CN101585397B - 低燃料消耗的商业船舶 - Google Patents

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Abstract

在水线上方具有相对大上层结构的例如装运汽车的专用船舶、集装箱船或客船等的商业船舶在航行过程中倾向于受到空气阻力。当倾斜地逆风航行时，到目前为止需要影响舵角调节(制动舵柄)从而消除偏航力矩，同时造成了水线下面水阻力的额外增加。本发明的低燃料消耗商业船舶在水线上方具有上层结构，包括具有中空的近似半球形状到四分之一球形形状或部分圆柱形状的船头，其与驾驶台一体，并平滑延伸到船尾以减小空气阻力。所述低燃料消耗商业船舶还具有设置有通风井并且在上层船尾甲板上可旋转来减小空气中的偏航力矩的垂直尾翼，基本不需要舵角调节(制动舵柄)，并且因此减小水线下面的水阻力。

Description

低燃料消耗的商业船舶
技术领域
本发明涉及低燃料消耗的商业船舶。更具体地，本发明涉及在水线上方具有相对大上层结构的如主要以汽车运输船(PCC)、集装箱船或客船为代表的商业船舶，其设计用于不仅减小水线上方的空气阻力，而且减小水线下面的水的阻力。
背景技术
迄今为止已经提出应用水中改进的球曲形状船头以及相应地提高效果的多种减小水线下水阻力的商业船舶。但是，迄今为止，关于在水线上方具有相对大上层结构的并且对其的空气阻力不可忽略的类似汽车运输船(PCC)、集装箱船和客船的商业船舶，基本没有做出对策。该事实意味着很难减小空气阻力同时重视用于盛装货物的功能。
因此，本发明不仅通过依靠现有造船技术减小水线下面水阻力，而且通过以至少接近中空半圆的形状、接近四分之一球形的形状或圆柱形状形成水线上方的上部船头部分的上层结构，在该部分中容纳驾驶台等以减小空气阻力，在船尾上提供具有横截面对称形状的垂直尾翼，所述垂直尾翼结合有用于来自船内引擎的废气管的通风井，垂直尾翼可旋转并且可调节，并且根据需要，其后端用作前铰链的折片或副翼，并且进一步地，将前折片添加到垂直后翼，以减小由斜顶风或侧向风引起到船身的偏航力矩，并减小由舵角调节(制动舵柄)产生的水下阻力，并且依靠由垂直尾翼产生的升力将风力用作推动力进一步减小船身水线下面的水阻力，从而提供一种设计用于节约能量同时作为整体保持用于盛装货物的功能的低燃料消耗的商业船舶。
专利文件2
专利文件1和2涉及通过使用称为“空中翼板”的降落伞从而利用风力的设备，所述“空中翼板”类似帆船的帆，该设备的目的、结构和作用与本发明1不同，本发明1通过以空气动力学成形船头部分来减小空气阻力，并且其与本发明2也不相同，本发明2利用设置有通风井的后部垂直尾翼以抵消或减小逆风倾斜航行时产生的偏航力矩，从而减小由舵角调节(制动舵柄)产生的船身水线下面的水阻力。即本发明非常实际可行，可容易地实施，并且具有提供与风力强度无关的效果的明显不同的技术思想，并且具有与专利文件1和2的存在无关的创造性步骤。
非专利文件1
SHIN-AITOKUMARU作为新型帆船逐渐形成。该船具有竖立在甲板上的几个金属桅杆，从所述金属桅杆悬挂金属帆，并且类似传统的帆船利用风力。但是帆无人照管操作；即通过使用计算机自动操作。虽然该船可能比传统的大帆船更先进，但是甲板不可避免地具有减小的空闲区域，并且很难找到用于安装货物起重机的空间。因此，该非专利文件1的技术不可能用于在水线上方具有大上层结构的汽车运输船(PCC)和集装箱船。
以名称为SHIN-AITOKUMARU为代表的该类型机械大帆船在节约能量方面非常出色，但是几个曾经建造的测试船都没有任何后继者，表明海运商业不都对该类型的船感兴趣。
专利文件1：PCT WO2005/100147A1
专利文件2：PCT WO2005/100150A1
非专利文件1：维基百科，Shin-aitokumaru
由于其特殊的需要，传统的汽车运输船(PCC)、集装箱船和客船在水线上方具有相对大面积的上层结构，使得其很难减小空气阻力。另外，由倾斜逆风或侧向风产生的船身的偏航力矩必须通过舵角调节(制动舵柄)矫正，不可避免地造成航行时船身水线下面的水阻力的增加。在汽车运输船(PCC)和集装箱船中，进一步地，在船头部分处，基本根本没有集中在航行和演习功能以及锚定船身时需要的锚和绳索操作功能(前甲板功能)的考虑，船头部分到目前为止分为驾驶台和前甲板。在传统的运输船舶中，很难将上述任务付诸实践。
发明内容
现在将详细描述本发明。
根据本发明，船头部分以一个中空的近似四分之一球形到半球形状(包括两个台阶到三个台阶的圆形镜像形状或部分圆柱形状)形成，以减小空气阻力，并且驾驶台形成在其上方部分上。在下方部分中，还沿垂直方向靠近驾驶台设置有具有部分圆柱状的前甲板功能部分，所述前甲板功能部分具有通常开放或可根据需要打开和闭合的开放部，并且具有可由船身的前侧容纳的悬挂锚。此外，其中设置有通风井的垂直尾翼竖立设置在最上层甲板的后部上，以在其基本垂直的轴上旋转。将基本垂直竖立固定的通风井结合在具有横截面中对称形状的垂直尾翼中，以减小受到倾斜逆风时由用于矫正倾斜航行的舵角调节(制动舵柄)产生的船身水线下面的水阻力。在其中设置通风井时，垂直尾翼打开基本水平的平面。形成驾驶台的中空的近似半球形到四分之一球形部分可通过使用一组具有相同曲率半径的阴和阳模，并通过塑性加工切段的钢板制成。
因此，优点是可以通过将大或小的节段焊接在一起由造船工艺容易地制造大尺寸或小尺寸的中空的基本半球形到四分之一球形部分。
驾驶台为这样的形状：驾驶台两翼完全展开到船舶两侧，使前甲板操作能够正好在驾驶台下面进行，即在航行、靠近码头、离开码头或靠近或离开另一艘船舶的侧部时，便于驾驶台操作，并且使得易于管理所述操作船舶。
根据本发明，提供：
一种在水线上方具有小的空气阻力的上层结构的低燃料消耗商业船舶，其在水线上方具有小的空气阻力的上层结构，所述船舶包括：具有一个中空的接近四分之一球形到半球形的船头，所述船头在所述船头的前端处的上侧露出部分球形的顶部，并且具有外径大约与船舶宽度相等的下端；以及延伸到所述船头前端并且基本平行于船舶侧部基本延伸到达船尾的外壁(壳体)(第一方面)；
一种第一方面的低燃料消耗商业船舶，其中，所述上层结构沿船舶宽度方向在水线上方的截面为具有连续的两个肩部的凸曲线截面(方面2)；
第一或第二方面的低燃料消耗商业船舶，其中，所述船头的前上部为在水线上方具有平滑延伸到后继上层结构的上层结构的驾驶台(方面3)；
第三方面的低燃料消耗商业船舶，其中，所述驾驶台的前下部结构为部分球形，并具有适于船员观察并且适于操纵用于绞盘和停泊的齿轮的前甲板功能，并且设置有可打开和闭合的由透明玻璃和/或合成树脂制成的窗口，和基本平行于水线延伸的开放部分(20、20、20…)(方面4)；
第一到第四方面的低燃料消耗商业船舶，在后甲板上还具有由金属和/或合成树脂和/或碳纤维增强材料制成的垂直尾翼，以通过遥控调节其角度(方面5)；
第五方面的低燃料消耗商业船舶，其中，所述垂直尾翼在俯视图中的大致中心部分中设置有通风井，并且所述垂直尾翼还设置有可根据风向调节角度的前折片和/或后折片，所述垂直尾翼布置在后甲板上(方面6)；和
第五到第六方面的低燃料消耗商业船舶，其中，所述垂直尾翼部分由经编程的自动控制调节其角度，所述调节是通过使用计算机根据基于预收集数据所准备的并且具有学习能力的程序来完成的(方面7)。
当将本发明付诸实践时，获得下述效果。
(1)当在海洋上航行时，空气阻力可减小。
(2)到目前为止，当逆风倾斜航行时，必须通过抵消偏航力矩进行舵角调节(制动舵柄)来保持航行方向。但是根据本发明，在空气中通过利用垂直尾翼实现该目的，与传统船舶相比较，使得可能减小水线下面的水阻力。另外，由垂直尾翼产生的升力可转变为船身的推进力。
(3)所述操作便于在离靠码头、靠近船舷、离开船舷(離接舷)和上下卷绕锚时进行。
附图说明
图1是根据本发明实施例的汽车运输船(PCC)的立体视图；
图2A是本发明该实施例的侧视图；
图2B是本发明该实施例的平面视图；
图3是图2A的A-A剖视图；
图4是根据本发明实施例的风洞试验中流线的侧视图；
图5是根据现有技术的流线的侧视图；
图6是根据本发明该实施例的风向为30度时流线的平面视图；
图7是根据现有技术的流线的平面视图；
图8是根据本发明该实施例的风向为-30度时流线的平面视图；
图9是根据现有技术的流线的平面视图；
图10是用于风洞试验和用于说明的坐标系的示意图；
图11是根据本发明该实施例的垂直尾翼(船头方向为0度)的平面视图；
图12是根据本发明该实施例的垂直尾翼(根据船头方向将角度调节到β度)的平面视图；
图13是比较本发明该实施例和现有技术之间的偏航力矩系数CN的示意图；
图14是比较本发明该实施例和现有技术之间的船头和船尾风力系数CX的示意图。
图15是比较本发明该实施例和现有技术之间的侧向风力系数CY的示意图；
图16是示出本发明另一个实施例的立体视图；和
图17是现有技术(传统的装运汽车的专用船舶)的船身的立体视图。
附图中数字说明
10桅杆
11船身
12船头
13船尾
14最上层甲板
15驾驶台
16全体船员居住空间(住宿区)
17外部壳体
18在最上层甲板两侧的圆形部分(肩部)
19传统类型通风风扇
WL水线
20开口部
20D前甲板
21锚
22通风井
22A尾翼
22B前折片
23废气管
23C后折片
24船身挖切部分
25球形船头
26升力
27侧向力
28推进力
30稳流
31湍流
β船头方向和尾翼之间的角度
具体实施方式
现在将使用附图描述本发明的实施例。
实施例1
该实施例涉及将本发明的结构应用到汽车运输船(PCC)中的情况；本发明的结构在船头处为近似半球形，并且具有与最上层甲板的两侧上的半球直径大致相同的曲率。图1是根据本发明该实施例的汽车运输船(PCC)的立体视图，图17是传统的汽车运输船(PCC)的立体视图。
图2A是本发明船舶的船头的整体侧视图，图2B是其平面视图，并且图3是当最上层甲板的两侧部分沿船舶的宽度方向剖切时的示意性剖视图。
在该实施例的汽车运输船(PCC)中(图2A和2B)，当从其侧表面看时，半球形的下端在水线上方，并且不会造成水线下面的船身形状的变化。上部(圆顶部分)用于布置驾驶台(驾驶室)，并且其他部分用作用于装运汽车的部分。驾驶台的下部和相邻空间用于容纳用来升起锚和用于停泊的齿轮，或用作船舶的仓库。
参照对应于图1中半球形后部的船身11，半球的上半部分形成与半球直径大致相同曲率的船身，并且上端延伸到最上层汽车甲板的顶部。最上层汽车甲板的顶部上方的上部从形成部分驾驶台(驾驶室)和部分船员居住区空间(住宿区)的半球的顶部平滑延伸到甲板的天花板。
下半部分平滑延伸到半球后部的船身外壳体17。
根据现有技术(参见图17)，将几个具有变形矩形外部形状的通风风扇19布置在船舱(the hold)上方的甲板上。另一方面，根据本发明的该实施例(图1)，通气风扇尽可能避免全部露出。相反地，空气动力学成形的所有通气风扇布置在最上层甲板侧的圆形部分中。因此，可整体减小空气阻力，但是仍保持汽车甲板的通气功能。
风洞试验
接下来将首先根据风洞试验结果描述本发明该实施例的装运汽车的专用船舶在减小空气阻力方面有效的事实。
风洞试验通过使用属于九州大学应用机械研究所的风工程试验设施，大边界层风洞进行。该风工程设施具有15.0米长，3.6米宽和2.0米高的测量尺寸，并且可产生30米每秒的最大风速。由于考虑风洞的宽度，用于测试的模拟船舶以减小到1/75的比例构造，长度为1.8m(真正的船舶具有135.0米的水线长度)。
使用了下面三种类型的模型。
(1)本发明的实施例：将半球形应用到船舶船头的汽车运输船(PCC)的模型。
(2)现有技术：传统的汽车运输船(PCC)的模型。
(3)用于证明检验器的矩形平行六面体块。
该试验在10米每秒的风速下进行。使用三个固定在试验设施地板上的分力计(检验器)测量由所述风产生的风压力。当风来自前方时，风向为0度，并且直到+90度(风来自左侧)和直到-90度(风来自右侧)每隔10度进行测量。
偏航中心为船身中心。
为了显现流动，进一步地，试验通过冒烟法在1.0米每秒的风速下进行。待测试的汽车运输船(PCC)具有下述重要尺寸：
总长：139.9米
水线长度：135.0米
垂线之间的长度：131.0米
船舶宽度：22.4米
深度：29.6米
吃水深度：6.5米
将通过风洞试验获得的风力概括在以水面上的船身中心作为原点的船身固定坐标系上。
坐标系显示在图10中。
通过使用下述无因次系数概括风压力。
CX：船头和船尾风力系数CX＝FX/(0.5ρU2AF)
CY：侧向风力系数CY＝FY/(0.5ρU2AL)
CN：偏航力矩系数CN＝N/(0.5ρU2AL·L)
其中
FX：船头和船尾风力(kg)，
FY：侧向风力(kg)，
N：偏航力矩(kg-m)，
ρ：空气密度(kg·S2/m4)
U：风速(m/s)，
AF：前突面积(m2)
AL：侧突面积(m2)
L：水线长度(m)
下面描述试验结果。
图14示出船头和船尾风力系数(CX)。如果将现有技术与本发明的该实施例相比较，在本发明该实施例中的该系数通常很小。如果比较+30度和-30度之间的风力系数，则本发明的该实施例如下表所示减小系数CX。例如，对来自前方(0度)的风使系数CX减小30％，并对来自20度到30度倾斜方向的风使系数CX减小大于50％。
风角度(度)下CX的比率(本发明船舶/传统船舶)
Figure GSB00000863766200081
Figure GSB00000863766200091
这里，根据船舶的右侧和左侧比率不同。这是因为仅对标记为24的船身的后右侧进行挖切，形成当船舶沿码头驶来时用于汽车装船或卸船的倾斜通道门的结构。即，船尾的结构不是对称形状。也就是说，仅船舶的右侧具有翼的作用。
当以球形形状形成船头时，在风为倾斜逆风时，围绕前边转向的气流基本没有片状脱落。而且，当将最上层甲板的两侧以空气动力学成形时，气流的片状脱落更少。因此，本发明的船舶与传统船舶相比较遭遇通常减小的风力。
此外，在船舶旁边左侧45度至正对船侧的90度之间，本发明的船舶另外获得侧部风力(朝向船头的推动力)。这是因为，如上所述，右侧船尾为在平面视图上以三角形形状切割的结构(参见图1，2A和2B)，并且船身形成翼。因此，船舶在船右侧的+45度至位于相对侧的正对船侧的-90度之间不产生推动力。
在传统船舶中，从船舶左侧的70度到正对船侧的90度阻力基本为零，并且无法获得推动力。
图15示出侧向风力系数(CY)。如果将现有技术与本发明该实施例相比较，则通常趋势一致。但是在接近+/-90度时(风来自正对侧面)，本发明的船舶受到的风力减小了15％。
图13示出偏航力矩系数(CN)。从0度到接近+/-50度，本发明该实施例中的偏航力矩小于现有技术的。即，允许减小用于保持航行过程的舵角调节量(制动舵柄)，并且使减小的水的力(阻力)作用在舵上。
图4，5，6，7，8和9为从气流的显示记录的动态图像中获得的静态图像。
根据现有技术(图5)和本发明该实施例(图4)，对自前方的风，从船头前边缘流到最上层甲板的气流是不同的。在本发明的该实施例中，基本没有湍流，并且空气沿球形表面平滑流动。但是在现有技术中，在经过棱角而大面积地产生强旋涡之后，空气片状脱落。
对斜逆风，现有技术的船舶和本发明的船舶之间具有明显的差别。当风从船舶一侧吹向船舶另一侧时，传统的船舶在风的下游侧形成大的片状脱落区。但是本发明的船舶不形成片状脱落区。特别当风向为+/-30度时，传统船舶和本发明船舶之间的该差别变得极为显著。
实施例2
根据本发明的该实施例，在最上层甲板上方的空气流形成比现有技术小的片状脱落区。现在说明利用该本质的实施例。该实施例涉及在其中心部分附近设置通风井22，并且具有角度可参照图11，12和16进行调节的前折片22B和后折片23C的垂直尾翼22A。
该实施例涉及装运汽车的专用船舶，其在船头具有半球形状的上层结构，在最上层甲板两侧上具有与半球直径曲率大致相同的结构，进一步配备有遥控垂直尾翼。图1是本发明的汽车运输船(PCC)的立体视图。
图11是当本发明船舶的垂直尾翼设置有其角度可调节的前折片和后折片时的平面视图，并且图12示出了在垂直尾翼、前折片和后折片的角度调节时的空气流的平面视图。根据这些附图，升力由倾斜逆风产生。该空中升力被分为推动力28和用于减小船身偏航力矩的侧向力27。所述侧向力用于减小舵角调节(制动舵柄)，并且用于减小由制动舵柄产生的水线下面的水阻力。
根据该实施例，对作用在垂直尾翼上的力进行检测，并且通过使用计算机来控制垂直尾翼、前折片和后折片的角度，以在航行中获得最优推动力和最优侧向力27。
在造船业和海运商业中倾向于节约能量并且降低CO2的情况下，本发明由于利用传统技术的其结构和控制系统，使得可能满足需求，并且给长期在海洋上航行的船舶带来很多好处。

Claims (7)

1.一种低燃料消耗商业船舶，其在水线上方具有小的空气阻力的上层结构，所述低燃料消耗商业船舶的特征在于，
所述船舶包括：具有一个中空的四分之一球形到半球形的船头，所述船头在所述船头的前端处的上侧露出部分球形的顶部，并且具有外径大约与船舶宽度相等的下端；以及延伸到所述船头前端并且基本平行于船舶侧部基本延伸到达船尾的外壁。
2.根据权利要求1所述的低燃料消耗商业船舶，其特征在于，所述上层结构沿船舶宽度方向在水线上方的截面为具有连续的两个肩部的凸曲线截面。
3.根据权利要求1或2所述的低燃料消耗商业船舶，其特征在于，所述船头的前上部为驾驶台，该驾驶台具有如下上层结构：在水线上方平滑延伸到后继上层结构。
4.根据权利要求3所述的低燃料消耗商业船舶，其特征在于，所述驾驶台的前下部结构为部分球形，并具有适于船员观察并且适于操纵用于绞盘和停泊的齿轮的前甲板功能，并且设置有可打开和闭合的由透明玻璃和/或合成树脂制成的窗口，和基本平行于水线延伸的开放部分(20、20、20…)。
5.根据权利要求1所述的低燃料消耗商业船舶，其特征在于，所述船舶在后甲板上还具有由金属和/或合成树脂和/或碳纤维增强材料制成的垂直尾翼，以通过遥控调节其角度。
6.根据权利要求5所述的低燃料消耗商业船舶，其特征在于，所述垂直尾翼在俯视图中的大致中心部分中设置有通风井，并且所述垂直尾翼还设置有可根据风向调节角度的前折片和/或后折片，所述垂直尾翼布置在后甲板上。
7.根据权利要求5或6所述的低燃料消耗商业船舶，其特征在于，所述垂直尾翼部分由经编程的自动控制调节其角度，所述调节是通过使用计算机根据基于预收集数据所准备的并且具有学习能力的程序来完成的。
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