CN111942521A - 一种高耐波性船舶浮体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高耐波性船舶浮体装置，包括上层建筑、设置于上层建筑底部的多根立柱以及分别套于每个立柱上的多个浮筒；每个所述立柱上设有减振装置，所述减振装置位于上层建筑和浮筒之间；所述立柱的底部设有基座，所述基座与浮筒为可滑动连接；所述浮筒的顶部内壁面与所述基座的顶部外壁面之间设有多根弹簧，所述浮筒的底部内壁面与所述基座的底部外壁面之间设有多根弹簧。通过将船舶浮体装置的水上部分与水下部分分隔开，中间通过小水线面的立柱相连接，减小了船体水线面面积，降低了船舶浮体装置对于波浪的敏感性。此外，通过在立柱上安装减振装置及弹簧，也可以对波浪作用下的浮体运动响应进行折减，从而进一步提高上层建筑的稳定性。

Description

一种高耐波性船舶浮体装置
技术领域
本发明涉及船舶浮体设计技术领域，特别涉及一种高耐波性船舶浮体装置。
背景技术
船舶与海洋浮体作为海上交通运输最主要的运载工具和保障海上生产作业的平台，一直以来都是朝着大型化和高速化的方向发展。海面上70％以上时间都存在波浪，船舶浮体在恶劣海浪中会产生较大幅度的运动响应。剧烈的摇荡运动不仅会使船上的人员以及设备的工作能力下降，甚至还可能引起船舶倾覆等灾难事故。
传统的排水型船舶或海洋浮体由于具有较大的水线面面积，对于波浪的敏感性较高，因此在波浪作用下容易产生六自由度摇荡运动。此外，常规排水型船舶高速航行时会产生较大的兴波阻力。船舶兴波阻力与航速呈立方倍关系，导致总阻力随航速增加而迅速增加，这也是制约船舶高速化发展的最主要因素。为了能够获取更大的航行驱动力，传统船舶一般装有大功率内燃机，其工作所排放的氮硫氧化物等会对环境造成污染。海洋可再生能源的开发利用是解决化石能源危机的有效手段。波浪能是海洋能量的主要存在形式之一，波浪能以其能流密度大、分布范围广、储藏量丰富以及清洁可再生等优势得到了人们的广泛关注。另外，传统的船舶设计建造通常需要将上百个横舱段进行拼装，每个分段的结构形式复杂且各不相同，导致生产加工过程中材料浪费严重，设计建造周期也较长。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种高耐波性船舶浮体装置，该船舶浮体装置具有较好的耐波性和稳定性。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种高耐波性船舶浮体装置，包括上层建筑、设置于上层建筑底部的多根立柱以及分别套于每个立柱上的多个浮筒；每个所述立柱上设有减振装置，所述减振装置位于上层建筑和浮筒之间；所述立柱的底部设有基座，所述基座与浮筒为可滑动连接；所述浮筒的顶部内壁面与所述基座的顶部外壁面之间设有多根弹簧，所述浮筒的底部内壁面与所述基座的底部外壁面之间设有多根弹簧。经过弹簧和减振装置的双重缓冲，可耗散掉各浮筒的垂荡运动的主要能量，从而可大幅降低船舶浮体及上层建筑在波浪中的整体运动幅度。
作为优选的技术方案，所述基座的外侧壁面与浮筒的内侧壁面之间填满滚珠。滚珠使得浮筒与基座可沿垂向无摩擦地平行移动。
作为优选的技术方案，所述多根立柱通过桁架结构相互连接，所述桁架结构设于上层建筑与减振装置的高度之间。桁架结构可提高船舶浮体装置的结构强度和整体结构稳定性。
作为优选的技术方案，每个所述浮筒底部安装有摆线推进器。摆线推进器可为船舶浮体航行提供动力。当摆线推进器不作为推进器工作时，它还具有能量转换功能，可以利用水流实现摆线叶片的旋转，从而将潮流能转换为电能。
作为优选的技术方案，在所述上层建筑的外壁面上设有多个挂环。挂环用于连接锚链，对船舶浮体进行系泊固定。
作为优选的技术方案，所述船舶浮体装置还包括系泊系统，所述系泊系统包括多根锚链和多个锚块，锚链的一端与挂环连接，另一端与锚块连接。
作为优选的技术方案，所述锚块置于海底，或为码头上的桩柱。
作为优选的技术方案，所述上层建筑内设有多个舱室。舱室用于搭载乘客及货物或作为生产操作平台。
作为优选的技术方案，所述弹簧可更换为主动控制机构，所述主动控制机构可对各浮筒相对于相应立柱的运动和受力进行补偿和主动控制。主动控制机构可根据各浮筒的实时运动状态，采用计算机程序算法，对各浮筒相对立柱的运动和受力进行补偿和主动控制，进一步提高船舶浮体的上层建筑在波浪中的稳定性。
作为优选的技术方案，所述基座为圆柱形的永磁铁，所述浮筒的外壳内部缠绕有铜线圈。船舶浮体装置具有将波浪能和潮流能转换为电能的功能，可以直接为船舶浮体所搭载的电子设备进行供电。也可将停泊作业期间所捕获收集的电能进行存储，为航行时的推进系统提供能量。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1.通过将船舶浮体装置的水上部分与水下部分分隔开，中间通过小水线面的立柱相连接，减小了船体水线面面积，降低船舶浮体装置对于波浪的敏感性。此外，通过在立柱上安装减振装置及弹簧，可以对波浪作用下的浮体运动响应进行折减，从而进一步提高上层建筑的稳定性。因此，本发明的船型具有优良的耐波性和稳定性，可以满足海上补给平台、海上机场、海上医院等特殊功能船舶浮体的应用需求。
2.通过减小船体的水线面面积，还可大幅降低船舶的兴波阻力，从而提高同等推进功率下的船舶航速，使得船舶在恶劣海浪上仍能够快速平稳地安全航行，达到绿色船舶和节能减排的目的。
3.可利用波浪作用下的浮筒振荡产生的机械能进行发电，有效地将波浪能转化为电能，并直接给船舶浮体上的电子设备进行供电，或将停泊作业期间所捕获收集的电能进行存储。由于浮筒和弹簧的固有频率是相对固定的，因此可以合理设计波能捕获装置，利用共振响应原理可以高效率地进行波能发电。
4.本发明的船舶浮体结构的设计可得以极大简化，各模块可较为方便地进行组装与拆卸，并可满足船体模块化设计、生产和组装建造，缩短船舶浮体的建造周期，并提高各模块的综合利用率。
附图说明
图1是本发明实施例中高耐波性船舶浮体装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中桁架结构示意图；
图3是本发明实施例中浮筒结构示意图；
图4是本发明实施例中浮筒水平截面示意图。
其中：1：上层建筑；2：挂环；3：立柱；4：基座；5：减震装置；6：桁架结构；7：浮筒；8：滚珠；9：弹簧；10：铜线圈；11：摆线推进器；12：锚链；13：锚块。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，一种高耐波性船舶浮体装置，包括上层建筑、立柱、浮筒以及系泊系统。
上层建筑为一箱型结构，在其底部设有若干个孔槽，每个孔槽用于与每根立柱的上端连接固定。在上层建筑箱体的四个角位置处设有挂环，挂环用于连接锚链，从而对船舶浮体装置进行系泊固定。上层建筑内设置多个舱室，用于搭载乘客及货物或作为生产操作平台。
共采用六根圆柱形立柱，各立柱的上端连接上层建筑、下端连接浮筒。立柱的下端设有基座，基座直径大于立柱直径。各根立柱在上层建筑和浮筒之间，即在其水上部分都设有减振装置，从而对水下部分立柱的垂向运动幅度进行折减，提高上层建筑的稳定性。减振装置的柔性系数可根据结构质量、固有频率、波浪周期等因素综合优化选取。如图2所示，六根立柱通过桁架结构相互连接，从而提高船舶浮体装置的结构强度和整体结构稳定性，桁架结构位于减振装置的上方高度处。
如图3所示，浮筒为圆柱形空心结构，其直径大于立柱直径，从而能够提供更多的载重量和储备浮力。浮筒的内径略大于基座的外径，基座位于浮筒内部，基座外侧壁面和浮筒内侧壁面之间填满滚珠，使得两者可沿垂向无摩擦地平行移动。如图3、4所示，浮筒的顶部内壁面与基座的顶部外壁面之间设有四根弹簧，浮筒的底部内壁面与基座的底部外壁面之间也设有四根弹簧。弹簧不仅可将浮筒的浮力传递给立柱，还起到了大波浪中折减立柱和上层建筑运动幅度的作用。当波浪作用于浮筒时，各浮筒沿相应的立柱基座做垂荡运动。由于各浮筒间的运动状态相互独立，各浮筒的运动幅度和相位存在差异，因此有效地避免了船舶浮体的共振运动响应。经过弹簧和减振器的双重缓冲，可耗散掉各浮筒的垂荡运动的主要能量，从而可大幅降低船舶浮体及上层建筑在波浪中的整体运动幅度。此外，也可将弹簧更换为主动控制机构，从而根据各浮筒的实时运动状态，利用计算机程序算法，对各浮筒相对立柱的运动和受力进行补偿和主动控制，进一步提高船舶浮体装置的上层建筑在波浪中的稳定性。在各浮筒底部安装有摆线推进器，摆线推进器可为船舶浮体装置航行提供动力。当船舶浮体装置长期停泊时，也可将其拆除。
系泊系统包括四根锚链和四个锚块。锚链的一端连接上层建筑外缘的挂环，另一端连接锚块，锚块置于海底或为码头桩柱。当船舶浮体装置停泊作业时，系泊系统可进一步提高其稳定性和耐波性。与常规船舶的系泊相比，由于本发明中上层建筑所承受的波浪力较小，可很大程度上降低锚链力，从而降低系泊系统的成本。当船舶浮体装置需要航行时，可将系泊系统进行移除，待船舶航行至目的地后再次对其进行系泊。
将立柱的基座设置为永磁铁，并在浮筒的外壳内部缠绕有铜线圈，则本发明的船舶浮体装置即具有将波浪能转换为电能的功能，可以直接为船舶浮体装置所搭载的电子设备进行供电，也可将停泊作业期间所捕获收集的电能进行存储，为航行时的推进系统提供能量。当波浪作用于浮筒时，各浮筒沿相应的立柱基座做垂荡运动。永磁铁基座作为定子，往复振荡的浮筒带动铜线圈作为动子切割磁感线运动，进而将波浪诱导的浮筒振荡的机械能转化为电能。一方面可将浮筒振动的机械能进行回收利用，另一方面也有助于浮筒振荡能量的耗散。此外，当摆线推进器不作为推进器工作时，它还可以具有能量转换功能，可以利用水流实现摆线叶片的旋转并带动发电机进行发电，从而将潮流能转换为电能。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高耐波性船舶浮体装置，其特征在于，包括上层建筑、设置于上层建筑底部的多根立柱以及分别套于每个立柱上的多个浮筒；
每个所述立柱上设有减振装置，所述减振装置位于上层建筑和浮筒之间；所述立柱的底部设有基座，所述基座与浮筒为可滑动连接；
所述浮筒的顶部内壁面与所述基座的顶部外壁面之间设有多根弹簧，所述浮筒的底部内壁面与所述基座的底部外壁面之间设有多根弹簧。
2.根据权利要求1所述的一种高耐波性船舶浮体装置，其特征在于，所述基座的外侧壁面与浮筒的内侧壁面之间填满滚珠。
3.根据权利要求1所述的一种高耐波性船舶浮体装置，其特征在于，所述多根立柱通过桁架结构相互连接，所述桁架结构设于上层建筑与减振装置之间。
4.根据权利要求1所述的一种高耐波性船舶浮体装置，其特征在于，每个所述浮筒底部安装有摆线推进器。
5.根据权利要求1所述的一种高耐波性船舶浮体装置，其特征在于，在所述上层建筑的外壁面上设有多个挂环。
6.根据权利要求5所述的一种高耐波性船舶浮体装置，其特征在于，所述船舶浮体装置还包括系泊系统，所述系泊系统包括多根锚链和多个锚块，锚链的一端与挂环连接，另一端与锚块连接。
7.根据权利要求6所述的一种高耐波性船舶浮体装置，其特征在于，所述锚块置于海底，或为码头上的桩柱。
8.根据权利要求1所述的一种高耐波性船舶浮体装置，其特征在于，所述上层建筑内设有多个舱室。
9.根据权利要求1所述的一种高耐波性船舶浮体装置，其特征在于，所述弹簧可更换为主动控制机构，所述主动控制机构可对各浮筒相对于相应立柱的运动和受力进行补偿和主动控制。
10.根据权利要求1至9任一项所述的一种高耐波性船舶浮体装置，其特征在于，所述基座为圆柱形的永磁铁，所述浮筒的外壳内部缠绕有铜线圈。
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