ES2384363T5 - Sistema de estabilización automático antibalanceo de una embarcación - Google Patents

Sistema de estabilización automático antibalanceo de una embarcación Download PDF

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Description

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DESCRIPCION
Sistema de estabilizacion automatico antibalanceo de una embarcacion
La presente invencion se refiere a un sistema automatico antibalanceo para la estabilizacion del balanceo de una embarcacion, comprendiendo una aleta estabilizadora que puede girar alrededor de un eje, un medio sensor para detectar el movimiento de balanceo de la embarcacion, y un dispositivo de control para gobernar la rotacion de dicha aleta alrededor de dicho eje como una funcion de senales suministradas por dicho medio sensor.
Las aletas estabilizadoras tienen perfiles basicamente hidrodinamicos (similares a los perfiles rododinamicos) que se montan en una direccion transversal con respecto al casco con el fin de reducir el movimiento transversal de balanceo (rotaciones alrededor del eje longitudinal del casco) producido por la accion de las olas. El perfil hidrodinamico afectado por el flujo de agua en movimiento relativo con respecto al casco genera una fuerza de elevacion hidrodinamica que vana, entre otras cosas, como una funcion del angulo de incidencia del perfil. La aleta estabilizadora esta asociada a un dispositivo de control que vana el angulo de incidencia del perfil hidrodinamico como una funcion de senales que indican el balanceo de la embarcacion.
En soluciones tradicionales, la aleta estabilizadora esta asociada a un actuador mecanico que tiene un eje de rotacion cuyo extremo inferior sobresale del casco y esta conectado a la aleta estabilizadora. La parte superior del eje del actuador mecanico esta fijada a un balancm al que estan conectados mecanicamente dos cilindros hidraulicos. El movimiento lineal de los cilindros hidraulicos se convierte en un movimiento de rotacion del eje del actuador mecanico mediante el balancm, que tambien tiene la funcion de amplificador del par de torsion.
Un sistema tfpico de estabilizacion antibalanceo de un tipo conocido se caracteriza por los siguientes parametros operativos:
- movimiento angular de la aleta estabilizadora con respecto a su posicion central: +/- 30°;
- velocidad de accionamiento: entre 22°/s hasta un maximo de 60°/s;
- accionamiento con un par de torsion elevado y baja potencia;
-velocidad de rotacion maxima: 6-8g/1'.
El movimiento de los cilindros hidraulicos se garantiza mediante un sistema hidraulico a bordo controlado por una valvula direccional proporcional. La valvula proporcional recibe una senal de tension de +/-10 V procesada por un sistema de control electronico.
En las soluciones conocidas, el sistema de control electronico comprende un panel de control que contiene un regulador de tipo PLC. El sistema de control electronico esta asociado a un sistema de sensores para detectar movimientos de balanceo, que comprende un clinometro que mide el angulo de balanceo y un giroscopio que mide la velocidad del balanceo.
El regulador electronico procesa la senal suministrada por los sensores y genera una senal de tension que determina la abertura de la valvula proporcional. El flujo de aceite que atraviesa la valvula proporcional dirige el avance lineal de los cilindros y, por lo tanto, la rotacion del balancm. Le sigue una rotacion del eje del actuador mecanico y, por lo tanto, de la aleta estabilizadora. En correspondencia con el supuesto nuevo angulo de incidencia hay un nuevo valor de la fuerza de elevacion hidrodinamica y, por lo tanto, del momento de rectificacion generado sobre la embarcacion. Dicho momento de rectificacion tiende a compensar el momento de desestabilizacion generado por el impacto de las olas sobre la embarcacion.
El rendimiento de todo el sistema de estabilizacion se ve notablemente afectado por la respuesta dinamica de los tres siguientes subconjuntos:
- actuador mecanico y aleta estabilizadora;
- sistema de control hidraulico;
- sistema de regulacion electronico.
La respuesta dinamica del sistema de regulacion electronico es definitivamente mejor que el rendimiento requerido. Asimismo, el actuador mecanico utilizado puede arrojar buenos resultados en terminos de respuesta dinamica. El aspecto cntico del sistema es representado por el comportamiento dinamico del sistema hidraulico.
El diseno y la construccion del sistema de control hidraulico estan sujetos a numerosas limitaciones, entre ellas:
- la necesidad de utilizar elementos oleodinamicos estandares disponibles en el mercado;
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- perdidas de carga generadas por el sistema de tubos y dentro de la valvula de regulacion proporcional;
- el ruido del sistema, que limita la presion de trabajo a valores no superiores a 120-135 bares;
- baja eficiencia del sistema oleodinamico (la eficiencia entre la potencia instalada del motor y el eje del actuador mecanico es inferior al 50%);
- la necesidad de proporcionar un sistema de refrigeracion para disipar el calor generado por las perdidas de eficiencia; y
- el peso y la complejidad del sistema oleodinamico, y la dificultad de instalacion y de gestion.
Las limitaciones anteriores afectan y perjudican la respuesta dinamica del sistema de control hidraulico y, por consiguiente, todo el sistema de estabilizacion.
La mayona de los sistemas de estabilizacion utilizados actualmente conciben la opcion de estabilizacion en anclaje, esto es, con la embarcacion parada. En estas condiciones, dado que la velocidad del flujo que afecta al perfil hidrodinamico es practicamente cero, cesa el efecto amplificador de la fuerza de elevacion hidrodinamica, y el modo de control tiene meramente una naturaleza impulsora. A menudo, los movimientos de estabilizacion en anclaje se producen a una frecuencia elevada, por lo que es necesario tener un sistema de actuacion disponible con un rango dinamico alto. Esto requiere una potencia disponible superior a la utilizada en navegacion.
Para lograr una buena estabilizacion en anclaje, es indispensable poder girar la aleta estabilizadora a una alta velocidad, en el orden de 45-60°/s. Para obtener estos niveles de rendimiento, el sistema de control hidraulico debe funcionar a alta potencia y, en estas condiciones, existen altos niveles de disipacion. Se estima que la eficiencia de la transmision hidraulica en estas condiciones operativas es del 30-35%. En dichas condiciones, tambien las cargas dinamicas a las que esta sometido el actuador mecanico son altas y esto conlleva un sobredimensionamiento de la mecanica y, por lo tanto, un aumento de la inercia del sistema actuador mecanico. Esto perjudica notablemente la respuesta dinamica de todo el sistema, imposibilitando en ocasiones el uso de dicho sistema para la funcion de estabilizacion en anclaje.
El documento US-A-4926778 divulga una embarcacion de deslizamiento de alta velocidad que incluye un sistema de estabilizacion de la cabezada que cuenta con planos aerodinamicos de la cabezada variables controlados por un sistema de control.
El documento US-A-3371642 divulga un dispositivo de control de compensacion para embarcaciones que incluye un par de placas de extension hacia atras sobre la popa de la nave, que forma extensiones en la superficie inferior del mismo.
El dispositivo US-A-3020869 divulga un sistema de estabilizacion antibalanceo para buques marinos que incluye una aleta estabilizadora antibalanceo propulsada por un motor hidraulico conectado a una bomba hidraulica mediante lmeas hidraulicas.
El dispositivo GB 999 306 divulga un sistema de estabilizacion antibalanceo para buques marinos que incluye una aleta estabilizadora antibalanceo propulsada por un motor electrico.
Mas concretamente, la presente invencion se refiere a un sistema antibalanceo automatico para la estabilizacion del balanceo de una embarcacion de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1, que se conoce, por ejemplo, del documento EP 1 577 210 A1.
El objeto de la presente invencion es proporcionar un sistema antibalanceo automatico para la estabilizacion del balanceo de una embarcacion que permitira resolver los problemas anteriores.
De acuerdo con la presente invencion, este objeto se obtiene mediante el sistema antibalanceo automatico de acuerdo con la reivindicacion 1.
El sistema de regulacion electronico del sistema de acuerdo con la presente invencion es mas sencillo y, al mismo tiempo, mas flexible y potente que los sistemas electronicos utilizados para el control de los sistemas oleodinamicos.
El sistema de control electronico asociado a un motor electrico permite la creacion de nuevos algoritmos de regulacion muy sofisticados y sumamente adaptables. Este aspecto es de fundamental importancia para proporcionar un sistema de estabilizacion en anclaje sin perjudicar el sistema en su totalidad, como ocurre con las soluciones tradicionales.
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Surgiran claramente mas caractensticas y ventajas de la presente invencion en el transcurso de la descripcion detallada subsiguiente que se proporciona meramente a modo de ejemplo no limitante con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 es una vista en perspectiva esquematica de un sistema para la estabilizacion antibalanceo de la embarcacion de acuerdo con la presente invencion;
- la figura 2 es una vista en seccion transversal esquematica de acuerdo con la lmea 11-11 de la figura 1; y
- la figura 3 es una vista en perspectiva de despiece del conjunto actuador designado por la flecha III en la figura 1.
Con referencia a la figura 1, designada en conjunto con 10, existe un sistema automatico de estabilizacion antibalanceo de embarcacion. El sistema de estabilizacion 10 comprende una aleta estabilizadora12, un conjunto actuador 14 y un sistema de regulacion electronico 16.
La aleta estabilizadora12 puede girar alrededor de un eje 18 y tiene la forma ajustada a un perfil hidrodinamico. El conjunto actuador 14 esta designado para dirigir la rotacion de la aleta estabilizadora12 alrededor del eje 18.
Como se ilustra mas detalladamente en las figuras 2 y 3, el conjunto actuador 14 comprende un soporte fijo 20, dentro del cual esta apoyado de forma rotatoria un eje 22, al que esta fijada la aleta estabilizadora 12. Preferentemente, se suministran dos cojinetes conicos 24 para soportar el eje 22.
El conjunto actuador 14, de acuerdo con la presente invencion, comprende un motor electrico 26 y un motor reductor 28. El motor electrico 26 esta constituido preferentemente por un motor electrico de corriente continua de iman permanente (motor sin escobillas). El motor reductor 28 es preferentemente un motor reductor epidclico con entrada y salida separadas en 90°. El eje de entrada del reductor del motor 28 esta colocado en el eje de salida del motor electrico 26. El eje de salida del motor reductor 28 esta fijado con respecto al eje 22 que soporta la aleta estabilizadora12.
El sistema de regulacion electronico 16 comprende un medio sensor 30 para detectar los movimientos de balanceo de la embarcacion, una unidad 32 de regulacion del microprocesador y una unidad de accionamiento 34.
El medio sensor 30 comprende preferentemente al menos un sensor para detectar el angulo de balanceo y al menos un sensor para detectar la velocidad de balanceo. El sensor del angulo de balanceo puede ser un clinometro y el sensor de velocidad de balanceo puede ser un giroscopio. La unidad de regulacion del microprocesador 32 recibe los datos sobre los movimientos de balanceo de la embarcacion y procesa las senales de referencia que se enviaran a la unidad de accionamiento 34. Preferentemente, la unidad de accionamiento 34 lleva a cabo un control de la posicion angular de la aleta estabilizadora 12 mediante un codificador absoluto 36 montado sobre el eje del motor electrico 26.
El sistema de regulacion electronico 16 de acuerdo con la presente invencion permite el ajuste de la aleta estabilizadora12 de forma que resulta mucho mas sofisticado de lo que es posible con los sistemas electrohidraulicos de acuerdo con la tecnica conocida. Los reguladores PLC tradicionales solo suministran una senal de tension correspondiente a un angulo de rotacion de la aleta, desde el que se presume una fuerza de elevacion hidrodinamica generada por el perfil y, por lo tanto, un par de torsion que contrarresta el par de torsion de balanceo.
Con el sistema de regulacion 16 de acuerdo con la presente invencion, es posible llevar a cabo el control de diferentes valores de referencia del motor electrico 26, entre los que se encuentran: potencia, par de torsion, velocidad, posicion, absorcion de potencia/carga.
La lectura y control de los parametros anteriormente mencionados permiten la creacion de algoritmos de regulacion muy sofisticados y sumamente adaptables.
Gracias al hecho de que el conjunto actuador 14 presenta una dinamica elevada y proporciona respuestas satisfactorias en un amplio rango de frecuencias operativas, el sistema de regulacion electronico 16 puede crear algoritmos y leyes de control no solo como una funcion de la alteracion generada por las olas sino, especialmente, como una funcion de las respuestas reales de la embarcacion. Este aspecto es de fundamental importancia para proporcionar un sistema de estabilizacion en anclaje sin perjudicar el sistema en su totalidad, como ocurre con la tecnica conocida.
En las soluciones tradicionales con control oleodinamico, el ajuste de la aleta estabilizadora12 se basa en las leyes
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hidrodinamicas, asumiendo que la operacion real se aproxima a la calculada. Sin embargo, este enfoque desatiende una serie de fenomenos, entre los que se encuentra la interferencia entre el caso y la aleta estabilizadora, que son diffciles de evaluar con simulaciones numericas o pruebas de tanque.
Con el sistema de acuerdo con la presente invencion, es posible supervisar los parametros operativos del conjunto actuador 14 facilmente (potencia, par de torsion, velocidad, posicion, absorcion de potencia/carga). Esto permite la evaluacion del comportamiento dinamico real de la aleta estabilizadora12 y la identificacion de su dinamica. Los datos operativos reales permiten la identificacion de los perfiles hidrodinamicos utilizados y permiten las modificaciones debidas que deben realizarse.
En comparacion con la tecnica conocida, las ventajas que se derivan del uso del sistema de estabilizacion de acuerdo con la presente invencion son las siguientes:
- el conjunto actuador 14 presenta una mejor dinamica en comparacion con los actuadores de tipo mecanico;
- el coeficiente de eficiencia del dispositivo de control es mayor, y por lo tanto, se consigue una reduccion de la potencia instalada;
- se consigue una reduccion de las cargas dinamicas del actuador 14: de hecho, las cargas actuan exclusivamente en la direccion axial, y no hay conexiones mecanicas sometidas a grandes cargas dinamicas;
- se obtiene una reduccion de las cargas estructurales en el casco;
- se obtiene una reduccion drastica del ruido y, por lo tanto, un mayor confort a bordo;
- se logra una mejor dinamica del sistema de modo que sea posible obtener un regulador con mayor rendimiento tanto en navegacion como en estabilizacion en anclaje;
- la instalacion a bordo se simplifica en comparacion con las soluciones conocidas ya que no se requiere la intervencion de mano de obra especializada;
- se logra una mejor fiabilidad del sistema gracias al menor numero de componentes instalados (en el sistema oleodinamico de acuerdo con la tecnica conocida, una fuga en un conector hidraulico es suficiente para poner en peligro el funcionamiento del sistema de estabilizacion).
Las pruebas realizadas por el actual solicitante muestran que el conjunto actuador 14 con motor electrico y el motor reductor permiten un rendimiento mayor que un actuador oleodinamico de acuerdo con la tecnica conocida. Las perdidas de potencia inferior del motor electrico, ademas, permiten la variacion de las ganancias del controlador con el fin de mejorar aun mas la eficiencia del sistema. Esto permite la obtencion de un controlador adaptable que pueda pasar de una configuracion de ganancias a otra diferente, segun se requiera.
Naturalmente, sin perjuicio del principio de la invencion, los detalles de construccion y las realizaciones pueden variar ampliamente con respecto a lo que se ha descrito e ilustrado en la presente memoria, sin salir del alcance de la presente invencion como se define en las reivindicaciones subsiguientes.

Claims (3)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un sistema automatico de antibalanceo para la estabilizacion del balanceo de una embarcacion anclada, que comprende:
    - una aleta estabilizadora (12) que puede girar alrededor de un eje (18), estando configurada la aleta estabilizadora (12) para ser montada en una direccion transversal con respecto al casco de la embarcacion y teniendo un perfil hidrodinamico que, en uso, se ve afectado por el flujo de agua en movimiento relativo con respecto al casco para generar una fuerza de elevacion hidrodinamica;
    - un conjunto actuador (14), disenado para gobernar la rotacion de dicha aleta estabilizadora (12) alrededor de dicho eje (18); y
    - un sistema de regulacion (16) disenado para gobernar dicho conjunto actuador (14) como una funcion de senales que indica el balanceo de la embarcacion, comprendiendo dicho sistema de regulacion (16) un medio sensor (30), disenado para suministrar una senal que indica el balanceo de la embarcacion;
    caracterizado porque dicho conjunto actuador (14) comprende un motor electrico (26) conectado a dicha aleta estabilizadora (12) a traves de un engranaje de reduccion (28) y porque dicho sistema de regulacion esta dispuesto para llevar a cabo el control de la posicion angular de la aleta estabilizadora (12) mediante un codificador (36) asociado a dicho motor electrico (26) y comprende:
    - una unidad (32) de regulacion del microprocesador, disenada para procesar los datos sobre el balanceo de la embarcacion suministrados por dicho medio sensor (30); y
    - una unidad de accionamiento (34) para gobernar dicho motor electrico (16).
  2. 2. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque el sistema de regulacion (16) esta dispuesto para controlar uno o mas de los siguientes parametros operativos del motor electrico (26): potencia, par de torsion, velocidad, posicion, entrada de alimentacion electrica, carga.
  3. 3. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque dicho motor electrico (26) es un motor de corriente continua de iman permanente.
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