CN102015438B - 为船提供大直径螺旋推进器的方法及具有大直径螺旋推进器的船 - Google Patents

Abstract

为了能使用在船的基线(11)下面延伸的大直径推进器(20)，将螺旋推进器(20)包括在推进器装置或箱装置(6)中，形成集装箱化的推进装置(6，60)，该集装箱化的装置安装在船体(10)上，该螺旋推进器(20)位于形成船尾波浪顶峰(40)的船尾板(13)后面的一距离处，该船尾板(13)具有至少一个与集装箱化的装置(6)连接的大致垂直的凹部(13’)，使该集装箱化的装置(6)可从正常的巡航位置倾斜至只有回转的螺旋推进器(20)的一小部分位于船体(10)的基线(11)下面的位置，优选是回转的螺旋推进器(20)没有位于船体(10)的基线(11)下面的部分的位置。

Description

为船提供大直径螺旋推进器的方法及具有大直径螺旋推进器的船

技术领域

本发明涉及提高推进效率和在船上的舒服感觉的方法。

本发明还涉及具有使推进效率和在船上的舒服感觉都提高的推进器装置的船。

这里所用的术语“船”表示海船，通常具有足够尺寸以承载自己的小船，例如救生船、舢板或汽艇。所用的经验法则为“小船可装在船上，而船不能装在小船上”。

另外，这里所用的术语“船尾板”表示形成船舶的船尾的表面。船尾板可以为平的或弯曲的，或者可以为垂直的，向前倾斜(称为retrousse’)或船尾倾斜的。船尾板的底尖端可以近似地在水线上，这种情况下，船的船尾称为“船尾板船尾”，或者船体可连续，使得在船尾板处结束之前，中心线正好在水线之上，这种情况下，称为“悬伸艉”。

背景技术

船舶设计者面对的一个问题是保持船体振动在可接受的水平。过大的振动不但造成船舶中的不愉快噪声，而且还造成船结构的危险应力。另外，造成船体振动的力还可引起其他不希望的效果。

现今船体振动问题比过去产生得更多，因为船通常更大且功率更大。功率增大造成引起船体振动的激励力增加，而尺寸增大使船体更易由这些力引起振动。

船体振动的主要原因是作用在船体上处于推进器之上的由推进器产生的水的压力波动。由于在横跨推进器盘即被推进器叶片扫过的区域中尾流的变化，当推进器转动时，叶片的负荷变化很大。在常规的单一螺旋船尾结构中，推进器盘上的最大尾流可以为该处最小尾流的八倍大。当推进器转动时，快速改变推进器叶片上的负荷的一个效果就是：在水中产生激励船体振动的强大压力脉冲，及可引起推进器叶片的严重气穴腐蚀。

在常规的船中，船尾轮廓在推进器上方朝后弯曲成弧，然后向上弯曲形成船的船尾末端。为了在推进器和处在推进器之上的船体部分之间形成大的间隙，这种弯曲形状是必需的，为了缓和水中由推进器激励的压力波动对船体的作用以及为了与由船的其余部分产生的尾流模式一致，该大间隙是必需的。作为船尾框架铸件，通常这种弯曲形状形成为整体。对于总载重吨位为400000的船，船尾框架可为50英尺(15m)高且重量为600吨。这制造起来极其昂贵，并且当运抵船坞时，常常会被扭曲，因此必需焊接另外的件来校正其形状。

US3983829建议通过制造邻近船尾的复杂轮廓来解决这个问题，该轮廓可改善尾流模式，因而可与大直径的推进器适应。众所周知，通过减小轴的转数和增大推进器直径可改善推进效率。然而，如上所述，US3983829建议的设计非常复杂，因而很昂贵，这也许就是为什么从1974年已知的这个设计在市场上没有取得成功的一个原因。

发明内容

本发明的目的是使用大直径螺旋推进器提高推进效率和在船上的舒服感觉，这目的可通过提供一种为总载重吨位至少为10的船在船体的船尾处提供回转的螺旋推进器的方法和一种总载重吨位至少为10且包括船体、具有船尾板的船尾和螺旋推进器的船来达到。

对所述问题的上述解决方法可以容易地增大推进器直径而不增加所引起的对船体的压力脉冲，因此可提高推进效率和增加在船上的舒服感觉。

另外，本发明的优点和各个方面通过上述方法和船以及下述说明将会清楚。

本发明的为总载重吨位至少为10的船在船体的船尾处提供回转的螺旋推进器的方法包括：确定船的设计水线和船体的基线；确定水线和基线之间的垂直距离；其中：选择螺旋推进器的直径，使其至少为0.5m且为所述垂直距离的50-200％；将螺旋推进器设置在推进装置中，借助模块化壳体使推进装置集装箱化，模块化壳体包围着用于操作推进装置的设备；在船体的船尾板中提供至少一个大致垂直的凹部，该凹部成形为用于接收模块化壳体，以及利用布置成使模块化壳体倾斜的倾斜机构将模块化壳体倾斜地安装在所述凹部中，从而能够使螺旋推进器在至少两个不同的位置之间移动/倾斜，每个位置使推进器位于船尾板后面一距离处。

本发明的总载重吨位至少为10且包括船体、具有船尾板的船尾和螺旋推进器的船具有：船的设计水线；船体的基线；和水线和基线之间的垂直距离；其中：螺旋推进器的直径至少为0.5m且为所述垂直距离的50-200％；螺旋推进器被提供为借助模块化壳体集装箱化的推进装置，模块化壳体包围着用于操作推进装置的设备；船尾板包括至少一个大致垂直的凹部，所述凹部成形为用于接收模块化壳体和布置成使模块化壳体倾斜的倾斜机构；模块化壳体倾斜地安装在所述凹部中，使得螺旋推进器能够在船尾板后面的至少两个不同的位置之间移动/倾斜，至少一个所述位置使推进器定位成：当以巡航速度推进该船时，推进器浸没在船尾波浪的顶峰之下。

附图说明

下面参照优选实施例和附图更详细地说明本发明。

图1为船的优选实施例的示意性侧视图，该船具有根据本发明的包括在集装箱化的推进装置中的回转的大直径螺旋推进器，

图2为具有在正常工作位置的集装箱化的可倾斜装置的图1所示的船的船尾的简化的示意性侧视图，

图3为与图2相似的简化的示意性侧视图，但该集装箱化装置在倾斜位置，将推进器叶片尖端旋转至船的船体的基线高度，

图4为表示集装箱化装置倾斜时的运动的原理草图，

图5为从后面看的基于根据图1的设计的双推进器船的图，一个螺旋推进器在正常工作位置，另一个被该集装箱化装置倾斜而提升，

图6为从上面看的图5所示的双推进器船的船尾的示意图，它特别表示多个液压控制的柱螺栓，和

图7为将该集装箱化的可倾斜装置的集装箱锁紧在船的船尾板的凹部中的图6所示的一个液压控制的柱螺栓的横截面的部分放大图。

具体实施方式

图1表示船1的示意性侧视图。船1具有船体10、船头12、船尾14和船尾板13，船体11带有基线11。在船尾14配置包括推进器20的推进装置2。发动机或电机24驱动推进器20。图1还表示水线16(即，与船1的当携带供其使用的“标淮负荷”时的水线相应的“设计水线”)。另外，还表示船1浮在水4中。水4的表面40也示意性地表示为当船1以巡航速度推进时，在船体10的船尾板13后面的一距离处形成的上升波浪的顶峰41。

为了正确操作推进装置6，优选该推进装置6为“集装箱化的”，即它们包括本身为包围着设备的模块化壳体60的“集装箱”。图1和5所示的船体设计在船尾板13处包括用于推进装置的集装箱60的大致垂直的凹部(recesses)/凹处(pockets)13’的结构(见图5和7)。每一个集装箱或壳体60具有邻近其下端安装的相应的推进器装置或箱装置(pod unit)6，并且它垂直延伸越过船尾板13并配合到具有倾斜的前壁13”的凹部/凹处13’中(见图2和3)。在凹部/凹处13’中，壳体/集装箱60可在推进器20的尖端在基线11以下延伸的位置(图2)和推进器20的尖端不在基线11以下延伸的向上倾斜位置(图3)之间倾斜。由于根据本发明的结构，可以使用有许多优点的较大的推进器20。另外，该结构还容易使推进器装置或箱装置6定位在推进器20位于离船尾板13一距离的位置，这还有许多优点。

如图1-3所示，将推进器20安装在位于船体10的船尾板13后面一距离处。选择在船尾板后面的该距离，使推进器20相对于上升的船尾波浪的顶峰41基本上在中心，这在一些情况下有附加的优点，但考虑本发明的基本原理，这种位置不是限制性的。

在现有技术的设计中，通常推进器的直径至多大约为基线11和水线16之间的距离H的80％，因为首先，推进器不会在基线11以下延伸，其次，在推进器尖端和船体之间必需有足够大的间隙以便不产生振动，和第三，在表面40和推进器尖端之间必需有一定距离，以不吸入空气。

由于本发明的结构，如图1-3所示，使用外直径比传统大很多，即有时可能比基线11和自重水线16之间的距离H还大的推进器20是可行的。这样可理解，本发明可用于各种船，例如从总载重吨位为10(优选总载重吨位至少100)至总载重吨位为500000，即，使用较大的推进器，例如直径为0.5-15m的船。主要关注于海上航行的商船，这时本发明在成本和环境方面有巨大的正面影响。结果，由于推进器直径较大，功率输出大得多。根据本发明，仅利用这个参数，输出效率可提高7-15％。另外，推进器20的优选位置消除了振动对船体10的任何主要影响，这又可改善舒适性和消除某些传统的设计限制。此外，对推进器20上的负载也有积极效果，因为与放置在船尾板13的前头相比，船体10可设计成在这个位置产生较少的振动。对于以巡航速度航行的中等尺寸的船，在顶峰41比周围表面40高得多、大部分高出约1-1.5m的实施例中，可以使用特别大的推进器20。

在图1所示的设计中，推进装置为转动的推进器，例如箱装置6。本发明的概念主要用于推动箱式推进器和可转动的推进器，但也可用于拉动装置和非转动的推进器。结果，可以使用非常大的推进器20，该推进器的上端靠近自重水线16，但由于船尾波浪41，它在巡航速度下可安全地浸没在水中。如在箱装置6中很通常一样，可以形成垂直延伸的部分30’作为舵。在一些应用中，可在基线11和水线16之间的高度H的约85-100％范围内选择推进器20的直径D1。然而，在图3所示的实施例中，推进器20可设计成大得多，即，使D1大于100％H，例如约为130％。如果希望的话，这可通过与控制系统结合达到，该控制系统包括比推进器尖端突出更深且放置在船1的船头12附近/在船头12上的安全销18。这个系统更详细地结合图5说明。

图2为图1所示的船的船尾14的简化的示意性侧视图，它表示处于正常工作位置的集装箱化的可倾斜装置6的详细结构。集装箱或壳体60基本上是垂直的并安装在船尾板凹部或凹处13’中，具有允许集装箱化的推进器倾斜的向前倾斜的前壁13”。优选的是，装置6设计成具有足够大的浮力以浮起，这有一些优点，例如在更换/安装装置6时可用小船将它拖到希望的位置进行更换/安装。为了能够运动/倾斜，在前壁13”的凹处63内配置倾斜机构62，例如液压活塞。由于能够倾斜，又由于在深水上推进的过程中，可使推进器延伸到基线以下，因此可使用比常规结构大的推进器。如图3所示，在浅水上，壳体60可倾斜至最下的推进器20的叶片尖端不延伸经过船的基线11的程度。该向前倾斜的前壁13”的斜度由集装箱化的推进器的期望坡度确定，并在船的计划和设计过程中决定。推进器优选可位于在船后面升高的船尾波浪的顶峰41的下面，和最下的推进器20的叶片尖端向下延伸，经过船体10的基线11。

图4为表示倾斜时集装箱化装置6运动的原理草图。集装箱化装置6包括直径为D和具有回转轴线20’的推进器20，并且集装箱或壳体60立在支承平面15上。可使推进装置6围绕大致垂直的轴线62转动的回转轴承61设在集装箱或壳体60的底部，并向着集装箱或壳体60的后壁移动。可允许集装箱化的装置6在凹部或凹处13’中倾斜的绕支点转动的轴线用63表示，并位于由集装箱或壳体60的前壁和底部形成的拐角处。在图4中，

A为支承平面15和推进器20的回转轴线20’之间的距离，

B为推进装置6的垂直回转轴线62和推进器20的中心平面之间的距离，

C为推进装置6的垂直回转轴线62和倾斜轴线63之间的距离，

D为推进器20的直径，

E为倾斜轴线63和支承平面15之间的距离，

F为当倾斜集装箱化的装置6时推进器叶片尖端被提升的垂直距离，和

α为倾斜角。

当倾斜角α约为10°时，推进器叶片尖端提升的垂直距离F约为0.15×D。图4清楚地表示推进器叶片尖端在其底部位置提升的垂直距离F如何取决于倾斜角α和A，B，C，D和E的尺寸与它们之间的关系。当然，增加推进器直径需要将推进器轴线20’安装在较低高度，以避免推进器叶片尖端在其正常的顶部位置(即倾斜前)穿透船尾波浪的顶峰而进入空气中。

图5表示从后面看的图，即，它表示根据本发明的船10装有一对推进器，但使用一个推进器也在本发明的范围内。

另外，图5表示本发明的一个实施例，它带有特殊的控制系统，如果船进入浅水区域，该控制系统可自动地向上倾斜壳体60。在船底11的前部，例如在球形弯曲部分上，安装一个/几个向下突出的长度为L的传动销18，使销18的末端定位在基线11下比推进器任何尖端在基线11下可达到的距离突出更深的足够大的距离。优选的是，销18是可缩进的或可绕支轴转动的或可伸缩的，以便需要时可“浸下”至港口中或浅水中。如果传动销18绕支轴转动，则送出信号至控制系统(未示出)，起动倾斜系统，使壳体60倾斜至与向前倾斜壁13”一致的位置，从而安全地使推进器20位于基线11之上。对于100m的船，控制顺序的时间范围在7节时约为28秒，这可看作是进行倾斜工作的好的时间余量，利用足够大功率的倾斜机构62容易在该时间范围内进行倾斜工作。在5节时，这个时间范围为大约39秒。然而，使集装箱化的推进器的倾斜与停止推进器的可能性综合，使推进器叶片在×位置，而不是+位置，以及使用辅助的推进装置，例如转下/上的推进器(未示出)，可以使用更大的推进器。这可增大推进器直径30-40％。这意味着运转的推进器的尖端在“基线”下的大约40％半径处。对于直径为5.3m的4叶片的推进器，这表示可以将直径增加至7m以上，而负荷为其原来负荷的一半。粗略地这可改善推进效率至少15％。

图6为从上面看的图5所示的双推进器船的船尾的示意图，它特别表示设在每一个凹处13’的侧壁13a，13b上的、用于将集装箱或壳体60固定在凹处13’中的至少两个位置(即正常的工作位置和倾斜位置)的多个可缩进的可控制的柱螺栓70。图6中表示在图7中示意性表示的柱螺栓70的圆圈区域，该螺栓具有可由常规作动器(例如未示出的液压或螺杆机构)轴向移动的活塞杆71。活塞杆71具有装载头部72的自由端，头部72具有锥形前部。凹处13’的侧壁13b带有匹配腔73，使头部72在凹部73内密配合，凹部73可容纳整个头部72。(另外，腔73也可有锥度，并且可以互相匹配，使得只有带锥度的头部72的一部分可以被推出腔73外)。集装箱或壳体60具有带凹部64的侧壁，该侧壁的锥度与有锥度的头部72的顶部的锥度匹配。该锥度保证集装箱化的推进器6确定地锁紧在凹部或凹处13’中的希望位置。为了便于松开有锥度的头部72与有锥度的腔73以及有锥度的凹部64的配合，分别设置将油或油脂喷射在有锥度的表面之间的通道74和65。

简而言之，利用本发明可得到下列优点：

●在给定的发动机功率供给下，通过增大推进器直径可减小在推进器盘区域上分布的负荷。实际上这表示当加速水时由于摩擦造成的效率损失减小和推进器从大气吸入空气的危险减小。

●另外，通过允许将推进器更向后放置，例如放置在船尾波浪的顶峰，吸入空气的安全系数进一步改善。

●又通过使推进器远离船体放置，可减小由推进器在船体上产生的负压(所谓推力减额因子)，这可与减小的水速度一起用于提高船体的效率。

●减小在船上的振动并改善舒服性。

●另外，以协同方式利用船体的总的波浪系统，即减小船体的总阻力。

●使用推进装置可改善灵活性。

使用“集装箱化的推进装置”的另一优点是可以容易/快速更换推进装置。这带来许多优点，例如若现有的装置需要维修，则不需停止即可以用另一个装置快速更换。还可根据/适应不同的需要使用不同的推进装置，如果使用模块化概念，则可提供许多不同的推进装置，根据相对于负荷的功率需要和/或速度需要等优化推进效率。

本发明不受上述例子的限制而可在所附权利要求书的范围内变化。例如，本领域技术人员从上述优点可知，本发明的基本原理不涉及在波浪情况下推进器的位置，而涉及推进器优选在船尾板后面的位置(即远离船体)处可以倾斜。还应了解，在些情况下，可以在集装箱化的推进器6前面放置舵。

Claims (18)

1.一种为总载重吨位至少为10的船在船体(10)的船尾(14)处提供回转的螺旋推进器(20)的方法，所述方法包括：

确定船的设计水线(16)和船体(10)的基线(11)；

确定水线(16)和基线(11)之间的垂直距离(H)；

其特征在于：

选择螺旋推进器(20)的直径，使其至少为0.5m且为所述垂直距离(H)的50-200％；

将螺旋推进器(20)设置在推进装置(6)中，

借助模块化壳体(60)使推进装置(6)集装箱化，模块化壳体(60)包围着用于操作推进装置(6)的设备；

在船体(10)的船尾板(13)中提供至少一个大致垂直的凹部(13’)，该凹部(13’)成形为用于接收模块化壳体(60)，以及利用布置成使模块化壳体(60)倾斜的倾斜机构(62)将模块化壳体(60)倾斜地安装在所述凹部(13’)中，从而能够使螺旋推进器(20)在至少两个不同的位置之间移动/倾斜，每个位置使推进器(20)位于船尾板(13)后面一距离处。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将推进器(20)安装在该船尾板(13)后面一距离处，使得推进器位于在船后面升高的船尾波浪的顶峰的下面。

3.如权利要求1所述的方法，其中，模块化壳体(60)能够在至少两个不同的位置之间倾斜，所述至少两个不同的位置包括：

巡航位置，在该巡航位置中，螺旋推进器(20)的至少一部分在基线(11)下面延伸，和

第二位置，在该第二位置中，螺旋推进器(20)的任何部分都没有位于基线(11)下面，并且模块化壳体(60)能够在所述至少两个不同的位置处机械地固定在船尾板(13)中的凹部(13’)中。

4.如权利要求3所述的方法，其中，在巡航位置中，当以巡航速度推进该船时，螺旋推进器(20)的至少一部分在设计水线(16)之上延伸，但浸没在上升的船尾波浪的期望顶峰(41)之下。

5.如权利要求1所述的方法，其中该推进装置(6)能够倾斜为5-20°的角度。

6.如权利要求1所述的方法，其中该推进装置(6)能够倾斜为5-15°的角度。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述推进装置(6)布置成具有足够的浮力以浮起，其中主要为在所述模块化壳体(60)中提供所述浮力。

8.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中螺旋推进器(20)的直径为所述垂直距离(H)的85-150％。

9.一种船，总载重吨位至少为10，包括船体(10)、船尾(14)和螺旋推进器(20)，该船尾(14)包括船尾板(13)，该船具有：

船的设计水线(16)；

船体(10)的基线(11)；和

水线(16)和基线(11)之间的垂直距离(H)；

其特征在于：

螺旋推进器(20)的直径至少为0.5m且为所述垂直距离(H)的50-200％；

螺旋推进器(20)被提供为借助模块化壳体(60)集装箱化的推进装置(6)，模块化壳体(60)包围着用于操作推进装置(6)的设备；

船尾板(13)包括至少一个大致垂直的凹部(13’)，所述凹部(13’)成形为用于接收模块化壳体(60)和布置成使模块化壳体(60)倾斜的倾斜机构(62)；和

模块化壳体(60)倾斜地安装在所述凹部(13’)中，使得螺旋推进器(20)能够在船尾板(13)后面的至少两个不同的位置之间移动/倾斜，至少一个所述位置使推进器(20)定位成：当以巡航速度推进该船时，推进器(20)浸没在船尾波浪的顶峰(41)之下。

10.如权利要求9所述的船，还包括固定装置(70)，该固定装置(70)设置成在所述两个不同位置将所述模块化壳体(60)固定在船尾板(13)中的凹部(13’)中。

11.如权利要求10所述的船，其中第一位置为正常的巡航位置，而第二位置为该螺旋推进器(20)的任何部分都没有位于基线(11)下面的位置。

12.如权利要求9-11中任一项所述的船，其中，该倾斜机构(62)设置成使该模块化壳体(60)倾斜为5-20°的角度。

13.如权利要求9-11中任一项所述的船，其中，该倾斜机构(62)设置成使该模块化壳体(60)倾斜为5-15°的角度。

14.如权利要求9-11中任一项所述的船，其中推进器(20)位于该船尾板(13)后面一距离处，并且，当以巡航速度推进该船时，使推进器(20)浸没在波浪的顶峰(41)之下。

15.如权利要求9-11中任一项所述的船，其中船的总载重吨位至少为100，壳体(60)能够枢转以允许壳体(60)从正常的巡航位置倾斜至推进器(20)的任何部分都没有位于基线下面的位置。

16.如权利要求9-11中任一项所述的船，所述船具有单一螺旋推进器(20)。

17.如权利要求9-11中任一项所述的船，所述船为双推进器船。

18.如权利要求9-11中任一项所述的船，所述船为多推进的船。