CN109641636A - 用于船舶的具有波浪偏转器的空气润滑系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于当船舶在水中移动时在船舶的船体与船体下流动的水之间提供空气润滑层的系统，系统包括空气腔和波浪偏转器，波浪偏转器具有平坦底表面，该平坦底表面面向所述界面平面，且平行于界面平面延伸，并且以距界面平面2cm至15cm的距离布置在所述空气润滑系统的空气腔中，其中，所述底表面具有外围边缘，外围边缘与所述侧壁间隔开具有0.5cm至15cm的宽度的间隙，其中，当在投影到所述平坦底表面延伸的平面上的投影中观察时，所述开口的面积的至少85％由所述波浪偏转器和/或波浪偏转器的所述平坦底表面覆盖，更优选地至少90％且最优选地至少95％由波浪偏转器和/或波浪偏转器的平坦底表面覆盖。

Description

用于船舶的具有波浪偏转器的空气润滑系统

技术领域

本发明涉及一种空气润滑系统，空气润滑系统用于当船舶在水中移动时在船舶的船体与船体下流动的水之间提供空气润滑层，其中所述系统设置有包括壁的空气腔，壁包括侧壁、顶壁和后壁，所述壁限定所述空气腔，所述空气腔具有位于与所述顶壁相对布置的界面平面中的开口，所述开口在所述界面平面中具有圆周边缘以及在空气腔的长度方向上观察到的前端和后端，其中波浪偏转器布置在腔中或腔处。本发明还涉及包括这种空气润滑系统的船舶或船。

背景技术

WO 2010/064911描述了如何通过设置在船舶的船体的平坦底部区域中的腔以使得腔的开口位于平坦底部区域处来在排水船舶的船体上产生一层微气泡以减小摩擦阻力。空气注入到腔中的速率使得腔中的水位基本上保持在船舶的船体的水平处。由于船舶向前移动，腔中的空气会以船舶移动的速度相对于水移动，或者从腔观察，水将以该速度流过腔体。空气和水之间的这种速度差异导致所谓的Kelvin Helmholtz不稳定性(KelvinHelmholtz Instability，KHI)，其导致空气和水在水与空气之间的界面处混合，并因此产生一层小尺寸的气泡。这些气泡的小尺寸使它们非常稳定，并且该气泡倾向于在水中停留相对长的时间。腔中产生的小气泡从腔的后边缘处释放，使得它们形成稳定的润滑层，该润滑层沿着腔下游的船体的底部延伸长距离。以这种方式，可以实现船舶推进中的节能。

WO 2015/133900描述了提供多个波浪偏转器，其横向延伸穿过腔，并连接至腔的侧壁，其中，波浪偏转器布置成便于在启动期间排空气腔。波浪偏转器减少腔内的湍流，并使空气在腔内保持更长的时间，从而使得在启动期间需要用于较弱的空气注入的容量减小的压缩机。通过在腔内部设置在腔长度方向上具有相对长的尺寸的波浪偏转器，在船舶航行时，例如以20节的速度航行时，可以有效地用空气填充腔。在操作中，偏转器有效地使充满空气的腔免于由于波浪和船舶的摇动运动而进水，长型的偏转器部分在摇动运动期间保持腔内的水面稳定，从而保证腔的稳定操作。偏转器焊接至侧壁。

虽然设置有这种波浪偏转器的空气润滑系统在操作时，即当提供空气润滑层时，显着地减小了船舶的船体的阻力，但是当系统不运行时，空气腔增加了船体上的阻力。

本发明的一个目的是提供一种空气润滑系统以及即使当空气润滑系统被关闭时在船舶的船体上也具有减小的阻力的船舶。

本发明的另一个目的是提供一种空气润滑系统，该空气润滑系统不易受到滞留在空气润滑系统的空气腔中的碎屑的影响。

本发明还旨在提供一种空气润滑系统，其具有相对低的空气量，以用于从空气腔中排出水。

发明内容

为此，本发明提供了一种空气润滑系统，该空气润滑系统用于当船舶在水中移动时，在船舶的船体与船体下流动的水之间提供空气润滑层的，其中，所述系统设置有空气腔，空气腔包括壁和空气入口，所述壁包括侧壁、顶壁和后壁，所述壁限定所述空气腔，所述空气腔具有位于与所述顶壁相对布置的界面平面中的开口，该开口具有沿着空气腔的长度方向观察到的前端和后端；空气入口与所述开口间隔开，其中，空气腔的开口的长度在2m到10m之间，以及顶壁与界面平面的距离在0.2m到0.5m之间；其中，所述空气润滑系统还包括波浪偏转器，所述波浪偏转器具有平坦底表面，平坦底表面面向所述界面平面，且基本上平行于界面平面延伸，并且以距界面平面2cm至15cm的距离布置在所述空气腔中，其中，所述底表面具有外围边缘，所述外围边缘与所述侧壁间隔开具有0.5cm至15cm的宽度的间隙，其中，当在投影到所述平坦底表面延伸的平面上的投影中观察时，所述开口的面积的至少85％由所述波浪偏转器和/或所述波浪偏转器的平坦底表面覆盖，更优选地至少90％且最优选地至少95％由所述波浪偏转器和/或所述波浪偏转器的平坦底表面覆盖。

在该系统中，所述投影中的开口的面积的至少85％由波浪偏转器占据，而空气可经由沿着侧壁和底表面的周边边缘延伸的间隙输送至空气润滑Kelvin Helmholtz界面层中。当空气润滑系统不工作时，即当没有空气通过间隙进入空气润滑层中时，平坦的底表面基本上防止水进入空气腔。

优选地，在所述投影中，底表面的外围边缘围绕整个波浪偏转器。

由于开口的大部分被覆盖且波浪偏转器的底表面通常平行于船体，因而将诸如漂流木等固体物体滞留在间隙中的风险降至最低。因而进一步减少了阻力。

尽管侧壁通常横向于所述界面平面延伸，并且后壁也可这样延伸，但是不要求这些壁垂直于界面平面延伸，以使空气润滑系统正常工作。优选地，空气供应开口设置在顶壁中，以连接至压缩机出口管道。通过顶壁注入到腔中的空气从顶部将其自身均匀地分布在腔中，并沿着偏转器通过间隙向下流动，以形成稳定的空气-水界面。通过在腔的顶壁中设置空气入口，前端处的空气流保持相对不受干扰，并且形成最佳的空气混合KelvinHelmholtz界面。在采用子弹形状或匕首形状的腔的情况下，这特别有利。底表面优选地是连续且封闭的表面，从而允许空气和水跨过该表面平稳流动。

在实施方式中，间隙具有基本恒定的宽度，这也改善了水-空气界面的稳定性。因而，另一个间隙优选地也具有基本恒定的宽度。

在实施方式中，当在所述投影中观察时，所述开口具有外圆周边缘，并且波浪偏转器的底表面的外围边缘具有与所述开口的外圆周边缘相比较小但形状相似的轮廓，并且与所述开口的外圆周边缘间隔开。因而，波浪偏转器可安装在空气腔中，使得其中心与开口的中心对齐，使得在开口的圆周边缘与底表面的外圆周边缘之间形成间隙，可以通过该间隙将空气引入到空气润滑层中。

在实施方式中，当在所述投影中观察时，所述开口具有外圆周边缘，以及该间隙的沿着开口的长度是外圆周边缘的长度的至少一半，优选地为外圆周边缘的长度的至少四分之三，更优选为外圆周边缘的长度的至少六分之五。通常，两个侧壁都将通过间隙与底表面完全间隔开，并且在底表面与侧壁之间不存在直接焊接等。因而，间隙可以沿着波浪偏转器的底表面的大部分延伸，从而允许足够的空气穿过间隙以形成空气润滑层。通常，两个侧壁在腔的前端相交，使得间隙从腔的前端沿着两个侧壁朝向腔的后端延伸。

在实施方式中，后壁从顶壁的后部朝向空气腔的后端延伸至界面平面，以及其中，所述底表面与所述后壁间隔开另一间隙，所述另一间隙的宽度在0.5cm至15cm之间。另一间隙的宽度由平坦底表面与后腔壁的最近距离限定，该腔后壁可或可不延伸超过偏转器的底表面的后边缘。例如，当后壁不垂直于界面平面延伸时，后壁可延伸超过底表面的后边缘。

在实施方式中，后壁从顶壁的所述后部朝向空气腔的后端倾斜。这种倾斜的后壁有助于以平滑的流动模式将腔内的空气和水引导至沿着空气腔后端处的边缘的出口，从而使垂直分散和湍流降至最小，并优化减阻。

在实施方式中，间隙和所述另一间隙基本上围绕偏转器的平坦底表面，使得基本上整个平坦底表面与所述壁间隔开。因而，可通过围绕平坦底表面的圆周延伸的间隙将空气引入到空气润滑层中，使得气泡可到达所述平坦表面的所有区域，以与水混合。优选地，间隙和另一间隙彼此过渡，从而在波浪偏转器周围形成周向间隙。

在实施方式中，波浪偏转器包括多个段，所述多个段一起提供所述底表面。这些段可分别附接至壁，以允许更方便地安装和/或更换波浪偏转器或波浪偏转器的各段。

在实施方式中，波浪偏转器包括提供整个底表面的单个板。这允许波浪偏转器具有特别简单的结构，例如，它可以构造成优选地由金属制成且厚度基本均匀的的单个板。可通过在要设置空气腔的位置处从船的船体切割波浪偏转器来获得这种波浪偏转器。

在实施方式中，所述波浪偏转器的厚度在0.4cm至10cm之间，优选为0.5cm，以及其中，整个波浪偏转器的厚度优选是均匀的。因而，整个波浪偏转器可简单地实现为金属板。

在实施方式中，所述平坦底表面的宽度从腔的前端沿着所述平坦底表面的至少一半长度朝向空气腔的后端增加，优选地沿着平坦底表面的基本上整个长度增加。偏转器的底表面沿着其长度的至少前半部分可例如为子弹形状或匕首形状，并且优选地沿着其整个长度为子弹形状或匕首形状。这种形状以及侧壁与平坦底表面之间的间隙的相应形状有助于改善水-空气界面的稳定性。

在实施方式中，空气润滑系统还包括多个间隔臂，所述间隔臂将所述波浪偏转器连接至所述空气腔的壁，并桥接波浪偏转器与空气腔的壁之间的间隙。当在投影到所述界面平面上的投影中观察时，间隔臂优选地覆盖小于所述开口的未被所述平坦底表面覆盖的面积的10％，即，在所述投影中，间隔臂覆盖小于空气腔的壁与波浪偏转器之间的间隙的10％。间隔臂可连接至波浪偏转器，使得间隔臂保持不与底表面接触，即，通过将间隔臂连接至波浪偏转器的相对的顶表面和/或连接至波浪偏转器的边缘表面。因而，底表面可以保持光滑。优选地，间隔臂基本上平行于所述平坦底表面延伸，例如，从侧壁和/或从后壁延伸至波浪偏转器。

在实施方式中，所述平坦底表面是连续且封闭的平坦表面，其中，所述底表面的外圆周边缘上的任何两个点之间的所有线段均完全包括于所述表面内。因而，平坦表面沿着其外边缘没有凹槽，并且在表面本身中没有切口部分，从而允许平坦表面的外边缘上的空气朝向界面平面平滑地流动。

根据第二方面，本发明提供一种船舶，该船舶包括船体和如本文中所述的空气润滑系统，该船舶具有基本平坦的底部、用于船舶的航行的推进装置、基本上处于平坦底部的水平处的界面平面。

附图说明

以下将参考附图更详细地讨论本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明的包括空气润滑系统的船舶的示意性侧视图；

图2示出了根据本发明的空气润滑系统的立体图；

图3A示出了图2的系统的剖视图；

图3B和图3C示出了图3A的一部分，其中更详细地示出了波浪偏转器与空气腔的壁之间的间隙；以及

图4示出了图2的系统的仰视图。

具体实施方式

图1示出了船舶1，船舶1具有20m到500m之间的长度Lv以及5m到75m之间的宽度。船舶1可具有至少10000吨的排水量，优选地具有至少50000吨的排水量，并且船舶1是远洋船舶。船舶1具有船体4，船体4具有船首2、船尾3、侧部5、基本平坦的底部6和推进器形式的推进装置10。在底部6的平面中开放的空气润滑腔7、空气润滑腔8沿着底部6分布，以产生沿着基本平坦的底部6朝向船尾3行进的气泡层9。压缩机11、压缩机12连接至每个腔7、8，以用于在船舶的主要吃水位处在每个腔内供应处于静水压力下的空气。压缩机11、1压缩机2具有连接至腔7、腔8的空气出口管道14，并且具有用于吸入环境空气的空气入口管道13。压缩机11、压缩机12由控制器15控制，用于根据航行速度、海洋状况在启动和停止期间调节空气供应。

图2示出了空气润滑系统16，空气润滑系统16构造为形成腔33的整体模块，腔33可装配到船舶1的船体4的基本平坦的底部6中。腔33的长度Lc可为约4m，宽度W约为75厘米。“基本上平坦”是指底部相对于水平方向以+5度和-5度之间的角度延伸，但是优选地，底部与水平方向平行。

系统16包括侧壁18、18'、顶壁19和后壁27，这些壁全部由钢制成。侧壁18、18'支承在凸缘17上，凸缘17可以焊接到船舶1的平坦底部6中。后壁27焊接至侧壁18、18'且焊接至顶壁19。

侧壁18、18'和后壁27界定开口20，开口20与船舶的平坦底表面基本上齐平，开口20形成平滑的空气-水界面平面，其中空气由于Kelvin Helmholtz混合效应而混合到水中。在界面平面处与水混合的气泡沿着后边缘21离开腔，以从腔平滑过渡到底部上，并且在船尾3的方向上沿着平坦底部6不受限制地行进。后壁具有凹入弯曲的向下倾斜的壁部分27'，壁部分27'使顶壁19与腔的后边缘21连接，以将腔中的空气和水以平滑流动模式引导至沿着下后边缘21定位的出口点。

腔33的前端22是匕首形状的，以及空气入口23位于顶壁19中。空气入口23可连接至图1中示出的压缩机11、12的空气出口管道14中的一个。

在腔33内，单个波浪偏转器24在腔内延伸，并且经由间隔臂25连接至侧壁18、18'。

图3A中示出了图2的空气润滑系统16的剖视图，图3B和图3C示出了图3A中的部分IIIB和部分IIIC的细节。波浪偏转器24具有平坦底表面24'，平坦底表面24'与侧壁间隔开具有6cm的宽度w1的间隙g1，从而允许来自空气腔33的空气沿着侧壁通过所述间隙g1朝向开口20释放。参见图3B，后壁27与波浪偏转器24间隔开，并且后壁27沿着后壁上的线27'最靠近波浪偏转器24的平坦底表面24'。在底表面24'的后边缘26与后壁27之间，在所述线27'处或附近存在另一个间隙g2，间隙g2具有10cm的宽度w2，使得气泡可穿过所述间隙g2离开空气腔。平坦底表面24'布置在距开放的界面平面30约5cm的距离hl处，腔16内的空气与沿着平坦底部6流动的水之间的边界层定位在界面平面30中。

腔33的高度Hc可为约25cm。侧壁18、18'可具有16mm的厚度，而凸缘17和顶壁19可具有20mm的厚度。波浪偏转器24的厚度优选地等于或大于凸缘17的厚度。

波浪偏转器24位于界面平面30上方2cm至15cm的范围内，用于在船舶穿过水行进时且在没有空气注入到腔中时，获得不受干扰通过过腔的水流。当腔充满空气时，波浪偏转器24的底表面24'不接触水面。波浪偏转器还有助于在船舶的摇晃运动期间保持界面平面处的水面稳定。

腔33的后壁27的斜度有助于将气泡平滑地释放到船舶的边界层中，并且设计成有助于将通过Kelvin Helmholtz混合形成的气泡引入到最接近的船舶表面边界层中，从而最小化垂直分散，并优化减阻。

腔的前部的形状，即楔形形状或子弹形状，控制水流，并使空气/水界面处的波不稳定性最小化，并且通过Kelvin Helmholtz效应提高持续的空气混合到边界层中。

选择充足的腔的长度，以产生稳定的Kelvin Helmholtz空气混合效果，从而产生恒定的气泡，并使气泡流入到边界层中。腔的尺寸决定了生成稳定气泡所需的空气体积和气囊坍塌后腔的恢复所需的空气体积两者。优化腔的尺寸决定了整体润滑效率和总空气产生的效率。有关这方面的更多信息，请参阅

图4示出了图2和图3的后壁27、侧壁18、18'以及波浪偏转器24的仰视图。在该仰视图中，其中腔的开口20的面积与偏转器的底表面24'的面积的比率与当投影到界面平面30上时观察的相同，可以更清楚地观察到的是，底表面24'与侧壁18、18'和后壁27完全间隔开，并且在此投影中，底表面24'占据开口32的面积的至少90％。

六个间隔臂25确保存在间隙g1和另一个间隙g2，间隔臂25中的每个均平行于偏转器的底表面24'延伸，并且一端附接至波浪偏转器24的顶侧(未示出)，且另一端附接至侧壁18、18'中的一个，间隙g1和间隙g2一起完全围绕底表面24'，且使底表面与侧壁18、18'和后壁19间隔开。在当前视图中，间隔件25本身覆盖小于开口20的未由偏转器的底表面24'覆盖的面积的10％，使得间隔件25基本上不妨碍水或空气从空气腔流到界面平面30。

这种特别简单的结构允许通过将波浪偏转器24从间隔件25拆下而将波浪偏转器24从空气腔33移除。例如，偏转器24可通过螺栓附接至间隔件25，并且可通过移除那些螺栓来将偏转器24从间隔件上移除。即使偏转器24焊接至间隔件25，也仅需要切割间隔件25处的焊缝即可将波浪偏转器从间隔件25上拆下，以及以后可以将偏转器容易地焊接回间隔件。

根据本发明的具有波浪偏转器的空气润滑系统提供了优于现有技术的波浪偏转器的许多优点：

首先，与现有技术的偏转器相比，当空气润滑系统关闭(没有空气输入)时，本发明的偏转器和空气润滑系统显着地减小了由腔引起的阻力。当系统关闭时，腔33填充有或部分地填充有水。然而，在航行速度下，在投射到界面平面30上时底表面覆盖开口的面积的至少90％，通过波浪偏转器基本上防止水进入空气腔33。具体地，偏转器24的平坦底表面24'基本上防止水在横向于平坦底表面的方向上进入和离开空气腔。由于底表面24'布置成靠近界面平面30，以及间隙g1相对窄，因而当系统关闭时，跨过船体和界面平面30上的水流不会受到显着干扰。相对窄的间隙还降低了诸如浮木等的固体物体卡在间隙或空气腔中的风险。

其次，波浪偏转器24使得能够用空气填充腔33，以及当船舶以高速行进时从腔排出水，从而仅使用相对小体积的空气来用空气填充腔。因为排出空气/水混合物的间隙相对窄，并且布置在偏转器的平坦底表面24'的外边缘处，因而仅需要将相对少量的空气供应到腔来沿着外边缘将水和空气推出腔。相反，在已知的空气润滑系统中，偏转器覆盖开口的面积明显小于本发明，使得大部分空气可以在不存在水的位置处从腔逸出，并且通常需要更大的体积来从空气腔中排出水。

第三，由于波浪偏转器可设置为不朝向顶表面延伸很多的板，因而，与使用弯曲或成角度的波浪偏转器相比，可以提供更紧凑的空气腔。

上面已经参考如附图中所示的多个示例性实施方式描述了本发明。可修改和替代实施一些部件或元件，并且这些修改和替代实施包括在所附权利要求中限定的保护范围内。

Claims (15)

1.空气润滑系统，用于当船舶在水中移动时，在所述船舶(1)的船体(4)与所述船体下流动的水之间提供空气润滑层(9)，其中所述系统设置有空气腔(7、8；33)，所述空气腔包括：

壁，所述壁包括侧壁(18、18')、顶壁(19)和后壁(27)，所述壁限定所述空气腔，所述空气腔具有位于与所述顶壁(19)相对布置的界面平面(30)中的开口(20)，所述开口具有沿着所述空气腔的长度方向观察到的前端和后端；

空气入口(23)，所述空气入口与所述开口(20)间隔开，其中，所述空气腔的开口的长度(Lc)在2m到10m之间，以及所述顶壁与所述界面平面的距离(Hc)在0.2m到0.5m之间；

其特征在于，所述系统还包括波浪偏转器(24)，所述波浪偏转器具有平坦底表面(24')，所述平坦底表面(24')面向所述界面平面(30)，且基本上平行于所述界面平面延伸，并且以距所述界面平面(30)2cm至15cm的距离(h1)布置在所述空气腔中，其中，所述底表面(24')具有外围边缘，所述外围边缘与所述侧壁(18、18')间隔开具有0.5cm至15cm的宽度(w1)的间隙(g1)，其中，当在投影到所述平坦底表面(24')延伸的平面上的投影中观察时，所述开口(20)的面积的至少85％由所述波浪偏转器(24)和/或所述波浪偏转器(24)的平坦底表面(24')覆盖，更优选地所述开口(20)的面积的至少90％且最优选地至少95％由所述波浪偏转器(24)和/或所述波浪偏转器(24)的平坦底表面(24')覆盖。

2.根据前述权利要求中任一项所述的空气润滑系统，其中，所述间隙(g1)具有大致恒定的宽度(w1)。

3.根据权利要求1或2所述的气润滑系统，其中，当在所述投影中观察时，所述开口具有外圆周边缘，以及所述底表面的所述外围边缘具有与所述外圆周边缘相比较小但形状相似的轮廓，且与所述外圆周边缘间隔开。

4.根据前述权利要求中任一项所述的空气润滑系统，其中，当在所述投影中观察时，所述开口具有外圆周边缘，并且所述间隙(g1)沿着所述开口(20)的长度是所述外圆周边缘的长度的至少一半，优选地是所述外圆周边缘的长度的至少四分之三，更优选地是所述外圆周边缘的长度的至少六分之五。

5.根据前述权利要求中任一项所述的空气润滑系统，其中，所述后壁(27)从所述顶壁的后部朝向所述空气腔(33)的后端延伸至所述界面平面(30)，以及其中，所述底表面(24')与所述后壁(27)间隔开另一个间隙(g2)，所述另一个间隙(g2)具有2cm至15cm之间的宽度(w2)。

6.根据权利要求5所述的气润滑系统，其中，所述后壁(27)从所述顶壁(19)的所述后部朝向所述空气腔的后端倾斜。

7.根据前述权利要求中任一项所述的空气润滑系统，其中，所述间隙(g1)和所述另一间隙(g2)基本上围绕所述平坦底表面(24')，使得基本上整个所述平坦底表面与所述壁(18、18'、27)间隔开。

8.根据前述权利要求中任一项所述的空气润滑系统，其中，所述波浪偏转器包括多个段，所述多个段一起提供所述底表面(24')。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的气润滑系统，其中，所述波浪偏转器(24)包括提供整个所述底表面(24')的单个板。

10.根据前述权利要求中任一项所述的空气润滑系统，其中，所述波浪偏转器(24)具有1.5cm至10cm之间的厚度。

11.根据前述权利要求中任一项所述的空气润滑系统，其中，所述平坦底表面的宽度沿着所述平坦底表面的长度的至少一半，从所述腔的前端朝向所述空气腔的后端增加，优选地沿着所述平坦底表面的基本上整个长度，从所述腔的前端朝向所述空气腔的后端增加。

12.根据前述权利要求中任一项所述的空气润滑系统，还包括多个间隔臂(25)，所述多个间隔臂(25)将所述波浪偏转器(24)连接至所述空气腔的壁(18、18'、19、27)，并桥接所述波浪偏转器(24)与所述空气腔的壁(18、18'、19、27)之间的间隙。

13.根据权利要求12所述的空气润滑系统，其中，所述间隔臂(25)基本上平行于所述平坦底表面(24')延伸。

14.根据前述权利要求中任一项所述的空气润滑系统，其中，所述平坦底表面是连续的平坦表面，其中，所述底表面的外圆周边缘上的任意两个点之间的所有线段均完全包括于所述表面(24')内。

15.船舶(1)，所述船舶(1)包括船体(4)以及根据前述权利要求中任一项所述的空气润滑系统(16)，所述船舶具有基本平坦的底部(6)、用于所述船舶的航行的推进装置(10)、基本上位于所述平坦底部(6)的水平处的界面平面(30)。