CN113613995B - 用于船舶的摆线动态推进或定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于停靠在表现出流动方向的水域中的船舶的摆线动态推进或定位系统(100)，并且所述摆线动态推进或定位系统包括：框架；转子(102)，所述转子被安装成能够在所述框架上绕与所述流动方向成直角的主轴线(104)旋转移动并且包括相对于所述主轴线(104)径向延伸的多个臂(108)；主电动机(106)，所述主电动机配备有旋转编码器并且驱动所述转子(102)旋转；用于每个臂(108)的叶片(110)，所述叶片被安装成能够在所述臂(108)上绕平行于所述主轴线(104)的副轴线(112)旋转移动；用于每个叶片(110)的辅电动机(114)，所述辅电动机配备有旋转编码器并且驱动所述叶片(110)旋转；用于至少一个叶片(110)的负荷传感器(202)，所述负荷传感器被布置成能够评估施加在所述叶片(110)上的负荷；以及控制单元(150)，所述控制单元连接到每个旋转编码器、所述应变传感器(202)以及每个电动机(106，114)并且在角度和速度两个方面控制每个电动机(106，114)的旋转。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于船舶的摆线动态推进或定位系统以及一种包括至少一个此类摆线动态推进或定位系统的船舶。
背景技术
福伊特-施奈德(Voith-Schneider)类型的推进系统安置在船舶的船体之下，并且所述推进系统包括：具有竖直轴线的转子，所述转子由电动机绕主轴线旋转驱动；以及多个竖直叶片，在所述多个竖直叶片中，每个竖直叶片安装成可在与主轴线相距一定距离处在所述转子上移动。
每个叶片可绕也是竖直的副轴线旋转移动。
推进系统还包括通常由连杆组成的机械系统，所述机械系统被配置成根据转子的旋转程度使每个叶片移位。每个叶片的位移是循环的，并且基于转子的位置，每个叶片占据其在每次旋转时返回到的特定位置。
还已知文件US-A-2015/321740，所述文件公开了一种具有竖直叶片和控制单元的推进系统，所述控制单元使用连接到叶片的不同位置传感器控制推进系统。然而，这些传感器都不是通知至少一个叶片经受的负荷的负荷传感器。
尽管此类推进系统给出令人满意的结果，但是期望发现一种允许叶片位置具有更大自由的推进系统。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种摆线动态推进或定位系统，所述摆线动态推进或定位系统包括用于基于至少一个叶片经受的负荷使叶片彼此独立地移位的构件。
为此，提出了一种用于停靠在表现出流动方向的水域中的船舶的摆线动态推进或定位系统，所述摆线动态推进或定位系统包括：
-框架，
-转子，所述转子被安装成可在所述框架上绕与所述流动方向成直角的主轴线旋转移动并且包括相对于所述主轴线径向延伸的多个臂，
-主电动机，所述主电动机配备有旋转编码器并且驱动所述转子旋转，
-用于每个臂的叶片，所述叶片被安装成可在所述臂上绕平行于所述主轴线的副轴线旋转移动，
-用于每个叶片的辅电动机，所述辅电动机配备有旋转编码器并且驱动所述叶片旋转，
-用于至少一个叶片的负荷传感器，所述负荷传感器被布置成能够评估施加在所述叶片上的负荷，以及
-控制单元，所述控制单元连接到每个旋转编码器、所述负荷传感器以及每个电动机并且在角度和速度两个方面控制每个电动机的旋转。
此类摆线动态推进或定位系统使得能够根据负荷传感器收集的数据调节每个叶片的位置，并且因此优化推进系统的效率。
有利地，所述负荷传感器安置于所述辅电动机与所述叶片之间的轴上。
有利地，所述摆线动态推进或定位系统包括位移系统，所述位移系统由所述控制单元控制并且旨在使所述叶片和相关联的辅电动机沿所述臂移位。
有利地，所述主电动机作为发电机进行操作。
有利地，所述位移系统包括：
-固定到所述转子的用于每个臂的另外的臂，所述另外的臂平行于所述臂，
-滑杆，所述滑杆固定到所述辅电动机并且被安装成在所述臂和所述另外的臂上滑动，
-驱动系统，所述驱动系统通过所述控制单元连接并控制以使所述滑杆沿所述臂移位。
本发明还提出一种船舶，其包括船体和根据前述变体之一的摆线动态推进或定位系统，其中所述框架固定到所述船体，并且其中至少所述叶片位于所述船体的外部。
附图说明
在阅读以下对示例性实施例的描述后，上文提及的本发明的特征和其它特征将变得更加清楚明显，所述描述是关于附图给出的，在附图中：
[图1]是根据本发明的摆线动态推进或定位系统的顶视图，并且
[图2]是沿图1的摆线动态推进或定位系统的线II-II的横截面视图。
具体实施方式
在以下描述中，参考处于船舶的船体之下的使用位置的福伊特-施奈德类型的推进系统采用有关位置的术语。
图1示出了由船舶的船体10的一部分表示的船舶。所述船舶停靠在水域中。所述船舶可以是具有平行于船舶的轴线的前进方向12并且在表面或水下导航的船舶。所述船舶还可以是在水流中试图保持其位置的船舶，例如海洋平台。与其它情况一样，在一种情况下，船舶停靠在水域中，由于船舶的速度或水流，水域表现出相对于船舶的流动方向。在具有前进方向12的船舶的情况下，流动方向与前进方向12相反。
船舶在其船体10之下配备有摆线动态推进或定位系统100，所述摆线动态推进或定位系统包括框架、转子102，所述框架固定到船体10，所述转子被安装成可在框架上绕与流动方向成直角的主轴线104旋转移动。因此，主轴线104相对于流动方向是横向的。
因此，对于表面上的船舶，主轴线104是竖直的或相对于竖直具有小角度。对于水下的船舶，主轴线104可以在与流动方向成直角的平面中采用另一个朝向。因此，在水下船舶的情况下，可以存在三个摆线动态推进或定位系统100，所述三个摆线动态推进或定位系统在与流动方向成直角的平面中彼此成120°角分布。
图2示出了摆线动态推进或定位系统100的一部分。根据情况，摆线动态推进或定位系统100使得船舶能够前进或使其保持处于其位置。
转子102由配备有旋转编码器的主电动机106驱动旋转，所述旋转编码器使得能够知道主电动机106的角位置。
转子102配备有多个臂108，此处为其中的三个臂。每个臂相对于主轴线104径向延伸。
每个臂108承载叶片110，所述叶片被安装成可在臂108上绕平行于主轴线104的副轴线112(也就是说，此处为竖直的)旋转移动。副轴线112和主轴线104不重合，也就是说，每个副轴线112都与主轴线104相距一定距离。叶片110位于船体10的外部，并且具体为位于船体10之下。
每个叶片110由配备有旋转编码器的辅电动机114驱动旋转，所述旋转编码器使得能够知道辅电动机114的角位置。
摆线动态推进或定位系统100还包括控制单元150，所述控制单元从旋转编码器接收信息并且在角度和速度两个方面控制每个电动机106、114的旋转。
为了允许水域与叶片110之间的相互作用，至少叶片110位于船体10的外部。根据摆线动态推进或定位系统100的布局，其它元件可以完全地或部分地在水域中或在水域上方的整流罩中。
如下文所解释的，控制单元150包括常规由通信总线连接的：处理器或CPU(中央处理单元)；随机存取存储器RAM、只读存储器ROM；如硬盘等储存单元或存储介质读取器；至少一个通信接口，从而允许控制单元150与旋转编码器、电动机106、114和至少一个负荷传感器202通信。
处理器能够执行从ROM、外部存储器(未表示)、存储介质(如SD卡)或通信网络加载到RAM中的指令。当摆线动态推进或定位系统100上电，处理器能够读取来自RAM的指令并执行所述指令。这些指令形成计算机程序，所述计算机程序使处理器实施下文描述的算法和步骤的全部或一部分。
下文描述的算法和步骤的全部或一部分可以通过可编程机器(例如DSP(数字信号处理器)或微控制器)执行指令集以软件形式实施，或者通过机器或专用组件(例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路))以硬件形式实施。
因此，控制单元150可以根据由主电动机106的旋转编码器通知的转子102的位置彼此独立地控制每个叶片110的位置，并且这比使用机械系统更简单。基于转子102的位置，每个叶片110占据因此随转子102的旋转而变化的特定位置。
此外，可以简单且迅速地从外摆线操作切换为余摆线操作。
摆线动态推进或定位系统100还包括用于至少一个叶片110的连接到控制单元150的负荷传感器202。负荷传感器202被布置成能够评估施加在叶片110上的负荷。在图2中呈现的本发明的实施例中，将负荷传感器202安置于在辅电动机114和叶片110中的轴204上。此处，轴204是辅电动机114的电动机轴，并且叶片110固定到此轴204上。
在当前情况下，负荷传感器202测量轴204经受的负荷，所述负荷表示施加于叶片110上的负荷并且是叶片110由于水域，特别是叶片110经受的拉力负荷和/或压缩负荷和/或弯曲负荷而经受的负荷。
根据特定实施例，负荷传感器202是包括至少一个应变仪的传感器，并且根据特定实施例，所述传感器是基于以惠斯登电桥(Wheatstone bridge)配置安装的应变仪，也就是说，至少四个仪表是以惠斯登电桥配置安装的，但可以存在若干惠斯登电桥，即为四个仪表的很多倍。显然，可以设想任何其它技术，例如压电传感器。
例如使用称为“天平”(此处为具有两个组件的天平)的负荷传感器202，从而允许存取与独立于施加负荷的点的叶片110呈法向和切向的负荷。
在内部，此负荷传感器202包括若干应变仪电桥，所述应变仪电桥测量由于水动力负荷而引起的移位(非常小，几十微米)，并且涉及这些测量结果的具体矩阵计算使得能够算出所需的负荷。天平的事先校准允许构造所使用的矩阵。校准是在没有水的情况下完成的，并且其在于测量针对已知的并且施加在叶片110的不同点处的负荷的应变仪电桥的结果。
因为每个叶片110的变形被认为对于转子102的角位置和叶片110的角位置是相同的，所以只需要将单个负荷传感器202放在适当的位置。显然，每个叶片110可以具有一个负荷传感器202。
因此，根据负荷传感器202记录的数据，控制单元150管理转子102的旋转速度并且根据转子102的角位置管理每个叶片的110的位置。例如，每个叶片110可以被定位成使负荷在船舶的前进方向上最大化。
因此，叶片110的间距可以根据转子102的旋转速度以及来自负荷传感器202的数据进行调整。因此，检测到叶片110上强大的负荷变化可以是边界层围绕此叶片110滑移的迹象，并且然后可以修改叶片110的位置以避免在转子102的每个角位置处出现这种滑移。
在图1和2中呈现的本发明的实施例中，每个叶片110可沿相关联的臂108平移移动，以修改主轴线104与副轴线112之间的中心距离。
当主电动机106可以作为发电机进行操作时，此实施例是特别有利的。叶片110的中心距离的改变使得中心距离能够延长，并且因此，当水流使叶片110绕主轴线104旋转时，作为发电机进行操作的主电动机106产生电流，以将电力递送到船舶或蓄电池。
为此，摆线动态推进或定位系统100包括用于每个叶片110的位移系统170，所述位移系统是机动化滑动系统，所述机动化滑动系统由控制单元150控制并且被布置成使叶片110和相关联的辅电动机114沿臂108移位。
在此处呈现的本发明的实施例中，位移系统170包括固定到所述转子102的用于每个臂108的另外的臂208，所述另外的臂平行于所述臂108并且在此处安置在所述臂108之下。
位移系统170还包括被安装成在臂108和所述另外的臂208上滑动的滑杆172。
滑杆172固定到辅电动机114。
在图2中呈现的本发明的实施例中，滑杆172还固定到安装有轴204的轴承174。
位移系统170包括驱动系统，所述驱动系统通过控制单元150连接并控制以使滑杆172沿臂108和208移位。
驱动系统可以例如是气缸，例如液压的气缸。
此处的驱动系统包括位移电动机176，所述位移电动机承载与滑杆172的螺母180紧密配合的螺纹杆178以形成蜗杆螺杆系统，其中螺纹杆178在一个方向上的旋转将使滑杆172在一个方向上移位，并且因此使叶片110在一个方向上移位，并且其中螺纹杆178在相反方向上的旋转将使滑杆172在相反方向上移位，并且因此使叶片110在相反方向上移位。
位移电动机176通过控制装置150连接并控制。
Claims (5)
1.一种用于停靠在表现出流动方向的水域中的船舶的摆线动态推进或定位系统(100)，所述摆线动态推进或定位系统(100)包括：
-框架，
-转子(102)，所述转子被安装成能够在所述框架上绕与所述流动方向成直角的主轴线(104)旋转移动并且包括相对于所述主轴线(104)径向延伸的多个臂(108)，
-主电动机(106)，所述主电动机配备有旋转编码器并且驱动所述转子(102)旋转，
-用于每个臂(108)的叶片(110)，所述叶片被安装成能够在所述臂(108)上绕平行于所述主轴线(104)的副轴线(112)旋转移动，
-用于每个叶片(110)的辅电动机(114)，所述辅电动机配备有旋转编码器并且驱动所述叶片(110)旋转，
-用于至少一个叶片(110)的负荷传感器(202)，所述负荷传感器被布置成能够评估施加在所述叶片(110)上的负荷，以及
-控制单元(150)，所述控制单元连接到每个旋转编码器、所述负荷传感器(202)
以及每个电动机(106，114)并且在角度和速度两个方面控制每个电动机(106，114)的旋转，
其中所述摆线动态推进或定位系统包括位移系统(170)，所述位移系统由所述控制单元(150)控制并且旨在使所述叶片(110)和相关联的辅电动机(114)沿所述臂(108)移位。
2.根据权利要求1所述的摆线动态推进或定位系统(100)，其中所述负荷传感器(202)安置于所述辅电动机(114)与所述叶片(110)之间的轴上。
3.根据权利要求1所述的摆线动态推进或定位系统(100)，其中所述主电动机(106)作为发电机进行操作。
4.根据权利要求3所述的摆线动态推进或定位系统(100)，其中所述位移系统(170)包括：
-固定到所述转子(102)的用于每个臂(108)的另外的臂(208)，所述另外的臂平行于所述臂(108)，
-滑杆(172)，所述滑杆固定到所述辅电动机(114)并且被安装成在所述臂(108)和所述另外的臂(208)上滑动，
-驱动系统，所述驱动系统通过所述控制单元(150)连接并控制以使所述滑杆(172)沿所述臂(108，208)移位。
5.一种船舶，其包括船体(10)和根据前述权利要求中任一项所述的摆线动态推进或定位系统(100)，其中所述框架固定到所述船体(10)，并且其中至少所述叶片(110)位于所述船体(10)的外部。
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