CN110015376A - 一种新型自适应极地航行船舶减阻系统 - Google Patents

一种新型自适应极地航行船舶减阻系统 Download PDF

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Abstract

本发明主要涉及到船舶设计与船舶建造领域，具体地说，是一种新型自适应极地航行船舶减阻系统，包括流线型减阻机构、支承机构、监测装置和终端控制系统，所述流线型减阻机构装设在所述支承机构上，所述支承机构装设在船体上，所述流线型减阻机构与所述支承机构相互配合，以达到兴起波浪和改变流场的目的，所述监测装置安装在流线型减阻机构前侧的船体上，用于监测流况和冰况信息，所述终端控制系统用于分析信息并调整流线型减阻机构的姿态，本发明不仅可以保证极地航行船舶优良的排冰、破冰性能，还能减少船舶在极地地区航行过程时的总阻力。

Description

一种新型自适应极地航行船舶减阻系统
技术领域
本发明主要涉及到船舶设计与船舶建造领域，具体地说，是一种新型自适应极地航行船舶减阻系统。
背景技术
极地是影响世界可持续发展和人类生存的新疆域。由于地理位置的特殊性以及自然环境的独特性，极地地区不仅有丰富的煤炭资源、矿物资源、天然气资源和生态资源，还有着非常巨大的科研价值，如天文宇宙观测、太阳磁场对地球的影响分析和地理圈层相互作用研究等等。此外，极地地区的开发还具有巨大的经济价值。就拿北极地区来说，随着北极地区海冰覆盖面积逐步减小，北极航道逐渐开通。相比于传统的苏伊士运河航线和巴拿马运河航线来说，北极航道缩短了数千公里的航程，是联系亚欧美三大洲的最短航线。因此，出于商业需要和科研需要，世界各国都在加紧对极地地区资源的开发，从而对极地船舶的需求量越来越大，对极地船舶的设计要求也越来越高。
极地船舶的设计要考虑诸多方面，其中如何减小阻力和保证一定的排冰性能尤为重要。
阻力方面，船舶在冰区航行的总阻力由两部分组成：敞水阻力和冰阻力。敞水阻力指船舶在无冰水域航行时所受到的阻力；冰阻力主要由清冰阻力和摩擦阻力组成。清冰阻力是由于船舶和浮冰块的碰撞，使其远离船体运动而产生的力；摩擦阻力是由船艏、舷侧与浮冰块的摩擦，以及与浸入水中并贴近船体表面滑行的浮冰块之间的摩擦引起。如何减小上述阻力一直是极地船舶设计的重难点。
排冰性能方面，船舶在碎冰区航行时，有的碎冰会沿船体表面运动至桨前流场中，与螺旋桨发生相互干扰，从而影响其水动力性能，甚至产生严重的振动与噪声。因此，避免碎冰进入推进器流场就显得十分必要。
对于一般航行在极地冰区的商船来说，为最大化敞水性能，有可能不采用破冰型船艏，而依然采用球鼻艏，以减小航行过程中的敞水阻力，但这种艏部结构不利于破冰和排冰；传统的破冰船敞水阻力很大，而且不能有效降低碎冰进入推进器流场的可能性。
因此，迫切需要改进极地船舶的设计，使极地船舶在保持一定破冰、排冰性能的前提下，减小航行阻力。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种新型自适应极地航行船舶减阻系统，能够保证优良的排冰、破冰性能，并减少船舶在冰区航行过程中的总阻力。
本发明披露的具体技术方案如下：
一种新型自适应极地航行船舶减阻系统，包括流线型减阻机构、支承机构、监测装置和终端控制系统，流线型减阻机构装设在支承机构上，支承机构装设在船体上，流线型减阻机构与支承机构相互配合，以达到兴起波浪和改变流场的目的，监测装置安装在流线型减阻机构前侧的船体上，用于监测流况和冰况信息，终端控制系统用于分析信息并调整流线型减阻机构的姿态。
在上述技术方案中，流线型减阻机构包括中心转轴、支撑架、流线型壳体、连接体、滑动支座、行星轮、齿轮轴和电传动装置，支撑架与中心转轴连接，流线型壳体在支撑架支撑下包裹住中心转轴，齿轮轴与行星轮连接，并与滑动支座和电传动装置共同装设在连接体上，电传动装置可驱动行星轮、支撑架和滑动支座的运动，以调整流线型减阻机构的姿态；支承机构包括支承机构上层、支承机构中层和支承机构下层，支承机构中层为内齿轮轨道，焊接设置于支承机构上层和支承机构下层之间；监测装置包括传感器阵列和摄像头阵列，传感器阵列装设在流线型减阻机构前侧船体上，摄像头阵列装设在船艏及靠近船艏舷侧处。
本发明的进一步改进，流线型减阻机构的中心转轴上开设有轨道，流线型减阻机构的支撑架可沿轨道轴向移动，流线型减阻机构的流线型壳体与支撑架连接，以包裹中心转轴。
本发明的进一步改进，流线型减阻机构的连接体上开设有轨道，流线型减阻机构的滑动支座沿轨道向船体内部或外部移动。
本发明的进一步改进，流线型减阻机构的行星轮与支承机构中层的内齿轮啮合，沿着支承机构中层的内齿轮轨道做周向运动。
本发明的进一步改进，监测装置的传感器阵列包括但不限于速度传感器，压力传感器，温度传感器等用于监测流体信息的传感器。
本发明的进一步改进，终端控制系统用于接收并分析传感器阵列及摄像头阵列采集到的流况与冰况信息，计算分析之后，驱动连接体上的电传动装置以调整流线型减阻机构的姿态。
本发明的有益效果：不仅可以保证极地航行船舶优良的排冰、破冰性能，还能减少船舶在极地地区航行过程时的总阻力。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的爆炸视图。
图3是本发明中支承机构示意图。
图4是本发明中支承机构剖视图。
图5是本发明中支撑架示意图。
图6是本发明中滑动支座示意图。
图7是本发明中行星轮示意图。
图8是本发明中监测装置布置示意图。
图9是本发明减小敞水阻力的原理。
图中，1-支承机构，2-流线型减阻机构，3-连接体，4-监测机构，11-支承机构下层，12-支承机构中层，13-支承机构上层，21-中心转轴，22-流线型壳体，23-支撑架，24-轴孔，31-滑动支座，32-连接体，33-行星轮，34-齿轮轴，35-轴孔，36-滑道，37-滑动支座外伸轴，38-电传动装置，41-传感器阵列，42-摄像头阵列，43-流线型减阻机构裸露于流体中的部分。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例：如图1所示，一种新型自适应极地航行船舶减阻系统，包括支承机构1、流线型减阻机构2、监测装置和终端控制系统，流线型减阻机构2装设在支承机构1上，支承机构1装设在船体上，流线型减阻机构2与支承机构1相互配合，以达到兴起波浪和改变流场的目的，监测装置安装在流线型减阻机构2前侧的船体上，用于监测流况和冰况信息，终端控制系统用于分析信息并调整流线型减阻机构2的姿态。
如图2所示，流线型减阻机构2包括中心转轴21、流线型壳体22、支撑架23、滑动支座31、连接体32、行星轮33、齿轮轴34和电传动装置38。
如图3所示，支承机构1包括支承机构下层11，支承机构中层12和支承机构上层13。支承机构中层12为内齿轮轨道，与连接体3中的行星轮33准确啮合。
如图4所示，为保证行星轮33准确地在支承机构1中作周向运动，支承机构中层12焊接设置于支承机构上层13和下层11之间，支承机构上层13和下层11的内径相等且小于支承机构中层12的齿顶圆直径。
如图5所示，支撑架23与中心转轴21连接，流线型壳体22在支撑架23支撑下包裹住中心转轴21，每一个支撑架23均可以在电传动装置38的驱动下沿着中心转轴21上的轨道做轴向运动，从而改变流线型壳体22的曲面形状。中心转轴轴孔24与滑动支座外伸轴37连接，使流线型减阻机构2在电传动装置38的驱动下沿滑动支座外伸轴37做定轴转动。
如图6所示，连接体32上开有轨道36，使滑动支座31在轨道上运动，以带动流线型减阻机构2向船体内部或外部移动。
如图7所示，行星轮33安装在齿轮轴34上，齿轮轴34与轴孔35配合安装在连接体32上；行星轮33在电传动装置38的驱动下沿着支承机构中层12的内齿轮轨道作周向运动，从而使流线型减阻机构2围绕支承机构1的中心旋转从而改变流线型减阻机构2对流体的攻角。
如图8所示，监测装置4包括传感器阵列41和摄像头阵列42。图示43为流线型减阻机构2裸露于流体中的部分，传感器阵列41装设在流线型减阻机构2前侧的船体上，摄像头阵列42装设在船艏及靠近船艏的舷侧处。
如图9所示，通过调整流线型减阻机构的姿态，使本发明兴起的波浪的波谷和船艏兴起的船艏波的波峰处于相同位置，使得合成波的波高有明显的减小，从而减小敞水阻力。
本实施例的应用场景一：在极地科考船或商用船艏部进流段左右两舷安装本发明。通过调整流线型减阻机构的姿态可以改变船艏附近流场，并造成有利的兴波干扰，以减少船舶在冰区航行的冰阻力与敞水阻力。
本实施例的应用场景二：在极地科考船或商用船艉部去流段左右两舷安装本发明。通过调整流线型减阻机构的姿态可以改变船艉附近流场，减少进入推进器前方流场的浮冰数量，避免螺旋桨受到破坏。
本实施例的应用场景三：在破冰船艏部进流段左右两舷安装本发明。在不削弱船舶破冰性能，即仍采用破冰型船艏的情况下，保持一定的排冰性能，并减小航行时的阻力。

Claims (8)

1.一种新型自适应极地航行船舶减阻系统，其特征在于，包括流线型减阻机构、支承机构、监测装置和终端控制系统，所述流线型减阻机构装设在所述支承机构上，所述支承机构装设在船体上，所述流线型减阻机构与所述支承机构相互配合，以达到兴起波浪和改变流场的目的，所述监测装置安装在流线型减阻机构前侧的船体上，用于监测流况和冰况信息，所述终端控制系统用于分析信息并调整流线型减阻机构的姿态。
2.根据权利要求1所述的新型自适应极地航行船舶减阻系统，其特征在于，所述流线型减阻机构包括中心转轴、支撑架、流线型壳体、连接体、滑动支座、行星轮、齿轮轴和电传动装置，所述支撑架与所述中心转轴连接，所述流线型壳体在所述支撑架支撑下包裹住中心转轴，所述齿轮轴与所述行星轮连接，并与所述滑动支座和所述电传动装置共同装设在所述连接体上，所述电传动装置可驱动行星轮、支撑架和滑动支座的运动，以调整所述流线型减阻机构的姿态。
3.根据权利要求1所述的新型自适应极地航行船舶减阻系统，其特征在于，所述支承机构包括支承机构上层、支承机构中层和支承机构下层，所述支承机构中层为内齿轮轨道，焊接设置于支承机构上层和支承机构下层之间。
4.根据权利要求1所述的新型自适应极地航行船舶减阻系统，其特征在于，所述监测装置包括传感器阵列和摄像头阵列，所述传感器阵列装设在流线型减阻机构前侧船体上，所述摄像头阵列装设在船艏及靠近船艏舷侧处。
5.根据权利要求2所述的新型自适应极地航行船舶减阻系统，其特征在于，所述流线型减阻机构的中心转轴上开设有轨道，所述流线型减阻机构的支撑架可沿所述轨道轴向移动，所述流线型减阻机构的流线型壳体与所述支撑架连接，以包裹所述中心转轴。
6.根据权利要求2所述的新型自适应极地航行船舶减阻系统，其特征在于，所述流线型减阻机构的连接体上开设有轨道，所述流线型减阻机构的滑动支座可沿所述轨道向船体内部或外部移动。
7.根据权利要求2所述的新型自适应极地航行船舶减阻系统，其特征在于，所述流线型减阻机构的行星轮与所述支承机构中层的内齿轮啮合，沿着所述支承机构中层的内齿轮轨道做周向运动。
8.根据权利要求4所述的新型自适应极地航行船舶减阻系统，其特征在于，所述监测装置的传感器阵列包括但不限于速度传感器，压力传感器，温度传感器。
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