels using liquid tanks often works inappropriately, because the dynamic characteristics of the tanks are not adequately monitored. In certain circumstances, these contemporary equipment may even make the oceanic vessels' scrolling movements more severe than would be the case for ships without contemporary equipment. In certain adverse weather conditions, contemporary equipment mentioned to reduce rollover can cause considerable discomfort for personnel and / or passengers, and even endanger the stability of ocean vessels momentarily.
A presente invenção visa fornecer um equipamento de amortecimento de rolagem, que é capaz de funcionar de maneira mais confiável e eficaz do que os tipos conhecidos de equipamentos passivos de amortecimento de rolagem.The present invention aims to provide roll-cushioning equipment, which is capable of operating more reliably and effectively than the known types of passive roll-cushioning equipment.
De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é provido um equipamento de amortecimento de rolagem como definido na reivindicação 1 anexa; é provido um equipamento de amortecimento de rolagem para reduzir movimento de rolagem em um navio oceânico, caracterizado pelo fato de que o equipamento inclui um tanque alongado disposto transversalmente através do navio, parcialmente preenchido com um líquido, um dispositivo de controle para monitoramento de um ângulo de rolagem (α) do navio e para controlar dinamicamente uma profundidade efetiva (d) do líquido para que uma onda de propagação em uma superfície do líquido esteja pelo menos parcialmente em anti-fase ao movimento de rolagem do navio para reduzir a magnitude do movimento de rolagem.According to a first aspect of the present invention, a roll-cushioning equipment as defined in the attached claim 1 is provided; a roll-damping device is provided to reduce roll movement on an oceanic vessel, characterized by the fact that the equipment includes an elongated tank disposed transversely across the ship, partially filled with liquid, a control device for monitoring an angle (α) of the vessel and to dynamically control an effective depth (d) of the liquid so that a wave of propagation on a liquid surface is at least partially anti-phase to the vessel's rolling motion to reduce the magnitude of the movement scrolling.
A invenção é vantajosa pelo fato de que a propagação dinamicamente controlada da onda de superfície por meio de controlar dinamicamente a profundidade efetiva do líquido dentro do tanque permite que o movimento de rolagem do navio seja mais bem compensado pelo equipamento.The invention is advantageous in that the dynamically controlled propagation of the surface wave by dynamically controlling the effective depth of the liquid inside the tank allows the vessel's rolling motion to be better compensated for by the equipment.
Opcionalmente, o equipamento é adaptado para controlar a profundidade efetiva (d) dinamicamente em operação através da remoção de líquido do tanque e/ou enchimento de líquido no tanque.Optionally, the equipment is adapted to control the effective depth (d) dynamically in operation by removing liquid from the tank and / or filling liquid in the tank.
Opcionalmente, o equipamento é adaptado para controlar a profundidade efetiva (d) dinamicamente em operação por meio da modulação da superfície inferior efetiva de um tanque, usando um dispositivo defletor acionado.Optionally, the equipment is adapted to control the effective depth (d) dynamically in operation by modulating the effective bottom surface of a tank, using an activated deflector device.
Opcionalmente, o equipamento inclui pelo menos um dos seguintes sensores acoplados ao dispositivo de controle para medir a propagação dinâmica da onda na superfície do líquido: (a) uma câmara disposta para fazer uma imagem da superfície do líquido para o monitoramento de uma posição instantânea da onda dentro do tanque; (b) um dispositivo de detecção de nível de superfície do líquido disposto em uma pluralidade de locais dentro do tanque para o monitoramento de uma posição instantânea da onda dentro do tanque, e (c) um dispositivo de radar para monitorar a superfície do líquido para o monitoramento de uma posição instantânea da onda dentro do tanque.Optionally, the equipment includes at least one of the following sensors coupled to the control device to measure the dynamic propagation of the wave on the liquid's surface: (a) a camera arranged to make an image of the liquid's surface for monitoring an instantaneous position of the liquid. wave inside the tank; (b) a liquid surface level detection device arranged in a plurality of locations within the tank for monitoring an instantaneous wave position within the tank, and (c) a radar device for monitoring the liquid surface for monitoring an instantaneous wave position within the tank.
Opcionalmente ainda, o equipamento de amortecimento de rolagem é executado de modo que a profundidade efetiva (d) do líquido é controlada dinamicamente em operação através da remoção seletiva de líquido em uma primeira extremidade do tanque e injeção seletiva de líquido em uma segunda extremidade do tanque.Optionally, the roll cushioning equipment is performed so that the effective depth (d) of the liquid is dynamically controlled in operation through the selective removal of liquid at a first end of the tank and selective injection of liquid at a second end of the tank .
Opcionalmente ainda, o equipamento de amortecimento de rolagem é executado para incluir um reservatório em que o líquido retirado do tanque é bombeado e do qual líquido é bombeado para ser injetado no tanque, de modo que o tanque e o reservatório formam um sistema fechado para o líquido.Optionally, the roll cushioning equipment is made to include a reservoir in which the liquid removed from the tank is pumped and from which liquid is pumped to be injected into the tank, so that the tank and the reservoir form a closed system for the liquid.
De acordo com um segundo aspecto da invenção, é provido um método de controlar um equipamento de amortecimento de rolagem de acordo com o primeiro aspecto da invenção, caracterizado pelo fato de que o método inclui: (a) o monitoramento de um ângulo de rolagem (a) de um navio oceânico equipado com o equipamento; (b) monitoramento de características de propagação de uma onda de superfície que se propaga em um líquido em um tanque do equipamento, e (c) ajuste de uma profundidade efetiva do líquido no tanque de modo que a propagação da onda de superfície no tanque é controlada de modo a opor-se, pelo menos parcialmente, a um movimento de rolagem do navio, como é evidente no ângulo rolagem (α) do navio.According to a second aspect of the invention, there is provided a method of controlling roll-damping equipment according to the first aspect of the invention, characterized by the fact that the method includes: (a) monitoring a roll angle ( a) an ocean-going vessel equipped with the equipment; (b) monitoring the propagation characteristics of a surface wave that propagates in a liquid in a tank of the equipment, and (c) adjusting an effective depth of the liquid in the tank so that the propagation of the surface wave in the tank is controlled in order to oppose, at least partially, a rolling movement of the ship, as is evident in the rolling angle (α) of the ship.
Opcionalmente, o método inclui controlar a profundidade efetiva (d) dinamicamente em operação através da remoção de líquido do tanque e/ou enchimento de líquido no tanque.Optionally, the method includes controlling the effective depth (d) dynamically in operation by removing liquid from the tank and / or filling liquid in the tank.
Opcionalmente, o método inclui controlar a profundidade efetiva (d) dinamicamente em operação por meio da modulação da superfície inferior eficaz do tanque, usando um dispositivo defletor acionado.Optionally, the method includes controlling the effective depth (d) dynamically in operation by modulating the effective bottom surface of the tank, using an activated deflector device.
Opcionalmente, o método inclui o uso de pelo menos um dos seguintes sensores acoplados a um dispositivo de controle do equipamento para medir a propagação dinâmica da onda na superfície do líquido: (a) uma câmara disposta para fazer imagem da superfície do líquido para o monitoramento de uma posição instantânea da onda dentro do tanque; (b) um dispositivo de detecção de nível de líquido na superfície disposto em uma pluralidade de locais dentro do tanque para o monitoramento de uma posição instantânea da onda dentro do tanque, e (c) um dispositivo de radar de monitoramento da superfície do líquido para o monitoramento de uma posição instantânea da onda dentro do tanque.Optionally, the method includes the use of at least one of the following sensors coupled to a device control device to measure the dynamic propagation of the wave on the liquid's surface: (a) a chamber arranged to image the liquid's surface for monitoring an instantaneous position of the wave inside the tank; (b) a liquid level detection device on the surface arranged in a plurality of locations within the tank for monitoring an instantaneous wave position within the tank, and (c) a liquid surface monitoring radar device for monitoring an instantaneous wave position within the tank.
De acordo com um terceiro aspecto da invenção, é provido um navio oceânico incluindo pelo menos um equipamento de acordo com o primeiro aspecto da invenção para reduzir um movimento de rolagem da embarcação em operação.In accordance with a third aspect of the invention, an oceanic vessel is provided including at least one equipment according to the first aspect of the invention to reduce the rolling motion of the vessel in operation.
De acordo com um quarto aspecto da invenção, é provido um produto de software gravado em um meio de armazenamento de dados legível por máquina, onde o produto é executável em hardware de computação para executar um método de acordo com o segundo aspecto da invenção.According to a fourth aspect of the invention, a software product recorded on a machine-readable data storage medium is provided, where the product is executable on computer hardware to perform a method according to the second aspect of the invention.
Será apreciado que as características da invenção são susceptíveis de serem combinadas em qualquer combinação sem se afastar do âmbito da invenção, tal como definido pelas reivindicações anexas.It will be appreciated that the features of the invention are capable of being combined in any combination without departing from the scope of the invention, as defined by the appended claims.
Concretizações da presente invenção serão descritas agora, a título de exemplo apenas, com referência aos seguintes desenhos onde:Embodiments of the present invention will now be described, by way of example only, with reference to the following drawings where:
A Figura 1 é uma ilustração de um tanque alongado que é parcialmente preenchido com um líquido, e que é operável para suportar a propagação de uma ou mais ondas de superfície dentro do tanque;Figure 1 is an illustration of an elongated tank that is partially filled with liquid, and that is operable to withstand the propagation of one or more surface waves within the tank;
A Figura 2 é uma ilustração de um navio oceânico equipado com um tanque, como ilustrado na Figura 1 disposto de uma forma transversal dentro do navio;Figure 2 is an illustration of an ocean vessel equipped with a tank, as illustrated in Figure 1 arranged transversely within the ship;
A Figura 3 é uma ilustração de uma concretização de um equipamento de amortecimento de rolagem de acordo com a presente invenção;Figure 3 is an illustration of an embodiment of a roll-cushioning equipment according to the present invention;
A Figura 4 é uma ilustração de um sensor de nível de líquido para uso no equipamento da Figura 3;Figure 4 is an illustration of a liquid level sensor for use in the equipment of Figure 3;
A Figura 5 é uma ilustração de um dispositivo defletor submerso acionado para modulação da profundidade efetiva do tanque da Figura 1 como empregado no equipamento da Figura 3, eFigure 5 is an illustration of a submerged deflector device for modulating the effective depth of the tank in Figure 1 as used in the equipment in Figure 3, and
A Figura 6 é uma ilustração de um navio oceânico grande equipado com dois equipamentos, conforme ilustrados na Figura 3.Figure 6 is an illustration of a large ocean-going vessel equipped with two pieces of equipment, as illustrated in Figure 3.
Nos desenhos anexos, um número sublinhado é empregado para representar um item sobre o qual o número sublinhado é posicionado ou um item ao qual o número sublinhado é adjacente. Um número não-sublinhado refere-se a um item identificado por uma linha que une o número não-sublinhado ao item. Quando um número não é sublinhado e acompanhado por uma seta associada, o número não-sublinhado é usado para identificar um item geral que a seta está apontando.In the accompanying drawings, an underlined number is used to represent an item on which the underlined number is positioned or an item to which the underlined number is adjacent. A non-underlined number refers to an item identified by a line that links the non-underlined number to the item. When a number is not underlined and accompanied by an associated arrow, the non-underlined number is used to identify a general item that the arrow is pointing at.
Referindo-se à Figura 1, é bem conhecido que uma quantidade de líquido (10) em um tanque alongado (20) pode fornecer uma guia de ondas de líquido na qual uma ou mais ondas de superfície (30) são capazes de se propagar. A uma ou mais ondas de superfície (30) têm campos de energia dinâmicos que caem exponencialmente com a profundidade (d) no líquido (10), por exemplo, água ou óleo. Quando o líquido (10) no tanque (20) tem uma profundidade que é menor do que a extensão do campo de energia dinâmico de uma ou mais ondas de superfície (30), a profundidade (d) de líquido no tanque (20) torna-se um parâmetro que influencia as características de propagação de um ou mais ondas de superfície (20), por exemplo, sua velocidade de propagação (v) e também sua amplitude (p) crista-vale. Vários mecanismos podem ser usados para estimular a formação de ondas de superfície no tanque alongado (20). Uma abordagem, como empregada em tanques de onda experimental, é a utilização de defletores atuados dentro do tanque (20). Outra abordagem é variar periodicamente um ângulo de inclinação do tanque (20), estimulando assim a propagação de ondas de superfície dentro do tanque (20). Tal situação surgiria se o tanque (20) fosse disposto transversalmente em um navio oceânico.Referring to Figure 1, it is well known that an amount of liquid (10) in an elongated tank (20) can provide a liquid waveguide in which one or more surface waves (30) are capable of propagating. The one or more surface waves (30) have dynamic energy fields that fall exponentially with depth (d) in the liquid (10), for example, water or oil. When the liquid (10) in the tank (20) has a depth that is less than the length of the dynamic energy field of one or more surface waves (30), the depth (d) of liquid in the tank (20) makes it a parameter that influences the propagation characteristics of one or more surface waves (20), for example, their propagation speed (v) and also their amplitude (p) crest-valley. Several mechanisms can be used to stimulate the formation of surface waves in the elongated tank (20). One approach, as used in experimental wave tanks, is to use deflectors operated inside the tank (20). Another approach is to periodically vary the angle of inclination of the tank (20), thereby stimulating the propagation of surface waves within the tank (20). Such a situation would arise if the tank (20) was disposed transversely in an oceanic vessel.
O tanque (20) é considerado benéfico para se comportar como um guia de ondas unidimensionais. Além disso, as faces de extremidade (40) do tanque (20) podem ser consideradas como refletores de ondas, de tal forma que o tanque (20), em seguida, se comporta como um etalon unidimensional, ou seja, uma cavidade de onda. Se o tanque (20) é feito suficientemente curto no comprimento em relação ao comprimento de onda (À.) de uma ou mais ondas de superfície (30), apenas uns poucos modos de comprimento de onda são suscetíveis de serem mantidos dentro do tanque (20). Por exemplo, é possível projetar as dimensões físicas do tanque (20), nomeadamente o seu tamanho e forma, de tal forma que este só seja capaz de acomodar uma única crista de onda propagando dentro do tanque (20). A presente invenção se refere à utilização de uma única crista de onda (30) deste tipo propagando dentro do tanque (20). Como referido acima, a velocidade da propagação da única onda (30) dentro do tanque (20) é determinada pelo campo de energia da única onda (30) interagindo com um plano de fundo do tanque (20); a variação da profundidade (d), portanto, influencia a velocidade de propagação da onda única (30) que se propaga para trás e para frente entre as faces de extremidade (40).The tank (20) is considered beneficial to behave as a one-dimensional waveguide. In addition, the end faces (40) of the tank (20) can be considered as wave reflectors, such that the tank (20) then behaves like a one-dimensional etalon, that is, a wave cavity . If the tank (20) is made short enough in relation to the wavelength (À.) Of one or more surface waves (30), only a few wavelength modes are likely to be kept inside the tank ( 20). For example, it is possible to design the physical dimensions of the tank (20), namely its size and shape, in such a way that it is only able to accommodate a single wave crest propagating inside the tank (20). The present invention relates to the use of a single wave crest (30) of this type propagating within the tank (20). As mentioned above, the speed of propagation of the single wave (30) within the tank (20) is determined by the energy field of the single wave (30) interacting with a background of the tank (20); the variation in depth (d), therefore, influences the speed of propagation of the single wave (30) that propagates back and forth between the end faces (40).
Quando o tanque (20) está disposto transversalmente a um casco (110) de um navio oceânico (100), por exemplo, conforme ilustrado na Figura 2, e o tanque (20) é proporcionado de modo que apenas uma única crista (30) é capaz de se propagar em operação entre as faces de extremidade (40) do tanque (20), um movimento de rolagem do navio (100) por um ângulo (a) sobre um eixo principal alongado (120) do casco (110) faz com que a onda (30) transfira um centro de gravidade da embarcação (100) de um lado do navio (100) para o outro lado do mesmo. Quando a onda (30) na Figura 2 se propaga totalmente em fase com o movimento natural de rolagem da embarcação (100), tal propagação da onda (30) tem uma tendência para melhorar um movimento de rolagem da embarcação (100), ou seja, "amplificar" tal movimento de rolagem. Inversamente, quando a propagação da onda (30) está substancialmente em anti-fase com um movimento de rolagem da embarcação (100), um movimento de rolagem do navio (100) é potencialmente reduzido significativamente.When the tank (20) is disposed transversely to a hull (110) of an ocean vessel (100), for example, as shown in Figure 2, and the tank (20) is provided so that only a single ridge (30) is able to propagate in operation between the end faces (40) of the tank (20), a rolling movement of the ship (100) by an angle (a) on an elongated main axis (120) of the hull (110) makes with the wave (30) transferring a center of gravity from the vessel (100) from one side of the vessel (100) to the other side of it. When the wave (30) in Figure 2 propagates fully in phase with the vessel's natural rolling movement (100), such wave propagation (30) has a tendency to improve the vessel's rolling movement (100), ie , "amplify" such a scrolling motion. Conversely, when the wave propagation (30) is substantially in anti-phase with a vessel's rolling motion (100), the vessel's rolling motion (100) is potentially significantly reduced.
Pode ser notado, quando se observa o movimento das ondas em um ambiente de mar aberto, que as ondas do oceano têm uma direção predominante de propagação de onda associada a uma direção predominante do vento, juntamente com um grau de movimento de ondas aleatórias em outras direções. Tem sido apreciado pelo inventor da presente invenção que a propagação de ondas em um meio ambiente marinho é um movimento complexo, com um elemento aleatório, ou seja, não um movimento oscilatório regular simplista como assumido muitas vezes até então. Além disso, o inventor tem também levou em consideração que as tentativas contemporâneas de reduzir o movimento de rolagem de navios oceânicos usando tanques de onda passivos transversais, até agora, têm obtido resultados de desempenho insatisfatório, porque a profundidade (d) da água em tais tanques transversais não foi devidamente controlada em relação ao movimento instantâneo de ondas do mar. Na realidade, a profundidade (d) da água nos tanques transversais precisa ser regulada dinamicamente para que a onda (30) que se propaga lateralmente da direita para a esquerda e vice-versa esteja em uma maior extensão em anti-fase ao movimento de rolagem dos navios oceânicos em que os tanques estão instalados. A presente invenção se refere aos métodos de controle de tanques parcialmente cheios de líquido dispostos transversalmente em navios oceânicos para fornecer uma compensação anti-rolagem melhorada para essas embarcações.It can be noted, when observing the movement of waves in an open sea environment, that ocean waves have a predominant direction of wave propagation associated with a predominant direction of the wind, along with a degree of movement of random waves in others directions. It has been appreciated by the inventor of the present invention that the propagation of waves in a marine environment is a complex movement, with a random element, that is, not a simplistic regular oscillatory movement as assumed until now. In addition, the inventor has also taken into account that contemporary attempts to reduce the rolling motion of ocean vessels using passive transverse wave tanks, have so far obtained results of unsatisfactory performance, because the depth (d) of the water in such Transverse tanks were not properly controlled in relation to the instantaneous movement of sea waves. In reality, the depth (d) of the water in the transverse tanks needs to be dynamically regulated so that the wave (30) that spreads laterally from right to left and vice versa is to a greater extent in anti-phase to the rolling motion. of the ocean vessels in which the tanks are installed. The present invention relates to methods of controlling tanks partially filled with liquid disposed transversely on ocean-going vessels to provide improved anti-roll compensation for these vessels.
Referindo-se as Figura 3 e Figura 4, um equipamento de amortecimento de rolagem é indicado geralmente pela referência (200). O equipamento (200) é adaptado para que seu tanque (20) associado seja disposto transversalmente em um navio oceânico, por exemplo, conforme ilustrado na Figura 2. O equipamento (200) é composto por um tanque (20) operacionalmente parcialmente preenchido com um líquido, por exemplo, o líquido é beneficamente água, apesar de que um óleo de baixa viscosidade possa ser usado alternativamente, e que também lubrifica as bombas para bombear o líquido. Opcionalmente, o tanque (20) é preenchido com óleo combustível para a propulsão do navio oceânico. O tanque (20) é alongado e inclui faces de extremidade (40) que são operáveis para funcionar como refletores de ondas; esses refletores de onda podem ser executados como faces de extremidade planas do tanque (20) ou superfícies com formato especial que são adaptadas para preservar a energia das ondas e momento de reflexão sobre a onda das extremidade faces (40). O equipamento (200) inclui ainda uma unidade de controle (210) acoplada a um computador (220) para coordenar a operação do equipamento (200). O navio oceânico tem instalado nele um sensor de ângulo de rolagem (230) para determinação de um ângulo (a) instantâneo de rolagem do navio e proporcionando um sinal indicativo de ângulo de rolagem correspondente para a unidade de controle (210). Além disso, o equipamento (200) inclui um dispositivo de sensor para monitoramento da formação e propagação de onda de superfície dentro do tanque (20); o dispositivo sensor é vantajosamente executado como um ou mais dos seguintes: uma câmara óptica (240), uma configuração de sensores flutuantes (250) dispostos em várias posições dentro do tanque (20). O dispositivo de sensores é empregado pelo equipamento (200) para medir uma amplitude da onda (30), sua direção de propagação dentro do tanque (20) a partir de uma série de medidas de posição instantânea da onda (30) em diversos períodos. A operação do dispositivo de sensores será descrita abaixo em maiores detalhes.Referring to Figure 3 and Figure 4, a rolling damping device is generally indicated by reference (200). The equipment (200) is adapted so that its associated tank (20) is disposed transversely on an oceanic vessel, for example, as shown in Figure 2. The equipment (200) consists of a tank (20) operationally partially filled with a liquid, for example, the liquid is beneficially water, although a low viscosity oil can be used alternatively, and it also lubricates the pumps to pump the liquid. Optionally, the tank (20) is filled with fuel oil for the propulsion of the oceanic vessel. The tank (20) is elongated and includes end faces (40) which are operable to function as wave reflectors; these wave reflectors can be executed as flat end faces of the tank (20) or specially shaped surfaces that are adapted to preserve the wave energy and moment of reflection on the wave of the end faces (40). The equipment (200) also includes a control unit (210) coupled to a computer (220) to coordinate the operation of the equipment (200). The ocean vessel has a roll angle sensor (230) installed to determine an instantaneous roll angle (a) of the ship and providing a signal indicating the corresponding roll angle for the control unit (210). In addition, the equipment (200) includes a sensor device for monitoring the formation and propagation of surface waves within the tank (20); the sensor device is advantageously performed as one or more of the following: an optical chamber (240), a configuration of floating sensors (250) arranged in various positions within the tank (20). The sensor device is used by the equipment (200) to measure the amplitude of the wave (30), its direction of propagation within the tank (20) from a series of measurements of the instantaneous position of the wave (30) in different periods. The operation of the sensor device will be described in more detail below.
O equipamento (200) inclui um dispositivo de saída para o tanque (20) disposto para remover líquido de uma primeira extremidade do tanque (20). O dispositivo inclui uma válvula de saída (270) em série com uma bomba (260) que é operável para bombear líquido do tanque (20) para um reservatório (300). A válvula (270) e a bomba (260) são controladas em operação pela unidade de controle (210). Além disso, o equipamento (200) inclui um dispositivo de entrada para o tanque (20) disposto para adicionar líquido a uma segunda extremidade do tanque (20). O dispositivo inclui uma válvula de entrada (290) em série com uma bomba (280) que é operável para bombear líquido do reservatório (300) para o tanque (20). A válvula (290) e a bomba (280) são controladas em operação pela unidade de controle (210). Pela utilização coordenada das bombas (260), (280) e das válvulas (270), (290), a unidade de controle (210) é, assim, capaz de ajustar dinamicamente uma profundidade total (tf) do líquido (10) dentro do tanque (20), bem como ser capaz de estimular a formação de onda (30) pela remoção de uma porção do líquido (10) da primeira extremidade do tanque (20) e adicionando uma porção do líquido (10) na segunda extremidade do tanque (20).The equipment (200) includes an outlet device for the tank (20) arranged to remove liquid from a first end of the tank (20). The device includes an outlet valve (270) in series with a pump (260) which is operable to pump liquid from the tank (20) to a reservoir (300). The valve (270) and the pump (260) are controlled in operation by the control unit (210). In addition, the equipment (200) includes an inlet device for the tank (20) arranged to add liquid to a second end of the tank (20). The device includes an inlet valve (290) in series with a pump (280) which is operable to pump liquid from the reservoir (300) to the tank (20). The valve (290) and the pump (280) are controlled in operation by the control unit (210). By the coordinated use of pumps (260), (280) and valves (270), (290), the control unit (210) is thus able to dynamically adjust a total depth (tf) of the liquid (10) within of the tank (20), as well as being able to stimulate wave formation (30) by removing a portion of the liquid (10) from the first end of the tank (20) and adding a portion of the liquid (10) to the second end of the tank (20).
O reservatório (300) é suscetível de ser executado de várias maneiras diferentes possíveis. Opcionalmente, de uma primeira forma, o reservatório (300) tem uma configuração de vários pequenos tanques que individualmente são muito pequenos para suportar o movimento de onda significativo neles. Beneficamente, estes vários tanques pequenos são dispostos ao longo de um eixo alongado do navio (100), ou seja, perto de seu centro de gravidade. Esse dispositivo é conhecido como um "sistema fechado", porque o líquido (10) é recirculado em operação.The reservoir (300) is capable of being executed in several different possible ways. Optionally, in a first way, the reservoir (300) has a configuration of several small tanks that individually are too small to support the significant wave movement in them. Beneficially, these several small tanks are arranged along an elongated axis of the ship (100), that is, close to its center of gravity. This device is known as a "closed system", because the liquid (10) is recirculated in operation.
Altemativamente, de uma segundo maneira, o reservatório (300) é o próprio ambiente de oceano e uma ou mais das bombas (260), (280) e/ou válvulas (270), (290) estão equipadas com filtros para evitar acúmulo de detritos marinhos no tanque (20), nas válvulas (270), (290) e nas bombas (260), (280). Tal abordagem evita a necessidade de que o navio (100) suporte um peso do reservatório (300). Opcionalmente, quando executadas da segunda maneira, uma entrada para água do mar a ser injetada para dentro do tanque (20) é vantajosamente executada em uma parte de baixo do navio (100); por exemplo, um movimento para frente do navio (100) pode auxiliar a forçar a água do oceano, através de uma concha submersa, rapidamente para o tanque (20), buscando, assim, evitando a necessidade de uma bomba (260), enquanto que a gravidade pode ser usada para ajudar a remover a água do tanque (20), evitando assim a necessidade de uma bomba (280). Tal forma de executar um segundo equipamento (200) é conhecida como um "sistema aberto".Alternatively, in a second way, the reservoir (300) is the ocean environment itself and one or more of the pumps (260), (280) and / or valves (270), (290) are equipped with filters to prevent accumulation of marine debris in the tank (20), valves (270), (290) and pumps (260), (280). Such an approach avoids the need for the vessel (100) to support a weight of the reservoir (300). Optionally, when performed in the second way, an inlet for seawater to be injected into the tank (20) is advantageously performed at a bottom of the vessel (100); for example, a forward movement of the ship (100) can help to force the ocean water, through a submerged shell, quickly into the tank (20), thus seeking to avoid the need for a pump (260), while that gravity can be used to help remove water from the tank (20), thereby avoiding the need for a pump (280). Such a way of executing a second equipment (200) is known as an "open system".
Os câmera (240) na Figura 3 é vantajosamente executada como um dispositivo de câmera óptica de carga acoplada padrão (CCD) ou semiconductor-óxido- metal-complementar (CMOS) operável para fornecer fluxo de dados de pixel para a unidade de controle (210). A unidade de controle (210), em combinação com o computador (220) é operável para captar a imagem de superfície do líquido (10) em um ângulo oblíquo, e depois processar uma série de imagens da superfície do líquido (10) em função do tempo para determinar daí uma amplitude de onda (30), uma velocidade de propagação de onda (30), uma posição da onda (30) como uma função do tempo, e uma direção de propagação da onda (30) dentro do tanque (20). O controle (210) beneficamente deriva esses dados, apresentando uma série de imagens da superfície do líquido (10) no tanque (20) para uma rede neural da unidade de controle (210) e seu computador associado (220), que foi pré-programado com imagens do tanque (20) com várias posições de onda conhecidas e altura das ondas para que a rede neural seja capaz de fornecer uma indicação imediata da amplitude e da posição da onda (30). A repetição desta computação de rede neural em vários intervalos de tempo conhecidos permite que uma direção de propagação e uma velocidade de propagação da onda (30) sejam computadas. A rede neural pode ser executada usando software em combinação com um motor de processamento paralelo ou por meio de uma rede neural executada em hardware. Como alternativa ou complemento ao uso da câmera (240), o equipamento (200) pode ser fornecido com um radar Doppler de microondas e/ou ultra-som para determinar a característica de propagação da onda (30) dentro do tanque (20).The cameras (240) in Figure 3 are advantageously performed as a standard coupled charge optical camera (CCD) or semiconductor-oxide-metal-complementary (CMOS) device operable to provide pixel data flow to the control unit (210 ). The control unit (210), in combination with the computer (220) is operable to capture the image of the liquid surface (10) at an oblique angle, and then process a series of images of the liquid surface (10) depending on of time to determine from there a wave amplitude (30), a wave propagation speed (30), a wave position (30) as a function of time, and a wave propagation direction (30) within the tank ( 20). The control (210) beneficially derives this data, presenting a series of images of the liquid surface (10) in the tank (20) to a neural network of the control unit (210) and its associated computer (220), which has been pre- programmed with images of the tank (20) with several known wave positions and wave height so that the neural network is able to provide an immediate indication of the amplitude and position of the wave (30). The repetition of this neural network computation at several known time intervals allows a direction of propagation and a speed of propagation of the wave (30) to be computed. The neural network can be executed using software in combination with a parallel processing engine or through a neural network executed in hardware. As an alternative or complement to the use of the camera (240), the equipment (200) can be supplied with a microwave Doppler radar and / or ultrasound to determine the wave propagation characteristic (30) inside the tank (20).
Com referência à Figura 4, o sensor flutuante (250) fornece uma maneira simples e robusta para medir características de propagação da onda (30) dentro do tanque (20) sem a necessidade de realizar processamento de dados sofisticados dentro da unidade de controle (210) e de seu computador associado (220). O sensor flutuante (250) é projetado vantajosamente para ser pequeno e compacto em relação ao tamanho do tanque (20) e sua onda (30) associada de modo a não influenciar a propagação da onda (30) dentro do tanque (20) quando o equipamento (200) está em operação. O sensor (250) compreende um flutuador (360), que é flutuante no líquido (10) e que é operável para deslizar ao longo de um elemento de sensor alongado (350). O flutuador (360) vantajosamente tem uma forma anular e circunda uma parte do elemento (350) em operação. O flutuador (260) inclui uma ou mais cavidades de flutuação (400) cheias de gás e um ou mais ímãs permanentes (410); o flutuador (260) é vantajosamente fabricado de material plástico com a uma ou mais cavidades (400) e um ou mais ímãs permanentes (410) moldados nele. O elemento de sensor alongado (350) é vantajosamente um tubo oco, por exemplo, fabricado a partir de aço inoxidável não-magnético ou alumínio, no qual uma série de interruptores de palheta a vácuo (420) encapsulados em vidro é incluída ao longo de um comprimento do elemento (350). Os interruptores de palheta (420) são normalmente abertos, a menos que o um ou mais ímãs (410) estejam nas imediações destes, por exemplo, dentro de um intervalo de aproximadamente 3 cm, o que faz com que os interruptores (420) se fechem. Opcionalmente, o elemento (350) inclui circuitos integrados digitais ao longo deste para a abertura e fechamento codificados dos interruptores de palheta (420) em um fluxo de dados para comunicação à unidade de controle (210). Para cada sensor (250), a unidade de controle (210) e seu computador associado (220) são, portanto, operáveis para receber rapidamente em tempo real, através de um link de dados (370), uma indicação de uma profundidade instantânea do líquido (10) nos arredores do sensor flutuante (250), sem uma necessidade de que a unidade de controle (210) e seu computador (220) efetuem quaisquer cálculos computacionalmente exigentes. Os sensores flutuantes (250) são beneficamente dispostos em uma linha central ao longo do tanque (20) entre sua primeira face de extremidade (40) e sua segunda face de extremidade (40). A partir da profundidade medida instantânea do líquido (20) em uma determinada série de pontos espacialmente dispostos ao longo do tanque (20), características de amplitude, de velocidade de propagação, e de direção de propagação da onda (30) podem ser determinadas rapidamente, com recursos de computação modestos. Como referido acima, o dispositivo de flutuação pode, opcionalmente, ser empregado em substituição, ou adicionalmente à câmera (240) e/ouradar citados.With reference to Figure 4, the floating sensor (250) provides a simple and robust way to measure wave propagation characteristics (30) inside the tank (20) without the need to perform sophisticated data processing inside the control unit (210 ) and its associated computer (220). The floating sensor (250) is advantageously designed to be small and compact in relation to the size of the tank (20) and its associated wave (30) so as not to influence the propagation of the wave (30) inside the tank (20) when the equipment (200) is in operation. The sensor (250) comprises a float (360), which is floating in the liquid (10) and which is operable to slide along an elongated sensor element (350). The float (360) advantageously has an annular shape and surrounds a part of the element (350) in operation. The float (260) includes one or more floating cavities (400) filled with gas and one or more permanent magnets (410); the float (260) is advantageously made of plastic material with one or more cavities (400) and one or more permanent magnets (410) molded therein. The elongated sensor element (350) is advantageously a hollow tube, for example made from non-magnetic stainless steel or aluminum, in which a series of glass-encased vacuum vane switches (420) is included along a length of the element (350). The reed switches (420) are normally open, unless the one or more magnets (410) are in the vicinity of them, for example, within a range of approximately 3 cm, which causes the switches (420) to close. Optionally, the element (350) includes digital integrated circuits throughout it for the coded opening and closing of the reed switches (420) in a data stream for communication to the control unit (210). For each sensor (250), the control unit (210) and its associated computer (220) are, therefore, operable to quickly receive in real time, through a data link (370), an indication of an instant depth of the liquid (10) in the vicinity of the floating sensor (250), without a need for the control unit (210) and its computer (220) to perform any computationally demanding calculations. Floating sensors (250) are beneficially arranged in a central line along the tank (20) between its first end face (40) and its second end face (40). From the instantaneous measured depth of the liquid (20) at a given series of points spatially disposed along the tank (20), characteristics of amplitude, speed of propagation, and direction of wave propagation (30) can be determined quickly , with modest computing resources. As mentioned above, the flotation device can optionally be used as a replacement, or in addition to the aforementioned camera (240) and / or gold.
As válvulas (270), (290) são vantajosamente executadas como válvulas de borboleta rotativas com aletas giratórias para fornecer uma resposta muito rápida de abertura / fechamento, bem como por apresentar uma baixa resistência de fluxo quando em um estado aberto. As bombas (260), (270) são vantajosamente executadas como bombas multi-estágio de turbina rotativa de baixa inércia para que elas possam sejam rapidamente colocadas dentro e fora de operação de bombeamento. Será apreciado, para uma embarcação oceânica grande, que o tanque (20) pode ser de um tamanho considerável e inclui uma quantidade de líquido (10) no valor de mais de cerca de 1000 toneladas. Em conseqüência, as bombas (260), (270), em seguida, são itens de equipamento relativamente poderosos. Opcionalmente, para a obtenção mais rápida de resposta dinâmica, as bombas (260), (270) são executadas cada uma como uma configuração em paralelo de uma pluralidade de bombas menores.The valves (270), (290) are advantageously executed as rotary butterfly valves with rotating fins to provide a very fast opening / closing response, as well as having a low flow resistance when in an open state. The pumps (260), (270) are advantageously executed as low-inertia rotary turbine multi-stage pumps so that they can be quickly placed in and out of pumping operation. It will be appreciated, for a large ocean vessel, that the tank (20) can be of considerable size and includes a quantity of liquid (10) in the amount of more than about 1000 tonnes. As a result, pumps (260), (270), then, are relatively powerful items of equipment. Optionally, for faster dynamic response, pumps (260), (270) are each run as a parallel configuration of a plurality of smaller pumps.
A presente invenção está relacionada com um método de operação do equipamento (200) como mostrado na Figura 3. O método inclui: (a) a monitoração do ângulo de rolagem (α) do navio (100) equipado com o equipamento (200); (b) monitoramento das características de propagação da superfície de propagação da onda (30) no tanque (20) do equipamento (200) e (c) ajuste de uma profundidade efetiva do líquido (10) no tanque (20) para que a propagação da onda (30) no tanque (20) seja controlada de modo a opor-se, pelo menos parcialmente, ao movimento de rolagem da embarcação (100), como é evidente no ângulo de rolagem do navio (100).The present invention relates to a method of operating the equipment (200) as shown in Figure 3. The method includes: (a) monitoring the roll angle (α) of the ship (100) equipped with the equipment (200); (b) monitoring the propagation characteristics of the wave propagation surface (30) in the tank (20) of the equipment (200) and (c) adjusting an effective depth of the liquid (10) in the tank (20) so that the propagation the wave (30) in the tank (20) is controlled so as to be at least partially opposed to the vessel's rolling movement (100), as is evident in the vessel's rolling angle (100).
A profundidade efetiva do líquido (10) no tanque (20) pode ser influenciada pela remoção de líquido (10) ou pela adição de líquido ao tanque (20) através das bombas (260), (280) e suas correspondentes válvulas (270), (290), respectivamente. Além disso, ou, altemativamente, a profundidade efetiva pode ser modulada pelo uso de pás rotativas ou defletores, por exemplo, como ilustrado na Figura 5. Na Figura 5, a região inferior do tanque (20) é equipada com uma série de defletores (500) giratórios em forma de “L”, que são pivotáveis sobre seus respectivos eixos (510). Em uma primeira posição dos defletores (500), como ilustrada em linhas cheias, a profundidade efetiva do tanque (20) é mais rasa e partes ortogonais aos defletores (500) impedem um fluxo de líquido sob os defletores (500). Em uma segunda posição dos defletores (500), como ilustrado em linhas pontilhadas, uma grande parte dos defletores (500) está em uma orientação vertical e têm influência relativamente pequena sobre a propagação da onda (30) de tal forma que o líquido (10) tem uma profundidade efetiva que corresponde a uma verdadeira profundidade do líquido (10) dentro do tanque (20). Uma vantagem dos defletores (500) é que eles podem ser girados com grande rapidez, por exemplo, 90° dentro de um segundo, com gasto de energia relativamente pequeno para modular a profundidade efetiva de líquido (10) dentro do tanque (20) e, portanto, uma velocidade de propagação da onda (30) dentro do tanque (20). Através da adição e/ou remoção de líquido (10) seletiva do tanque (20) e, opcionalmente, empregando os defletores (500) para modular uma profundidade efetiva do tanque (20), é possível manter a onda de propagação (30) para frente e para trás dentro do tanque (20), de maneira a se opor, pelo menos parcialmente, a um movimento de rolagem do navio (100) detectado pelo sensor de rolagem (230).The effective depth of the liquid (10) in the tank (20) can be influenced by the removal of liquid (10) or the addition of liquid to the tank (20) through the pumps (260), (280) and their corresponding valves (270) , (290), respectively. In addition, or alternatively, the effective depth can be modulated by using rotating blades or deflectors, for example, as shown in Figure 5. In Figure 5, the lower region of the tank (20) is equipped with a series of deflectors ( 500) rotating in the shape of "L", which are pivotable on their respective axes (510). In a first position of the baffles (500), as illustrated in solid lines, the effective depth of the tank (20) is shallower and parts orthogonal to the baffles (500) prevent a flow of liquid under the baffles (500). In a second position of the deflectors (500), as illustrated in dotted lines, a large part of the deflectors (500) are in a vertical orientation and have relatively little influence on the propagation of the wave (30) in such a way that the liquid (10 ) has an effective depth that corresponds to a true depth of the liquid (10) inside the tank (20). An advantage of deflectors (500) is that they can be rotated very quickly, for example, 90 ° within a second, with relatively little energy expenditure to modulate the effective depth of liquid (10) inside the tank (20) and therefore, a wave propagation speed (30) inside the tank (20). By adding and / or removing selective liquid (10) from the tank (20) and, optionally, using the deflectors (500) to modulate an effective depth of the tank (20), it is possible to maintain the propagation wave (30) to back and forth inside the tank (20), in order to oppose, at least partially, a roll movement of the ship (100) detected by the roll sensor (230).
Referindo-se à Figura 6, é mostrada uma embarcação oceânica (100) grande equipada com dois equipamentos (200) nos termos da presente invenção com seus respectivos tanques (20) dispostos transversalmente ao navio (100) em posições aproximadamente dianteira e traseira dentro do navio (100). É viável incluir um ou mais exemplos do equipamento (200) em cada navio oceânico (100). Opcionalmente, um exemplo do equipamento (200) é também disposto ao longo de um comprimento de um navio oceânico (100) para a redução da inclinação do navio (100). A presente invenção proporciona uma vantagem ao reduzir movimentos de rolagem em navios oceânicos, exigindo energia muito reduzida em comparação com sistemas correspondentes de estabilização giroscópica, melhorando assim a eficiência do combustível dos navios. Além disso, a presente invenção proporciona uma redução de movimento de rolagem melhorada em comparação à redução oferecida pelos reservatórios de líquidos passivos 5 conhecidos para reduzir movimento de rolagem.Referring to Figure 6, there is shown a large oceanic vessel (100) equipped with two equipment (200) in terms of the present invention with their respective tanks (20) disposed across the ship (100) in approximately front and rear positions within the ship (100). It is feasible to include one or more examples of equipment (200) in each ocean vessel (100). Optionally, an example of the equipment (200) is also arranged along a length of an ocean vessel (100) for reducing the inclination of the vessel (100). The present invention provides an advantage by reducing scrolling movements on ocean-going ships, requiring very little energy compared to corresponding gyroscopic stabilization systems, thereby improving the fuel efficiency of ships. In addition, the present invention provides an improved reduction in rolling motion compared to the reduction offered by passive liquid reservoirs known to reduce rolling motion.
Modificações em concretizações da invenção descritas acima são possíveis sem se afastar do âmbito da invenção, tal como definido pelas reivindicações em anexo. Expressões como "incluindo", "compreendendo", "incorporando", "consistindo de", "tendo" usadas para descrever e reivindicar a presente invenção se destinam a ser 10 interpretadas de forma não exclusiva, ou seja, permitindo que itens, componentes ou elementos não explicitamente descritos também possam estar presentes. Referências ao singular também devem ser interpretadas como relacionadas ao plural. Numerais incluídos entre parênteses nas reivindicações que acompanham este pedido são destinados a ajudar o entendimento das reivindicações e não devem ser interpretados de 15 forma alguma para limitar matéria reivindicada por essas reivindicações.Modifications to embodiments of the invention described above are possible without departing from the scope of the invention, as defined by the appended claims. Expressions such as "including", "comprising", "incorporating", "consisting of", "having" used to describe and claim the present invention are intended to be interpreted non-exclusively, that is, allowing items, components or elements not explicitly described may also be present. References to the singular should also be interpreted as related to the plural. Numerals included in parentheses in the claims accompanying this request are intended to assist in understanding the claims and should not be construed in any way to limit the matter claimed by those claims.
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