CN220549193U - 一种基于magnus原理的船舶航行姿态控制装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种基于MAGNUS原理的船舶航行姿态控制装置，包括前姿态控制装置与后姿态控制装置；前姿态控制装置设置在双体船的船艏，后姿态控制装置设置在双体船的船艉；前姿态控制装置与后姿态控制装置采用相同结构的姿态控制装置，姿态控制装置在双体船左右舱室中一侧安装驱动部分，另一侧安装简支部分，驱动部分和简支部分用于共同驱动和支撑转子；驱动部分包括伺服电机和主动轴，伺服电机通过主动轴驱动转子；简支部分包括主动轴用于支撑转子。本实用新型提出的基于MAGNUS效应的船舶纵向姿态控制装置，该装置不仅能解决船舶纵向运动问题，同时增强了船体结构刚性。同时，前后姿态控制系统与双体船形成了框架结构，大幅增强双体船的结构强度。
Description
技术领域
本实用新型涉及船舶减摇技术领域，特别涉及一种基于MAGNUS原理的船舶航行姿态控制装置。
背景技术
小水线面双体船是将上部船体通过若干个流线型的支柱支承在两个鱼雷形状的下潜体上的一种新型高性能船舶，因其吃水处的水线面积较小而得名。相对于同吨位的常规单体船而言，具有出色的的耐波性和宽大的甲板面。然而正是由于水线面积较小，一方面导致SWATH航行过程中，由于水下潜体上的Munk力矩作用，船体有埋艏现象，随航速增加容易使船产生纵向失稳、高速抬艏、甚至丧失正常航行能力；另一方面导致整船刚度不够，为了满足强度需要，船体结构设计复杂。
目前国内外解决SWATH航行纵向失稳和波浪中纵向运动剧烈问题是安装稳定鳍，即在靠近艏艉的潜体内测各安装一对可控稳定鳍。而稳定鳍是基于机翼原理产生升力，通过一定的控制方法实现船舶航行姿态的控制，但稳定鳍的升力系数较小，使得达到较好的姿态控制效果需要配备较大面积的稳定鳍装置，导致稳定鳍的使用安装成本较高，增加了较多船外附体质量。同时潜体上四个鳍的存在，使得整个船体的载荷情况更为复杂，造成整船的结构设计难度进一步增大。
实用新型内容
具体的，本实用新型提出一种基于MAGNUS原理的船舶航行姿态控制装置，其特征在于，所述船舶航行姿态控制装置包括前姿态控制装置与后姿态控制装置；
所述前姿态控制装置设置在双体船的船艏，所述后姿态控制装置设置在双体船的船艉；
所述前姿态控制装置与后姿态控制装置采用相同结构的姿态控制装置，所述姿态控制装置在所述双体船左右舱室中一侧安装驱动部分，另一侧安装简支部分，所述驱动部分和简支部分用于共同驱动和支撑转子；
所述驱动部分包括伺服电机和主动轴，所述伺服电机通过主动轴驱动所述转子；
所述简支部分包括主动轴用于支撑所述转子。
更近一步地，所述驱动部分还包括齿轮箱，所述齿轮箱的输入端与伺服电机通过法兰连接，输出端通过花键与主动轴连接；齿轮箱用于将伺服电机输出的扭矩放大。
更近一步地，所述驱动部分还包括支承座组件，所述支承座组件与船体焊接固定，水平布置在舱室中适当位置，同时所述支承座组件与齿轮箱固定连接。
更近一步地，所述驱动部分还包括海水密封组件，所述海水密封组件设置在支承座组件靠近舷外部分，用于防止海水深入舱室。
更近一步地，所述简支部分设置在所述驱动部分所在船体对面，所述简支部分不含伺服电机和齿轮箱，其余结构与所述驱动部分相同。
本实用新型达到的有益效果是：
本实用新型提出的基于MAGNUS效应的船舶纵向姿态控制装置，该装置不仅能解决船舶纵向运动问题，同时增强了船体结构刚性。
本实用新型提出的基于MAGNUS效应的船舶纵向姿态控制装置，在当来流速度相同，转子旋转时，通过MAGNUS效应产生的升力，其升力系数在适当的周速比下，是通过机翼原理产生升力的稳定鳍的3～5倍，即在产生当量的船舶姿态控制效果，本装置的投影面积仅为稳定鳍装置的1/3左右。因此产生当量的船舶姿态控制效果，使用本装置可大幅度降低舷外附体的体积与质量，降低船舶姿态控制的使用成本，具有一定的技术进步和经济效益。
本装置通过在船舶艏艉内侧各布置一根空心转子，连接两侧潜体。转子通过与船体结构固定的支撑结构进行安装支撑，转子可由伺服电机带动减速器的驱动下快速正反转动，当船舶航行时，利用Magnus效应产生垂直于来流方向的升力，通过主控箱控制转子，改变转子的转速和转向从而实现升力大小和方向的改变，从而控制船舶纵倾、纵摇角和升沉运动。例如使前转子顺时针旋转产生向下的升力，后转子逆时针转产生向上的升力，产生使船埋首的力矩以减少高速航行时抬艏的姿态。同时由于转子在船舶艏艉连接两侧船体，能够明显增加双体船的整体强度，包括横向强度和抗扭强度，显著减小结构设计难度。
同时，前后姿态控制系统与双体船两附体均为刚性连接，形成了框架结构，能够大幅增强双体船的结构强度，降低其结构设计难度。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的一种基于MAGNUS原理的船舶航行姿态控制装置的升力产生示意图；
图2为本实用新型实施例提供的一种基于MAGNUS原理的船舶航行姿态控制装置的结构示意图；
图3为本实用新型实施例提供的一种基于MAGNUS原理的船舶航行姿态控制装置中驱动部分的结构示意图；
图4为本实用新型实施例提供的一种基于MAGNUS原理的船舶航行姿态控制装置中简支部分的结构示意图。
1-主控箱，2-伺服电机、3-齿轮箱、4-主动轴、5-支承座组件、6-海水密封组件、7-转子。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案进行更详细的说明，本实用新型包括但不仅限于下述实施例。
如附图1所示，本实用新型提出了一种基于MAGNUS原理的船舶航行姿态控制装置，为了实现本姿态控制装置改善双体船纵向稳定性的作用，需要在双体船的船艏与船艉合适部位分别安装前姿态控制装置与后姿态控制装置。
前姿态控制装置与后姿态控制装置采用相同结构的姿态控制装置，姿态控制装置在双体船左右舱室中一侧安装驱动部分，另一侧安装简支部分，共同驱动、支撑转子7。驱动部分包括主控箱1，伺服电机2、齿轮箱3、主动轴4、支承座组件5、海水密封组件6。
其中，主控箱1布置在驱动部分安装舱室，主控箱1通过航姿仪感知船舶姿态信号，经1控制箱内的控制系统综合分析，生成用于驱动伺服电机2的旋转信号。
伺服电机2与1控制箱电连接，通过旋转信号进行输出。
齿轮箱3与伺服电机2通过法兰连接，齿轮箱3用于将伺服电机2输出的转速减小，扭矩放大。
主动轴4通过花键与齿轮箱3传递扭矩，主动轴4通过两对滚动轴承安装定位在支承座组件5中。
支承座组件5与船体焊接，水平布置在舱室中适当位置，同时支承座组件5与齿轮箱3固定连接。
海水密封组件6设置在支承座组件5靠近舷外部分，用于防止海水深入舱室。
转子7为空心结构与主动轴4连接并同步旋转。
姿态控制装置的简支部分安装在另一舱室内，不含主控箱1、伺服电机2、齿轮箱3等驱动组件，其余部分与驱动部分完全相同。
本实用新型提供的船舶航行姿态控制装置在工作原理为：
通过布置在主控箱1中的航姿仪感知船舶姿态信号，经1控制箱内的控制系统综合分析，生成驱动伺服电机2的旋转信号，通过齿轮箱3将转速减小，扭矩放大后，通过主动轴4上的花键将旋转运动传递至主动轴4与转子7，使前后转子顺时针或逆时针在海水中旋转产生升力，形成力偶以控制船舶纵向航行姿态。同时，前后姿态控制系统与双体船两附体均为刚性连接，形成了框架结构，能够大幅增强双体船的结构强度，降低其结构设计难度。
具体的，船舶向前方开，在静水中形成了向艉部的来流V，艏部转子7逆时针旋转、艉部转子7顺时针旋转，由于Magnus效应，此时转子7上下侧产生速度差和压差，从而产生一个正比于来流速度V、转速w和转子7外径D的升力F。当艏部转子7逆时针转动时，升力F竖直朝上，艉部转子7顺时针转动时，升力F竖直朝下，共同形成一逆时针力偶，以克服低速航行时埋艏纵倾问题；反之，艏部转子7顺时针旋转、艉部转子7逆时针旋转，前后转子升力作用形成一顺时针力偶，即可解决高速航行时抬艏纵倾问题；当波浪中航行时船舶存在纵摇时，根据波浪频率大的变化，控制系统实时改变转子7的转速和方向就可以实时地改变升力的大小和方向，从而形成力矩来抵抗波浪力矩，即可实现减纵摇、控制船舶纵向航行姿态目的。
本实用新型不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本实用新型，因此，凡是采用本实用新型的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本实用新型保护的范围。
Claims (5)
1.一种基于MAGNUS原理的船舶航行姿态控制装置，其特征在于，所述船舶航行姿态控制装置包括前姿态控制装置与后姿态控制装置；
所述前姿态控制装置设置在双体船的船艏，所述后姿态控制装置设置在双体船的船艉；
所述前姿态控制装置与后姿态控制装置采用相同结构的姿态控制装置，所述姿态控制装置在所述双体船左右舱室中一侧安装驱动部分，另一侧安装简支部分，所述驱动部分和简支部分用于共同驱动和支撑转子(7)；
所述驱动部分包括伺服电机(2)和主动轴(4)，所述伺服电机(2)通过主动轴(4)驱动所述转子(7)；
所述简支部分包括主动轴(4)用于支撑所述转子(7)。
2.根据权利要求1所述船舶航行姿态控制装置，其特征在于，所述驱动部分还包括齿轮箱(3)，所述齿轮箱(3)的输入端与伺服电机(2)通过法兰连接，输出端通过花键与主动轴(4)连接；齿轮箱(3)用于将伺服电机(2)输出的扭矩放大。
3.根据权利要求2所述船舶航行姿态控制装置，其特征在于，所述驱动部分还包括支承座组件(5)，所述支承座组件(5)与船体焊接固定，水平布置在舱室中适当位置，同时所述支承座组件(5)与齿轮箱(3)固定连接。
4.根据权利要求3所述船舶航行姿态控制装置，其特征在于，所述驱动部分还包括海水密封组件(6)，所述海水密封组件(6)设置在支承座组件(5)靠近舷外部分，用于防止海水深入舱室。
5.根据权利要求2-4中任一所述船舶航行姿态控制装置，其特征在于，所述简支部分设置在所述驱动部分所在船体对面，所述简支部分不含伺服电机(2)和齿轮箱(3)，其余结构与所述驱动部分相同。
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