CN103318380B

CN103318380B - 顶推双体船

Info

Publication number: CN103318380B
Application number: CN201310279836.5A
Authority: CN
Inventors: 易宏; 钱鹏; 刘旌扬; 张裕芳; 李英辉; 陈炉云
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2033-07-04
Also published as: CN103318380A

Abstract

本发明提供一种顶推双体船，包括：一只驳船，具有平行设置的两个驳船片体和跨连在驳船片体上的驳船船舱；两只推船，分别铰接于两个驳船片体的后端，每只推船至少包括一推船片体和位于推船片体上部的推船驾驶舱；两只推船各自具有动力设备；推船片体的后端装设有吊舱桨，吊舱桨包括浸水深度可调的螺旋桨和罩设于螺旋桨外的导流罩。驳船船舱顶部设置有一个或多个可根据风况呈现张开/闭合状态的转子风帆，转子风帆包括：桅杆、风帆基座和多个风帆子单元。本发明提供的顶推双体船船体的推进动力部分与装载部分分离，从而能够提高顶推船的动力设备利用率，同时辅以新型的转子风帆以有效利用风能，减少了能源损耗，进而节约了建造和运营成本。

Description

顶推双体船

技术领域

本发明涉及船舶和船舶有关设备技术领域，特别是涉及一种顶推双体船。

背景技术

顶推驳船运输时，驳船在前，推船在后，一般以船队的形式投入运营，一只推船可以搭配多只驳船，机动性能好，相对拖船阻力减小，不再需要驳船上的舵设备和操舵人员，从而降低了运输成本。

顶推驳船在欧美地区使用较多，其中较为著名的有Crowley公司和BludWorthMarine公司设计制造的系列顶推驳船，其主要运输原油和化学品。也有最近WallerMarineInc.、Houston设计的LNG顶推驳船获得了美国船级社的认证。在我国，顶推驳船主要用在内河，结构简单，大多数安全性不高，难以抵抗大风浪，主要用于运输泥沙。近年，我国也建造顶推驳船出口。2012年粤新海工建造了2只45米顶推船和12只61米内河运输驳船，交付澳大利亚P&O公司。

顶推驳船相较于常规运输船，主机使用率提高，而船舶主机占据了整船成本的40%左右，从而保证了顶推驳船可以尽快收回成本，减少初期投资。

但目前的推船和驳船都是单体船，操纵性不是很好，快速性也受限。虽然出现过一只双体顶推船与一只驳船的组合，但未曾见有设计和建造两只单体顶推船和一只双体驳船的组合。

风能在船舶上的利用古已有之，19世纪上半期可以说是风动力船的鼎盛时期，大型高速帆船己达到相当完善的程度。其后，由于蒸汽船舶的出现，才逐渐被淘汰。上世纪后期，为了节约能源和开发新能源，许多国家对风帆重新又产生了浓厚兴趣，进行了一系列的试验研究，获得了喜人成果，风帆船又枯木逢春跨入了新的历史时代。

国外现代风帆的发展比较早，德国从20世纪60年代就开始研究万吨级大型风帆助推运输船，他们设计了六桅的风帆助推船“DYNA”号，该船总长约160m。美国从20世纪70年代以来，也注意到风帆助航的美好前景，成立了专门建造风帆的委员会。其在3100吨的“大西洋”号货船上装了一面面积为120m²的独桅三角帆，在6～8级风速时可提高航速1.5kn，使1200kW的柴油机每昼夜节油约1000L，比同类无帆船节油约20%。法国在90年代，建造了全长为187m，号称世界最大级的风帆助航客船“LaFayette”号航行于加勒比海域。日本于20世纪80年代致力于风帆助航船的研究。1980年，日本建成了全球第一只用现代帆具助航的“新爱德丸”号。这只船载重1600吨、排水量2400吨，这只船与载重相同的普通机动船相比，可节省50%的燃料。

我国在现代风帆助航船研究上起步略晚，在20世纪80年代也开始了自主研究。当时我国研制了几条小型的风帆助航船在长江上试运行，并取得了喜人的进展。武汉水运学院与南京航运公司研制的200吨圆弧型翼帆助航船，1985年下水试航，节能效果达50%以上。广东省航运科研所与东莞水运公司也在80吨位的货船上加装了翼型帆，1985年8月下水试航，在3～4级风、主机中速航行时，船速比同类无帆船提高1.41km/h，主机油耗从额定转速时的7.58kg/h降至4.38kg/h，节油42.2%。20世纪90年代，宁波海运公司试制了一只2500吨级的“明州22”号风帆助航货轮，船身总长85.8m、型宽15m、型深7.3m、设计航速11.5kn；风帆为不锈钢弧型帆，面积120m²（高12m，宽10m），可以在3m/s～20m/s风速下使帆；采用计算机控制油压操帆，风帆全折、全张时间为1min～2min；装主机一台，功率1080kW。该轮于1996年1月投入运营，行驶在日本、宁波、厦门、香港之间，可载运146只集装箱。但是，自此以后，我国风帆船的开发便处于停滞状态。近年来，在欧美地区兴起了一股风帆船的旋风，各种各样的新型风帆船层出不穷。

除传统的帆布帆船和硬质风帆船，目前出现的特殊的风帆船有风筝帆船和涡轮风帆船。2007年，全球首只借助风力实现船舶推进的“白鲸天帆”号下水。其系统主体是由超轻合成纤维制成的巨型风筝，利用它收集风能，进而转变为船舶动力。该系统油耗节省率在10%到35%之间，最理想的情况下甚至可以短期节油一半以上，实现了船舶风力推动技术的巨大跨越。涡轮风帆采用强力控制边界层分离的措施提高帆具的气动性能，这是开发现代新帆具的又一方面。法国人于1985年前后提出的所谓涡轮风帆船，它是利用圆柱两侧开孔吸气的方法，使柱体升力系数提高到5.5～6.0。圆柱表面吸气是由圆柱端部处安装一台涡轮风机产生的，故有涡轮风帆的名称。在法国建造了一只Alcyone号涡轮风帆船，该船总长31.10m，船宽8.9m，吃水2.321m，排水量76.8吨，两台柴油机每台功率114.66kw，用于抽吸空气的风扇是由两台功率为18.375kw的液压马达驱动。涡轮风帆高10.2m，表面面积21m²，完全由铝制成，重1600kg（包括抽风马达）。据实船试验报告：该涡轮风力船在大约13m/s的有利风的作用下，可获得55％～60％的节能效果，曾被他们自称为目前世界上最先进的一条风力船。

传统的帆布帆主要缺点是操作复杂，风能利用效率低，往往需要巨大的帆布才能产生比较可靠有效的动力推进。硬质风帆主要基于机翼空气动力原理，风能利用效率较帆布帆有所提高，但其风帆展弦比的比值较大，同时不好收帆，使其难以大型化。风筝帆形式奇特，但是控制困难，同时风能利用不稳定。涡轮风帆主要问题在于需要安装涡轮风机吸气，制作复杂，同时本身需要耗能。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种由两只推船和一只双体驳船组合而成的顶推双体船，船体的推进动力部分与装载部分分离，从而能够提高动力设备利用率，同时辅以新型的转子风帆以有效利用风能，减少能源损耗，进而减少建造和运营成本。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种顶推双体船，所述顶推双体船至少包括：一只驳船，具有平行设置的两个驳船片体和跨连在所述片体上的驳船船舱；两只推船，分别铰接于两个所述驳船片体的后端，每只所述推船至少包括一推船片体和位于所述推船片体上部的推船驾驶舱；两只所述推船各自具有动力设备；所述推船片体的后端装设有吊舱桨，所述吊舱桨包括浸水深度可调的螺旋桨和罩设于所述螺旋桨外的导流罩。

优选地，所述推船驾驶舱顶部固定装设有瞭望塔桅杆，所述瞭望塔桅杆上装设有瞭望塔。

优选地，所述驳船船舱顶部设置有一个或多个转子风帆，所述转子风帆包括：装设于所述驳船船舱顶部的基座桅杆；固定安装于所述基座桅杆上的风帆基座；竖直安装于所述风帆基座上的多个风帆子单元；所述风帆子单元包括：通过叶片桅杆可转动地连接于所述风帆基座的风帆叶片和连接于所述风帆叶片的风帆转子。

优选地，所述风帆转子包括一转子轴，所述转子轴在自身中心轴线的两端通过连接杆连接于所述风帆叶片，所述转子轴上固定有多个转子叶片。

优选地，所述风帆叶片呈半圆筒形，所述转子轴的中心轴线与所述风帆叶片的中心轴线相同。

优选地，所述风帆叶片上装设有风况仪，所述风况仪与控制器相连接，所述控制器与所述风帆桅杆、所述风帆转子和所述风帆基座的驱动电机相连接。

优选地，每个所述转子风帆包括按照等边三角形排列的三个风帆子单元。

优选地，所述驳船的顶层甲板上铺设有太阳能电池板。

如上所述，本发明提供的顶推双体船，具有以下有益效果：

1.以两只推船推动一只驳船，推船的动力设备各自独立，又可联合运营，提高了动力设备的使用效率；推船上安装可调节螺旋桨浸水深度的吊舱桨，提升了顶推双体船的操纵性；驳船采用双体式，有利于高速航行；推船和驳船彼此独立，节约了建造和运营成本；

2.辅以新型转子风帆推进船体航行，转子风帆可根据风速和风向张开或闭合，使风能利用率达到最佳，减少了能源损耗。

附图说明

图1显示为本发明的顶推双体船的示意图。

图2显示为本发明的顶推双体船的推船示意图。

图3显示为本发明的顶推双体船的驳船示意图。

图4显示为本发明的顶推双体船的转子风帆的主视图

图5显示为本发明的顶推双体船的转子风帆的俯视图。

图6显示为本发明的顶推双体船的转子风帆的示意图。

图7显示为本发明的顶推双体船的转子风帆闭合时的示意图。

图8显示为本发明的顶推双体船的转子风帆张开时的示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

与传统船舶中推进动力舱室部分和装载货物部分为同一整体的概念不同，本发明提供的顶推双体船分为推船和驳船相对独立的两部分。图1显示为本发明的顶推双体船示意图，图2和图3分别为驳船和推船的示意图。如图1至图3所示，顶推双体船包括一只驳船1和两只推船2。驳船1具有两个平行设置的驳船片体11和跨连在驳船片体11上的驳船船舱12。两只推船2分别铰接于两个驳船片体11的后端，每只推船2至少包括一个推船片体21和位于推船片体21上部的推船驾驶舱22，且各自具有独立的动力设备。两只推船2动力设备独立，联合运营，可以提高动力设备利用率并提升顶推双体船的操纵性。驳船1采用双体船的船型，有利于高速航行。

在航行时，两只推船2分别与驳船1的两个驳船片体11相连；到达码头时，推船2与驳船1分开，驳船1停靠在码头卸载货物，推船2则可以继续与其他已经装载好货物的驳船连接，开始新的航行。推船2的使用效率大幅提高，节约了运营投资成本。

航行中，推船2需要推动远大于自身的驳船1前进，在自航状态（与驳船1分开，自己单独航行）和推航状态（推动驳船1航行）下，推船2自身吃水深度和推进马力都会有所改变，因此，根据顶推双体船的特殊船型，选用吊舱桨23作为推进器。吊舱桨23包括浸水深度可调的螺旋桨231和罩设于螺旋桨231外的导流罩232。螺旋桨231与驱动电机连接，构成一个整体，通过连接杆装设于推船片体21的后端。连接杆可上下移动，可带动螺旋桨231一起绕其中心轴线转动，还可同时调节螺旋桨231的浸水深度，进而改变了推船2的吃水深度和推进马力。

于实施例中，每只推船2设有两层甲板，分别为推船驾驶舱层甲板241和人员休息居住层甲板242。由于推船驾驶舱22在推船驾驶舱层甲板241上，位于驳船1的后方，为保证航行中驾驶员具有足够的视距，推船驾驶舱22上设置有瞭望塔222，通过瞭望塔桅杆221坐落于推船驾驶舱22的顶部。

驳船1也设有两层甲板，各层甲板可用于装载不同的货物，如驳船第一层甲板131主要用于装载小轿车，驳船第二层甲板132主要用于装载拖车。驳船1的顶层甲板面积很大，甲板上面可以铺设大量太阳能电池板4以满足船舶内部分电力系统的需求。

为增强顶推双体船的推进性能，有效利用风能，减少能源损耗，在驳船船舱12的顶部还装设了一个或多个新型的转子风帆3作为辅助动力源。图4至图6为转子风帆不同角度的结构示意图，如图所示：每个转子风帆3包括：基座桅杆31、风帆基座32、多个风帆子单元33。

于实施例中，基座桅杆31为圆柱形，圆柱的外圆周上设有凸起的卡位器311，卡位器311可与驳船船舱12顶部的卡槽配合令基座桅杆31竖直地安装于驳船船舱12顶部。风帆基座32与基座桅杆31之间固定连接。驳船船舱12顶部设有与控制器连接的基座驱动装置34，基座驱动装置34包括基座电机341、基座电机轴342和基座驱动齿轮343。控制器控制基座电机341的运转，基座电机341驱动基座电机轴342转动，进而带动连接于基座电机轴342的基座驱动齿轮343的转动。基座桅杆31的上固定装设有与基座桅杆31同轴的基座从动齿轮321。基座驱动齿轮343与基座从动齿轮321啮合传动，在基座从动齿轮321的带动下，基座桅杆31和风帆基座32同时绕基座桅杆31的轴心转动。

风帆子单元33竖直地装设于风帆基座32上，包括风帆转子331和风帆叶片332。风帆叶片332通过叶片桅杆333可转动地连接于风帆基座32。风帆转子331包括一个转子轴3311，转子轴3311上固定有多个转子叶片3312。风帆转子331通过转子轴3311的中心轴线两端的连接杆35与风帆叶片332连接。风帆基座32转动的同时带动风帆叶片332和风帆转子331一起绕基座桅杆31的轴心转动。风帆叶片332呈半圆筒形，中心轴线与转子轴3311的中心轴线相同。

风帆基座32的下面装设有叶片电机334，叶片桅杆333上固定装设有与叶片桅杆333同轴的叶片从动齿轮335。叶片电机334在控制器的控制下驱动叶片驱动齿轮336转动，叶片驱动齿轮336带动与之啮合的叶片从动齿轮335转动，进而令风帆叶片332带动风帆转子331一起绕叶片桅杆333的轴心转动。

于实施例中，每个转子风帆3包括三个风帆子单元33，这三个风帆子单元33按照等边三角形排列在风帆基座32上。根据空气动力学，这样的排列方式可获得较为合理的风帆展弦比。风帆基座32上的空间有限，仅布置两个风帆子单元33不能充分利用风能，布置四个风帆子单元33则会较为拥挤。而且，如果每个转子风帆3包括较多的风帆子单元33，每个的风帆叶片332的直径会减小（展长减小），在展弦比不变的情况下，弦长也将随之减小，风能利用率就会下降。

每个转子风帆3的三个风帆叶片332可根据风况呈现张开/闭合状态。风帆叶片332上装设有风况仪，风况仪与控制器连接，控制器与风帆转子331、风帆叶片332和风帆基座32的驱动电机相连。控制器通过风况仪实时获取航行风速、风向，风帆叶片、顶推双体船的位置信息等参数，通过计算得到当前状态下的最佳操帆角，根据该最佳操帆角控制风帆叶片332、风帆转子331和风帆基座32的转动，从而实时调节风帆叶片332的迎风攻角，以实现最佳的风能利用率。

图7和图8显示的分别为转子风帆闭合和张开时的示意图。顶推双体船航行过程中，在风速、风向有利的情况下，转子风帆3的三个风帆叶片332呈现张开状态，风帆转子331自旋转以提升风能利用率；在风速风向不利的情况下或者停靠于码头时，三个风帆叶片332呈现闭合状态，风帆转子331停转，防止船体被风吹翻，保证了船体的稳定性。

顶推双体船可在沿海区域作为滚装船用于运输小轿车、拖车等，能更好的实现顶推双体船的经济价值。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种顶推双体船，其特征在于，所述顶推双体船至少包括：

一只驳船(1)，具有平行设置的两个驳船片体(11)和跨连在所述片体上的驳船船舱(12)；

两只推船(2)，分别铰接于两个所述驳船片体(11)的后端，每只所述推船(2)至少包括一推船片体(21)和位于所述推船片体(21)上部的推船驾驶舱(22)；两只所述推船(2)各自具有动力设备；所述推船片体(21)的后端装设有吊舱桨(23)，所述吊舱桨(23)包括浸水深度可调的螺旋桨(231)和罩设于所述螺旋桨(231)外的导流罩(232)；所述驳船船舱(12)顶部设置有一个或多个转子风帆(3)，所述转子风帆(3)包括：装设于所述驳船船舱(12)顶部的基座桅杆(31)，固定安装于所述基座桅杆(31)上的风帆基座(32)，竖直安装于所述风帆基座(32)上的多个风帆子单元(33)；所述风帆子单元(33)包括：通过叶片桅杆(333)可转动地连接于所述风帆基座(32)的风帆叶片(332)和连接于所述风帆叶片(332)的风帆转子(331)。

2.根据权利要求1所述的顶推双体船，其特征在于：所述推船驾驶舱(22)顶部固定装设有瞭望塔桅杆(221)，所述瞭望塔桅杆(221)上装设有瞭望塔(222)。

3.根据权利要求1所述的顶推双体船，其特征在于，所述风帆转子(331)包括一转子轴(3311)，所述转子轴(3311)在自身中心轴线的两端通过连接杆(35)连接于所述风帆叶片(332)，所述转子轴(3311)上固定有多个转子叶片(3312)。

4.根据权利要求3所述的顶推双体船，其特征在于：所述风帆叶片(332)呈半圆筒形，所述转子轴(3311)的中心轴线与所述风帆叶片(332)的中心轴线相同。

5.根据权利要求3所述的顶推双体船，其特征在于：所述风帆叶片(332)上装设有风况仪，所述风况仪与控制器相连接，所述控制器与风帆叶片(332)、所述风帆转子(331)和所述风帆基座(32)的驱动电机相连接。

6.根据权利要求3-5中任一项所述的顶推双体船，其特征在于：每个所述转子风帆(3)包括按照等边三角形排列的三个风帆子单元(33)。

7.根据权利要求1-2中任一项所述的顶推双体船，其特征在于：所述驳船(1)的顶层甲板上铺设有太阳能电池板(4)。