基于对摆翼的船舶推进减摇一体化装置

1.本发明涉及船舶水翼装置技术领域，具体涉及一种基于对摆翼的船舶推进减摇一体化装置。


背景技术：

2.船舶水翼装置是一种船舶运动装置，水翼在与流体相互作用下能够产生升力和推力，通过对水翼布置方案和水翼运动模式进行合理设计，此类装置能够起到船舶推进、减小船舶在波浪中的摇晃进而提高舒适性等效果。目前，船舶水翼装置在各类型船舶、水下机器人等对象上有较多的应用，但大多都只能实现推进或减摇单一功能。
3.对于现代高性能船舶而言，设备复合化、多功能化是其发展的重要方向和必然趋势。目前，一般船舶所配备的推进、减摇装置及其众多附属设备会在相当程度上占用船内货舱空间，导致设备生产、维修费用增加。因此，设计一种推进、减摇一体化装置成为当前船舶推进、减摇装置优化的研究热点，具有重要实用意义。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于针对上述现有船舶水翼装置功能单一的不足，提供一种基于对摆翼的船舶推进减摇一体化装置，它通过对船舶推进、减摇设备进行多元化组合设计，在实现船舶高效、低噪声推进的同时，综合主动及被动减摇手段以降低船舶航行中的摇荡运动，最终达到优化船舶推进方式、提高船舶在风浪中稳定性的效果。
5.本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
6.一种基于对摆翼的船舶推进减摇一体化装置，包括布置于船后的水翼模块，以及布置于船内的传动模块和动力模块；
7.所述水翼模块包括四个复合型水翼结构，分别为第一水翼、第二水翼、第三水翼、第四水翼，每个复合型水翼结构均包括水平水翼和安装于所述水平水翼表面的垂直水翼；其中，第一水翼的垂直水翼朝上，第二水翼的垂直水翼朝下，且在垂直方向上对称布置，形成左舷对摆水翼组；第三水翼的垂直水翼朝上，第四水翼的垂直水翼朝下，且在垂直方向上对称布置，形成右舷对摆水翼组；所述左舷对摆水翼组与右舷对摆水翼组沿船宽方向对称布置在船体中纵剖面两侧；
8.四个复合型水翼结构分别通过所述传动模块与所述动力模块连接，所述动力模块输出功率，所述传动模块将动力模块的旋转运动转换为沿运动滑轨的直线运动，带动各复合型水翼结构做运动周期和运动相位可调节的简谐沉浮运动；
9.船舶推进减摇一体化装置包括两种工作模式，分别为推进模式和主动减摇模式：
10.在推进模式下，左舷对摆水翼组中的第一水翼和第二水翼分别做运动周期相同、运动相位相差180
°
的垂向简谐沉浮运动；右舷对摆水翼组中的第三水翼和第四水翼的运动特征分别与第一水翼和第二水翼保持一致；
11.在主动减摇模式下：左舷对摆水翼组中的第一水翼和第二水翼分别做运动周期相
同、相位差φ≠180
°
的垂向简谐沉浮运动；右舷对摆水翼组中的第三水翼和第四水翼的运动周期分别与第一水翼和第二水翼保持一致，二者相位差为(φ+180
°
)。
12.上述方案中，所述传动模块包括与四个复合型水翼结构一一对应设置的四个传动结构，每个传动结构包括运动滑轨、运动滑块、运动连杆、凸轮、圆锥齿轮组、尾轴；所述运动滑轨竖直固定安装于船体上，所述运动滑块滑动安装于所述运动滑轨上，运动滑块内侧与复合型水翼结构的水平水翼固定连接、外侧与所述运动连杆一端铰接，运动连杆另一端与所述凸轮铰接，所述凸轮与所述圆锥齿轮组的小齿轮同轴相连，所述尾轴一端与圆锥齿轮组的大齿轮同轴相连，尾轴另一端与动力模块相连。
13.上述方案中，对于单体船，所述传动模块封装于船体尾部的流线型附体箱内；对于双体船，所述传动模块直接布置在双体船的两个片体内。
14.上述方案中，位于左舷的第一水翼和第二水翼共用一根运动滑轨，位于右舷的第三水翼和第四水翼共用一根运动滑轨。
15.上述方案中，所述动力模块布置在船体尾部，所述动力模块采用电机、柴油机或蒸汽轮机驱动。
16.上述方案中，所述复合型水翼结构的垂直水翼位于水平水翼翼宽的二分之一处，二者连接处的夹角为90度。
17.上述方案中，所述复合型水翼结构的垂直水翼与水平水翼的剖面均采用naca0012对称翼型。
18.上述方案中，船舶推进减摇一体化装置还包括传感器模块和控制系统，所述传感器模块采集包括船体航行速度、加速度、横摇周期及横摇角幅值在内的运动特征；所述控制系统用于实现船舶推进减摇一体化装置工作模式的切换和控制。
19.上述方案中，装置运行时，传感器模块采集船体航行的运动特征，当横摇角幅值大于4
°
时，或加速度大于0.15倍重力加速度g且横摇周期小于8秒时，控制系统控制装置切换运动模式，从推进模式转换为主动减摇模式。
20.本发明的有益效果在于：
21.1、本发明对船舶推进设备和减摇设备进行集成设计，提出一种船舶推进减摇一体化装置，通过推进模式和主动减摇模式两种工作方式实现船舶推进、减摇一体化，有效解决了目前因船舶推进、减摇设备附属设备众多且布置分散而造成的船内空间浪费问题，在船舶设备复合化、多功能化上取得了进展，降低了装置生产、维护的经济成本，提高了船体内部空间利用率，具有可观经济效益。
22.2、本发明设计了一种能够提高船舶推进效率同时降低船舶横摇幅值的复合型水翼结构。复合型水翼结构由水平水翼部分和垂直水翼部分组合而成，主要通过复合水翼中水平水翼部分的对摆运动产生推力和升力，实现船舶的推进和减摇功能，但与典型的对摆翼结构不同的是：一方面，复合水翼结构中垂直水翼部分在水翼表面流场中起导流作用的同时，增大了复合型水翼结构含垂直水翼一侧的水流速度，进而增大了水翼上下表面压力差，使推进器产生更大升力，提高推进器推进效率；另一方面，垂直水翼部分在船舶横摇运动过程中扰动船体周围流场，使船舶系统产生附加的横摇阻尼，加快系统能量耗散，能够有效降低船舶横摇运动幅值。
23.3、本发明的水翼模块由四个复合型水翼结构构成，控制系统在传感器模块的辅助
下，针对不同控制目标，调节船后水翼模块的运动模式，采取推进模式或主动减摇模式对水翼模块的运动进行控制，使船后水翼在自身沉浮运动和来流二者的作用下产生水动力，最终实现船舶推进和减摇。
24.4、本发明中通过设置左右两侧的两组对摆水翼组实现了对船体的主动减摇。推进减摇一体化装置根据船舶横摇运动瞬时值，对两舷水翼组的简谐沉浮运动特征进行调节，使两舷的水翼组产生周期性变化的不均衡升力，用来抵消海浪对船舶的横摇干扰力矩，进而降低船舶横摇运动幅值，通过主动控制实现船舶减摇的目的。
25.5、本发明采用了对摆水翼推进的方式，作为一种相对低频的运动，在较大速度范围内保持高水平推进效率的同时拥有优秀的空化性能，降低推进减摇设备所产生的噪音。
附图说明
26.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
27.图1是本发明基于对摆翼的船舶推进减摇一体化装置的整体布置方案示意图；
28.图2是图1所示装置的水翼模块与传动模块的局部结构示意图；
29.图3是图2所示传动模块的局部结构放大图；
30.图4是图2所示水翼模块与传动模块在单体船上的布置示意图；
31.图5是图4所示水翼模块与传动模块在单体船上的布置方案尾视图；
32.图6是图1所示装置的复合型水翼结构的立体结构图；
33.图7是图6所示复合型水翼结构的侧视图；
34.图8是图6所示复合型水翼结构的俯视图；
35.图9是图6所示复合型水翼结构的正视图。
36.图中：1、船体；
37.2、水翼模块；21、第一水翼；22、第二水翼；23、第三水翼；24、第四水翼；25、水平水翼；26、垂直水翼；
38.3、传动模块；31、运动滑轨；32、运动滑块；33、运动连杆；34、凸轮；35、圆锥齿轮组；36、固定轴；37、尾轴；38、流线型附体箱；
39.4、动力模块；
40.5、传感器模块；
41.6、控制系统。
具体实施方式
42.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
43.如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于对摆翼的船舶推进减摇一体化装置，包括布置于船体1后方的水翼模块2，以及布置于船体1上的传动模块3、动力模块4、传感器模块5和控制系统6。水翼模块2经传动模块3与动力模块4连接，在动力模块4的驱动下做运动周期、相位可调节的垂向简谐沉浮运动。控制系统6在传感器模块5的辅助下，针对不同控制目标，调节船后水翼模块2的运动模式，采取推进模式或主动减摇模式对水翼模块2的运动进行控制，使船后水翼在自身沉浮运动和来流二者的作用下产生水动力，最终实现船舶
推进和减摇。
44.如图2所示，水翼模块2包括四个复合型水翼结构，分别为第一水翼21、第二水翼22、第三水翼23、第四水翼24。参见图6-9，每个复合型水翼结构均包括水平水翼25和安装于水平水翼25表面的垂直水翼26，垂直水翼26位于水平水翼25翼宽的二分之一处，二者连接处的夹角为90度，垂直水翼26与水平水翼25的剖面均采用naca0012对称翼型。考虑到对摆翼推进器双翼间最小距离对其推进效率的关键影响，本发明中各水翼的垂直水翼26均布置在对摆水翼组的外侧，具体而言，其中，第一水翼21的垂直水翼26朝上，第二水翼22的垂直水翼26朝下，且在垂直方向上对称布置，形成左舷对摆水翼组；第三水翼23的垂直水翼26朝上，第四水翼24的垂直水翼26朝下，且在垂直方向上对称布置，形成右舷对摆水翼组。左舷对摆水翼组与右舷对摆水翼组沿船宽方向对称布置在船体中纵剖面两侧，以便抵消装置运行时单个对摆水翼组产生的侧向力和垂向力，保证装置的平衡和稳定。
45.如图2-3，传动模块3包括与四个复合型水翼结构一一对应设置的四个传动结构，每个传动结构包括运动滑轨31、运动滑块32、运动连杆33、凸轮34、圆锥齿轮组35、尾轴37。运动滑轨31竖直固定安装于船体1上，运动滑块32滑动安装于运动滑轨31上，运动滑块32内侧与复合型水翼结构的水平水翼25固定连接、外侧与运动连杆33一端铰接，运动连杆33另一端与凸轮34铰接，凸轮34与圆锥齿轮组35的小齿轮同轴相连，小齿轮通过固定轴36实现固定，尾轴37一端与圆锥齿轮组35的大齿轮同轴相连，尾轴37另一端与动力模块4相连，用于传递动力模块4产生的功率和扭矩。动力模块4工作时，通过凸轮34带动运动连杆33运动，并驱动运动滑块32沿运动滑轨31作往复的直线运动，从而带动复合型水翼结构实现垂向简谐沉浮运动。优选的，位于同一舷侧的第一水翼21和第二水翼22共用一根运动滑轨31，位于另一舷侧的第三水翼23和第四水翼24共用一根运动滑轨31。
46.如图4-5，对于单体船，传动模块3封装于船体1尾部的流线型附体箱38内。对于双体船，传动模块3直接布置在双体船的两个片体内。
47.动力模块4布置在船体1尾部，并通过传动模块3与水翼模块2构成连接，用于为推进减摇一体化装置提供动力。优选的，动力模块4采用电机、柴油机或蒸汽轮机驱动。
48.传感器模块5采集包括船体1航行速度、加速度、横摇周期及横摇角幅值在内的运动特征；控制系统6用于实现船舶推进减摇一体化装置工作模式的切换和控制。
49.本发明所述推进减摇一体化装置包括两种工作模式，分别为推进模式和主动减摇模式：
50.(1)推进模式：动力模块4输出功率，带动传动模块3运动，传动模块3将旋转运动转换为沿运动滑轨31的直线运动，带动各水翼做运动周期和运动相位可调节的简谐沉浮运动。其中，左舷对摆水翼组中的第一水翼21和第二水翼22分别做运动周期相同、运动相位相差180
°
的垂向简谐沉浮运动；右舷对摆水翼组中的第三水翼23和第四水翼24的运动特征分别与第一水翼21和第二水翼22保持一致。
51.(2)主动减摇模式：动力模块4调节功率输出，改变尾轴37转速，通过传动模块3改变各水翼的运动特征，使其分别做运动周期相同、相位不同的简谐沉浮运动。其中，左舷对摆水翼组中的第一水翼21和第二水翼22分别做运动周期相同、相位差φ≠180
°
的垂向简谐沉浮运动；右舷对摆水翼组中的第三水翼23和第四水翼24的运动周期分别与第一水翼21和第二水翼22保持一致，二者相位差为(φ+180
°
)。
52.在推进模式下，一方面，根据机翼理论，各水翼通过沉浮运动，在来流的作用下形成水动力攻角，产生沿水平方向的力可作为推力推动船舶航行；另一方面，在双翼做对摆运动的过程中，当双翼接近到一定距离时，双翼内侧的压力激增并形成水流高压区，使得内外产生压差，导致涡激升力增大，同时，垂直水翼对水翼外侧水流的加速作用也进一步扩大了双翼内外的压力差，二者的共同作用使得复合水翼结构能够产生更大的推力，此外，水流受挤压而产生变形，在一定程度上抑制了尾涡的形成并加快了其耗散速度，进一步提升了设备推进效率。
53.装置运行时，传感器模块5采集船体1航行速度、加速度、横摇周期及横摇角幅值等运动特征，当横摇角幅值大于4
°
时，或加速度大于0.15倍重力加速度g且横摇周期小于8秒时，控制系统6控制装置切换运动模式，从推进模式转换为主动减摇模式。
54.在主动减摇模式下，船体两侧对摆水翼组的运动相位差的存在使得其中某侧水翼组产生垂向升力的同时，另一侧水翼组产生大小不同的垂向升力，即两组水翼可产生方向相反的周期性变化的垂向不均衡升力，进而产生横摇恢复力矩以抵抗波浪的横摇干扰力矩。其中，横摇恢复力矩变化周期与对摆水翼组简谐沉浮运动的周期有关，因此，控制系统6根据加速度、横摇周期及横摇角幅值等反映船体1摇荡运动状态的特征参量，调节对摆水翼组简谐沉浮运动的周期和相位差来调节横摇恢复力矩的周期和幅值，实现主动减摇。
55.同时，复合型水翼结构作为船舶附体的一部分，其本身也具有一定的被动减摇功能：首先，在波浪的作用下，垂直水翼的两侧形成了压力面和吸力面，两面之间的压力差形成了复合水翼阻尼。其次，复合型水翼结构的存在改变了船体表面压力分布，产生的压力差形成了船体表面阻尼。此外，复合水翼结构也有利于增大船舶系统横摇固有周期，避开船舶横摇的临界区，避免谐摇，改善船舶横摇性能。
56.综上，本发明通过对船舶推进、减摇设备进行多元化组合设计，在实现船舶高效、低噪声推进的同时，综合主动及被动减摇手段以降低船舶航行中的摇荡运动，最终达到优化船舶推进方式、提高船舶在风浪中稳定性的效果。
57.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种基于对摆翼的船舶推进减摇一体化装置，其特征在于，包括布置于船后的水翼模块，以及布置于船内的传动模块和动力模块；所述水翼模块包括四个复合型水翼结构，分别为第一水翼、第二水翼、第三水翼、第四水翼，每个复合型水翼结构均包括水平水翼和安装于所述水平水翼表面的垂直水翼；其中，第一水翼的垂直水翼朝上，第二水翼的垂直水翼朝下，且在垂直方向上对称布置，形成左舷对摆水翼组；第三水翼的垂直水翼朝上，第四水翼的垂直水翼朝下，且在垂直方向上对称布置，形成右舷对摆水翼组；所述左舷对摆水翼组与右舷对摆水翼组沿船宽方向对称布置在船体中纵剖面两侧；四个复合型水翼结构分别通过所述传动模块与所述动力模块连接，所述动力模块输出功率，所述传动模块将动力模块的旋转运动转换为沿运动滑轨的直线运动，带动各复合型水翼结构做运动周期和运动相位可调节的简谐沉浮运动；船舶推进减摇一体化装置包括两种工作模式，分别为推进模式和主动减摇模式：在推进模式下，左舷对摆水翼组中的第一水翼和第二水翼分别做运动周期相同、运动相位相差180
°
的垂向简谐沉浮运动；右舷对摆水翼组中的第三水翼和第四水翼的运动特征分别与第一水翼和第二水翼保持一致；在主动减摇模式下：左舷对摆水翼组中的第一水翼和第二水翼分别做运动周期相同、相位差的垂向简谐沉浮运动；右舷对摆水翼组中的第三水翼和第四水翼的运动周期分别与第一水翼和第二水翼保持一致，二者相位差为2.根据权利要求1所述的基于对摆翼的船舶推进减摇一体化装置，其特征在于，所述传动模块包括与四个复合型水翼结构一一对应设置的四个传动结构，每个传动结构包括运动滑轨、运动滑块、运动连杆、凸轮、圆锥齿轮组、尾轴；所述运动滑轨竖直固定安装于船体上，所述运动滑块滑动安装于所述运动滑轨上，运动滑块内侧与复合型水翼结构的水平水翼固定连接、外侧与所述运动连杆一端铰接，运动连杆另一端与所述凸轮铰接，所述凸轮与所述圆锥齿轮组的小齿轮同轴相连，所述尾轴一端与圆锥齿轮组的大齿轮同轴相连，尾轴另一端与动力模块相连。3.根据权利要求2所述的基于对摆翼的船舶推进减摇一体化装置，其特征在于，对于单体船，所述传动模块封装于船体尾部的流线型附体箱内；对于双体船，所述传动模块直接布置在双体船的两个片体内。4.根据权利要求2所述的基于对摆翼的船舶推进减摇一体化装置，其特征在于，位于左舷的第一水翼和第二水翼共用一根运动滑轨，位于右舷的第三水翼和第四水翼共用一根运动滑轨。5.根据权利要求1所述的基于对摆翼的船舶推进减摇一体化装置，其特征在于，所述动力模块布置在船体尾部，所述动力模块采用电机、柴油机或蒸汽轮机驱动。6.根据权利要求1所述的基于对摆翼的船舶推进减摇一体化装置，其特征在于，所述复合型水翼结构的垂直水翼位于水平水翼翼宽的二分之一处，二者连接处的夹角为90度。7.根据权利要求1所述的基于对摆翼的船舶推进减摇一体化装置，其特征在于，所述复合型水翼结构的垂直水翼与水平水翼的剖面均采用naca0012对称翼型。8.根据权利要求1所述的基于对摆翼的船舶推进减摇一体化装置，其特征在于，还包括
传感器模块和控制系统，所述传感器模块采集包括船体航行速度、加速度、横摇周期及横摇角幅值在内的运动特征；所述控制系统用于实现船舶推进减摇一体化装置工作模式的切换和控制。9.根据权利要求8所述的基于对摆翼的船舶推进减摇一体化装置，其特征在于，装置运行时，传感器模块采集船体航行的运动特征，当横摇角幅值大于4
°
时，或加速度大于0.15倍重力加速度g且横摇周期小于8秒时，控制系统控制装置切换运动模式，从推进模式转换为主动减摇模式。

技术总结
本发明涉及一种基于对摆翼的船舶推进减摇一体化装置，包括水翼模块、传动模块和动力模块；水翼模块包括第一水翼、第二水翼、第三水翼、第四水翼，各水翼包括水平水翼和垂直水翼；第一水翼和第二水翼在垂直方向上对称布置形成左舷对摆水翼组；第三水翼和第四水翼在垂直方向上对称布置形成右舷对摆水翼组；两对摆水翼组对称布置在船体中纵剖面两侧；复合型水翼结构通过传动模块与动力模块连接，动力模块输出功率，传动模块将旋转运动转换为直线运动，带动各复合型水翼结构做运动周期和运动相位可调节的简谐沉浮运动，使装置改变运动状态。本发明在实现高效、低噪声推进的同时达到优化船舶推进方式、提高船舶在风浪中稳定性的效果。果。果。


技术研发人员：贺伟 李靖宇 雷杨虓宇
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.02.22
技术公布日：2023/5/30