CN102271992A

CN102271992A - 正压超微气泡发生器

Info

Publication number: CN102271992A
Application number: CN2009801535383A
Authority: CN
Inventors: J·P·温克勒
Original assignee: DK GROUP N A N V
Current assignee: DK group (ACS) Ltd
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2029-12-02
Also published as: BRPI0922706B1; HK1162420A1; CN102271992B; WO2010064911A1; JP5653929B2; DK2367717T3; KR20110116125A; EP2367717A1; PL2367717T3; HRP20130974T1; ES2437607T3; CY1114886T1; JP2012510406A; KR101552586B1; BRPI0922706A2; EP2367717B1; BRPI0922706B8

Abstract

本发明涉及一种在船舶的船体上产生一层气泡的方法，其包括步骤：在船舶的底部处提供腔室，腔室沿着底部具有至少1米并且不超过船舶长度L的30％的长度，优选地不超过25％，最优选地不超过船舶长度L的10％，并且具有与底部平面隔开至少50厘米的顶面，优选地距底部平面至少1米；经由压缩机设备在高于大气压力的压力下将空气提供入腔室以至少部分地排出腔室的水；在腔室中提供水-空气界面，用于形成混合区域；在混合区域中产生多个气泡；以及在腔室(6)的底部处或附近提供气泡出口，用于允许气泡沿着船体朝着船舶的后部流出。

Description

正压超微气泡发生器

技术领域

本发明涉及一种沿着船舶的船体产生一层气泡以降低其在水中的摩擦阻力的方法。本发明还涉及一种具有用于在船体表面上产生多个气泡的气泡发生设备的船舶。

背景技术

这种方法和船舶从美国专利No.6,789,491中已知，其中描述了如何借助于带翼吸气管(WAIP)系统产生一层微气泡。一层直径可小到10微米的微气泡通过将环境空气吸入船舶底部附近腔室中的低压区域而产生。低压区域将环境空气的气流经由附接在船体底部附近腔室中的翼上的管而导向。船舶的向前运动在翼上方产生吸力并在翼的上表面上方吸入环境空气。在翼上方的水-空气界面处，朝着船尾迅速流动的水引起所谓的Kelvin-Helmholtz不稳定性，这导致空气和水的混合以及随后产生微气泡。与由加压空气产生的气泡不同，一旦喷射入水中，这些微气泡的尺寸不会改变，它们形成一个覆盖船体从船头至船尾的较大表面积的层。这样，能实现高达15％的推进能量节省。

还已知在船体上安装多个气泡产生喷嘴，空气经由压缩机供应至所述喷嘴。这些喷嘴具有狭缝状几何形状并且用作微气泡发生器。主动空气压缩的缺点是与使用带翼吸气管(WAIP)系统产生低压相比能量消耗增加。

本发明的目标是提供一种用于在船舶的船体上产生气泡的方法，以及具有增大阻力减少的气泡发生器的船舶。

本发明的另一目标是提供一种用于产生微气泡并且降低相对较大位移的海洋货运船舶的摩擦阻力同时维持可用货仓尽可能大的方法。

本发明的又一目标是提供一种用于在船舶的船体上产生气泡的方法，以及具有能适应于主要海洋状况的气泡发生器的船舶。

本发明的再一目标是提供一种用于在船舶的船体上产生气泡的方法，以及具有效率增大的气泡发生器的船舶。

发明内容

为了满足这些目标，本发明提供了一种在船舶的船体上产生一层气泡的方法，其包括步骤：

—在船舶的底部处提供腔室，腔室沿着底部具有至少1米并且不超过船舶长度L的30％的长度，优选地不超过25％，最优选地不超过船舶长度L的10％，并且具有与底部平面隔开至少50厘米的顶面，优选地距底部平面至少1米，

—经由压缩机设备在高于大气压力的压力下将空气提供入腔室以至少部分地排出腔室的水，

—在腔室中提供水-空气波纹界面，用于形成混合区域，

—在混合区域中产生多个气泡，以及

—在腔室的底部处或附近提供气泡出口，用于允许气泡沿着船体朝着船舶的后部流出。

底部附近的腔室至少部分地由喷射入腔室的加压空气将水排出。这种空气腔室已经由申请人开发并且例如在EP1501719和WO2007/136269中描述以便在航海状况下为货轮提供增大的推进效率。发明人已经意识到，开发来用于减少被弄湿的船体表面的空气腔室，以令人惊奇和意外的方式用作相对较小尺寸的气泡和微气泡的发生器。

已经显现，在空气以对应于腔室吃水深度的压力(每10米吃水深度大约1巴)下喷射时，湍流水-空气界面形成为用作其中水充满空气的混合区域。在水-空气混合物在后部从腔室带走时，水-空气混合物从位于腔室后下侧附近的出口区域排出。已经显现，气泡从出口点在船体的较大表面区域上散布，比如湿船体表面的20％-40％之间，并且保持在0.1μm和100μm之间的基本上恒定的尺寸。这样，能以相对简单且成本有效的方式实现摩擦阻力的降低。

根据本发明的用于产生气泡的腔室具有与美国专利No.6,789,491中公开的小尺寸腔室相比较大的尺寸，但是与根据EP1501719和WO2007/136269的空气腔室船舶中使用的腔室相比尺寸较小。因此，根据本发明的船舶中的可用货仓增大。

根据本发明的气泡发生器的简单设计允许通过在船体的底部处提供相对较小尺寸的腔室而容易在现有船舶上改型。

通过使用根据本发明的空气腔室，空气腔室充满空气以降低船体的受湿区域从而减少摩擦阻力同时产生尺寸在10μm和1mm之间的小尺寸气泡。

小气泡经由后部附近的气泡出口从腔室离开并且分布于较大船体表面区域上以便进一步减少摩擦阻力。从而能实现高达15％的推进能量节省。

根据本发明，能将导入空气腔室用于从腔室排出水的加压空气用作用于产生微气泡的空气供应。在优选实施例中，这种空气在腔室的前端处导入。替代地，除了用于从腔室排出水的加压空气供应以外，单独的气泡发生设备可用于腔室中，腔室具有连接至这些设备的单独空气供应。气泡发生设备可包括空气管道或喷嘴、翼形(WAIP)设备、穿孔板或任何其它适合的气泡发生装置。

本发明的压缩机设备能连接至控制单元用于在与腔室内部的气体压力相比更高的压力下选择性地将空气提供入腔室用于维持腔室内部的预定水位。传感器设置于腔室中用于监视水位并且将输入信号提供至控制单元。当波浪从腔室中排出空气时，压缩机设备致动以增加流动至腔室的空气从而排出水和维持充分干燥的环境。第二空气供应装置延伸至腔室用于以基本上连续的速度将空气供应至腔室中的气泡发生装置以使得产生恒定的气泡流用于覆盖船体。

优选地根据本发明的气泡产生状况是如此的以使得形成于腔室的混合区域中的气泡具有在10μm和1mm之间的尺寸。优选地导入腔室的空气的压力控制为至少稍微高于或大约与腔室内部的气体压力一样高。在一个实施例中，腔室内部的水的速度大约等于船舶的前进速度。空气在腔室的前端处的流入速度非常低，优选地接近0米每秒。

腔室可具有气泡出口，其形成于腔室的倾斜顶面的后端处，倾斜顶面在沿着底部平面看的向后方向上从顶面高度朝着底部平面向下倾斜。这样，气泡被迫进入腔室的后部处的楔形空间，它们能在此处以相对较高的向后(相对)速度在船体底部的水平附近离开，比如覆盖船体在腔室下游的部分。

在又一实施例中，气泡发生设备位于两个并排就位的腔室之间的分隔区域中，空气供应连接至气泡发生设备用于将空气提供至发生设备以产生多个小气泡。在覆盖船体的气泡开始向侧面行进以便升高至水面时，它们沿着船体迁移以返回入空气腔室以补充这些空气腔室损失的任何空气。这样，能获得气泡的恢复，产生增大效率的气泡润滑系统(循环空气润滑系统)。

在本发明的气泡发生系统的又一实施例中，至少两个气泡发生设备在船舶的长度方向上以相互距离隔开地位于腔室中。这样，小尺寸的气泡在腔室的内部斜面上产生用于腔室的额外内部润滑并且在从腔室离开时，用于外部船体表面的润滑。在温和天气状况下，最接近船体底部的气泡发生设备运行，而在狂浪状态期间，最靠近腔室顶部的气泡发生设备启用，而最靠近船体底部的气泡发生设备不运行并且可由独立操作的阀关闭。

附图说明

将参照附图以示例的方式详细描述包括根据本发明的气泡发生系统的船舶的一些实施例。

图中：

图1示出包括根据本发明的气泡发生设备的船舶的示意性侧视图，

图2示出具有位于空气腔室的倾斜顶面上的多个气泡发生设备的空气腔室船舶的示意性侧视图，

图3示出具有两个平行的空气腔室以及位于空气腔室之间的气泡发生设备的空气腔室船舶的底部视图，

图4示出图3的空气腔室船舶的示意性横向横截图，示出两个空气供应管道，

图5示出包括三个布置于倾斜腔室顶面上的气泡发生设备的空气腔室的放大细节，

图6示出翼状气泡发生器的侧视图，

图7示出图6的气泡发生器的底部横截图，并且

图8是可调节翼状气泡发生器的示意性侧视图。

具体实施方式

图1示出具有船体2和底面3的船舶1。船舶1具有沿着底面3测量的例如在50米和300米之间的长度L_h。船舶具有从龙骨水平至甲板水平测量的例如在10米和40米之间的高度H。在船舶的船头5附近腔室6形成为从底面3向上延伸。腔室6具有长度L_c，其与船舶长度L相比相对较短并且其例如可处于5米和30米之间。腔室具有从底面3至顶面4测量的高度H，其可以在50厘米和例如5米之间。

在腔室6的前端9附近，设置连接至空气供应管道11的空气入口10。压缩机12通过管道13吸入环境空气并且将压缩的空气供应至腔室6以便从腔室排出水。空气控制为与腔室6内部主要的压力(这个压力取决于船舶1的吃水)相比处于超压。

已经发现，波纹的空气-水表面形成于腔室6内部，其限定其中水充满空气的混合区域。穿过腔室6中的水-空气界面的移动水产生Kelvin-Helmholtz不稳定性并且形成小尺寸的气泡14。这些气泡具有在10μm和1mm之间的直径并且经由腔室6的后部附近的气泡流出区域15脱离。在后部中，腔室具有向下倾斜的顶面16，在腔室的后部17附近形成楔形空间。气泡从这个流出区域15朝着船体2的尾部18散布，以覆盖大部分底面3。

在图2的实施例中，三个气泡发生设备20、21、22设置于倾斜顶面16中。第二空气供应管道25将第二压缩机26连接至每个发生设备用于以基本上恒定的速度供应空气。气泡发生设备20-22可包括管道、穿孔板、翼形元件或任何其它适合类型的气泡发生设备，比如美国专利申请No.2001/0022152、US 2003/0097971或美国专利No.6,789,491中所描述的。

压缩机12和/或阀35由控制单元28控制来根据经由水位传感器(其输出传输至控制单元28)监视的腔室内部的水位将空气供应至腔室6。每个气泡发生设备20、21、22经由通过控制单元28控制的相应阀30、31、32连接至第二空气供应管道25。在海洋状况是暴风雨时，腔室6内部的水位将相对较高，以使得气泡发生设备20、21和22能全部启用，阀30、31、32打开。在温和的海洋状态下，腔室中的水位将较低并且阀32将闭合以便停用气泡发生设备22。当海洋平静时，腔室6中的水位将很低并且仅气泡发生器20将启用，阀30打开并且阀31、32闭合。覆盖腔室内表面的气泡引起空气腔室的摩擦阻力的显著下降。

图3示出船体具有两个平行空气腔室40、40`的船舶1的底视图。气泡发生设备41、42、45和46产生覆盖底面3的侧面部分的气泡。气泡发生设备43、44位于空气腔室40、40`之间的中央部分46¹中。从底面3的侧面部分以及从中央部分46¹向上行进的气泡至少部分地回收在腔室40、40`中并且补充这些腔室中的空气容积。

图4示出图3的空气腔室的示意性横截图，其中在中央区域46¹中，气泡捕获于设置于中央区域上的两个壁47、48之间。压缩机26将恒定的气流提供至气泡发生设备43。腔室40、40`每个连接至压缩机12，压缩机12在单元28的控制之下维持腔室内部的水位基本上恒定。

在图5的实施例中，气泡发生设备50、51和52由腔室6的倾斜顶面16中的楔形空气狭缝形成。流出区域15由在其中倾斜顶面16位于底部3附近的区域形成。

图6示出位于船体63中的腔室61内部的翼形气泡发生设备60。气泡发生设备60限定混合腔66并且包括空气管道64和压缩机65用于将空气喷射入中空翼形空间。水经由设备60的前表面中的开口67进入混合腔66。在混合腔中产生的气泡通过开口68离开并且向后行进(在图中行进至左手侧)以覆盖船体的底面。在翼形元件上方形成具有轻微真空Δp的低压区域。

在图7中，能看到气泡发生设备的分隔壁70、71，其将气流从压缩机65导向至与相应入水口喷嘴67、67`、67``相通的独立混合区域66、66`、66``。如能从图8看到的，倾斜角α能根据吃水深度和/或波浪状况由能在其竖直支柱76上枢转翼形气泡发生器60的旋转驱动元件75改变。

Claims

1.一种在船舶的船体(2)上产生一层气泡(14)的方法，其包括步骤：

—在船舶(1)的底部(3)处提供腔室(16)，腔室(16)沿着底部具有至少1米并且不超过船舶长度L的30％的长度，优选地不超过25％，最优选地不超过船舶长度L的10％，并且具有与底部平面隔开至少50厘米的顶面，优选地距底部平面至少1米，

—在高于大气压力的压力下经由压缩机设备(12)将空气提供入腔室以至少部分地排出腔室的水，

—在腔室中提供空气-水界面，用于形成混合区域，

—在混合区域中产生多个气泡，以及

—在腔室(6)的后部(17)处或附近提供气泡出口(15)，用于允许气泡沿着船体朝着船舶的后部流出。

2.根据权利要求1的方法，其中气泡具有在10微米和1毫米之间的尺寸。

3.根据权利要求1或2的方法，其中气泡出口(15)形成于腔室(6)的倾斜顶面(16)的后端处，倾斜顶面(16)在沿着底部平面看的向后方向上从顶面高度朝着底部平面向下倾斜。

4.根据权利要求1、2或3的方法，其中导入腔室的空气的压力控制为至少大约与腔室内部的空气压力一样高。

5.根据权利要求1、2、3或4的方法，其中腔室内部的水的速度大约与船舶的前进速度一样高。

6.一种船舶(1)，其具有：船体(2)，船体(2)具有底面(3)和腔室(6，40，40¹)，腔室从底面向上延伸至与底面隔开至少50厘米的顶面，并且向上延伸至不超过船舶高度H_e的10％的高度，并且沿着底部具有大于1米并且不超过船舶长度L的30％的长度，优选地不超过25％，最优选地不超过船舶长度L的10％；压缩机设备(12)，其用于在比腔室中的空气压力更高的压力下将空气提供入腔室(16)以至少部分地排出腔室的水，腔室包括混合区域L，用于在混合区域中产生多个小尺寸的气泡，并且在腔室的后端(17)处或附近具有气泡出口(15)，用于允许气泡沿着船体朝着船舶的后部流出。

7.根据权利要求6的船舶，其中顶面(16)在沿着底部平面看的向后方向上从顶面高度朝着底部平面向下倾斜至气泡流出区域。

8.一种船舶(1)，其具有：船体(2)，船体(2)具有底面(3)和腔室(6)，腔室(6)从底面向上延伸至与底面隔开至少50厘米的顶面并且向上延伸至不超过船舶高度H的10％的高度H_e；压缩机设备(12)以及控制单元(28)，控制单元(28)连接至压缩机设备用于在比腔室中的空气压力更高的压力下选择性地将空气提供入腔室以维持腔室内部的预定水位，腔室包括混合区域，用于在混合区域中产生多个小尺寸的气泡，并且在腔室的后部(17)处或附近具有气泡出口(15)，用于允许气泡沿着船体朝着船舶的后部流出，第二空气供应装置(20、21、22、25、26)延伸至腔室的混合区域用于以实质上连续的速度将空气供应入混合区域。

9.一种船舶(1)，其具有：船体(2)，船体(2)具有底面(3)和两个腔室(40、40`)，腔室从底面(3)向上延伸至与底面隔开至少50厘米的顶面并且向上延伸至不超过船舶高度H的10％的高度H_e，腔室并排地定位并且由分隔区域(46¹)分开；压缩机设备(12)以及控制单元(28)，控制单元(28)连接至压缩机设备用于在比腔室中的空气压力更高的压力下选择性地将空气提供入腔室用于维持腔室内部的预定水位，气泡发生设备(43、44)位于分隔区域(46¹)中，空气供应装置(26)连接至气泡发生设备用于将空气提供至发生设备(43、44)以产生多个小气泡。

10.一种船舶(1)，其具有：船体(2)，船体(2)具有底面(3)和腔室(16)，腔室(16)从底面向上延伸至与底面(3)隔开至少50厘米的顶面并且向上延伸至不超过船舶高度H的10％的高度H_e；压缩机设备(12)，其用于在比腔室中的空气压力更高的压力下将空气提供入腔室，腔室包括混合区域用于在混合区域中产生多个小尺寸的气泡，并且在腔室的后部(17)处或附近具有气泡出口(15)用于允许气泡沿着船体朝着船舶的后部流出，其中至少两个气泡发生设备(20、21、22、50、51、52)位于腔室中，在船舶的长度方向上以相互距离隔开。

11.根据权利要求10的船舶，每个气泡发生设备包括能够经由阀(30，31，32)各自关闭的空气供应装置。

12.根据权利要求8、9、10或11的船舶，腔室沿着底部具有至少1米并且不超过船舶长度L的30％的长度，优选地不超过25％，最优选地不超过船舶长度L的10％，并且具有距底部平面至少50厘米的顶面，优选地距底部至少1米。

13.根据权利要求8至12的任何一个的船舶，其中气泡出口(15)形成于腔室的倾斜顶面(16)的后端处，所述倾斜顶面(16)在沿着底部平面看的向后方向上从顶面高度朝着底部平面(3)向下倾斜。

14.根据权利要求6-13的任何一个的船舶，包括在腔室(61)内部的弯曲气泡发生元件(60)。

15.根据权利要求14的船舶，所述弯曲气泡发生元件(60)铰接地连接至船体，连接至用于改变其位置的驱动元件(75)。