CN103482050B - 一种利用波浪能的联合动力船舶 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用波浪能的联合动力船舶，它包括辅船、主船、液压系统以及进出水装置。其中，主船的尾部设置有主推进器，主推进器的两侧后方对称设置两辅助推进器，每一辅助推进器伸出端均斜向主船的尾部。液压系统包括四个以主船的船体中心线为对称轴分布的液压泵，每一液压泵上均开设有出水孔和进水孔，每一液压泵的伸出端均与辅船首部铰接。进出水装置包括两个进水管和两个出水管，两个进水管的一端分别连通主船的船头两侧的吸水口，两个进水管的另一端分成两路后分别通过单向阀与液压泵的进水孔相连。两个出水管的一端分别与主船两侧的辅助推进器相连，两个出水管的另一端亦分成两路后分别通过单向阀与液压泵的出水孔相连。

Description

一种利用波浪能的联合动力船舶

技术领域

本发明涉及一种联合动力船舶，特别是关于一种采用柴油机发动螺旋桨并利用海洋波浪能驱动喷水推进器的联合动力船舶。

背景技术

现阶段，世界各国集中发展低碳经济，而承担了全球90%贸易运输的航运业CO₂排放量及其增长幅度严重制约低碳经济的发展。根据国际海事组织（IMO）公布的数据，2007年航运业CO₂排放量约为10.5亿吨，占全球CO₂总排放量的3.3%左右，如果不采取相应的措施，预计2050年的航运业CO₂排放量将比2007年增长200%-300%，将占全球CO₂总排放量的12%-18%。根据非专利文献“能源危机与船舶综合节能[J]”的研究，航运业的能耗约占全球能耗的10%，而传统柴油推动动力船舶营运成本中的40%-60%是燃油消耗。因而，从节能减排和降低成本的角度考虑，需要开发一种节能环保的新型船舶。

根据非专利文献“新能源在船舶上的应用进展及展望[J]”的研究可知，目前新型节能船舶主要利用风能、太阳能、生物质能、核能、海洋能。其中海洋能具有储量丰富、分布广以及清洁无污染等优点。但是，目前海洋能的利用主要集中在波浪能发电方面，小型波浪能发电装置主要用于航标灯或小型灯船。然而，直接将波浪能应用到船舶推进动力装置的研究特别少，并且还仅停留在设想阶段。名称为“Wavepropulsionship”的专利文献公开了这样一种利用波浪能推进船舶系统，该系统在船体底部安装有浮筒，浮筒随着波浪上下运动，通过机械传动系统带动安装在船尾的推进器旋转，从而推动船舶前行，但其将采集波浪能的浮体安装在船体的底部，形成了较大的阻力，影响船舶前行速度。名称为“一种涡轮喷水式船舶推进系统”的专利文献中公开了这样一种利用波浪能推进船舶系统，该系统引导波浪管进入并冲击涡轮机，在发动机的共同推动下，涡轮机旋转而产生高速水流，高速水流从喷水口喷出从而推动船舶高速前进。这种系统能获得较大的推进效率，但其波浪能利用效率不高，而且需要发动机辅助推动涡轮机旋转，没有做到真正的节能。名称为“浪动力船”的专利文献中公开了这样一种利用波浪上下运动产生的推力推动浪动力船上的波浪翼的装置，该装置大大节约船舶能源花费，但由于波浪翼安装在船体的两侧，形成了较大的阻力，影响船舶前行速度。名称为“海洋位能增压喷射动力船”的专利文献中公开了这样一种波浪能动力船，该波浪能动力船利用波浪的水位改变带动浮体及活塞升降，以驱动发电机发电及产生高压气流，所产生的电力及高压气流为船舶提供动力，该波浪能动力船的浮体位于船体底部，所以形成较大的阻力。上述各专利文献所公开的装置大多利用波浪的位能或振动浮体式的波浪能技术，目前尚未发表过利用筏式波浪能技术收集波浪能推进船舶的相关文献。而筏式波浪能技术能保证较高的波浪能吸收效率及较高的结构可靠性，特别适用于船舶吸收波浪能。因而，可以开发利用筏式波浪能技术吸收波浪能用于推进的新型节能环保船舶。

以往船舶的推进装置大多用的是螺旋桨推进，而在非专利文献“Waterjetpropulsionfora3500toncorvettefromBLOHM+VOSS[C]”中成功地采用了喷水推进器和螺旋桨混合推进。此后，关于喷水推进器和螺旋桨混合推进系统的研究逐渐开展。非专利文献“混合推进系统喷水推进器与螺旋桨相互作用研究[J]”论述“喷水推进器与螺旋桨混合推进系统具有推进效率高、噪声小、工作模式多和机动性好等优点。喷水推进器与螺旋桨的联合使用，可以有效地解决推进器与原动机最高效率不同步的问题。”然而，上述混合推进系统由柴油机驱动的，从节能环保角度考虑，可以将吸收的波浪能用于该混合推进系统中。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是对现有船舶进行改进，提供一种新型的利用柴油机推进螺旋桨和波浪能驱动喷水推进器的联合动力船舶。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种利用波浪能的联合动力船舶，其特征在于，它包括一用于采集波浪能的辅船，一尾部与所述辅船首部转动连接的主船，一设置在所述辅船和主船之间的液压系统，以及一设置在所述主船内部且连通所述液压系统及所述主船外部海水的进出水装置；其中，所述主船的尾部设置有一主推进器，所述主推进器的两侧后方对称设置两辅助推进器，每一所述辅助推进器伸出端均斜向所述主船的尾部；所述液压系统包括四个以所述主船的船体中心线为对称轴分布的液压泵，每一所述液压泵上均开设有出水孔和进水孔，每一所述液压泵的伸出端均穿过其自身所在的所述主船尾部与所述辅船首部铰接；所述进出水装置包括两个进水管和两个出水管，两个所述进水管的一端分别连通所述主船的船头两侧的吸水口，两个所述进水管的另一端分成两路后分别通过一单向阀与所述液压泵的进水孔相连；两个所述出水管的一端分别与所述主船两侧的辅助推进器相连，两个所述出水管的另一端亦分成两路后分别通过一单向阀与所述液压泵的出水孔相连。

所述主船和辅船通过一连接构件连接，所述连接构件包括一焊接在所述主船尾部的铰座，一与所述铰座相差90°焊接在所述辅船首部的另一铰座，一转动连接所述铰座和所述另一铰座的销轴，所述销轴与所述铰座和所述另一铰座连接端两轴线相互垂直。

所述主推进器为螺旋桨推进器，所述辅助推进器为喷水推进器。

每一所述液压泵包括一水平固定连接于所述主船尾部的液压缸体，每一所述液压缸体内部插设一活塞连杆，每一所述活塞连杆的输出端均设置为球头状且均与一球头杆铰接，每一所述球头杆的另一端均与设置在所述辅船首部的球头座铰接；每一所述活塞连杆中的活塞周缘均设置一截面呈L形的密封圈。

所述主船两侧的所述吸水口均设置在保证所述每一所述吸水口均能位于海水液面以下的位置，且每一所述吸水口处均设置一过滤器。

所述辅船的首部与所述主推进器相对应的位置开设一楔形槽。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在现有船舶（主船）的基础上进行改装，通过连接构件连接一辅船，该连接构件能使辅船相对主船发生水平平面内和垂直平面内的相对转动。主船船体内设置有四个对称的液压泵，每一液压泵缸体内的活塞通过活塞杆和球头杆与辅船球铰连接，每一液压泵均连通海水进水管和出水管。在波浪能的作用下，主船和辅船在水平平面内和垂直平面内相对转动。垂直平面内，当辅船相对主船逆时针转动时，主船体上侧两个液压泵缸体里的活塞相对缸体向外运动，液压泵内压强降低形成负压，将海水抽进液压泵中，主船体下侧两个液压泵缸体里的活塞相对缸体向里运动，活塞挤压液压泵内的海水，此时液压泵充当高压泵，海水在高压作用下通过出水管向船体斜后方喷射，推动船体前进。垂直平面内，当辅船相对主船顺时针转动时，主船体上侧两个液压泵出水，主船体下侧两个液压泵抽水。水平平面内，当辅船相对主船顺时针转动时，主船体左侧两个液压泵出水，主船体右侧两个液压泵抽水。水平平面内，当辅船相对主船逆时针转动时，主船体左侧两个液压泵抽水，主船体右侧两个液压泵出水。喷水过程由出水管上的喷水推进器控制，保证喷水满足航速控制要求。因此，本发明能直接高效地将波浪能转化成液压能，完成喷水推进过程，推动船体前行。2、本发明直接高效地把波浪能转化成液压能，通过喷水控制器控制喷水，推动船体前行，而不必将波浪能转化为电能，再利用电能驱动推进系统。因此简化了船体推进的能量获取过程，实现较高的能量转换效率。3、本发明在船体左右侧均设置有喷水推进器，喷水推进器斜向船后方。在船需要掉头转弯的时候，可以通过控制一侧喷水，一侧不喷水，迅速实现船的掉头转弯。4、本发明采用的连接构件使得辅船相对主船能发生水平平面内的转动，能很好地适应主船带动辅船转弯的情况。5、本发明通过辅船和主船的相对转动吸收波浪能，转换为液压能，实际上起到了消耗波浪能的作用，有利于船体在波浪环境中的结构安全。6、本发明利用波浪能代替柴油驱动喷水推进器，起到节能减排、降低船舶营运成本的作用。以耗油量为200g/kW·h的普通渔船为例，假设船体宽度6m,渔船平均一天运行8个小时，一年运行200天，渔船寿命20年，按其在波高2m，波周期6s的海况中航行。则由微幅波理论计算得入射波的功率为141.3kW，筏式波能转换装置的效率可以达到80%以上，考虑到船体航行的复杂性，按50%的波能转换效率计算，则船体可以吸收70.7kW的能量转换为液压能。这样，使用本发明一条渔船在20年的寿命里共节省了70.7×8×200×20×200/1000000=452.28t柴油，按燃烧1t柴油排放3t二氧化碳计算，使用本发明一条渔船在20年的寿命里减少排放1400t左右二氧化碳，在不考虑通货膨胀的情况下，柴油按8000元/吨计算，则使用本发明一条渔船在20年的寿命里减少营运成本362万元。从所述算例可以看出，本发明具有较高的环境效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的整体结构俯视示意图

图2是图1的A-A剖面示意图

图3是图1的B-B剖面图

图4是图1的C-C剖面图

图5是本发明连接构件三维示意图

图6是本发明的主船和辅船垂直平面内发生相对转动的主视示意图

图7是图6的局部放大示意图

图8是本发明的主船和辅船水平平面内发生相对转动的俯视示意图

图9是本发明的液压系统示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明包括一主船10，一用于采集波浪能的辅船20，一用于连接主船10和辅船20的连接构件30，一设置在主船10与辅船20之间的液压系统40。本实施例中，主船10采用现有船舶。

如图3所示，主船10的尾部设置有一螺旋桨推进器11，螺旋桨推进器11两侧后方对称设置两喷水推进器12，每一喷水推进器12伸出端均斜向主船10的尾部，以便通过控制喷水实现主船10的掉头或转弯。

如图4所示，为了不影响主船10的螺旋桨推进器11喷水，辅船20的首部与螺旋桨推进器11相对应的位置开设一楔形槽21。

如图3～5所示，连接构件30包括一紧固在主船10尾部的铰座31，一紧固在辅船20首部的铰座32，一连接铰座31和铰座32的销轴33。其中，铰座31和销轴33一端的连接轴线与铰座32和销轴33另一端的连接轴线相互垂直。因此，辅船20不仅可以相对于主船10在垂直平面内转动（如图6所示），还可以相对于主船10在水平平面内转动（如图8所示）。

如图9所示，液压系统40包括四个以主船10的船体中心线为对称轴分布的液压泵41、42、43、44，为了便于区分，将上部外侧液压泵定义为41，上部内侧液压泵定义为42，下部外侧液压泵定义为43，下部内侧液压泵定义为44。每一液压泵均包括一水平固定连接于主船10尾部的液压缸体45，液压泵41、42的液压缸体45下侧均开设一进水孔，液压泵43、44的液压缸体45上侧也均开设一进水孔，每一液压缸体45的底端均开设一出水孔。每一液压泵还包括一活塞连杆46，每一活塞连杆46的一端插设在液压缸体45内，每一活塞连杆46中的活塞47周缘均设置有截面呈L形的密封圈，以保证每一液压泵不发生泄漏。每一活塞连杆46的另一端与一球头杆48铰接，每一球头杆48的另一端均与设置在辅船20首部的球铰座49铰接(如图4、图7所示)。

如图9所示，本发明还包括一连通液压系统40和海水的进出水装置50，该进出水装置50包括两进水管51，两进水管51的一端分别连通主船10船头左右两侧的吸水口(图中未示出)，吸水口设置的足够低以保证其位于海水液面以下，每一吸水口处均设置一过滤器(图中未示出)。两进水管51的另一端分成两进水支管52，每一进水支管52均经一单向阀(图中未示出)连通每一液压缸体45上的进水孔。进出水装置50还包括两出水管53，两出水管53的一端分别与主船10两侧的喷水推进器12相连，两出水管53的另一端亦分成两喷水支管54，每一喷水支管54均经一单向阀(图中未示出)连通每一液压缸体45底端的出水孔。

下面说明本发明的使用流程：

本发明的联合动力船舶在航行时，当辅船20相对于主船10在垂直平面内逆时针转动时，液压泵41、42内的活塞连杆46抽离液压缸体45，液压缸体45内形成负压，海水经过滤器和单向阀单方向进入液压缸体45内。液压泵43、44内活塞连杆46压缩液压缸体45，此时，液压泵43、44充当高压泵，海水在高压作用下通过喷水推进器12调节，向主船10后方喷射，推动主船10前进。当辅船20相对于主船10在垂直平面内顺时针转动时，液压泵41、42内的活塞连杆46压缩液压缸体45，此时液压泵41、42充当高压泵，海水在高压的作用下通过喷水推进器12调节，向主船10斜后方喷射，推动主船10前进。液压泵43、44内的活塞连杆46抽离液压缸体45，液压泵43、44内压强降低形成负压，海水经过滤器和单向阀进入两液压泵的缸体45内。

当辅船20相对主船10在水平平面内做逆时针转动时，液压泵42、44内的活塞连杆46分别相对于液压泵42、44的液压缸体45向外运动，液压泵42、44内压强降低形成负压，将海水抽进液压泵42、44中。液压泵41、43内的活塞连杆46分别相对于其液压缸体45向里运动，活塞连杆46挤压液压泵41、43内的海水，此时液压泵41、43充当高压泵，海水在高压作用下通过喷水推进器12调节，向主船10斜后方喷射，推动主船10前进。当辅船20相对于主船10在水平平面内做顺时针转动时，液压泵42、44内的活塞连杆46分别相对于其液压缸体45向里运动，活塞连杆46挤压液压泵42、44内的海水，此时液压泵42、44充当高压泵，海水在高压作用下通过喷水推进器12调节，向船体斜后方喷射，推动主船10前进。此时，液压泵41、43内的活塞连杆46分别相对于液压泵41、43的液压缸体45向外运动，液压泵41、43内压强降低形成负压，将海水抽进液压泵41、43中。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种利用波浪能的联合动力船舶，其特征在于，它包括一用于采集波浪能的辅船，一尾部与所述辅船首部转动连接的主船，一设置在所述辅船和主船之间的液压系统，以及一设置在所述主船内部且连通所述液压系统及所述主船外部海水的进出水装置；所述主船和辅船通过一连接构件连接，所述连接构件包括一焊接在所述主船尾部的铰座，一与所述铰座相差90°焊接在所述辅船首部的另一铰座，一转动连接所述铰座和所述另一铰座的销轴，所述销轴与所述铰座和所述另一铰座连接端两轴线相互垂直；在波浪能的作用下，所述主船和辅船在水平平面内和垂直平面内相对转动；

其中，所述主船的尾部设置有一主推进器，所述主推进器的两侧后方对称设置两辅助推进器，每一所述辅助推进器伸出端均斜向所述主船的尾部；

所述液压系统包括四个以所述主船的船体中心线为对称轴分布的液压泵，每一所述液压泵上均开设有出水孔和进水孔，每一所述液压泵的伸出端均穿过其自身所在的所述主船尾部与所述辅船首部铰接；

所述进出水装置包括两个进水管和两个出水管，两个所述进水管的一端分别连通所述主船的船头两侧的吸水口，两个所述进水管的另一端分成两路后分别通过一单向阀与所述液压泵的进水孔相连；两个所述出水管的一端分别与所述主船两侧的辅助推进器相连，两个所述出水管的另一端亦分成两路后分别通过一单向阀与所述液压泵的出水孔相连。

2.如权利要求1所述的一种利用波浪能的联合动力船舶，其特征在于，所述主推进器为螺旋桨推进器，所述辅助推进器为喷水推进器。

3.如权利要求1或2所述的一种利用波浪能的联合动力船舶，其特征在于，每一所述液压泵包括一水平固定连接于所述主船尾部的液压缸体，每一所述液压缸体内部插设一活塞连杆，每一所述活塞连杆的输出端均设置为球头状且均与一球头杆铰接，每一所述球头杆的另一端均与设置在所述辅船首部的球头座铰接；每一所述活塞连杆中的活塞周缘均设置一截面呈L形的密封圈。

4.如权利要求1或2所述的一种利用波浪能的联合动力船舶，其特征在于，所述主船两侧的所述吸水口均设置在保证所述每一所述吸水口均能位于海水液面以下的位置，且每一所述吸水口处均设置一过滤器。

5.如权利要求1或2所述的一种利用波浪能的联合动力船舶，其特征在于，所述辅船的首部与所述主推进器相对应的位置开设一楔形槽。