NL2015217B1 - Actief slingerdempingssysteem voor scheepsbewegingen. - Google Patents

Abstract

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het actief dempen van scheepsbewegingen omvattende tenminste één eerste aan een zijde en onder de waterlijn van het schip uitstrekkend, roteerbaar dempingslichaam, sensormiddelen voor het detecteren van de scheepsbewegingen en het op basis hiervan afgeven van stuursignalen aan aandrijfmiddelen voor het roteerbaar aandrijven van het dempingslichaam ten behoeve van het dempen van de gedetecteerde scheepsbewegingen, alsmede verplaatsingsmiddelen omvat voor het ten opzichte van het schip verplaatsen van het dempingslichaam. Overeenkomstig de uitvinding wordt de actieve dempingsinrichting hiertoe gekenmerkt, doordat de verplaatsingsmiddelen zijn ingericht voor het opdringen van een precessie-beweging aan het tenminste ene roteerbare dempingslichaam in afhankelijkheid van de vaarsnelheid van het schip en de door de sensormiddelen afgegeven stuursignalen. Door de roterende dempingslichamen een preeesserende beweging op te dringen is het niet langer noodzakelijk om de massa van de dempingslichamen steeds van richting te laten veranderen. In plaats van, behoeft nu slecht de rotatierichting van de dempingslichamen steeds te worden omgekeerd en te worden aangepast in snelheid.

Description

Korte aanduiding: Actief slingerdempingssysteem voor scheepsbewegingen. BESCHRIJVING

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het actief dempen van scheepsbewegingen omvattende tenminste één eerste aan een zijde en onder de waterlijn van het schip uitstrekkend, roteerbaar dempingslichaam, sensormiddelen voor het detecteren van de scheepsbewegingen en het op basis hiervan afgeven van stuursignalen aan aandrijfmiddelen voor het roteerbaar aandrijven van het dempingslichaam ten behoeve van het dempen van de gedetecteerde scheepsbewegingen, alsmede verplaatsingsmiddelen omvat voor het ten opzichte van het schip verplaatsen van het dempingslichaam.

Een dergelijke actieve dempingsinrichting voor scheepsbewegingen is bijvoorbeeld bekend uit het Nederlandse octrooischrift nr. 1023921. In dit octrooischrift wordt voorgesteld om een dempingslichaam dat uit de scheepswand onder de waterlijn in het water uitsteekt uit te voeren als een cilindervormig dempingslichaam. Dit cilindervormige dempingslichaam wordt om zijn langsgerichte as geroteerd, teneinde zo te compenseren voor de slinger- of rolbewegingen die het schip bij stilliggen ondergaat. Hiertoe zijn in het schip sensormiddelen opgenomen, bijvoorbeeld hoek-, snelheids en versnellingsopnemers waarmee de (rol)hoek, snelheid dan wel versnelling van de rolbeweging worden gemeten. Op basis van deze gegevens worden stuursignalen gegenereerd, welke de rotatie van het roterend dempingslichaam regelen voor wat betreft de rotatierichting en rotatiesnelheid als ook de verplaatsing van het dempingslichaam ten opzichte van het schip.

Onder invloed van de rotatiebeweging van het dempingslichaam en het langsstromende water als gevolg van het ten opzichte van het stilliggende schip verplaatsende dempingslichaam ontstaat er een correctiekracht die haaks staat op de rotatierichting en de verplaatsingsrichting. Dit fysisch verschijnsel wordt ook wel het Magnus-effect genoemd, op basis waarvan de correctiekracht gebruikt wordt om de rolbeweging van het schip tegen te gaan. Dit op het Magnus-effect gebaseerde dempingssysteem met roterende cilindervormige dempingslichamen geeft al bij zeer lage vaarsnelheden door het water een zeer grote correctiekracht, dat als liftkracht wordt gebruikt om de rolbeweging tegen te werken.

Bij langzaam varende schepen, met snelheden rond de 3-4 knopen, is dit een ideale toepassing. Het dempingssysteem wordt echter primair toegepast bij stilliggende vaartuigen, waarbij de roterende dempingslichamen een heen en weer gaande, translerende beweging maakt ten opzichte van de scheepswand en waarbij van de relatieve snelheid van het water dat langs de translerende dempingslichamen stroomt gebruik wordt gemaakt voor het realiseren van het corrigerende Magnus-effect.

Een nadeel van het in dit octrooischrift beschreven dempingsinrichting is dat de dempingslichamen door de verplaatsingsmiddelen een heen en weer gaande, translerende beweging opgedrongen wordt ten opzichte van de scheepswand. Dit betekent, dat de verplaatsingsmiddelen steeds opnieuw omgeschakeld moeten worden voor het in de ene translatie-richting versnellen en weer vertragen van de massa van het roterende dempingslichaam en het weer in de andere, tegengestelde translatie-richting versnellen en vertragen van de massa van het roterende dempingslichaam. De massatraagheid van het systeem werkt verder nadelig voor een soepel functioneren, doordat tevens door aansturing van de aandrijfmiddelen de rotatie-richting van de dempingslichamen telkens omgedraaid dient te worden.

Deze versnelling-vertraging-en-weer-versnelling van massa vergt een behoorlijke aanslag op de energie-voorzieningen aan boord van het betreffende schip. De generatoren van de verplaatsingsmiddelen dan wel aandrijfmiddelen worden zwaar en vanwege de noodzakelijke omschakeling steeds variërend belast. Dit variëren wordt zoveel mogelijk opgevangen door, bij een hydraulische aandrijving, accumulatoren toe te passen, die de piekstromen afvlakken. Bij een directe elektrische aandrijving wordt dit moeilijker, en vereist een nog complexere en dure installatie aan boord.

De uitvinding beoogt derhalve een actieve dempingsinrichting voor scheepsbewegingen volgens bovengenoemde aanhef te verschaffen. Overeenkomstig de uitvinding wordt de actieve dempingsinrichting hiertoe gekenmerkt, doordat de verplaatsingsmiddelen zijn ingericht voor het opdringen van een precessie-beweging aan het tenminste ene roteerbare dempingslichaam in afhankelijkheid van de vaarsnelheid van het schip en de door de sensormiddelen afgegeven stuursignalen.

Hierdoor worden de constructieve nadelen van de bekende dempingsinrichtingen ondervangen. Door de dempingslichamen een precesserende beweging op te dringen is het niet langer noodzakelijk om de massa van de dempingslichamen steeds van richting te laten veranderen. In plaats van, behoeft nu slecht de rotatierichting van de dempingslichamen steeds te worden omgekeerd en te worden aangepast in snelheid. Deze massa-verplaatsing is aanzienlijk geringer, waardoor de gehele aandrijving (aandrijfmiddelen en verplaatsingsmiddelen) eenvoudiger qua constructie kan worden uitgevoerd.

Als verder voordeel van de precessie-verplaatsing draait de gehele mechanische constructie constant rond in één precessie-richting, waarbij tevens de gerealiseerde correctie-lift als gevolg van het Magnus-effect over een veel grotere tijdsduur voor de compensatie van de slingerdemping kan worden gebruikt.

Voor een optimaal functioneren van de dempingsinrichting overeenkomstig de uitvinding is de richting van de precessie-beweging tegengesteld aan de rotatie-richting van het tenminste ene roteerbare dempingslichaam. Hierdoor wordt een effectieve compensatie van de slingerdemping gerealiseerd. Echter opgemerkt wordt dat de precessie- en rotatie-richting als ook de precessie- en rotatie-snelheid onafhankelijk kunnen worden ingesteld door de verplaatsings- reps, de aandrijfmiddelen in afhankelijkheid van een gewenste effectieve demping van de slingerbeweging van het schip.

Bij een verdere uitvoeringsvorm van de dempingsinrichting overeenkomstig de uitvinding zijn de verplaatsingsmiddelen ingericht voor het instellen van de precessie-hoek van het tenminste ene roteerbare dempingslichaam ten opzichte van de scheepswand. Zodoende kan in afhankelijkheid van het slinger- of rolgedrag van het betreffende schip de compensatie ervan effectief worden ingesteld.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm is overeenkomstig de uitvinding het dempingslichaam met behulp van een draaikoppeling met het schip verbonden, zodat op een effectieve wijze een precessie-beweging aan het roterende dempingslichaam ten opzichte van het schip en door het water worden opgedrongen.

Bij een specifieke uitvoeringsvorm van het aspect van de uitvinding is het dempingslichaam in een in de scheepswand aangebrachte uitsparing onneembaar, zodat bij het varen het dempingslichaam eventueel in de scheepswand kan worden teruggeplaatst zodat de wrijving van het schip met het water tijdens varen aanzienlijk afneemt.

Optioneel kan het dempingslichaam zijn opgenomen in een, in of op de scheepswand aangebrachte, geleiding welke zich bij voorkeur althans gedeeltelijk in de lengterichting van het schip uitstrekt.

Bij een specifieke uitvoeringsvorm van een dempingsinrichting overeenkomstig de uitvinding is het tenminste ene roteerbare dempingslichaam slechts in één richting roteerbaar.

Overeenkomstig een verdere functionele uitvoeringsvorm bezit het tenminste ene roteerbare dempingslichaam een cilindervorm, terwijl bij een andere functionele uitvoeringsvorm het tenminste ene roteerbare dempingslichaam een vleugelvorm bezit.

Overeenkomstig een verdere functionele uitvoeringsvorm kunnen aan elke langszijde van het schip of aan slechts een zijde een dempingslichaam zijn aangebracht terwijl bij een andere uitvoeringsvorm twee of meer dempingslichamen aan de voorzijde van het schip is aangebracht.

De uitvinding zal aan de hand van een tekening nader worden toegelicht, welke tekening achtereenvolgens toont:

Figuren 1-4 aanzichten van actieve dempingsinrichtingen overeenkomstig de stand van de techniek;

Figuur 5a een vooraanzicht van een vaartuig voorzien van een uitvoeringsvorm van een actieve dempingsinrichting overeenkomstig de uitvinding;

Figuur 5b een bovenaanzicht van het vaartuig voorzien van de actieve dempingsinrichting uit Figuur 5a bij vaarsnelheid = 0 knopen;

Figuur 5c een vooraanzicht van het vaartuig uit Figuur 5a voorzien van twee uitvoeringsvormen van een actieve dempingsinrichting overeenkomstig de uitvinding;

Figuur 6a-6c verschillende bedrijfssituaties van de actieve dempingsinrichting uit Figuur 5a en 5b bij vaarsnelheid > 0 knopen;

Figuur 7a-7d aanzichten van een dempingslichaam van een actieve dempingsinrichting overeenkomstig de uitvinding;

Figuur 8a en 8b aanzichten van een verdere uitvoeringsvorm van een actieve dempingsinrichting overeenkomstig de uitvinding;

Figuur 8a-9e aanzichten van verschillende uitvoeringsvormen van een dempingslichaam van een actieve dempingsinrichting overeenkomstig de uitvinding;

Figuur 10 een vooraanzicht van een vaartuig voorzien van de actieve dempingsinrichting van Figuur 8a en 8b.

In de figuren 1-4 worden uitvoeringsvormen van actieve dempingsinrichtingen overeenkomstig de stand van de techniek getoond. Het stilliggende schip 1 gelegen op een wateroppervlak 3 is voorzien van een actieve dempingsinrichting weergegeven met referentiecijfers 10-11-20-10'-20'. Deze bekende actieve dempingsinrichting voor scheepsbewegingen zoals beschreven in het Nederlandse octrooischrift nr. 1023921 is opgebouwd uit een roteerbaar dempingslichaam 4a respectievelijk 4b dat ieder aan de langszijde van het schip en onder de waterlijn uit de scheepswand 2 steekt.

Hoewel niet weergegeven, is het actieve dempingssysteem volgens de stand van de techniek tevens voorzien van sensormiddelen welke de scheepsbewegingen en meer in het bijzonder de rolbeweging detecteren. Op basis hiervan worden stuursignalen afgegeven aan eveneens niet weergegeven aandrijfmiddelen, welke de dempingslichamen 4a of 4b (afhankelijk van de uit te voeren dempingscorrectie) roteerbaar aandrijven. De sensormiddelen kunnen daarbij bestaan uit hoekopnemers, snelheidsopnemers dan wel versnellings-opnemers die continu de hoek van het schip ten opzichte van de horizontale waterspiegel 3, de snelheid dan wel de versnelling als gevolg van de rolbewegingen 6 detecteren.

In de Figuur 1 wordt een uitvoeringsvorm van een bekende actieve dempingsinrichting voorzien van een stel roteerbare dempingslichamen getoond. De actieve dempingsinrichting is voorzien van verplaatsingsmiddelen welke het roteerbare dempingslichaam 4 ten opzichte van het stilliggende schip verplaatsen. Meer in het bijzonder wordt in Figuur 1 een uitvoeringsvorm geopenbaard waarbij de verplaatsingsmiddelen 10 het roteerbare dempingslichaam 4 een heen en weer gaande translatiebeweging tussen twee uiterste posities 4a en 4b opdringen, zodanig dat deze beweging tenminste een component bezit gelegen in de langsrichting van het schip. De langsrichting van het schip wordt in de figuur 1 aangeduid met de brede pijl X.

Bij de in de Figuur 1 getoonde translerende uitvoeringsvorm van de actieve dempingsinrichting (zie ook Figuur 2) wordt de translerende beweging c.q. verplaatsing van het roteerbare dempingslichaam 4 mogelijk gemaakt, doordat in de scheepswand 2 van het schip 1 een geleiding 11 is opgenomen waarlangs het dempingslichaam 4 verplaatsbaar is. Hiertoe is het roteerbare dempingslichaam 4 met zijn ene einde 4' met behulp van een draaikoppeling 12 in de geleiding 11 opgenomen zodat enerzijds een translerende beweging in de geleiding 11 alsook een roterende beweging om de lengteas 13 mogelijk is.

Hoewel schematisch weergegeven, is het roteerbare dempingslichaam 4 door middel van een draaikoppeling 12 verbonden met de aandrijf-middelen 6, welke het dempingslichaam 4 roteerbaar aandrijven ten behoeve van het dempen van de gedetecteerde scheepsbewegingen. Het samenstel van de aandrijfmiddelen 6 alsmede de draaikoppeling 12 (welke een rotatie van dempingslichaam 4 ten opzichte van de aandrijfmiddelen 6 en het schip 1 mogelijk maakt) kan bij deze uitvoeringsvorm transleren langs de geleiding 11, bijvoorbeeld door middel van een niet weergegeven tandheugeloverbrenging.

Echter ook andere translerende overbrengingsmechanismen kunnen hiervoor gebruikt worden.

De heen en weer gaande translatiebeweging tussen de uiterste posities 4a en 4b van het roteerbare dempingslichaam 4 in de geleiding 11 in de langsrichting X van het stilliggende schip 1 resulteert tezamen met de rotatie-beweging van het dempings-lichaam 4 in een reactiekracht, welke ook wel de Magnus-kracht wordt genoemd. Deze kracht is loodrecht gelegen op zowel de verplaatsingsrichting van het dempingslichaam 4 in de richting X alsook loodrecht op de rotatierichting.

Afhankelijk van de richting van de te dempen scheepsbeweging (rolbeweging) dient de rotatierichting van het dempingslichaam 4 dusdanig gekozen te worden dat de resulterende Magnus-kracht FM de door de rolbeweging op het schip uitgeoefende rolkracht FR tegenwerkt.

Dit is getoond in de Figuur 3 waarbij de translerende roteerbare dempingslichamen 4a-4b onder de waterlijn 3 en ter hoogte van het midden van het schip (zie Figuur 2) zijn opgesteld. Op overigens bekende wijze kan de richting, de snelheid alsook de versnelling van de rolbeweging worden gedetecteerd door daartoe geschikte sensormiddelen (hoekopnemer, snelheidsopnemer en versnellingsopnemer). Op basis hiervan worden stuursignalen afgegeven aan de aandrijfmiddelen 6 resp. 10. Op grond van deze signalen zullen de aandrijfmiddelen 6 het dempingslichaam 4 met een al dan niet wisselende rotatiesnelheid en -richting aandrijven, terwijl tevens de verplaatsingsmiddelen 10 het roterende dempingslichaam 4 met een zekere snelheid in de langsrichting X in de geleiding 10 zullen verplaatsen.

In Figuur 4 wordt een andere uitvoeringsvorm van een bekende actieve dempingsinrichting getoond, waarbij de verplaatsingsmiddelen (hier aangeduid met referentiecijfer 20) het dempingslichaam 4 ten opzichte van het stilliggende schip 1 een heen en weer gaande zwenkbeweging tussen twee uiterste posities 4a en 4b opdringt. Voor een goed functioneren van de actieve dempings-inrichting bij stilstaande schepen is het ook bij deze uitvoeringsvorm zoals getoond in Figuur 4 wenselijk dat de zwenkbeweging, die door de verplaatsingsmiddelen 20 aan het roteerbare dempingslichaam 4 wordt opgedrongen tenminste een verplaatsingscomponent in de langsrichting X van het schip 1 bezit.

In die opstelling en bij een geschikte regeling en aandrijving van het dempingslichaam 4 termen van rotatiesnelheid, richting en zwenksnelheid en zwenkrichting zal bij een stilstaand schip dat voor anker ligt bijvoorbeeld het Magnus-effect optreden resulterend in een Magnus-kracht FM die tenminste een krachtcomponent bezit, die naar of van het waterniveau 3 is gericht. Deze opwaartse dan wel neerwaartse krachtcomponent van de Magnus-kracht FM kan zeer effectief gebruikt worden om de rolbeweging van het stilliggende schip om zijn langgerichte as X te compenseren.

Zeer belangrijk nadeel van de thans bekende actieve dempingsinrichting die op basis van het Magnus-effect functioneren is het feit dat zij thans enkel bij stilliggende en zeer langzaam varende schepen kunnen worden ingezet. Momenteel is er nog geen dempingsinrichting op basis van het Magnus-effect voorhanden of beschikbaar dat ingezet kan worden bij snel varende schepen. Daarbij komt dat bij varen een hogere wrijvingsweerstand wordt ondervonden, die de bekende systemen ongeschikt maakt.

In figuur 5a wordt een vooraanzicht getoond van een vaartuig 1 voorzien van een eerste uitvoeringsvorm van een inrichting 100 voor het actief dempen van scheepsbewegingen. In de figuur 5a is het vaartuig 1 voorzien van de lettercombinaties BB en SB die de bakboordzijde (“bord-side”) en de stuurboordzijde (“star bord-side”) van het vaartuig aanduiden. Ook hier rust het vaartuig 1 op een wateroppervlak 3 en duidt duidt referentiecijfer 2 de scheepswand aan die onder het waterniveau 3 is gelegen, terwijl 2a de kiel aanduidt.

De inrichting 100 is deels in de scheepswand 2 van het vaartuig 1 opgenomen en bezit anderzijds een roteerbaar dempingslichaam 104 dat via een opening 2b (zie Figuur 6a-6c en 8a-8b) uit de scheepswand 2 in het water reikt. Bij deze uitvoeringsvorm is het dempingslichaam 104 uitgevoerd als een roteerbare cilinder, dat aan de langszijde van het schip en in deze figuur aan de stuurboordzijde SB van het schip onder de waterlijn 3 uit de scheepswand 2 steekt. Het roteerbare als een cilinder uitgevoerde dempingslichaam 104 is daarbij met behulp van een draaikoppeling 102 met het schip verbonden, en meer in het bijzonder verbonden met verplaatsingsmiddelen 101.

De verplaatsingsmiddelen 101 zijn ingericht voor het aandrijven van de draaikoppeling 102 om de precessie-as 103 zodat tevens aan het dempingslichaam 104 om de precessie-as 103 een precessie-beweging c.q. -verplaatsing ten opzichte van de scheepswand van het schip wordt opgedrongen. Het cilindervormig dempingslichaam 104 is met een instelbare hoek α verbonden met de draaikoppeling 102 zodat door de door de verplaatsingsmiddelen 101 om de as 103 opgedrongen rotatiebeweging aan de draaikoppeling 102 het dempingslichaam 104 een precessie-beweging uitvoert zoals getoond in figuur 5a.

De figuur 5b die een bovenaanzicht van het vaartuig 1 weergeeft laat de precessie-beweging van het roteerbare dempingslichaam 104 zien bij verschillende momentopnames (hoekmomenten) om de as 103. In de figuur 5b is de precessie-beweging getoond bij verschillende rotatiestanden van elk 45°, weergegeven door de referentie-cijfers 104a-104h. Het om de as 103 precesserend aandrijfbare dempingslichaam 104 is voorts door aandrijfmiddelen 105 die deel uitmaken van het actieve dempingssysteem 100 roteerbaar aandrijfbaar om zijn langsgerichte rotatie-as 104’.

De inrichting voor het actief dempen van scheepsbewegingen met behulp van een roteerbaar aandrijfbaar dempingslichaam dat een precessie-beweging wordt opgedrongen ingezet kan worden bij zowel een stil liggend als een langzaam varend schip.

Bij een stil liggend schip en bij een niet in bedrijf zijnde actieve dempingsinrichting overeenkomstig de uitvinding is het dempingslichaam 104 in de 0°-positie geparkeerd, zoals aangeduid met referentiecijfer 104a in figuur 5b. in deze parkeerpositie is het dempingslichaam 104 met behulp van de draaikoppeling 102 verdraaid en tegen de scheepswand 2 geplaatst en gericht naar het achtersteven (links in figuur 5b, het voorsteven van het vaartuig 1 is rechts in de figuur 5b gelegen).

Optioneel kan in de scheepswand 2 een (niet getoonde) uitsparing zijn aangebracht zodat het dempingslichaam 104 in de parkeerstand 0° (aangeduid met referentiecijfer 104a) in deze uitsparing kan worden opgenomen. Echter de uitsparing is optioneel daar hier een meer complexe aanpassing van de scheepswand 2 moet worden uitgevoerd.

Een stil liggend schip zal onder invloed van de golfslag van het water om zijn langsgerichte as een heen-en-weer gaande (van bakboord naar stuurboord en terug) rolbeweging uitvoeren. Voor het dempen van deze rolbeweging wordt het dempingslichaam 104 vanuit zijn parkeerstand 0° (referentiecijfer 104a) door de verplaatsingsmiddelen 101 om de precessie-as 103 geroteerd naar de draaipositie 104e, welke overeenkomt met een halve precessie-rotatie van 180°. Doordat het dempingslichaam 104 niet in het verlengde ligt van de as 103, maar daarentegen een hoek α met deze as 103 inneemt, ondergaat het dempingslichaam 104 tijdens de rotatie van de as 103 door de verplaatsingsmiddelen 101 een precessie-beweging.

De hoek α die het dempingslichaam 104 met de rotatie-as 103 inneemt kan door de draaikoppeling 102 worden ingesteld afhankelijk van de gewenste dempingsactie die uitgeoefend moet worden op de scheepsbeweging van het vaartuig 1. Tijdens de om de as 103 opgedrongen precessie-beweging roteert het dempingslichaam 104 tevens om zijn eigen langsgerichte as 104’ (zie figuur 5a). Deze rotatie-beweging om de eigen as 104’ wordt opgedrongen door aandrijfmiddelen 105 die deel uitmaken van het actieve dempingssysteem 100.

Het toerental of rotatiesnelheid van het roteerbare dempingslichaam 104 om zijn langsgerichte rotatie-as 104’ wordt door de aandrijfmiddelen 105 ingesteld in afhankelijkheid van de vaarsnelheid van het schip en stuursignalen afgegeven door sensormiddelen van de actieve dempingsinrichting 100, welke sensormiddelen de rolbewegingen van het schip 1 (richting, rolsnelheid en rolversnelling) detecteren.

Evenzo wordt de precessie-beweging van het dempingslichaam 104 om de precessie-as 103 ingesteld door de verplaatsingsmiddelen 101 in afhankelijkheid van de vaarsnelheid van het schip en stuursignalen afgegeven door sensormiddelen van de actieve dempingsinrichting 100, welke sensormiddelen de rolbewegingen van het schip 1 (richting, rolsnelheid en rolversnelling) detecteren.

Bij deze uitvoeringsvorm wordt ervan uit gegaan van het vaartuig stil ligt in de haven. Op basis van de afgegeven stuursignalen genereren de verplaatsingsmiddelen 101 de rotatiesnelheid van het dempingslichaam 104 om zijn rotatie-as 104’ instelt.

Als gevolg van de precessie-beweging van het dempingslichaam 104 om de precessie-as 103 en de rotatiebeweging van het dempingslichaam 104 om zijn rotatie-as 104’ wordt een zoals hiervoor in deze aanvraag reeds beschreven een correctiekracht gegenereerd, die haaks staat op de rotatierichting van het dempingslichaam 104 en ook haaks op de precessie-richting om de precessie-as 103. Op basis van dit Magnus-effect gegenereerde correctiekracht c.q. lift werkt in de tegengestelde richting van de hoekverdraaiing van het schip tijdens de rolbeweging van bijvoorbeeld stuurboord SB naar bakboord BB.

De aldus gegenereerde lift of correctiekracht (Magnus-kracht) werkt deze hoekverdraaiing constant tegen, daar deze Magnus-kracht telkens ten minste een krachtcomponent bezit, die naar of van het waterniveau 3 is gericht. Deze opwaartse dan wel neerwaartse krachtcomponent van de Magnus-kracht kan zeer effectief gebruikt worden om de rolbeweging van het stil liggende schip 1 om zijn langsgerichte as te compenseren.

Op het moment dat de rolbeweging van het schip van stuurboord SB naar bakboord BB tot stilstand is gekomen en het schip een rolbeweging ondergaat van bakboord BB naar stuurboord SB wordt de precessie-beweging van het dempingslichaam 104 voortgezet vanuit de positie aangeduid met referentiecijfer 104e in figuur 5b via de posities 104f-104g-104h naar de uitgangspositie 104a, welke overeenkomt met de precessie-verdraaiing 0° (=360°).

De precessie-beweging die het dempingslichaam 104 om de precessie-as 103 ondergaat is derhalve een continu beweging vanuit de aanvangspositie 104a via de posities 104b-104c-104d in de richting van de tussenpositie 104e (overeenkomend met de halve precessie-beweging van 180°) en verder via 104f-104g-104h terug naar de uitgangspositie 104a. De precessie-snelheid, zijnde de rotatiesnelheid om de precessie-as 103 is daarbij constant en is aangepast aan de slingerfrequentie van de rolbeweging van het schip om zijn langsgerichte as van stuurboord SB naar bakboord BB vice versa.

Afhankelijk van de rolrichting van de te dempen rolbeweging dient ook de rotatierichting van het dempingslichaam 104 om zijn rotatie-as 104’ dusdanig gekozen te worden, dat de resulterende Magnus-kracht FM (zie Figuur 3) de door de rolbeweging op het schip uitgeoefende rolkracht tegenwerkt. Zodoende dient bij de kerende rolbeweging van het schip 1 vanuit zijn maximale uitslag aan de bakboordzijde BB in de richting van de stuurboordzijde SB de rotatierichting van het in de positie 104e (overeenkomende met 180° oftewel de halve precessie-beweging) bevindende dempingslichaam 104 omgedraaid worden. Deze rotatie-richting wordt zodoende tegengesteld is aan de rotatierichting van het dempingslichaam 104 tijdens de eerste halve slag van de precessie-beweging vanuit de positie 104 via de posities 104b-104c-104d naar de 180°-positie 104e. In de positie 104e wordt derhalve de rotatierichting van het dempingslichaam 104 om zijn rotatie-as 104’ omgedraaid zodat tijdens de tweede halve precessie-beweging via de posities 104f-104g-104h naar de eindpositie 104a de aldus gegenereerde Magnus-kracht de rolbeweging van het schip van de bakboordzijde BB naar de stuurboordzijde SB tegenwerkt.

Door de dempingslichamen 104 een precesserende beweging op te dringen is het niet langer noodzakelijk om de massa van de dempingslichamen steeds van richting te laten veranderen. In plaats van, behoeft nu slecht de rotatierichting van de dempingslichamen steeds te worden omgekeerd en te worden aangepast in snelheid. Deze massa-verplaatsing is aanzienlijk geringer, waardoor de gehele aandrijving (aandrijfmiddelen 105 en verplaatsingsmiddelen 101) eenvoudiger qua constructie kan worden uitgevoerd.

Door voorts het roteerbare dempingslichaam uit te voeren uit een licht materiaal, zoals uit koolstofvezel, kan een aanzienlijke gewichtsbesparing en massa-traagheidsvermindering worden bewerkstelligd, waardoor het gehele aandrijfsysteem van de actieve slingerdempingsinrichting eenvoudiger kan worden uitgevoerd.

Hoewel in figuur 5a voor de eenvoud enkel aan de stuurboordzijde SB een dempingsinrichting 100 overeenkomstig de uitvinding is getoond is elk schip 1 bij voorkeur uitgerust met twee dempingsinrichtingen overeenkomstig de uitvinding die elk aan de bakboordzijde BB respectievelijk stuurboordzijde SB zijn opgesteld. Deze gebruikelijke uitvoeringsvorm wordt getoond in figuur 5c waarbij het aan de bakboordzijde BB aangebrachte dempingsinrichting overeenkomstig de uitvinding met het referentiecijfer 200 is aangeduid. Deze actieve dempingsinrichting 200 drijft op een identieke wijze de om zijn rotatie-as 204’ roterende en om de precessie-as 203 precesserende dempingslichaam 204 aan, echter zodanig dat het gegenereerde krachtenspel (Magnus-kracht) omgekeerd is.

Dit betekent dat tijdens de rolbeweging om de langsrichting van het schip 1 van bakboord BB naar stuurboord SB de aan stuurboordzijde SB opgestelde actieve dempingsinrichting 100 met het roterende en precesserende dempingslichaam 104 de naar beneden gerichte beweging van de stuurboordzijde SB tegenwerkt. Tegelijkertijd zal het aan de bakboordzijde BB opgestelde actieve dempingsinrichting 200 met zijn roterende en precesserende dempingslichaam 204 een soortgelijke correctiekracht genereren die de naar boven gerichte verplaatsing van de bakboordzijde BB van het vaartuig 1 tegenwerkt.

Met deze tweezijdige opstelling van een actieve dempingsinrichting aan zowel de bakboordzijde BB als aan de stuurboordzijde SB kan bij een geschikte regeling en aandrijving van de beide dempingslichamen 104 respectievelijk 204 in termen van een rotatierichting en -snelheid om hun beide rotatie-assen 104’ respectievelijk 204’ en een ingestelde hoek α respectievelijk a’ tussen de rotatie-as 1047204’ en de precessie-as 1037203’ als ook een precessie-richting en -snelheid om hun beide precessie-as 103 respectievelijk 203 bij een stilstaand schip 1 dat voor anker ligt het optredende Magnus-effect bij elk dempingslichaam 104 respectievelijk 204 resulteren in een Magnus-kracht, die ten minste een krachtcomponent bezit, die naar of van het waterniveau 3 is gericht. Deze opwaartse dan wel neerwaartse krachtcomponent van de Magnus-kracht kan zeer effectief gebruikt worden om de rolbeweging van het stil liggende schip 1 om zijn langsgerichte as te compenseren

In de figuren 6a-6b-6c wordt de uitvoeringsvorm getoond van het actieve slingerdempingssysteem zoals ook getoond in de figuren 5a-5c. Overeenkomstig de uitvinding kan aan het dempingslichaam 104 zowel een rotatiebeweging om zijn langsgerichte rotatie-as 104’ door de aandrijfmiddelen 105 als ook een precessie-beweging om de precessie-as 103 door de verplaatsingsmiddelen 101 worden opgedrongen, waarbij beide bewegingen qua richting en snelheid worden ingesteld in afhankelijkheid van de vaarsnelheid (en -richting) van het schip en stuursignalen gegenereerd door sensormiddelen die de scheepsbewegingen (rolbeweging om de langsgerichte as) van het schip 1 detecteren.

De uitvoeringsvorm zoals getoond in de figuren 5a-5b-5c is toegelicht aan de hand van de situatie waarbij het schip stil ligt (vaarsnelheid is 0 knopen).

Echter het actieve slingerdempingssysteem overeenkomstig de uitvinding is ook zeer effectief inzetbaar bij een varend schip. Deze uitvoeringsvorm van het actieve slingerdempingssysteem wordt getoond in de figuren 6a tot en met 6c. Ook hier gaan we uit van de uitgangssituatie van het actieve slingerdempingssysteem waarbij het dempingslichaam 104 zoals getoond in figuur 6a in zijn start- dan wel parkeerpositie is opgesteld. Hiertoe is het dempingslichaam 104 met behulp van de verplaatsingsmiddelen 101 (zie figuur 5a) met behulp van de draaikoppeling 102 zodanig gedraaid om de precessie-as 103 dat deze parallel aan de scheepswand 2 in de richting van het achtersteven van het schip 1 is gericht. Het dempingslichaam 104 bevindt zich dan in de 0°-positie (startpositie zoals aangeduid met referentiecijfer 104a).

Bij de hiernavolgende toelichting van deze uitvoeringsvorm van het actieve slingerdempingssysteem overeenkomstig de uitvinding wordt verondersteld dat het schip 1 zich verplaatst van links naar rechts in de figuur 6a-6b-6c. In de 0°-positie ondervindt het schip 1 tijdens vaart (van links naar rechts in de figuren) een minimale wrijvingsweerstand. Bij een zekere vaarsnelheid kan het actieve slingerdempingssysteem actief worden ingezet om met name het slingeren of rollen van het schip tijdens vaart te dempen. Hiertoe wordt het dempingslichaam 104 vanuit zijn 0°-positie 104a om zijn precessie-as 103 verdraaid naar een vaste precessiehoek van bijvoorbeeld 45°. Deze precessiepositie is getoond in figuur 6b en komt overeen met de tussenpositie 104c zoals getoond in figuur 5b.

Bij deze slingerdempingactiviteit wordt afhankelijk van de vaarsnelheid aan het dempingslichaam 104 een vaste precessiehoek opgedrongen (hier 45°). Daar bij een varend schip het dempingslichaam afhankelijk van de vaarsnelheid en de rolbeweging in een vaste precessiehoek ten opzichte van de scheepswand 2 wordt ingesteld en tevens om zijn eigen langsgerichte rotatie-as 104’ wordt geroteerd, wordt op analoge wijze als bij een stilliggend schip een Magnus-kracht gegenereerd resulterende in een liftkracht die afhankelijk van de rolbeweging een component naar of van het waterniveau 3 bezit.

Terwijl bij de uitvoeringsvorm zoals getoond in de figuren 5a-5c het Magnus-effect wordt gegenereerd bij een stil liggend schip door zowel de rotatiebeweging als de precessie-beweging van het dempingslichaam 104 (waarbij het dempingslichaam 104 door een stilstaande watermassa wordt verplaatst) wordt bij een varend schip het Magnus-effect gegenereerd door het roterende doch ten opzichte van de scheepswand stilstaande dempingslichaam 104 en de als gevolg van het varen van het schip langsstromende watermassa.

Bij de uitvoeringsvorm zoals getoond in figuur 6b waarbij het dempingslichaam 104 een vaste precessiehoek van 45° ten opzichte van de scheepswand 2 inneemt is bij een varend schip weliswaar de wrijvingsweerstand verhoogd maar is het corrigerende effect op de scheepsbeweging immer effectief. Bij de uitvoeringsvorm zoals getoond in figuur 6c is het dempingslichaam op een vaste precessiehoek van 90° (overeenkomend met de positie 104c in figuur 5b) ingesteld en staat het dempingslichaam 104 min of meer haaks op de scheepswand. Hoewel hiermee weliswaar de ondervonden wrijvingsweerstand door het langsstromende water maximaal is, is ook de door het roterende dempingslichaam 104 gegenereerde Magnus-kracht als correctiekracht voor de slinger- of rolbeweging maximaal.

Proefondervindelijk is gebleken dat deze uitvoeringsvorm effectief kan worden toegepast bij schepen met een maximale vaarsnelheid van ongeveer 14 knopen. In het bijzonder is de werking van een dergelijke actieve slingerdempingsinrichting waarbij het roterende dempingslichaam 104 onder een vaste precessiehoek ten opzichte van de scheepswand 2 wordt ingesteld zeer effectief bij zeer lage vaarsnelheden (3 tot 4 knopen).

De precessie-hoekinstelling van het roteerbare dempingslichaam 104 ten opzichte van de lengteas van het schip c.q. de scheepswand 2 van het schip wordt effectief ingesteld op basis van de door de sensormiddelen gegenereerde en eveneens aan de verplaatsingsmiddelen afgegeven stuursignalen van de sensormiddelen die de scheepsbeweging (rolbeweging) van het schip 1 detecteert als ook van de vaarsnelheid van het schip. Afhankelijk hiervan kan de precessie-hoekinstelling van het roterende dempingslichaam 104 ten opzichte van de scheepswand en de vaarinrichting dusdanig worden aangepast, zodat enerzijds de ondervonden weerstand van het stromende water langs het dempingslichaam 3 wordt geminimaliseerd en anderzijds de slingerdemping (het effectief tegenwerken van de rolbeweging) geoptimaliseerd wordt.

Dit kan allereerst worden toegelicht aan het hand van het geprojecteerde oppervlak van het roterende dempingslichaam 104, dat wil zeggen het omstroomde oppervlak dat het water langs het dempingslichaam moet afleggen. Zie de Figuren 7a-7d. Dit geprojecteerde oppervlak is het grootst indien het dempingslichaam haaks op de scheepwand staan en is afhankelijk van de hoek die het dempingslichaam maakt met het langsstromende water. Bovendien wordt door de hoekinstelling de weerstand geminimaliseerd, doordat bij een dergelijke hoekinstelling de aangestroomde doorsnede van het dempingslichaam ten opzichte van de vaarrichting niet meer cilindrisch is, maar elliptisch wordt. Hierdoor ontstaan een betere "stroomlijn" voor het langsstromende water, waardoor minder weerstand wordt ondervonden.

Daarnaast is gebleken dat door de steeds toenemende hoekinstelling ten opzichte van de vaarrichting (zie de deelfiguren 7a-7b-7c-7d) de oppervlakte van de ellipsvormige doorsnede eveneens groter wordt.

Ter illustratie laat Figuur 7 de oppervlakte-vergroting zien, die door de ellipsvorm ontstaat bij toenemende hoekinstelling. De verhouding L/D (de z.g. Aspect Ratio, zijnde de verhouding tussen de lengte en de dikte van het dempingslichaam) blijft identiek, maar het aangestroomde oppervlak bepaalt door de diameter (of doorsnede) D en de geprojecteerde lengte L-L1-L2-L3 (zie figuren 7a-7b-7c-7d) van het nu onder een hoek ingestelde dempingslichaam en derhalve de ondervonden weerstand van het dempingslichaam door het water, wordt, naarmate de hoek wordt vergroot van de deelsituaties 7a naar 7d, aanzienlijk minder.

En hoewel de effectieve geprojecteerde lengte L-L1-L2-L3 van het dempingslichaam bij een grotere hoekinstelling afneemt en dient ten gevolge ook de effectiviteit van de door dit roterende dempingslichaam gegenereerde compensatie van de slingerdemping, wordt deze afname in de effectiviteit van de slingerdemping gecorrigeerd door het vergrote ellipsvormige doorsnede (of diameter) D-D1-D2-D3 van het dempingslichaam. Deze bij een toenemende hoek eveneens grotere wordende door het water aangestroomde ellipsvormige doorsnede D-D1-D2-D3 zorgt voor een aanvullende Lift-moment ten behoeve van de slingerdemping, zodat ook bij grote hoekinstellingen het roterende dempingslichaam voldoende Magnus-effect kan genereren om de slingerdemping te corrigeren.

Ten aanzien van de toelichting hierboven zijn de in de Figuren 6b-6c getoonde hoekinstellingen van 45° en 90° ten opzichte van de vaarrichting V louter bedoeld als voorbeeld teneinde het effect op de correctie van de slingerdemping door de vergrote aangestroomde ellipsvormige doorsnede toe te lichten.

Het voordeel van deze dempingsregeling is dat de dempingsinrichting tijdens het varen, en onafhankelijk van de vaarsnelheid, altijd actief kan zijn en dat de ondervonden wrijvingsweerstand van de dempingslichamen aanzienlijk lager is dan bij een dempingsinrichting overeenkomstig de stand van de techniek, waarbij de dempingslichamen in een vaste (loodrechte) positie staan ten opzichte van de vaarrichting en dus niet continue worden aangepast.

In Figuur 8a-8e wordt een andere uitvoeringsvorm van een dempingsinrichting overeenkomstig de uitvinding getoond, welke dezelfde dempingsfunctionaliteit bezit. Om de weerstand in het water van het dempingslichaam nog verder te verminderen, is bij deze uitvoeringsvorm de vorm van het lichaam aangepast. Bij deze uitvoeringsvorm worden niet langer cilindervormige dempingslichamen ingezet, maar bezit (zoals getoond in meer detail in de Figuren 9a-9e) het dempingslichaam 114 een vleugelvorm 142a, dat bevestigd is aan een steundeel 141 van het dempingslichaam, dat op zijn beurt is verbonden met de draaikoppeling 102 (die aangedreven wordt door een aandrijfas 103 van de aandrijfmiddelen 101, zie Figuur 5).

De vleugelvorm 142 kan de vorm hebben van een ellips 142a (Figuur 9a en 9b), een driehoeksvorm 142b-142c (Figuur 9c en 9d, resulterend in het z.g. Kamm-effect) of een druppelvorm 142d (Figuur 9e) bezitten.

De dempingsinrichting overeenkomstig de uitvinding is daarbij voorzien van een adaptieve regeling, waarbij sensormiddelen zijn ingericht in het vaststellen van de momentane vaarsnelheid. Deze momentane vaarsnelheid wordt vergeleken met een referentie-vaarsnelheid, welke bepaald wordt met name het ontwerp van het schip en zijn rolgedrag op het water. De regeling is ingericht om op basis van deze vergelijking stuursignalen te genereren en af te geven aan zowel de aandrijfmiddelen, die de rotatie-snelheid van het dempingslichaam instelt, als ook aan de verplaatsingsmiddelen, die de hoekinstelling ten opzichte van de vaarrichting verzorgen.

In het bijzonder is de regeling dusdanig ingericht, dat indien de momentane vaarsnelheid van het schip kleiner is dan de referentie-vaarsnelheid de aandrijfmiddelen het dempingslichaam met een rotatie-snelheid groter dan 0 rpm aandrijven. Optioneel kunnen de verplaatsingsmiddelen het dempingslichaam onder een hoek ten opzichte van de vaarsnelheid instellen, afhankelijk van de gewenste minimalisering van de ondervonden wrijvingsweerstand in het water.

Bij hoge vaarsnelheden ondervindt het roterende dempingslichaam een te grote wrijvingsweerstand, die niet langer door een hoekinstelling kan worden geminimaliseerd. De regeling overeenkomstig de uitvinding is derhalve dusdanig ingeregeld, dat indien de momentane vaarsnelheid van het schip hoger is dan de referentie-vaarsnelheid (dat voor dat type schip, qua ontwerp en rolgedrag is gedefinieerd) de aandrijfmiddelen het dempingslichaam met een rotatie-snelheid gelijk aan 0 rpm aandrijven en de verplaatsingsmiddelen het dan niet langer roterende en in de “vaarï’-stand staande dempingslichaam het heen en weer zwenken.

Door deze aanvullende functionaliteit van de actieve dempingsinrichting kan snel en efficiënt de inrichting ingesteld worden op veranderende vaaromstandigheden, zodat telkens het schip enerzijds adequaat wordt gecorrigeerd voor haar rolbewegingen en anderzijds een zo minimale weerstand door het water ondervindt.

Bij hoge vaarsnelheden is het vleugelprofiel, waarbij het niet-roterende dempingslichaam een profiel bezit, dat in de “vaanstand” slechts een minimale weerstand genereert c.q. ondervindt, duidelijk in het voordeel. Bij lage snelheden kan het dempingslichaam uit de “vaanstand” worden gehaald, door deze een rotatie-snelheid op te dringen, waardoor de watermassa tot een virtuele cilinder wordt omgevormd, zodat hierdoor voldoende Magnus-effect wordt gegenereerd c.q. opgewekt om de rol- of slingerdemping te corrigeren.

De regeling is zodanig dat automatisch bij hogere vaarsnelheden het roteren van de dempingslichamen (door de aandrijfmiddelen) kan worden omgezet in een heen en weer gaande zwenkbeweging (door de verplaatsingsmiddelen) om de rotatie-as 104’ rondom de vaanstand, waardoor er een lift worden gegenereerd uit de zwenkende hoekverdraaiing van het dempingslichaam om zijn rotatie-as 104’ over bijvoorbeeld -20° tot +20°. De continue instelling van deze zwenkhoek wordt door de elektronica van de regeling uitgevoerd. Zie Figuur 10, waar tevens aan weerszijden van het vaartuig twee actieve slingerdempingssystemen 100 en 200 zijn opgesteld, analoog aan Figuur 5c.

In situaties waar de dempingsinrichting niet constant actief hoeft te zijn, kan de vleugelvormige roterende dempingslichaam worden geparkeerd in de vaanstand (rotatie = 0 rpm), waardoor er nauwelijks weerstand wordt ondervonden. In de vaanstand “snijdt” het dempingslichaam als het ware wrijvingsloos door het water. Zie Figuur 8b.

Claims (10)

1. Inrichting voor het actief dempen van scheepsbewegingen omvattende tenminste één eerste aan een zijde, onder de waterlijn van het schip opgesteld en uit de scheepswand strekkend, roteerbaar dempingslichaam, sensormiddelen voor het detecteren van de scheepsbewegingen en het op basis hiervan afgeven van stuursignalen, aandrijfmiddelen voor het op basis van de afgegeven stuursignalen roteerbaar aandrijven van het dempingslichaam ten behoeve van het dempen van de gedetecteerde scheepsbewegingen, alsmede verplaatsingsmiddelen voor het op basis van de afgegeven stuursignalen ten opzichte van het schip verplaatsen van het dempingslichaam, met het kenmerk, dat de verplaatsingsmiddelen zijn ingericht voor het opdringen van een precessie-beweging aan het tenminste ene roteerbare dempingslichaam in afhankelijkheid van de vaarsnelheid van het schip en de door de sensormiddelen afgegeven stuursignalen.

2. Actieve dempingsinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de richting van de precessie-beweging tegengesteld is aan de rotatie-richting van het tenminste ene roteerbare dempingslichaam.

3. Actieve dempingsinrichting volgens één of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de verplaatsingsmiddelen zijn ingericht voor het instellen van de precessie-hoek van het tenminste ene roteerbare dempingslichaam ten opzichte van de scheepswand.

4. Actieve dempingsinrichting volgens één of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het dempingslichaam met behulp van een draaikoppeling met het schip is verbonden.

5. Actieve dempingsinrichting één of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het dempingslichaam in een in de scheepswand aangebrachte uitsparing opneembaar is.

6. Actieve dempingsinrichting één of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het tenminste ene roteerbare dempingslichaam slechts in één richting roteerbaar is.

7. Actieve dempingsinrichting één of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het tenminste ene roteerbare dempingslichaam een cilindervorm bezit.

8. Actieve dempingsinrichting één of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het tenminste ene roteerbare dempingslichaam een vleugelvorm bezit.

9. Actieve dempingsinrichting volgens één of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat aan elke langszijde van het schip tenminste één dempingslichaam is aangebracht.

10. Actieve dempingsinrichting volgens één of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het stel dempingslichamen aan de voorzijde van het schip is aangebracht.