CN102171093B - 用于设置有空气腔的船舶的船型 - Google Patents

Abstract

用于船舶的船型，其给出大平面底部面积，并适用于且可利用空气腔原理。该船型减小船体的湿表面，减少海上运动，并产生具有减少的动力需求和燃料消耗、以及适于远洋交通的船舶。

Description

用于设置有空气腔的船舶的船型

技术领域

本发明涉及一种用于船舶的船型。

背景技术

在所有船舶构造中最重要的参数之一是速度和动力之间的关系。对于通常的商船而言，摩擦阻力即水下船体和水之间的摩擦，是船舶的总阻力的完全主导部分。仅当速度增大时，例如对于高速船舶，兴波阻力才变得关键。一直试图通过不同类型的表面结构和通过不同类型的空气润滑来影响摩擦阻力。然而，迄今用于传统商船的结果还是负的。

另一减小摩擦阻力的方法是减小湿表面的面积。湿表面是在零速度时与周围的水接触的水下船体的部分。

湿表面可由水下船体的平面底表面的实施为腔的一部分减少，该腔室填充有空气——自此命名为空气腔。然后，该空气具有与周围的水相同的压力。因为船舶的行进，因此该空气的一部分将被带走，于是该流出的空气必需用新供应的空气来补充。该空气可通过腔的顶板或侧面供应到腔中。可比喻成倒置并具有向下开口的箱子的腔，必需具有良好适配的形状，以当水流经腔下方时，不引起呈漩涡和涡流积聚形式的增大的阻力。用现在的船型，船体前半部的水常从侧面朝船舶的中心线流入船舶下方。这就意味着波峰形成于空气腔内，这扰乱了水流。现在的船型也意味着，仅在相对短距离空气腔的侧面与船舶的中心线平行。在该部分的向船首部分和向船尾部分，空气腔的侧面相对于中心线具有很大的角度。于是，分别地，流动的水将碰撞并离开其他侧面，因而具有增大的阻力。

当船舶在公海(high sea)内移动时，船舶可能一直在横向方向上摇摆、或颠簸运动、或这些运动的结合，则空气将在空气腔的最高定位侧面处流出，在横向方向上摇摆即绕船舶中心线的纵轴线往复转动运动，颠簸运动即绕船舶的舯部点处的水平横向轴线往复转动运动。为了减少空气流出、并因此减少对空气供应的需求、以及为了避免空气腔侧面处的涡流积聚，航海性能(seagoing quality)因此相当重要。腔内的空气和水之间的界面力求为水平面，在该水平面处气压和下面的水压之间存在平衡。该界面应当位于尽可能地接近空气腔的下边缘处。如果船舶暴露于大的摇摆或颠簸运动，则某些部分的界面将大大高于空气腔的下边缘。这就意味着，沿腔的侧面产生强有力的涡流积聚，因而具有增大的阻力。因此，空气腔应该形成为使得所述运动的后果影响尽可能减小。因此，为了降低海上运动的后果影响，一直建议借助于隔断壁沿横向方向以及沿纵向方向分隔空气腔。于是，获得若干个空气腔，每一个都有独立的空气供应。横向隔断壁的风险显见，原因在于它们又一次引起涡流积聚，因而具有增大的阻力。

因此，容易认识到，如果减小摩擦阻力的原理——借助于位于平面底部处的填充有空气的腔——在实际中起作用，则船舶的船型必需被给予特定形状，且船舶的航海性能需被改善。另外的问题是流出的空气千万不能进入螺旋桨水(propeller water)中，因为这降低了螺旋桨的效率。在文献中已经示出建议，其中，借助于不同装置，试图去偏转水/空气混合物，使得水/空气混合物不撞击在螺旋桨区域上。这种对水/空气流的强制导引也引起了额外阻力。

迄今，上述所有困难使得空气腔的原理并未在远洋交通的传统船舶中有任何实际应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于船舶的新船型，该船型给出大平面底部面积，并适用于且可利用空气腔的原理。该船型因此应该减少或甚至消除上述缺点，减少海上运动、并产生具有减少的动力需求和燃料消耗、并适于远洋交通的船舶。

本发明在所附的权利要求1中限定。本发明的实施方式在所附的从属权利要求中限定。

大多数现代商船在船体前半部处具有某种形式的球鼻艏(bulb)。为了使球鼻艏位于某个位置，位于该位置的横向船架(transverseframe)必需具有腰部(waist)，即船架的宽度应该在高于以及低于腰部处较大。借助于船体前半部处的球鼻艏，可以获得兴波阻力的一定减小。球鼻艏在传统船舶的艏垂线(FP)前面的横截面大多数经常类似于大约端部削尖的椭圆。艏垂线(FP)限定为通过设计水线(dWL)与艏柱相交点的垂直线。设计水线(dWL)在此限定为最大夏季吃水的水线，这在考虑了船舶的强度和稳定性情况下容许船舶操作。

然而，根据本发明的船体前半部的船型的特征在于很宽的、低的和相对薄的球鼻艏，该前部的纵剖型线可几乎描述为平躺的椭圆。为了更详细描述船体前半部，需要限定球鼻艏的某些特性参量。

从水下船体的最靠近船首点开始计算的球鼻艏长度是以下两个值中的最小者：

-从水下船体的最靠近船首点到横向船架位置的水平距离，在横向船架位置处，船体前半部的横向船架的腰部消失；或

-从水下船体的最靠近船首点开始计算到腰部处的艏柱纵剖型线的最靠近船尾点的水平距离的2倍。

球鼻艏体积是从基线(baseline)直到设计水线的球鼻艏长度以内的船体右舷(starboard)加上左舷(port)的体积。

球鼻艏面积是球鼻艏长度以内腰部以下的球鼻艏的右舷加上左舷投影在水平面上的面积。

如果球鼻艏体积除以球鼻艏面积，则获得船体前半部的平均厚度。如果球鼻艏面积除以球鼻艏长度，则获得球鼻艏的平均宽度。

现在将球鼻艏系数(bulb coefficient)定义为平均宽度除以平均厚度或由代入的上述参量所定义，获得以下：

根据船型的尺寸和广大性而定，已知和公开的船型大多数常获得0.5-1的球鼻艏系数。借助于根据本发明的包括根据下文的附加描述的权利要求在内的船型，球鼻艏系数应该具有至少1.5的值。最佳值根据船舶类型和尺寸关系而定，但系数值常接近值3、或甚至超过值3。

球鼻艏的艏柱边缘根据上述公式而变得宽、平坦以及相对薄。球鼻艏的末端应该在基线上方这样一段距离处，使得水流分成下部水流和上部水流。下部水流应该在球鼻艏下方和船舶下方流动，而上部水流应该在球鼻艏上方流动并主要沿船舶的侧面移动。使用分别在球鼻艏上方和下方流动的合适分配，获得从船体侧面朝船体前半部底部的最小溢流(overflow)。在前部分的球鼻艏下侧为在横向方向上从中心线向外的直线、或者为略微弯曲的。在向船尾的方向上，球鼻艏的下侧逐渐转变成为沿水平方向的平面，同时，当球鼻艏下侧接近基线时，球鼻艏下侧的宽度增大。当下侧达到基线时，空气腔可开始。

根据本发明的船型获得下列优点：

·宽和平坦的球鼻艏产生了很宽空气腔始端的可能性。球鼻艏越宽，获得空气腔的始端就越宽。这增大了空气腔的面积，即减少了湿船体表面，这转而减小摩擦阻力。

·空气腔的宽始端意味着空气腔的直到最大宽度的侧面相对于与水下船体中心线平行的垂直平面形成小角度。这降低了水流在空气腔侧面上横向流动的可能性，即涡流积聚的风险降低。

·根据本发明的船型给出了在空气腔下方平行于船舶中心线的实际上笔直的水流，这为腔的空气创建了平静的工作条件。

·宽球鼻艏形状产生大排水量作用。在保留船体前半部的排水量情况下，这意味着尤其对于细长船舶可减小dWL的水线宽度。这提高了船舶在颠簸方向上的运动性能——参见下文，根据上述，这对于空气腔原理起作用是重要的。

当船体前半部在垂直方向上移动时，宽球鼻艏将用它拉动大量水。这增大了所谓的共振水质量(co-oscillating water mass)，并增大了从船头到船尾的极惯性质量矩。同时，宽球鼻艏可意味着，船体前半部的水线宽度可在dWL上下立即减小。以这种方式，用于在垂直运动之后将船舶带回船舶中立位置的力矩减小。极惯性矩的增大，恢复力矩的同时减小，意味着固有频率减小。这是有利的，因为对于常用波谱而言在逆浪时的共振方面的风险降低到零。

另外，船体前半部的宽球鼻艏将在船体前半部的垂直运动时增大衰减系数。增大的衰减减小了颠簸方向上的运动，即使频率位于共振附近时也是如此。

对于单船体船舶，横向方向上的运动在较大程度上根据船舶的主要尺寸而定。空气腔降低了横向稳定性，因此可能需要将空气腔分隔成多个纵向延伸的腔室。这些空气腔然后设置有独立的空气供应管道。

在艉柱附近，应用船型的相应要求，以为了空气腔原理以最佳方式起作用。与船体前半部的本发明的球鼻艏类似的水平球鼻艏可设置在船体后半部的下艉柱部分内。根据本发明的船体后半部的船型的特征在于沿横向方向具有很大延伸部分的低和相对薄的球鼻艏，该球鼻艏增大平面底表面。根据下文限定的艉柱球鼻艏长度以内的所有横向船架应该因此具有腰部。为了在后面更详细描述船体后半部，限定用于艉柱球鼻艏的对应特性参量。

艉柱球鼻艏长度限定为从位于腰部以下的球鼻艏的向船尾点开始沿向船首方向计算的、船体垂直长度的10％。该垂直长度是艏垂线和艉垂线之间的水平距离。艉垂线是穿过舵轴中心的垂直线，或者如果船舶无传统舵，则为穿过设计水线与艉板相交点的垂直线。

球鼻艏体积是从基线直到设计水线的艉柱球鼻艏长度以内的船体右舷加上左舷的体积。

球鼻艏面积是艉柱球鼻艏长度以内腰部以下的球鼻艏右舷加上左舷投影在水平面上的面积。

现在类似于船体前半部也限定船体后半部的艉柱球鼻艏系数：

根据本发明的船体后半部的船型获得至少0.4的艉柱球鼻艏系数，但在某些情况下可变得相当高。除了别的以外，这取决于在船体后半部中是否存在推进装置，如果存在则推进装置如何设置而定。

船体后半部的根据本发明的船型给出与船体前半部在上述已获得的相对应的优点：

·宽和平坦的球鼻艏提供了很宽空气腔的尾端(ending)的可能性。球鼻艏越宽，获得空气腔的尾端就越宽。这增大了空气腔的面积，即减少了湿表面，这转而减小摩擦阻力。

·在船体后半部中的空气腔的宽尾端意味着空气腔的从最大宽度舯部开始直到尾端的侧面相对于与水下船体中心线平行的垂直平面形成小角度。这降低了水流在空气腔侧面上横向流动的可能性，即涡流积聚的风险降低。

·大水平球鼻艏提高了共振水质量，并给了增大的极惯性质量矩。同时，靠近艉柱的球鼻艏引起其运动方程中衰减系数的极大增加。所有参量沿正确方向改变，即减小颠簸方向上的垂直运动。

鉴于推进装置并鉴于可能的空气排放，必须实施球鼻艏的尾端。下列仅是尾端的示例：

单螺旋桨船舶可在螺旋桨平面前方一段距离处的基线上适当地结束球鼻艏。于是，这给出了通过螺旋桨下方或外侧的可能的空气排放的可能性。

所谓双尾鳍类型的双螺旋桨船舶对于各个螺旋桨可具有与单螺旋桨船舶相对应的尾端。然后，位于各个螺旋桨内部上的球鼻艏的宽度和尾端必需适配成使得螺旋桨获得足够水流。

本发明的有趣应用出现两个船体船舶，即所谓的双体(catamaran)船舶，其中推进装置置于船舶的中心线上。然后，船体配置基于如下事实，局部本体(local body)建立在船舶的中心线上，即位于双体船体之间，并位于联接两个船体的强度甲板(strength deck)之下。该局部本体既存在于艏柱内也存在于艉柱内，并向下朝设计水线延伸。在静水(slack water)中，本体的下边缘位于设计水线之处或恰在设计水线上方。推进装置分别应用到艏柱中和艉柱中的相应本体的下边缘。两个双体船体的船体后半部现在可由大、宽的球鼻艏形成，而无需考虑推进装置。平面底部和空气腔可以完全最佳方法结束。

为了不在湿表面处产生不必要的作用，根据上述双体配置的球鼻艏的向船尾侧可以并且应该在略高于基线的艉垂线附近处以大致圆形末端结束。在向船尾部分的球鼻艏下侧为在横向方向上水平笔直的、或者略微弯曲的，球鼻艏下侧向船首逐渐转变成平面水平下侧，该平面水平下侧越接近基线时宽度增大。当该下侧到达基线时，宽度相当大，并且可因此汇合空气腔的良好尾端。

对于所有应用而言，一定量空气可由水带走，并在船体下方流出船体后半部。为了降低在水经过空气腔的向船尾侧时额外阻力的风险，设置有从空气腔顶板朝空气/水之间界面向下延伸的倾斜平面。于是，倾斜平面的较小角度使得在水和可能较少量的空气离开空气腔时，涡流积聚的风险降低。倾斜平面当然应该与空气腔具有相同宽度。

为了能够将空气/水之间的界面保持在船体的沿着整个空气腔的下边缘附近，必需保持船体下边缘水平，即船舶应该位于所谓的平龙骨(even keel)上，即无纵倾(trim)。然而，因为液压效应，船舶将在速度改变时改变其纵倾。因此，应该安装手动或自动系统，上述手动或自动系统借助于泵吸进船体前半部和船体后半部内的水压载(waterballast)旨在保持船舶无纵倾。

位于船体下边缘处的水压将根据波谷和波峰在纵向方向上变化。因此，不存在提前给定的气压设定值。相反，必需安装自动控制系统，其中液位计控制给空气腔送风以及因此还有压力的风扇。然后，应该将示出水/空气之间界面的最低液面的液位计与界面的期望液面进行比较，并且液位计应该形成风扇的控制信号。

腔的高度，即从船体下边缘到空气腔顶板的距离，必需调整到正被讨论船舶的内部配置和最大波高(wave height)，在这种内部配置和最大波高情况下空气腔应该能够以有效方式减小船舶阻力。

由于空气腔中大自由液面的存在，故纵向稳定性变得比传统船舶差得多。这意味着当船舶在装载或卸载期间位于港口时，船舶变得特别地易于纵倾。重力在纵向方向上的运动比无空气腔的相应船舶来说引起大得多的纵倾变化。为了减小这种特别的纵倾增大，在船舶位于港口时，腔可能需要从船头到船尾分成多个部分。这可通过如下事实来实现，即在空气腔内，一个或多个横向壁向下降低或向下翻转。然后，空气腔的每个部分应该设置有其自己的空气供应源。当船舶速度不足时，横向壁应该上拉或提升。

根据船舶尺寸和相关速度/长度，沿着船体产生不同类型的波浪。这些波浪也可偶尔延伸进空气腔中。在某个速度下，这种波峰可在艉柱倾斜平面下方的位置产生。这种波浪相对于船舶静止，并可被利用。如果期望利用这种波峰，则空气腔的向船尾限制表面以及空气腔的向船尾的球鼻艏的邻近下侧应该与上述波浪的波峰对接和碰撞。空气腔的向船尾侧的下部因此借助于波峰封闭，并且同样的向船尾部不存在船体部分。于是，倾斜平面的向船尾侧应该碰撞这种波浪的波峰。这意味着倾斜平面必需适于或可能被翻转或降低/提升，使得倾斜平面的下部可连接到波浪的正被讨论的高度。以这种方式，在最大可行程度上包含空气。在倾斜平面的下部处及倾斜平面的下部下方的向船尾处应该不存在船体部分，因为这产生额外的阻力。波浪高度越高，倾斜平面的尾端向上升得越高。以此方式，阻力减小，并且船舶获得增大的前进动力/速度。如果在港口处的吃水是关键的，则倾斜平面应该在港口处可能降低/向下翻转，使得倾斜平面下边缘开始与船体下边缘齐平。于是，最大程度地利用空气腔，且降低船舶的吃水。

附图说明

参照所附的附图，以下描述根据本发明的船型和船体配置的实施方式示例，其中：

图1示出具有插入球鼻艏长度限定的艏柱的纵剖型线；

图2示出具有空气腔的船体前半部的横剖型线图的示例；

图3示出具有空气腔的船体后半部的横剖型线图的示例；

图4示出用于双体船舶的船体后半部的横剖型线图的示例；

图5示出在空气腔的尾端处具有波浪的船体后半部的纵剖型线。

具体实施方式

图1示出具有插入限定的艏柱的纵剖型线。基线(BL)是穿过船舶最低点的与dWL(设计水线)平行的线。艏柱的腰部(W)是位于球鼻艏的艏柱边缘上方的位置处的艏柱的最向船尾点。在附图中，也限定了球鼻艏长度。该限定应用于如下假定，即所有横向船架在该长度以内具有一个腰部。如果不是这种情况，则该长度减小成为从球鼻艏的艏柱边缘直到横向船架，该横向船架是具有腰部的船体前半部的最后船架。

图2示出船体前半部的直到dWL的向船首部分的横剖型线图的示例。所示船架与垂线长度的85％、90％、95％、100％以及101.25％位置对应。50％与舯部对应，100％与艏垂线(FP)的船架对应。垂线长度的101.25％在该示例中与FP和球鼻艏的艏柱边缘之间中间位置的船架对应。在该附图中，看到球鼻艏的下侧1在接近基线(BL)3时，球鼻艏的下侧1逐渐转变成平面下侧2。在所示的示例中，球鼻艏的下侧恰在船架位置90％的向船首处到达平面底部，并且在此平面底部已由空气腔的始端替换，由虚线5所示。在船架85％处，空气腔的宽度又已增加，由虚线6所示。在船架101.25％处，作为比较已绘出椭圆4。即使椭圆的上边缘已设置有峰部以汇合连接到艏柱，仍然在此清楚看到球鼻艏的大水平延伸部分和具有水平躺着的椭圆的该水平延伸部分的形似物。

图3示出单螺旋桨船体后半部的根据本发明的横剖型线图的示例。所示的船架与垂线长度的0％、5％、10％、15％和20％位置对应。船舶长度的0％与艉垂线(AP)对应。在这种情况下，清楚看到球鼻艏的下侧如何与通过基线(BL)的平面重合，并必定使空气腔的宽度相当大的增加。空气腔在船架20％处具有全高7。空气腔的高度通过倾斜平面逐渐减小到艉柱，并恰在船架15％的向船尾处到达BL。这意味着，在这种示例中空气腔的尾端具有空气腔舯部的最大宽度的大约55％的宽度8。绘出船架2.5％的下部以指示球鼻艏的尾端，该尾端就在螺旋桨平面(P)之前结束。这意味着，由空气腔下方的流动水所带走的空气的大部分现在将在螺旋桨区域的下方和外部流过。

图4示出用于双体船舶的船体后半部的根据本发明的横剖型线图的示例，其中相应船架的船体后半部无推进装置。因此，此处鉴于阻力和对空气腔原理的最大利用，可仅形成船体后半部。所示的船架与垂线长度的0％、5％、10％、15％和20％位置对应。在这种示例中，具有圆形末端8的球鼻艏恰在AP的向船尾处且从阻力观点来看在合适高度处结束。在此，用沿横向方向的直线绘出球鼻艏的下侧9。向船首宽度快速增大，并大约在10％船架处接近基线。在此，可设置空气腔的尾端10。在这种示例中，空气腔的尾端的宽度变为空气腔最大宽度的几乎80％。倾斜平面在这种示例中从船架10％一直延伸到船架15％，在船架15％处空气腔的全高占优势11。

图5示出具有根据图4的横剖型线图的船体后半部的纵剖型线。在此，已选定利用来自位于船架10％附近位置的船舶所产生的驻波(stationary wave)的压力。该压力比空气腔内的压力大，并且空气腔因此可在较高液面处结束。这由虚线12标示出。倾斜平面由线13示出，并下面和在倾斜平面的尾端的向船尾处水平直行可以没有船体。示意性地，已绘出波浪14，波浪14填满从倾斜平面的尾端向下到基线的区域。于是，空气腔内的压力给船舶向前的额外推进力。

Claims (8)

1.用于船舶的船型，其特征在于：

·船体前半部具有宽和水平的球鼻艏，所述球鼻艏将水流分成下部水流和上部水流，所述下部水流流过所述船舶下方，所述上部水流主要沿所述船舶的侧面移动；以及

·根据以下限定的球鼻艏系数具有1.5的最低值

其中，从水下船体的最靠近船首点开始计算的球鼻艏长度是以下两个值中的最小者：

－从所述水下船体的最靠近船首点到所述船体前半部的横向船架的腰部消失的横向船架位置的水平距离；或

－从所述水下船体的最靠近船首点开始计算到所述腰部处的艏柱纵剖型线的最靠近船尾点的水平距离的2倍；以及

其中，所述球鼻艏体积是从基线直到设计水线的球鼻艏长度以内的船体右舷加上左舷的体积；以及

其中，所述球鼻艏面积是球鼻艏长度以内腰部以下的球鼻艏右舷加上左舷投影在水平面上的面积，以及

·在所述球鼻艏长度的前部分内的球鼻艏的下侧是在横向方向上从中心线向外的直线或在横向方向上略微弯曲的，于是在船尾方向上，所述球鼻艏的下侧在横向方向上逐渐转变成为全部水平的，并当所述下侧到达所述基线或恰在所述同样位置的向船尾处时，平面水平底部区域的较大部分由腔替代，所述腔向下敞开，并借助于置于所述腔的上表面内或其侧面的一个或一些区域内的流入管填充具有与周围的水的压力相对应的压力的空气。

2.根据权利要求1所述的船型，其特征在于，所述球鼻艏系数具有2.0的最低值。

3.根据权利要求1所述的船型，其特征在于，所述球鼻艏系数具有2.5的最低值。

4.根据上述权利要求中任一项所述的船型，其特征在于：

·在根据以下限定的至少一个艉柱球鼻艏长度以内的所述船体后半部的较低的向船尾部分内的横向船架具有腰部；以及

·同样的部分具有宽和水平的球鼻艏，所述宽和水平的球鼻艏增大所述平面水平底部区域的平面水平部分；以及

·根据以下限定的艉柱球鼻艏系数具有0.4的最低值；

其中，艉柱球鼻艏长度限定为从位于所述腰部下方的球鼻艏向船尾点处开始沿向船首方向计算的、所述船体的垂线长度的10％，以及其中，球鼻艏体积是在从基线直到设计水线的艉柱球鼻艏长度以内的船体右舷加上左舷的体积，以及

其中，所述球鼻艏面积是艉柱球鼻艏长度以内腰部以下的艉柱球鼻艏的右舷加上左舷投影在水平面上的面积，以及

·所述艉柱球鼻艏在其向船尾边缘处以从侧面看为圆形的末端在所述基线上或上方结束，并且所述艉柱球鼻艏的宽度然后向船首逐渐增大，且在所述球鼻艏长度的船尾部分内的所述艉柱球鼻艏的下侧在横向方向上为从中心线向外的直线、或略微弯曲的，且然后，沿向船首方向，所述下侧沿横向方向逐渐转变成为全部水平的，并且当所述下侧到达所述基线或恰在所述位置向船首处时，所述平面水平底部区域由所述空气腔替换。

5.根据上述权利要求4所述的船型，其特征在于，所述空气腔的向船尾尾端的下边缘的水平线位于所述基线上方，并且从此水平线向下到所述基线，所述空气腔由所述船舶产生的驻波封闭。

6.根据上述权利要求5所述的船型，其特征在于，可分别提升和降低所述空气腔的向船尾尾端的下边缘，以在不同速度时满足所述驻波的不同高度。

7.根据上述权利要求6所述的船型，其特征在于，当所述船舶位于港口或处于低速时，所述空气腔的向船尾尾端的下边缘向下降低到所述空气腔的下边缘。

8.根据上述权利要求7所述的船型，其特征在于，当所述船舶位于港口时，降低一个或多个临时的横向隔断壁，并将所述空气腔从船头到船尾分成多个空气腔室，并且当所述船舶加速并利用所述空气腔的动力减少原理时，提升这些隔断壁。