CN115123449B - 一种节能高效气泡减阻装置及减阻方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种节能高效气泡减阻装置及减阻方法，属于船舶节能装置技术领域。解决现有减阻装置能耗偏高的问题。它包括气体生产机构、气体传导机构和气体释放机构，气体生产机构设置在船艏位置，若干组气体释放机构均匀对称分布在船舶的左右舷处，气体生产机构和气体传导机构设置在船体中心线上，气体生产机构和气体传导机构连接，气体传导机构与气体释放机构连接，气体释放机构包括进水口、进水口挡板、进气口导管、气‑液排出口、气‑流混合室、固定夹板、气‑液排出口挡板和围板框架；本发明提出一种特殊的气体释放机构，利用船底流场导流机构，提高气体释放机构处水的流速，降低排气口处的压力，进而减小气体生产机构的能耗，实现节能目的。

Description

一种节能高效气泡减阻装置及减阻方法

技术领域

本发明创造属于船舶节能装置技术领域，尤其是涉及一种节能高效气泡减阻装置及减阻方法。

背景技术

船舶在前行过程中，水会对其产生阻力，为了节约运行成本，降低能量的消耗，需要尽可能减少阻力对船舶的影响，通常采用气泡减阻技术达到减阻目的。

现有一种通过空气形成润滑层的减阻装置，当船舶在前行时，打开通气阀门，空气压缩机生成的空气流向空气减阻装置，并随着开口排出至船体外，在船底形成气泡层，通过降低船底表面附近的流体密度和粘性，改变湍流边界层内流动状态，来降低船舶前行时的阻力。随着船舶吃水的增大，空气压缩机产生空气所需的压强也随之增大，使船舶减阻成本有明显的增加，需要设计一种节能高效的气泡减阻装置来降低减阻成本，进一步降低船舶的运营成本。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种节能高效气泡减阻装置，以解决现有减阻装置能耗偏高的问题。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种节能高效气泡减阻装置，包括气体生产机构、气体传导机构和气体释放机构，所述气体生产机构设置在船舶的艏部位置，所述气体释放机构设置若干组，若干组气体释放机构均匀对称分布在船舶的左右舷处，所述气体生产机构和气体传导机构设置在船体中心线上，所述气体生产机构和气体传导机构连接，所述气体传导机构与气体释放机构连接；

所述气体传导机构包括导气空心管、空气压力罐、空气分流舱和流量仪，所述空气压力罐通过管路与空气分流舱连通，所述空气分流舱通过若干导气空心管与若干气体释放机构一一对应连通；在空气分流舱上设有流量仪；

所述气体产生机构包括空气压缩机和限压阀，所述空气压缩机通过管路与空气压力罐连通，在管路上设置限压阀；

所述气体释放机构包括进水口、进水口挡板、进气口导管、气-液排出口、气-流混合室、固定夹板和气-液排出口挡板；

在固定夹板上设有围板框架，在围板框架内的一侧设置进水口挡板，另一侧设置气-液排出口挡板，所述进水口挡板和气-液排出口挡板均倾斜布置，进水口挡板和气-液排出口挡板之间形成气-流混合室，所述气-流混合室的顶部设有顶盖，底部设有底板，所述底板固定在固定夹板上，所述顶盖与进水口挡板和气-液排出口挡板固定连接，在气-流混合室的顶盖的中心处穿入进气口导管，在进水口挡板与底板之间形成进水口，在气-液排出口挡板与底板之间形成气-液排出口，所述进气口导管与对应的导气空心管连通，通过固定夹板将气体释放机构固定在船底。

更进一步的，所述流量仪与中控系统连接，通过中控系统控制进入气体释放机构中的空气流量的大小。

更进一步的，所述围板框架为长方体框架，其长宽高比例为6:2.6:1。

更进一步的，所述进水口挡板相对于船底的倾斜角度为15度，气-液排出口挡板相对于船底的倾斜角度为10度。

更进一步的，所述进气口导管相对水流方向的倾斜角度为135度。

更进一步的，进水口挡板长度为气-液排出口挡板长度的2倍。

更进一步的，进水口和气-液排出口的尺寸相同，进水口和气-液排出口长和高的比例均为8.5:1。

更进一步的，在围板框架与固定夹板的连接处设有防水密封胶圈，在气体释放机构表面涂覆有防腐材料。

更进一步的，导流空心管与各个连接件的连接处均采用防脱落接口。

一种节能高效气泡减阻装置的减阻方法，具体包括以下步骤：

空气压缩机根据限压阀产生一定流速的空气，空气顺着管路流入空气压力罐中；随后顺着管路流入空气分流舱，连接到中控系统上的流量仪时时监测流入空气分流舱内的空气流量；空气分流舱内的空气根据气体释放机构的分布以及数量沿导气空心管流入到气-流混合室内；在船舶在前行的过程中，相对于船舶前行速度，一部分水流会随着进水口以一定速度进入到气-流混合室，并将进气口导管中的空气沿着气-液排出口一并排出于船外；此时排出的空气沿着船底形成气泡层。

与现有技术相比，本发明创造所述的一种节能高效气泡减阻装置的有益效果是：

(1)本发明创造所述的一种节能高效气泡减阻装置，在生产气体的压缩装置添加了控制装置(阀)，且在气体传导机构中加入了空气存储压力罐，这样就可以提供比较稳定的气压从而产生较为稳定的气泡层；在气体释放装置设置进水口，利用水流的速度更快的带动气体的流出，降低出口处的压力，更高效的产生气泡层。

(2)本发明创造所述的一种节能高效气泡减阻装置，通过水流速度增加空气流通速度的方法，来降低空气压缩装置内压力大小，采用本装置可以使空气压缩机内压力保持较为稳定的状态，降低空气压缩机的能耗，延长使用的寿命。

(3)本发明创造所述的一种节能高效气泡减阻装置，当水流沿着气体释放装置从前端向进水口装置流入过程中，由于进口的截面积逐渐减小，导致水流的速度逐渐增大。根据伯努利方程可以看出，水流的速度变大，压力会变小；当水流沿流入气-流混合室的水以一定速度将空气带出空气排出口时，由于水流速度变大，空气的速度也会跟着变大，此时空气排出口的压力便会减小，从而带动空气压缩装置压力减小，减少产生空气的功率；空气在排出口处形成一层包裹在船底的气泡层，减少船舶前行的阻力，降低航行过程中能量的损耗。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造实施例所述的一种节能高效气泡减阻装置的结构示意图；

图2为本发明创造实施例所述的一种节能高效气泡减阻装置的俯视图；

图3为本发明创造实施例所述的一种节能高效气泡减阻装置中的气体释放机构的结构示意图；

图4为本发明创造实施例所述的一种节能高效气泡减阻装置中的气-液排出口的布置示意图；

图5为本发明创造实施例所述的一种节能高效气泡减阻装置中的进水口的布置示意图；

图6为本发明创造实施例所述的一种节能高效气泡减阻装置中的气体释放机构的原理图。

附图标记说明：

1、船舶；2、气体释放机构；3、导气空心管；4、空气分流舱；5、空气压力罐；6、气体生产机构；7、进水口挡板；8、进气口导管；9、气-液排出口挡板；10、气-流混合室；11、固定夹板；12、气-液排出口；13、进水口；14、围板框架。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明创造的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明创造保护的范围。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明创造不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1-图6所示，一种节能高效气泡减阻装置，包括气体生产机构6、气体传导机构和气体释放机构2，所述气体生产机构6设置在船舶1的艏部位置，所述气体释放机构2设置若干组，若干组气体释放机构2均匀对称分布在船舶1的左右舷处，所述气体生产机构6和气体传导机构设置在船体中心线上，所述气体生产机构6和气体传导机构连接，所述气体传导机构与气体释放机构2连接；

所述气体传导机构包括导气空心管3、空气压力罐5、空气分流舱4和流量仪，所述空气压力罐5通过管路与空气分流舱4连通，所述空气分流舱4通过若干导气空心管3与若干气体释放机构2一一对应连通；在空气分流舱4上设有流量仪；

所述气体产生机构包括空气压缩机和限压阀，所述空气压缩机通过管路与空气压力罐5连通，在管路上设置限压阀；

所述气体释放机构2包括进水口13、进水口挡板7、进气口导管8、气-液排出口12、气-流混合室10、固定夹板11和气-液排出口挡板9；

在固定夹板11上设有围板框架14，在围板框架14内的一侧设置进水口挡板7，另一侧设置气-液排出口挡板9，所述进水口挡板7和气-液排出口挡板9均倾斜布置，进水口挡板7和气-液排出口挡板9之间形成气-流混合室10，所述气-流混合室10的顶部设有顶盖，底部设有底板，所述底板固定在固定夹板11上，所述顶盖与进水口挡板7和气-液排出口挡板9固定连接，在气-流混合室10的顶盖的中心处穿入进气口导管8，在进水口挡板7与底板之间形成进水口13，在气-液排出口挡板9与底板之间形成气-液排出口12，所述进气口导管8与对应的导气空心管3连通，通过固定夹板11将气体释放机构2固定在船底。

空气压缩机通过给定电源增大装置内的压强产生源源不断的空气；限压阀可以控制气体装置内的压强，也就是可以控制空气流通的速度；当空气压缩机内的压强达到限制阀值便停止增大压强，使压缩机内的压强恒定，保证传送到空气压力罐内的流速恒定；

存储空气的空气压力罐5的作用是将空气得以缓冲，更稳定的流向气体释放机构2，将空气压缩机中产生的空气临时存放到空气压力罐5中，使空气流速保持稳定后，通过密封的导气空心管传送到空气分流舱4中；空气分流舱4的作用为将输入的空气通过导气空心管均匀平分到各个气体释放机构中，此时流量仪测量的数值为分布到各个气体释放装置中的空气流速，通过调节流量仪可以控制空气流速的大小。

气体释放机构2中，进水口挡板7的作用是防止进入气体释放机构的水流进入船舱内部，调整水流进入气-流混合室10的方向，使水流可以顺利的将空气带出船体；气-液排出口挡板9的作用是防止空气和水流回流至船舱，并且调整气泡层形成的的角度；固定夹板的作用是将气体释放机构固定于船底，并设有防水密封条，防止水流渗入船中；

通过空气分流舱4分布的空气流入气体释放机构2中，并从进气口导管流入气-流混合室10，在船舶在前行的过程中，相对于船舶前行速度，一部分水流会随着进水口装置以一定速度进入到气-流混合室，并将进气口导管中的空气沿着气泡层排除口一并排出于船外，此时排出的空气沿着船底形成气泡层，减少船舶的航行阻力。

空气压缩机根据限压阀产生一定气压的空气；空气顺着空心管流入空气压力罐5中；随后顺着空心管流入空气分流舱4，此时连接到中控系统上的流量仪开始读数；空气分流舱4根据气体释放机构2的分布以及数量沿导气空心管3流入气-流混合室10；气流混合室10的空气随着水流一并排出气体释放机构2，根据伯努利方程(1)可知，管道内所在收缩管处流速增大时，压力会减小。

其中，P为流体中某点的压力；ρ为水的密度；g为重力加速度；z为高度；▽φ表示速度。

当水流沿着气体释放机构2从前端向进水口13流入过程中，由于进口的截面积逐渐减小，导致水流的速度逐渐增大，根据伯努利方程可以看出，水流的速度变大，压力会变小，压强也随之变小；当水流沿流入气-流混合室10的水以一定速度将空气带出气-液排出口9时，由于水流速度变大，空气的速度也会跟着变大，此时气-液排出口9的压力便会减小，从而带动空气压缩机压强减小，减少产生空气的功率；

利用水流的速度更快的带动气体的流出，降低出口处的压力，更高效的产生气泡层，空气在气-液排出口9处形成一层包裹在船底的气泡层，减少船舶前行的阻力，降低航行过程中能量的损耗。

本发明装置通过水流速度增加空气流通速度的方法，来降低空气压缩装置内压力大小，采用本装置可以使空气压缩机内压力保持较为稳定的状态，降低空气压缩机的能耗，延长使用的寿命。

本申请的装置利用水流速度增大，压力减小的原理减小空气压缩机功率，采用本装置可以大大减少水中航行阻力，减少运营成本。

所述流量仪与中控系统连接，通过中控系统控制进入气体释放机构中的空气流量的大小。

所述围板框架14为长方体框架，其长宽高比例为6:2.6:1。所述进水口挡板7相对于船底的倾斜角度为15度，气-液排出口挡板9相对于船底的倾斜角度为10度。进水口挡板7长度为气-液排出口挡板9长度的2倍。进水口13和气-液排出口12的尺寸相同，进水口13和气-液排出口12长和高的比例均为8.5:1。这样设计可以增大进水量，且排出的气泡层可以与船底有一定的贴合，在一定程度上提高船舶航行的稳性；为避免气-流混合室10进入的水流倒灌至进气口导管，设置所述进气口导管8相对水流方向的倾斜角度为135度。

在围板框架14与固定夹板11的连接处设有防水密封胶圈，在气体释放机构表面涂覆有防腐材料。

气体生产机构、气体传导机构和气体释放机构之间用不同孔径的密封空心管相连接，导流空心管与各个连接件的连接处均采用防脱落接口，以防装置运行过程中空心管脱落。

通过以上实施例描述不难发现，本装置具有流量调节系统，可根据不同航向进行空气流速调节，并且能够产生稳定的空气流动；相较于其他减阻装置，本装置通过将水流引入气-流混合室带出空气形成气泡层的方法，增加了空气流动的速度，降低了排出口处的压力，可以提高气泡层的生成效率，在一定程度上节省空气压缩机的能耗。

一种节能高效气泡减阻装置的减阻方法，具体包括以下步骤：

初始运行时，空气压缩机工作，此时连接到中控系统上的流量仪开始读数，待空气分流舱4内空气流量达到所需量时，流量仪读数达到指定值，空气压缩机根据限压阀产生一定流速的空气正常工作，空气顺着管路流入空气压力罐5中；随后顺着管路流入空气分流舱4，连接到中控系统上的流量仪时时监测流入空气分流舱内的空气流量，空气压力罐5中空气按照指定流速流入至空气分流舱4，当流量仪没有达到指定值时或是运行过程中流量不稳定时，中控系统采集流量仪相应的信号上传至上位机，上位机控制限压阀的压力来改变空气压缩机的压缩气体的流量；空气分流舱4内的空气根据气体释放机构2的分布以及数量沿导气空心管3流入到气-流混合室10内；在船舶在前行的过程中，相对于船舶前行速度，一部分水流会随着进水口13以一定速度进入到气-流混合室10，并将进气口导管8中的空气沿着气-液排出口12一并排出于船外，此时排出的空气沿着船底形成气泡层，减少船舶前行阻力，降低运营成本。

本发明提出一种特殊的气体释放机构，利用船底流场导流机构，提高气体释放机构处水的流速，降低排气口处的压力，进而减小气体生产机构的能耗，实现节能目的；一种船舶节能高效气泡减阻装置，为降低船舶在前行过程中的能耗提供解决办法；水流的作用使得排气口处的通气压力减小，从而降低空气压缩机生产空气的成本。

以上公开的本发明创造实施例只是用于帮助阐述本发明创造。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明创造仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明创造的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明创造。

Claims (10)

1.一种节能高效气泡减阻装置，其特征在于：包括气体生产机构(6)、气体传导机构和气体释放机构(2)，所述气体生产机构(6)设置在船舶(1)的艏部位置，所述气体释放机构(2)设置若干组，若干组气体释放机构(2)均匀对称分布在船舶(1)的左右舷处，所述气体生产机构(6)和气体传导机构设置在船体中心线上，所述气体生产机构(6)和气体传导机构连接，所述气体传导机构与气体释放机构(2)连接；

所述气体传导机构包括导气空心管(3)、空气压力罐(5)、空气分流舱(4)和流量仪，所述空气压力罐(5)通过管路与空气分流舱(4)连通，所述空气分流舱(4)通过若干导气空心管(3)与若干气体释放机构(2)一一对应连通；在空气分流舱(4)上设有流量仪；

所述气体产生机构包括空气压缩机和限压阀，所述空气压缩机通过管路与空气压力罐(5)连通，在管路上设置限压阀；

所述气体释放机构(2)包括进水口(13)、进水口挡板(7)、进气口导管(8)、气-液排出口(12)、气-流混合室(10)、固定夹板(11)和气-液排出口挡板(9)；

在固定夹板(11)上设有围板框架(14)，在围板框架(14)内的一侧设置进水口挡板(7)，另一侧设置气-液排出口挡板(9)，所述进水口挡板(7)和气-液排出口挡板(9)均倾斜布置，进水口挡板(7)和气-液排出口挡板(9)之间形成气-流混合室(10)，所述气-流混合室(10)的顶部设有顶盖，底部设有底板，所述底板固定在固定夹板(11)上，所述顶盖与进水口挡板(7)和气-液排出口挡板(9)固定连接，在气-流混合室(10)的顶盖的中心处穿入进气口导管(8)，在进水口挡板(7)与底板之间形成进水口(13)，在气-液排出口挡板(9)与底板之间形成气-液排出口(12)，所述进气口导管(8)与对应的导气空心管(3)连通，通过固定夹板(11)将气体释放机构(2)固定在船底。

2.根据权利要求1所述的一种节能高效气泡减阻装置，其特征在于：所述流量仪与中控系统连接，通过中控系统控制进入气体释放机构中的空气流量的大小。

3.根据权利要求1所述的一种节能高效气泡减阻装置，其特征在于：所述围板框架(14)为长方体框架，其长宽高比例为6:2.6:1。

4.根据权利要求1所述的一种节能高效气泡减阻装置，其特征在于：所述进水口挡板(7)相对于船底的倾斜角度为15度，气-液排出口挡板(9)相对于船底的倾斜角度为10度。

5.根据权利要求1所述的一种节能高效气泡减阻装置，其特征在于：所述进气口导管(8)相对水流方向的倾斜角度为135度。

6.根据权利要求1所述的一种节能高效气泡减阻装置，其特征在于：进水口挡板(7)长度为气-液排出口挡板(9)长度的2倍。

7.根据权利要求1所述的一种节能高效气泡减阻装置，其特征在于：进水口(13)和气-液排出口(12)的尺寸相同，进水口(13)和气-液排出口(12)长和高的比例均为8.5:1。

8.根据权利要求1所述的一种节能高效气泡减阻装置，其特征在于：在围板框架(14)与固定夹板(11)的连接处设有防水密封胶圈，在气体释放机构表面涂覆有防腐材料。

9.根据权利要求1所述的一种节能高效气泡减阻装置，其特征在于：导流空心管与各个连接件的连接处均采用防脱落接口。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种节能高效气泡减阻装置的减阻方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

空气压缩机根据限压阀产生一定流速的空气，空气顺着管路流入空气压力罐(5)中；随后顺着管路流入空气分流舱(4)，连接到中控系统上的流量仪时时监测流入空气分流舱内的空气流量；空气分流舱(4)内的空气根据气体释放机构(2)的分布以及数量沿导气空心管(3)流入到气-流混合室(10)内；在船舶在前行的过程中，相对于船舶前行速度，一部分水流会随着进水口(13)以一定速度进入到气-流混合室(10)，并将进气口导管(8)中的空气沿着气-液排出口(12)一并排出于船外；此时排出的空气沿着船底形成气泡层。

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