CN106342048B - 一种船舶自适应气层减阻系统及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶自适应气层减阻系统，包括气层发生装置、供气系统和探测与控制系统，所述气层发生装置包括变形外板(9)和与变形外板(9)连接的液压顶杆(10)，所述液压顶杆(10)驱动变形外板(9)移动，在变形外板(9)与船体外表面之间形成断阶，所述供气系统包括带有转速控制器的供气风机(1)、供气管道(2)、空气压缩机(3)、和喷气口(7)等，形成自动吸气与增加供气两条支路，所述探测与控制系统包括传感器、伺服机构、计算控制中心(13)。本发明的船舶自适应气层减阻系统能实现气泡船在不同航速、航区、航行工况下调节气层发生系统的供气量及气层发生装置的工作状态，使得气泡船对航区及航行工况的适应性大幅度提升，提高了气层减阻技术在船舶上应用的综合效益。

Description

一种船舶自适应气层减阻系统及操作方法

技术领域

本发明涉及船舶减阻技术领域，尤其涉及一种采用断阶形成气层的减阻系统。

背景技术

众多研究表明，气层减阻技术应用于船舶领域具有显著的提速增效、节能减排的效果，具有广泛的军事及民用前景。

气泡船是指应用了气层减阻技术的船舶。该技术得以实现的关键是获得覆盖面积大、抗干扰能力强的气层，并将之有效地覆盖到船体表面上。这主要涉及三个方面的研究内容：适合的艇体线型、气层发生装置的结构及布置、低能耗的供气系统。

如图1-6所示，目前，为了获得均匀稳定有效的气泡层，各国船舶科技工作者均提出了相应的技术措施。对于高速气泡艇，可通过艇底设置断阶、开设纵向开槽或利用横向及纵向拦板来构造人造气腔，如专利Surface effect vessel hull(专利号：US5570650)、High speed vessel(专利号：RU2176608C2)及气膜减阻高速船(专利号：CN101269695A)。这些方法利用了流场突变处的流动分离来诱导形成大气穴，并使其有效的覆盖到艇体上，减少湿表面积，降低航行阻力。对于肥大的排水型船舶，可以在船首附近及龙骨上安装喷气装置，直接注入气体形成气泡层，借助来流的作用将船底气层向船尾分布开来，如专利船舶使用气流减阻(专利号：CN86106672A)、气泡发生装置及气层减阻船(专利号：JP201058777A)和Friction resistance reduction ship(专利号：US20090260561A1)等；也可以在船底平坦部分开设单个或多个凹槽，通过向凹槽首部注入气体形成大气穴，减少湿表面积，如韩国专利KR101012651B1以及荷兰DK Group公司公开的气泡船；还可以通过安装纵向侧壁和导流板装置获得船底薄膜气层，如专利船舶气膜减阻节能装置系统(专利号：CN85101991A)。

然而，在上面所述的各项发明专利中，仍存在需要提高或改进的地方。比如，直接向船体外表面喷气虽然附体阻力增加不大，但形成的气层分布面积小，稳定性差，在风浪等外界干扰下减阻效果大幅降低。对于安装气层导入装置的方法，如断阶、楔形板、纵向开槽及导流板等，均会导致船体外表面不连续或增加额外的突出物，使得船体不喷气时的航行阻力大幅度增加，如开槽使得高速艇不喷气下的阻力增加高达20％以上。而且，气层导入装置的外形和尺寸均被固定，不能适应不同航行工况的需要。

除此之外，上述技术措施中主要涉及的是气层的发生及稳定性控制措施，尚未涉及船舶航行状态、供气系统、气层发生装置三个环节之间的控制机制。为了降低气层发生装置导致的阻力增加、避免供气量浪费或不足的现象，则有必要在船舶航速、运动及姿态、供气系统、船底气层分布、气层发生装置工作状态之间建立控制和反馈机制，通过采用自适应气层系统全面提高气泡船的航行性能。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种能根据船舶航行状态改变工作状况，从而降低气泡船不喷气时的阻力增加，避免供气量不足或浪费，实现节能增效的船舶气层自适应减阻系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种船舶自适应气层减阻系统，包括气层发生装置、供气系统和探测与控制系统，所述气层发生装置包括变形外板和与变形外板连接的液压顶杆，在所述气层减阻系统不工作时，所述变形外板与船体外表面光顺配合，在气层减阻系统工作时，所述液压顶杆驱动变形外板移动，在变形外板与船体外表面之间形成断阶。

所述供气系统包括带有转速控制器的供气风机、供气管道、空气压缩机、储气箱、流量计、阀门和喷气口，所述供气风机的输出端设有两条气路，一条气路通过供气管道直接与流量计的输入端相连，另一条气路由供气管道顺序连接空气压缩机、储气箱和流量计的输入端形成，所述流量计的输出端通过供气管道与喷气口相连，在所述流量计和喷气口之间设置有阀门。

所述探测与控制系统包括传感器、伺服机构、计算控制中心，所述传感器包括船首部加速度传感器、船中部加速度传感器、船尾部加速度传感器、船体纵横摇传感器、气层分布探测器和GPS航速仪，所述伺服机构包括阀门伺服机构和液压顶杆伺服机构，所述阀门伺服机构通过控制阀门的开启大小控制喷气口喷出的气体流量大小，所述液压顶杆伺服机构通过控制液压顶杆的伸缩控制变形外板的移动，所述所述计算控制中心通过传输线路分别与供气风机的控制器、流量计、阀门伺服机构、液压顶杆伺服机构、船首部加速度传感器、船中部加速度传感器、船尾部加速度传感器、船体纵横摇传感器、气层分布探测器和GPS航速仪电连接，所述的计算控制中心采集流量计和传感器的数据，控制供气风机、阀门伺服机构和液压顶杆伺服机构的动作。

更进一步地，所述液压顶杆与变形外板铰接，所述变形外板靠船首的一端与船体铰接，所述喷气口位于变形外板靠船尾的一端的船体上。

更进一步地，所述液压顶杆与变形外板铰接，所述变形外板由两块板沿船舶纵向方向铰接而成，变形外板靠船尾的一端与船体铰接，所述喷气口位于变形外板靠船首的一端的船体上。

一种船舶自适应气层减阻系统的操作方法，按以下步骤：

1)船舶在离开码头的过程中，供气风机不工作，变形外板与船体外表面光顺配合；

2)离开码头进入航线后，航行速度逐渐增加，当航速达到采用喷气减阻的临界速度时，计算控制中心根据GPS航速仪采集到的速度值及船体航态传感器返回的升沉、纵摇、横摇、运动加速度值，计算出艇底断阶高度及所需的气流量，并控制伺服机构驱动变形外板移动形成断阶，供气风机开始工作，供气管道上的阀门打开，在断阶后方形成气穴并向后延伸；

3)布置在断阶后方的气层分布探测器将气层的分布情况反馈给计算控制中心，如果气层分布面积未达到最大面积，则增大流量和增大断阶高度，直至气层分布面积达到最大值，在气流量和断阶高度均增至最大值，而气层分布面积仍未达到最大面积时，则关闭气层减阻系统，移动变形外板与船体外壳板恢复光顺；

4)当船舶准备靠港时，气层减阻系统处于关闭状态，变形外板与船体外壳板光顺配合。

进一步地，在船舶自适应气层减阻系统使用中，供气系统可根据航速及航行姿态选择不同的供气支路，航速较高且航行平稳时，主要采用自动吸气支路供气，增压供气支路作为辅助，当航速较低，或船体摇荡运动剧烈时，选用增压供气支路，自动吸气支路则关闭。

本发明所述船舶自适应气层减阻系统能实现气泡船在不同航速、航区、航行工况下调节气层发生系统的供气量，降低气层减阻系统带来的附加阻力，节约喷气量及功率消耗，提高气层分布的稳定性，使得气泡船对航区及航行工况的适应性大幅度提升，提高了气层减阻技术在船舶上应用的综合效益。

附图说明

图1专利RU2176608C2的结构图

图2专利US005570650A结构图

图3CN101269695A结构图

图4专利US20090260561A1结构图

图5韩国专利KR101012651B1结构图

图6专利CN85101991A结构图

图7本发明实施例1的气层减阻系统结构示意图

图8本发明实施例1中变形外板关闭时的结构示意图

图9本发明实施例2的气层减阻系统结构示意图

图10本发明实施例2中变形外板关闭时的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

参见附图7-10，本发明的船舶自适应气层减阻系统，包括气层发生装置、供气系统和探测与控制系统，所述气层发生装置包括变形外板9和与变形外板9连接的液压顶杆10，在所述气层减阻系统不工作时，所述变形外板9与船体外表面光顺配合，在气层减阻系统工作时，所述液压顶杆10驱动变形外板9移动，在变形外板9与船体外表面之间形成断阶。所述供气系统包括带有转速控制器的供气风机1、供气管道2、空气压缩机3、储气箱4、流量计5、阀门6和喷气口7，所述供气风机1的输出端设有两条气路，一条气路通过供气管道2直接与流量计5的输入端相连，可实现自动吸气。另一条气路由供气管道2顺序连接空气压缩机3、储气箱4和流量计5的输入端形成，可实现增加供气。在航行过程中，供气系统可根据航速及航行姿态选择不同的供气支路。航速较高且航行平稳时，主要采用自动吸气管道供气，增加供气支路作为辅助。当航速较低，或船体摇荡运动剧烈时，选用增压空气支路，自动吸气支路则关闭。所述流量计5的输出端通过供气管道2与喷气口7相连，在所述流量计5和喷气口7之间设置有阀门6。所述探测与控制系统包括传感器、伺服机构、计算控制中心13，所述传感器包括船首部加速度传感器15、船中部加速度传感器16、船尾部加速度传感器17、船体纵横摇传感器18、气层分布探测器19和GPS航速仪20，所述伺服机构包括阀门伺服机构8和液压顶杆伺服机构12，所述阀门伺服机构8通过控制阀门6的开启大小控制喷气口7喷出的气体流量大小，所述液压顶杆伺服机构12通过控制液压顶杆10的伸缩控制变形外板9的移动，所述所述计算控制中心13通过传输线路14分别与供气风机1的控制器、流量计5、阀门伺服机构8、液压顶杆伺服机构12、船首部加速度传感器15、船中部加速度传感器16、船尾部加速度传感器17、船体纵横摇传感器18、气层分布探测器19和GPS航速仪20电连接，所述的计算控制中心13采集流量计5和传感器的数据，控制供气风机1、阀门伺服机构8和液压顶杆伺服机构12的动作，完成计算机-传感器-伺服机构三者之间的信息反馈与指令传输。

本发明的船舶自适应气层减阻系统的操作方法，按以下步骤：

1)船舶在离开码头的过程中，供气风机1不工作，变形外板与船体外表面光顺配合；

2)离开码头进入航线后，航行速度逐渐增加，当航速达到采用喷气减阻的临界速度时，计算控制中心13根据GPS航速仪20采集到的速度值及船体航态传感器返回的升沉、纵摇、横摇、运动加速度值，计算出艇底断阶高度及所需的气流量，并控制伺服机构驱动变形外板9移动形成断阶，供气风机1开始工作，供气管道2上的阀门6打开，在断阶后方形成气穴并向后延伸；

3)布置在断阶后方的气层分布探测器将气层的分布情况反馈给计算控制中心13，如果气层分布面积未达到最大面积，则增大流量和增大断阶高度，直至气层分布面积达到最大值，在气流量和断阶高度均增至最大值，而气层分布面积仍未达到最大面积时，则关闭气层减阻系统，移动变形外板9与船体外壳板恢复光顺；

4)当船舶准备靠港时，气层减阻系统处于关闭状态，变形外板9与船体外壳板光顺配合。

计算控制中心13通过预设的船底断阶高度与航速之间的关系，喷气量与航速、断阶高度、船体姿态、船体运动的之间的关系，以及设定的基本参数，如：喷气的临界航速、设计航速及巡航速度下的最大喷气量、最大断阶高度、预期气层最大分布面积等，对本发明的气泡船实现操控。这些关系和基本参数都可以通过现有的实验方法进行有限试验得到，属于现有技术的范畴。并且对该种现有技术的优化并非本发明的发明点，非本发明技术方案所要解决的技术问题，也不在本发明请求保护的范围之内。

本发明的船舶自适应气层减阻系统针对不同种类的船舶，有以下两种实施例，主要区别在于变形外板9的结构形式上。

实施例1

液压顶杆10与变形外板9铰接，变形外板9靠船首的一端与船体铰接，在液压顶杆10的驱动下变形外板9可绕其前端的转轴11转动。当液压顶杆10向外伸长时，变形外板9随之打开，在其后方形成断阶，断阶的高度可通过液压顶杆伸缩的长度来控制。当液压顶杆向内收缩时，断阶高度降低直至变形外板关闭。此时，变形外板9与船体外表面密切配合，整体上呈现光顺的流线型。喷气口7位于变形外板9靠船尾的一端的船体上。

本实施适用于民用高速客船、高速运输船舶、游艇及军用登陆艇、导弹快艇、巡逻艇等。

实施例2

液压顶杆10与变形外板9铰接，变形外板9由两块板沿船舶纵向方向铰接而成，变形外板9靠船尾的一端与船体铰接，变形外板9在液压顶杆10的伸缩驱动下，可向船体内侧平行移动，从而在船底形成凹槽。为了实现变形外板9的平行移动，液压顶杆10至少在变形外板9的前端、后端各安装一套，同时变形外板9通过板间连接转轴和连船转轴与船体向连接。喷气口7位于变形外板9靠船首一端的船体上。

Claims (5)

1.一种船舶自适应气层减阻系统，包括气层发生装置、供气系统和探测与控制系统，其特征在于，

所述气层发生装置包括变形外板(9)和与变形外板(9)连接的液压顶杆(10)，在所述气层减阻系统不工作时，所述变形外板(9)与船体外表面光顺配合，在气层减阻系统工作时，所述液压顶杆(10)驱动变形外板(9)移动，在变形外板(9)与船体外表面之间形成断阶，

所述供气系统包括带有转速控制器的供气风机(1)、供气管道(2)、空气压缩机(3)、储气箱(4)、流量计(5)、阀门(6)和喷气口(7)，所述供气风机(1)的输出端设有两条气路，一条气路通过供气管道(2)直接与流量计(5)的输入端相连，另一条气路由供气管道(2)顺序连接空气压缩机(3)、储气箱(4)和流量计(5)的输入端形成，所述流量计(5)的输出端通过供气管道(2)与喷气口(7)相连，在所述流量计(5)和喷气口(7)之间设置有阀门(6)，

所述探测与控制系统包括传感器、伺服机构、计算控制中心(13)，所述传感器包括船首部加速度传感器(15)、船中部加速度传感器(16)、船尾部加速度传感器(17)、船体纵横摇传感器(18)、气层分布探测器(19)和GPS航速仪(20)，所述伺服机构包括阀门伺服机构(8)和液压顶杆伺服机构(12)，所述阀门伺服机构(8)通过控制阀门(6)的开启大小控制喷气口(7)喷出的气体流量大小，所述液压顶杆伺服机构(12)通过控制液压顶杆(10)的伸缩控制变形外板(9)的移动，所述计算控制中心(13)通过传输线路(14)分别与供气风机(1)的控制器、流量计(5)、阀门伺服机构(8)、液压顶杆伺服机构(12)、船首部加速度传感器(15)、船中部加速度传感器(16)、船尾部加速度传感器(17)、船体纵横摇传感器(18)、气层分布探测器(19)和GPS航速仪(20)电连接，所述的计算控制中心(13)采集流量计(5)和传感器的数据，控制供气风机(1)、阀门伺服机构(8)和液压顶杆伺服机构(12)的动作。

2.如权利要求1所述的一种船舶自适应气层减阻系统，其特征在于，所述液压顶杆(10)与变形外板(9)铰接，所述变形外板(9)靠船首的一端与船体铰接，所述喷气口(7)位于变形外板(9)靠船尾的一端的船体上。

3.如权利要求1所述的一种船舶自适应气层减阻系统，其特征在于，所述液压顶杆(10)与变形外板(9)铰接，所述变形外板(9)由两块板沿船舶纵向方向铰接而成，变形外板(9)靠船尾的一端与船体铰接，所述喷气口(7)位于变形外板(9)靠船首的一端的船体上。

4.如权利要求1所述一种船舶自适应气层减阻系统的操作方法，按以下步骤：

1)船舶在离开码头的过程中，供气风机(1)不工作，变形外板与船体外表面光顺配合；

2)离开码头进入航线后，航行速度逐渐增加，当航速达到采用喷气减阻的临界速度时，计算控制中心(13)根据GPS航速仪(20)采集到的速度值及船体航态传感器返回的升沉、纵摇、横摇、运动加速度值，计算出艇底断阶高度及所需的气流量，并控制伺服机构驱动变形外板(9)移动形成断阶，供气风机(1)开始工作，供气管道(2)上的阀门(6)打开，在断阶后方形成气穴并向后延伸；

3)布置在断阶后方的气层分布探测器将气层的分布情况反馈给计算控制中心(13)，如果气层分布面积未达到最大面积，则增大流量和增大断阶高度，直至气层分布面积达到最大值，在气流量和断阶高度均增至最大值，而气层分布面积仍未达到最大面积时，则关闭气层减阻系统，移动变形外板(9)与船体外壳板恢复光顺；

4)当船舶准备靠港时，气层减阻系统处于关闭状态，变形外板(9)与船体外壳板光顺配合。

5.如权利要求4所述的操作方法，在船舶自适应气层减阻系统使用中，供气系统可根据航速及航行姿态选择不同的供气支路，航速较高且航行平稳时，主要采用自动吸气支路供气，增压供气支路作为辅助，当航速较低，或船体摇荡运动剧烈时，选用增压供气支路，自动吸气支路则关闭。