[发明专利]陀螺船横摇稳定器

说明书

一种陀螺横摇稳定器包括具有支撑框架的常平架和构造成维持低于环境压力的封壳、包括飞轮和飞轮轴的飞轮组件、用于将飞轮可旋转地安装在封壳内的一个或多个轴承、用于使飞轮旋转的马达以及用于冷却支撑飞轮的轴承的轴承冷却系统。对于较小的单元，该轴承冷却系统有效地使得具有小于40,000 lb in²的转动惯量的飞轮能够以5 rpm/s或更高的速率加速。对于较大的单元，该轴承冷却系统有效地使得具有大于40,000 lb in²的转动惯量的飞轮能够以2.5 rpm/s或更高的速率加速。

相关申请

本申请要求2018年5月31日提交的美国临时专利申请序号62/678,422和2018年11月16日提交的美国临时专利申请序号62/768,356的优先权，上述专利申请的公开内容通过引用整体地结合于本文中。

技术领域

本公开总体上涉及用于减小船的侧向横摇运动的船横摇稳定器，并且更具体而言，涉及用于基于陀螺效应来减小船的横摇的受控力矩陀螺。

背景技术

船的侧向横摇运动可能会对船上的乘客和船员造成安全问题，以及对不习惯于船的横摇运动的乘客造成不适。当前存在多种技术来减小船的侧向横摇运动。当前使用的一种技术是主动鳍稳定。稳定鳍在吃水线下方附接到船的船体，并产生升力，以减小由于风或浪引起的船的横摇。在主动鳍稳定的情况下，感测船的运动，并且基于船的运动来控制鳍的角度，以产生力来抵消横摇。鳍稳定最常用在大船上，并且当船在行进中时有效。鳍稳定技术不常在较小的船中使用，并且在船静止时通常无效。稳定鳍也会增加船体的阻力，并且易受损伤。

陀螺船稳定是基于陀螺效应的用于横摇抑制的另一种技术。控制力矩陀螺（CMG）被安装在船中，并产生可用于抵消船的横摇运动的扭矩。该CMG包括以高速旋转的飞轮。控制器感测船的姿态，并使用飞轮中存储的能量来“校正”船的姿态，这是通过对船体施加抵消船的横摇运动的扭矩。CMG不仅当船在行进中时工作，而且当船静止时也工作。CMG也不像稳定鳍那么贵，不会增加船体的阻力，并且不会暴露于损伤的风险。

尽管CMG越来越流行，特别是对于较小的渔船和游艇，但是该技术也具有一些局限性。用于抵消船的横摇运动的能量来自飞轮以高速率的旋转。因此，热会在支撑飞轮的轴承中积累，并且可导致轴承故障，由于飞轮中存储的能量，这对船造成极大的危险。为了获得高旋转速率，飞轮通常被包含在真空封壳中，这使得散热成为问题。

现有CMG的另一个问题在于使飞轮“起转（spin up）”、即获得其期望的操作速度要花费大量的时间。在当前市场上的某些CMG中，在CMG准备就绪之前可能需要长达70分钟。长的“起转”期意味着CMG无法用于持续时间短的旅行，这包括大多数的划船场合。飞轮“消转（spin down）”也需要很长时间，通常需要大约几个小时。在飞轮消转时，它会继续发出呜呜的噪声，在船已到达其在水上的目的地或者在划船一天后返回到船坞之后，这可能会破坏乘员的享受。

发明内容

本公开涉及一种用于船的陀螺横摇稳定器。该陀螺横摇稳定器包括：封壳，其安装到常平架并构造成维持低于环境压力（below-ambient pressure）；飞轮组件，其包括飞轮和飞轮轴；一个或多个轴承，其用于将飞轮组件可旋转地安装在封壳内；马达，其用于使飞轮旋转；以及轴承冷却系统，其用于冷却支撑飞轮的轴承。在一个实施例中，该轴承冷却系统包括散热器，该散热器被设置在飞轮轴的端部内形成的腔内。热从飞轮轴传递到该散热器，并且随后通过固体和/或液体传导来传递到热交换器。在另一个实施例中，通过将液体冷却剂输送到飞轮轴的端部中的锥形腔中来实现冷却。该腔被成形为使得离心力使该液体冷却剂流向该轴的开口端，在那里该液体冷却剂被流体收集系统收集。