CN107719595A - 一种复合式海洋平台减摇系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合式海洋平台减摇系统，平台内左右两侧均设有减摇水舱，设置在平台外两侧的双曲面减摇鳍，双曲面减摇鳍的中点通过旋转轴与平台外壁连接；液压装置，包括设置在平台内两侧与减摇水舱水密连通的液压缸，液压缸以所述的纵中线为界分为上下对称的上液压缸和下液压缸，上下液压缸分别通过推杆与所述的双曲面减摇鳍的两个曲面鳍连接；传输管道，用于将平台内左右两侧的减摇水舱水密连通；控制器通过将水流动压传感器测得的结果对位置传感器采集的倾斜信息进行数据修正、并根据最终的平台倾斜数据计算出调节水量控制位于传输管道中的水泵进行调节。本发明利用双曲面减摇鳍结合液压装置，用于零航速海洋平台的减摇，且耗能较低。

Description

一种复合式海洋平台减摇系统及方法

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种复合式海洋平台减摇系统及方法。

背景技术

现今海洋工程领域和海洋航行器领域上使用最多、减摇效果最好的两种减摇结构形式分别为减摇水舱和减摇鳍。减摇水舱的工作原理是利用舱内水在左右两侧产生的水位差构成使船舶或海洋平台平衡的力矩，从而抵抗波浪对海洋平台或船舶的作用力矩，使其横摇幅度减小；减摇鳍是一种剖面形状为机翼形的装置，装于船中两舷舭部，通过操纵机构转动减摇鳍，使水流在其上产生作用力，从而形成减摇力矩，见小横摇幅度，达到减摇的目的。

海面上的波浪较为复杂，故而船舶或海洋平台的横摇周期也非一定，减摇水舱能够减摇的前提是舱内水的横摇相位必须滞后船舶摇横摇相位π/2，因此必须添加控制模块，对减摇水舱内的水位进行及时、快速的人工干预，这就对减摇水舱的控制模块性能提出了很高的要求，也需要为调整水位提供相当多的能量，这对船舶或海洋平台的运营是极为不利的。

减摇鳍的工作原理决定了它产生的升力与航速关系密切，当航行器航速较高，减摇鳍可以产生较大的升力，从而抵抗和减缓船舶的横摇幅度，而当航速下降，减摇鳍产生的升力则会急剧下降，与此同时减摇效果也会呈指数级下降。

目前世界上有许多作业船舶与用于海上短期生活、旅游的海洋平台，该类海上航行器工作时是无航速的，因此上述两种减摇结构的局限性就相当明显。在中国发明专利说明书CN104309778A中公开了一种联合控制式可控被动式减摇水舱装置，该装置虽对普通减摇水舱使用横摇周期短这一问题进行了改善，但仍然需要耗费大量能量；在中国发明专利说明书CN104309778A中公开了一种弧面可调式减摇鳍，该减摇鳍也在低航速下减摇性能方面做了改进，但却需要提供能量使其主动运动，且不适用于航速下的作业船舶与海洋平台。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种复合式海洋平台减摇系统，能够用于零航速海洋平台的减摇，且耗能较低。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种复合式海洋平台减摇系统，包括平台，平台内左右两侧均设有减摇水舱，其特征在于：它还包括：

设置在平台外两侧的双曲面减摇鳍，双曲面减摇鳍包括中点和位于中点两边对称的曲面鳍，中点通过旋转轴与平台外壁连接，使得在有横浪时双曲面减摇鳍以平台的纵中线为轴旋转；

液压装置，包括设置在平台内两侧与减摇水舱水密连通的液压缸，液压缸以所述的纵中线为界分为上下对称的上液压缸和下液压缸，上下液压缸分别通过推杆与所述的双曲面减摇鳍的两个曲面鳍连接；所述的推杆受双曲面减摇鳍的转动而在液压缸内做伸缩运动；

传输管道，用于将平台内左右两侧的减摇水舱水密连通；

控制单元，包括水流动压传感器、位置传感器、控制器和水泵，水流动压传感器用于测量传输管道内受推杆伸缩运动和传输管内水流量及流速变化，位置传感器用于测量平台当前的倾斜信息，控制器通过将水流动压传感器测得的结果对位置传感器采集的倾斜信息进行数据修正、并根据最终的平台倾斜数据计算出调节水量控制位于传输管道中的水泵进行调节。

按上述方案，所述的平台每一侧均设有四块双曲面减摇鳍。

按上述方案，所述的上液压缸和下液压缸均设有2个。

按上述方案，所述的位置传感器包括位于平台中部的六轴角度测量仪和分布于平台左右两舷的十轴姿态传感器。

按上述方案，所述的平台外两侧的减摇水舱分为前后2组，所述的传输管道分为前传输管道和后传输管道，分别与前后2组的减摇水舱连接。

利用所述的复合式海洋平台减摇系统实现的减摇方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、当平台遭遇横向波浪，产生横向往复摇动，双曲面减摇鳍受横摇绕旋转轴转动，并带动推杆在液压缸内做伸缩运动，进而使得传输管道中水流的流速和流量发生非主动变化；

S2、根据传输管道中水流的流速和流量的非主动变化，对位置传感器测量的平台倾斜信息进行修正，计算平台最终倾斜力矩；

S3、根据平台最终倾斜力矩计算调节水量，控制位于传输管道中的水泵进行调节。

按上述方法，所述的S2中，传输管道中水流速与流量的非主动变换与平台倾斜力矩成正比，然后与位置传感器测量的平台倾斜信息进行修正，得到平台最终倾斜力矩；

所述的S3中，计算用于平衡所述平台最终倾斜力矩所需要的传输管道中的主动流量和流速，控制位于传输管道中的水泵进行调节。

本发明的有益效果为：一方面巧妙运用机翼理论，利用双曲面减摇鳍在横摇时转动产生的升力与阻尼力的双重作用，减缓平台横摇幅度；另一方面通过双曲面减摇鳍与液压装置的结合，利用推杆的信息对平台倾斜角度进行修正，得到更准确的调节水量，并且能将减摇鳍转动产生的机械能转换到减摇水舱中水流的动能，达到节能的目的。

附图说明

图1为减摇鳍的力学原理图。

图2为本发明一实施例的立体图。

图3为图2的局部放大图。

图4为减摇鳍与平台的连接细节图。

图5为本发明一实施例的俯视图。

图6为图5的局部放大图。

图中：1、平台；2、双曲面减摇鳍；3、推杆；4、液压装置；5、减摇水舱；6、旋转轴；7、液压缸；8、控制器；9、传输管道。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种复合式海洋平台减摇系统，如图2至图6所示，包括平台1，平台1内左右两侧均设有减摇水舱5，它还包括：设置在平台1外两侧的双曲面减摇鳍2，双曲面减摇鳍2包括中点和位于中点两边对称的曲面鳍，中点通过旋转轴6与平台1外壁连接，使得在有横浪时双曲面减摇鳍2以平台1的纵中线为轴旋转；液压装置4，包括设置在平台内两侧与减摇水舱5水密连通的液压缸7，液压缸7以所述的纵中线为界分为上下对称的上液压缸和下液压缸，上下液压缸分别通过推杆3与所述的双曲面减摇鳍的2两个曲面鳍连接；所述的推杆3受双曲面减摇鳍2的转动而在液压缸7内做伸缩运动；传输管道9，用于将平台内左右两侧的减摇水舱水密连通；

控制单元，包括水流动压传感器、位置传感器、控制器8和水泵，水流动压传感器用于测量传输管道内受推杆伸缩运动和传输管内水流量及流速变化，位置传感器用于测量平台当前的倾斜信息，控制器8通过将水流动压传感器测得的结果对位置传感器采集的倾斜信息进行数据修正、并根据最终的平台倾斜数据计算出调节水量控制位于传输管道9中的水泵进行调节。

本实施例中，所述的平台1每一侧均设有四块双曲面减摇鳍2。上液压缸和下液压缸均设有2个。

所述的位置传感器包括位于平台中部的六轴角度测量仪和分布于平台左右两舷的十轴姿态传感器。平台1外两侧的减摇水舱5分为前后2组，所述的传输管道9分为前传输管道和后传输管道，分别与前后2组的减摇水舱5连接。

利用所述的复合式海洋平台减摇系统实现的减摇方法，它包括以下步骤：

S1、当平台1遭遇横向波浪，产生横向往复摇动，双曲面减摇鳍2受横摇绕旋转轴6转动，并带动推杆3在液压缸7内做伸缩运动，进而使得传输管道9中水流的流速和流量发生非主动变化。

传输管道中非主动水流速与流量反映平台倾斜力矩的大小，并且成正比关系，即流速越高、流量越大，平台的倾斜力矩越大。平台恢复平衡所需复原力矩越大，则需要以较大的流量流速来平衡所述倾斜力矩，从而得出调节水量的结果。因此本发明中，S2、根据传输管道中水流的流速和流量的非主动变化，对位置传感器测量的平台倾斜信息进行修正，计算平台1最终倾斜力矩；

S3、根据平台1最终倾斜力矩计算调节水量，即计算用于平衡所述平台1最终倾斜力矩所需要的传输管道9中的主动流量和流速，控制位于传输管道9中的水泵进行调节。

当平台1遭遇横向波浪，将会产生横向往复摇动，即横摇。此时，双曲面减摇鳍2将在平台的作用下，绕平台1两侧中轴转动，同时将推动推杆3在液压缸7内做伸缩运动，推杆3在液压缸7内的运动则为减摇水舱5对应的控制器8提供信号和能量。

在上述过程中，一方面，双曲面减摇鳍2在水中的转动本身会受到阻尼力，另外由于机翼理论的作用，减摇鳍转动过程中会产生与其转动方向相反的升力，从而起到减摇的效果。如图1所示。另一方面，推杆3由于双曲面减摇鳍2的转动做伸缩运动，该运动就是平台1左右横摇的信号，故而可将此作为减摇水舱5的调控控制指令，另外，推杆3伸缩运动所产生的能量也可以消除或减少平台1能量供应的问题。

此减摇结构可应用近海作业船舶、近海生活、旅游海洋平台，通过对机翼理论的灵活运用，并将两种减摇结构深度配合，从而节能、有效地解决普通减摇结构不适用零航速航行器及海洋平台的问题。

以用于海洋平台和航行器、同样具有较好减摇效果的减摇结构减摇水舱和减摇鳍为例，减摇水舱能够减摇的前提是舱内水的横摇相位必须滞后船舶摇横摇相位π/2，因此必须添加控制模块，对减摇水舱内的水位进行及时、快速的人工干预，这就对减摇水舱的控制模块性能提出了很高的要求，也需要为调整水位提供相当多的能量，这对船舶或海洋平台的运营是极为不利的。

普通减摇鳍的工作原理决定了它只能应用于有航速海洋结构物，当航行器航速较高，减摇鳍可以产生较大的升力，从而抵抗和减缓船舶的横摇幅度，而当航速下降，减摇鳍产生的升力则会急剧下降，与此同时减摇效果也会呈指数级下降；当航行器暂停航行或针对无动力的海洋结构物，普通减摇鳍则会完全失去作用。

下面结合附图与实施案例对本发明的技术方案进行说明。

当平台1受到横向波浪作用时，安装在平台1两侧的双曲面减摇鳍在随平台参与整体横摇的同时，又绕旋转轴6转动，此时，双曲面减摇鳍2由于结构形状的特点，会受到阻尼力，同时，由机翼理论可知，当双曲面减摇鳍2在水中转动，双曲面减摇鳍2的板缘处会受到垂直于板缘向外的升力，阻尼力与升力皆与减摇鳍的运动方向相反，从而起到减摇的效果。

被双曲面减摇鳍2带动，连接双曲面减摇鳍2与液压装置4的上下各两根推杆3会在液压缸7内做伸缩运动，上下液压缸分别与减摇水舱5水密连通，以平台1发生左倾为例，平台1左倾时，平台1左侧双曲面减摇鳍2会向下运动，同时绕旋转轴6逆时针旋转，则双曲面减摇鳍2下缘受向双曲面减摇鳍2外侧（左侧）的升力，故双曲面减摇鳍2下方两条推杆3向左侧运动，使得下方两个液压缸7产生抽吸作用，上方则产生压缩作用，该作用不仅会激发控制器通过传输管道9将减摇水舱5中的水向平台右侧调整，还用于提供水流调配的动力，达到节能的目的。

本发明巧妙运用机翼理论，设计可以用于海洋平台或无航速作业船舶的双曲面减摇鳍，克服了普通减摇鳍无法用于低速或无航速船舶的问题。通过将双曲面减摇鳍与减摇水舱紧密配合，使得水舱调控时机更准确，调控效果更佳。通过液压系统，将减摇鳍在波浪作用下产生的机械能用于减摇水舱调整水量，达到了节能的目的，更加环保。减摇鳍由于其结构精确又简单，可以用新型水泥等材质代替，节约成本。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种复合式海洋平台减摇系统，包括平台，平台内左右两侧均设有减摇水舱，其特征在于：它还包括：

设置在平台外两侧的双曲面减摇鳍，双曲面减摇鳍包括中点和位于中点两边对称的曲面鳍，中点通过旋转轴与平台外壁连接，使得在有横浪时双曲面减摇鳍以平台的纵中线为轴旋转；

液压装置，包括设置在平台内两侧与减摇水舱水密连通的液压缸，液压缸以所述的纵中线为界分为上下对称的上液压缸和下液压缸，上下液压缸分别通过推杆与所述的双曲面减摇鳍的两个曲面鳍连接；所述的推杆受双曲面减摇鳍的转动而在液压缸内做伸缩运动；

传输管道，用于将平台内左右两侧的减摇水舱水密连通；

控制单元，包括水流动压传感器、位置传感器、控制器和水泵，水流动压传感器用于测量传输管道内受推杆伸缩运动和传输管内水流量及流速变化，位置传感器用于测量平台当前的倾斜信息，控制器通过将水流动压传感器测得的结果对位置传感器采集的倾斜信息进行数据修正、并根据最终的平台倾斜数据计算出调节水量控制位于传输管道中的水泵进行调节。

2.根据权利要求1所述的复合式海洋平台减摇系统，其特征在于：所述的平台每一侧均设有四块双曲面减摇鳍。

3.根据权利要求1所述的复合式海洋平台减摇系统，其特征在于：所述的上液压缸和下液压缸均设有2个。

4.根据权利要求1所述的复合式海洋平台减摇系统，其特征在于：所述的位置传感器包括位于平台中部的六轴角度测量仪和分布于平台左右两舷的十轴姿态传感器。

5.根据权利要求1或2所述的复合式海洋平台减摇系统；其特征在于：所述的平台外两侧的减摇水舱分为前后2组，所述的传输管道分为前传输管道和后传输管道，分别与前后2组的减摇水舱连接。

6.利用权利要求1所述的复合式海洋平台减摇系统实现的减摇方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、当平台遭遇横向波浪，平台产生横向往复摇动，双曲面减摇鳍受横摇绕旋转轴转动，并带动推杆在液压缸内做伸缩运动，进而使得传输管道中水流的流速和流量发生非主动变化；

S2、根据传输管道中水流的流速和流量的非主动变化，对位置传感器测量的平台倾斜信息进行修正，计算平台最终倾斜力矩；

S3、根据平台最终倾斜力矩计算调节水量，控制位于传输管道中的水泵进行调节。

7.根据权利要求6所述的减摇方法，其特征在于：所述的S2中，传输管道中水流速与流量的非主动变换与平台倾斜力矩成正比，然后与位置传感器测量的平台倾斜信息进行修正，得到平台最终倾斜力矩；

所述的S3中，计算用于平衡所述平台最终倾斜力矩所需要的传输管道中的主动流量和流速，控制位于传输管道中的水泵进行调节。