本发明涉及一种用于船舶的推进系统，尤其涉及一种包括一个或更多个抽吸帆(suction sail)的用于船舶的推进系统。
背景技术
称为风力推进系统(WAPS)的用于船舶的推进系统的使用是已知的，其性能与它们能够产生的空气动力(升力)有关。
这些力与系统的空气动力学特性(例如其空气动力学系数)、系统的表面和存在的风速直接有关。
升力系数取决于两个主要变量：空气动力学轮廓的几何形状(不对称相对于对称)和迎角(定义为轮廓弦和气流方向之间的角度)。
第一变量是空气动力学轮廓的形状。对称的轮廓具有与轮廓本身的弦共线对称的轴线。当迎角为零时，这种类型的轮廓具有零升力系数，因为它不会在其周围的气流中产生任何不对称性，因此没有压差。
在空气动力学轮廓中增大不对称性会在轮廓周围的气流中产生压差，从而产生较高的升力系数。然而，这些不对称性几乎不能应用于WAPS，因为它们必须能够针对任何风向进行操作。
在实现不对称轮廓以增大升力系数时的主要限制在于WAPS的机械系统的高复杂性，这导致高成本和更大的重量。
第二个变量是迎角，其表现如下：对于等于零的迎角，气流在几乎没有湍流的情况下围绕空气动力学轮廓流动，因此升力几乎为零。
随着迎角增大，升力系数以线性方式增大。同时，从后缘开始出现湍流。
存在最大升力迎角，湍流及其效果与该最大升力迎角相关。
最后，在最大支持的迎角以上，产生称为失速的效果。这种现象是附着于轮廓的气流的突然分离，该突然分离导致升力的骤然减小。
在这种情况下，最大升力系数的限制与损耗、流动边界层的突然分离有关。
在风力推进系统(WAPS)中，刚性抽吸帆的使用是已知的。刚性抽吸帆的目的是通过控制由上述两个变量引起的效果来使升力系数最大化。
从迎角开始，如果轮廓周围的边界层的分离可以相对于迎角延迟，则可以获得更高的升力系数。这可以通过从轮廓的顶部抽吸气流来实现，确保气流保持附着在帆表面以用于高迎角。该过程详细描述如下：
(在没有抽吸的情况下)当达到最大升力的初始迎角时，拱背的气流中的一部分被吸入。
抽吸将边界层黏附到轮廓上，延迟失速，尽管抽吸增大了迎角，这意味着升力系数增大。
由于流的抽吸，分离点随着迎角(以及因此迎角)的增大而保持大致恒定。因此，在该流释放点之后，轮廓的结构和形状不是必需的，并且可以被消除，从而减小轮廓的尺寸。
最后，由于分离是通过抽吸控制的，因此轮廓的形状可以通过引入显著的不对称性来修改。实现这种效果的最佳解决方案是通过称为襟翼的“移动后缘”。该襟翼可以被定位在两个不同的位置(空气动力学轮廓弦的每侧上一个)，从而朝向一侧或另一侧产生不对称性，以适应任何风向。
刚性抽吸帆比刚性被动帆具有显著的改进：刚性抽吸帆增加了帆的升力系数，这提高了刚性帆在帆的每单位面积的推力方面的效率。这些改进具有许多优点：
升力系数越高，提供相同推力并因此提供相同燃料经济性所需的刚性帆的尺寸越小。
尺寸减小意味着结构材料的花费更少，每单位的生产时间更短，从而转化为更低的生产成本。
尺寸和所用材料的减小还降低了每单位的重量，对船的稳定性和存储容量具有积极的效果。其在重量上可以减少高达50％。
对于相同的可用甲板空间，较小的系统允许安装更多的单元，从而增加单个船舶的燃料消耗的最大潜在减少量。
较小的系统还意味着对可见度要求的影响较小。
另一方面，刚性抽吸帆还提供某些限制，其中大多数与抽吸系统本身相关。主要的限制是：
抽吸需要持续吸入空气的主动泵或风扇。这导致恒定的功耗以保持系统处于操作中。重要的是注意到，该功耗是由帆提供的推力的非常小的一部分。
刚性帆表面的应当执行边界层抽吸的区域具有特定的临界位置，并且确保刚性帆表面的其余部分被密封是非常重要的。
用于逆风的刚性抽吸帆的性能较低，因为在这种操作情形中，空气动力学阻力与推力有很大的相关性。
因此，刚性抽吸帆适用于具有以下特征的船舶：
具有有限的甲板空间的船舶。
具有减小的稳定性的船舶。
具有有限可见度的船舶。
没有支撑限制的船舶，因为该船舶不需要折叠系统。
渔船完全符合这些特性。
因此，本发明的目的是提供一种用于船舶的推进系统，该用于船舶的推进系统允许船舶使用抽吸帆优化其性能。
技术实现要素：
利用本发明的推进系统，解决了上述缺点，呈现了将在下面描述的其它优点。
根据本发明的用于船舶的推进系统包括至少一个抽吸帆，该至少一个抽吸帆包括所述抽吸帆、抽吸系统和用于驱动所述至少一个抽吸帆旋转的驱动单元，其中，至少一个抽吸帆还包括连接至控制单元的多个传感器，控制单元确定抽吸系统和驱动单元的操作。
这种操作可以是自主的或半自主的，即与机组人员具有非常少的交互。
有利地，这种多个传感器包括至少一个风传感器、用于抽吸帆的旋转的至少一个传感器、用于抽吸帆的襟翼的位置的至少一个传感器和/或至少一个抽吸传感器。
此外，控制单元优选地包括用户接口，以便用户与控制单元交互。
如果需要，推进系统还可以包括手动控制单元，该手动控制单元连接到抽吸系统和驱动单元，用于推进系统的手动控制。
有利地，所述抽吸帆包括刚性或柔性的外部涂层和设置有多个孔的抽吸区。
优选地，所述驱动单元位于抽吸帆的下端，并且所述驱动单元是由动力单元驱动的电动或液压驱动单元。
该抽吸帆还包括在其下端处的支撑结构，以支撑抽吸帆的重量并限制抽吸帆的横向运动。
根据可能的实施例，抽吸帆的下部包括倾斜支撑件，该倾斜支撑件允许抽吸帆相对于竖直方向倾斜，即抽吸帆相对于基本水平的轴线倾斜。
利用根据本发明的用于船舶的推进系统，可基于由所述传感器收集的数据自动地优化抽吸帆的操作。
当抽吸系统是单个风扇或多个风扇时，可以沿着抽吸区域调节抽吸以适应每个区域。
也可以形成多个抽吸区域，该多个抽吸区域产生压力梯度(并因此产生抽吸)以控制吸收的流。
它允许襟翼的(借助于马达和齿轮的、通过线缆的)运动/定位是主动的或被动的，以根据抽吸帆的(竖直)旋转而机械地定位在一侧或另一侧上。
附图说明
为了更好地理解所公开的内容，包括了一些附图，其中示意性地且仅作为非限制性示例示出了实施例的实际情况。
图1是结合根据本发明的推进系统的船舶的侧视图；
图2是在根据本发明的推进系统中使用的抽吸帆的侧视图；
图3是从根据本发明的推进系统中使用的抽吸帆的下方观察的透视图；
图4是在根据本发明的推进系统中使用的抽吸帆的俯视图，其中示出了抽吸系统；
图5是在根据本发明的推进系统中使用的抽吸帆的剖视图，其中示出了驱动单元和动力单元；
图6是根据替代实施例的在本发明的推进系统中使用的抽吸帆的底部的视图，其中，抽吸帆相对于基本水平的轴线倾斜；
图7是形成根据本发明的推进系统的部件的框图；以及
图8至图13是示出根据本发明的推进系统的不同控制方法的图。
具体实施方式
图1示出了包括根据本发明的推进系统的船舶2。
推进系统包括至少一个抽吸帆3，至少一个抽吸帆3包括外部涂层4，该外部涂层4可以是刚性的或柔性的，并且所述抽吸帆3可以绕其纵向轴线5旋转。
抽吸帆3还包括能够在不同位置之间旋转的至少一个襟翼6和设置有多个孔的至少两个抽吸区域7。
抽吸帆3还包括抽吸系统10以及至少一个驱动单元8，该抽吸系统10可以是风扇类型或等同的，以从轮廓的拱背抽吸部分气流，该至少一个驱动单元8可以是电动的或液压的，以旋转抽吸帆3，抽吸帆3设置有电动或液压动力单元18，电动或液压动力单元18驱动驱动单元8。
此外，抽吸帆3使用支撑结构17连接到船舶2的甲板，该支撑结构17可以包括齿轮机构或具有轴承的结构，其中支撑结构17能够支撑总重量并限制抽吸帆3的横向运动。
在图6中示出了替代实施例，其中，抽吸帆3的下部包括倾斜支撑件19，该倾斜支撑件19通过驱动马达20来允许抽吸帆相对于竖直方向倾斜，即，抽吸帆相对于基本水平的轴线倾斜。
如从图7中的框图可以看出，根据本发明的推进系统还包括控制单元9，用于根据从多个传感器12、13、14、15接收的信息自主地控制驱动单元8和抽吸系统10，或者如下所述借助于手动控制单元16手动地控制。
为此，用户可以使用控制单元9来调节由抽吸帆3提供的有效推进的自主模式或手动模式。
如所指示的，根据本发明的推进系统包括多个传感器，这些传感器选自以下：
-用于测量风速和风向的风传感器12，例如用于测量速度的风速计和用于测量方向的风向标，和/或用于测量船舶倾斜的惯性传感器/倾斜计；
-旋转传感器13，用于实时地知道抽吸帆3相对于船舶2的纵向轴线5的角度位置；
-位置传感器14，用于知道襟翼6在其可能的操作位置之间的位置；以及
-抽吸传感器15，该抽吸传感器15检测功率和/或压力，以知道由抽吸系统10通过经由抽吸区域7的孔进行抽吸而提供的抽吸功率，从而在抽吸帆3的内部区域与外部区域之间产生相应的压力差。
控制单元还包括：
数据收集系统；
处理器；
自主控制逻辑；
驱动系统，该驱动系统向动力单元和抽吸系统发送驱动信号；
控制/监督人机接口，即，用于引入自主控制并监测所获得的结果的控制通信系统；
用于手动驾驶的人机接口。
由这些传感器12、13、14、15形成的数据收集系统允许监测环境变量(例如风、空气压力、温度和湿度)、操作变量(旋转速度、内部压力、流动方向)。
控制单元还允许监测参考系统(船舶)的变量，例如推进单元的特征(转数、流量、扭矩和推进力)、速度、位置和惯性单元。
控制单元9也负责产生用于预测性维护的系统健康指标，在该控制单元9中，所有数据被接收并被处理以获得最佳控制解决方案。
下面描述在本文件中公开的推进系统的使用的示例。
抽吸帆能够通过从拱背(帆的顶部/前侧)的边界层(帆的表面附近的空气区)抽吸一定量的空气来产生高的升力系数(空气动力)，这防止气流分离以及防止轮廓失速(不再产生升力的情况)。该抽吸通过一个或更多个抽吸区域进行，在帆内部产生低压区，该低压区从外部吸收空气。
边界层的尺寸，以及因此将被吸入的空气量，是雷诺数(Re)的函数：
雷诺数取决于：
-空气速度(V)。
-空气的密度(ρ)，该空气的密度(ρ)又取决于空气的压力(P∞)和空气的温度(T)。
-空气的动态粘度(μ)，该空气的动态粘度(μ)又取决于空气的温度(T)。
如果吸入较少的所需边界层，则这将导致边界层的分离。如果吸入较多的边界层，则将导致过度的吸入，因此消耗不必要的吸入功率。
为了能够有效且最佳地操作抽吸帆，避免不期望的分离和过度的功率消耗，必须精确控制待抽吸的边界层中的空气量，如我们所观察到的，该空气量随着每个时刻的速度、温度和空气压力是可变的。
为此，控制变量是所谓的抽吸压力系数(Suction Pressure Coefficient，SPC)，其定义为
其中：
P∞-是外部环境压力；
Pa-是抽吸压力或帆的内部压力；
控制逻辑的原理是控制真空马达以实现必要的Pa，从而获得用于所有操作条件的期望Cpa(设计)。
控制选项1：
图8中所示的该第一自主控制选项基于以下两组传感器的使用：
-用于测量风，特别是测量相对于船舶的船头的风速(V)和风向(β)的传感器。
-用于测量环境/大气条件，特别是温度(T)和压力(P∞)的传感器。
为了控制帆的旋转和襟翼的位置，控制系统遵循以下步骤：
-获取风向读数(β)。
–该风向(β)具有期望/目标帆的相关联的迎角(AoA)和期望/目标襟翼位置。根据帆设计和控制逻辑，在系统中预先定义(例如，列表)该关系β-AoA。
-控制系统将作用于致动器，以通过读取不同的旋转和位置传感器来使帆旋转并定位襟翼，以将其带到新的期望位置。
对于抽吸控制，控制系统遵循以下步骤：
-控制系统获取风速(V)、温度(T)和压力(P∞)的读数。
-计算密度(ρ)、动态压力(PD)和雷诺数(Re)。
-该雷诺数(Re)与期望/目标抽吸压力系数(Cpa)相关联。根据帆的设计和控制逻辑，在系统中预先定义(例如，列表)该Re-Cpa比。
-计算期望的压力增量(ΔP)。抽吸系统的操作曲线限定了提供一定ΔP的操作条件(例如，每分钟转数、功率...)。
-控制系统将作用在抽吸致动器上，以使抽吸致动器在产生期望ΔP的条件下操作(例如，每分钟转数、功率...)。根据帆的设计和控制逻辑，在系统中预先定义(例如，列表)ΔP-抽吸(每分钟转数，功率...)比。
控制选项2：
图9中所示的该第二自主控制选项基于以下三组传感器的使用：
-用于测量风，特别是测量相对于船舶的船头的风速(V)和风向(β)的传感器。
-用于测量环境/大气条件，特别是温度(T)和压力(P∞)的传感器。
-配备有压力传感器的皮托管。这些压力传感器中的一个测量动态压力(Pd)。其他传感器测量抽吸压力(Pa)和静态压力(P∞)之间的压差，从而获得船舶内部和外部之间的压力增量(ΔP)。一个或更多个压力传感器的存在允许将测量范围分成更小的子范围，将每个传感器调节到该子范围，从而提高测量精度。
为了控制帆的旋转和翼的位置，控制系统遵循以下步骤：
-获取风向读数(β)。
-风向(β)具有期望/目标帆的相关联的迎角(AoA)和期望/目标襟翼位置。根据帆设计和控制逻辑，在系统中预先定义(例如，列表)该关系β-AoA。
-控制系统将作用于致动器，以通过读取不同的旋转和位置传感器来使帆旋转并定位襟翼，以将其带到新的期望位置。
对于抽吸控制，控制系统遵循以下步骤：
-控制系统获取风速(V)、温度(T)和压力(P∞)的读数。
-计算密度(ρ)和雷诺数(Re)。
-该雷诺数(Re)与期望/目标抽吸压力系数(Cpa)相关联。根据帆的设计和控制逻辑，在系统中预先定义(例如，列表)该Re-Cpa比。
-获取由皮托管和压力传感器组件测量的动态压力(Pd)和压力增量读数(ΔP)。
-计算实际抽吸压力系数(Cpa)。
-控制系统将作用在抽吸致动器上(例如，每分钟转数、功率...)以将实际Cpa调节至期望/目标Cpa。
控制选项3：
图10中所示的该第三自主控制选项基于以下三组传感器的使用：
-用于测量风，特别是测量相对于船舶的船头的风速(V)和风向(β)的传感器。
-用于测量环境/大气条件，特别是温度(T)和压力(P∞)的传感器。
-各种压力传感器测量抽吸压力(Pa)。一个或更多个压力传感器的存在允许将测量范围分成更小的子范围，将每个传感器调节到该子范围，从而提高测量精度。
为了控制帆的旋转和襟翼的位置，控制系统遵循以下步骤：
-获取风向读数(β)。
-风向(β)具有期望/目标帆的相关联的迎角(AoA)和期望/目标翼位置。根据帆设计和控制逻辑，在系统中预先定义(例如，列表)该关系β-AoA。
-控制系统将作用于致动器，以通过读取不同的旋转和位置传感器来使帆旋转并定位襟翼，以将其带到新的期望位置。
对于抽吸控制，控制系统遵循以下步骤：
-控制系统获取风速(V)、温度(T)和压力(P∞)的读数。
-计算密度(ρ)和雷诺数(Re)。
-该雷诺数(Re)与期望/目标抽吸压力系数(Cpa)相关联。根据帆的设计和控制逻辑，在系统中预先定义(例如，列表)该Re-Cpa比。
-获取压力读数(P∞)、抽吸压力(Pa)、风速(V)和所计算的密度(ρ)。
-计算实际抽吸压力系数(Cpa)。
-控制系统将作用在抽吸致动器上(例如，每分钟转数、功率...)以将实际Cpa调节至期望/目标Cpa。
简化的控制选项：
图11中所示的控制方法的简化选项，适用于上述3个选项，包括消除温度(T)和压力(P∞)的大气条件的测量，以及获取温度(T)和密度(ρ)的预先定义的恒定值。
这简化了系统架构以及数据收集和处理。作为回报，(取决于所应用的控制选项)在确定期望/目标抽吸系数(Cpa)、期望/目标压力增量(ΔP)和/或实际抽吸系数(Cpa)时引入误差，这会导致在抽吸精度中引入误差，导致次优操作。
中间选项还可以是使用ISA(国际标准大气)等式，该ISA等式允许将温度、压力和密度的环境变量相关联。因此，通过用传感器仅测量三个变量中的一个，就可以计算另外两个。
作为示例，根据选项1，由控制系统执行的用于抽吸控制的步骤被详细描述：
-预先定义温度(T)和密度(ρ)值。
-获取风速读数(V)。
-计算动态压力(PD)和雷诺数(Re)，该动态压力(PD)和雷诺数(Re)现在仅取决于风速读数/随风速读数变化。
-该雷诺数(Re)与期望/目标抽吸压力系数(Cpa)相关联。根据帆的设计和控制逻辑，在系统中预先定义(例如，列表)该Re-Cpa比。
-计算期望压力增量(ΔP)。抽吸系统的操作曲线限定了提供一定ΔP的操作条件(例如，每分钟转数、功率...)。
-控制系统将作用在抽吸致动器上，以使抽吸致动器在产生期望ΔP的条件下操作(例如，每分钟转数，功率...)。根据帆的设计和控制逻辑，在系统中预先定义(例如，列表)ΔP-抽吸(每分钟转数，功率...)比。
控制选项4
图13中所示的这种替代控制方法，帆旋转和襟翼位置的控制逻辑的理论基础和原理与其它3种控制方法中详述的那些相同。
任何暴露于气流的空气动力学轮廓沿其表面产生压力分布(Pskin)。在轮廓两侧的压力分布之间的差异是产生轮廓空气动力(即升力和阻力)的原因。
如果确定表面压力(Pskin)，则将该表面压力(Pskin)转化为压力系数(CP)，其中压力系数定义为：
该分布(其形状和值)变得仅取决于迎角(AoA)。同时，升力系数(CL)也仅取决于迎角(AoA)，因此点的表面压力系数(CP)可以明确地与给出轮廓的升力系数(CL)相关联。
通过将其外推到抽吸帆，给定已知AoA，我们知道如果抽吸是足够的，则在给定点的表面压力系数(CP)应该是多少。如果低于该给定点的表面压力系数(CP)，则表示由于不充分的抽吸而导致轮廓失速。CP的这种差异发生在沿轮廓弦的任何点处，尽管优选的是选择压力变化更显著的点，以简化检测，该点接近轮廓前缘。在图12中可以看到对于各种迎角(AoA)的表面压力系数(CP)的这种变化。
控制逻辑的原理是控制真空马达以实现测量的CP等于所有操作条件下期望的(设计)CP。
图13中所示的这种自主控制选项基于以下三组传感器的使用：
-用于测量风，特别是测量相对于船舶的船头的风速(V)和风向(β)的传感器。
-用于测量环境/大气条件，特别是温度(T)和压力(P∞)的传感器。
-各种压力传感器测量帆表面上的一个或更多个相关点处的表面压力(Pskin)。一个或更多个压力传感器的存在允许将测量范围分成更小的子范围，将每个传感器调节到该子范围，从而提高测量的精度。
为了控制帆的旋转和襟翼的位置，控制系统遵循以下步骤：
-获取风向读数(β)。
-该风向(β)与根据帆设计在系统中预先定义的帆的期望/目标迎角(AoA)和期望/目标襟翼位置相关联。
-控制系统将作用于致动器，以通过读取不同的旋转和位置传感器来使翼旋转并定位襟翼，从而将其带到新的期望位置。
对于抽吸控制，控制系统遵循以下步骤：
-获取温度(T)和压力读数(P∞)。
-计算密度(ρ)。
-获取风速(V)、压力(P∞)和表面压力(Pskin)的读数，以及所计算的密度(ρ)。
-计算表面压力系数(CPskin)。
-获取风向读数(β)。
-该风向(β)与根据帆设计在系统中预先定义的帆的期望/目标迎角(AoA)和期望/目标襟翼位置相关联。
-迎角(AoA)与期望的目标表面压力系数(CPskin)相关联。
-控制系统将作用在抽吸致动器上(例如，每分钟转数，功率...)以将实际的CPskin调节到期望/目标CPskin。
尽管已经参考了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员清楚的是，在不脱离由所附权利要求限定的保护范围的情况下，所描述的推进系统易于进行多种变型和修改，并且所有提到的细节可以由其它技术上等同的细节替换。