CN116171249A - 用于船舶上的风力推进设备的控制方法 - Google Patents

用于船舶上的风力推进设备的控制方法 Download PDF

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维勒·帕卡里
尤哈·曼尼宁
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Abstract

公开了一种用于控制布置在船舶上的风力推进设备(300，600)的方法。该方法包括提供来自布置在风力推进设备的表面上的第一压力传感器(302，616)的压力信息，基于来自第一压力传感器的压力信息估计风力推进设备的表面上的压力分布，提供风力推进设备的角位置信息，基于风力推进设备的角位置信息和估计的风力推进设备的表面上的压力分布来估计视风角，使用10估计的视风角来确定用于控制参数的初始近似值，并且使用估计的压力分布作为闭环控制方法中的反馈来优化风力推进设备的控制参数。

Description

用于船舶上的风力推进设备的控制方法
技术领域
本公开总体涉及风力推进设备；更具体地，涉及一种用于控制布置在船舶上的风力推进设备的方法。
背景技术
在现今时代，海运业在利用风能推进诸如油轮、货轮、客轮、小船等船舶方面已经取得了重大发展。风力推进设备(诸如马格努斯旋转体(Magnus-rotors)或翼型帆)越来越多地被用于辅助传统的推进系统(诸如水下螺旋桨)。具体地，这种风力推进设备竖直地安装在船舶上，并且产生垂直于风流方向的升力(或推力)，并且这种升力充当船舶的推进力。
通常，需要对这种风力推进设备进行精确控制，以确保这种风力推进设备的最佳效率。值得注意的是，基于船舶周围的风力条件，定期地监测和调节控制参数(诸如马格努斯旋转体的旋转速度和旋转方向或翼型帆的迎角)。这种控制参数的调节通常基于来自布置在船舶上的用于测量风向(或风角)和风速的多个测量设备(诸如气象桅杆、风速计或专用风力传感器)的信息来执行。然而，这种测量设备通常测量在测量设备的安装点处的风力条件，而不考虑由于船舶上的各种结构而引起的风廓线和压力分布的变化。此外，测量设备通常不安装在风力推进设备附近。因此，与在风力推进设备处观察到的风力条件相比，由测量设备记录的风力条件可能显著变化。替代性地，如果测量设备安装在风力推进设备附近，由于风力推进设备的运行，风力推进设备可能会导致测量设备在测量风力条件方面的误差。因此，使用这种测量技术确定的用于风力推进设备运行的控制参数通常导致风力推进设备的非最佳运行。
此外，基于应变的测量可用于测量由风力推进设备产生的升力或力。具体地，通过测量风力推进设备的结构弯曲，可计算由于风力而作用在塔上的力。然而，由船舶的船体或变化的环境条件引起的湍流显著地影响传递到风力推进设备的力，因此在风力推进设备的结构中引起的弯曲可能因此变化。此外，典型的基于应变的测量技术被设计成用于测量比风力推进设备中遇到的应变更大的应变。因此，这种基于应变的测量可能不够精确。
鉴于上述讨论，存在克服与优化风力推进设备的控制参数相关联的上述缺点的需要。
发明内容
本公开试图提供一种用于控制风力推进设备的方法。本公开试图提供一种对导致风力推进设备低效运行的不准确且不可靠的测量技术的现有问题的解决方案。因此，本公开的目的是提供一种至少部分地克服现有技术中遇到的问题的解决方案，并且提供一种优化与风力推进设备相关的控制参数的有效方法。
一方面，本公开的实施例提供了一种用于控制布置在船舶上的风力推进设备的方法，该方法包括
-提供来自至少第一压力传感器的压力信息，该第一压力传感器布置在风力推进设备的表面上，相对于船舶的甲板在第一高度H1处；
-基于来自至少第一压力传感器的压力信息估计风力推进设备的表面上的压力分布，以及
-使用估计的压力分布作为闭环控制方法中的反馈，以优化风力推进设备的控制参数。
在另一个方面，本公开的实施例提供了一种用于控制布置在船舶上的风力推进设备的系统的方法，该方法包括
-根据用于控制布置在船舶上的风力推进设备的方法优化每个风力推进设备的控制参数；以及
-通过测量性能的个体差异，考虑每个风力推进设备之间的相互作用，优化风力推进设备的总效率；
其中，风力推进设备相对于船舶的长度布置在船舶上的不同位置处。
在又一个方面，本公开的实施例提供了一种包括至少两个风力推进设备的船舶，每个风力推进设备包括至少第一压力传感器，其中，第一压力传感器布置在风力推进设备的表面上，相对于船舶的甲板在第一高度H1处，并且船舶还配备有用于执行用于控制布置在船舶上的风力推进设备的方法的装置。
在又一个方面，本公开的实施例提供了一种记录在非瞬时机器可读数据存储介质上的软件产品，其中，该软件产品可在计算硬件上执行，该软件产品用于实施用于控制布置在船舶上的风力推进设备的方法。
本公开的实施例基本上消除或至少部分地解决了现有技术中的上述问题，并且通过优化用于风力推进设备的运行的控制参数使得风力推进设备能够有效运行。
根据附图和结合所附权利要求解释的说明性实施例的详细说明，本公开的其他方面、优点、特征和目的将变得显而易见。
应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，本公开的特征易于以各种不同的组合方式进行组合。
附图说明
当结合附图进行阅读时，上文的发明内容以及下文的说明性实施例的详细说明被更好地理解。出于说明本公开的目的，在附图中示出了本公开的示例性构造。然而，本公开不限于本文中所公开的特定的方法和手段。此外，本领域技术人员应当理解附图不是按比例绘制的。在任何可能的情况下，相似的元件用相同的附图标记来表示。
现在将参照以下附图仅以示例的方式来描述本公开的实施例，在附图中：
图1是根据本公开的实施例的用于控制布置在船舶上的风力推进设备的方法的步骤的图示；
图2是根据本公开的图示的用于优化控制参数的闭环控制方法的框图；
图3是根据本公开的实施例的作为风力推进设备的马格努斯旋转体的图示；
图4是在马格努斯旋转体处的风的流入的示意图；
图5是由于不均匀流入引起的在马格努斯旋转体的不同高度处的压力分布的示意图；
图6是根据本公开的实施例的作为风力推进设备的翼型帆的图示；
图7是表示根据本公开的实施例的当风力推进设备被实现为马格努斯旋转体时旋转速度和净效益之间的关系的曲线图；
图8是作用在马格努斯旋转体上的力的图示；
图9是根据本公开的实施例的控制风力推进设备的系统的方法的步骤的图示；以及
图10是根据本公开的示例性实施方式的在优化控制参数的不同示例中的船舶的示意图。
在附图中，加下划线的附图标记用于表示加下划线的附图标记所在的项目或与加下划线的附图标记相邻的项目。未加下划线的附图标记涉及由将未加下划线的附图标记链接到项目的线所标识的项目。当附图标记未加下划线并且伴随有相关联的箭头时，未加下划线的附图标记用于标识箭头所指向的总体项目。
具体实施方式
以下详细描述示出了本公开的实施例以及可以实施本公开的实施例的方式。尽管已经公开了执行本公开的一些模式，但是本领域技术人员应当意识到，还包括用于执行或实行本公开的其他实施例。
一方面，本公开的实施例提供了一种用于控制布置在船舶上的风力推进设备的方法，该方法包括
-提供来自至少第一压力传感器的压力信息，该第一压力传感器布置在风力推进设备的表面上，相对于船舶的甲板在第一高度H1处；
-基于来自至少第一压力传感器的压力信息估计风力推进设备的表面上的压力分布，以及
-使用估计的压力分布作为闭环控制方法中的反馈，以优化风力推进设备的控制参数。
如本文中所描述的用于控制风力推进设备的方法使得风力推进设备的操作能够得到改进的控制和优化。本公开提供了一种使用压力测量的改进的方法，该方法使得能够实时估计风力推进设备的总表面上的压力分布，并且还使得能够估计风力条件，诸如风力推进设备周围的风角和风速。有益地，这种压力测量的方法消除了用于测量风力条件的多个测量设备的需求。本文中所描述的方法采用直接压力测量，该直接压力测量用于确定压力分布和作用在风力推进设备上的力。此外，本公开中所描述的方法适用于多种类型的风力推进设备，而不需要显著的修改。值得注意的是，本公开的方法显著提高了布置在船舶上的风力推进设备的效率，从而增加了风力推进设备对船舶的整体推进的贡献。
本公开提供了一种用于控制布置在船舶上的风力推进设备的方法。在此，术语“船舶”指的是用于诸如运输货物和乘客、海洋勘探等的船或船艇。通常，船舶使用发动机或涡轮来推进。船舶还布置有风力推进设备，以辅助发动机推进船舶。在此，术语“风力推进设备”指的是用于通过辅助主推进装置(诸如发动机或涡轮)减少在船舶移动中船舶的燃料消耗的设备。这种风力推进设备还可以被用作船舶的唯一推进装置。具体地，风力推进设备捕获船舶周围的风的动能，以辅助船舶的推进。风力推进设备的示例包括但不限于马格努斯旋转体(诸如弗莱特纳(Flettner)旋转体)和翼型帆(诸如翼帆)。翼型帆可以是例如翼帆、刚性帆或吸力翼帆(还可称为涡轮帆)。值得注意的是，风力推进设备的控制参数根据外部因素(诸如大气压力、船舶周围的风速、船舶的速度、风的流动方向、船舶的移动方向等中的一个或多个)来调节，以确保来自风力推进设备的优化的推进输出。本公开提供了一种控制风力推进设备以优化这种控制参数的方法。
该方法包括提供来自至少第一压力传感器的压力信息，该第一压力传感器布置在风力推进设备的表面上，相对于船舶的甲板在第一高度H1处。具体地，第一压力传感器确定风力推进设备的表面上的空气压力。应当理解，当船舶运动时，船舶周围的风的流动将力施加到风力推进设备上，该风力推进设备被用来辅助船舶的移动。从布置在风力推进设备的表面上的第一压力传感器接收的压力信息指的是与由风施加在风力推进设备上的这种力相关的信息。压力传感器的示例包括但不限于差动压力传感器、压力风速计以及压电压力传感器。此外，基于多个因素(诸如风力推进设备的高度、船舶的尺寸、船舶的典型运行环境中的大气和天气条件等)来选择布置第一压力传感器的第一高度H1。值得注意的是，第一压力传感器提供在风力推进设备的高度H1处的横截面的压力信息。在示例中，风力推进设备是马格努斯旋转体，其中，单一压力传感器布置在马格努斯旋转体的表面上。在这种示例中，当马格努斯旋转体旋转时，与马格努斯旋转体一起旋转的单一压力传感器测量与布置压力传感器的横截面的不同区域相关的压力信息。在另一个示例中，风力推进设备是翼型帆，其中优选地，多个压力传感器(诸如两个、三个或四个)布置在翼型帆的表面上。在这种示例中，多个压力传感器中的每个压力传感器提供与翼型帆的表面上的区域相关的压力信息，每个压力传感器布置在该翼型帆的表面上的区域上。因此，所使用的压力传感器的数量可以是2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、20、25、30、35或甚至40。
该方法包括基于来自至少第一压力传感器的压力信息估计风力推进设备的表面上的压力分布。值得注意的是，由风施加在风力推进设备的表面上的压力基于风的流动方向和速度而变化。布置在风力推进设备的表面上的至少第一压力传感器提供与风力推进设备的表面的不同部分上的这种压力变化相关的信息。因此，基于由至少第一压力传感器提供的压力信息，估计风力推进设备的表面上的压力分布。具体地，风力推进设备的表面上的压力分布提供了对风力推进设备的前后两侧之间的压力差的估计。当风力推进设备是马格努斯旋转体时，这可以在马格努斯旋转体旋转时通过一个压力传感器来实现。当风力推进设备是翼型帆时，优选地，翼型帆具有布置在翼型帆上的至少两个压力传感器，至少两个压力传感器提供与翼型帆的表面上的不同区域相关的压力信息。利用这种与风力推进设备的表面上的不同区域相关的压力信息，估计风力推进设备的表面上的压力分布。
可选地，用于控制风力推进设备的方法包括提供风力推进设备的角位置信息。值得注意的是，风力推进设备的角位置信息指的是与风力推进设备的定位和运行信息相关的参数，这些参数影响由风力推进设备提供的推进力。具体地，风力推进设备的角位置信息显著地影响船舶的移动方向和速度。在实施例中，当风力推进设备是马格努斯旋转体时，角位置信息可以包括但不限于马格努斯旋转体的尺寸信息(诸如高度、直径)、马格努斯旋转体的旋转速度以及马格努斯旋转体的旋转方向。在实施例中，当风力推进设备是翼型帆时，角位置信息可以包括但不限于翼型帆的类型、翼型帆的尺寸信息(诸如弦长、高度、前缘和后缘的曲率)以及翼型帆的迎角。
该方法还可包括基于风力推进设备的角位置信息和估计的风力推进设备的表面上的压力分布来估计视风角。具体地，视风角指的是相对于风力推进设备的风的流动方向。值得注意的是，可相对于船舶的船体中部(诸如沿船舶的中心前后线的船体中部)中的一个船体中部来测量视风角。应当理解，估计的压力信息提供了与风力推进设备的表面上的如下区域相关的信息，与风力推进设备的表面上的其他区域相比，这些区域经受了较高程度的压力。因此，可以得出结论，经受较高程度压力的区域直接受到风的流动的影响，因此可沿这些区域的方向估计风的流动方向。因此，基于角定位信息，确定风力推进设备上的这种区域相对于船体中部中的一个船体中部的定位，并且因此估计视风角。
当布置在风力推进设备的表面上的压力传感器与驻点重合时，由压力传感器测量的压力达到最大值。驻点是一个点，在驻点处，风的所有动能都转化为压力(势能)。一般而言，对于已知的帆的几何形状和帆的运行状态，一个或多个驻点的位置与迎角相关。因此，如果能找到驻点，则可以推导出迎角。即迎角与测量的压力最大值的点有关。
该方法还可包括使用估计的视风角来确定用于控制参数的初始近似值。值得注意的是，控制参数基于布置在船舶上的风力推进设备的类型而变化。在示例中，用于马格努斯旋转体的控制参数可以是马格努斯旋转体的旋转速度和/或马格努斯旋转体的旋转方向。在另一个示例中，用于翼型帆的控制参数可以是翼型帆的迎角。应当理解，估计的视风角仅仅提供了控制参数的初始近似值。这种控制参数在风力推进设备上实施，并且定期地调节以优化和提高效率。
在下文中，讨论其中风力推进设备是马格努斯旋转体的示例性实施例。只要合适，相同的细节和实施例适用于其他类型的风力推进设备。
在整个本公开中，术语“马格努斯旋转体”指的是纵向结构(诸如塔)，该纵向结构沿纵向结构的纵向轴线旋转并且产生垂直于纵向轴线和风的流动方向的力。这种力是由于马格努斯效应而产生的，并且利用船舶周围的风的流动向船舶提供推进力。此外，马格努斯旋转体可包括用于稳定马格努斯旋转体的圆盘端板。通常，马格努斯旋转体是圆柱形的(诸如弗莱特纳旋转体)，然而，马格努斯旋转体的横截面可以是圆形、正方形、矩形或任何多边形。
可选地，由角位置测量设备提供角位置信息。在此，角位置信息包括马格努斯旋转体的旋转速度、马格努斯旋转体的旋转角度以及马格努斯旋转体的旋转方向中的至少一个。角位置信息可选地可以包括马格努斯旋转体的尺寸信息(诸如高度、直径)。此外，角位置测量设备可以是旋转编码器、转速计、陀螺仪等。具体地，旋转编码器是位置传感器，该位置传感器可操作以确定马格努斯旋转体的角位置。应当理解，角位置信息优选地以高频率和高精度测量，以获得精确的结果。因此，采用专用设备(诸如旋转编码器)来测量角位置信息。此外，控制参数包括马格努斯旋转体的最佳旋转速度。值得注意的是，基于视风角，确定提供给船舶的推进力最大时的最佳旋转速度。
可选地，该方法还包括计算风速u。为了计算风速u，首先计算空气密度ρ。等式(1)给出了空气密度的数学公式，
Figure BDA0004113625680000081
其中R(比)是干燥空气的比气体常数，p是船舶周围的大气压力，T是船舶周围的温度。在此，基于28.9645g/mol的干燥空气的平均摩尔质量，干燥空气的比气体常数R(比)的值通常是287.058J.kg-1.K-1。然而，R(比)的值可根据特定位置处空气的分子组成而略有变化。
此外，大气压力p通过在旋转体的后侧处的压力或使用专用传感器来近似。在此，旋转体的后侧指的是旋转体的不接纳风在旋转体上的任何直接流入的一侧。因此，在旋转体的后侧处的压力不受风的流动的影响，因此基本上与大气压力相似。替代性地，专用传感器(诸如气压传感器)用于测量大气压力。此外，通常使用温度传感器(诸如温度计或热敏电阻)来确定温度T。
随后，通过从马格努斯旋转体的表面上的最大压力减去大气压p，计算马格努斯旋转体的表面上的最大动态压力q。通常使用来自布置在马格努斯旋转体的表面上的至少第一压力传感器的压力信息来确定马格努斯旋转体的表面上的最大压力。随后，将计算出的空气密度ρ和最大动态压力q代入等式(2)中，以计算风速u，
Figure BDA0004113625680000091
此后，该方法还包括使用估计的视风角来确定马格努斯旋转体的最佳旋转方向。值得注意的是，马格努斯旋转体的旋转方向可以是顺时针方向的或逆时针方向的。在示例中，视风角指示从船舶的右舷流向船舶的左舷的风。在这种示例中，马格努斯旋转体的最佳旋转方向可以是逆时针方向的，以产生朝向船舶的船首的马格努斯力。
此外，该方法包括使用计算的风速以及估计的视风角来确定控制参数的初始近似值。如前所述，用于马格努斯旋转体的控制参数包括马格努斯旋转体的最佳旋转速度。值得注意的是，调节马格努斯旋转体的旋转速度以优化旋转速度与风速之比，从而优化由马格努斯效应产生的推进力。应当理解，推进力随着马格努斯旋转体的旋转速度的增加而增加。然而，消耗燃料以产生马格努斯旋转体中的旋转，并且这种燃料消耗随着旋转速度的增加而增加。因此，以如下方式优化马格努斯旋转体的旋转速度，所述方式即，从由马格努斯旋转体的旋转产生的推进力获得的益处大于马格努斯旋转体的旋转所消耗的燃料。
可选地，该方法还包括提供来自至少第二压力传感器的压力信息，其中
-第二压力传感器相对于船舶的甲板布置在第二高度H2处；
-第一高度H1和第二高度H2之间的差为马格努斯旋转体的总高度H的至少20％；以及
-基于来自至少第一压力传感器和第二压力传感器的压力信息，通过内推和外推马格努斯旋转体的表面上的压力分布来执行压力分布的估计。
可选地，在这方面，第二压力传感器布置在船舶上，以与仅使用来自第一压力传感器的压力信息相比，以更高的精度估计马格努斯旋转体的表面上的压力分布。应当理解，由于风的不均匀流动，在马格努斯旋转体的不同高度处的压力分布是不同的。因此，布置在高度H2处并且布置在总高度H与第一压力传感器的高度H1的至少20％的高度差处的第二压力传感器提供压力信息，该压力信息不同于由第一压力传感器提供的压力信息。因此，可以利用来自不同高度的两个不同压力传感器的信息来执行压力信息的内推和外推。具体地，分别布置在不同高度H1和H2处的第一压力传感器和第二压力传感器提供对压力分布随着高度变化而变化的方式的洞察。然后可外推和内推这种压力分布的变化方式来估计马格努斯旋转体的表面上的压力分布。应当理解，在当第一压力传感器和第二压力传感器安装在马格努斯旋转体的两个终接端部处时的实施方式中，可能仅需要内推来估计马格努斯旋转体的表面上的压力分布。在简化的示例性图示中，压力的变化被估计为高度的函数，诸如线性函数或幂函数。此外，基于由多个压力传感器提供的压力信息，可计算复杂的流体动力学模型来估计马格努斯旋转体的表面上的压力分布。
可选地，该方法还包括在马格努斯旋转体的表面上布置至少第三压力传感器，其中，第三压力传感器相对于船舶的甲板布置在第三高度H3处，并且第一高度H1、第二高度H2和第三高度H3之间的差分别为马格努斯旋转体的总高度H的至少10％。
可选地，该方法还包括在马格努斯旋转体的表面上布置多个另一种压力传感器，其中，每个另一种压力传感器相对于船舶的甲板布置在给定的高度处，并且压力传感器中的每个压力传感器的高度之间的差为马格努斯旋转体的总高度H的至少5％，并且其中，另一种压力传感器的数量至少为四个。
可选地，在这方面，如前所述，由于风的不均匀流动，压力分布在马格努斯旋转体的不同高度处变化。因此，在不同高度处安装多个压力传感器，以便以更高的精度来估计马格努斯旋转体的表面上的压力分布。此外，确保压力传感器中的每个压力传感器的高度之间的差，以使得能够记录在大致不同高度处的压力信息，并且获得对马格努斯旋转体的整个高度上的压力分布的更好的估计。有益地，通过压力信息的内推和外推估计的压力分布的精度随着提供压力信息的压力传感器的数量的增加而增加。
可选地，压力传感器沿与马格努斯旋转体的旋转轴线大致平行的线布置。如前所述，马格努斯旋转体是一种以纵向轴线作为旋转轴线的纵向结构。因此，压力传感器在马格努斯旋转体的表面上以直线布置，该直线与旋转轴线大致平行。
替代性地，可选地，压力传感器沿螺旋线布置。具体地，在马格努斯旋转体的表面上勾勒出假想的螺旋线。
可选地，该方法还包括通过组合应变测量和下支承点的位移测量来测量马格努斯旋转体力。应当理解，由马格努斯旋转体产生的马格努斯力Fm被来自布置在马格努斯旋转体支撑结构中的上轴承和下支承点的力所抵消。在抵消马格努斯力的同时，马格努斯旋转体可能会经受塑性弯曲和支承点的位移。值得注意的是，上轴承通过提供反作用力Fmb来限制马格努斯旋转体的塑性弯曲。在此，马格努斯旋转体会经受塑性弯曲，该塑性弯曲引起可以测量的应变ΔL/Lo，其中，Lo是在经受塑性弯曲之后要测量的长度变化ΔL的指定参照长度。需要对测量系统进行校准，以了解上轴承载荷和应变之间的相关性。该相关值称为灵敏度。灵敏度Sse由等式(3)给出，
Figure BDA0004113625680000111
其中Fmb是测量的或已知的上支承力，ΔL/Lo是对应的应变值。然后，当灵敏度已知时，通过将灵敏度乘以测量的应变值来获得上支承力。Fmb与应变值呈线性关系。此外，下支承点的位移受到利用等式(4)计算的力Flb的约束，
Flb＝klbx(4)；
其中x是下支承点的位移，klb是用于下支承点的弹簧系数的校准测量值。Klb是位移x的函数。值得注意的是，总的马格努斯力应该是Fmb和Flb的总和。该方法还包括使用测量的马格努斯旋转体力作为优化马格努斯旋转体运行的反馈。值得注意的是，有益地，马格努斯旋转体力的基于应变的测量结果可以用于基于压力的测量结果的交叉验证。此外，在马格努斯旋转体中观察到的塑性弯曲和位移的幅度非常小。因此，采用了复杂的测量布置(诸如包括安装在马格努斯旋转体的相对端部处的两个应变计电阻桥的电连接的布置)，从而产生放大的应变信号。有益地，来自这种传感器的截然相反的测量结果抵消了马格努斯旋转体中热膨胀的影响。在下文中，讨论其中风力推进设备是翼型帆的示例性实施例。只要合适，相同的细节和实施例适用于其他类型的风力推进设备。
在整个本公开中，术语“翼型帆”指的是布置在船舶上的结构，其中，该结构的横截面是翼型的形状，该翼型在移动穿过空气时产生空气动力。值得注意的是，翼型帆在移动穿过空气或风时，穿透空气并且产生空气动力。在此，由于帆的翼型结构和风沿翼型的移动，因此与翼型帆的凹侧上的压力相比，观察到翼型帆的凸侧上的压力较低。替代性地，在对称翼型轮廓的情况下，压力差是由迎角产生的。因此，由于这种压力差，从高压区域向低压区域产生力。由于压力差产生的这种力至少部分地用于推进船舶。在此，翼型帆的直接穿透风的流动的最前面的边缘称为前缘，帆的与前缘相对的后部或后边缘称为后缘。此外，前缘和后缘之间的直线称为翼型帆的弦线。类似地，前缘和后缘之间的勾勒翼型帆的表面的线称为翼型帆的弦。应当理解，对于给定的翼型帆，在不同高度处可以存在不同的弦和弦线。值得注意的是，弦线用来确定翼型帆的迎角。具体地，迎角用于控制由翼型帆产生的空气动力，并且限定为弦线和表示风的流动方向的矢量之间的角度。翼型帆的示例包括但不限于软翼帆、刚性翼帆以及吸力翼帆(也称为涡轮帆)。
可选地，从第二压力传感器额外地提供压力信息，该第二压力传感器布置在翼型帆的表面上，相对于船舶的甲板在高度H1处。值得注意的是，第二压力传感器布置在与第一压力传感器相同的高度H1处，以测量在翼型帆的相同高度处、但在翼型帆的横截面的不同区域处的压力信息。具体地，第一压力传感器和第二压力传感器相对于彼此布置在翼型帆上不同的弦向位置处，彼此相距至少为弦长的20％的距离D1。在此，弦长指的是连接前缘和后缘的弦线的长度。值得注意的是，第一压力传感器和第二压力传感器布置在翼型的大致不同的区域处，以获得在翼型的横截面的不同区域处的压力信息，从而以更高的精度估计翼型帆的表面上的压力分布。此外，第一压力传感器和第二压力传感器布置在翼型帆的相对侧上。在此，翼型帆的相对侧指的是连接翼型帆的前缘和后缘的不同表面。如前所述，在翼型帆的相对侧观察到不同的压力。应当理解，这种压力差指示由翼型帆提供的推进力。因此，第一压力传感器和第二压力传感器布置在翼型帆的相对侧上，以估计这种压力差。替代性地，第一压力传感器布置在翼型帆的一侧上，第二压力传感器布置在翼型帆的前缘上。如前所述，翼型的前缘是翼型的直接穿透风的流动的最前面的边缘。在前缘处观察到的压力可提供与翼型帆的迎角对由此提供的推进力和船舶的速度的影响相关的进一步见解。进一步替代性地，第一压力传感器和第二压力传感器布置在翼型帆的同一侧。
替代性地，第一压力传感器和第二压力传感器沿翼型帆的弦彼此相距至少为弦长20％的距离D1而布置。
如前所述，对于马格努斯旋转体，类似地，对于翼型帆，该方法还包括计算风速u。首先，计算空气密度ρ。等式(5)给出了空气密度的数学公式：
Figure BDA0004113625680000131
/>
其中R(比)是干燥空气的比气体常数，p是船舶周围的大气压力，T是船舶周围的温度。值得注意的是，大气压力p使用专用传感器。替代性地，在优选的实施例中，专用传感器(诸如气压传感器)用于测量大气压力。随后，通过从翼型帆的表面上的最大压力减去大气压力p来计算翼型的表面上的最大动态压力q。使用来自布置在翼型帆的表面上的至少第一压力传感器的压力信息来确定翼型帆的表面上的最大压力。随后，将计算出的空气密度ρ和最大动态压力q代入等式(6)中，以计算风速u，
Figure BDA0004113625680000141
随后，该方法包括使用估计的视风角来确定翼型帆的最佳迎角。在此，对于翼型帆，迎角显著且主要影响由翼型帆产生的空气动力(即升力)。因此，迎角根据估计的视风角进行了优化。该方法还包括使用计算的风速以及估计的视风角来确定用于控制参数的初始近似值。在此，控制参数主要包括翼型帆的迎角。除了风角之外，风速显著地影响由翼型帆产生的空气动力，因此，迎角基于风速被进一步优化。因此，该方法包括重复地重新计算和重新估计各种参数，以保持优化风力推进设备的控制参数。
可选地，该方法还包括提供来自至少第三压力传感器的压力信息，其中，第三压力传感器布置在第三弦向位置中。替代性地，第三压力传感器沿与第一压力传感器和第二压力传感器相同的弦布置。值得注意的是，翼型帆在翼型帆的不同高度处具有多个翼型帆的弦。例如，与在高度H2等处连接前缘和后缘的线相比，在高度H1处连接前缘和后缘的线是不同的弦。在此，第三压力传感器沿与第一压力传感器和第二压力传感器相同的弦布置。可选地，第一压力传感器、第二压力传感器以及第三压力传感器沿翼型帆的弦分别布置在彼此相距至少10％处。值得注意的是，由于风的不均匀流动，压力分布在沿翼型帆的弦的不同区域处变化。因此，三个压力传感器安装在弦上的不同距离上，以便以更高的精度来估计翼型帆的表面上的压力分布。可选地，与第一压力传感器和第二压力传感器中的一个或两个相比，第三传感器布置在翼型帆的相对侧上。
可选地，该方法还包括沿翼型帆的至少两个不同的弦在翼型帆的表面上布置多个另外的压力传感器，其中，压力传感器被划分在翼型帆的两侧和翼型帆的前缘之间。在此，多个另外的压力传感器布置在翼型帆的表面上的不同的弦处、布置在翼型帆的两侧上以及布置在翼型帆的前缘上，以精确地估计在翼型帆的整个表面上的压力分布。值得注意的是，可以为翼型帆建立计算流体力学模型，其中，这种模型可内推和外推来自压力传感器的压力信息，以模拟翼型帆的工作模型，在翼型帆的工作模型中，实时估计控制参数(诸如迎角)的变化和控制参数对推进力的影响。因此，来自策略性地定位在翼型帆的表面上的多个压力传感器的压力信息使得能够进行非常精确的内推和外推，从而得到对翼型帆的模拟，该模拟接近地模仿了翼型帆的真实行为。在示例中，翼型帆可具有布置在翼型帆上的六个压力传感器，其中，第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器沿同一弦布置，第一压力传感器和第二压力传感器布置在翼型帆的相对侧上，第三压力传感器布置在翼型帆的后缘上。六个压力传感器中的第四压力传感器布置在翼型帆的后缘处，第五压力传感器和第六压力传感器沿不同的弦布置在翼型帆的相对侧上。因此，所使用的压力传感器的数量可以是2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、20、25、30、35或甚至40。
可选地，该方法还包括
-通过组合塑性弯曲测量和布置在翼型帆与翼型帆的基础部(foundation)的连接处的轴承的位移测量来测量翼型帆力；
-使用测量的翼型帆力作为优化翼型帆运行的反馈。
应当理解，由翼型产生的空气动力FA被来自布置在支撑结构中的轴承的力所抵消。在抵消空气动力的同时，翼型可能会经受塑性弯曲和支承点的位移。翼型的塑性弯曲引起可以测量的应变ΔL/Lo，其中，Lo是在经受塑性弯曲之后要测量的长度变化ΔL的指定参照长度。需要对测量系统进行校准，以了解载荷和应变之间的相关性。该相关值称为灵敏度。灵敏度Sse由等式(7)给出，
Figure BDA0004113625680000151
其中FL是测量的或已知的力，ΔL/Lo是对应的应变值。然后，当灵敏度已知时，通过将灵敏度乘以测量的应变值来获得空气动力。FL与应变值呈线性关系。该方法还包括使用测量的空气动力作为优化帆运行的反馈。值得注意的是，有益地，空气动力的基于应变的测量结果可以用于基于压力的测量结果的交叉验证。
应当理解，实施除了马格努斯旋转体和翼型帆之外的风力推进设备也是可能的，其中，上文中所描述的方法是适用的。此外，上面公开的关于前述的马格努斯旋转体的各种实施例和变型在可能的情况下经必要修改后适用于翼型帆，反之亦然。
用于控制布置在船舶上的风力推进设备的方法包括使用估计的压力分布作为闭环控制方法中的反馈来优化风力推进设备的控制参数。值得注意的是，在确定用于控制参数的初始近似值之后，在风力推进设备上实施控制参数。应当理解，由于控制参数的变化，风力推进设备的表面上的压力分布显著地变化。估计这种压力分布的变化以分析改变的控制参数的影响。在实施改变的控制参数之后，使用估计的这种压力分布作为上文中所描述的方法中的反馈，以优化风力推进设备的控制参数。在示例中，控制参数的初始近似值引起压力分布的变化，该压力分布的变化减小了由风力推进设备提供的推进力。因此，提供压力分布的这种变化作为反馈，并且为风力推进设备确定控制参数的另一个近似值。
在下文中，公开了一种用于控制布置在船舶上的风力推进设备的系统的方法。值得注意的是，船舶包括在船舶上的至少两个风力推进设备。风力推进设备相对于船舶的长度布置在船舶上的不同位置处。在示例中，对于船舶的长度Lv，第一风力推进设备(诸如马格努斯旋转体)沿船舶的中心前后线沿船体中部布置在距离船舶的船首Lv/4的距离处，并且第二风力推进设备(诸如第二马格努斯旋转体)沿前述船体中部布置在距离船舶的船首3Lv/4的距离处。
应当理解，尽管风力推进设备中的每个风力推进设备在使用上文中所描述的方法确定的优化的控制参数下运行，但由于由给定的风力推进设备的运行干扰另一个风力推进设备的运行并且使另一个风力推进设备的运行无效而产生的湍流尾流，风力推进设备的系统可能不是在最佳效率下运行。在下文中，提供了一种以如下方式控制多个风力推进设备的改进的方法，所述方式即，使得给定的风力推进设备的运行不会对另一个风力推进设备的运行产生任何负面影响。这种方法使得能够以如下方式对风力推进设备中的每个风力推进设备进行最佳控制，所述方式即，将来自风力推进设备的系统的影响复合以提高系统的总体效率。
用于控制布置在船舶上的风力推进设备的系统的方法包括根据上文中所描述的用于控制布置在船舶上的风力推进设备的方法优化每个风力推进设备的控制参数。首先，单独地优化风力推进设备中的每个风力推进设备的控制参数。如上所述，估计风力推进设备中的每个风力推进设备的表面上的压力分布，以估计风力推进设备的视风角。因此，确定用于控制参数的初始近似值，使用估计的压力分布作为闭环控制方法中的反馈来优化该初始近似值。
该方法还包括通过测量性能的个体差异，考虑每个风力推进设备之间的相互作用，使用闭环控制优化风力推进设备的总效率。值得注意的是，与第二风力推进设备相比，布置成逆风的第一风力推进设备可能干扰第二风力推进设备的效率并且对第二风力推进设备的效率具有负面影响。替代性地，风力推进设备之间的相互作用可能是由风力推进设备的压力区的重叠引起的。特别地，如果第一风力推进设备的低压区与第二风力推进设备的高压区重叠，则第二风力推进设备的运行受到负面影响。因此，调节在船舶上布置成逆风的第一风力推进设备的控制参数，以改变围绕第一推进设备的风的流入与第二风力推进设备的压力分布的相互作用方式。应当理解，风力推进设备干扰到达另一个风力推进设备的风的流动。在风的流动中产生的这种扰动或变化称为给定的风力推进设备的流入。通常，在风力推进设备运行期间，风力推进设备还产生湍流尾流，该湍流尾流干扰到达另一个风力推进设备的风的层流。因此，以第一风力推进设备的流入和第一风力推进设备的湍流尾流不影响第二风力推进设备的运行的方式改变(通常降级)布置成逆风的第一风力推进设备的运行。特别地，布置成逆风的第一风力推进设备的旋转速度可减小，以减小由此产生的流入区域和湍流尾流的区域。
测量风力推进设备中的每个风力推进设备的性能，并且确定风力推进设备中的每个风力推进设备之间的差异，以分析给定的风力推进设备对另一个风力推进设备的影响。具体地，改变第一风力推进设备的控制参数以分析第一风力推进设备对第二风力推进设备的效率的影响。此外，分析风力推进设备中的每个风力推进设备的压力分布，并且将风力推进设备中的每个风力推进设备的压力分布与风力推进设备中的每个风力推进设备的估计的视风角和角位置信息相结合，以确定风力推进设备的系统的优化的控制参数，从而提高系统的总体效率。值得注意的是，第一风力推进设备的控制参数的变化对第二风力推进设备的影响被用作闭环控制方法中的反馈，以进一步优化风力推进设备的系统的控制参数。
在示例性实施方式中，布置在船舶上的风力推进设备的系统包括沿船舶的长度布置在不同位置处的第一马格努斯旋转体和第二马格努斯旋转体。在第一示例中，马格努斯旋转体的控制参数(诸如旋转速度)不是基于上文中所描述的用于控制风力推进设备的方法而优化的。在这种示例中，对于两个马格努斯旋转体，马格努斯旋转体的旋转速度被确定为相等的，例如，每分钟180转。从这种示例观察到马格努斯旋转体的压力区域之间的显著的重叠。在第二示例中，基于上文中所描述的用于控制风力推进设备的方法优化控制参数。基于这种方法，第二马格努斯旋转体的旋转速度被优化为每分钟140转。这种优化使得燃料消耗显著减少。然而，由于控制参数不是基于每个马格努斯旋转体之间的相互作用而优化的，因此从马格努斯旋转体的压力区域仍观察到显著的重叠。在第三示例中，如上文中关于用于控制布置在船舶上的风力推进设备的系统的方法所描述的，基于每个马格努斯旋转体之间的相互作用来优化控制参数。因此，第一马格努斯旋转体的旋转速度被优化为减小到每分钟150转，第二马格努斯旋转体的旋转速度被优化为每分钟130转。从马格努斯旋转体的旋转速度的这种减小可观察到两个马格努斯旋转体的压力区域之间没有重叠，从而显著地提高了马格努斯旋转体的效率并且减少了燃料消耗。
本说明书还涉及一种用于控制布置在船舶上的马格努斯旋转体的方法，该方法包括
-提供来自至少第一压力传感器的压力信息，该压力信息是沿第一压力传感器的路径的压力分布，其中
-第一压力传感器布置在马格努斯旋转体的表面上；以及
-第一压力传感器相对于船舶的甲板布置在第一高度H1处；
-基于来自至少第一压力传感器的压力信息内推和外推马格努斯旋转体的表面上的压力分布；
-从旋转编码器提供马格努斯旋转体的角位置信息；
-基于角位置信息和估计的马格努斯旋转体的表面上的压力分布来估计视风角；
-通过如下各项来计算风速u，
基于大气压力p和温度T并且利用等式(8)计算空气密度ρ，其中，大气压力通过使用专用传感器来近似，在等式(8)，R(比)是干燥空气的比气体常数，
Figure BDA0004113625680000191
-通过从马格努斯旋转体的表面上的最大压力减去大气压力，计算马格努斯旋转体的表面上的最大动态压力q；以及
-利用等式(9)计算风速u，
Figure BDA0004113625680000192
-使用估计的视风角来确定马格努斯旋转体的最佳旋转方向；
-使用计算的风速来确定用于马格努斯旋转体的最佳旋转速度的初始近似值；以及
-使用闭环控制方法以旋转体特定的每分钟最佳旋转量来运行马格努斯旋转体，其中反馈包括内推和外推的压力分布。
本说明书还涉及用于控制布置在船舶上的马格努斯旋转体的另一种方法，该方法包括
-通过组合塑性弯曲测量和布置在马格努斯旋转体和马格努斯旋转体的基础部的连接处的轴承的位移的测量来测量马格努斯旋转体力；
-使用闭环控制方法以旋转体特定的每分钟最佳旋转量来运行马格努斯旋转体，其中反馈包括测量的马格努斯旋转体力。
因此，在船舶上使用马格努斯旋转体的情况下，还可以不使用上面方法中解释的压力信息，而仅通过使用测量的马格努斯旋转体力来控制马格努斯旋转体。
由马格努斯旋转体产生的马格努斯旋转体力Fm被来自布置在马格努斯旋转体支撑结构中的上轴承和下支承点的力所抵消。在抵消马格努斯力的同时，马格努斯旋转体可能会经受塑性弯曲和支承点的位移。值得注意的是，上轴承通过提供反作用力Fmb来限制马格努斯旋转体的塑性弯曲。在此，马格努斯旋转体会经受塑性弯曲，该塑性弯曲引起可以测量的应变ΔL/Lo，其中，Lo是在经受塑性弯曲之后要测量的长度变化ΔL的指定参照长度。需要对测量系统进行校准，以了解上支承载荷和应变之间的相关性。该相关值称为灵敏度。灵敏度Sse由等式(10)给出，
Figure BDA0004113625680000201
其中Fmb是测量的或已知的上支承力，ΔL/Lo是对应的应变值。然后，当灵敏度已知时，通过将灵敏度乘以测量的应变值来获得上支承力。Fmb与应变值呈线性关系。
此外，下支承点的位移受到利用等式(11)计算的力Flb的约束，
Flb＝klbx(11)；
其中x是下支承点的位移，klb是用于下支承点的弹簧系数的校准测量值。Klb是位移x的函数。值得注意的是，总的马格努斯力应该是Fmb和Flb的总和。该方法还包括使用测量的马格努斯旋转体力作为优化马格努斯旋转体运行的反馈。值得注意的是，有益地，马格努斯旋转体力的基于应变的测量结果可以用于基于压力的测量结果的交叉验证。此外，在马格努斯旋转体中观察到的塑性弯曲和位移的幅度非常小。因此，采用了复杂的测量布置(诸如包括安装在马格努斯旋转体的相对端部处的两个应变计电阻桥的电连接的布置)，从而产生放大的应变信号。有益地，来自这种传感器的截然相反的测量结果抵消了马格努斯旋转体中热膨胀的影响。
本公开使用用于等式的编号符号(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)和(11)。等式(1)、(5)和(8)用于计算每个相应的实施例的空气密度值。等式(2)、(6)和(9)用于计算相应的实施例中的每个实施例的风速。等式(3)和(10)用于计算与马格努斯旋转体相关的实施例的灵敏度值，等式(7)用于计算翼型的灵敏度值。等式(4)和(11)用于计算相应的实施例的力Flb。
本公开还提供了一种包括至少两个风力推进设备的船舶，每个风力推进设备包括至少第一压力传感器，其中，第一压力传感器布置在风力推进设备的表面上，相对于船舶的甲板在第一高度H1处，并且船舶还配备有用于执行上文中所描述的方法的装置。上面解释的实施例和变型经必要修改后适用于船舶。
本公开还提供了一种记录在非瞬时机器可读数据存储介质上的软件产品，其中，该软件产品可在计算硬件上执行，该软件产品用于实施如上文中所描述的用于控制布置在船舶上的风力推进设备的方法。
附图的详细说明
参照图1，示出了根据本公开的实施例的用于控制布置在船舶上的风力推进设备的方法100的步骤的图示。在步骤102，从至少第一压力传感器提供压力信息，该第一压力传感器布置在风力推进设备的表面上，相对于船舶的甲板在第一高度H1处。在步骤104，基于来自至少第一压力传感器的压力信息来估计风力推进设备的表面上的压力分布。在步骤106，提供风力推进设备的角位置信息。在步骤108，基于风力推进设备的角位置信息和估计的风力推进设备的表面上的压力分布来估计视风角。在步骤110，使用估计的视风角来确定用于控制参数的初始近似值。在步骤112，使用估计的压力分布作为闭环控制方法中的反馈，以优化风力推进设备的控制参数。
步骤102和步骤116仅是说明性的，并且也可以提供其他的替代方案，在其他的替代方案中，添加一个或多个步骤，移除一个或多个步骤，或以不同的顺序提供一个或多个步骤，而不背离本文中的权利要求的范围。
参照图2，示出了根据本公开的图示的用于优化控制参数的闭环控制方法的框图。在此如图1所述，在步骤110，使用估计的视风角来确定用于控制参数的初始近似值，其中，基于风力推进设备的角位置信息和估计的风力推进设备的表面上的压力分布来估计视风角。在步骤202，在风力推进设备上实施控制参数的初始近似值。随后，在步骤204，在实施控制参数之后，从至少第一压力传感器提供压力信息，该第一压力传感器布置在风力推进设备的表面上，相对于船舶的甲板在第一高度H1处。在步骤206，基于来自至少第一压力传感器的压力信息来估计风力推进设备的表面上的压力分布。此后，在步骤112，使用估计的风力推进设备的表面上的压力分布作为闭环控制方法中的反馈，以确定用于控制参数的另一个近似值，以优化风力推进设备的控制参数。
参照图3，示出了根据本公开的实施例的作为风力推进设备的马格努斯旋转体300。如图所示，第一压力传感器302布置在马格努斯旋转体300的表面上，相对于船舶的甲板在第一高度H1处。第二压力传感器304相对于船舶的甲板布置在第二高度H2处。值得注意的是，第一高度H1和第二高度H2之间的差是马格努斯旋转体的总高度H的至少20％。类似地，第三压力传感器306相对于船舶的甲板布置在第三高度H3处，并且第一高度H1、第二高度H2和第三高度H3之间的差分别是马格努斯旋转体的总高度H的至少10％。应当理解，当马格努斯旋转体300旋转时，与马格努斯旋转体300一起旋转的压力传感器302、压力传感器304和压力传感器306测量与马格努斯旋转体300的表面上的不同区域相关的压力信息。
参照图4，示出了在马格努斯旋转体400处的风的流入。值得注意的是，如图所示，由于马格努斯旋转体400，风的流入显著地改变。图中的线表示速度等值线。
参照图5，示出了由于不均匀流入而在马格努斯旋转体500的不同高度处的压力分布的示意图。图中的线表示压力等值线。
参照图6，示出了根据本公开的实施例的作为风力推进设备的翼型帆600。值得注意的是，翼型帆600具有弧形结构，该弧形结构具有凸侧602和凹侧604，其中，由于帆600的翼型结构和沿翼型的风的移动，观察到与翼型帆600的凹侧604上的压力相比，翼型帆600的凸侧602上的压力较低。如图所示，翼型帆600具有前缘606和后缘608，该前缘直接穿透风的流动。值得注意的是，翼型帆600包括不同的弦，诸如在不同高度处的弦610、弦612、弦614。此外，第一压力传感器616布置在翼型帆600的表面上，相对于船舶的甲板在第一高度H1处。另外，第二压力传感器618沿与第一压力传感器616相同的弦610布置在翼型帆600的表面上，相对于船舶的甲板在高度H1处。
参照图7，示出了表示根据本公开的实施例的当风力推进设备被实现为马格努斯旋转体时旋转速度和净效益之间的关系的曲线图。在此，曲线图的X轴线表示旋转速度，Y轴线表示马格努斯旋转体的净效益。值得注意的是，净效益指的是由于马格努斯旋转体提供的推进力而节省的能量或减少的燃料消耗。如曲线图所示，净效益随着马格努斯旋转体的旋转速度的增加而增加，直到拐点，在拐点之后，在马格努斯旋转体中产生旋转所消耗的能量超过从由此产生的推进力获得的效益。
参照图8，示出了作用在马格努斯旋转体800上的力。值得注意的是，由于马格努斯旋转体800的旋转而产生马格努斯力Fm。力Fm通过来自布置在马格努斯旋转体800中的上轴承和布置在马格努斯旋转体800与马格努斯旋转体800的基础部的连接处的下支承点的力来抵消。在抵消马格努斯力的同时，马格努斯旋转体800可能会经受塑性弯曲和轴承的位移。值得注意的是，上轴承通过提供反作用力Fmb来限制马格努斯旋转体800的塑性弯曲。此外，布置在下支承点处(即在马格努斯旋转体800和马格努斯旋转体的基础部的连接处)的轴承的位移受到力Flb的约束。
参照图9，示出了根据本公开的实施例的控制风力推进设备的系统的方法900的步骤的图示。在此，关于第一风力推进设备和第二风力推进设备来描述方法900，其中，与第二推进设备相比，第一推进设备布置在船舶上的逆风位置。在步骤902，使用用于控制布置在船舶上的风力推进设备的方法(诸如图1中所描述的方法100)优化关于第一推进设备的控制参数。在步骤904，使用前述的方法100优化关于第二推进设备的控制参数。在步骤906，比较第一推进设备和第二推进设备的压力分布之间的相互作用，以确定第一推进设备对第二推进设备的压力分布的影响。在步骤908，确定风力推进设备的系统的总效率，并且在步骤906将结果作为反馈提供，以优化第一推进设备和第二推进设备的控制参数。
参照图10，示出了根据本公开的示例性实施方式的在优化控制参数的不同示例中的船舶的示意图。船舶包括沿船舶的长度布置在不同位置处的第一马格努斯旋转体和第二马格努斯旋转体。在第一示例1010中，马格努斯旋转体的控制参数(诸如旋转速度)不是基于上文中所描述的用于控制风力推进设备的方法100来优化的。在这种示例1010中，对于两个马格努斯旋转体的旋转速度，马格努斯旋转体的旋转速度被确定为相等的，例如，每分钟180转。从这种示例1010观察到马格努斯旋转体的压力区域之间的显著的重叠。在第二示例1020中，基于上文中所描述的用于控制风力推进设备的方法100优化控制参数。基于这种方法100，第二马格努斯旋转体的旋转速度被优化为每分钟130转。这种优化使得燃料消耗显著减少。然而，由于控制参数不是基于每个马格努斯旋转体之间的相互作用而优化的，因此从马格努斯旋转体的压力区域仍观察到显著的重叠。在第三示例1030中，如上文中关于用于控制布置在船舶上的风力推进设备的系统的方法900所描述的，基于每个马格努斯旋转体之间的相互作用来优化控制参数。因此，第一马格努斯旋转体的旋转速度被优化为减小到每分钟150转，第二马格努斯旋转体的旋转速度被优化为每分钟140转。从马格努斯旋转体的旋转速度的这种减小可观察到两个马格努斯旋转体的压力区域之间没有重叠，从而显著地提高了马格努斯旋转体的效率并且减少了燃料消耗。
在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，可以对前述的本公开的实施例进行修改。用于描述和要求保护本公开的诸如“包括”、“包括”、“并入”、“具有”等表述旨在以非排他的方式来解释，即允许存在未明确描述的项目、部件或元件。单数的提及也被解释为涉及复数。

Claims (17)

1.一种用于控制布置在船舶上的风力推进设备(300，600)的方法，所述方法包括
-提供来自至少第一压力传感器(302，616)的压力信息，所述第一压力传感器布置在所述风力推进设备的表面上，相对于所述船舶的甲板在第一高度H1处；
-基于来自至少所述第一压力传感器的所述压力信息估计所述风力推进设备的表面上的压力分布，以及
-使用估计的所述压力分布作为闭环控制方法中的反馈，以优化所述风力推进设备的控制参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括
-提供风力推进设备的角位置信息；
-基于风力推进设备的所述角位置信息和估计的所述风力推进设备的表面上的所述压力分布来估计视风角，以及
-使用估计的所述视风角来确定用于控制参数的初始近似值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中
-所述风力推进设备是马格努斯旋转体(300)；
-由角位置测量设备提供所述角位置信息；
-所述控制参数包括所述马格努斯旋转体的最佳旋转速度；
所述方法还包括
-通过如下各项计算风速u，
-基于大气压力p和温度T并且利用等式(1)计算空气密度ρ，其中，所述大气压力或通过在所述旋转体的后侧处的压力来近似，或通过使用专用传感器来近似，在所述等式(1)中，R(比)是干燥空气的比气体常数，
Figure FDA0004113625670000011
-通过从所述马格努斯旋转体的表面上的最大压力减去所述大气压力，计算所述马格努斯旋转体的表面上的最大动态压力q；以及
-利用等式(2)计算风速u，
Figure FDA0004113625670000021
-使用估计的所述视风角来确定所述马格努斯旋转体的最佳旋转方向；以及
-除了估计的所述视风角之外，使用计算的所述风速来确定用于控制参数的所述初始近似值。
4.根据权利要求3所述的方法，所述方法还包括提供来自至少第二压力传感器(304)的压力信息，其中
-所述第二压力传感器相对于所述船舶的所述甲板布置在第二高度H2处；
-所述第一高度H1和所述第二高度H2之间的差为所述马格努斯旋转体的总高度H的至少20％；以及
-基于来自至少所述第一压力传感器(302)和所述第二压力传感器的所述压力信息，通过内推和外推所述马格努斯旋转体的表面上的所述压力分布来执行压力分布的估计。
5.根据权利要求4所述的方法，所述方法还包括在所述马格努斯旋转体的表面上布置至少第三压力传感器(306)，其中，所述第三压力传感器相对于所述船舶的所述甲板布置在第三高度H3处，并且所述第一高度H1、所述第二高度H2和所述第三高度H3之间的差分别为所述马格努斯旋转体的总高度H的至少10％。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述马格努斯旋转体的表面上布置多个另一种压力传感器，其中，每个另一种压力传感器相对于所述船舶的所述甲板布置在给定的高度处，并且所述压力传感器中的每个压力传感器的高度之间的差为所述马格努斯旋转体的总高度H的至少5％，并且其中，另一种压力传感器的数量至少为四个。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中，所述压力传感器(302，304，306)沿与所述马格努斯旋转体的旋转轴线大致平行的线布置。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其中，所述压力传感器(302，304，306)沿螺旋线布置。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的方法，所述方法还包括
-通过组合塑性弯曲测量和布置在所述马格努斯旋转体和所述马格努斯旋转体的基础部的连接处的轴承的位移测量来测量马格努斯旋转体力；
-使用测量的所述马格努斯旋转体力作为优化所述马格努斯旋转体运行的反馈。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中
-所述风力推进设备是翼型帆(600)；
-从第二压力传感器(618)额外地提供压力信息，所述第二压力传感器布置在所述翼型帆的表面上，相对于所述船舶的所述甲板在所述高度H1处；
-所述第一压力传感器(616)和所述第二压力传感器相对于彼此布置在所述翼型帆上不同的弦向位置处，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器彼此相距至少为弦长的20％的距离D1；
-所述第一压力传感器和所述第二压力传感器或布置在所述翼型帆的相对侧上，或布置在所述翼型帆的同一侧上，或所述第一压力传感器布置在所述翼型帆的一侧上，而所述第二压力传感器布置在所述翼型帆的前缘(606)上。
11.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括
-通过如下各项计算风速u，
-基于大气压力p和温度T并且利用等式(5)计算空气密度ρ，其中，所述大气压力通过使用专用传感器来近似，在所述等式(5)中，R(比)是干燥空气的比气体常数，
Figure FDA0004113625670000031
-通过从所述翼型帆的表面上的最大压力减去所述大气压力，计算所述翼型帆的表面上的最大动态压力q；以及
-利用等式(6)计算所述风速u，
Figure FDA0004113625670000041
-使用估计的所述视风角来确定所述翼型帆的最佳迎角；以及
-除了估计的所述视风角之外，使用计算的所述风速来确定用于控制参数的所述初始近似值。
12.根据权利要求10或11所述的方法，所述方法还包括提供来自至少第三压力传感器的压力信息，其中，所述第三压力传感器布置在第三弦向位置中。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，所述方法还包括沿所述翼型帆的至少两个不同的弦(610，612，614)在所述翼型帆的表面上布置多个另一种压力传感器，其中，所述压力传感器被划分在所述翼型帆的两侧和所述翼型帆的前缘(606)之间。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，所述方法还包括
-通过组合塑性弯曲测量和布置在所述翼型帆和所述翼型帆的基础部的连接处的轴承的位移测量来测量翼型帆力；
-使用测量的所述翼型帆力作为优化所述翼型帆运行的反馈。
15.一种用于控制布置在船舶上的风力推进设备(300，600)的系统的方法，所述方法包括
-根据权利要求1至14中任一项所述的方法优化每个风力推进设备的所述控制参数；以及
-通过测量性能的个体差异，考虑每个风力推进设备之间的相互作用，使用闭环控制优化所述风力推进设备的总效率；
其中，所述风力推进设备相对于所述船舶的长度布置在所述船舶上的不同位置处。
16.一种包括至少两个风力推进设备(300，600)的船舶，每个风力推进设备包括至少第一压力传感器(302，616)，其中，所述第一压力传感器布置在所述风力推进设备的表面上，相对于所述船舶的甲板在第一高度H1处，并且所述船舶还配备有用于执行权利要求1至15中任一项所述的方法的装置。
17.一种记录在非瞬时机器可读数据存储介质上的软件产品，其中，所述软件产品能在用于实施权利要求1至15中任一项的方法的计算硬件上执行。
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