螺旋桨的桨距角控制装置及控制方法与流程

本实施例涉及在利用航空器螺旋桨来产生推力的船舶中对螺旋桨的桨距角进行控制的装置及方法。

背景技术：

在该部分中所说明的内容仅仅提供针对本实施例的背景信息，而并非构成现有技术。

利用螺旋桨(propeller，推进器)来产生推力的船舶，例如，汽艇利用船体上的航空器螺旋桨来产生推力，而并非利用使用于普通的船舶的水下螺旋桨。此外，以平坦的方式制造出汽艇的船体，因而不仅可在水非常浅的区域中行驶，而且还可在湿地、泥滩、冰、雪上行驶，甚至也可在陆地的道路上行驶。因此，汽艇为被广泛使用于美国佛罗里达地区的沼泽和俄罗斯的结冰湖或暴雪地区的特殊船舶。

在以往的小艇中通过去除水下螺旋桨引擎并与小型飞机引擎一同安装固定桨距(pitch)螺旋桨来实现上述汽艇。汽艇使用由飞机螺旋桨产生的推力来具有水陆两用的特殊功能。

但是，因小艇制造者对航空器螺旋桨的效率性的理解和技术的局限性，仍然存在以低效率操作汽艇的问题。

用于汽艇的小型航空器螺旋桨设计时着眼于规定的巡航速度和引擎的恒定功率，因而桨距是固定的。由此，像汽车的城市内行驶那样具有频繁的速度和功率变化的汽艇若使用飞机固定桨距螺旋桨就无法期待有效的功率。

以往大部分的汽艇使用固定桨距螺旋桨，若用汽车来比喻，在汽艇中使用固定桨距螺旋桨，则如同以可达到最高速度的最高档位来继续行驶一般，在出发时间点或低速区间内的效率非常低。为了解决这种问题，需要一种根据汽艇的速度和引擎的旋转数而时刻变化的螺旋桨的桨距角(pitchangle)控制装置。在汽车的情况下，这相当于自动挡变速装置。

极少数的汽艇通过安装制造成可变桨距螺旋桨专用的引擎来使用可变桨距螺旋桨，但其目的在于通过恒速的可变桨距螺旋桨来使引擎转数保持恒定(通常固定为最大转数的75％)。即，在部分汽艇中所使用的可变桨距螺旋桨对准引擎的转速而手动操纵螺旋桨的桨距，因而在汽艇中存在反而不方便的问题。

因此需要一种针对汽艇的频繁的速度变化和引擎功率变化而自动控制螺旋桨的桨距角的装置。

技术实现要素：

(发明所要解决的问题)

本实施例的一个目的在于，提供如下的螺旋桨的桨距角控制装置及方法：尽管螺旋桨的转数和船舶的速度不规则地发生变化，上述螺旋桨的桨距角控制装置及方法也可通过运算出具有最大效率的桨距角来以具有该桨距角的方式控制螺旋桨的桨距角。

(解决问题所采用的措施)

根据本实施例的一个实施方式，提供如下的螺旋桨的桨距角控制装置，上述螺旋桨的桨距角控制装置通过从船舶内的传感器接收感测值来对螺旋桨的桨距角进行控制，使得上述船舶以最佳效率进行工作，其特征在于，包括：通信部，从上述传感器接收螺旋桨的转速(rpm：revolutionsperminute)值及上述船舶的速度值或向上述螺旋桨传送用于控制上述螺旋桨的桨距角的控制信号；以及控制部，利用上述螺旋桨的转速值及上述船舶的速度值来运算螺旋桨的攻角，并控制上述螺旋桨的桨距角，使得上述攻角在预设范围内保持一定。

此外，根据本实施例的另一个实施方式，提供如下的螺旋桨的桨距角控制方法，上述螺旋桨的桨距角控制方法为螺旋桨的桨距角控制装置为了使得船舶以最佳效率进行工作而从上述船舶内的传感器接收感测值来对螺旋桨的桨距角进行控制的方法，其特征在于，包括：接收步骤，从上述传感器接收螺旋桨的转速(rpm：revolutionsperminute)值及上述船舶的速度值；控制步骤，利用上述螺旋桨的转速值及上述船舶的速度值来运算螺旋桨的攻角，并控制上述螺旋桨的桨距角，使得上述攻角在预设范围内保持一定；以及传送步骤，向上述螺旋桨传送用于控制上述螺旋桨的桨距角的控制信号。

(发明的效果)

根据如上所述的本实施例，具有如下优点：尽管螺旋桨的转数和船舶的速度不规则地发生变化，也可通过控制螺旋桨的桨距角来具有最大效率。

附图说明

图1为示出安装有根据本发明一个实施例的螺旋桨桨距角控制装置的船舶的图。

图2为示出根据本发明一个实施例的螺旋桨桨距角控制装置的构成的构成图。

图3为示出船体的速度及引擎的转速与攻角之间的关系的图。

图4为示出攻角与升力系数及阻力系数之间的关系的图表。

图5为示出根据本发明一个实施例的螺旋桨桨距角控制装置对螺旋桨的桨距角进行控制的方法的流程图。

具体实施方式

以下，通过例示性附图来详细说明本发明的部分实施例。应当注意，在对各个附图的结构要素赋予附图标记的过程中，即使示出在不同的附图中，对于相同的结构要素也尽可能赋予了相同的附图标记。此外，在说明本发明的过程中，当判断出对相关公知结构或功能的具体说明有可能混淆本发明的主旨时，将省略对其的详细说明。

此外，在说明本发明的结构要素的过程中，可使用第一、第二、a、b、(a)、(b)等术语。这种术语仅仅用于对该结构要素与其他结构要素进行区分，而相应结构要素的本质或次序或顺序等并不被该术语所限制。在整个说明书中，当某一部分“包括”、“具备”某一结构要素时，在不存在特别相反的记载的情况下，这表示还可包括其他结构要素，而并非表示排除其他结构要素。此外，在说明书中所记载的“…部”、“模块”等术语表示处理至少一种功能或工作的单位，其可通过硬件或软件或硬件及软件的结合来实现。

图1为示出安装有本发明一个实施例的螺旋桨桨距角控制装置的船舶的图。

参照图1，本发明一个实施例的船舶100包括船体速度检测传感器110、转速检测传感器120、速度控制检测传感器130、螺旋桨的桨距角控制装置140、促动器(actuator)150及可变桨距螺旋桨160。

船体速度检测传感器110检测船体的当前速度。船舶的速度可通过制动器或加速踏板等来有意地发生变化，但也可能因流速或流体的方向变化而发生变化。船体速度检测传感器110对因前述的多种因素而发生变化的船体的速度进行检测。例如，船体速度检测传感器110可通过对流入船体的空气的流入速度进行测定来间接地检测船体速度的变化，利用全球定位系统(gps)等对当前船体的坐标变化和坐标的变化时间进行测定来检测船体的速度。船体速度检测传感器110向螺旋桨的桨距角控制装置140传递检测出的船体速度值。

转速检测传感器120对安装于船舶100的螺旋桨的转速进行检测。转速检测传感器120利用发电式、电子式、振荡式，光电式、霍尔效应式、磁阻式等方式对螺旋桨的转速进行检测。转速检测传感器120向螺旋桨的桨距角控制装置140传递检测出的螺旋桨的转速。

速度控制检测传感器130从船舶100的速度控制单元(未图示)感测速度控制值。速度控制检测传感器130不像船体速度检测传感器110那样对需要一同考虑外部环境的影响的船舶的当前速度进行检测，而对由船长有意图地控制的速度控制单元的速度控制值进行检测。在此，速度控制单元可以为要提高船舶的速度的加速器或要减少船舶的速度的制动器。速度控制检测传感器130借助于速度控制单元，例如通过掌握加速器被按压的角度或按压的程度，来检测速度控制单元的速度控制值。速度控制检测传感器130与前述的多个传感器同样地向螺旋桨的桨距角控制装置140传递检测出的速度控制值。

螺旋桨的桨距角控制装置140利用从前述的多个传感器110、120、130接收的值来对当前船舶是否以最大效率工作进行运算，并根据结果控制螺旋桨使其具有最大效率的桨距角。在此，桨距是指螺旋桨旋转1回时的船舶100的移动距离，可变桨距是指桨距并非固定而是变动的。螺旋桨的桨距角控制装置140根据从速度控制检测传感器130接收的速度控制值是否超过预设的基准值而确定是否要自动控制桨距角。在确定为自动控制桨距角的情况下，螺旋桨的桨距角控制装置140利用从船体速度检测传感器110及转速检测传感器120接收的船体速度值和螺旋桨的转速值来运算攻角。在运算出的攻角并非为预设范围内的值的情况下，螺旋桨的桨距角控制装置140以使攻角保持在预设范围内的方式控制螺旋桨的桨距角。参照图2至图4来对螺旋桨的桨距角控制装置140的桨距角控制过程进行详细说明。

促动器150通过从螺旋桨的桨距角控制装置140接收用于控制桨距角的控制信号，并根据所接收的控制信号调节促动器行程(stroke)的位置从而对可变桨距螺旋桨160的桨距角进行调节。

可变桨距螺旋桨160为安装于船舶100并通过螺旋桨的桨距角控制装置140的控制来使桨距可变的螺旋桨。可变桨距螺旋桨160以使升力和推力向相同的方向起作用的方式安装于船舶100。可变桨距螺旋桨160安装于船舶100而向船舶100提供推力，并通过螺旋桨的桨距角控制装置140的控制来控制桨距角，从而与桨距一同改变螺旋桨的转速。

作为安装有可变桨距螺旋桨160的移动体，图1中示出船舶100，但并不局限于此。只要是可变桨距螺旋桨160以使升力和推力向相同的方向起作用的方式得到安装，则除了船舶100之外，还能够以任何移动体来代替船舶100。但是，为了便于说明，以下将移动体特定为船舶来进行说明。

图2为示出本发明一个实施例的螺旋桨桨距角控制装置的构成的构成图。

参照图2，本发明一个实施例的螺旋桨的桨距角控制装置140包括通信部210、模式(mode)判断部220及控制部230。

通信部210从各个传感器接收感测值，并向促动器150传送控制部230的用于控制螺旋桨的桨距角的控制信号。通信部210从船体速度检测传感器110接收船体的当前速度值，从转速检测传感器120接收螺旋桨的转速值，并从速度控制检测传感器130接收速度控制值。此外，通信部210从控制部230接收用于控制螺旋桨的桨距角的控制信号而将其向促动器150传送。通信部210可利用有线或无线通信来与各个传感器110、120、130及促动器150相连接而收发各个感测值或信号。

模式判断部220利用速度控制值来对船舶100所要工作的模式进行判断。模式分为自动模式和手动模式。自动模式为如下的模式，即，螺旋桨的桨距角控制装置140利用从传感器接收的感测值来自行运算出攻角，并以使攻角维持在预设范围内的方式自行控制螺旋桨的桨距角的模式。手动模式为螺旋桨的桨距角控制装置140并不另行对螺旋桨的桨距角进行控制的模式。螺旋桨的桨距角控制装置140还具备手动模式的原因如下。在螺旋桨的桨距角控制装置140以自动模式进行工作的情况下，当船长有意图地要利用速度控制单元(加速器)进行加速时，可能发生为了将攻角维持在预设范围内而对船舶进行减速的情况。这样，即使在船长有意地利用速度控制单元来对船舶的速度进行控制的情况下，若螺旋桨的桨距角控制装置140以自动模式进行工作，则可能发生与船长的意图不同地控制船舶的情况。为了防止这种问题，螺旋桨的桨距角控制装置140具备自动模式和手动模式。模式判断部220根据速度控制值是否超过预设基准值来区分模式。速度控制值超过预设基准值的情况是指船长有意地要利用加速器进行加速的情况或要利用制动器进行减速的情况。若在这种情况下，则如前所述，船舶100以手动模式进行工作会更加有效。因此，在速度控制值超过预设基准值的情况下，模式判断部220判断以手动模式进行工作。相反，若是速度控制值不超过预设基准值的情况，则并非为船长要有意地控制船舶100的情况。因此，在速度控制值不超过预设基准值的情况下，模式判断部220判断以自动模式进行工作。

在模式判断部220判断以自动模式进行工作的情况下，控制部230利用船体的当前速度值及螺旋桨的转速值来运算攻角(angleofattack)。攻角并非单纯地表示与胴体相接的翼的角度，而表示因飞机的进行速度和飞机上升或下降而产生的相对的空气的合成角度。在螺旋桨的情况下，攻角表示合成了飞机或船舶的前进速度和螺旋桨的转速的风(相对风，relativewind)的角度。其示在图3。

图3为示出船体速度及引擎的转速与攻角之间的关系的图。

相对风表示对船体的速度和螺旋桨的转速进行合成的向量的反方向，攻角表示相对风与螺旋桨的转速形成的角度。攻角与船体速度成比例，从而随着船体速度的变大而变大，并与螺旋桨的转速成反比，从而随着螺旋桨的转速变大反而变小。这样，控制部230利用船体的当前速度值及螺旋桨的转速值来运算攻角。

控制部230以使攻角在预设范围内保持一定的方式控制螺旋桨的桨距角。控制部230使攻角在预设范围内保持一定的理由如下。

[数式1]

在此，ρ表示空气密度，g表示螺旋桨的推力系数，n表示螺旋桨的旋转数，d表示螺旋桨的直径。在此情况下，以往的航空器作为长途航行的航空器，不像在市内行驶的汽车那样反复走走停停，而是若上升到规定的轨道则以恒定的速度行驶。因此，使用于以往航空器的(可变桨距)螺旋桨控制装置为以通过使n(螺旋桨的旋转数)始终保持最大值来具有最大推力的方式控制螺旋桨的桨距角的装置。相反，与以往的航空器不同，本发明一个实施例的船舶100的速度变化多种多样，因而若使n保持恒定，则伴随副作用。因此，本发明一个实施例的螺旋桨的桨距角控制装置140使g(螺旋桨的推力系数)保持具有最佳效率的值，从而使船舶100以最佳效率来行驶。如在前面参照图1进行的叙述，螺旋桨160以使推力和升力向相同的方向起作用的方式安装于船舶，因而螺旋桨的推力系数随着升力系数的控制而一同得到控制。参照图4来对控制部230以具有最佳效率的方式控制升力系数的方法进行说明。

图4为示出攻角与升力系数及阻力系数之间的关系的图表。

图4中所示出的图表示出针对特定翼型(airfoil)的攻角与升力系数及阻力系数之间的关系。图表的x轴表示攻角的大小，图表的y轴表示升力系数(cl)410、阻力系数(cp)420或两项之比(升力与阻力之比，l/d)430的大小。作为作用于船舶的力量，升力越大越好，且阻力越小越好。即，当产生最小的阻力且最大的升力时，船舶可具有最佳效率。但是，可从图4所示的图表中看出，随着升力的上升，阻力也上升，攻角在特定值以上的情形下，阻力的增幅大于升力的增幅。因此，并不优选无条件地使升力上升，当两项之比处于最佳时，船舶的效率最大。具有图4中所示的图表特性的翼型在攻角约为2度(440)时具有最佳的两项之比。控制部230以使两项之比在从具有最佳值的两项之比的攻角具有预设误差的范围，即，在预设范围内保持一定的方式控制螺旋桨的桨距角。根据图4中所示的图表特性，控制部230以使攻角在2度附近保持一定的方式控制螺旋桨的桨距角。

在船体的速度或螺旋桨的转速发生变化的情况下，攻角发生变化。在船体的速度随着因船长或在船舶行驶的位置上的流速加快而增加的情况或螺旋桨的转速因船长而减少的情况下，攻角比具有最佳两项之比的攻角变大，因而可能脱离预设范围。在攻角变大而脱离预设范围的情况下，控制部230为了使变大的攻角重新恢复到预设范围内而对螺旋桨的桨距角进行控制。控制部230以如下方式进行控制：减少螺旋桨的桨距角来增加螺旋桨的转速，从而重新减少变大的攻角来使其保持在预设范围内。相反，在船体的速度随着因船长或在船舶行驶的位置上的流速变慢而变慢的情况或螺旋桨的转速因船长而增加的情况下，攻角比具有最佳两项之比的攻角变小，因而可能脱离预设范围。在攻角变小而脱离预设范围的情况下，控制部230为了使变小的攻角重新恢复到预设范围内而对螺旋桨的桨距角进行控制。控制部230以如下方式进行控制：通过增加螺旋桨的桨距角来减少螺旋桨的转速，从而使变小的攻角重新增加来使其保持在预设范围内。这样，控制部230通过控制螺旋桨的桨距角来调整攻角，由此使攻角稳定地维持在具有最佳两项之比的攻角附近(预设范围)。

如参照图4来进行的说明，控制部230生成用于控制螺旋桨的桨距角的控制信号来向通信部210传递。控制部230通过向通信部210传递控制信号来以使通信部210向促动器150传递控制信号的方式进行控制。

图5为示出本发明一个实施例的螺旋桨桨距角控制装置控制螺旋桨的桨距角的方法的流程图。参照图2至图4来对此进行了说明，因而将省略详细的说明。

螺旋桨的桨距角控制装置140从传感器接收速度控制单元的速度控制值(步骤s510)。

螺旋桨的桨距角控制装置140对所接收的速度控制值是否超过预设的基准值进行判断(步骤s520)。

在速度控制值不超过预设基准值的情况下，螺旋桨的桨距角控制装置140从船体速度检测传感器110及转数检测传感器120接收螺旋桨的转速及船体的速度值(步骤s530)。

螺旋桨的桨距角控制装置140利用所接收的感测(sensing)值来运算攻角(步骤s540)。

螺旋桨的桨距角控制装置140以使攻角进入预设范围内的方式控制螺旋桨的桨距角(步骤s550)。

图5中以依次实施各个步骤为例进行了说明，但这仅仅为对本发明一个实施例的技术思想的例示性说明。换言之，只要是本发明一个实施例所属技术领域的普通技术人员，就可在不脱离本发明一个实施例的本质特性的范围内通过变更图5中记载的顺序来实施或并列实施各个步骤中的一个以上的步骤等以多种方式修改及变形来适用，因而图5并不局限于时序。

另一方面，在图5中所示出的多个步骤在可由计算机读取的记录介质内可由计算机读取的代码来体现。可由计算机读取的记录介质包括存储可由计算机系统来读取的数据的所有种类的记录装置。即，可由计算机读取的记录介质包括磁存储介质(例如，只读存储器、软盘、硬盘等)、光学读取介质(例如，cd-rom、dvd等)及载波(例如，通过互联网传输)等存储介质。此外，可由计算机读取的记录介质中可存储有分散于通过网络连接的计算机系统中并可由计算机以分散方式读取的代码，在上述可由计算机读取的记录介质中的上述代码是可执行的。

以上说明仅仅为对本实施例的技术思想的例示性说明，只要是本实施例所属技术领域的普通技术人员，就可在不脱离本实施例的本质特性的范围内进行多种修改及变形。因此本实施例并非要限定本实施例的技术思想而是用于说明本实施例，本实施例的技术思想的范围并不局限于这种实施例。本实施例的保护范围应由以下权利要求范围来进行解释，与其等同的范围内的所有技术思想应被解释为包含在本实施例的权利要求范围内。

(对相关申请的交叉引用)

针对2016年08月08日在韩国申请的专利申请号第10-2016-0100617号，若根据美国专利法第119(a)条(35u.s.c§119(a))主张优先权，则其所有内容则作为参考文献合并于本专利申请中。此外，若本专利申请以与上述理由相同的理由在除美国之外的其他国家主张优先权，则其所有内容则作为参考文献合并于本专利申请中。