用于船只主动和被动稳定的系统和方法

专利名称：用于船只主动和被动稳定的系统和方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的导言的用于船只主动和被动稳定的系统。本发明还 涉及借助权利要求12和19所述的系统用于船只主动和被动稳定的方法。
背景技术：
当今，大多数船只并不设置有主动稳定，尽管对于与固定装置一起工作的船只而 言这是期望的，并且这至今仍被视为是自然的事情以及被认为是理所当然。当船只不具 有这个特征时，在恶劣天气及不利的波浪条件下，船只之间必须间隔一段距离，等待天气转 变。即便当天气条件较好且船只的运动较小时，它们也很容易受波浪运动的攻击且完全任 由它们摆布。不仅是诸如轮船或艇的船只，而且钻塔、平台、起重机等都会大大受益于主动 稳定。没有用于主动稳定的合适系统的船只可以比作是没有减震器的汽车，没有减震器的 汽车在路面安全方面将是不可想象的。众所周知，海船受波浪运动和其它静载荷的影响。从尤其是从现有专利文献中可以看出，使用在底部开口的容器特别是对于石油钻 塔而言是公知的。这些容器的作用在于其顶部具有可调节的阀，该可调节的阀通向大气。因 为钻塔在外海中经历的静态运动，所以容器中海水的填充比可被调节为补偿和减少所述运动。目前被用于避免摇晃的其它系统是稳定容器和抗倾斜泵，尽管在这些情形下无法 使用船只的一大部分的承载容量。另外，船只容易受到无任何控制变化可能性的恒定载荷， 例如，在吃水深度中。该抗倾斜泵是主动泵系统，但是与期望的容量相比，其容量经常是不 足的。在这样的现有技术系统中存在极大的问题，当流体从一个满的容器被泵送到另一 个容器中时，有效地使得每个都是半满压载的两个容器具有自由流体表面。在稳定性方面， 这是危险的情形。现有技术系统的另一个问题是，仅仅只有一个阀用来关闭容器之间的流 体流动，这导致系统不稳定，尤其是当阀被锁定在打开位置时，在这种情况下这两个容器中 的流体可在两个容器之间从右舷到左舷自由流动。GB2091192A公开了一种船只，其设置有用于稳定的容器。这些容器在底部具有开 口，并且这些容器用于主动和被动稳定。GB2 091192A的主要缺陷在于，在低压(1/4到3/4 巴)和高压(3到7巴)下仅仅压缩空气和存储容器用于主动和被动稳定，这意味着压载容 器中液位的所有变化必定发生在水平面下，并且只有压载容器中的浮力可发生变化。这也 意味着只能获得有限的压载体积。通常，执行锚定操作的船只设置有大量的机械装置并且具有高的柴油消耗，使得 计划的操作要比预期花费更长的时间，并且因为柴油容器被逐步清空而将导致稳定性下 降。现有的带有稳定容器的船只在出现临界情形时容易损坏，该临界情形为例如电源 故障或者类似的情形，在这种情况下，船只可能无法传递压载。
当船只被要求执行牵引操作时，这靠舵的偏移而改变方向来完成，其结果是载荷 可以非常快速地从右舷移动到左舷，并且采用现有的系统不能够足够迅速地传递稳定。在与拖曳操作的连接中，具有重量的长牵引绳索用在牵引船只和被牵引的对象之 间。由于波浪阻力的恒定变化将减少牵引绳索的张力的变化。在每个波浪后，船只必须加 速以在船只撞击波浪之前恢复船只的速率。这个波浪阻力能够减少得越多，那么对于计划 的操作而言就越经济。通常，不仅在经济性方面，还在NOx排放方面，都非常期望减少环境对船只的影 响。这将形成更好的环境和更少的污染——当今社会的重要主题。与运动相关的主动稳定性的缺乏还影响一定量的手动工作必须得要人来完成的 所有船只。渔船就是这种船只的一个例子，在抓捕鱼和处理鱼的过程中执行很多手动作业， 结果可能导致相当大的损坏。意外事件和正常操作之间的稳定速度可能是不同的。极为期 望的是能更迅速地稳定船只和补偿影响船只的力的系统。很多船只被设计成穿过用于航道或者浅水的某种锁定系统，并且这些船只被设计 成始终具有低的吃水深度，这可能会导致稳定性问题。破冰船是另一种类型的船只，其具有与破冰特性相关的特殊船体设计。这些船只 必须承载大量的必须从船尾传递至船头的压载，这可能会产生不可控制的情形。压载的运 动始终会对所有的海船产生不可控制的影响。由于外海的情况要求船只进行养护，所以世界上的大量船只处于待用状态。这可 导致多余的污染和多余的成本，因为船只必须空转而处于待用状态。因此非常期望的是，船 只应当能够在比现有船只情况更糟糕的条件下操作，同时要确保船只和全体人员的安全。此外，对于具有直升机甲板的船只而言，还将需要改进的稳定性和对竖直运动的 补偿，这是因为当船只的运动太大时直升机将不能着陆。从而显而易见的是，对于大多数的船只而言，船只需要具有比现今情形更迅速和 主动的稳定。目前，船只还缺乏被动稳定。

发明内容
本发明的主要目的在于提供用于船只主动和被动稳定的系统和方法，特别是控制 受到波浪影响的所有漂浮船只/驳船以及钻塔/平台的竖直运动、载荷/压载和起重机工 作的平移或运动。本发明的另一目的在于减少影响现今船只的最大运动，即减少颠簸、摇晃和拖拉 (draught)0本发明的另一目的在于能够尽可能恒定地保持船只和海底之间的距离。本发明的最后一个目的在于所述系统和方法应当提高或者彻底消除现有技术系 统的上述缺点，并且提高所有人员和在海上环境中操作的船只的安全，该船只设置有根据 本发明的系统和方法。权利要求1中说明了根据本发明的用于船只主动和被动稳定的系统，所述船只为 例如轮船、艇、钻塔、驳船、平台和在海上环境中操作的起重机。权利要求2-11中说明了该 系统的优选特征。权利要求12中说明了根据本发明的借助根据本发明的系统用于船只主动稳定的方法，所述船只为例如轮船、艇、钻塔、驳船、平台和在海上环境中操作的起重机。权利要求 13-18中说明了该方法的优选特征。权利要求19中说明了根据本发明的借助根据本发明的系统用于船只被动稳定的 方法，所述船只为例如轮船、艇、钻塔、驳船、平台和在海上环境中操作的起重机。权利要求 20-23中说明了该方法的优选特征。将要涉及的和根据本发明进行控制的所有漂浮对象在下文中指的是船只。根据本发明的系统主要包括容器；用于向容器供应流体和从容器中去除流体的 装置；以及基于船只的运动信息和环境对船只的影响来控制所述用于向容器供应流体和从 容器中去除流体的装置的控制系统。使用根据本发明的系统和方法的船只在合适的位置上 有利地设置/设计有合适的容器，该容器在底部具有开口，该开口大到使得足够体积的流 体能够经过而在容器的开口中没有空穴或其它阻碍。容器优选地先对于海平面还具有足够的高度，使得足够体积的流体能够补偿在船 只颠簸、摇晃和拖拉上产生变化的浮力。在容器的上部处，设置有用于向容器供应流体和从 容器中去除流体的装置，例如真空压缩机和类似装置，所述装置用来控制容器中流体表面 上方的压力/真空，这样可以在任何时候提升容器中的液位以便提供期望的压载或者降低 该液位以便提供用于船只的浮力。控制系统控制容器中的流体体积，使得液位变化为补偿 影响船只导致竖直运动的力，海洋对船只的运动和其它影响船只的成分/载荷。在传统的船只中，通常借助容器中漂浮流体的排水量来补偿摇晃、颠簸和拖拉运 动，流体量为船只排水量的一部分。如上所述，这是“闭合的”系统，因为这些系统由于可获 得的总流体体积和泵容量的限制而在可接受的时间内不能提供足够的压载/浮力，所以尤 其在故障的情况下可能导致稳定性问题。此外，因为流体体积为船只排水量的一部分，所以 减小了船只的总载荷容量。借助本发明，容器基本上不包括任何流体量，但是将通过系统的操作仅仅在需要 时提供流体。这样，船只将具有最大载荷容量。因为该系统利用其所漂浮的介质来提供用 于船只的压载，所以这导致在流体体积方面没有限制，只要容器适合于船只并且设置在船 只的合适位置处。当容器对船只所漂浮的介质开口时，船只将能够利用这整个介质作为流 体供应。如上所述，根据本发明的系统包括用于控制容器中的压载/浮力的控制系统，该 控制系统将接收来自不同来源的有关容器任意时刻的状态的信息和船只的运动信息。例 如，在一个实施例中，船只的运动信息由MRU (运动基准单元)和VRU (竖直基准单元)提供， MRU和VRU提供船只的竖直运动信息和类似信息，即摇晃、颠簸和拖拉基准。在此处还将有 利地具有例如陀螺减摇装置。在近海工业中，大多数船只都设置有DP系统。DP——动态定 位一基本上是通过利用船只自身的推进器和螺旋桨，用于将轮船和半潜水装置保持在海 床之上相同的水平位置、维持相同的方向和维持相对于另外的船只和漂浮结构相同的位置 而不使用锚的方法。DP系统包括用于在变化实际发生之前预测该变化的装置，以便补偿船 只周围的环境变化，从而确保稳定的操作。如果船只设置有DP系统，那么根据本发明的控 制系统可以利用来自该DP系统的有关船只运动的信息。根据本发明的用于主动稳定的方法可以概括为以下步骤1.从MRU和/或VRU和/或DP系统或类似装置获取船只的运动信息，其提供船只的运动信息，2.获取系统的容器的状态信息，3.基于来自步骤1和2的信息，借助根据本发明的控制系统计算用于不同容器的 填充比，即是需要供应真空还是压力，其中仅仅在容器的液位低于船只所漂浮的液位时供 应压力，4.提供用于基于步骤3中的计算利用设定来控制容器中的真空/压力的装置，5.借助用于控制容器中流体体积的装置向容器供应压力和/或真空，直到用于容 器状态信息的装置响应根据本发明的控制系统，获得期望的压力和/或真空，6.重复步骤1-5。除了获取船只的运动信息之外，步骤1和/或2还包括获取波浪高度和频率的信 息，该信息借助合适的装置来获取，该合适的装置为诸如波浪刻度和/或压力传感器和/或 雷达和/或激光或类似装置，该装置优选地沿着船只的侧面设置，以便提供波浪高度和频
率的信息。波浪刻度基于水准管，该水准管优选地沿着船只侧面沿竖直方向设置。水准管的 下部处的基准点是船只的水平吃水差。通过在各个水准管中设置液位传感器，在各个水准 管处可以读出该基准点处的波浪高度。为了通过这种原理来指示波浪方向，必须使用最少 三个传感器。假如在每个波浪频率中具有最少三个传感器管，那么将能够读出波浪方向。通 过校准和同步船只的右舷侧、左舷侧和前部之间的各个单独传感器的水准，可以在任意时 刻获得影响船只的波浪的实际方向。 该原理还可以用来计算影响船只的相对于竖直运动的船体运动的变化流体体积/ 排水量，例如LCB-浮力的纵向中心、VCB-浮力的竖直中心以及LCF-漂浮的纵向中心。该系统还可以用作用于设置有根据本发明的系统的船只的被动稳定。为了执行被 动稳定，用于向容器供应流体和从容器中去除流体的装置包括设置到各个容器上的可控制 的阀。当船只顺潮行驶并且已经计算了容器顶部处的受控空气流时，容器将根据海洋的影 响进行填充。当船只随后在容器中具有最大填充时，船只将在正被讨论的点处具有最大吃 水深度。当船只由于船体的形状和浮力而开始上升时，关闭对容器的空气流，使得船只被加 重而防止船只上升。但是这个加重应当在船只达到其最上侧位置时分散。这是通过打开对 容器的空气流而实现的，并且流体立即消失。如果接下来查看船头中的容器，那么船头内的填充比应当遵循在波浪的影响下获 得的海平面，从而在容器填充有流体时减小船头中的浮力。当外侧的波浪经过船头的后端 时，波浪将会影响船体，增大浮力，当时当波浪经过船头时，船头中的流体体积将减小船头 后方的船体上的波浪浮力。当船只由于波浪经过船头而开始损失浮力时，期望减小船头的 容器中的流体体积，结果去除了船头的容器中的真空，然后容器将流体分散，分散的流体在 波浪经过船头时用作平衡物。当下一个波浪撞击船头时，船头的容器再次准备填充流体，使 得填充比开始适应于实际的波浪的高度。根据本发明的用于被动稳定的一种方法可以概括为以下步骤1.从MRU和/或VRU和/或DP系统或类似装置获取船只的运动信息，该信息提供 船只的运动信息，2.获取系统的容器的状态信息，
3.基于来自步骤1和2的信息，计算容器是应当具有减小的浮力还是增大的浮力，4.在期望减小浮力时打开阀和/或在期望增大浮力时关闭阀。除了获取船只的运动信息之外，步骤1和/或2还可以优选地包括获取波浪高度 和频率的信息，该信息通过诸如压力传感器、雷达和/或激光和/或波浪刻度或类似装置的 合适装置来获取，该合适装置优选地沿着船只的侧面设置，以便提供波浪高度和频率的信 肩、ο借助根据本发明的系统和方法，通过船只的被动或主动稳定，或者通过船只被动 或主动稳定的组合，可以根据相对于在环境中即将到来的变化所期望的来向船只提供压载 和/或浮力，以这种方式补偿这些变化，尤其时竖直运动。根据本发明的系统和方法能够在不同的条件下工作，例如1.在航行期间颠簸的减小，这提供了燃料降低效果、用于船只和人员的安全效果 以及用于乘客和船员的增强的舒适性，2.颠簸和摇晃的减小，这提供了与第1点相同的优点，并且提供了在船上或与另 外的装置或船只一道的安全工作，3.颠簸、摇晃的减小以及拖拉的控制，这提供了与第1点和第2点相同的优点，并
且与海底装置一起工作，4.拖拉的控制，这可以用在不同的方法中，或者用于执行诸如运输、装载/卸载轮 船的潜水船只，其在码头周围操作，在码头周围低潮位和高潮位可能使装载/卸载变得复
ο根据本发明的系统将不具有现有技术系统中遇到的任何上述问题，这是因为容器 可以彼此独立地工作，这形成稳定的系统，出现错误和危险情形的可能性很小，错误和危险 情形为例如由于流体体积限制而产生的不稳定性或缺乏提供压载的容量。因为传统的泵不 能够提供与根据本发明的系统相同的容量，所以与现有系统相比还能够更快速地提供稳定 性。因为船只可以补偿诸如波浪的力度比原先更大的环境变化的影响，所以该系统还 将使得船只能够经受住不利的天气和波浪条件。将用于主动稳定的总体积可以在极端波浪 和/或载荷条件下用来增大船只的浮力。即使船只在加载条件下通常处于水中低的位置， 这也能通过利用借助不使用具有流体的容器而已经获得的浮力体积来改变。这将使得能量 成本减小，这是因为船只能够更好地经受住波浪的影响，从而能够比仅仅使用推进器和螺 旋桨所能获得的更好地保持其位置。这样，船只将能够通过更少地使用推进器和螺旋桨而 减小能量消耗。在船只设置有DP系统的情况下，其通过高高地位于船只转向点(turning point) 上方的天线来接收来自卫星的有关其实际位置的信号，对于船只的摇晃和颠簸，这个位置 将相对于船只的实际位置变化几米。如果船只倾斜至右舷侧，那么船只的位置将显示为到 右舷的米数，对应于船只转向点的中心点和竖直地至接收器天线之间的长度差。然后，推进 器和/或螺旋桨将尽力防止这种位置的变化，并且将船只向左舷侧移动在米数上相应的距 离。如果有规律的出现这种运动，那么DP系统可以通过其“学习功能”对此进行补偿。DP 系统通常对每个定位使用大约20分钟来建立风、波浪、水流等中的变化的模式。如果船只 设置有根据本发明的系统，那么可以显著地减小这种错误余量。采用本发明的另一个优点(在进一步的说明中没有受到很多的注意)在于，根据本发明的系统具有改变DP学习模式 的可能性。在一种情形中，使用主动稳定，并且DP学习系统认为波浪、水流和风是取决于此 的，在下一个情形中，该系统关闭，并且波浪相对于船只呈现为是不同的。从而，通过获取来 自本发明的系统中的不同传感器的信息，DP系统能够更快速地更新变化，使得天气和/或 操作条件中的快速变化可以被快速且精确地更新。除了上述说明，本发明还可以用来改变船只的吃水深度，而不是必须在浅水中操 作的船只总是具有太小的吃水深度。利用根据本发明的主动和被动稳定还可以基本上减小NOx排放。在船只经受运动 的情况下，这尤其受柴油发动机影响，其中柴油机输出的变化持续地改变船只所经历的载 荷的处理。对其活性的阻碍的变化越大，柴油发动机中获得燃烧越不充分。这还可以与最大 速度的减小相比较，例如从15节减至14节，使得在几乎相同的时间覆盖最终的航行距离， 但是具有显著的经济获利。本发明还确保与现有船只相比具有增大的稳定性。从已知的轮船意外事故中可以 知道，由于例如动力故障而不能执行压载的移动。如果船只已经设置有根据泵发明的系统， 那么因为稳定容器中的载荷将仅仅流出，所以在动力故障的情形下不会对船只有影响。如 果该系统此外还设置有紧急情况备用系统，那么这可以操纵阀，以便即使出现动力故障时 也能获得稳定。此外，旅游客轮将从本发明中极大地获利，因为其可以使用该系统来减小航行期 间的颠簸，这将导致较低的燃料消耗和为晕船的乘客提供更好的舒适性。这还可以减少航 行的延误，并且防止部分路线被缩短。如果该系统用在破冰船上，那么将确保为破冰船在航行期间提供更好的稳定性， 其中破冰船具有特别形成的用于破冰的船体，这导致具有比普通轮船差的航行特性。代替 具有大量压载水以便将压载从船尾泵送至船头的是，船只可以具有通常设计的船尾，并且 借助真空而不是泵来将海水吸入到船尾和船头。代替将流体从船尾传递至船头的是，船只 仍然具有总压载重量，但是通过直接从海洋吸取重量和直接将重量排到海洋中，可以快速 地改变该重量。船只在爬到冰上时可以较轻，并且在有破冰问题时快速地增大重量。借助本发明，可以执行手动作业的所有船只能够获得更好的稳定性，产生较少的 竖直运动，而产生较好的工作条件，从而还产生较少的意外事故。借助本发明，因为船只具有比现有技术获得的竖直运动少的竖直运动，所以起重 机和钻塔将需要较少的举起补偿，使得在海洋中进行更加快速和精确的操作。上述例子显示了使用范围广，并且根据本发明的系统具有许多的可能性。在焦点 集中于环境的当今社会中，应当理解，所有使用本发明的船只将节省燃料，从而具有较低的 排放。显然，所有的船只必须在理论上具有当前应用的稳定性需求，并且本发明应用于 除此之外的应用中。还明显的是，该系统可以是手动的和/或自动的，具有根据需要设定吃水差的可 能性。在某些情况下，对于船只而言足以具有仅仅填充的稳定性容器，以便增大船只的总重 量。如果船只没有航行，这可以足以用于某些作业。对于各种情形，船只的吃水深度和重量 可以调节至有利的操作情形，并且可以快速地进行变化。在当今的航行情形下，经常发生的是，船只在糟糕的航行天气期间具有额外的压载，但是即使天气变好了，航行仍然以与糟糕 天气相同的压载继续进行。从以下的说明中将会呈现进一步的细节。


以下将参考附图详细地说明本发明，其中图Ia和图Ib示出了船只处于一种状态的例子，分别是从侧面和上面看的横截面，图2a和图2b示出了图Ia和图Ib的船只处于另一种状态，图3是图la-b和图2_b的船只处于第三状态的横截面图，穿过图la_b和图2_b 的船只的中间部分，图4a_b示出了在船只侧面设置有传感器装置的船只，图5a和图5b示出了系统如何能够利用单独波浪的例子，以及图6a和图6b示出了在容器的开口中使用固定推进器的例子。
具体实施例方式图Ia和图Ib示出了船只10的例子，其设置有根据本发明的系统。该系统包括例 如四个容器lla-d，所述容器设置在所述船只10中的合适位置处，举例来说，一个容器Ila 设置在船只10的前部，两个容器lib和Ilc设置在船只10中部的各侧，一个容器IOd设置 在船只10的后部。这样，借助容器lla-d，船只将能够抵消环境的影响，例如撞击船只侧面 或横向的波浪，或者这两者的组合。关于在船只所漂浮的液位(例如海平面)之上的尺寸(体积)、形状和高度方面， 每个容器lla-d都适应于现行的船只10，容器在底部设置有开口 12a_d。开口 12a_d足够 大，以便足够体积的流体通过，而不会在容器的开口中形成空穴或其它阻碍。由于流体中真空的物理定则以及为了防止真空使流体蒸发而不是提供升高，容器 lla-d中的流体的高度将会有大约8米的限制。容器中所需的真空越高，在经济/能量方面 就越不利。容器lla-d具有的表面越大，获得高填充所要求的能量需求就越少。至于船只， 在任何情况下，船只前部的容器都高于船只中部的容器，这是因为在航行时，波浪对在船只 前部的变化所起的作用大于对在船只中部的变化所起的作用。容器lla-d的位置取决于使用的是哪一种船只10以及对于船只10而言所期望的 特性。被操作为避免颠簸和摇晃的容器lla-d在设置该容器的船体的外部点处更向外时最 有效，同时，被操作为控制船只吃水深度的容器lla-d最有利地设置在船只10的中央。开口 12a_d在船只中设置得越靠下，容器lla-d中真空/压力的控制就将越稳定。此外，容器lla-d设置有用于控制容器中流体体积的装置13a_d，所述装置13a_d 优选地为真空压缩机或类似的装置，所述装置13a_d用来控制流体表面的压力/真空，从而 在船只处于不同位置时以这样的方式来降低或提升容器lla-d中的液位，以便相应地提供 浮力或压载。装置13a_d优选地设置在容器lla-d外侧，以便易于进行维护。在情况允许 时，容器lla-d还可以通过向容器lla-d的上部供应大气压力来清空流体，这样，不需要输 入动力来清空容器lla-d。为了控制该系统并且提供容器lla-d的状态信息，容器lla-d还设置有测量装置(未示出)，例如压力传感器/计量器、浮子、压力脉冲或类似装置，以便为控制系统提供容 器lla-d的状态信息。如上所述，系统还包括控制系统，该控制系统设有软件/算法和/或被编程为用于 控制装置13a_d，该装置13a_d用于相对于船只10的将来运动尤其是竖直运动来控制容器 lla-d中的液位，其中该将来运动可以分为摇晃、颠簸和拖拉。控制系统将在任意时刻接收来自传达容器状态的装置的信息以及船只运动的信 息。在一个实施例中，船只的运动信息可以优选地利用陀螺减摇装置或提供船只竖直运动 信息的类似装置由MRU (运动基准单元)和VRU (竖直基准单元)提供。如果船只装备有DP 系统，那么可以为控制系统提供来自于DP系统的直接输入。此外，船只优选地设置有传感器装置14 (参见图4a和4b)，例如压力传感器、雷达 以及/或者激光和/或波浪刻度或类似装置，该装置14优选地沿着船只的侧面设置，以便 提供波浪高度和频率的信息。在所示的例子中，装置14为波浪刻度的形式。波浪刻度基于 水准管，该水准管优选地沿着船只侧面竖直地设置。水准管的下部处的基准点是船只的水 平吃水差。通过在各个水准管中设置液位传感器，在各个水准管的该点处可以读出波浪高 度。为了通过这种原理来指示波浪方向，必须使用最少三个传感器。假如在每个波浪频率 中具有最少三个传感器管，那么将能够很快读出波浪方向。通过校准和同步船只的右舷侧、 左舷侧和前部之间的各个传感器的水准，可以在任意时刻确定任意时刻影响船只的波浪的 实际方向。该原理还可以用来计算影响船只的相对于竖直运动的船体运动的变化流体体积 /排水量，例如LCB-浮力的纵向中心、VCB-浮力的竖直中心以及LCF-漂浮的纵向中心。这样，可以向控制系统提供信息，该信息用于提供波浪频率的画面、波浪的方向以 及由波浪产生的总体变化浮力。该信息提供了在船只开始做出响应之前预测波浪的影响的 可能性。来自传感器装置14的信息优选地由单独的单元15监测，该单独的单元15为控制
装置提供信息。控制系统处理接收到的信息，然后计算用于装置13a_d的设定，接下来，装置 13a-d设定实际容器lla-d中的正确压力和/或真空。设置有根据本发明的系统的船只10将能够更好地抵消船只周围环境的影响，例 如波浪和其它影响船只的外在因素。与单纯通过使用现有船只中普通的螺旋桨和推进器相 比，船只还将能够更好地维持其位置。这还将导致降低能量成本，因为当船只将受到船只周 围的环境(例如波浪)影响的程度较小时像这样的系统比使用推进器和螺旋桨的系统需要 更少的能源。例如，对于设置有DP系统的近海船只而言，是DP系统将船只保持就位，而根 据本发明的系统抵消主要涉及竖直运动的来自船只环境的影响，例如波浪的影响。图la-b示出了波浪如何以力F成弓形地沿侧面撞击停泊就位的船只10的例子， 例如，船只停泊在相对于另一个船只或另外的近海装置(未示出)的位置上。从例如船只 运动的DP系统的计算或来自MRU和VRU的信息，以及来自容器中测量装置和沿着船只侧面 的传感器装置的信息中，根据本发明的控制系统计算不同容器lla-d中的填充比，该填充 比是船只尽可能小地受到波浪的影响所必需的。在这个例子中，这导致控制系统基于给定 的参数向装置13a_d发送关于不同容器lla-d中的填充比的控制信号。为了经受住波浪提 供的浮力，例如，容器lla-c填充100%，而在船只10的船尾端的容器Ild将不会被波浪影响到相同的程度，并且仅仅填充10%。从而，该系统可以提供在船只前部的必要压载，以便 维持船只10的竖直位置，也就是，例如维持相同的方向、对海床的相同距离或者相对于近 海装置的相同距离。作为图示的例子，可以认为，船只10必须在其前部具有容纳200m3压 载的容器11a，以便补偿3米的波浪对船只前部的浮力的变化，如图la-b所示。如果在给定的例子中波浪频率为10秒，那么将会导致容器Ila例如必须在10秒 内填充200m3，这使得容器Ila中的液位例如必须相对于船只所漂浮的液位100即海平面提 升4米。根据本发明，这可以通过使用与容器Ila相连地设置的真空压缩机13a快速地执 行，如上所述。真空压缩机13a在容器11的上部处提供负压，使得流体通过开口 12a被吸 入到容器Ila中，以便平衡该压力。例如由200kW马达操作的真空压缩机将能够实现这些。作为比较，诸如反倾斜泵 的传统海水泵将需要大约72000m3/小时的容量来供应相同的体积。为了操作这样的泵，将 需要大约3850kW的马达。这显示了在此处可以大大地节省能量的消耗，而使用现有技术将 不可能获得与本发明类似的系统。此外，将要在海水中操作的泵还存在有问题，因为海水是 腐蚀性介质，所以泵可能存在腐蚀问题，并且水必须连续的泵入容器或从容器中泵出，而在 这种情况下容器的底部必须关闭。这还意味着，这种流体体积减小了船只的负载能力。假如在容器的底部没有可以关闭的阀，那么根据定义，打开的压载容器还减小了 总体净重量。另一方面，许多考虑显示出，容器设置有用于关闭底部的开口的装置将会是有 利的。即使压载容器在底部开口并且在容器顶部具有双重固定以便防止容器中的空气逸 出，压载容器也将在理论上维持浮力，就像容器在底部具有阀一样。通过在容器的底部结合 诸如阀或类似物的用于关闭的装置，在不使用主动稳定时将能够关闭阀并且和平常一样使 用船只。即使通过试验已知这样的阀将会发生泄漏，也可以在与容器相连的压缩机管上使 用截止阀。然后，空气将保持在容器的顶部中，使得水仅仅能够压缩容器中的空气，并且浮 力将会与容器在底部关闭时的浮力相同。(通过将空气管结合到现有船只的所有底部容器 中，这可以有助于防止在浅水中航行的船只搁浅，并且防止损坏压载容器。)在该例子中，当波浪沿着船只经过时，改变不同容器lla-d中的浮力/压载以抵消 波浪影响的需要发生变化。图2a和2b示出了波浪的顶部经过船只的船尾端的情形。从船 只的将来运动的DP系统的计算和/或来自MRU和VRU的信息，以及来自容器中测量装置和 沿着船只侧面的传感器装置的信息中，根据本发明的控制系统计算在所述情形下不同容器 lla-d中的填充比，该填充比是船只尽可能小地受到波浪的影响所必需的。这样做的结果 是，控制系统基于给定的参数向装置13a_d发送关于容器1 la-d的填充比的控制信号。因为 此处的船只10大部分是受船只的船尾端处的波浪的影响，所以船只的船尾端处的容器Ild 填充100 %，而在船只的中部附近的容器1 lb-c填充75 %，在船只的前部处的容器1 Ia填充 10%。这样，根据本发明的系统可以抵消来自影响船只的波浪的力，并且将船只10维持在 稳定的竖直位置上，也就是，例如维持相同的方向、对海床的相同距离并且维持相对于近海 装置的相同距离。如果容器Ild具有与容器Ila所使用的相同的参数，那么与容器Ila相 同的计算将会为容器Ild提供相同的结果。对船只中部附近的两个容器同样可以执行类似 的计算。因为此处的容器lla-c相对于图la_b中的情形应当减小其流体体积，所以在容器 lla-c中流体表面的上方必须施加压力。如果容器lla-c中的开口 12a_c大到足以在如上述例子中的波浪频率那样的10秒内清空容器，那么可以使用大气压力。这样，将不需要动 力来清空容器。这样，在容器1 Ia和Ild的期间内，在给定的例子中的动力消耗将仅仅是真 空压缩机的动力消耗的一半，同时在船只在均勻环境条件下停泊在相对于近海装置的位置 上的给定期间内还将基本上小于容器lib和Ilc的动力消耗。如果需要进行变化，该变化 导致在容器之一中需要浮力，那么真空压缩机可以在容器中增加额外的压力，从而有助于 增加容器中的浮力。如上所述，容器可以设置有用于在需要时关闭容器开口的装置。现在参考图3，其为设置有根据本发明的系统的船只的容器lib和Ilc的中间部分 和中部的横截面。在这种情况下，所示的是示出了波浪以力F撞击船只10横向的例子。在 此处，根据本发明的系统将会完全填充最靠近波浪撞击侧的容器11b，为船只10在左舷侧 提供压载，从而抵消来自波浪的力并且防止倾斜。这样，船只维持大致水平位置。当波浪经 过右舷侧并且在船体上提供全部浮力时，必须改变容器lib和Ilc的总体填充比，从而，必 须填充容器Ilc并且清空容器11b，以便抵消来自波浪的力。图5a和5b显示根据本发明的系统是节省能量的。根据本发明的系统可以利用单 独的波浪撞击例如容器11a，如图5a_b所示。真空压缩机13a或排放阀13a可以使得容器 Ila在进入波浪时没有压力，并且流体自由地流动到容器Ila中。从而，由于波浪撞击船只 的第一区域而导致容器Ila没有浮力，同时波浪的高度将决定容器Ila中流体的填充比。 当波浪继续朝向船体进一步向后运动时，波浪将会影响船只的浮力。然后，真空压缩机13a 接收信号，以便增大容器Ila中的真空，由此使得容器Ila具有期望的流体高度，以便减小 经过的波浪的浮力。这在图5b中示出，图5b示出了容器Ila由于波浪而逐渐填充有压载 (灰色范围)，并且由真空压缩机13a供应的进一步的压载显示为容器Ila中的阴影区域。现在将更加详细地说明利用根据本发明的系统的用于船只主动稳定的方法。用于船只主动稳定的方法包括以下步骤1.从MRU(运动基准单元)和/或VRU(竖直基准单元)和/或DP系统或类似装 置获取船只的运动信息，2.获取系统的容器的状态信息，3.基于来自步骤1和2的信息，借助根据本发明的控制系统计算用于不同容器的 填充比，即是需要供应真空还是压力，其中仅仅在容器的液位低于船只所漂浮的液位时供 应压力，4.提供用于基于步骤3中的计算利用设定来控制容器中的真空和压力的装置，5.借助用于控制容器中流体体积的装置向容器供应压力或真空，直到用于容器状 态信息的装置响应根据本发明的控制系统，获得期望的压力或真空，6.重复步骤1-5。步骤1包括借助诸如波浪刻度的合适装置从MRU(运动基准单元)和VRU(竖直基 准单元)、DP系统或类似装置获取信息，所述信息包括船只的运动信息和/或波浪高度和频 率信息。借助这些信息，船只可以被控制成抵消这些预料的改变。DP系统如上所述地主要 结合成用于控制船只的螺旋桨和推进器，但是借助根据本发明的系统，通过设置在合适位 置的合适容器向船只供应压载和浮力，船只的运动信息可以用于船只的主动和被动稳定。 这将会提供用于控制船只的全新的可能性。因为当前已经存在用于风和海洋运动的法律和法规，其设定了何时能够接受在船只上与其它的船只/装置一起执行工作的界线，所以本发明将导致船只的竖直运动受波浪 和风的影响较小，船只能够在更恶劣的条件下工作，并且仍然处于有关波浪和风的法定界 线之内，这意味着船只在继续即将到来的工作之前等待平静天气的时间更短。着陆直升机还可能增大的运动问题，本发明可以对解决这个问题做出显著的贡 献。步骤2包括获取系统的容器的状态信息，该信息是根据本发明的控制系统了解是 需要向容器供应压力还是真空的前提。除了获取船只的运动信息之外，步骤1和/或2还包括获取波浪高度和频率的信 息，该信息使得控制系统能够形成波浪频率、波浪方向和由波浪提供的总体变化浮力的画 面。这优选地借助传感器装置来执行，该传感器装置为诸如压力传感器、雷达和/或激光和 /或波浪刻度或类似装置，该传感器装置优选地沿着船只的侧面设置。步骤3包括基于在步骤1和2中获取的信息和预定的参数来计算容器中的填充 比。通过在容器中供应真空和/或压力来控制填充比。如果要向容器提供压载，那么该系 统将计算需要多少真空来获得期望的压载并由此用流体来填充容器。如果要向容器提供浮 力，那么该系统将计算需要多少压力来供应给容器，以便获得期望的浮力。将向根据本发明的控制系统预先提供用于船只特性和系统特性的预定的参数。不 同的船只将具有不同的特性、不同的容器、不同的真空压缩机容量等，从而控制系统包括使 得船只获得期望性能和特性的参数。控制系统还包括出现临界情形时必须遵循的安全余量 和其它安全指令。控制系统还提供手动改变参数的可能性，使得能够向船只提供与期望性 能有关的期望特性。该系统还可以设置有用于临界情形的特定装置，例如容器在顶部设置 有节流阀，该节流阀快速地排出容器内的真空，从而流体流出。在许多条件下还相关的是， 各个容器具有额外的备用压缩机，该备用压缩机在压缩机应当出现某些情况时进行接管。该系统还可以设置成使得，如果船只的拖拉运动在操作期间处于临界状态，那么 该系统将设置成在出现临界情形时对此额外地进行补偿。这与上述在浅水中航行类似。步骤4和5包括提供用于利用设定来控制容器中的真空和压力以便在容器中获得 期望的压载或浮力的装置。向容器供应压力或真空，直到用于容器状态信息的装置响应该 控制系统，获得期望的压力或真空。步骤6包括重复步骤1-5。当船只的情形和环境连续地改变时，根据本发明的系统 也必须连续地改变，使得船只具有期望的性能。从而，根据本发明的系统提供自校正的闭环 控制。该系统还可以用作用于设置有根据本发明的系统的船只的被动稳定。当船只顺潮 行驶并且已经计算了容器顶部处的受控通风时，容器将根据海水的高度进行填充。当船只 随后在容器中具有最大填充时，船只将在正被讨论的点处具有最大吃水。当船只由于船体 的形状和容器Ila之后的浮力而开始上升时，关闭对容器的空气流，使得船只被加重而防 止船只上升，但是通过打开容器的空气流使得流体立即流出而将会在船只达到其最上侧运 动时分散这个加重。也就是，利用船只由于波浪而获得的固定运动以及船体外侧的波浪的 液位变化这两者。减小浮力和流体自由流入容器之间的这个变化，以及在下一时刻已经流 入容器中的自由流体被保持为压载。这样，被动稳定将会以与汽车上的减震器相同的方式 工作。空气流的打开比将由控制系统自然地控制和自动化，使得该系统找出最佳的打开比，以便防止系统的机械部分的过度磨损。当根据本发明的系统用作被动系统时，可以使用主动稳定中已经出现的信息，来 操作容器顶部处的阀，而不是控制真空压缩机。关闭的阀对应于压缩机的最大动力，打开的 阀对应于压缩机的最小动力。根据本发明的用于被动稳定的方法可以概括为以下步骤1.从MRU和/或VRU和/或DP系统或类似装置获取船只的运动信息，该信息提供 船只的运动信息，2.获取系统的容器的状态信息，3.基于来自步骤1和2的信息，计算容器是应当具有压载还是增大的浮力，4.提供用于利用设定来控制容器中的流体量的装置，以便在需要减小容器中的浮 力时打开和/或在需要增大容器中的浮力时关闭，5.连续地重复步骤1-4。在此处，除了获取船只的运动信息之外，步骤1和/或2还可以优选地包括获取波 浪高度和频率的信息，该信息通过诸如压力传感器、雷达和/或激光和/或波浪刻度或类似 装置的合适装置来获取，该合适装置优选地沿着船只的侧面设置，以便提供波浪高度和频
率的信息。如果该信息不存在，那么必须通过试验和经验将阀手动地调节至可能的最佳效 果，这与在根据经验和条件进行填充的反摇晃稳定容器中采用的方式相同。对于汽车上可 调节的减震器，喷嘴开口的尺寸改变，阀可以以相同的方式被调节至用于船只颠簸的可能 的最佳效果。翅根据本发明的容器可以具有不同的形状、尺寸和高度，并且必须适应于各种船只。 此外，各种船只将具有期望的性能和特性，根据本发明的系统必须适于获得所述期望的性 能和特性。用于控制容器中的浮力和压载的装置优选地为真空压缩机/泵，但是所述容器还 可以通过利用例如设置在容器下部的为容器开口的水平侧推进器进行填充。使用在容器底部处的水平侧推进器被认为是不太有利的，即使供应能力可能为1.推进器必须在水下操作，2.船只必须进入码头进行操纵3.泄露和污染的可能性，4.更高的维护成本，5.取决于维护服务人员，6.更高的投资成本，7.更多的昂贵装置。现在参考图6a_b，其示出了这样的例子。水平推进器设置在压载容器lla-d(仅 仅示出了容器Ila)的开口 12a_d中，推进器20可以与侧推进器类似，能够调节推进器叶片 的节距。推进器叶片可以被控制成可能填充和清空容器lla-d。推进器叶片可以形成为使 得如果其操作至零状态，那么推进器叶片关闭容器的开口。可收回的方位推进器21也可以 用在上述情形中。对于没有用于机动操作的收回的方位推进器21，其能够倾斜成使得推进器喷嘴变成与容器lla-d底部的容器开口连接的接合处。然后这可以用于向容器lla-d中 填充流体和从容器lla-d中清空流体。图6a示出了在容器Ila开口处的固定的推进器，而 图6b示出了可收回的方位推进器21在下部位置M上用于机动用途，在收回位置0上用于 填充和清空容器11a。容器在其开口处可以设置有用于关闭容器以便例如提供浮力的装置。在容器底部处的竖直侧推进器还可以用来关闭容器，因为其包括特别成形的推进 器叶片和轮毂，这使得如果其节距操作在特定区域中，那么就获得完全闭合的构造，和阀差 不多。还可以例如通过将液压阀设计成形为推进器来使用液压阀达到这个目的。为潜水推进器的“Vross”可以在待用模式(打开位置)中设置成严密地覆盖稳定 容器底部的开口，这样，其能够确保稳定容器中的流体量的改变。这种装置可以代替真空压 缩机或者除了真空压缩机之外还可以使用这种装置。本发明中的现有压缩机还可以用来利用空气供应稳定所有的压载容器。在可能发 生导致船只或船只侧面损坏的意外的情况下，压缩机可以向损坏的容器供应足够的空气， 以便维持容器中的初始浮力，从而防止船只倾斜和可能的下沉。损坏的容器必须设置有对 容器常规空气流的截止阀。设置有盐水、泥浆和水泥容器的船只可以使用这些作为用于真空和空气压力的缓 冲容器，以便防止压缩机载荷的快速改变。真空压缩机还可以用来从通海吸水管且经由船只的冷却器来输送冷却水。这样， 不需要使用传统的海水泵。真空压缩机可以用来代替传统的排泄泵和油/水分离器。能够经受住真空和压力的圆筒形容器可以连接至真空压缩机，该真空压缩机具有 到船只舱底水泵的管连接。处于负压时，这可以用来代替现有的排泄泵。在关闭到舱底水 泵的阀时，真空压缩机将水从污染的舱底水中蒸发并且将纯净的水蒸气引出到大气中。在 从污染的舱底水中去除水之后，容器中的真空转为过压，并且阀打开以便将容器清空为污 泥容器。这样，借助本发明可以去除油/水分离器，根据最大5ppm的将舱底水泵出船外的 新的规章，该油/水分离器很难令人满意地工作。应当要提到的是，可以仅仅在真空压缩机具有足够的闲置容量时执行上面的后一 种变型。
权利要求
一种用于船只(10)主动和被动稳定的系统，所述船只为例如轮船、艇、钻塔、驳船、平台和在海上环境中操作的起重机，所述船只(10)设置有用于提供浮力和/或压载的容器(11a d)，所述容器(11a d)在底部设置有开口(12a d)，所述开口(12a d)面对介质，所述船只(10)漂浮在所述介质中，其特征在于所述容器(11a d)彼此独立，所述开口(12a d)大到使得足够体积的流体能够经过而没有空穴或其它阻碍，以及所述系统包括用于向所述容器(11a d)供应流体的装置(13a d)，所述装置(13a d)被控制成抵消外力对所述船只(10)的运动的影响。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于提供所述容器 (lla-d)中的状态信息的装置，所述装置为例如压力传感器/计量器、浮子、压力脉冲或类 似装置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于发现/预测所述船 只的运动的装置，所述装置为例如MRU(运动基准单元)和/或VRU(竖直基准单元)和/ 或动态定位系统或类似装置，所述装置提供所述船只(10)的运动信息，主要是竖直运动信 肩、ο
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括传感器装置(14)，所述传 感器装置(14)为例如压力传感器和/或雷达和/或激光和/或波浪刻度或类似装置，所述 传感器装置(14)优选地沿着所述船只的侧面设置，以便提供波浪高度和频率的信息。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括控制系统，所述控制系统 控制所述容器(lla-d)中的流体体积，分别供应用于压载的真空或用于浮力的压力。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述用于向所述容器(lla-d)供应流体 的装置(13a-d)为真空压缩机和/或阀，这些装置(13a-d)中的至少一个设置到所述容器 (lla-d)中每一个上。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述容器(lla-d)在尺寸和形状方面适应 于所述船只(10)，并且设置在所述船只(10)中的合适/适合位置处，以便为所述船只(10) 提供期望的特性。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制系统被设置成基于来自所述用 于发现/预测所述船只的运动的装置的输入，和/或所述用于提供所述容器(lla-d)中的 状态信息的装置的输入，和/或所述用于提供波浪高度和频率的信息的传感器装置(14)的 输入，和/或给定的用于所述船只性能的预定参数，来计算用于不同容器(lla-d)的当前压 载和/或浮力，并且所述控制系统被设置成利用设定提供用于向所述容器(lla-d)供应流 体的装置(13a-d)。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统是手动的或自动的。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括设置到所述容器 (lla-d)的开口(12a-d)上以便关闭所述开口和/或向所述容器(lla-d)供应流体的装置， 所述装置为例如阀、节流阀、特别形成的推进器(20、21)或类似装置。
11.根据权利要求1-10所述的系统，其特征在于，所述真空压缩机(lla-d)的闲置容量 用来向船只的底部容器提供空气供应，或者从船只的通海吸水管且经由船只的冷却器来输送冷却水，或者从污染的舱底水中蒸发水并且将纯净的水蒸气排出到大气中。
12.一种用于船只(10)主动稳定的方法，所述船只(10)设置有根据权利要求1-11所 述的系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤`1.获取所述船只的运动信息，`2.获取所述系统的容器中的状态信息，`3.基于来自步骤1和2的信息，计算用于容器的填充比，即是需要供应真空还是压力，`4.提供用于基于步骤3中的计算利用设定来控制容器中的真空和压力的装置，`5.借助用于控制容器中流体体积的装置向容器供应压力或真空，直到用于容器中状态 信息的装置响应根据本发明的控制系统，获得期望的压力或真空，`6.重复步骤1-5。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤1包括从MRU(运动基准单元)和 /或VRU (竖直基准单元)和/或DP系统或类似装置获取信息，所述信息包括船只的运动信 肩、ο
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤2包括借助为此的合适装置获取容 器中的状态信息，所述状态信息是根据本发明的控制系统了解是需要向容器供应压力还是 真空的前提，所述合适装置为例如压力传感器/计量器、浮子、压力脉冲或类似装置。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤1和/或2还包括借助为此的传感 器装置获取波浪高度和频率的信息，所述信息使得控制系统能够形成波浪频率、波浪方向 和由波浪提供的总体变化浮力的画面。
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤4和5包括提供用于利用设定来控 制容器中的真空和/或压力以便在容器中获得期望的压载或浮力的装置。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，向容器供应压力或真空，直到用于容器 中状态信息的装置响应所述控制系统，获得期望的压力或真空。
18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，连续地重复步骤1至5，使得所述船只 适应于连续变化的环境，从而使得所述系统进行自校正。
19.一种用于船只被动稳定的方法，所述船只设置有根据权利要求1-11所述的系统， 其特征在于，所述方法包括以下步骤`1.获取所述船只的运动信息，`2.获取所述系统的容器中的状态信息，`3.基于来自步骤1和2的信息，计算容器是应当具有减小的浮力还是增大的浮力，`4.提供用于利用设定来控制容器中的流体体积的装置，以便在需要减小容器中的浮力 时打开和/或在需要增大容器中的浮力时关闭这些，`5.连续地重复步骤1-4。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，步骤1包括从MRU(运动基准单元)和 /或VRU (竖直基准单元)和/或DP系统或类似装置获取信息，所述信息包括船只的运动信 肩、ο
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，步骤2包括借助为此的合适装置获取容 器的状态信息，所述状态信息是根据本发明的控制系统了解是要向容器供应压力还是真空的前提，所述合适装置为例如压力传感器/计量器、浮子、压力脉冲或类似装置。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，步骤1和/或2还包括借助为此的传感 器装置获取波浪高度和频率的信息，所述信息使得控制系统能够形成波浪频率、波浪方向 和由波浪提供的总体变化浮力的画面。
23.一种用于船只被动稳定的方法，所述船只被提供有根据权利要求19-22所述的发 明，其特征在于，如果不存在来自步骤1和2的信息，那么能够通过试验和经验将阀手动地 调节至可能的最佳效果。
全文摘要
本发明涉及一种用于船只(10)主动和被动稳定的系统，所述船只为例如轮船、艇、钻塔、驳船、平台和在海上环境中操作的起重机，所述船只(10)设置有用于提供浮力和/或压载的容器(11a-d)，所述容器(11a-d)在底部设置有开口(12a-d)，所述开口(12a-d)面对介质，所述船只(10)漂浮在所述介质中。所述容器(11a-d)彼此独立，所述开口(12a-d)大到使得足够体积的流体能够经过而没有空穴或其它阻碍，所述系统包括用于向所述容器(11a-d)供应流体的装置(13a-d)，所述装置(13a-d)被控制成抵消外力对所述船只(10)的运动的影响。本发明还包括借助所述系统用于船只主动和被动稳定的方法。
文档编号B63B43/06GK101909982SQ200880123976
公开日2010年12月8日 申请日期2008年12月5日 优先权日2007年12月7日
发明者O·S·施波斯海姆 申请人:水上摇晃和颠簸控制股份公司