CN113272220A - 减小航行过程中的前进阻力的由旋转回转体串列装置形成的用于运输的浮体结构 - Google Patents

减小航行过程中的前进阻力的由旋转回转体串列装置形成的用于运输的浮体结构 Download PDF

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Abstract

一种由旋转回转体(2)的串列装置形成的用于运输的浮体结构(1)，其在航行期间减小前进阻力，其中，所述旋转回转体(2)的串列装置由前部回转体(6)、中间回转体(7)和后部回转体(8)形成，这些回转体的旋转与所述结构的前进速度同步，所述中间回转体(7)借助于固定至上部平台(12)上的附接装置(5)通过它们的纵向旋转轴(4)彼此相关，同时所述前部回转体(6)和后部回转体(8)的纵向旋转轴通过铰链装置(10)与相邻回转体的旋转轴相关联，所述铰链装置(10)枢转地连结到吃水深度控制装置(9)的其中一端，该吃水深度控制装置(9)的另一端枢转地连结至所述上部平台(12)，所述纵向旋转轴(4)垂直于所述结构的前进方向布置并与驱动装置(11)相关联；并且，所述回转物的旋转体彼此分隔开大约为它们最大直径的5％或更小的距离。

Description

减小航行过程中的前进阻力的由旋转回转体串列装置形成的 用于运输的浮体结构
技术领域
本发明涉及一种由旋转回转体串列装置形成的用于运输的浮体结构，该浮体结构减小了航行期间的前进阻力。
通过本装置，相对于现有的浮体结构，减小了由摩擦阻力或粘性阻力以及由压力阻力(也称为残余阻力或成波阻力)构成的前进阻力，从而实现了减小消耗或相对于恒定消耗增加所述浮体结构的前进速度。此外，可以预见到在所述旋转回转体内加载的可能性。
背景技术
文献US2009/0266288A1公开了一种方法，该方法通过在船舶船体的前部或船首部提供设置在水位下预定位置处的多个气体出口而在水中放出气体、从而向上推动船体并由此减少水与船体面接触时的平均密度来减小船身与水之间的摩擦阻力。
文献JP2001-114185公开了一种方法，该方法通过沿着海水流动方向在经过防撞处理的船舶外板表面上形成非常细微的狭缝来减小船舶船体上的压力，该方法减小了船体的阻力并防止了海洋生物的粘附。
文献JP4959667公开了一种用于减小船舶船体中的摩擦阻力的装置，该装置能够发出均匀的空气射流，该空气射流从形成在船舶的设有空气室的下部中的多个孔产生气泡。
文献EP0926060A3公开了一种方法，该方法通过从沿着纵向方向隔开特定距离间隔设置的选定位置向水中喷射气体而产生气泡来减小船舶相对于水的摩擦阻力。
文献JP2009-248611公开了一种用于减小船舶相对于水的摩擦阻力的装置，该装置能够根据船舶的航行状态或船舶状态来适当地改变气泡的产生位置及其数量，从而即使在发生湍流的情况下也可以通过精确吹出气泡来有效地减小摩擦阻力。
文献JP2010-280342公开了一种用于在船体中产生细小气泡以通过在船体的浸入表面上形成包括细小气泡的厚水层来减小流体摩擦阻力的装置。其使用能够在吸入的水中混合大量空气的泵。
文献JP60-139586公开了一种用于减小摩擦阻力的气泡发生器，该气泡发生器与安装在船舶下部板的前部船体中的壳体互连。
文献JP62-268793公开了一种用于通过提供空气吹送装置来减小摩擦阻力的装置，该空气吹送装置成三层分别布置在动态压力为负的船首球鼻的两侧上。
文献US2764954公开了一种用于船舶推进的设备，该设备通过使用散布有水的空气射流产生反作用张力来推进船舶，从而大大减小了摩擦阻力。
文献US5575232公开了一种通过产生微气泡来减小船舶中的摩擦阻力的方法和装置。
文献US3875885公开了一种用于海洋运载工具的气体喷射系统，其中主气体喷射器在船体下方产生轴向气流，主曝气器设置在船体下方以产生充气水流，并且设置有副曝气器以进一步改善充气流，该系统包括倾斜表面来提供主要的推进作用。
文献US6789491B2公开了一种方法，该方法通过喷射空气并由此在船体外板表面上、于船首球鼻的水线下方产生微泡而减小船舶的在所述船体外板与水之间的摩擦阻力。
文献US6186085B1公开了一种减小船舶船体的摩擦阻力的方法，其通过从与水流线的起点邻近的位置以及从低静压位置向水中喷射具有预定直径的微泡并在船体浸入部分的至少部分外周区域中分布微泡，从而减小了航行时的船体的摩擦阻力。
最后，同一申请人的文献EP0265382A1公开了能够使水上交通工具等移位的浮轮，该浮轮具有球形结构，该浮轮带有自由旋转式地装在连接至船舶船体的轴上的多个叶片，由此利于其运动。
上面讨论的现有技术的所有目的都具有许多缺点，其中我们可以说它们效率不高，并且需要大量能量来减小航行时浮体结构的摩擦阻力。甚至在很多情况下，考虑到为此目的消耗的能量，摩擦阻力的减小也很小，更不用说引起这种效果的装置的复杂性了。
发明内容
这已经促使申请人开发了一种由旋转回转体串列装置形成的用于运输系统的浮体结构，该浮体结构减小了在航行期间的前进阻力，所述旋转回转体的旋转速度与组件的前进速度同步，并且其纵向旋转轴垂直于浮体结构的前进方向布置。对于本申请，所述旋转回转体优选地是具有相同几何形状和尺寸的圆筒。所述旋转圆筒的纵向旋转轴附接到诸如叉状件之类的支撑装置，平台安装于该支撑装置上，所述平台位于所述圆筒串列上方。所述圆筒通过诸如发动机的驱动装置被赋予旋转脉冲，例如，所述驱动装置通过诸如带、索、链等的传动装置与所述旋转圆筒的所述纵向轴相关联。为了在减小浮体结构前进过程中的前进阻力方面达到最佳效果，申请人已经发现，所述圆筒的吃水深度必须大约为其直径的30％左右。为了达到维持所述直径的大约30％的吃水深度，必须评估圆筒内部和外部所承受的总载荷。
吃水深度
在研究阶段，在通过CFD系统利用OpenFoam模拟大量测试之后，如前所述，申请人已经验证了圆筒的理想吃水深度约为其直径的30％，因为该圆筒以与组件的前进速度同步的速度旋转，与没有旋转的相同主体相比，采用所述吃水深度可以使前进阻力减小多达总阻力的50％，而当吃水深度为直径的50％时，这种减小仅为5％。
Figure BDA0003030987300000031
随吃水深度变化的阻力减小百分比
Figure BDA0003030987300000041
两个或更多个圆筒之间的间距
如前所述，申请人已经证实，当旋转体接近程度大约为其直径的5％或更小时，可获得两个或更多个圆筒之间的最佳距离，从而引起非常显着的相互作用的流体动力学效应，当旋转体移开时，该相互作用消失了。
圆筒串列装置中的前部圆筒的推力
通过使最佳间隔大约为5％或更小并且使最佳吃水深度为旋转圆筒的直径的30％左右，申请人已经验证了圆筒串列装置中的前部圆筒不仅有助于减小浮体结构的前进阻力，还可以为系统提供被理解为推力的能量。
这种现象是通过所述旋转圆筒中的过压以及圆筒的浸入轮廓上的水流的速度增加所产生的效果而实现的。由于圆筒仅部分地浸入，并且已经处于旋转-平移运动中，因此浸入部段将获得由密度是与水外部段接触的空气的大约1000倍的介质所提供的压力。所述压力差将使与组件的前进方向一致的推力用于旋转-平移运动。
根据由测试所获得的结果，直径为6m或长度为6m的圆筒在吃水深度为2m深、梁为12m长、同步速度(旋转和前进速度二者)为3.162米/秒的情况下向系统提供大小为73.14HP的推力。
三个圆筒的同步旋转以及从圆筒串列装置中的前部圆筒到后部圆筒的过转 (over-rotation)
申请人已经评估了相对于组件的前进速度的不同百分比的旋转速度，观察到当在所述圆筒中产生过转时阻力持续减小，如下图所能看到的。
S-平移＝S5＝0.8米/秒
用旋转速度进行计算总阻力的变化
Figure BDA0003030987300000051
当分析由带同步旋转的3个旋转圆筒构成的组件时，同时从前部圆筒到后部圆筒以递增方式讨论了转速或过转的变化情况，获得了以下结果：
A)以1米/秒的速度同步旋转的三个圆筒，所获得的减小量为组件的总前进阻力的43％；
B)三个圆筒——同步的前部圆筒、同步的中间圆筒和以同步速度的2倍旋转的后部圆筒，所获得的减小量为该组件的总前进阻力的52％；
C)三个圆筒——同步的前部圆筒、以同步速度的1.5倍旋转的中间圆筒和以同步速度的2倍旋转的后部圆筒，所获得的减小量为组件的总前进阻力的56％。
Figure BDA0003030987300000061
Figure BDA0003030987300000062
Figure BDA0003030987300000063
V00＝不旋转
V10＝同步转速＝1米/秒
V15＝同步转速的1.5倍
V20＝同步转速的2倍
TEP＝牵引有效功率＝总阻力X前进速度
RP＝旋转功率＝旋转转矩X角转速
Figure BDA0003030987300000071
V00＝不旋转
V10＝同步转速＝1米/秒
V15＝同步转速的1.5倍
V20＝同步转速的2倍
TEP＝牵引有效功率＝总阻力X前进速度
RP＝旋转功率＝旋转转矩X角转速
Figure BDA0003030987300000072
可以注意到，过转对总阻力有显著影响。尽管从能量平衡的角度来看，最佳选择是在浮体结构的相同前进速度下进行同步旋转，但从需要增大其速度的角度来看，另一些选择非常有效。
测试了不同的配置：
A)所有圆筒同步旋转；
B)只有前部圆筒同步旋转；
C)只有后部圆筒同步旋转；和
D)所有圆筒不旋转。
已经观察到，最大的减小量以及甚至在所有情况下的推力总是由前部圆筒提供。
然而，当仅在旋转的情况下以及甚至在过转的情况下分析后部圆筒时，所述后部圆筒也使组件的总阻力减小了5％左右。
如预期的那样，旋转的有利之处与所使用的规模渐进地相关。这就是为什么每个在船头和/或船尾采用了这种减能方法的浮体结构应当针对每种配置测试最佳规模选项的原因。
本发明的进一步特征是，每个旋转圆筒可以在内部承载负载，并且还可以在内部包括直径较小的静态同心的圆筒以传输所述负载，从而利用了空间并改善了成本与运输吨数比。
旋转的圆筒没有任何类型的翼片或叶片，其表面尽可能光滑。
因为改良了压力阻力——也称为残余阻力或成波阻力，所以减小前进阻力的效果远大于圆筒在水中产生的阻力。压力阻力是浮体结构总阻力的大约90％的原因，并且压力阻力根据速度而呈指数增加。
此外，河流和海上运输成本包括燃料消耗和与运输时间有关的所有成本，诸如日租金和船员雇用；这就是为什么以此装置寻求减少消耗或在消耗恒定的情况下增加浮体结构的前进速度。这样就可以减少污染，增加浮体结构的经济性，或者就物流而言，可以缩短周期时间并节省相应的费用。
这样就产生了每吨运输货物所消耗的能量的高效比，此外，还产生了高稳定的设计。
于是，本发明的目的是一种由旋转回转体串列装置形成的用于运输的浮体结构，其在航行期间减小了前进阻力，其特征在于，所述旋转回转体的串列装置由前部回转体、中间回转体和后部回转体形成，它们的旋转与所述结构的前进速度同步，所述中间回转体借助于固定在上部平台上的附接装置通过它们的纵向旋转轴相互关联，同时，所述前后回转体的纵向旋转轴通过铰链装置与相邻的回转体的旋转轴相关联，所述铰链装置枢转地连结到吃水深度控制装置的一端，该吃水深度控制装置的另一端枢转地连结到所述上部平台，所述纵向旋转轴垂直于所述结构的前进方向布置并且与驱动装置相关联；并且所述旋转回转体彼此间隔开大约为它们最大直径的5％或更小的距离。
附图说明
图1示出了旋转圆筒串列的侧视图，其中旋转圆筒的旋转与浮体结构的前进速度同步，并且其浸入了直径的30％。
图2示出了与各自的驱动装置相关联的旋转圆筒的所述串列的立体图，在圆筒内部设有用于运输负载的同心静态圆筒。
具体实施方式
图1示出了用于运输的浮体结构1，其由旋转圆筒2的串列装置形成，旋转圆筒2的串列装置由前部圆筒6、中间圆筒7和后部圆筒8形成，这些圆筒的旋转与浮体结构组件的前进速度同步。所述中间圆筒7通过它们的纵向旋转轴4借助于诸如杆之类的固定至上部平台12的附接装置5而互连，同时，所述前部圆筒6和后部圆筒8的纵向旋转轴通过诸如枢转臂之类的铰链装置10与相邻圆筒的旋转轴相关联。所述铰链装置10枢转地连结至吃水深度控制装置9的其中一端，该吃水深度控制装置9的另一端枢转地连结至所述上部平台12。所述纵向旋转轴4垂直于所述结构的前进方向布置并且与驱动装置(未示出)相关联。而且，所述旋转圆筒彼此分隔开大约为其直径的5％的距离。
吃水深度控制装置9使所述前部旋转圆筒6和后部旋转圆筒8在航行期间浸入其直径的30％左右，并且例如，吃水深度控制装置9为活塞。
另一方面，所述驱动装置(未示出)旋转地驱动所述旋转圆筒2，并且它们例如是发动机，所述驱动装置(未示出)通过传动装置(未示出)与所述前部、中间和后部旋转圆筒6、7、8的纵向旋转轴4相关联，所述传动装置可以是带、索、链、齿轮等。
应当注意的是，所述旋转圆筒2的表面是光滑的。
图2示出了通过所述传动装置14与各个驱动装置11相关联的所述旋转圆筒2，其中所述旋转圆筒2的内部是中空的，并且可以在其中承载负载，或者可以容纳较小直径的同心静态的圆筒13以承载所述负载。
最后，所述旋转圆筒2具有由所述驱动装置11提供的过转(over-rotation)能力。

Claims (10)

1.一种用于运输的浮体结构(1)，所述浮体结构由旋转回转体(2)的串列装置形成，所述浮体结构在航行期间减小前进阻力，其特征在于：
-所述旋转回转体(2)的串列装置由前部回转体(6)、中间回转体(7)和后部回转体(8)形成，所述前部回转体、中间回转体和后部回转体的旋转与所述浮体结构的前进速度同步，所述中间回转体(7)通过所述中间回转体的纵向旋转轴(4)借助于固定至上部平台(12)的附接装置(5)而彼此关联，同时所述前部回转体(6)和所述后部回转体(8)的纵向旋转轴通过铰链装置(10)与相邻的回转体的旋转轴相关联，所述铰链装置(10)枢转地连结至吃水深度控制装置(9)的其中一端，该吃水深度控制装置(9)的另一端枢转地连结至所述上部平台(12)，所述纵向旋转轴(4)垂直于所述浮体结构的前进方向布置并与驱动装置(11)相关联；并且所述旋转回转体彼此分隔开大约为它们最大直径的5％或更小的距离。
2.根据权利要求1所述的浮体结构，其特征在于，所述吃水深度控制装置(9)是活塞，并且在航行期间它们使所述前部旋转回转体和后部旋转回转体(6、8)浸入其最大直径的大约30％。
3.根据权利要求1所述的浮体结构，其特征在于，所述驱动装置(11)可旋转地驱动所述旋转回转体(2)，所述驱动装置(11)是发动机并且通过传动装置(14)与所述前部旋转回转体、中间旋转回转体和后部旋转回转体(6、7、8)的所述纵向旋转轴(4)相关联。
4.根据权利要求3所述的浮体结构，其特征在于，所述传动装置(14)是带、索、链、齿轮或类似物。
5.根据权利要求1所述的浮体结构，其特征在于，所述附接装置(5)是杆。
6.根据权利要求1所述的浮体结构，其特征在于，所述铰链装置(10)是枢转臂。
7.根据权利要求1所述的浮体结构，其特征在于，所述旋转回转体(2)的表面是光滑的，并且其内部是中空的以便具有承载负载的能力。
8.根据权利要求1所述的浮体结构，其特征在于，每个所述旋转回转体能够在其内部又包括具有较小直径的静态同心的回转体(13)以承载负载。
9.根据权利要求1所述的浮体结构，其特征在于，所述旋转回转体(2)具有由所述驱动装置(11)提供的过转能力。
10.根据权利要求1所述的浮体结构，其特征在于，所述旋转回转体是圆筒。
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