CN108770353B - 一种减缓船舶摆动的方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于减缓包括驱动器（20）的控制器（10）的船舶（1）摆动的方法，驱动器（20）适用于移动至少一个减摇鳍（30）以使当船舶（1）以零速度锚定时，稳定船舶（1），其中，所述至少一个减摇鳍（30）的运动包括初始加速步骤，恒定速度的中间步骤和最终减速步骤。在初始加速步骤中，所述至少一个减摇鳍（30）可以从第一角度位置（A1min）开始，在最终减速步骤中，所述至少一个减摇鳍（30）可以达到第二角度位置（A1max，A2max），对应于与所述至少一个减摇鳍（30）的加速和恒定速度步骤的效果相反的的最小或零值效果，可以最大化所述至少一个减摇鳍（30）产生的有用的侧倾力矩。

Description

一种减缓船舶摆动的方法

技术领域

本发明涉及一种减缓船舶摆动的方法。

具体的，本发明涉及一种通过稳定船鳍或其他通过旋转执行其功能的旋转装置以减缓船舶摆动的方法。

背景技术

除了用于测量船舶摆动行为的装置以外，已知系统和设施还减少倾斜、侧倾、颠簸、意外的船舶运动。

通常，用于船舶的防倾斜装置至少包括连接到船体的船鳍，其能够减少零船速下的船舶运动，也称作锚定船舶，以及用于导航的船舶。防倾斜装置是这样的：它的船鳍包括至少一个移动的流体动力学附件。

已知几种形状的船鳍，其中，船鳍具有两条轴。

特别的，专利EP2782822B1公开了一种用于主动稳定船舶的装置，其中，船舶处于第一运行状态时移动，处于第二运行状态时停止或被锚定。该装置包括至少一个连接到驱动器的具有翼形轮廓的元件。这种具有翼形轮廓的元件通过铰接机构连接到船体，通过围绕第一旋转轴和/或第二旋转轴的旋转，该铰接机构用于旋转具有翼形轮廓的元件从非活动位置到运行位置，其中在非活动位置处，具有翼形轮廓的元件至少一个表面基本平行且靠近船舶的外侧，其中在运行位置处，具有翼形轮廓的元件相对于船舶的外侧突出。

现有技术也由WO2009083892A2和EP1498348A1给出。

EP2782822B1和现有技术通常都没有解决减速效应的负面影响的问题，相对于由于船鳍的旋转导致的加速和粘滞效应的相关数量级问题，尤其是在船舶零速度情况下，或被锚定船舶的情况下。

发明内容

如在本发明的接下来描述要解释的，图1示意性地示出了具有右船鳍的船舶。作为示例，仅示出具有与船舶相关的尺寸和位置的右船鳍。船鳍显示在零攻角位置。攻角的概念是当船舶在有效导航时，用来识别船鳍的零位置。

图2示出了根据现有技术用于锚定稳定的船鳍的用途。关于图1示意性示出的零位置，船鳍围绕零位置旋转±60°的最大角度。零船速下，船鳍的旋转能够产生可减少船舶运动的侧倾力矩。

通过锚定侧倾的船鳍的稳定性，或零船速或低船速，使用船鳍以相对于零位置大约±60°的最大角度范围旋转。

船鳍旋转速度产生垂直于船鳍的力。该力在船舶上产生侧倾力矩，该力矩与相对于零所测量的船鳍角的余弦成正比。

当船鳍平行于船舶的主轴时，船鳍假定的角度为零，如图1所示。

假设船鳍在所有360°的恒定速度下旋转产生恒定力，产生的侧倾力矩与船鳍的角度的余弦成正比。在船鳍角的±90°处的余弦零点，这些点所产生的侧倾力矩为零，并且在这些点中，船鳍的旋转产生船首力矩。船鳍的旋转产生的侧倾力矩在船鳍角等于0°和180°时最大。

图3在图中示出了船舶的右船鳍，右船首和左船尾的侧视图。该曲线示出船鳍角的乘积因子，余弦：该因子在船鳍角等于0°和180°时最大，当船鳍呈现角度+ 90°和-90°时为零。作为船鳍角的函数的曲线用极坐标图表示，乘积因子是由于在产生侧倾力矩时产生的船鳍角。当后者的船鳍从起始角度到最终角度偏移时，船鳍的旋转产生的侧倾力矩能够执行锚定稳定，作为非限制性示例，在船鳍角范围内± 30°，和-30°和+ 30°之间的行程取决于产生的船鳍的力。而船鳍通过第一加速步骤，恒定速度的第二步骤和第三减速步骤执行行程。如此产生的力大约是图4的形状。

在加速步骤A和减速步骤C中，惯性力大于阻力，即由步骤B中的船鳍以恒定速度产生的力。加速步骤A中的惯性力与恒定速度下的阻力B具有相同的符号；由在减速步骤C中的船鳍产生的惯性力与步骤B在恒定速度下产生的阻力具有相反的符号。由于高于阻力，在减速步骤中的总力与其他两个步骤具有相反的符号。因此，如果前两个步骤A，B，加速度和恒定速度提供制动船舶侧倾运动的侧倾力矩，则最后减速步骤C提供有助于增加侧倾本身的侧倾力矩，因此，对于侧倾稳定来说是有害的。

图5示出了船鳍行程从-30°到+30°的侧倾力矩的近似行为。船鳍行程是近似的而不是限制性的；具有从-40°到+40°的行程和从-60°到+60°的行程类似的形状。

该侧倾力矩是由船鳍所产生的力乘以臂长并乘以船鳍角自身的余弦获得的。根据船鳍角在-30°和+30°之间的行程，由船鳍产生的侧倾力矩如图6所示。

在船鳍的减速步骤C船鳍达到30°时，所产生的侧倾力矩与两个加速度A和恒定速度B步骤中的相反。因此，在减速步骤C产生的侧倾力矩无助于停止船舶的侧倾运动，反而有助于增加侧倾运动，从而限制了船鳍的加速度A和恒定速度B的影响。

本发明的目的是解决上述现有技术的问题，通过提供一种以所述方式控制稳定性，以在船鳍减速步骤中删除或减少惯性作用，当这些作用对于减少船舶侧倾运动步骤是主要的或重要的时候船鳍。

另一个目的是船鳍相对于现有技术，能够增加船鳍产生的有用效果。

另一个目的是以组合方式或单独地控制侧倾、倾斜和颠簸（垂直）干扰。

特别的，要解决的问题是通过有效系统控制所锚定船舶的侧倾，该系统由于在现有技术中使用的船鳍在+/-60°的范围内的有限角度偏移，而进一步减小了当前存在的侧倾。

从下述描述中可以看出，本发明的上述和其他目的和优点是通过如权利要求1所述的用于减缓船舶摆动的方法获得的。本发明的优选实施例和非重要的变化是从属权利要求的主题。

可以预期地是，所有附带的权利要求是本说明书的组成部分。

显而易见的是，在不脱离由所附带的权利要求书呈现的范围的情况下，可以对所描述的内容进行许多变化和修改（例如与具有等同功能相关的的形状，尺寸，布置和部分）。

附图说明

本发明通过参考附图，作为非限制性示例提供的一些优选实施例以更好地描述本发明，其中：

图1示出了一种根据现有技术，具有右船鳍的船舶的示意图；

图2示出了一种关于图1的船鳍的使用的示意图；

图3示出了船舶的右船鳍，右船尾和左船首的侧视图，和根据现有技术为获得侧倾力矩、船鳍角的余弦而产生的力的乘积因子的曲线；

图4示出了船鳍根据现有技术，当船鳍执行具有第一加速步骤，第二恒定速度步骤和第三减速步骤的行程时产生的船鳍力的曲线；

图5示出了根据现有技术的取决于时间的侧倾力矩的近似行为；

图6示出了根据现有技术的在-30°至+30°的船鳍行程的侧倾力矩的近似行为；

图7示出了根据本发明的用于减缓船舶侧倾摆动的方法的第一结构；

图8示出了根据本发明的用于减缓船舶侧倾摆动的方法的第二结构；

图9示出了上图的第二结构的变化；

图10示出了图7，8，9的一般概括结构；

图11示出了在图7的第一结构中，取决于船鳍倾斜度的侧倾力矩的行为；以及

图12示出了在图8的第二结构中，取决于船鳍倾斜度的侧倾力矩的行为。

具体实施方式

参考图1，可以注意到，一种减缓船舶1摆动的方法，其包括驱动器20的控制器10，该驱动器20适用于移动至少一个船鳍30以便在船舶以零速度锚定时稳定船舶1。

参考图3至图6，所述至少一个船鳍30的运动包括初始加速步骤，恒定速度的中间步骤和最终减速步骤。

有利地，在初始加速步骤中，所述至少一个船鳍30可以从第一角度位置A1min开始，而在最终减速步骤中，所述至少一个船鳍30可以到达第二角度位置A1max，A2max。特别的，第二角度位置A1max，A2max对应于与船鳍加速和恒速的步骤效果相反的最小或零值效果，以允许最大化由船鳍30产生的有用的侧倾力矩。

特别的，所述至少一个船鳍30可以在包括在-60°和+ 60°之间的角度开口执行更宽的旋转并且旋转大于一个圆周角。

参考图7，当船舶1以零速度被锚定时，相对于船舶1的主轴线，第二角度位置A1max对应于船鳍30的+90°的倾斜，能够消除相对于恒定速度步骤产生的阻力效应的惯性制动效果，抵消由在最终减速步骤下船鳍30相对于船鳍30的旋转轴31产生的侧倾力矩。

参考图8，相对于船舶1的主轴，第二最大角度位置A2max对应于船鳍30的+150°的倾斜，可以使得相对于惯性加速效应的惯性制动效应变得有用，至少补偿中间步骤的摆动力矩，包括在相对于所述至少一个船鳍30的旋转轴31以恒定速度在90°和150°之间的角度倾斜。减速步骤提供与船鳍的加速步骤相同的影响。仅恒定速度中的步骤以标号BB定义在图12中，并且对应于包括在90°和150°之间的船鳍角度，由船鳍产生的侧倾力矩与其他步骤相反。

参考图9，在侧倾摆动半周期中，船鳍30能在包括在第二角度位置A2max和第一角度位置A1min之间的间隔中运动。

相对于现有技术，具有相同尺寸的船鳍30，所提出的方法允许控制船舶1的侧倾、倾斜和颠簸，或仅侧倾或仅倾斜或仅摇摆或其组合。

船鳍30可以为适用于与流体相互作用的装置，例如螺旋桨、水射流、任何使用所产生力方向的旋转的装置，利用马格努斯效应的系统。

本发明的用于减缓船舶摆动的方法得到上述状态。

特别的，该方法允许锚定稳定，由于船鳍旋转角从±60°延伸到±90°并且都在顺时针和逆时针方向上全360°旋转。

该方法基于具有大于当前使用±60°范围旋转的船鳍的使用。实际上，只有少数船鳍的制造商能获得这些角度，其他制造商将其自身限制在零位置附近±45°的最大偏移。相反，本发明考虑使用具有比当前使用船鳍的旋转更大的船鳍；特别是，指出在零位置周围旋转±90°的优点；从船鳍的起始位置，例如30°，旋转180°到最后一个，例如150°，并且还沿顺时针和/或逆时针方向延伸到360°的完整旋转的优点。

参考图12，减速步骤产生与加速步骤相同符号的侧倾力矩；恒定速度的步骤，在图中标识为BB，角度在90°和150°之间，产生与另外三个区域相反的力矩；相对于现有技术，侧倾力矩小得多的部分与用于稳定的船舶的侧倾运动的符号相反。

特别的，图9示出了图8的第二种结构的变化，以及在第二种结构中完成船鳍的旋转以补偿船舶的侧倾周期；在高侧倾运动下，船鳍在船舶的侧倾角完整旋转的情况下执行完整的360°旋转。

通过电动致动（一个非限制性实施例），相对于目前正常范围±60°，更容易在更宽的范围内旋转船鳍。也可以在所有360°进行连续旋转。假设船鳍在所有360°以恒定速度旋转（一个用于理解所述现象的非限制性实施例），由船鳍产生的力是恒定的。

在船鳍的减速步骤C期间，船鳍转到30°（在-30°到+30°的使用中）期间，产生的侧倾力矩与两个减速度A和恒定速度B步骤中的一个相反。因此，在减速步骤中产生的侧倾力矩无助于停止船舶的侧倾运动，但是有助于增加它，从而限制船鳍的加速和恒定速度步骤的影响。如果不是在30°处停止船鳍，而是在90°处停止，则存在零侧倾力矩，从而避免了船鳍减速步骤的这种负面影响。当船鳍角以约90°进行制动（由船鳍角的余弦引起的因子为零），则消除由于船鳍制动步骤对锚定侧倾的稳定性产生的负面影响。通过更大的旋转，最终角度超过90°，减速步骤产生具有与加速步骤相同符号的侧倾力矩。

图11示出了船鳍在-30°和90°之间旋转时产生的侧倾力矩。已知由该制动力矩消耗的侧倾能量与该功能对应的面积成正比，可以观察到，相对于当前使用的旋转，如介于-30°和+30°之间，或者更宽的达±60°，在-30°和90°之间的旋转消耗的能量要大得多。由减速区域的船鳍产生的侧倾力矩实际上为零，因此，不会对稳定任务产生负面影响。因此，在-30°和90°之间较宽的船鳍的旋转有助于增加阻尼效果，这是由于侧倾力矩的较长时间和由于船鳍减速产生的负面部分不存在，在步骤C中船鳍角接近90°。

图12，如果船鳍旋转到约150°，从-30°到+150°，则在制动时产生的侧倾力矩，船鳍减速步骤C与船鳍的两个加速和恒定速度步骤A，B中的一个有相同的符号，直到达到90°。在此方式中，减速步骤C也有助于减小侧倾，至少补偿在恒定速度步骤的侧倾力矩部分，当船鳍角超过90°时的步骤BB，其保持与其它步骤相反。

使用时，船鳍准备在侧倾的随后的半个周期内，在+150°到-30°的范围内移动，产生力和其相关的侧倾力矩，以减少船舶的侧倾运动。

船鳍在所有360°上的旋转，相对于具有相同船鳍和旋转速度在-60°到+60°范围内行程的船鳍，能够以更好地方式允许抑制侧倾运动、锚定或处于零或小速度。

旋转方向也可以是顺时针或逆时针。此外，如果足以补偿船舶运动，船鳍继续在当前使用的正常范围±60°内使用；当船舶运动变宽，使用最宽的旋转（在任何更大范围）或者360°旋转。类似的推理对于船舶的锚定倾斜或颠簸运动的稳定是有效的：特别敏感的是带有四个船鳍（表面）或其他控制装置（固定螺旋桨和带有摆动轴的螺旋桨）的条带，双体船，其可产生倾斜力矩（襟翼，螺旋桨）。

船鳍角与船舶的侧倾角同步可以产生力（并因此产生侧倾力矩），这减小了船舶的侧倾行为。这项创新可以使得相同的船舶，使用比当前安装在船舶上的更小的船鳍来获得侧倾阻尼的显著改进。船鳍尺寸的减小可以减少对燃料消耗和污染有益的阻力。相反，使用相同的船鳍可以获得更高的舒适度，相同的海况下具有更小的船舶运动。

这项创新是有用的并且可以适用于标准船鳍，但是也可以应用于上述专利EP2782822B1中描述的具有两个旋转轴的船鳍或具有马格纳斯效应的汽缸。围绕轴线4旋转的使用，参见EP2782822B1中减速步骤所示的图1a-1b-1c,对于锚定的稳定，具有与船鳍的减速步骤的力（和侧倾力矩）相同的显著特征：所产生的力矩相对于加速和在恒定速度步骤的旋转是相反的，其用于制动船舶的侧倾运动。围绕旋转轴3（传统船鳍轴）的叶片与围绕旋转轴4的叶片同步，避免产生与期望相反的侧倾力矩；通过围绕轴3的旋转，船鳍叶片处于垂直位置（当船鳍处于下部时向上定向的攻击边缘，处于顶部时反之亦然）。以此种方式，不存在围绕轴5的运动减速的负面影响，并且还利用了本发明的由船鳍在其经典的延伸旋转中产生的侧倾力矩。为了有效稳定锚定侧倾，有必要围绕平行于图1的船舶1的轴线轴4运动，同时，在同一图中，围绕轴3旋转90°。以此方式，制动部分的惯性力无助于使侧倾运动恶化。在围绕轴线4的旋转运动的减速部分中，无需叶片围绕轴3旋转90°，由于减速产生的惯性力通过产生侧倾力矩有助于围绕轴4的旋转，侧倾力矩与加速和恒定转速步骤之一相反。

对于具有两个轴的表面，船鳍传统轴的旋转，产生进一步的侧倾力矩（如果同时使用相对的表面产生倾斜力矩），这提高了稳定能力。

本发明减缓船舶摆动的方法，有力提高了两轴船鳍锚定稳定能力。当船舶装有四个船鳍时，该同样的创新适用于抑制未运动的船舶倾斜。传统船鳍或者两轴船鳍，如果它们以90°的角度停止行程（船鳍叶片是垂直的），则在减速步骤中不会产生侧倾和倾斜力矩。半程为180°的360°旋转，通常在船鳍或表面的减速部分可以减少侧倾和/或倾斜行为。船鳍或其他装置，可以在所有360°上连续旋转，无需停止；它将以足可进行船舶侧倾运动的转速旋转。

所示船鳍是对称的，并且具有单轴，但是可以具有非对称的轮廓和仅具有一个不旋转的轴。该思路可延伸到可通过螺旋桨，水射流产生力的装置，和任何使用所产生力方向的旋转的装置。

该思路还可以应用于利用马格纳斯效应的系统，并且当前安装在船舶上的与船鳍类似的位置。这些旋转汽缸从船尾水平摆动到船首，反之亦然。如果该装置在船舶的对称轴线上居中地装配在底部，在导航时，可以旋转360°以进行锚定稳定。

除了由马格纳斯效应产生的力之外，还存在汽缸的重量，其在相对于船舶的主方向成90°的时间内有助于稳定。

船鳍可以旋转，以获得围绕180°位置侧倾的侧倾（倾斜和颠簸）稳定的目的，而不是相对于现有技术的零。180°位置周围的倾斜可以稳定后退中的侧倾（倾斜和颠簸）；目前，当船舶相对于水向后移动时，船鳍保持为零并且运动不会减弱；对于大于1或2个节点的后向速度，这肯定会发生。

在该方案中，当船舶后移时，船舶的侧倾（倾斜和颠簸）运动也会受到抑制。在许多情况下，船舶自愿和非自愿地相对于水向后移动。由于在顺浪不运动，在河口处船尾地面不运动，自愿向后意味着船舶相对于水的负相对速度。

在锚定稳定运动期间，船鳍也产生纵向推力，向船舶施加运动，在某些情况下，必须通过适当的动作进行补偿。如果船舶装有四个船鳍，那么可以使用一对船鳍，其倾斜度约为零，另一对船鳍倾斜度约180°。以此种方式，这两对船鳍在纵向上的向前和向后的推力是相反的，并且船舶不进行纵向运动，避免了其他系统的干预以保持其位置。

同样仅两个船鳍的情况下，使用一个大约零度的船鳍和另一个大约180°的船鳍，以减少纵向推力。所有360°旋转增加了船鳍对锚定稳定的影响。特别的，该行程的延伸还可以增加船鳍速度，直到加速度对侧倾抑制产生积极效果的区域，并且在产生的侧倾力矩的惯性影响较小的区域中减速。将船鳍的角加速度集中在零（和180°）附近有助于抑制侧倾。如何将船鳍的减速集中在+90°和-90°左右的船鳍角度区域，减少了惯性力对锚定侧倾稳定性的负面影响。

Claims (9)

1.减缓船舶（1）摆动的方法，所述船舶（1）包括驱动器（20）的控制器（10），驱动器（20）适用于在顺时针和逆时针方向上，在第一角度位置（A1min）和第二角度位置（A1max ,A2max）之间旋转至少一个船鳍（30），以当船舶（1）以零速度锚定时，稳定船舶（1），其中，所述至少一个船鳍（30）的运动包括初始加速步骤，恒定速度的中间步骤和最终减速步骤，其特征在于，在初始加速步骤中，相对于船舶（1）的主轴，所述第一角度位置（A1min）对应于所述至少一个船鳍（30）-30°倾斜，其中，相对于船舶（1）的主轴，第一个第二角度位置（A1max）对应于所述至少一个船鳍（30）+90°的倾斜，在最终减速步骤中消除由所述至少一个船鳍（30）产生的侧倾力矩。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相对于船舶（1）的主轴，第二个第二角度位置（A2max）对应于所述至少一个船鳍（30）小于+150°的倾斜，至少补偿中间步骤的摆动力矩，包括相对于所述至少一个船鳍（30）的旋转轴（31），以恒定速度在90°和150°之间的角度倾斜。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述至少一个船鳍（30）在侧倾摆动的半个周期中，在包括在所述第二个第二角度位置（A2max）和所述第一角度位置（A1min）之间的间隔中移动。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于通过相同尺寸的船鳍（30），控制船舶（1）的横摇、纵摇和颠簸中的至少一种状态。

5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于所述至少一个船鳍（30）为适用于与流体相互作用的装置，装置为螺旋桨或水射流或利用马格努斯效应的系统。

6.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于它是通过180°倾斜而不是相对于零度，以提供锚定倾斜的稳定性。

7.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于它通过180°倾斜，以提供船后退时侧倾的稳定性。

8.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于在锚定稳定性中，船舶在纵向上受到船鳍的推力，产生意外位移，如果船舶具有四个船鳍，两个船鳍倾斜零度，两个船鳍倾斜180°，以这种方式消除纵向位移影响。

9.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于为锚定稳定性，它提供所述船鳍完整和连续的旋转，以最大化船鳍在锚定稳定性中的作用。

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