CN111532389A - 主动稳定装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明首先涉及一种主动稳定装置，用于主要阻尼包括船体的船只特别是船舶的侧倾运动，其中，所述稳定装置包括至少一个定位装置，其包括驱动轴颈和在其根部的区域中附接到驱动轴颈(20)的稳定表面，其中，所述稳定表面包括前缘和后缘，所述稳定表面设置在水下。根据本发明，规定所述稳定表面具有由定位装置设定的攻角(γ)，该稳定表面可围绕枢转轴线(S)在第一和第二位置之间枢转，并且通过定位装置可围绕旋转轴线(D)旋转。因此，前缘可以始终基本上沿稳定表面的枢转方向的方向定向，该稳定表面在水下移动，这导致大大降低了流动阻力。由此可以实现稳定装置的特别节能的操作。此外，本发明涉及一种用于操作主动稳定装置的方法。

Description

主动稳定装置和方法
技术领域
本发明首先涉及一种主动稳定装置，用于主要阻尼具有船体的船只特别是船舶的侧倾运动，其中稳定装置包括至少一个定位装置，其包括驱动轴颈并且包括在其根部的区域中附接到驱动轴颈的稳定表面，其中稳定表面包括前缘和后缘，并且稳定表面设置在水下。另外，本发明涉及一种用于操作主动稳定装置的方法，该稳定装置主要用于阻尼基本上不在水中移动的具有船体的船只特别是船舶的侧倾运动。
背景技术
为了阻尼船只特别是较大的马达驱动的船舶的特别不期望的侧倾运动，已知使用主动稳定装置，其包括附接到船只在水线以下的船体的鳍稳定器。
当船只以足够的速度在水中移动时，使用合适的致动器来改变稳定鳍的攻角就足够了，稳定鳍枢转到恒定的工作位置，使得由鳍稳定器产生的流体动力抵消侧倾运动用于其阻尼。
在船只不主动在水中移动的情况下，改变鳍稳定器的攻角是不够的，因为由此不能产生足够高的流体动力。而是，在这种情况下，例如，有必要使用另外的致动器以足够的速度使鳍稳定器在水中来回移动，至多在枢转运动的最终位置中攻角略有变化，以便积聚了弱化船只船体的不希望的侧倾运动所需的流体动力。另一可能性在于，例如，以恒定的枢转角高速改变稳定表面的攻角，以便通过这种桨运动产生稳定船体抵抗侧倾运动所需的机械力。
不利的是，稳定鳍的流动轮廓的前缘在设置的枢转方向上被水逆着流动，但是在与之相反的枢转方向上，后缘暴露于水的流入。因此，由于稳定鳍周期性地沿相反的方向枢转，因此产生了明显增加的流动阻力，这削弱了整个稳定装置的能量效率。
发明内容
本发明的目的首先是提高稳定装置的能量效率，该稳定装置用于特别阻尼船只特别是船舶的侧倾运动。另外，本发明包括用于操作这种稳定装置的优化方法。
上述目的首先通过一种包括权利要求1的特征的稳定装置来实现，根据该稳定装置，稳定表面具有可由定位装置规定的攻角，该稳定表面通过定位装置可围绕枢转轴线在第一和第二位置之间枢转，并且通过定位装置可围绕旋转轴线旋转。因此，在主动稳定装置和船只不在水中移动的情况下，稳定表面可绕旋转轴线旋转，从而独立于稳定表面的当前移动方向，前缘始终被水逆着流动。这样，减小了当船只不在水中移动时周期性地来回枢转的稳定表面的流动阻力，结果，可以显著提高稳定装置的效率。在此，稳定表面的自由端例如可以遵循这样的轨迹，该轨迹近似为矩形或者在其侧面上对应于八或无穷符号(infinity sign)。
使用定位装置，稳定表面可旋转约/基本上半个旋转。稳定表面尤其使用定位装置而是可旋转的，使得位于水下的稳定表面的前缘优选总是基本上保持指向稳定表面的相应当前枢转方向。
稳定表面优选地可绕旋转轴线旋转至少半个旋转。
因此，稳定表面总是可被转动，使得前缘被水逆着流动，并且减小了稳定装置的流动阻力和相关的能量需求。
在一种改进的情况下，前缘的曲率半径的尺寸被确定为形成大于后缘的曲率半径的流入鼻。
由此产生用于稳定表面的最佳流体动力学轮廓。
优选地，在驱动轴颈的区域中，至少在流动边缘侧设置有非共同旋转的流入体，该非共同旋转的流入体位于稳定表面的第一和第二位置之间，至少部分地在船体的外部。由于流入体用作扰流板，因此可以优化驱动轴颈的区域中的流动特性，因为驱动轴颈的区域中的流体动力学特性与稳定表面的流体动力学特性相匹配。
在技术上有利的设计中，流入体基本上平行于船体纵向轴线定向。
因此，可以最大程度地避免稳定表面枢转期间阻力的增加。另外，流入体抵消了动态升力的产生。
在另一设计的情况下，流入体在连接区域中的横截面几何形状基本上对应于稳定表面在船体附近的横截面几何形状。
由此，在流入体与稳定表面之间的连接区域中减小了湍流和涡流，该稳定表面优选地可同时绕其旋转轴线旋转。
在一有利的改进中，船体包括至少一个容纳袋，用于优选地完全容纳每个相关的稳定表面。因此，当不使用稳定装置时，在理想情况下，至少一个稳定表面可以完全容纳在相关的容纳袋中，以最小化船体的流动阻力。
另外，上述目的是通过包括以下特征步骤的方法来实现的：
a)使至少一个稳定表面围绕枢转轴线周期性地枢转，直至到达第一或第二位置，该稳定表面由定位装置规定的攻角调节；以及
b)在稳定表面的枢转方向反转的情况下，通过定位装置围绕旋转轴线扭转稳定表面，使得优选地，位于水下的稳定表面的前缘始终保持基本上指向稳定表面的相应当前枢转方向。
因此，在船只不在水中移动的情况下，可以显著提高稳定装置的效率，因为由于前缘总是沿枢转方向定向，所以稳定表面的流动阻力减小了。
在该方法的一改进中规定，使用定位装置，使至少一个稳定表面围绕枢转轴线在第一和第二位置之间枢转达+60°的枢转角。
由于相对于稳定表面的中心位置的枢转角为±60°或120°，其中稳定表面从船只或船舶的船体大约成直角伸出，因此确保了船只的不希望的侧倾运动的最佳阻尼。稳定表面围绕枢转轴线的最大枢转角相对于稳定表面在船舶的船体中的容纳袋内的静止位置和稳定表面的第一最大枢转向后位置达160°。
根据所述方法的一有利改进，使用定位装置，使至少一个稳定表面的攻角在±60°之间的范围内变化。
由于稳定表面的攻角的变化为±60°或120°，因此可以实现稳定效果的进一步效率增加。
在该方法的优选的进一步改进的情况下，为了在稳定装置的非主动状态下设定静止位置，至少一个稳定表面通过定位装置枢转成使得稳定表面优选地完全容纳在船体的容纳袋中。
因此，最大程度地避免了由于稳定装置而导致的船只或船舶的船体的流阻增加。在稳定表面的静止位置，稳定表面的旋转轴线与船体纵向轴线之间的角度约为0°，即它们彼此大致平行地延伸。从稳定表面在接收袋内部的静止位置开始，稳定表面可以使用定位装置枢转达160°，直至到达第一最大向后位置。
附图说明
在下文中，将参考示意图更详细地解释本发明的优选示例性实施例。
图1-3示出了稳定装置的稳定表面在三个不同位置中的每个中在第一枢转方向上的透视示意图，以及
图4-6示出了图1的稳定装置的稳定表面在三个不同位置中的每个中在第二枢转方向上的透视示意图，该第二枢转方向与图1至3的第一枢转方向相反。
具体实施方式
图1至3(在说明书的后续过程中一起提及)示出了稳定装置的稳定表面在三个不同位置中的每一个中在第一枢转方向上的透视示意图。
船只或船舶12包括常规船体14。为了显著减弱不希望的侧倾运动，主动稳定装置10集成在船体14中。这里，稳定装置10包括例如稳定表面16，其近似矩形和鳍状。必要时，稳定表面16也可以具有多于四个角的多边形的外围轮廓。稳定表面16可绕枢转轴线S枢转，并且可以使用包括驱动轴颈20的适合的优选地强力的液压定位装置18围绕旋转轴线D旋转。
稳定表面16在其根部22的区域中优选地以直线方式连接至驱动轴颈20。在个别情况下，稳定表面16到驱动轴颈20的成角度的附接例如也可以为15°或更大。
仅作为示例，船舶12在这里沿箭头24的优选方向在水26中移动。当船舶12通过水26的速度v实际上为零或相对于船舶12的正常行进或巡航速度(其相当于高达4节的速度v)而言较低时，激活稳定装置10。根据通过水26的优选行进方向，船舶12的船体14包括船首28和船尾30，它们就流体流动而言有利地形成。
船舶12的船体14通常相对于船体纵向轴线32镜像对称地配置，也就是说，除了在这里仅示意性地示出的稳定装置10之外，船舶12的船体14优选包括另外的右舷侧稳定装置，其相对于稳定装置10镜像对称地形成，但未在图中示出。在此，术语“右舷侧”是指在船舶12的行进方向上向右，而“左舷侧”是指在船舶12的行进方向上向左。在船舶12的正常操作状态下，稳定装置10的至少稳定表面16始终完全位于水26下。
在此，枢转轴线S仅示例性地与船体14的正交坐标系32的竖直轴线H(所谓的偏航轴线)重合，当船体没有横倾时，即在水26中处于水平位置时，竖直轴线H定向成基本上平行于重力FG。与此不同，稳定表面16的枢转轴线S可以可选地以相对于直角坐标系32的竖直轴线H倾斜达45°的角度(未示出)延伸。定位装置18使稳定表面16的枢转运动围绕枢转轴线S以枢转角+β发生，而必要时，稳定表面16的旋转运动或攻角γ的改变也围绕旋转轴线D进行。
在此，旋转轴线D例如相对于稳定表面16的前缘40和后缘42平行地延伸。与此不同，旋转轴线D相对于稳定表面16的前缘40和/或后缘42的不平行走向是可能的。为了提供具有合适的流体最优的轮廓的流入鼻44，前缘40的第一曲率半径R1的尺寸明显大于后缘42的曲率半径R2。
当稳定装置10不工作时，船体14中的容纳袋50用于优选地完全容纳稳定表面16。在这种情况下，稳定表面16位于所谓的静止位置，其中旋转轴线D大致平行于船体纵向轴线32延伸。
在驱动轴颈20的区域中设置有相对于旋转轴线D不共同旋转的流动边缘侧流入体60或填充体；流入体60或填充体基本上平行于船体纵向轴线32定向。为了更好地描绘附图而未示出的流入体60的横截面几何形状在连接区域62中至少以约0°的攻角γ基本对应于稳定表面16的同样未示出的横截面几何形状。
稳定表面16的中心平面72由前缘40和后缘42限定。这里，举例来说，中心平面72与水平面70之间的攻角为+γ。
如图1所示，稳定表面16位于第一位置80，也就是说，稳定表面16在此例如围绕枢转轴线S向回枢转尽可能地朝向船体14的船尾30。从第一位置80开始，稳定表面16由定位装置18沿第一枢转方向82(此处面向船首28)枢转，直到稳定表面16处于根据图2的中心位置84，并且从船体14大致成直角突出。在此，例如，稳定表面16的攻角+γ保持不变，但是如果需要的话，也可以使用定位装置18来改变。由于正攻角+γ，流体动力提升力FH1作用在枢转稳定表面16上，该力FH1的方向与重力FG相反。由于流体动力提升力，在船舶12的船体纵向轴线32周围产生(倾斜)力矩，该(倾斜)力矩被稳定装置10用于最大程度地补偿主要围绕船体纵向轴线32发生的船舶12的侧倾运动。
为此，稳定装置10包括复杂的传感器系统，用于实时检测水26中的侧倾、俯仰和偏航运动以及速度和其他与船舶有关的参数，基于此，稳定装置10的未示出的有效数字控制和/或调节装置控制定位装置16，使得尤其是可以尽可能有效地减小船舶绕船体纵向轴线32的不期望的侧倾运动。在此，流体动力提升力FH1的高度随着稳定表面16的枢转速度或稳定表面16与水26之间的相对速度以及攻角γ而变化。
图3示出了处于第二位置86的稳定表面16，在稳定表面16被枢转装置18围绕枢转轴线S朝向船首28或第一枢转方向82进一步枢转角度+β之后到达该第二位置86。
根据本发明，稳定表面16的前缘40始终独立于各自的当前枢轴和入射角β定向，优选始终基本上朝向流入水26定向，由此定位装置10特别节能。从根据图3的第二位置开始，通过在第一枢转方向82上进一步移动，稳定表面16到达稳定表面16的静止位置，其中在理想情况下，稳定表面16被完全容纳在容纳空间中并且使得其最终与船体14齐平。因此，在静止位置，船体14的流体动力学特性没有明显变化，特别是流阻没有明显增加。
当到达第二位置86时，使用定位装置18，在与第一枢转方向82相反定向的第二枢转方向90上实现第一枢转方向82的反转，其中稳定表面16优选为绕旋转轴线D同时旋转约半个旋转或180°的旋转角α，以使稳定表面16处于根据图4至6所示的其他位置。与此不同，稳定表面16绕旋转轴线D的更大或更小的旋转角α也是可能的。
在此，稳定表面16的自由端表面96具有例如平行于中心平面72定向的肋结构，为使附图清晰起见未示出；肋结构包括多个平行的肋，用于使湍流和涡流最小化，尤其是用于减小湍流和涡流。
图4至6(在说明书的进一步过程中一起提及)示出了稳定装置的稳定表面在三个不同位置中的每个中在第二枢转方向上的透视示意图，该第二枢转方向与图1至3的第一枢转方向相反。
船舶12的船体14再次沿白色箭头24的方向在水中移动。在图4中，稳定装置10的稳定表面16仍位于第二位置86。然而，与图3的位置相反，稳定表面16绕其旋转轴线D旋转约半个旋转或180°，使得在稳定表面16的随后进一步枢转期间，前缘40最佳地通过周围水26逆着流动。这可以显著降低稳定装置10的能量需求。
另外，与图1至3相比，仅作为示例，在水平面70和稳定表面的中心平面72之间存在大致恒定的攻角–γ，由此由稳定表面16产生了在重力FG的方向上定向的流体动力下推力FH2，并用于阻尼船舶12的船体14围绕船体纵向轴线32的侧倾运动。流体动力下推力FH2的大小又取决于稳定表面16的枢转速度或稳定表面与水26之间由此产生的相对速度。此外，与零不同的船舶12的船体14的速度v会在某些情况下影响下推力FH2。在稳定表面16的枢转运动的反转点中，即在稳定表面16的第一和第二位置中，其中优选地，还以围绕旋转轴线D的180°的旋转角α或约半个旋转提供旋转，因此下推力FH2可以变小。
图5示出了稳定表面16的中心位置84，其中其又基本上与船舶12的船体14成直角定向。由于稳定表面16的定位装置18朝向第二枢转方向90的进一步枢转，稳定装置10的稳定表面16最终再次根据图6到达第一位置80。
在描述的进一步过程中，将再次参考图1至6简要解释本发明的方法。
在第一方法步骤a)中，在不使船体14横倾的情况下，基本上平行于重力FG或在重力方向上，围绕枢转轴线S进行至少一个稳定表面16的周期性枢转±β的枢转角，该枢转表面设置成由定位装置18规定的攻角，直至到达第一或第二位置80、86。在此，中心位置84被循环地横穿。相对于稳定表面16的中心位置84，枢转角β可以达±60°。正枢转角+β定义了绕枢转轴线S沿顺时针方向的枢转运动，负枢转角-β定义了绕枢转轴线S沿逆时针方向的枢转运动，分别在平面图中看到。
根据该方法，在围绕枢转轴线S沿两个枢转方向82、90的摆动枢转运动的过程中，相对于水平面70，稳定表面16的攻角γ的变化可以在达±60°的范围内进行。
在第二方法步骤b)中，在从第一到第二枢转方向82、90的改变过程中，反之亦然，即在枢转运动的各个反转点中，或者在到达稳定表面16的两个位置80、86中的一个时，定位装置18通过围绕稳定表面16的旋转轴线D的至少约半个旋转或者通过180°的旋转角α来实现稳定表面16的旋转。
因此，前缘40的流入鼻44总是被周围水26所作用，由此在主动侧倾阻尼操作中稳定装置10的能量效率大大提高。
根据图1至6，根据该方法，在主动侧倾阻尼操作中，稳定表面16的自由端侧96(该自由端侧96定向成背离定位装置18的驱动轴颈20)遵循大致与矩形或其侧面上的数字8或无穷大符号相对应的轨迹。
附图标记列表
10 稳定装置
12 船舶
14 船体
16 稳定表面
18 定位装置
20 驱动轴颈
22 根部(稳定表面)
24 白色箭头
26 水
28 船首
30 船尾
32 船体纵向轴线
40 流入边缘
42 流出边缘
44 流入鼻
50 容纳袋
60 流入体
62 连接区域
70 水平面
72 中心平面(稳定表面)
80 第一位置(稳定表面)
82 第一枢转方向
84 中心位置(稳定表面)
86 第二位置(稳定表面)
90 第二枢转方向
96 自由端侧(稳定表面)
FH1 流体动力提升力
FH2 流体动力下推力
FG 重力
H 竖直轴线
D 旋转轴线
S 枢转轴线
α 旋转角(稳定表面)
β 枢转角(稳定表面)
γ 攻角(稳定表面)
R1 第一曲率半径
R2 第二曲率半径
V 速度(船只、船舶)

Claims (11)

1.一种主动稳定装置(10)，用于主要阻尼包括船体(14)的船只特别是船舶(12)的侧倾运动，其中，所述稳定装置(10)包括至少一个定位装置(18)，其包括驱动轴颈(20)和在其根部(22)的区域中附接到驱动轴颈(20)的稳定表面，其中，所述稳定表面(16)包括前缘(40)和后缘(42)，所述稳定表面(16)设置在水(26)下，其特征在于，所述稳定表面(16)具有由定位装置(18)设定的攻角(γ)，该稳定表面通过定位装置(18)可围绕枢转轴线(S)在第一和第二位置(80、86)之间枢转，并且通过定位装置(18)可围绕旋转轴线(D)旋转。
2.根据权利要求1所述的稳定装置(10)，其特征在于，所述稳定表面(16)可绕旋转轴线(D)旋转至少半个旋转。
3.根据权利要求1或2所述的稳定装置(10)，其特征在于，为了形成流入鼻(44)，所述前缘(40)的曲率半径(R1)大于所述后缘(42)的曲率半径(R2)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的稳定装置(10)，其特征在于，在驱动轴颈(20)的至少流动边缘侧的区域中设置有非共同旋转的流入体(60)，该非共同旋转的流入体(60)至少部分地位于船体(14)的外部，至少在稳定表面(16)的第一和第二位置(80、86)之间。
5.根据权利要求4所述的稳定装置(10)，其特征在于，所述流入体(60)基本平行于船体纵向轴线(32)定向。
6.根据权利要求4或5所述的稳定装置(10)，其特征在于，所述流入体(60)在连接区域(62)中的横截面几何形状基本上对应于稳定表面(16)在船体附近的横截面几何形状。
7.根据前述权利要求中任一项所述的稳定装置(10)，其特征在于，所述船体(14)包括至少一个容纳袋，用于优选地完全容纳每个相关的稳定表面(16)。
8.一种用于操作特别是根据权利要求1至7中任一项所述的主动稳定装置(10)的方法，该稳定装置主要用于阻尼基本上不在水(26)中移动的包括船体(14)的船只特别是船舶(12)的侧倾运动，该方法包括以下步骤：
a)使至少一个稳定表面(16)围绕枢转轴线(S)周期性地枢转，直至到达第一或第二位置(80、86)，从而通过定位装置(18)调节攻角(γ)；以及
b)在稳定表面(16)的枢转方向(82、90)反转的情况下，通过定位装置(18)围绕旋转轴线(D)扭转稳定表面(16)，使得优选地，位于水(26)下的稳定表面的前缘(40)始终保持基本上指向稳定表面(16)的相应当前枢转方向(82、90)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使用所述定位装置(18)，使至少一个稳定表面(16)围绕枢转轴线(S)在第一和第二位置(80、86)之间枢转达±60°的枢转角(β)。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，使用所述定位装置(18)，使至少一个稳定表面(16)的攻角(γ)在±60°之间的范围内变化。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，为了在所述稳定装置(10)的非主动状态下设定静止位置，所述至少一个稳定表面(16)通过定位装置(18)枢转足够远，直到稳定表面(16)优选地完全容纳在船体(14)的容纳袋(50)中。
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