CN102056793B - 为轮船提供大直径螺旋桨的方法和具有大直径螺旋桨的轮船 - Google Patents

Abstract

为了提高推进效率以及轮船乘坐舒适性，其中船身(10)在船身(10)的尾板(13)后方一定距离处形成上升波浪，并且螺旋桨(20)旋转地安装到所述船身(10)，与所述尾板(13)隔开一定距离，并且优选处于这样的水平，即使得螺旋桨(20)在以巡航速度推进轮船时，沉没在所述波浪的波峰(41)以下，从而允许使用大直径(D1)的螺旋桨(20)。所述轮船可以是单螺旋桨轮船、双螺旋桨轮船或者多重推进轮船。

Description

为轮船提供大直径螺旋桨的方法和具有大直径螺旋桨的轮船

技术领域

本发明涉及提高推进效率以及轮船乘坐舒适性的方法。

本发明还涉及一种具有提高推进效率以及轮船乘坐舒适性的螺旋桨结构的轮船。

背景技术

术语“轮船”在文中用于指代海洋船只，其通常具有足够大的尺寸来承载其自身小艇，诸如救生艇、充气艇或小气艇。所用的经验法则是“艇可以配装在轮船上，而轮船不可以配装在艇上”。

此外，术语“尾板”在文中用于指代形成船只的船尾的表面。尾板可以是平板或弯曲板，并且它们可以垂直、前倾(称为上翻)或后倾。尾板的底部末端可以大致处于吃水线上，在这种情况下，船只的船尾称为“方形船尾”，或者船身可以延续，使得中心线在终止于尾板之前适当处于吃水线上方，在这种情况下，船尾称为“悬伸船尾”。

轮船设计者面临的一个问题是将船身振动保持在可接受的水平。过大的振动不仅导致船只中出现令人不快的噪音，而且还可能对轮船结构产生危险的应力。此外，导致船身振动的作用力还导致其他不希望的影响。

船身振动问题在当今比过去更为严重，原因是轮船一般更大并且动力更大。动力增大导致使船身振动的激发力增大，并且尺寸增大使得船身更容易被这些力产生的振动所影响。

船身振动的主要原因是因螺旋桨产生的、在螺旋桨上方作用于船身的水压波动。由于穿过螺旋桨盘的尾流变化，就是说被螺旋桨叶片扫略出的区域存在变化，所以随着螺旋桨旋转，叶片承受明显的载荷变化。对于传统的单螺旋船尾构造，螺旋桨盘处的最大尾流可能是最小尾流的8倍。随着螺旋桨旋转，螺旋桨叶片上迅速变化的载荷的一个影响是在水中产生强烈的压力脉动，这种压力脉动将激发船身振动并且可能导致严重的螺旋桨叶片空隙腐蚀。

在传统轮船中，船尾轮廓为在螺旋桨上方向后卷曲成弧形，然后向上弯曲以形成轮船的尾部末端。这种弯曲形状对于在螺旋桨和处于螺旋桨上方的船身部分之间提供较大间隙是必要的，该间隙对于缓解螺旋桨在水中激发的压力波对船身的影响以及遵循轮船剩余部分产生的尾流模式是必要的。这种弯曲形状通常作为船尾框架铸件而形成一个部件。对于400000dwt的轮船来说，船尾框架可能有50英尺高并且重600吨。它制造起来极其昂贵，并且在到达船坞时，经常发现其发生扭曲，所以必须将额外的部件焊接到其上以校正其形状。

US3,983,829建议通过在船尾制作复杂轮廓来解决这个问题，制作复杂轮廓包括改进尾流模式并因此允许配装直径更大的螺旋桨。众所周知，可以通过降低轴RPM并增大螺旋桨直径来实现提高推进效率。但是，正如前述，US3,983,829建议的设计方案非常复杂，因此实际上非常昂贵，这也最可能是这种已知设计方案从1974年以来从未在市场上获得成功的一个原因。

发明内容

本发明的目的是提高推进效率以及轮船乘坐舒适性，这一目的根据附带的权利要求书所限定的本发明来实现。

针对所述技术问题的上述方案将有利于增大螺旋桨直径而不增大船身上的感生压力脉冲的可能性，并因此可能提高推进效率并提升轮船乘坐舒适性。

本发明进一步的优势以及其他方面将由独立权利要求以及以下描述来体现。

附图说明

在以下内容中，将参照优选实施方式和附图来更为详细地描述本发明。

图1是传统的现有技术方案的简略侧视图；

图2是具备根据本发明的推进结构的轮船的第一实施方式的简略侧视图；

图3是根据本发明的推进单元的第二实施方式；和

图4是根据本发明的实施方式的第三简略侧视图；

图5是根据图2的设计方案的轮船后视图。

具体实施方式

在图1中简略示出了根据现有技术的轮船1的侧视图。

轮船1具有船身1，船身具有基线11、船头12、船尾14和尾板13。在船尾14，布置有推进单元2，推进单元包括连接到螺旋桨轴21的螺旋浆20，螺旋桨轴又借助轴承22等旋转地固定到船身10。发动机24布置成驱动轴21。在螺旋桨20后部，布置有船舵3，船舵包括连接到舵杆31的铲形舵30，舵杆又旋转地固定到船身10的船尾14中。图中还示出了吃水线16(“设计吃水线”对应于承载用于其用途的“标准载荷”时轮船1的吃水线)。图中示出轮船1漂浮在水4中。图中简略示出了水4的表面40以及在以巡航速度推进轮船1时位于船身10的尾板13之后一定距离处存在的上升波浪的波峰41。如图所示，根据现有技术，螺旋桨的直径D通常最大占据基线11和吃水线16之间距离H的80％，原因是首先螺旋桨末端和船身之间必须存在足够大的间隙，以避免产生振动，第二，在水面40和螺旋桨末端之间必须存在一定的距离，以避免吸入空气。

在图2中，简略示出了根据本发明第一实施方式的轮船1的侧视图。相同的附图标记用于本发明，正如用于图1所示的轮船。因此，以下仅针对区别/新颖特征进行详细解释。较之如图1所示的传统轮船，螺旋桨20的直径D1更大。这是通过将螺旋桨旋转地安装到船身，位于船身的尾板13之后一定距离来实现的，其中尾板之后的距离选择地让螺旋桨20相对于船尾上升浪的波峰41来说，基本上居中。

由于将螺旋桨20定位在这样的位置，所以可以合理地采用外径D1远大于传统情形的螺旋桨20，如图2所示，即有时甚至可能大于基线11和固定负载(deadweight)吃水线16之间的距离H，原因是波峰41较之周围水面40处于更高的高度，对于以巡航速度航行的中等尺寸的轮船来说，大致高出大约1-1.5m。在这方面，应该理解，本发明适用于各种轮船，例如从10dwt(优选至少100dwt)到500000dwt的轮船，即使用相对巨大的螺旋桨例如直径0.5-15m的螺旋桨的轮船。实际上，主要的焦点在于远洋商用船只，此时本发明在成本和环境影响方面具有显著的积极作用。因此，可以实现更大的动力输出，原因仅仅是螺旋桨直径更大。实际上，根据本发明，仅凭该参数，可以实现大约7-15％的输出效率提升。此外，螺旋桨20的新颖定位将不再对船身10振动带来任何主要影响，而这又提供了改善的舒适性，并且实际上消除了传统设计方案中的一些制约。此外，针对螺旋桨上的负载，也存在积极影响，例如较之定位在尾板之前的情形来说，船身可以设计成在该位置产生更少的脉动。

为了实现螺旋桨20定位在后方位置，根据图2所示的实施方式，最靠后的螺旋桨轴承22由相对于尾板13基本上垂直定位的支撑结构23承载。因此，结构23将定位在螺旋桨20的前方。为了进一步提高效率，所述支撑件的轮廓可以形成(翼形)以向前产生推力。此外，所述轮廓可以用于形成一种协助进一步提高螺旋桨效率的预转/涡旋，而鉴于本发明，所述预转/涡旋可以以协同方式使用，因为直径更大的螺旋桨不像传统小直径螺旋桨那样在表面载荷方面存在限制，小直径螺旋桨通常表示水体的预转(总是由船身一定程度地形成，例如大约3％)因过载而未被利用。

此外，图2示出了船舵30可以定位在船尾14后方并且位于螺旋桨20后方。舵杆31旋转地固定在从尾板13突出的支撑平台32中，并适当高出水面40。但是，也可以采取其他措施(本身已知)，可能单独采取或者以任意组合，来实现低速下的操纵能力，例如轮船1可以布置有隧道助推器(未示出)和/或可旋转或不可旋转的助推器(参见图4，其中示出了上摆助推器5)。

在图3中，示出了根据本发明的第二实施方式的侧视图。与图2中一样，图中所示的许多特征与已经描述过的特征相同，因此不再赘述。相对于图2来说，主要的区别在于，图3中使用了可旋转的助推器，例如吊舱单元6。因此，在根据本发明的该实施方式中，也可以使用非常巨大的螺旋桨20，其上端接近固定负载吃水线16，但是鉴于船尾波浪41的原因，所述螺旋桨在巡航速度下可以安全的沉入水中。作为具有吊舱单元6的传统情况，其垂直延伸部分30’可以形成地作为船舵。这里，在某些应用中，螺旋桨20的直径D1可以在基线11和吃水线16之间高度H的大约85％-100％内的范围内选择。但是，在图3的实施方式中，示出了螺旋桨20甚至可以设计地更大，即D1大于H的100％，例如大约为130％。这种结果可以结合控制系统来实现，所述控制系统包括突出地比螺旋桨末端更深的剪断销18，所述剪断销定位在轮船1的船头12处/附近。这种系统参照图5进行更为详细的描述。

图3和5所示的船身构造优选包括位于尾板13处的结构，该结构包括成“容器”60形式的用于吊舱6的结合部/凹坑13’(见图5)，即具有配装在下端的吊舱6以及包括在壳体60中的周围设备的模块，该模块穿过尾板13垂直延伸，配装在凹坑13’中的。鉴于吊舱单元6定位在该位置，其螺旋桨20将定位地与尾板13隔开一定距离，从而基本上与波峰浪41的中心/峰部成直线。

在图4中，示出了根据本发明的进一步实施方式，大部分的特征与以上所述实施方式相同，因此不做赘述。相对于图2，图4中的主要区别在于，使用了包括突出支撑结构15的船身构造，所述支撑结构相对于尾板13向后突出。这种突出结构15用于旋转地配合吊舱单元6。而且在图4中，使用了具有向尾板13后突出一定距离的支撑结构15的船身设计。但是，突出单元2基本上沿着如图2所述的相同直线，即传统舱内驱动螺旋桨20。螺旋桨20使其轴21连接到支撑结构15，由此可以实现螺旋桨安全地定位在船尾波浪的波峰41中的适当位置。使用了传统类型的船舵3，即连接到舵杆31的铲形舵30，舵杆31定位在船尾，但是位于螺旋桨20前方的一定距离处。这里，图中示出布置有可收回的吊舱单元5，所述吊舱单元可以在轮船1处于低速时激活，以实现穿过船舵30的足够多的水流，从而也能在低速时实现转向功能。

在图5中，示出了后视图，即表示根据本发明的轮船10，但是装备有一对螺旋桨，即使用多于一个螺旋桨当然也落入本发明的范围内。

此外，图5描绘了与具体控制系统相结合的改进设计，如果轮船进入浅海，所述控制系统用于将叶片取向定位到预定的位置。在轮船底部11的前方部分，例如在球鼻船首上，安装有向下突出的“剪断销”18，所述剪断销的长度L使得销18的端部定位在基线11以下足够长的距离，以便伸出地距离超过螺旋桨任何末端可能达到基线11以下的距离h。优选，剪断销18布置成可以收回/可以摆动/可以伸缩，以允许其根据需要“下降”，例如在港口或浅水中。(也)可能仅仅在低于预设速度航行时，因为需要花费一些时间来停止螺旋桨20，以使其定位在安全位置，即叶片20’(由虚线示出)的末端不会突出地低于基线11。因此，本发明的构思优选可以结合低速使用因为这样将更容易提供充分的结构(离合器、制动机构等)，这些结构可以在制动所述销18的时间区间内处理螺旋桨20的止动和定位操作并让螺旋桨20到达那里。例如，许多应用可以限制到最高7节的速度。如果“剪断销”18剪断，则向控制系统(未示出)发送信号，将所述轴脱开并将所述轴的速度制动到零，并且将叶片20’定位在预定位置。对于100m的轮船来说，在7节的速度下，用于控制程序的时间区间可以是大约28秒。在5节的情况下，可能会是大约39秒。与本发明的其他参数相结合，后一种构思将允许螺旋桨直径增大大约30-40％，例如41.4％，如果不考虑与船身之间的间隙的话。这意味着运行着的螺旋桨使其半径的末端41.4％位于“基线”以下。对于直径为5.3m的4叶片螺旋桨而言，这意味着可以将直径增大到7.5m，而负载只是原来的一半。这将使得推进效率提高大约17％。

总之，利用本发明可以实现以下优势：

通过在给定发动机动力供应的条件下，增大螺旋桨直径，螺旋桨盘区域上分布的载荷将减小。在实践中，这意味着因使水加速产生的摩擦所导致效率损失减小，并且螺旋桨从大气中吸入空气的危险也减小。

而且，通过将螺旋桨定位在船尾波浪的波峰中，将进一步提高吸入空气的裕度。

而且，利用船尾波浪，鉴于水速度降低，可以实现更高的“船身效率”，这暗示推进冲量可能更高。

而且，通过将螺旋桨定位地远离船身，将减小螺旋桨对船身的吸引，所谓的推力减额因子连同降低的水流速度，也可以用于提高船身效率。

此外，可以以协同方式利用船身的总体波浪系统，即降低船身的总阻力。

本发明并不限于上述的例子，而是可以在待批准的权利要求书的范围内进行变化。例如，技术人员从以上所述优势中认识到，其中许多并不直接涉及针对波浪定位螺旋桨，而实际上涉及将螺旋桨定位在尾板后方，即远离船身。此外，应该理解，在某些场合，将额外的支撑结构连接到船尾用于支撑可能定位在螺旋桨20(定位如图2-4所示)后方的船舵，即船舵将定位在船尾波浪的波峰41后方，将具有优势。但是，在许多设备中，将不希望存在所述额外的支撑结构。

Claims (16)

1.一种为轮船提供大直径螺旋桨(20)的方法，所述轮船具有舱内发动机推进或吊舱推进，所述轮船具有船身(10)，所述船身在船身的尾板(13)后部一定距离处产生上升波浪，所述方法包括：

将所述螺旋桨(20)旋转地安装到所述船身(10)，位于所述尾板(13)后方一定距离处，

其中，所述螺旋桨(20)定位成使得所述螺旋桨(20)在以巡航速度推进所述轮船时，沉没在所述波浪的波峰(41)以下。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供一种螺旋桨(20)，所述螺旋桨的直径为所述船身(10)的基线(11)和所述轮船的吃水线(16)之间垂直距离(H)的50-200％。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供一种螺旋桨(20)，所述螺旋桨的直径为所述船身(10)的基线(11)和所述轮船的吃水线(16)之间垂直距离(H)的85-150％。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述螺旋桨(20)前方提供船舵(30)。

5.如权利要求1至4任一项所述的方法，进一步包括：

在所述轮船(5)的船尾(14)附近提供支撑结构(15；13’、60)，

将所述螺旋桨(20)旋转地安装到所述支撑结构(15；13’、60)，以形成组件。

6.如权利要求5所述的方法，进一步包括：

连接所述支撑结构(15)，以突出到所述尾板(13)后方。

7.一种具有大直径螺旋桨(20)和船身(10)的轮船，该轮船具有舱内发动机推进或吊舱推进，所述船身在船身(10)的尾板(13)后方一定距离处产生上升波浪，其中，所述螺旋桨(20)旋转地安装到所述船身(10)，位于所述尾板(13)后方一定距离处，

其中，所述螺旋桨(20)定位成使得所述螺旋桨(20)在以巡航速度推进所述轮船时，沉没在所述波浪的波峰(41)以下。

8.如权利要求7所述的轮船，其特征在于，所述螺旋桨的直径为所述船身(10)的基线(11)和所述轮船的吃水线(16)之间垂直距离(H)的 50-200％。

9.如权利要求7所述的轮船，其特征在于，所述螺旋桨的直径为所述船身(10)的基线(11)和所述轮船的吃水线(16)之间垂直距离(H)的85-150％。

10.如权利要求7所述的轮船，进一步包括：连接在所述螺旋桨(20)前方位置的船舵(30)。

11.如权利要求7至10任一项所述的轮船，进一步包括：用于所述螺旋桨(20)的支撑结构(15；13’、60)；

所述螺旋桨(20)旋转地安装到所述支撑结构(15；13’、60)，以形成连接到所述尾板(13)附近的组件。

12.如权利要求7至10任一项所述的轮船，其特征在于，所述螺旋桨(20)布置在助推器单元(6)上，所述助推器单元形成容纳式单元(6、60)。

13.如权利要求12所述的轮船，其特征在于，所述尾板(13)具有至少一个用于连接所述容纳式吊舱推进器(6)凹口，并且所述容纳式吊舱推进器(6)利用液压控制的嵌入螺栓机械地固紧在在所述尾板(13)中。

14.如权利要求7至10任一项所述的轮船，其特征在于，所述轮船具有单一螺旋桨(20)。

15.如权利要求7至10任一项所述的轮船，其特征在于，所述轮船具有成对的螺旋桨。

16.如权利要求7至10任一项所述的轮船，其特征在于，所述轮船是多重推进轮船。