CN111319715B

CN111319715B - 活水压载和船桨一体化绿色船

Info

Publication number: CN111319715B
Application number: CN202010134628.6A
Authority: CN
Inventors: 欧阳武; 李高强; 严新平
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2021-03-23
Anticipated expiration: 2040-03-02
Also published as: CN111319715A

Abstract

本发明公开了一种活水压载和船桨一体化绿色船，属于船舶压载水和节能领域，用多条贯通式管道代替船舶的压载舱，沿船艏到船艉方向，前方管道进行分舱处理，分成若干不同的舱室；后方管道设有汇总舱，汇总舱后的管道里装有无轴推进器，实现船桨一体化。该贯通式管道在船体的艏部和底部开有进水孔、并且在进出口处装有检测进出口流速和流量的装置。本发明可以通过控制分舱的位置和数量来调节管道内水位的高度，进而实现调节船舶的稳性；通过控制艏部和底部进水孔的开口大小来调节管道内海水的流速和流量；通过控制无轴推进器的转速和管道中海水的流速来调节船舶的航速。本发明具有污染小、推进效率高和成本低等优点，特别适合船舶防污染的要求。

Description

活水压载和船桨一体化绿色船

技术领域

本发明属于船舶压载水处理和节能技术领域，更具体地，涉及由贯通式管道代替压载水舱，并且在管道内放置无轴推进器，而形成的一种具有成本低、污染小等特点的活水压载和船桨一体化的绿色船。

背景技术

船舶压载水指为控制船舶横倾、纵倾、吃水、稳性或应力而加装到船上的水及悬浮物质。据报道每年全球船舶携带的压载水超过120亿吨，其中含有的大量细菌和微生物等外来生物，给当地的生态环境造成了严重的生物污染，压载水问题也得到了越来越多的重视。而传统的压载水处理方法具有处理设备成本高，过程复杂，效果差等缺点。与此同时，随着对船舶性能以及经济性要求的提高，传统的推进系统的弊端日渐凸显，传统的推进系统放置在船体外部，容易产生船体的附加阻力。而且它需要安装传统轴系来进行驱动，占用了大量的空间。近年来，在船舶吨位不变的条件下，各个国家都在寻求通过船型优化等方法来提高船舶的推进效率，无轴推进系统与船体结合的方案得到了越来越多的关注。

目前，全球主流的无压载水船型存在以下3种，分别是美国的贯通流系统(thoughflow system)、荷兰的单一结构船身(monomaran hull)以及日本的V型船身设计(V-shapedhull)。这些船型具有较高实用价值，但是依旧存在较多弊端。例如贯通流系统其最大缺点就是尽管改成贯通流系统，压载水舱仍然占有船舶的相当大空间。单一结构船身缺点是船身接触海水的面积大幅度扩大，船舶的船舷长度增加，使船舶阻力和制造成本增加等等。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种活水压载和船桨一体化绿色船，采用椭圆形贯通式管道与无轴推进器相结合，并且在进水孔加装检测和控制装置，形成一种能耗低、经济性好、活水压载、稳性好的活水压载和船桨一体化绿色船。由此解决如何处理船舶的压载水问题和减少船舶能耗损失，以及协同控制管道内水量，提高船舶的经济性、航行稳定性以及提高船舶的推进效率的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种活水压载和船桨一体化绿色船，包括：多条贯通式管道、无轴推进器、艏部进水孔、底部进水孔、压力和流量检测控制装置及汇总舱；

所述多条贯通式管道用于代替船舶的压载舱；沿船艏到船艉方向，由前方管道进行分舱处理，分成了若干个位置不同的舱室，在后方管道处设有所述汇总舱，并在所述汇总舱后的管道内安装所述无轴推进器，以实现船桨一体化；在船体的艏部开有若干用于向各管道舱室注水的所述艏部进水孔，在船体的底部开有若干用于向各管道注水的所述底部进水孔，在所述底部进水孔及所述艏部进水孔处均安装有所述压力和流量检测控制装置；

基于所述压力和流量检测控制装置的检测信号和船舶行驶需求，由所述压力和流量检测控制装置控制所述艏部进水孔的开启位置和数量来调节各管道内水位的高度，以调节船舶的稳性；由所述压力和流量检测控制装置控制所述艏部进水孔和所述底部进水孔的开口大小和数量来调节各管道内海水的流速和流量，然后使海水从管道尾部出水孔流出，以实现活水压载；通过协同所述无轴推进器的转速和管道中海水的流速来调节船舶的航速；

优选地，所述压力和流量检测控制装置包括：底部进水孔的比较点、底部进水孔的反馈函数模块、艏部进水孔的比较点、底部进水孔的频响函数模块、艏部进水孔的频响函数模块及艏部进水孔的反馈函数模块；

所述底部进水孔的比较点处收集根据航行要求给定的信号、所述艏部进水孔的比较点的信号以及由所述底部进水孔的反馈函数模块传来的反馈信号，然后输出信号到所述底部进水孔的频响函数模块中，由所述底部进水孔的频响函数模块输出调节推进水量的信号，进而由所述调节推进水量的信号控制所述艏部进水孔和所述底部进水孔的开启数量、位置及开孔大小；

所述艏部进水孔的比较点收集来自所述底部进水孔的比较点的信号、根据船舶稳性需要给定的信号以及所述艏部进水孔的反馈函数模块的反馈信号，然后输出信号到所述艏部进水孔的频响函数模块中，由所述艏部进水孔的频响函数模块输出调节稳态水量的信号，进而由所述调节稳态水量的信号控制所述艏部进水孔和所述底部进水孔的开启数量、位置及开孔大小。

优选地，所述底部进水孔的反馈函数模块的反馈信号及所述艏部进水孔的反馈函数模块的反馈信号均为由所述压力和流量检测控制装置传来的实际海水流量信号。

优选地，在船舶有载航行时，部分所述艏部进水孔打开，在所述无轴推进器的需求水量不足时，打开所述底部进水孔，往各管道内补水，以达到船舶的推进需求；在船舶空载航行时，通过打开艏部不同位置的所述艏部进水孔，使管道内进入一定水量的压载水，以达到调节船舶稳态的要求；在船舶满载时，关闭所述艏部进水孔，打开所述底部进水孔，海水从所述底部进水孔流入各管道，且在各个状态下，管道内的压载水都能从尾部出水孔流出，实现活水压载。

优选地，所述活水压载和船桨一体化绿色船还包括舵机装置；

所述舵机装置位于船艉处，通过所述舵机装置来控制船舶转向。

优选地，所述舵机装置包括：舵杆、舵叶及舵机；

所述舵叶通过所述舵杆与所述舵机相连，通过改变所述舵叶的方向来实现船舶的转向。

优选地，所述汇总舱放置在各管道中截面以后，其用于汇集由前方分舱的来流和所述底部进水口的来流，以减少海水在管道里流动的壁面损失以及水流混流时的损失。

优选地，所述无轴推进器包括定子、转子、桨叶和水润化径向轴承；

所述桨叶与所述转子相连后安装在电机壳体中，所述转子中的转子环外壁等间距开设方形槽，与所述定子的绕组磁性相反的永磁体镶嵌在所述方形槽中；

所述定子的绕组通电后，与所述永磁体形成磁性相反的磁场旋转，以推动所述转子旋转，形成环形电机；

所述转子由安装在转子组件两端的所述水润化径向轴承支撑，所述转子旋转时产生的推力作用在所述水润化径向轴承上，然后传递到船体上，推动船舶前进。

优选地，所述艏部进水孔的位置和数量与分舱舱室的位置和数量对应，以通过艏部各进水孔的位置和高度来实现分舱的目的。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明采用开放式的贯通式管道代替了船舶的压载舱，使压载舱里的死水变成了管道里流动的活水，避免了由压载水引起的生物污染和生物入侵的问题，同时也减少了压载水处理设备昂贵的成本和处理设备对环境的二次污染。

(2)本发明提出船体和无轴推进器的一体化设计，无外置推进器，减少了船艉伴流的损失，无多余的附体，减少了船舶的附体阻力，同时无轴推进器螺旋桨的转动，加速了管道内海水的流动，都相应的提高了船舶的推进效率。

(3)本发明提出压载和推进协同控制方法，通过调节检测和控制装置，使管道内的水量同时满足船舶压载需求水量和推进器的需求水量，即保持船舶的稳性，又满足船舶的航速要求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种总体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种甲板平面结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种无轴推进器结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种横剖面结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种压力和流量检测控制装置；

图中：1-艏部进水孔；2-贯通式管道；3-舵机；4-舵杆；5-舵叶；6-无轴推进器；7-汇总舱；8-底部进水孔；9-压力和流量检测控制装置；10-定子；11-转子；12-桨叶；13-水润化径向轴承；14-船体；15-分舱：16-底部进水孔的比较点；17-底部进水孔的反馈函数；18-底部进水孔的频响函数；19-艏部进水孔的频响函数；20-艏部进水孔的比较点；21-艏部进水孔的反馈函数。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的活水压载和船桨一体化绿色船，其结构如图1和图2所示，有贯通式管道2、无轴推进器6、艏部进水孔1、底部进水孔8、压力和流量检测控制装置9、汇总舱7以及舵等几部分组成。其中，多条贯通式管道用于代替船舶的压载舱，沿船艏到船艉方向，前方管道进行分舱处理，分成若干个位置不同的舱室，在后方管道处设有汇总舱7，并在汇总舱7后的管道内安装无轴推进器6，通过控制与各舱室对应的艏部进水孔的开启或关闭，来调节管道内水位的高度，进而调节压载水位和水量，以调节船舶的稳性。

在本发明实施例中，贯通式管道2可以采用椭圆形贯通式管道或者圆形贯通式管道，具体采用何种形状，本发明实施例不做唯一性限定。

作为一种可选的实施方式，前方管道的分舱，如图4所示，由管道2和压力和流量检测控制装置9组成，其中，14为船体，15为分舱，在前方管道里，在原来船舶压载舱的位置进行不同位置和高度的分舱处理，各舱口均对应有一个艏部进水孔，各艏部进水孔上设置有控制其启闭的阀门，阀门用于根据需要来打开艏部进水孔，在管道底部设置有底部进水孔，底部进水孔的开启由各底部进水孔处的阀门控制。通过调节海水流经不同位置的分舱，来调节管道内水位的高度，以满足船舶稳性的要求。

其中，可以对多条管道进行组合来实现分舱，也可以对单条管道进行分舱。且艏部进水孔高度的不同，也能对调节管道内水位的高度起到一定的作用。

在本发明实施例中，艏部进水孔的位置和数量与分舱的位置和数量对应，以通过艏部各进水孔的位置和高度来实现分舱的目的。

上述无轴推进器6，如图3所示，主要有定子10、转子11、桨叶12和水润化径向轴承13组成，其中，螺旋桨桨叶12与电机转子11相连后安装在电机壳体中，转子11组件中的转子环外壁等间距开设方形槽，与定子绕组10磁性相反的永磁体镶嵌在该方形槽中。定子绕组10通电后，与永磁体形成磁性相反的磁场旋转，推动转子旋转，即形成环形电机。转子11组件由安装在组件两端的轴承13组件支撑，转子旋转时产生的推力作用在轴承13上，然后传递到船体上，推动船舶前进。

无轴推进器6放置在汇总舱7后的管道里，形成船桨一体化设计。定子10和转子11之间存在着磁场，通电条件下，转子受磁场力的作用带动桨叶12旋转，进而推动船舶前进。

上述艏部进水孔1、底部进水孔8以及管道尾部的出水孔处均装有压力和流量检测控制装置9。海水可以从艏部进水孔1和底部进水孔8流入，管道尾部的出水孔流出，实现活水压载，减少了传统压载水造成的环境污染。

如图5所示，压力和流量检测控制装置9包括：底部进水孔的比较点16、底部进水孔的反馈函数17、艏部进水孔的比较点20、底部进水孔的频响函数18、艏部进水孔的频响函数19、艏部进水孔的反馈函数21。

其中，底部进水孔的比较点16处收集一个根据船舶航行需求给定的信号、艏部进水孔的比较点20的信号以及由底部进水孔的反馈函数17传来的反馈信号，然后输出信号到底部进水孔的频响函数18中，底部进水孔的频响函数18输出调节推进水量的信号到调节压力和流量检测控制装置9中，执行相应的操作，控制艏部进水孔和所述底部进水孔的开启数量、位置及开孔大小。同理，艏部进水孔的比较点20收集来自底部进水孔的比较点16的信号、一个根据船舶稳性需求给定的信号以及艏部进水孔的反馈函数21的反馈信号，然后输出信号到艏部进水孔的频响函数19中，最后艏部进水孔的频响函数19输出调节稳态水量的信号到调节压力和流量检测控制装置9中，执行相应的操作，控制艏部进水孔和所述底部进水孔的开启数量、位置及开孔大小。

在本发明实施例中，底部进水孔的比较点16表示反馈控制系统的变送器，主要接收一个根据船舶航行需求给定的信号、底部进水孔的反馈函数17传来的反馈信号和艏部进水孔的比较点20的信号。通过比较分析，然后输出特定的电压或电流信号到底部进水孔的频响函数18中；

作为一种可选的实施方式，底部进水孔的比较点16接收的根据船舶航行需求给定的信号，是艏部进水孔的比较点20根据底部进水孔的比较点16的输出信号(即将要输给底部进水孔的频响函数18的信号)而产生的一个用于维持稳态水量的信号，随后跟底部进水孔的反馈函数17传来的反馈信号进行差分比较，然后根据差分的大小，输出信号到底部进水孔的频响函数18中，底部进水孔的频响函数18输出信号到压力和流量检测控制装置9中，使压力和流量检测控制装置9执行相应的操作(打开或关闭阀门)来减少这个差分值。从而实现艏部进水孔和底部进水孔的协同控制，也即实现推进水量和稳态水量的协同控制。

底部进水孔的频响函数18表示反馈控制系统中的控制器，接收来自底部进水孔的比较点16传来的信号，然后输出信号到艏部和底部进水孔处的阀门开关，实现根据推进需求和稳性需求来协同控制的目的；

底部进水孔的反馈函数17表示反馈控制系统的一个反馈环节，它主要接收来自压力和流量检测控制装置9传来的实际海水流量信号，然后将该信号传送到底部进水孔的比较点16中，实现反馈调节；

同理，艏部进水孔的比较点20表示反馈控制系统的变送器，艏部进水孔的频响函数19表示反馈控制系统中的控制器，艏部进水孔的反馈函数21表示反馈控制系统的一个反馈环节。通过反馈控制系统来实现船舶稳性的调节。

作为一种可选的实施方式，艏部进水孔的比较点20接收的根据船舶稳性需求给定的信号，是底部进水孔的比较点16根据艏部进水孔的比较点20的输出信号(即将要输给艏部进水孔的频响函数19的信号)而产生的一个用于维持稳态水量的信号，随后跟艏部进水孔的反馈函数21传来的反馈信号进行差分比较，然后根据差分的大小，输出信号到艏部进水孔的频响函数19中，艏部进水孔的频响函数19输出信号到压力和流量检测控制装置9中，使压力和流量检测控制装置9执行相应的操作(打开或关闭阀门)来减少这个差分值。从而实现艏部进水孔和底部进水孔的协同控制，也即实现推进水量和稳态水量的协同控制。

如图2所示，上述的汇总舱7主要的作用是汇集由前方分舱的来流和底部进水口8的来流，减少海水在管道里流动的壁面损失以及水流混流时的损失。

上述的舵安装在船艉，如图1所示，舵叶5通过舵杆4与舵机3相连，通过改变舵叶5的方向来实现船舶的转向等任务。

其中，通过控制管道内海水的流量和流速与无轴推进器6的转速，来控制航速。通过底部进水口8来补充满足船舶稳性和航速的压载水量的需求。

实施例一

如图1和图2所示，当船舶空载运行时，船舶需要一定的压载水量或者需要达到一定的吃水深度来保持船舶的稳性，这时打开艏部的进水孔1，关闭底部进水孔8，海水从艏部进水孔1流入管道，从出水孔排出，实现活水压载，避免了死水压载带来的环境污染。无轴推进器6放置在管道中，形成船桨一体化设计，无外置推进器，提高了推进效率。船舶需要动力时，管道内的无轴推进器6旋转，推进船舶前进。同时可以调整管道前方的分舱来调节管道内水位的高度，进而可以调节船舶的稳性，也可以调节艏部进水孔1开孔的数量和位置来调节压载水量，进而调节船舶的稳性。或者可以通过两者配合来调节船舶的稳性。

实施例二

当船舶满载时，船舶不需要压载水来到达吃水要求，如图1所示。这时关闭艏部进水孔1，打开底部进水孔8，海水从底部进水孔8流入贯通式管道2，从出水孔流出。通过底部进水孔8来提供无轴推进器6所需要的推进水量。当船舶需要改变航速时，可以调节底部进水孔8的孔数，来满足推进水量的要求，同时也可以调节无轴推进器6的转速来调节船舶的航速。也可以通过调节推进器的航速和底部进水孔的孔数相配合，来综合调节船舶的航速。

实施例三

当船舶有载航行时，船舶需要一定的压载水量或者船舶需要达到一定的吃水深度，这时通过压力和流量检测控制装置9打开部分的艏部进水孔1，使管道内进入一定的海水，同时利用前方管道的分舱15来调节管道内海水的水位，进而达到调节船舶稳性的要求。同时打开部分底部进水孔8，来补充管道内的无轴推进器6所需要的推进水量。船舶需要改变航速时，通过底部进水孔8的孔数与无轴推进器6的转速配合，来满足船舶的推进需求。

本发明提供的绿色船用多条贯通式管道代替了船舶的压载舱，海水可沿管道进水口吸入，管道排水口流出，实现活水压载。沿船艏到船艉方向，前方管道进行了分舱处理，比如可以分成图4所示的①～⑨不同的舱室。后方管道设有汇总舱，汇总舱后的管道里装有无轴推进器，形成推进器与船体的一体化设计。该贯通式管道在船体的艏部和底部开有进水孔、并且在艏部和底部的进水孔和出口处装有检测进出口流速和流量的压力和流量检测控制装置9以及控制艏部和底部进水孔启闭的阀门。在船艉处设置由舵机控制的舵，舵叶经舵杆与舵机相连。本发明可以通过控制分舱的位置和数量来调节管道内水位的高度，进而实现调节船舶的稳性；通过控制艏部进水孔和底部进水孔的开口大小和数量来调节管道内海水的流速和流量；通过控制无轴推进器的转速和管道中海水的流速来调节船舶的航速。通过控制舵的方向来控制船舶转向。本发明无外置推进器，消除了船艉伴流损失，实现了船桨一体化；无多余附体，减小了船舶附加阻力，提高了推进效率；无传动轴系，扩大了机舱容量，提高了船舶的运载量；无压载水航行，避免了压载水带来的生物污染和生物入侵等问题，同时节省了压载水处理设备昂贵的成本以及减少了压载水处理设备造成的环境污染。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种活水压载和船桨一体化绿色船，其特征在于，包括：多条贯通式管道、无轴推进器、艏部进水孔、底部进水孔、压力和流量检测控制装置及汇总舱；

所述多条贯通式管道用于代替船舶的压载舱；沿船艏到船艉方向，对前方管道进行分舱处理，分成若干个位置不同的舱室，在后方管道处设有所述汇总舱，并在所述汇总舱后的管道内安装所述无轴推进器，以实现船桨一体化；在船体的艏部开有若干用于向各管道舱室注水的所述艏部进水孔，在船体的底部开有若干用于向各管道注水的所述底部进水孔，在所述底部进水孔及所述艏部进水孔处均安装有所述压力和流量检测控制装置；

基于所述压力和流量检测控制装置的检测信号和船舶行驶需求，由所述压力和流量检测控制装置控制所述艏部进水孔的开启位置和数量来调节各管道内水位的高度，以调节船舶的稳性；由所述压力和流量检测控制装置控制所述艏部进水孔和所述底部进水孔的开口大小和数量来调节各管道内海水的流速和流量，然后使海水从管道尾部出水孔流出，以实现活水压载；通过协同所述无轴推进器的转速和管道中海水的流速来调节船舶的航速。

2.根据权利要求1所述的活水压载和船桨一体化绿色船，其特征在于，所述压力和流量检测控制装置包括：底部进水孔的比较点、底部进水孔的反馈函数模块、艏部进水孔的比较点、底部进水孔的频响函数模块、艏部进水孔的频响函数模块及艏部进水孔的反馈函数模块；

所述底部进水孔的比较点处收集来自根据船舶航行需求给定的信号、所述艏部进水孔的比较点的信号以及由所述底部进水孔的反馈函数模块传来的反馈信号，然后输出信号到所述底部进水孔的频响函数模块中，由所述底部进水孔的频响函数模块输出调节推进水量的信号，进而由所述调节推进水量的信号控制所述艏部进水孔和所述底部进水孔的开启数量、位置及开孔大小；

所述艏部进水孔的比较点收集来自所述底部进水孔的比较点的信号、根据船舶稳态需求给定的信号以及所述艏部进水孔的反馈函数模块的反馈信号，然后输出信号到所述艏部进水孔的频响函数模块中，由所述艏部进水孔的频响函数模块输出调节稳态水量的信号，进而由所述调节稳态水量的信号控制所述艏部进水孔和所述底部进水孔的开启数量、位置及开孔大小。

3.根据权利要求2所述的活水压载和船桨一体化绿色船，其特征在于，

所述底部进水孔的反馈函数模块的反馈信号及所述艏部进水孔的反馈函数模块的反馈信号均为由所述压力和流量检测控制装置传来的实际海水流量信号。

4.根据权利要求1所述的活水压载和船桨一体化绿色船，其特征在于，在船舶有载航行时，部分所述艏部进水孔打开，在所述无轴推进器的需求水量不足时，打开所述底部进水孔，往各管道内补水，以达到船舶的推进需求；在船舶空载航行时，通过打开艏部不同位置的所述艏部进水孔，使管道内进入一定水量的压载水，以达到调节船舶稳态的要求；在船舶满载时，关闭所述艏部进水孔，打开所述底部进水孔，海水从所述底部进水孔流入各管道，且在各个状态下，管道内的压载水都能从尾部出水孔流出，实现活水压载。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的活水压载和船桨一体化绿色船，其特征在于，所述活水压载和船桨一体化绿色船还包括舵机装置；

6.根据权利要求5所述的活水压载和船桨一体化绿色船，其特征在于，所述舵机装置包括：舵杆、舵叶及舵机；

7.根据权利要求1所述的活水压载和船桨一体化绿色船，其特征在于，所述汇总舱放置在各管道中截面后面，其用于汇集由前方分舱的水流和所述底部进水口的水流，以减少海水在管道里流动的壁面损失以及水流混流时的损失。

8.根据权利要求1所述的活水压载和船桨一体化绿色船，其特征在于，所述无轴推进器包括：定子、转子、桨叶和水润化径向轴承；

9.根据权利要求1所述的活水压载和船桨一体化绿色船，其特征在于，所述艏部进水孔的位置和数量与分舱舱室的位置和数量对应，以通过艏部各进水孔的位置和高度来实现分舱的目的。