CN108583799B - 一种带能量回收功能的被动式舰船减摇系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带能量回收功能的被动式舰船减摇系统，系统包括沿船体水平放置的基座，以及沿基座水平布放的用于减轻船体摇晃的减摇模块和用于将船体的晃动能量转化为电能的能量回收模块，减摇模块包括：导轨，沿基座水平布放，用于产生约束力；配重，沿导轨水平布放并受导轨约束，用于在船体产生晃动时沿导轨产生振荡运动；弹簧，其两端分别与基座和配重连接，用于提供配重振荡运动的恢复力。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种舰船上用于减摇的系统，更具体地是涉及一种带能量回收功能的被动式舰船减摇系统，具有减摇和发电双重作用。
背景技术
船舶受恶劣海况及大风影响产生剧烈晃动是导致海难事故的一个因素，程度较轻的船体晃动则会大幅度降低乘坐体验，导致晕船等不适感。
船舶的减摇装置包括主动式和被动式。主动式减摇装置根据控制对象不同，又可以分为减摇鳍、减摇水仓以及舵减摇等。可以通过控制系统及时地控制受控对象产生反向作用以中和船体的晃动。但是主动式减摇装置虽然减摇效果较好，但是在减摇的同时会造成能源消耗，不是一种具有经济性的选择。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种可实现零航速、无能量消耗减摇，减摇效果好，提高舰船安全性，可实现利用船体晃动发电，且发电效率高，绿色节能的一种带能量回收功能的被动式舰船减摇系统。
本发明的目的之二在于提供一种解决减轻船体晃动与降低能量消耗之间的矛盾，实现吸收船体晃动的能量并转化为电能，具有零航速减摇和发电双重功能的一种带能量回收功能的被动式舰船减摇系统的减摇方法。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：一种带能量回收功能的被动式舰船减摇系统，其特征在于：系统包括沿船体水平放置的基座，以及沿基座水平布放的用于减轻船体摇晃的减摇模块和用于将船体的晃动能量转化为电能的能量回收模块，减摇模块包括：
导轨，沿基座水平布放，用于产生约束力；
配重，沿导轨水平布放并受导轨约束，用于在船体产生晃动时沿导轨产生振荡运动；
弹簧，其两端分别与基座和配重连接，用于提供配重振荡运动的恢复力。
基座由钢铁焊接在船体内部，用于提供系统放置的基础部件，配重是一块高密度的大质量物体，可用于抵消较大的船体摇晃力，上述系统的设置解决了减轻船体晃动与减少能量消耗之间的矛盾，减摇模块可有效降低船体的晃动，减摇效果好，显著提高舰船航行安全性，且不需要消耗能量，节约能源，能量回收模块还可在减摇模块降低船体晃动的过程中吸收晃动能量用于发电，其发电效率高，实现船体在不需要消耗能量的情况下，还可为舰船供给电能，绿色节能，且减摇模块和能量回收模块在船体零航速的情况下仍可正常工作，实现零航速减摇，提高船体多种情况下的安全性。
为优化上述技术方案，所采取的措施还包括：基座水平放置方式为沿船体首尾方向放置或沿船体左右方向放置中的一种，不同的布放角度可以分别实现对船体纵向摇摆和横向摇摆的能量进行吸收，且同时布放两个不同角度的减摇系统可以实现对两个维度能量的综合吸收，使得本系统可根据实际需要进行设计，保持本减摇系统具有最佳的减摇效果，且具有最佳的发电效率；作为优选，导轨与基座的水平放置方向相同，导轨与基座的放置方向相同才可保证配重具有有效的减摇效果，当基座和导轨沿船体首尾方向放置时，沿导轨运动的配重在船的前后方向运动，吸收纵向摇摆方向的能量；当基座和导轨沿船体左右方向放置时，沿导轨运动的配重在船的左右方向运动，吸收横向摇摆方向的能量，吸收减摇效果好；导轨表面设有刻度，刻度可提供船体人员在配重发生振荡运动时通过导轨表面的刻度读出配重的移动距离，从而估算出当前船体的摇摆幅度，根据不同的船体的摇摆幅度作好不同的应急准备，使得减摇系统在减摇过程中还可进行船体状态报警，提高安装有本减摇系统的舰船航行的安全性，减少事故的发生。
作为优选，能量回收模块包括直线发电机，直线发电机包括外壳，外壳内壁连接有固定件，固定件中心设有运动件，运动件通过连接杆与配重连接，配重的运动通过连接杆带动运动件运动，使直线发电机内部具有切割磁感线的动作，从而实现发电，直线发电机与配重通过一根连接杆直接连接，可有效减少能量传递，提高发电效率。
作为优选，固定件包括与外壳连接的带齿铁芯基底，带齿铁芯基底齿间缠绕有线圈，带齿铁芯基底将线圈固定在外壳内部，当运动件运动时，实现线圈切割磁感线的动作，从而实现发电；作为优选，带齿铁芯基底的边齿底部内嵌连接有半球体海绵球，海绵球上端的带齿铁芯基底内部设有圆柱体中空孔，中空孔近带齿铁芯基底中部一侧连接有球形隔磁材料，海绵球可减轻带齿铁芯基底两端重量，防止带齿铁芯基底发生一侧倾斜而降低线圈切割磁感线的效果，提高直线发电机的发电效率，内嵌的中空孔内部空气在磁场作用下提高其自然对流效果，增加带齿铁芯基底内部的换热效率，提高直线发电机散热效果，避免直线发电机内部因船体晃动时间过长而产生过多热量影响减摇系统正常工作，提高装置工作稳定性，且配合设置在中空孔一侧的隔磁材料和边齿底部的海绵球的共同作用下使得带齿铁芯基底边齿的磁阻改变，改善直线发电机内部磁路分布的均匀性，减小直线发电机的纵向端部效应所产生的推力波动对系统的影响，补偿纵向端部效应引起的非线性时变扰动，降低直线发电机内部的附加损耗，显著提高直线发电机的发电效率，使直线发电机具有较好的发电效益，使得减摇系统对船体的晃动能量具有较高的利用率。
作为优选，运动件包括与连接杆连接的中空铁芯，中空铁芯表面连接有环状永磁体，环状永磁体在直线发电机内部产生磁场，在连接杆的带动下，环状永磁体在直线发电机内部作往复运动，使得线圈产生切割磁感线的效果，从而有效发电。
作为优选，外壳外表面连接有抱箍，抱箍通过固定螺栓固定在基座表面，外壳用抱箍以及固定螺栓固定在基座表面，其固定牢靠，可避免船体的摇晃带来的影响，且壳体为金属壳体，具有一定的隔离作用，降低漏磁现象，提高直线发电机的发电效率以及可靠性。
一种带能量回收功能的被动式舰船减摇系统的减摇方法，包括：
由弹簧和配重构成的弹簧阻尼系统，吸收船体的晃动能量，减轻船体摇晃；
由直线发电机和连接杆构成的能量回收模块，将弹簧阻尼系统中的配重在随船体晃动而产生振荡运动的过程的能量转换为电能。上述减摇方法通过弹簧阻尼系统减轻船体的晃动，通过能量回收模块将船体的晃动能量转化为电能，有效解决了减轻船体晃动与降低能量消耗之间的矛盾，通过被动式的减摇方法实现吸收船体晃动的能量并转化为电能，不仅不需要消耗能量去减轻船体的晃动，还可为舰船供给电能，且在零航速情况下，减摇系统仍可正常工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果为:
1)被动式吸收船体摆动能量，在船体减摇过程中不需要消耗能量，且吸收的能量用于发电，为船上用电设备供电；
2)封闭在船舱中的减摇系统减少了与水的接触，降低减摇系统的维护费用；
3)减摇系统具有多种布放方式以及组合方式，可用于吸收船体不同自由度能量；
4)导轨表面带有刻度，可进行当前船体的摇摆幅度估算，从而作好不同的应急准备，提高舰船航行安全性；
5)带齿铁芯基底的边齿结构可减小直线发电机的纵向端部效应所产生的推力波动对系统的影响，补偿纵向端部效应引起的非线性时变扰动，降低直线发电机内部的附加损耗，显著提高直线发电机的发电效率，使直线发电机具有较好的发电效益。
本发明采用了上述技术方案提供一种带能量回收功能的被动式舰船减摇系统，弥补了现有技术的不足，设计合理，操作方便。
附图说明
图1为本发明系统的俯视图；
图2为本发明系统的正视图；
图3为本发明减摇系统沿船体左右方向布放时系统的俯视图；
图4为本发明直线发电机的结构图；
图5为本发明直线发电机的剖视图；
图6为本发明带齿铁芯基底的结构图以及边齿的布局放大图；
图7为本发明实施例5中各组横摇角幅值示意图；
图8为本发明实施例5中零速和有速的相对减摇效果示意图。
附图标记说明：1船体；2外壳；3基座；4抱箍；5固定件；6运动件；7固定螺栓；8连接杆；9导轨；10配重；11弹簧；12带齿铁芯基底；13线圈；14环状永磁体；15中空铁芯；16中空孔；17隔磁材料；18海绵球。
具体实施方式
以下结合附图和实施例作进一步详细描述：
实施例1：
如图1～6所示，一种带能量回收功能的被动式舰船减摇系统，系统包括沿船体1水平放置的基座3，以及沿基座3水平布放的用于减轻船体1摇晃的减摇模块和用于将船体1的晃动能量转化为电能的能量回收模块，减摇模块包括：
导轨9，沿基座3水平布放，用于产生约束力；
配重10，沿导轨9水平布放并受导轨9约束，用于在船体1产生晃动时沿导轨9产生振荡运动；
弹簧11，其两端分别与基座3和配重10连接，用于提供配重10振荡运动的恢复力。
基座3由钢铁焊接在船体1内部，用于提供系统放置的基础部件，配重是一块高密度的大质量物体，可用于抵消较大的船体1摇晃力，上述系统的设置解决了减轻船体晃动与减少能量消耗之间的矛盾，减摇模块可有效降低船体1的晃动，减摇效果好，显著提高舰船航行安全性，且不需要消耗能量，节约能源，能量回收模块还可在减摇模块降低船体1晃动的过程中吸收晃动能量用于发电，其发电效率高，实现船体1在不需要消耗能量的情况下，还可为舰船供给电能，绿色节能。
基座3水平放置方式为沿船体1首尾方向放置或沿船体1左右方向放置中的一种，不同的布放角度可以分别实现对船体纵向摇摆和横向摇摆的能量进行吸收，且同时布放两个不同角度的减摇系统可以实现对两个维度能量的综合吸收，使得本系统可根据实际需要进行设计，保持本减摇系统具有最佳的减摇效果，且具有最佳的发电效率；导轨9与基座3的水平放置方向相同，导轨9与基座3的放置方向相同才可保证配重10具有有效的减摇效果，当基座3和导轨9沿船体1首尾方向放置时，沿导轨9运动的配重10在船的前后方向运动，吸收纵向摇摆方向的能量；当基座3和导轨9沿船体1左右方向放置时，沿导轨9运动的配重10在船的左右方向运动，吸收横向摇摆方向的能量，吸收减摇效果好；导轨9表面设有刻度，刻度可提供船体人员在配重10发生振荡运动时通过导轨9表面的刻度读出配重10的移动距离，从而估算出当前船体1的摇摆幅度，根据不同的船体1的摇摆幅度作好不同的应急准备，使得减摇系统在减摇过程中还可进行船体1状态报警，提高安装有本减摇系统的舰船航行的安全性，减少事故的发生。
能量回收模块包括直线发电机，直线发电机包括外壳2，外壳2内壁连接有固定件5，固定件5中心设有运动件6，运动件6通过连接杆8与配重10连接，配重10的运动通过连接杆8带动运动件6运动，使直线发电机内部具有切割磁感线的动作，从而实现发电，直线发电机与配重10通过一根连接杆8直接连接，可有效减少能量传递，提高发电效率。
固定件5包括与外壳2连接的带齿铁芯基底12，带齿铁芯基底12齿间缠绕有线圈13，带齿铁芯基底12将线圈13固定在外壳2内部，当运动件6运动时，实现线圈13切割磁感线的动作，从而实现发电；带齿铁芯基底12的边齿底部内嵌连接有半球体海绵球18，海绵球18上端的带齿铁芯基底12内部设有圆柱体中空孔16，中空孔16近带齿铁芯基底12中部一侧连接有球形隔磁材料17，海绵球18可减轻带齿铁芯基底12两端重量，防止带齿铁芯基底12发生一侧倾斜而降低线圈13切割磁感线的效果，提高直线发电机的发电效率，内嵌的中空孔16内部空气在磁场作用下提高其自然对流效果，增加带齿铁芯基底12内部的换热效率，提高直线发电机散热效果，避免直线发电机内部因船体1晃动时间过长而产生过多热量影响减摇系统正常工作，提高装置工作稳定性，且配合设置在中空孔16一侧的隔磁材料17和边齿底部的海绵球18的共同作用下使得带齿铁芯基底12边齿的磁阻改变，改善直线发电机内部磁路分布的均匀性，减小直线发电机的纵向端部效应所产生的推力波动对系统的影响，补偿纵向端部效应引起的非线性时变扰动，降低直线发电机内部的附加损耗，显著提高直线发电机的发电效率，使直线发电机具有较好的发电效益，使得减摇系统对船体1的晃动能量具有较高的利用率。
海绵球18的优选制备方法为：按重量份计，取78份三羟甲基丙烷聚醚、22份甲苯二异氰酸酯投入混合器中混合，搅拌均匀，并加热至23℃，再取6份纳米海泡石粉、17份E-12环氧树脂、0.6份辛酸亚锡、0.01份α-甲基苄胺、0.08份醋酸锌，投入混合器中混合，加热至60℃，高速搅拌20秒钟后倒入模具发泡并固化后，得到高弹性海绵，其中α-甲基苄胺中的(S)-α-甲基苄胺和(R)-α-甲基苄胺的质量比为1:0.33，加入的α-甲基苄胺与三羟甲基丙烷聚醚具有协同作用，可有效避免海绵在发泡过程中出现孔径过大或多孔联结的问题，使所制得的海绵球18具有优异的弹性且不易出现内部中空坍塌的现象，还可促进三羟甲基丙烷聚醚和甲苯二异氰酸酯产生扩链反应，提高海绵球18质量，从而提高海绵球18与中空孔16和隔磁材料17的配合作用，增强改善磁路分布的效果，提高直线发电机的发电效率。
运动件6包括与连接杆8连接的中空铁芯15，中空铁芯15表面连接有环状永磁体14，环状永磁体14在直线发电机内部产生磁场，在连接杆8的带动下，环状永磁体14在直线发电机内部作往复运动，使得线圈13产生切割磁感线的效果，从而有效发电。
外壳2外表面连接有抱箍4，抱箍4通过固定螺栓7固定在基座3表面，外壳2用抱箍4以及固定螺栓7固定在基座3表面，其固定牢靠，可避免船体1的摇晃带来的影响，且壳体2为金属壳体，具有一定的隔离作用，降低漏磁现象，提高直线发电机的发电效率以及可靠性。
本实施例中的常规技术为本领域技术人员所知晓的现有技术，在此不作详细叙述。
实施例2：
如图1～6所示，一种带能量回收功能的被动式舰船减摇系统的减摇方法，包括：
由弹簧11和配重10构成的弹簧阻尼系统，吸收船体1的晃动能量，减轻船体1摇晃；
由直线发电机和连接杆8构成的能量回收模块，将弹簧阻尼系统中的配重10在随船体1晃动而产生振荡运动的过程的能量转换为电能。
上述减摇方法通过弹簧阻尼系统减轻船体1的晃动，通过能量回收模块将船体1的晃动能量转化为电能，有效解决了减轻船体1晃动与降低能量消耗之间的矛盾，通过被动式的减摇方法实现吸收船体1晃动的能量并转化为电能，不仅不需要消耗能量去减轻船体1的晃动，还可为舰船供给电能。
本实施例中的常规技术为本领域技术人员所知晓的现有技术，在此不作详细叙述。
实施例3：
如图1～6所示，本发明的连接方式为：将基座3沿船体1首尾方向或沿船体1左右方向进行放置，在基座3的左侧表面按照基座3的固定方向固定两根导轨9，导轨9上端沿导轨9布放配重10，配重10的左侧壁面中心连接弹簧11的一侧，弹簧11的另一端与基座3凸起面连接，以保证弹簧11处于水平连接状态，配重10的右侧壁面中心连接连接杆8的一侧，连接杆8另一侧连接至固定在基座右侧表面的直线发电机的运动件6上，具体是与运动件6中的中空铁芯15连接，中空铁芯15表面连接有环状永磁体14，运动件6设置于直线发电机中心，直线发电机的外壳2表面连接有抱箍4，固定螺栓7通过将抱箍4固定在基座3表面而限制外壳2的位置，避免直线发电机产生滑动，外壳2内壁连接有带齿铁芯基底12，带齿铁芯基底12齿间缠绕有线圈13，带齿铁芯基底12的两端边齿底部内嵌连接有直径与边齿宽度相等的半球体海绵球18，海绵球18上端的边齿内部靠近边齿内边缘侧埋设有球体隔磁材料17，隔磁材料17左侧抵邻埋设有圆柱形中空孔16，中空孔16的长度与隔磁材料17的直径之和小于边齿宽度。
本实施例中的左侧、右侧等仅为一种相对位置关系的描述，并非部件之间的固定关系限定。
实施例4：
如图1～6所示，本发明的具体实施工作过程如下：
1)根据实际需要将本减摇系统沿船体1的首尾方向或左右方向放置；
2)当船体1在波浪作用下产生倾斜时，配重10因自身重力以及弹簧11的弹力的共同作用下沿着导轨9发生振荡运动；
3)配重10在振荡运动中通过连接杆8带动直线发电机的运动件6产生直线往复运动；
4)直线发电机中的固定件5内部的线圈13因运动件6的往复运动而切割运动件6内部的环状永磁体14所产生的磁场的磁感线，从而产生电能，减轻船体1的晃动。
由此本发明的减摇装置实现了吸收船体振荡的能量，减轻船体的振荡幅度并将吸收的能量转换为电能的目的。
本实施例中的常规技术为本领域技术人员所知晓的现有技术，在此不作详细叙述。
实施例5：
采用本发明的装置连接以及实施方法进行减摇试验：
试验地点为某体育馆水池，水池长110m，宽6m，水深3m。船模采用国际模“Mariner”号玻璃钢船模，主要参数见表1，船模上安装的主要仪器设备有：舶摇陀螺、横摇陀螺、横摇角速度陀螺、船模运动控制箱，主控系统、舵机及控制系统，遥控信号接收机、电瓶等。舵机为60BCJ30C6步进电机，采用三相六拍驱动方式。电机内含齿轮减速器，减速比为1:6.11，歩距角为0.2455°，最大舵角40°。
表1 “Mariner”号玻璃钢船模主要参数
试验采用单一反馈参量，谐振区波浪周期应为0.94s≤T≤1.7s，试验中所取规则波周期范围是0.8s～1.8s，波高均为3cm。
取船模进行4组试验，在未安装本发明减摇系统的情况下进行零速无反馈横摇、以船速1.2m/s进行无反馈横摇，上述两种试验内容均待船模进入稳定横摇状态时进行数据采集，数据记录速度为30次/s。后在船模内部沿船体左右方向放置本发明的减摇系统，进行零速反馈减摇、以1.2m/s航行速度进行反馈减摇试验，数据记录速度为30次/s。
每个规则波试验记录了与实践对应的瞬时横摇角、瞬时横摇角速度以及瞬时舵角，如图7所示，为上述4组试验以时间为横坐标对应的横摇角幅值变化。
根据图7中显示的各组横摇角幅值，利用下面公式计算各个波浪周期下的相对减摇效果
如图8所示。
式中，
为末减摇的横摇幅值，
为减摇后的横摇幅值。
由图8所示，本发明的减摇系统的在零速下的相对减摇效果达到92％，在有速下的相对减摇效果达到94％，本发明的减摇系统在无能量消耗的情况下具有优异且稳定的减摇效果，且试验中直线发电机具有较稳定的输出，发电效率高。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种带能量回收功能的被动式舰船减摇系统，其特征在于：系统包括沿船体(1)水平放置的基座(3)，以及沿基座(3)水平布放的用于减轻船体(1)摇晃的减摇模块和用于将船体(1)的晃动能量转化为电能的能量回收模块，所述的减摇模块包括：
导轨(9)，沿基座(3)水平布放，用于产生约束力；
配重(10)，沿导轨(9)水平布放并受导轨(9)约束，用于在船体(1)产生晃动时沿导轨(9)产生振荡运动；
弹簧(11)，其两端分别与基座(3)和配重(10)连接，用于提供配重(10)振荡运动的恢复力；
所述的能量回收模块包括直线发电机，所述的直线发电机包括外壳(2)，所述的外壳(2)内壁连接有固定件(5)，所述的固定件(5)中心设有运动件(6)，所述的运动件(6)通过连接杆(8)与配重(10)连接；
所述的固定件(5)包括与外壳(2)连接的带齿铁芯基底(12)，所述的带齿铁芯基底(12)齿间缠绕有线圈(13)；
所述的带齿铁芯基底(12)的边齿底部内嵌连接有半球体海绵球(18)，所述的海绵球(18)上端的带齿铁芯基底(12)内部设有圆柱体中空孔(16)，所述的中空孔(16)近带齿铁芯基底(12)中部一侧连接有球形隔磁材料(17)；
海绵球(18)的制备方法为：按重量份计，取78份三羟甲基丙烷聚醚、22份甲苯二异氰酸酯投入混合器中混合，搅拌均匀，并加热至23℃，再取6份纳米海泡石粉、17份E-12环氧树脂、0.6份辛酸亚锡、0.01份α-甲基苄胺、0.08份醋酸锌，投入混合器中混合，加热至60℃，高速搅拌20秒钟后倒入模具发泡并固化后，得到高弹性海绵。
2.根据权利要求1所述的一种带能量回收功能的被动式舰船减摇系统，其特征在于：所述的基座(3)水平放置方式为沿船体(1)首尾方向放置或沿船体(1)左右方向放置中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种带能量回收功能的被动式舰船减摇系统，其特征在于：所述的导轨(9)与基座(3)的水平放置方向相同，所述的导轨(9)表面设有刻度。
4.根据权利要求1所述的一种带能量回收功能的被动式舰船减摇系统，其特征在于：所述的运动件(6)包括与连接杆(8)连接的中空铁芯(15)，所述的中空铁芯(15)表面连接有环状永磁体(14)。
5.根据权利要求1所述的一种带能量回收功能的被动式舰船减摇系统，其特征在于：所述的外壳(2)外表面连接有抱箍(4)，所述的抱箍(4)通过固定螺栓(7)固定在基座(3)表面。
6.一种应用权利要求1～5中任一项所述的带能量回收功能的被动式舰船减摇系统的减摇方法，其特征在于：所述的减摇方法包括：
由弹簧(11)和配重(10)构成的弹簧阻尼系统，吸收船体(1)的晃动能量，减轻船体(1)摇晃；
由直线发电机和连接杆(8)构成的能量回收模块，将所述的弹簧阻尼系统中的配重(10)在随船体(1)晃动而产生振荡运动的过程的能量转换为电能。
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