CN109941393A - 用于深v型船的带有主动式可控翼的球鼻艏及控制方法 - Google Patents
用于深v型船的带有主动式可控翼的球鼻艏及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于深V型船的带有主动式可控翼的球鼻艏及控制方法,所述球鼻艏中固定安装有舵机,在舵机左右两侧安装有齿轮,齿轮外侧与舵杆传动连接,舵杆伸出球鼻艏外与水翼固定连接,在舵杆与水翼连接处安装有轴用YX型O型圈,保证装置水密性,陀螺仪用螺钉固定安装在船舶重心处,用来监测船舶纵摇角的大小,然后把信息反馈给固定安装在陀螺仪后侧的控制器,控制器控制舵机调整水翼的攻角α,使水翼获得较大垂向运动阻尼、升力和与纵摇方向相反的力矩,改善船舶耐波性、快速性和舒适性。
Description
技术领域
本发明涉及在船艏球鼻艏处安装主动式可控水翼,具体为一种减阻减摇的主动式可控水翼。
背景技术
船舶在波浪中航行时,会发生六自由度的摇荡运动,其中纵摇、横摇、垂荡对船舶操纵性、耐波性和船员舒适性有较大影响。通过在船艏球鼻艏处安装主动式可控水翼,增大垂向运动阻尼和获得与纵摇方向相反的力矩,改善船舶耐波性,且船舶在航行中,由于水翼上下的压力差,产生向上的升力,减小了船舶阻力,提高了船舶快速性。
中国专利申请号201110439755.8,名称为“一种附有下潜体的斧型艏高速艇船型”,下潜体安装在艏柱下部位于水线下靠近龙骨位置,增大了船的垂向运动阻尼,又相对减小了船艏承受的波浪干扰力,从而减小了船在波浪中的垂向运动响应。但由于所采用的半潜体排水体积较大,使阻力增加,有效频带范围较窄,在较长波长和较短波长范围内其效果较差。
中国专利申请号201220618479.1,名称为“分体式开型可控减摇水舱结构”,水舱的数量至少设置在一个以上,当水舱产生的重力矩与波浪产生的对船作用力矩相位相反时,水舱起到减摇作用。但是减摇水舱要达到一定的容积,才能使其产生足够的复原力矩,所以使得减摇水舱在船上占据了很大的空间,减摇才能起到一定的效果。上述专利结构比较复杂,对船体改动幅度较大或对船舶性能有较大影响,且不能精准控制船舶纵摇和提高船舶快速性,与上述专利相比,本专利能弥补以上不足之处,工程实现的可行性较高。
发明内容
本发明的目的是为进一步改善船舶的快速性和耐波性性能,进而设计的一种主动式可控水翼1,该水翼1采用主动式控制的方式,实现水翼1对船舶摇荡的精准抑制。
本发明提供如下技术方案:
一种用于深V型船的带有主动式可控翼的球鼻艏,包括安置在船的船体9重心处的陀螺仪7和固定安装在陀螺仪7后方的控制器8,其特征在于,所述球鼻艏6的纵剖面为流线型,横截面为椭圆形;
所述球鼻艏6内部固定设置有舵机5,所述舵机5的左右两侧传动连接有伸出所述球鼻艏6外的舵杆3;
所述舵杆3的端部固定连接有水翼1;
所述水翼1的纵剖面为流线型剖面,且水翼1与水平面的攻角为α;
所述控制器8为ARM系列单片机,负责控制舵机5的动作,以便使得水翼1与水平面的攻角α在0°~3°范围内调节,使船在最佳的攻角α下运行;
所述陀螺仪(7)用于监测船纵摇角的大小,并把监测信息反馈给所述控制器(8)。
进一步,作为优选,所述舵机5左右两侧安装有齿轮4,且齿轮4外侧与舵杆3传动连接.
进一步,作为优选,所述舵杆3与水翼1的连接处还安装有轴用YX型O形圈2。
进一步,作为优选,所述水翼1的流线型剖面为NACA型,NACA型剖面的最大厚度位于离前缘30%剖面弦长的位置,厚度比为12%,展弦比为6。
进一步,作为优选,所述控制器8为ARM系列单片机,具体构设为,
当船处于加速航行状态时,所述控制器8通过控制舵机5使舵杆3旋转,调节水翼1的攻角ɑ到2°~3°范围内;
当船在波浪中航行时,所述控制器8通过控制舵机5使舵杆3旋转,调节水翼1的攻角ɑ,使水翼1获得较大垂向运动阻尼和与纵摇方向相反的力矩,以便减少艏部幅值与垂向运动加速度,抑制船舶纵摇、横摇和升沉的产生;
当船处于减速状态时,所述控制器8通过控制舵机5使舵杆3旋转,调节水翼1的攻角ɑ到0°。
进一步,作为优选,所述球鼻艏6的排水体积为2551.25m3
进一步,作为优选,所述球鼻艏6横截面的四分之一处,其椭圆的长轴长为13m,短轴长为11m;在其二分之一处,其椭圆的长轴长为8.5m,短轴长为6.6m;在其四分之三处,椭圆长轴长为5.5m,短轴长为3.8m。
进一步,作为优选,所述球鼻艏6采用水滴形结构。
进一步,本发明还提供了一种用于深V型船的带有主动式可控翼的球鼻艏的控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
(A)当船加速航行时,控制器8通过控制舵机5使舵杆3旋转,调节水翼1攻角ɑ至2°~3°范围内,使水翼1获得一个向上的较大升力,船的湿表面积减少,进而船阻力降低,使得船快速达到指定航速状态;
(B)当船在复杂海况下航行时,陀螺仪7通过监测纵摇角的大小,然后反馈给控制器8,控制器8通过控制舵机5使舵杆3旋转,调整水翼1的攻角ɑ,来获得抑制纵摇的纵向力矩,降低艏部运动幅值和艏部运动加速度,此时水翼1也可以减少船升沉和横摇;
(C)当船减速时,控制器8通过控制舵机5使舵杆3旋转,调节水翼1的攻角α到0°,使船的湿表面积增大进而增大船阻力,船速度降低。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、通过陀螺仪7监测船纵摇角的大小,然后控制器8通过控制舵机5使舵杆3旋转,调整水翼1的攻角ɑ,增大垂向运动阻尼和获得与纵摇方向相反的力矩,减少艏部运动幅值和艏部加速度,实现对船纵摇、横摇和升沉的精准抑制,改善其耐波性性能。
2、通过调节水翼1的变攻角ɑ,增大水翼1升力,使艏部抬升,船的湿表面积减少,降低摩擦阻力,进而船总阻力减少,节省主机消耗功率,达到节能减排的效果。
3、通过陀螺仪7监测纵摇角的大小,然后控制器8控制舵机5使舵杆3旋转,对水翼1的调整具有一定的灵活性,实现根据纵摇角的大小实时连续调整水翼1的攻角,主动式抑制纵摇。
4、在球鼻艏6处添加主动式可控水翼1,设计方便、结构简单,抑制纵摇、横摇和升沉效果明显,较大改善其耐波性和快速性,提高舒适性。
附图说明
图1是本发明深V型船三视图,(a)为主视图,(b)为俯视图,(c)为左视图;
图2是图1(a)的D—D剖视图;
图3(a)是图3(d)的A—A剖面图,(b)是图3(d)的B—B剖面图,(c)是图3(d)的C—C剖面图,(d)为球鼻艏主视图;
图中:1水翼;2轴用YX型O型圈;3舵杆;4齿轮;5舵机;6球鼻艏;7陀螺仪;8控制器;9船体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图3,本发明的目的是为进一步改善船舶的快速性和耐波性性能,进而设计的一种主动式可控水翼1,该水翼1采用主动式控制的方式,实现水翼1对船舶摇荡的精准抑制。
本发明的所述深V型船,具有如下参数:
如图1(a)、(b)、(c)所示,深V型船由于横向斜升角较大,使船在波浪中的冲击力大为减少并增大船舶横摇的阻尼,改善船舶升沉和摇艏状况,因而能明显地提高舰船的适航性、航向稳定性和操纵性。在此优势的基础上,通过在深V型船球鼻艏6处安装主动式可控水翼1,进一步改善其耐波性和快速性。
如图3(a)、(b)、(c)、(d)所示,球鼻艏6采用水滴形形式,有利于减小设计水线的进流角,可以大幅度减少兴波阻力和抑制纵摇。球鼻艏6的排水体积为2551.25m3,纵剖面为流线型,横截面为椭圆形,在其四分之一处,椭圆的长轴长为13m,短轴长为11m,在其二分之一处,椭圆的长轴长为8.5m,短轴长为6.6m,在其四分之三处,椭圆长轴长为5.5m,短轴长为3.8m。
如图1(a)、(b)、(c)所示,在球鼻艏6的左右两侧对称安装一种主动式可控水翼1,水翼1采用流线型剖面NACA型,NACA型剖面的最大厚度位于离前缘30%剖面弦长的地方,厚度比为12%,展弦比为6。
其中:b为翼宽,λ为展弦比,h为翼长,AR为翼面积,Cy为升力系数,V=2.99m/s。由船模试验测得My=71N·M,Fy=0.57N。根据有限展弦比机翼升力线理论公式(5)可得升力系数Cy=0.158,由以上公式最后可求得水翼1面积AR=2m2。
如图2、图3(a)、(b)、(c)、(d)所示,本发明的用于深V型船的带有主动式可控翼的球鼻艏,球鼻艏6采用水滴形形式,有利于减小设计水线的进流角,可以大幅度减少兴波阻力和抑制纵摇,球鼻艏6的排水体积为2551.25m3,纵剖面为流线型,横截面为椭圆形,在其四分之一处,椭圆的长轴长为13m,短轴长为11m,在其二分之一处,椭圆的长轴长为8.5m,短轴长为6.6m,在其四分之三处,椭圆长轴长为5.5m,短轴长为3.8m。球鼻艏6中固定安装有舵机5,在舵机5左右两侧安装有齿轮4,齿轮4外侧与舵杆3传动连接,舵杆3伸出球鼻艏6外固定连接有水翼1,在舵杆3与水翼1连接处安装有轴用YX型O形圈2,保证装置水密性,水翼1采用流线型剖面NACA型,NACA剖面的最大厚度位于离前缘30%剖面弦长的地方,厚度比为12%,展弦比为6。陀螺仪7用螺钉固定安装在船舶重心处,用来监测纵摇角的大小,然后把信息反馈给固定安装在陀螺仪7后方的控制器8,控制器8通过控制舵机5使舵杆3旋转,调整水翼1与水平面的攻角α,当水翼与水平面平行时为0°,使其在0°~3°范围内旋转,水翼1获得较大垂向运动阻尼和升力,减少纵摇、横摇、垂荡和提高快速性。
如图2所示,在本实施例中,所述控制器8为ARM系列单片机,具体构设为,当船处于加速航行状态时,控制器8通过控制舵机5使舵杆3旋转,调节水翼1的攻角ɑ到2°~3°范围内,由于水翼1的上下压力差,使水翼1获得向上的升力,船艏抬起湿表面积减少,进而船阻力减少,船在较短时间内加速到指定航速,快速性得到提升。
当船在波浪中航行时,陀螺仪7监测纵摇角的大小,然后把信息反馈给控制器8,控制器8通过控制舵机5使舵杆3旋转,调节水翼1的攻角ɑ,使水翼1获得较大垂向运动阻尼和与纵摇方向相反的力矩,减少艏部幅值与垂向运动加速度,抑制了船舶纵摇、横摇和升沉的产生。
当船处于减速状态时,与加速状态相同,控制器8通过控制舵机5使舵杆3旋转,调节水翼1的攻角ɑ到0°,此时,水翼1增大了船湿表面积,摩擦阻力增大,制动能力增强。
如图2、图3(a)、(b)、(c)、(d)所示,所述球鼻艏6的纵剖面为流线型,横截面为椭圆形;所述球鼻艏6内部固定设置有舵机5,所述舵机5的左右两侧传动连接设置有伸出所述球鼻艏6外的舵杆3;伸出所述球鼻艏6外的舵杆3的端部固定连接有水翼1;所述水翼1为流线型剖面,且水翼1与水平面的攻角为α;还包括控制器8,所述控制器8负责控制舵机5的动作,以便使得水翼1与水平面的攻角α在0°~3°范围内调节,以便船在最佳的攻角α下运行。
此外,本发明还提供了一种主动式可控水翼的控制方法,其采用本发明的用于深V型船的带有主动式可控翼的球鼻艏,其特征在于,包括以下步骤:
(1)当船加速航行时,控制器8通过控制舵机5使舵杆3旋转,调节水翼1的攻角ɑ至2°~3°范围内,使水翼1获得一个向上的较大升力,船的湿表面积减少,进而船阻力降低,使得船快速达到指定航速状态;
(2)当船在复杂海况下航行时,陀螺仪7通过监测纵摇角的大小,然后反馈给控制器8,控制器8通过控制舵机5使舵杆3旋转调整水翼1的攻角ɑ,来获得抑制纵摇的纵向力矩,艏部运动幅值和艏部运动加速度降低,此时水翼1也可以减少船舶升沉和横摇;
(3)当船减速时,控制器8通过控制舵机5使舵杆3旋转,调节水翼1的攻角α到0°,使船的湿表面积增大,进而增大船阻力,船速度降低。
本发明通过陀螺仪7监测船舶纵摇角的大小,然后控制器8通过控制舵机5使舵杆3旋转调整水翼1的攻角ɑ,增大垂向运动阻尼和获得与纵摇方向相反的力矩,减少艏部运动幅值和艏部加速度,实现对船舶纵摇、横摇和升沉的精准抑制,改善其耐波性性能。通过调节水翼1的攻角ɑ,增大水翼1的升力,使船艏抬升,船的湿表面积减少,摩擦阻力降低,进而船总阻力减少,节省主机消耗功率,达到节能减排的效果。通过陀螺仪7监测纵摇角的大小,控制器8通过控制舵机5使舵杆3旋转对水翼1的调整具有一定的灵活性,可实现根据纵摇角的大小实时连续调整水翼1的攻角,主动式抑制纵摇。本发明在球鼻艏6处添加主动式可控水翼1,设计方便、结构简单,抑制纵摇、横摇和升沉效果明显,较大改善其耐波性和快速性,提高舒适性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种用于深V型船的带有主动式可控翼的球鼻艏,包括安置在船的船体(9)重心处的陀螺仪(7)和固定安装在陀螺仪(7)后方的控制器(8),其特征在于,所述球鼻艏(6)的纵剖面为流线型,横截面为椭圆形;
所述球鼻艏(6)内部固定设置有舵机(5),所述舵机(5)的左右两侧传动连接有伸出所述球鼻艏(6)外的舵杆(3);
所述舵杆(3)的端部固定连接有水翼(1);
所述水翼(1)的纵剖面为流线型剖面,且水翼(1)与水平面的攻角为α;
所述控制器(8)为ARM系列单片机,负责控制舵机(5)的动作,以便使得水翼(1)与水平面的攻角α在0°~3°范围内调节,使船在最佳的攻角α下运行;
所述陀螺仪(7)用于监测船纵摇角的大小,并把监测信息反馈给所述控制器(8)。
2.根据权利要求1所述的用于深V型船的带有主动式可控翼的球鼻艏,其特征在于:所述舵机(5)左右两侧安装有齿轮(4),且齿轮(4)外侧与舵杆(3)传动连接。
3.根据权利要求1所述的用于深V型船的带有主动式可控翼的球鼻艏,其特征在于:所述舵杆(3)与水翼(1)的连接处还安装有轴用YX型O形圈(2)。
4.根据权利要求1所述的用于深V型船的带有主动式可控翼的球鼻艏,其特征在于:所述水翼(1)的流线型剖面为NACA型,NACA型剖面的最大厚度位于离前缘30%剖面弦长的位置,厚度比为12%,展弦比为6。
5.根据权利要求1所述的用于深V型船的带有主动式可控翼的球鼻艏,其特征在于:所述控制器(8)为ARM系列单片机,具体构设为,
当船处于加速航行状态时,所述控制器(8)通过控制舵机(5)使舵杆(3)旋转,调节水翼1的攻角ɑ到2°~3°范围内;
当船在波浪中航行时,所述控制器(8)通过控制舵机(5)使舵杆(3)旋转,调节水翼(1)的攻角ɑ,使水翼(1)获得较大垂向运动阻尼和与纵摇方向相反的力矩,以便减少艏部幅值与垂向运动加速度,抑制船舶纵摇、横摇和升沉的产生;
当船处于减速状态时,所述控制器(8)通过控制舵机(5)使舵杆(3)旋转,调节水翼(1)的攻角ɑ到0°。
6.根据权利要求1所述的用于深V型船的带有主动式可控翼的球鼻艏,其特征在于:所述球鼻艏(6)的排水体积为2551.25m3。
7.根据权利要求1所述的用于深V型船的带有主动式可控翼的球鼻艏,其特征在于:所述球鼻艏(6)横截面的四分之一处,其椭圆的长轴长为13m,短轴长为11m;在其二分之一处,其椭圆的长轴为8.5m,短轴长为6.6m;在其四分之三处,椭圆长轴长为5.5m,短轴长为3.8m。
8.根据权利要求1所述的用于深V型船的带有主动式可控翼的球鼻艏,其特征在于:所述球鼻艏(6)采用水滴形结构。
9.一种如权利要求1-8任意一项所述的用于深V型船的带有主动式可控翼的球鼻艏的控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
(A)当船加速航行时,控制器(8)通过控制舵机(5)使舵杆(3)旋转,调节水翼(1)攻角ɑ至2°~3°范围内,使水翼(1)获得一个向上的较大升力,船的湿表面积减少,进而船阻力降低,使得船快速达到指定航速状态;
(B)当船在复杂海况下航行时,陀螺仪(7)通过监测纵摇角的大小,然后反馈给控制器(8),控制器(8)通过控制舵机(5)使舵杆(3)旋转,调整水翼(1)的攻角ɑ,来获得抑制纵摇的纵向力矩,降低艏部运动幅值和艏部运动加速度,此时水翼(1)也可以减少船升沉和横摇;
(C)当船减速时,控制器(8)通过控制舵机(5)使舵杆(3)旋转,调节水翼(1)的攻角α到0°,使船的湿表面积增大进而增大船阻力,船速度降低。
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