专利名称：具有马格努斯转子和测力设备的船的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种船，尤其是货船，其具有至少一个用于驱动船的马格努斯转子，所述马格努斯转子具有用于容纳马格努斯转子的承载体。本发明还涉及一种马格努斯转子和一种用于容纳马格努斯转子的承载体。
背景技术：
马格努斯转子也称为弗莱特纳转子或帆转子。作为驱动装置的、具有马格努斯转子的船是在现有技术中已知的。例如，从在恩斯特卡波尔出版有限公司，汉堡，1991出版的，克劳斯D.瓦格纳著有的书“Die Segelmaschine”中已知这样的装置。从W02006/133950中公开一种具有多个马格努斯转子的改进的船，其中每个马格努斯转子配设有能独立操纵的、用于转动马格努斯转子的电动机。从文献W02007/137844中已知一种改进的马格努斯转子。此外，马格努斯转子用于在利用马格努斯效应的情况下在船上提供附加的驱动力。马格努斯效应描述由于流体绕流围绕其纵轴线旋转的圆柱体而造成的横向力的产生。横向力垂直于绕流方向作用。围绕旋转的圆柱体的流能够理解为均匀的流和围绕体的涡流的叠加。通过总流的不均匀的分布得到在圆柱体圆周上不对称的压力分布。因此，所述船设有旋转的或转动的转子，所述转子在风流中产生垂直于有效的、也就是说用最高速度校正的风向的力。产生的力能够类似于航行用于船的推进。在此，横向力朝侧向产生，在所述侧向上圆柱体的旋转的表面和环流所述圆柱体的空气在同一方向上运动。为了将横向力传导到船体上，转子必须与所述船体固定地连接。在已知的转子中，这借助于用于容纳马格努斯转子的承载体实现，转子能转动地支承在所述承载体上。在此，用于容纳马格努斯转子的承载体一般设计为，用于承受径向地作用到支承件上的力。由马格努斯转子产生的横向力的大小在此一方面相关于转子的大小和所述转子的运行速度，并且另一方面相关于环流转子的风速。然而，除了由马格努斯转子自身产生的横向力以外，风力还附加地作用到转子上，所述风作用到转子的与风相对置的面上。值得去追求的目标是，识别作用到马格努斯转子上的力和尤其也作用到用于容纳马格努斯转子的承载体上的力，以便避免由于过载造成的损坏。此外，值得去追求的目标是，能够确定作用到转子上的力的方向或作用到容纳部上的力的方向，以便能够由此根据风向进行转子的控制。在现有技术中已知的马格努斯转子只能不令人满意地达到上述两个目标，因为为此至少必须确定风向。后者仅能以不令人满意的精度实现。
发明内容
在此背景下，本发明基于的目的是提出一种船、一种马格努斯转子、一种用于容纳马格努斯转子的承载体和一种方法，上述对象尽可能地减轻前述缺点。本发明在开头所描述类型的船中，通过构造具有根据权利要求1所述的特征的船的方式，来实现本发明的基本目的。根据本发明的船具有测量装置，所述测量装置设置在用于容纳马格努斯转子的承载体上，并且构造为用于确定用于容纳马格努斯转子的承载体的弯曲应力。在此，本发明利用的知识是作用到用于容纳马格努斯转子的承载体上的力由马格努斯转子的构成为圆柱体的转子面首先承受或产生，并且然后借助于用于容纳马格努斯转子的承载体导入到船体中。在此，所述力一方面基本上沿径向方向作用到不仅转子的旋转轴线上而且还作用到用于容纳马格努斯转子的承载体的旋转轴线上，然而沿直接的方向作用到用于容纳马格努斯转子的承载体与船的连接部上。因此，在力耦合的区域上产生弯矩，这由用于容纳马格努斯转子的承载体承受。因此，这在用于容纳马格努斯转子的承载体中导致形成不承受弯曲应力的中性线，并且远离中性线地造成用于容纳马格努斯转子的承载体的弯曲应力。用于容纳马格努斯转子的承载体的弯曲应力能够借助于测量装置确定，并且允许直接推断作用到转子上的力。通过使测量装置具有两个应变传感器的方式，有利地改进本发明，所述应变传感器设置在用于容纳马格努斯转子的承载体的圆周面上，并且成角度地相互隔开。优选地，两个应变传感器以90°的角度成角度地相互隔开。两个设置在不同部位上的传感器的应用能够以特别有利的方式实现在用于同时确定在沿着容纳马格努斯转子的承载体的圆周的不同部位上容纳马格努斯转子的承载体的两个弯曲状态。在容纳马格努斯转子的承载体的表面上在传感器的部位上的应变相应于在径向方向上精确地在传感器的部位上容纳马格努斯转子的承载体的弯曲应力的份额。由于使用两个传感器，所以其中用于容纳马格努斯转子的承载体承受弯曲应力的方向能够借助于三角公式确定。在已知两个应变传感器之间的角的前提下，此外也能够将由两个在圆周的不同部位上确定的弯曲应力分量组成的总弯曲应力的大小同样借助于三角公式确定，或优选借助于勾股定理确定。尤其优选地，第一应变传感器相关于马格努斯转子的旋转轴线沿船的纵向方向设置，并且第二应变传感器相关于马格努斯转子的旋转轴线沿横向方向设置。这样的布置是特别有利的，因为从转子轴线中精确地在航行方向上定位的第一应变传感器也使用于容纳马格努斯转子的承载体的应变或弯曲应力能够精确地在船的纵向方向或航行方向上确定。与此同时，第二应变传感器使与其垂直的应变或弯曲应力能够沿相对于船的纵轴线的横向方向被确定。在此，应变不仅理解为正的应变一以拉伸的意义一而且也理解为以压缩的意义的负的应变。通过将两个传感器彼此成直角地设置，明显地简化从马格努斯转子导入船中的力作用的方向以及所述力的大小的确定。在优选的实施形式中，第一和第二应变传感器设置在水平面中。因此，进一步简化弯曲应力在方向和大小方面的计算。在本发明的另一优选实施形式中，用于容纳马格努斯转子的承载体至少在其中设置有第一和第二应变仪的部段中构成为圆柱体。用于容纳马格努斯转子的承载体的在所述部段中的圆柱体的或可选地空心圆柱体的构造有利于各向同性的弯曲特性。尽管结构的能够取决于容纳马格努斯转子的承载体所使用的材料的各项异性是可能的，在用于容纳马格努斯转子的承载体构造为圆柱体时期望的是，用于容纳马格努斯转子的承载体的弯曲应力总是相应于特定的力，同时所述力从哪个方向导入。根据本发明的另一有利实施形式，第一应变传感器和第二应变传感器分别设置为用于输出信号，所述信号表示由传感器检测的应变。由应变传感器输出的数据信号优选构成为模拟的或数字的，以至于能够用不同的方法再处理所述信号。优选地，船具有用于接收输出的信号的数据处理设备，所述数据处理设备设置为用于基于输出的信号确定力矢量。数据处理设备优选构造为，借助于第一应变传感器的和第二应变传感器的输出的信号的强度比例来确定力矢量的方向，和/或借助于输出的信号的强度比例以及输出的信号的值来确定力矢量的大小。在此，数据处理设备优选使用三角函数，并且利用下面的认知。第一应变传感器和第二应变传感器的信号表示用于容纳马格努斯转子的承载体的表面上的应变。所述应变相关于转子容纳部的表面或旋转轴线还相应于用于容纳马格努斯转子的承载体的弯曲应力。所述应变本身符合于在径向方向上的力，所述力是总共作用到马格努斯转子上的力分量。当已知两个应变传感器之间的角并且数据处理设备设置为用于在相应的、符合应变传感器的布置的方向上确定两个(由应变传感器输出的信号表示的)力分量时，在此基础上也能够实现获取由单独分量组成的总矢量。第一应变传感器和/或第二应变传感器优选分别具有至少一个应变测量片和/或至少一个应变测量管，和/或至少一个光学的应变传感器。在此，应变测量片例如理解为线、薄膜应变测量片、半导体应变测量片或蔷薇花形应变测量片。应变测量管理解为测量装置，在所述测量装置中铁氧体磁芯根据在其上设置有测量装置的表面上的应变在绕组小管之内运动，因此确定并且在数量上输出变化的电感。作为光学的应变传感器例如能够使用光纤布拉格光栅传感器。此外，本发明涉及一种用于马格努斯转子的用于容纳马格努斯转子的承载体，所述用于容纳马格努斯转子的承载体尤其设置为用于驱动船。根据本发明的用于容纳马格努斯转子的承载体通过使所述用于容纳马格努斯转子的承载体具有用于确定容纳马格努斯转子的承载体的弯曲应力的测量装置的方式来实现所述基本目的。此外，本发明涉及一种具有转子体的马格努斯转子，所述转子体借助于支承件可转动地设置在用于容纳马格努斯转子的承载体上，其中所述支承件优选构造为用于承受径向地作用到用于容纳马格努斯转子的承载体上的力。前述的马格努斯转子通过用于容纳马格努斯转子的承载体具有用于确定容纳马格努斯转子的承载体的弯曲应力的测量装置的方式来实现所述基本目的。此外，本发明涉及一种用于确定马格努斯转子的推进的方法。所述方法通过借助于为此构造的测量装置检测用于容纳马格努斯转子的承载体的弯曲应力的方式来实现本发明的基本目的。根据本发明的方法通过一个或多个下述步骤扩展:借助于测量装置的第一应变传感器输出表示用于容纳马格努斯转子的承载体的沿船的航行方向的弯曲应力的信号；确定相应于由第一应变传感器检测的弯曲应力的力分量，作为推进力；借助于测量装置的第二应变传感器输出表示用于容纳马格努斯转子的承载体的沿船的横向方向的弯曲应力的信号；确定相应于由第二应变传感器检测的弯曲应力的力分量，作为横向力；借助于第一和第二应变传感器输出的信号的强度比例确定总力矢量的方向，和/或借助于输出的信号的强度比例以及输出的信号的值确定力矢量的大小。因此，借助于所述方法能够获取总力矢量，所述总力矢量不仅表示从马格努斯转子传递到船上的力的强度而且也表示所述力的方向。
接下来，根据优选的实施形式并且参考附图详细地描述本发明。在此示出:图1示出根据本发明的船的立体图，图2示出根据本发明的马格努斯转子的示意横截面视图，图3示出具有用于容纳马格努斯转子的承载体的船的马格努斯转子的示意俯视图，图4示出具有矢量图的图3的示图，图5示出具有矢量图的图3和4的示图，以及图6示出具有替选的矢量图的图5的示图。
具体实施例方式图1示出根据第一实施例的船I的示意图。在此，船I具有由水下区域16和水上区域15组成的船体。此外，船I例如具有四个马格努斯转子或弗莱特纳转子10，所述马格努斯转子或弗莱特纳转子设置在船体的四个角上。船I具有设置在艏楼中的桥楼30。此夕卜，船I在水下具有螺旋桨50。为了改进的机动性，船I同样也能够具有横向推进舵，其中优选地在船尾上设有一个横向推进舵并且在船首上设有一至两个横向推进舵。优选地，所述横向推进舵是电驱动的。桥楼30以及在露天甲板14之上的全部上层建筑具有空气动力学的形状，以便减小风阻力。这尤其能够通过基本上避免尖锐的棱和尖棱的部件来实现。为了使风阻力最小化，设有尽可能少的上层建筑。根据第一实施例的船I尤其是货船，所述货船专门地设计成用于运输风能设备和其组件。风能设备以及其相应的组件的运输借助于商业上通用的集装箱船仅能够有限地实现，因为风能设备的组件表现出相应的空间需求，所述空间需求不符合商业上通用的集装箱尺寸，同时各个组件的质量与其空间需求相比是小的。例如在此指的是风能设备的转子叶片或吊舱外壳，所述转子叶片和吊舱外壳通常构成为具有几吨重量的庞大的GFK结构。例如四个马格努斯转子10在此是用于根据本发明的船I的风力驱动装置。在此设计为，船I至少部分地用马格努斯转子驱动。船I的船体的形状设计成，船尾尽可能远地从水中突出。因此，一方面是指船尾的在水平面之上的高度，但是另一方面也指的是浮在水面之上的船尾部段的长度。该构型用于及早地将水与船体分开，以便避免在船I后飘过来的波浪，因为所述波浪导致船体的高阻力，因为所述由船I引起的波浪也通过机器功率产生，所述机器功率然而随后不再提供用于推进。船I的船首在比较长的路段上是尖锐切割的。考虑到流体动力学方面，船的水下部分以优化阻力的方式构造成在设计吃水线之上直到大约为3m的高度。因此，没有针对最大的承载能力，而是针对最小的阻力(在空气动力学上和流体动力学上)来设计船I的船体。船I的上层建筑构成为流线型。这尤其通过全部的面构造成平滑的面来实现。通过桥楼30的构型，能够首先避免引起尾涡，使得能够尽可能无干扰地进行对马格努斯转子10的控制。桥楼30优选地设置在船I的船首处。上层建筑设置在船I的中部中同样也是可能的，但是将不必要地阻碍货物的装载或卸载，因为上层建筑因此正好设置在货舱的中部上方。对此替选地，桥楼30能够设置在船I的船尾处，然而，将证实为不利的是，马格努斯转子10将损害向前的完好的视野。船I的驱动或推进对于风驱动而言是优化的，使得根据本发明的船I是帆船。马格努斯转子10例如能够设置在货舱的拐角点的区域中，以至于所述马格努斯转子限定出矩形的面。然而，应指出的是，其他布置同样也是可能的。马格努斯转子10的布置基于下述思想，需要特定的转子面，以便通过马格努斯转子10实现期望的驱动功率。通过将所述需要的表面分配在总共四个马格努斯转子10上，减小了各个马格努斯转子10的尺寸。通过马格努斯转子10的所述布置，空出尽可能大的连续的面，所述连续的面尤其用于船I的装载和卸载以及能够实现容纳以多个集装箱货物的形式的甲板货物。当前示出的是，船构造为具有四个马格努斯转子，而替选地也能够设计为具有与上述不同数量和布置的马格努斯转子和驱动装置的其他分配。因此，马格努斯转子10和主驱动装置设计为，使得主驱动装置在风不充足的情况下仅必须产生不能由马格努斯转子10提供的功率差。因此，进行驱动装置的控制，使得马格努斯转子10产生最大功率或近似最大功率。因此，马格努斯转子10的功率的增长直接造成燃料的节约，因为对于电驱动装置而言通过主驱动装置不必产生附加的能量。因此，在不需将通过内燃机驱动的推进器或主驱动装置以及马格努斯转子10的控制装置进行匹配的情况下，实现燃料的节约。船I具有露天甲板14。露天甲板是船的位于最上方的甲板并且设置在外部。在露天甲板14上能够设置多种不同种类的装载物。船I具有纵轴线3，所述纵轴线平行于龙骨线并且水平延伸地设置。因此，所述纵轴线3在直线航行时(在横向推进舵不运行时)相应于船I的航行方向。图2示出船I的根据本发明的马格努斯转子10的剖面图。马格努斯转子10具有圆柱形的转子体8和设置在上部区域中的端部板12。转子体8借助于支承件6可转动地支承在用于容纳马格努斯转子的承载体4上。转子体8借助于用于力传递的机构与驱动马达106在容纳部4的上部区域中连接。用于容纳马格努斯转子的承载体4具有内面7。在用于容纳马格努斯转子的承载体4的下部区域中，在内壁7的区域中设置有测量装置5。测量装置5能够借助于工作台够得到。测量装置5构成为，确定由于通过在转子体8上的力作用引起的支承件6的基本上径向的力负荷导致的用于容纳马格努斯转子的承载体的弯曲应力。测量装置具有两个在本实例中彼此成90°角设置的应变传感器。用于容纳马格努斯转子的承载体4借助于法兰连接部110与船甲板连接。图3示出横贯根据本发明的马格努斯转子10的示意横截面图。马格努斯转子10在转子体8之内具有用于容纳马格努斯转子的承载体4。在用于容纳马格努斯转子的承载体4的内面7上设有第一应变传感器9和第二应变传感器11作为测量装置的部分。第一应变传感器9从用于容纳马格努斯转子的承载体4的中点观察位于第一轴线13上。第一轴线13相对于船的纵轴线3成角度β延伸。在一个优选的实施形式中，角度β=0°。第二应变传感器11从用于容纳马格努斯转子的承载体4的中点观察沿着第二轴线17设置在用于容纳马格努斯转子的承载体4的内面7上。在一个优选的实施形式中，第一轴线13和第二轴线17之间的角度为α=90°。第一应变传感器9借助于信号线路19与数据处理设备23连接。第二应变传感器11借助于第二信号线路21与数据处理设备23连接。数据处理设备23借助于第三信号线路25与显示装置27连接。显示装置27构成为，显示作用到用于容纳马格努斯转子的承载体4上的推力的方向和大小。数据处理分析构建为，实施根据本发明的方法。图4至6原理性地示出与图3相同的视图，仅取消示意地表明的信号线路和数据处理设备以及显示装置。根据图4至6示出，以何种方式阐明并且借助于测量装置确定作用到马格努斯转子10上的力。以图4开始确定:马格努斯转子10具有背离风的侧以及朝向风的侧34。朝向风的一侧34具有被风流过的表面。在此，在位置固定地观察的情况下，风流过马格努斯转子10的方向偏离于实际的风向，因为船通常是运动的。如果风沿箭头33的方向吹到马格努斯转子10上，由此马格努斯转子10沿风的方向加载有力。然后，所述力被称作风力或简称Fw。马格努斯转子10沿箭头29的方向旋转。由此，由于马格努斯效应而沿箭头35的方向形成力，如在图5中可见。所述力接下来称作马格努斯力或简称Fm。向量Fm与向量Fw正交。因此，一方面由风力Fw并且另一方面由马格努斯力Fm组成的力作用到用于容纳马格努斯转子的承载体4上。两个向量？ 和？ 的相加得出总力的向量，接下来还称作Fe。向量Fe沿箭头37的方向延伸。图6相应 于图4和5，并且除了下述例外还相应于图3，该例外即纵轴线3和第一应变传感器9所位于的第一轴线13在图6中重合。根据图4和图5已经推导出的、沿箭头37的方向的总力Fe在向量图中阐明为两个彼此垂直的向量的总和。根据一个尤其优选的实施形式，第一应变传感器9和第二应变传感器11相互设置成直角。在根据图6的实施形式中，第一应变传感器在航行方向上、进而沿船的纵轴线3的方向设置在用于容纳马格努斯转子的承载体4的内侧上，而第二应变传感器11与此正交地、进而基本上精确地在船的横向方向上沿着第二轴线17设置。因此，总力Fe的向量能够划分成沿纵向轴线3或第一轴线13的方向的向量和沿第二轴线17的方向的第二向量。沿第一轴线13或纵向轴线3的方向的分量接下来还称作Fv。沿第二轴线17的方向的向量接下来还称作Fq。在此，Fv代表推力并且沿箭头39的方向延伸，而Fq能够被视作横向力，并且沿箭头41的方向伸展。根据向量Fe在哪个方向上作用来区分由第一应变传感器9所确定的弯曲应力和由第二应变传感器11所确定的弯曲应力。沿箭头39和41的方向的弯曲应力彼此间比例随着沿箭头37和两个轴线13和17之一的总力Fe之间的角度Y变化。对于由第一应变传感器和第二应变传感器11所检测的弯曲应力一样大的情况，总力Fe和推力Fv之间的角度
Y=45°。对于例如由第一应变传感器9所确定的弯曲应力是由第二应变传感器11所确定的弯曲应力两倍大的情况，Fg与Fv或与第一轴线13的角度为Y =30°。因此，总的来说，Fe和Fv之间的角Y由公式Y =arctan (第一应变传感器11的信号值/第二应变传感器9的信号值)得出。同样地，从由各个应变传感器9、11中测定的两个信号值中除了作用的力Fe的角度之外能够测定它们的数值与可选的第一或第二应变传感器测量值的比例。向量的数值从下述关系中得出:Fe=Fv/C0S ( Y )或信号值等效值=(第一应变传感器9的信号值)/cos
(Y )。
权利要求
1.船(1)，尤其是货船，所述船具有至少一个用于驱动船(I)的马格努斯转子(10)，所述马格努斯转子具有固定的、用于容纳所述马格努斯转子的承载体(4)， 其特征在于，在所述承载体(4)上设置有用于确定所述承载体(4)的弯曲应力的测量装置(5)。
2.根据权利要求1所述的船(1)， 其特征在于，所述测量装置(5)具有两个应变传感器(9，11)，所述应变传感器设置在所述承载体(4)的圆周面上并且成角度地相互隔开，优选以90°角相互隔开。
3.根据权利要求2所述的船(1)， 其特征在于，第一应变传感器(9)相关于所述马格努斯转子(10)的旋转轴线沿所述船(I)的纵向方向设置，并且第二应变传感器(11)相关于所述马格努斯转子(10)的所述旋转轴线沿所述船(1)的横向方向设置。
4.根据权利要求2或3所述的船(1)， 其特征在于，所述第一应变传感器和所述第二应变传感器(9，11)设置在水平面中。
5.根据前述权利要求之一所述的船(1)， 其特征在于，所 述承载体(4)至少在设有所述第一应变传感器和所述第二应变传感器(9，11)的部段中构造为圆柱体的。
6.根据权利要求2至5之一所述的船(1)， 其特征在于，所述第一应变传感器(9)和所述第二应变传感器(11)分别设置为用于输出信号，所述信号表示由传感器检测的应变。
7.根据前述权利要求之一所述的船(I)， 其特征在于，所述船(I)具有用于接收输出的所述信号的数据处理设备(23)，所述数据处理设备设置为用于基于输出的所述信号确定力矢量Fe (37)。
8.根据权利要求7所述的船(I)， 其特征在于，所述数据处理设备(23)构造为，用于借助于输出的所述信号的强度比例来确定所述力矢量Fc (37)的方向，和/或 借助于输出的所述信号的强度比例以及输出的所述信号的值来确定所述力矢量Fe(37)的大小。
9.根据前述权利要求之一所述的船(I)， 其特征在于，所述第一应变传感器(9)和/或所述第二应变传感器(11)分别具有至少一个应变测量片、和/或至少一个应变测量管，和/或至少一个光学的应变传感器。
10.用于容纳马格努斯转子(10)的承载体(4)，所述承载体尤其设置为用于驱动船Cl), 其特征在于，所述承载体(4)具有用于确定所述承载体(4)的弯曲应力的测量装置(5)。
11.马格努斯转子(10)，其具有转子体(8)，所述转子体借助于支承件(6)能转动地设置在承载体(4)上，其中所述支承件(6)构造为用于承受径向地作用到所述承载体(4)上的力， 其特征在于，所述承载体(4)具有用于确定所述承载体(4)的弯曲应力的测量装置(5)。
12.用于确定马格努斯转子(10)的推进的方法，所述方法包括下述步骤: -检测用于容纳马格努斯转子(10)的承载体(4)的弯曲应力，借助于为此构造的测量装置(5)。
13.根据权利要求11所述的方法，所述方法包括一个或多个下述步骤: -借助于所述测量装置(5)的第一应变传感器(9)输出表示转子容纳部(4)的沿船(I)的航行方向的弯曲应力的信号； -确定相应于由所述第一应变传感器(9)检测的弯曲应力的力分量(39)，作为推进力Fv, -借助于所述测量装置(5)的第二应变传感器(11)输出表示所述转子容纳部(4)的沿船(I)的横向方向的弯曲应力的信号， -确定相应于由所述第二应变传感器检测的弯曲应力的力分量(41)，作为横向推进力Fq， -借助于所述第一应变传感器和所述第二应变传感器(9，11)输出的所述信号的强度比例确定总力矢量Fc(37)的方向，和/或 -借助于输出的所述信号的强度比例以及输出的所述信号的值确定所述力矢量Fe(37)的大小。
全文摘要
本发明涉及一种船(1)，尤其是货船，所述船具有至少一个用于驱动船的马格努斯转子(10)，所述马格努斯转子具有固定的承载体(4)。本发明尤其涉及一种船(1)，其中在承载体(4)上设置有用于确定承载体(4)的弯曲应力的测量装置(3)。此外，本发明涉及一种用于确定马格努斯转子(10)的推进的方法、一种马格努斯转子(10)以及一种用于容纳马格努斯转子(10)的承载体(4)。
文档编号B63H9/02GK103109169SQ201180044914
公开日2013年5月15日 申请日期2011年9月8日 优先权日2010年9月16日
发明者罗尔夫·罗登 申请人:乌本产权有限公司