CN1083004A - 小水线面面积高速船 - Google Patents

Abstract

本发明的目的提供一种小水线面面积船，可从在 由弗劳德数大于0.8所确定的中至高速有效地运 行。该船包括由穿水支撑架支承的一水上船体结构， 支撑架末端是浮力吊舱，支撑架可以对着在支撑架之 间伸延的流线形横向水翼，这些水翼和或吊舱顺水流 方向的尺寸较短，给船提供了浮力的主要部分，并在 中至高速船行时减小波阻。

Description

本发明涉及小水线面面积船只，这种类型的船在先有技术中称之为半潜船，或指那些具有支承由连结于水下船体上的穿水支架支撑的平台的载荷的船。

开发来用于公海国家间的运行的半潜船在先有技术中被称为小水线面面积双体船（SWATH）。这类船的各种结构在美国专利3623444和3897744（Thomas    G    Lang）和4552083和4557721（Terrence    W    Schmidt）已经描述过了。

所有上述的半潜船的实例都采用一种细长（小断面积长度比）的水下船体的设置，以提供主要的浮力。从动力和燃料消耗的观点看，为了高效地运行，SWATH船被限制在弗劳德数小于0.4的速度上。弗劳德数（F）的定义如下：

$\mathrm{F\; =\; V/}\sqrt{\mathrm{gl}}$

这里，V＝速度

g＝重力加速度

l＝船体长度

速度受限制主要是由于在弗劳德数0.4和0.8之间发生的波阻急剧增加。在先有技术中，对于所有表面排水型船只来说这种波阻的增加已经充分地确立，并且通常被称为阻力或功率“峰”。见《流体动力学阻力》（Fluid-Dynamice，Sighard    F.Hoerner著，1965年由作者出版）一书。在这样的“峰”值速度区域运行。由于高波阻，导致需要高推进功率和降低燃料使用效率。在弗劳德数大于0.8的运行可显著的减小波阻，但是对于通常型式的SWATH船来说，越过这样的“峰”值速度区域要求额外的推进功率。

本发明的目的是提供一种小水线面面积船体型式，它使得波阻减小并且使其在弗劳德数大于0.8的高速下高速的运行。

由本发明，高速时减小波阻是通过使用流线型支撑架和在支撑架之间横向伸延的流线型水翼而获得的。横向水翼可以单个地或多个地设置，并且整流罩和吊舱可以成整体地结合到该设计中。这些横向水翼显著减小的沿流向长度，与通常形状的长船体相比，在给定速度下可以显著地增加弗劳德数。具有较短长度的流线型吊舱可以用来与流线型横向水翼相连结，或者可以用来代替流线型横向水翼。

图1示出关于弗劳德数为0.4，0.5和0.8的流向长度与速度之间的关系。

图2表示两种500长吨船的波阻（理论上的）予测，其一为普通SWATH的，一种为本发明的。

图3表示在图2中的每种设计所需的总有效功率（EHP）予测。这些功率予测既包括了剩余（波浪）阻力也包括粘性阻力。

图4示出先有技术的SWATH船的一立体图。主要特性参数为：排水量500长吨，支撑架长111英尺，浸水部分船体130英尺。

图5表示依据本发明的第一实施例的一种船的立体图。

图6表示图5中的船的内纵剖面图。

图7表示图5中的船的正视图，并以虚线示出了横支撑架的可替换的位置。

图8示出了穿水支撑架的理论波阻系数。

图9示出了各种直径与长度比的浸水船体在几种浸水深度时的理论波阻系数。

图10示出了支撑架与船体间隔与最小波峰阻力之间的关系。

图11到16示出了本发明的其它替换实施例。

参考图1、2和3可最好地理解本发明的细节。

图1中示出了一条船的水线长度，速度和其运行时的弗劳德数之间的关系。船前进速度产生的重力波是船波阻力的根源。弗劳德数表示出重力波型及由此导致的由船产生的波阻。先有技术中的排水型船在低于弗劳德数0.4以下运行，以更高的弗劳德数运行会引起燃料效率下降并需要更高的推进功率。

由于弗劳德数的限制，高速运行的船的设计要求长的船体，以提高运行效率。例如，设计30节的排水船，必须500英尺（或更长）才能高燃料效率地运行。

最大波阻力发生在接近弗劳德数＝0.5的曲线处，后者经常被称为峰速。超过弗劳速数0.5，波阻下降，在0.8到1.0弗劳德数的范围降至一低水平。

使用本发明的船将从0.8或更高的弗劳德数运行。

本发明的船被做成所有的浸没船体部件（支撑架，水翼和吊舱）在顺流方向的长度尺寸都是较短的。长度的限制由设计运行速度和F＝0.8曲线决定。例如，对于设计速度20节以上的高效运行的船，任一浸没船体部件的最大长度为55英尺。

图2示出了两只500长吨船的理论波阻的比较，其中一只是通常的SWATRH船，另一只为本发明的实施例。

先有技术的SWATH船有一个由111英尺的支撑架和130英尺长的浸水船体构成的船体。基于浸没船体长度为130英尺，在15节或弗劳德数＝0.39时波阻急剧增加。波阻在20节时（弗劳德数＝0.52）接近最大值，速度再提高达35节时（弗劳德数＝0.9）仅稍微地减小。

由本发明的小水线面积船型（图5所示）具有长度为28英尺的支撑架和水翼。这种船型在7节（弗劳德数＝0.39）时波阻急剧增加，在13节（弗劳德数＝0.73）时达到最大值，在17节（弗劳德数＝0.95）时降至一个低值。虽然本发明的船型在低速时波阻较大，但在设计船速20节时实际上却很低（8比35千磅）。

图3表示各设计方案所要求的总功率效率（EHP）的予测。在高速时动力的降低几乎从19节的40%变动至30节时的19%，或者说，在给定的功率下，可以这现速度增加大约3节。

图8示出了关于一穿水支撑架的理论波阻。在F＝0.4时支撑架的波阻迅速增加，在F＝0.5附近接近最大值，而在高弗劳德数（大于F＝1.0）后下降到一低数值。这种观象的详细解释见前文已经引述的Hoerner所著的书。这一特性曲线表观了先有技术和本发明的小水线面面积船的支撑架的波阻影响的特征。本发明的讲述在设计速度时弗劳德数大于或等于1.0时速度与船体弦长的关系。

图9中示出了浸水船体的理论波阻。对于各种不同浸水深度与船长之比，由直径与长度之比的平方规格化的波阻系数依据弗劳德数画出曲线。

对于穿水支撑架，波阻在F＝0.4时急剧增加，在F＝0.5时达到峰值，在低于大约0.1时降至低值。

由直径长度比的平方规格化的阻力系数随浸水深度与长度之比而变化。如图9的曲线所确定的那样，先有技术中的SWATH（图4）在船速20节时，弗劳德数为0.52，船体波系数CD大约为0.09，而本发明（图5）的较短长度流线型的吊舱的阻力系数在船速20节（弗劳德数＝1.1）时阻力系数将有一个小于0.03的波阻系数。波阻系数的定义如下，

DC＝波阻/ 1/2 ρV²A

这里，ρ＝水的密度

V＝速度

A＝正面面积

对于实用于半潜式船只的船体潜没比例，波阻在弗劳德数0.4和0.8之间变得过大。由于其细长的水下船体的性质。为了高燃料效率运行，这些船被限制在弗劳德数0.4的速度。所有上述的半潜式船的实例都设置了细长的潜水船体（小断面积与长度之比）来提供主要的浮力。

图10示出了可能的在弗劳德数0.5处时产生最小波阻峰值的支撑架间隔。所示横波型是对波阻起重要作用的因素。消除这种横波可以用把船艉支撑架按一定距离前后隔开排列的办法来实现，由此各支撑架产生的横波有180°的相位差。横波波长和速度的关系由下式决定：

λ＝2πV²/g

这里，λ＝波长

V＝速度

g＝重力加速度

横波的消失会在支撑架间隔（X）为0.5λ，1.5λ……处发生。对于弗劳德数＝0.5，用于消除横波的支撑架间隔（X）应该在0.25πl，0.75πl，1.25πl处。先有技术的解决方法示于图4中。在先有技术中，支承浮力由一对实际上是平行筒形的潜水壳体2和4提供。每一潜水壳体做成长圆柱形状6，后者包括一圆形的艏部8和一锥形艉部10：

潜水船体2和4通过一对支撑架14和16为上部船体12提供支承浮力。支撑架长而窄，尽量设计成最小。换立之，支撑架有一低的厚度弦长比。

上部船体12呈一平台状并包括升高的上部结构18，船用机械，船员舱等设置在平台内。

主要特征为：排水量500长吨，支撑架长111英尺，潜水船体长130英尺。比照船速作为水线长度的函数的曲线（图1），可注意到在弗劳德数0.5时最大航速是20节。但这不是这种船的燃料高效率或动力高效率航速。在弗劳德数0.4时可获得更高的燃料效率，些时给出14节的最高航速。这个结果也示于图3功率中。

图5示出了一小水线面面积船20，它有一在水平面上的载荷船体结构22，后者有一艏部24和一艉部26，从艏部悬下的是一组双支撑架28、30。这些支撑架悬挂的是一组吊舱29、31。连结于吊舱29、31之间的是一流线型排水型水翼32。第二组支撑34，36由船体结构的艉部26垂下，与支撑架28、30前后纵到设置。这些支撑架对着装设有通常的船用推进器的推进吊舱38，40。第二个流线型排水型水翼42在推进吊舱之间横向伸延。

水翼31、42和吊舱29、31、38以及40提供了船浮力的主要部分。由于其顺流向长度短，在由弗劳德数大于0.8所确定的中速至高速时，它们可以减小波阻。

图6示出对设计本发明的船至关重要的尺寸。支撑架和水翼弦长（分别用A和B代表）。吊舱长（C）和潜入深度（D）都是生成波阻的因素。这些尺寸对波阻的影响示于图8和9中。

图7示出了图5中船的一正视图，虚线表示出支撑架的可替换的设置，这些支撑架的设置的优点是能够优化上部船体横向结构与横向流线型水翼的翼展的宽度。

图11示出了与图5所示的结构不同的一种船，去掉了前流线型横水翼，代之以对着前浮力吊舱的操纵鳍板。所示的支撑架从船体结构中心向外倾斜。这种实施例的优点是增加了动态纵顷角稳定性。

图12所示的船与图5所示的基本相同，只是支撑架46、47、48和49从船体结构中心向外倾斜一角度。

这一实施例具有可增加横向水翼的弦长，增加浮力水翼52和58的排不量而不加大上部船体宽度的优点。

图13所示的实施例没有横向水翼。代替横向水翼的是对着各个支撑架的单个水翼。推进吊舱安装在后支撑架上，并且它们被设计成使推进器置于推进吊舱的前部。推进吊舱被显示从前支撑架悬下，以减少在某些应用中推进器的易损性。

图14所示的实施例有一对延伸至几乎船的全长的支撑架50、51。这些支撑架在其前部有伸出的部分54、56和在其后部有垂直伸出部分58、60。终端连接浮筒70，72和推进吊舱74和76。流线型水翼62和63在吊舱之间横向伸延。

图15示出了本发明的另外的实施例。在该实施例中，一横向水翼直接对接在每一前支撑架上。

图16示出了另一个可替换的实施例。在该实施例中，横向水翼对接在艏艉支撑架上。所有的浮力部件都是水翼形状的，没有吊舱。

Claims (17)

1、一种小水线面面积高速船，包括：一带有一艏部和一艉部的在水平面上的船体结构，一组在前的从船体结构的艏部悬下的双支撑架，所述双支撑架对着在上述双支撑架之间横向延伸并将它们互相连接的第一横向排水型水翼，一个从船体结构的艉部悬下的第二组双支撑架，上述第二组双支撑架对着推进吊舱，一个第二横向排水型水翼在上述吊舱之间横向伸延并把它们互相连接，并且上述推进吊舱实际上只与上述第二组双支撑架相连接。

2、一种小水线面面积高速船，包括：一带有有一艏部和一艉部的在水平面上的船体结构，一对从船体结构上悬下的纵向支撑架，在支撑架的前部之间伸延并与之相连接的一横向排水型水翼，一对推进吊舱对着上述支撑架的后部，及在上述吊舱之间伸延并与之相连接的一个第二横向排水型水翼。

3、依权利要求2的一种小水线面面积高速船，其中，上述支撑架与船体成夹角地悬下。

4、依权利要求2的一种小水线面面积船进一步被限定具有与第二横向排水型水翼成整体的操纵面，上述操纵面用于在航行中提供对纵倾，横倾，，船的运动和稳定的操纵。

5、一种小水线面面积高速船，包括：一带有一艏部和一艉部的在水平面上的船体结构，一个第一组双艏支架从船体结构的艏部悬下，一组双艉支撑架从船体结构的艉部悬下，第一浮力装置，该第一浮力装置对着上述艏野撑架组，第二浮力装置，该第二浮力装置对着上述双艉支撑架组，在艏和艉支撑架的纵向长度和船的设计速度之间的关第为：

$\mathrm{F\; =\; V/}\sqrt{\mathrm{gl}}$

这里：F＝设计弗劳德数

V＝小水线面面积高速船的设计速度（英尺/秒）

l＝支撑架的纵向长度（英尺）

g＝重力加速度（英尺/秒.秒）

并且设计弗劳德数为0.8或更大。

6、依权利要求5的小水线面面积高速船其中，上述第一浮力装置包括一单个的横向艏水翼，该横向艏水翼与每个上述的双艏支撑架相连接，上述横向艏水翼的纵向长度与高速船的设计速度之间的关系为：

$\mathrm{F\; =\; V/}\sqrt{\mathrm{gl}}$

这里，F＝设计弗劳德数

V＝水水线面面积高速船设计速度（英尺/秒）

l＝上述横向船水翼的纵向长度，（英尺）

g＝重力加速度（英尺/秒.秒）

而设计弗劳德数为0.8或更大。

7、依权利要求6的小水线面面积高速船，其中，上述艉浮力装置包括一横向艉水翼，该横向艉水翼与每个上述的双艉支撑架相连接，上述横向艉水翼的纵向长度与该船的设计速度之间的关第为：

$\mathrm{F\; =\; V/}\sqrt{\mathrm{gl}}$

这里：F＝设计弗劳德数。

V＝小水线面面积高速船的设计速度（英尺/秒）

l＝上述横向艉水翼的纵向长度（英尺）

g＝重力加速度（英尺/秒₂）

而设计弗劳德数为0.8或更大。

8、依权利要求5的小水线面面积高速船，其中，每一上述船支撑架包括一浮力吊舱。

9、依权利要求8的小水线面面积高速船包括一横向艏水翼，该横向艏水翼连接予上述艏浮力吊舱之间。

10、依权利要求5的小水线面面积高速船，其中，上述第一浮力装置包括一对艏浮力吊舱，每一上述第一浮力吊舱对着并连接着上述双支撑架之一，上述第二浮力装置包括一对艉吊舱，每一上述第二浮力吊舱对着并连接着上述双艉支撑架之一，每一上述第一浮力吊舱的纵向长度和每一上述第一浮力吊船的纵向长度与该船的设计速度的关系如下：

$\mathrm{F\; =\; V/}\sqrt{\mathrm{gl}}$

这里：F＝设计弗劳德数

V＝小水线面面积高速船的设计速度

l＝上述每个第一和第二浮力吊舱的纵向长度

g＝重力加速度

而设计弗劳德数为0.8或更大。

11、一种小水线面面积高速船，包括：一带有一艏部和一艉部的水上船体结构，多个艏支撑架，上述多个艏支撑架从上述船体结构的艏部悬下，至少一个艉支撑架，上述艉支撑架从上述船体结构的艉部悬下，第一组多个浮力装置，该第一组多个浮力装置对着上述多个艏支撑架，至少一个第二浮力装置，该第二浮力装置对着上述艉支撑架，各上述艏支撑架，上述第一组浮力装置，上述艉支撑装置和上述第二组浮力装置的纵向度与该船的设计速度之间的关系为：

$\mathrm{F\; =\; V/}\sqrt{\mathrm{gl}}$

这里：F＝设计弗劳德数

V＝上述小水线面面积高速船向设计速度（英尺/秒）

l＝上述每一艏支撑架，第一组浮力装置，艉支撑架和上述第二组浮力装置的长度（英尺）

g＝重力加速度（英尺/秒.秒）

而设计弗劳德数为0.8或更大。

12、一种小水线面面积高速船，包括：一带有一艏部和一艉部的在水平面上的船体结构，从船体结构的艏部悬下的第一组双艏支撑架，从船体结构的艉部悬下面一组双艉支撑架，第一浮力装置，该第一浮力装置对着上述艏歧撑架，第二浮力装置，而上述第二浮力装置对着上述双艉支撑架。

13、依权利要求12的一种小水线面面积船，其中，上述第一浮力装置包括一第一水翼形元件。

14、依权利要求12的一种小水线面面积船，其中，上术第二浮力装置包括一第二水翼形元件。

15、依权利要求14的一种小水线面面积船，其中，上述第二水翼形元件在上述第二组双支撑架之间伸延并把它们连结。

16、依权利要求15的一种小水线面面积船，其中，第一浮力装置包括一第一水翼形元件。

17、依权利要求16的一种小水线面面积船，其中，上述第一水翼形元件在上述第一组双支撑架之间延伸并把它们连接。

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