CN117360683A - 一种冲压气浮快船 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种冲压气浮快船,包括船体和气浮单元，气浮单元包括升力板和侧板，升力板布设在船体左右两侧，从船体的中部靠头端开始布设，升力板的尾部接近或者超出船体的尾部，升力板通过连接件固定在船体的船舷上，升力板的外形为平板状、曲面状或者平面与曲面相结合的板状，当船体处于水面静止状态下，升力板的后缘低于水面或靠近水面，前缘高于后缘，侧板设置在升力板远离船体的一侧，且与升力板固定连接，当船体静置在水面上，船体、升力板、侧板和水面围成一个前面开口，其他各面密封的空腔结构，船体的尾部设置推进装置。本发明的气浮单元在航行时产生气动升力从而托起船体，以致航行阻力更小，可使快船达到更高的航速，能耗更低。

Description

一种冲压气浮快船

技术领域

本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种冲压气浮快船。

背景技术

船舶是各种船只的总称，是航行或停泊于水上的重要交通工具，通常大型船舶称为舰船，小型船舶称为艇或者舟。大型舰船的航速通常小于30节，小型快艇的航速则可超过30节，但快艇航速通常不超过100节。大型船舶通常采用排水式，船舶在航行中浮力主要由排开水的体积而产生，快艇为了达到较高的航速，通常采用滑行式，快艇在设计航速下，快艇的艇底在水面滑行，吃水较浅，快艇航行时浮力主要由艇底滑行时产生的水动力提供。

船舶在水中航行时，水会对船舶产生较大的阻力，要想获得更高的航速，通常需要配备大功率的发动机。随着科技的发展，人们的船舶设计技术不断提升，通过应用流体动力学的相关知识和计算机数值模拟分析等技术，船舶的能耗已经得到了不同程度的降低，但对于高速船舶而言，目前能耗仍然非常高，如何在提升船舶航速的同时有效降低船舶的能耗，是我们面临的一大课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对船舶航速较低能耗较高的不足，提供了一种冲压气浮快船，该快船设置有气浮单元，该单元在航行的过程中，前方气流从气浮单元的前方开口进入气浮单元内部，气流被阻滞，在冲压作用下，气浮单元内部空气的动压转化为静压，使得气浮单元内部气压上升，升力板会产生气动升力，气动升力通过连接件将升力传递给船体，船体被升力向上托起，吃水深度减小，航行阻力也减小，可使快船达到更高的航速，能耗更低。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种冲压气浮快船，其特征在于，包括船体和设置船体左右两侧的气浮单元，所述气浮单元包括升力板和侧板，所述升力板布设在船体左右两侧，从船体的中部靠头端开始布设，升力板的尾部靠近或者超出船体的尾部，升力板通过连接件固定在船体的船舷上，升力板的外形为平板状、曲面状或者平面与曲面相结合的板状，当船体处于水面静止状态下，升力板的后缘低于水面或靠近水面，前缘高于后缘，所述侧板设置升力板远离船体的一侧，且与升力板固定连接，当船体放置在水面上，船体、升力板、侧板和水面围成一个前面开口，其他各面密封的空腔结构，所述船体设置有推进装置。

船体、升力板、侧板和水面围成一个前面开口，其他各面密封的空腔结构可以使气浮单元获得最大的气动升力，当然，如果升力板后缘和侧板不完全封闭，将会导致气浮单元的气动升力下降，但也可以起到大致相同的效果，也应当视作本发明的保护范围。

优选地，所述升力板的前缘与船体的甲板平齐。

优选地，所述推进装置是由带螺旋桨的船用发动机、航空涡扇发动机或者航空涡桨发动机。

优选地，所述螺旋桨设置在所述船体的尾部后方远处，且所述推进装置螺旋桨的推力作用线经过快船的重心或者高于快船的重心。

优选地，所述侧板的吃水线附近设置有浮筒，所述浮筒为长的流线型空心结构。浮筒在水中可产生静止浮力，有利于增加快船在静止状态下的横向稳定。

优选地，所述浮筒固定在侧板上或者所述连接件上。

优选地，所述浮筒内填充轻质泡沫材料。

优选地，所述连接件由多个金属杆件或者板条结构件连接而成。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明可明显提升船舶航行的经济性，可起到节能减排的效果。由于冲压气浮快船比普通船舶具有更小的航行阻力，可有效降低航行过程中的能耗。

2、本发明可明显提升船舶的航速，冲压气浮快船航行时基本漂浮在空气中，具有更小的流动阻力，因此配置同样功率的动力可以达到更高的航速，冲压气浮快船的最高航速可以超过250节。

3、本发明可提升船舶的耐波性，在航行时，由于船舶的重力被气浮单元承担，冲压气浮快船大部分悬浮在空气中，水面波浪对船体的冲击相对较小或者没有冲击，因此耐波性更好，航行也更加平稳。

4、本发明气浮单元的升力板可以拓宽船体的甲板宽度，使得甲板面积更大，具有更大的甲板使用面积。

本发明可广泛应用于中小型船舶，从排水量几百公斤的快艇到排水量上千吨的中型船舶均可应用。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例的侧视图。

图2是本发明实施例的俯视图。

图3是本发明实施例的后视图。

图4是本发明实施例的前视图。

附图标记说明：

1—船体； 2—升力板； 3—侧板；

4—快船重心； 5—螺旋桨； 6—水面；

7—桁架； 8—推力作用线。

具体实施方式

实施例1

为了解决前述背景技术中提到的问题，需要分析现有船舶速度低、能耗高的原因。通过分析发现主要原因是：现有船舶是在密度和粘性较大的水中航行，水的密度较大，一方面可以为船舶提供较大的静止浮力，但另一方面，船舶在航行时与周围水流之间的相互作用力也较大，船舶运动的动能相当大的部分传递给了周围的水流中，进而对船舶航行造成较大阻力，这种阻力主要包括压差阻力、摩擦阻力和喷溅阻力，阻力总体上可以近似认为与航行速度的平方成正比，因此船舶随着航速的提升，所需的推进功率会快速增长，高速船舶的能耗很大。

通过上述分析可知，要想降低船舶航行时的能耗，需要减小船舶航行时对周围流场的扰动。空气的密度约为水的1/800，粘性也比水小很多，如果能利用空气动力将船体向上抬升，减少船舶的浸润面积，将有望大幅减小船舶的航行阻力，从而减小船舶航行时的能耗。

因此，如图1-4所示，本发明实施例公开了一种冲压气浮快船，船体1和设置船体1左右两侧的气浮单元，所述气浮单元包括升力板2和侧板3，所述升力板2布设在船体1左右两侧，从船体1的中部靠头端开始布设，升力板2的尾部超出船体1的尾部，升力板2通过连接件固定在船体1的船舷上，升力板2的外形为平板状、曲面状或者平面与曲面相结合的板状，当船体1处于静止状态下，升力板2的后缘低于水面或靠近水面，前缘高于后缘，所述侧板3设置在升力板2远离船体1的一侧，且与升力板2固定连接，当船体1静置在水面上，船体1、升力板2、侧板3和水面6围成一个前面开口，其他各面密封的空腔结构，如果升力板的后缘设置在船体尾部的后方，则船体的船舷需要向后方延伸，以便和升力板、侧板形成封闭的空腔。当冲压气浮快船刚开始航行时，速度较低，气流从前方的开口进入空腔后，气流会受到阻碍而停滞，气流的动压转化为静压，空腔内部的静压增大，约等于滞止压强，其中船舷一侧和侧板一侧的压力可以近似认为相互抵消，而升力板下面一侧的静压大于升力板上面一侧的静压，因而升力板产生升力，这个升力可将船体托起，使得船体的吃水深度降低。随着速度的提升，气浮单元产生的升力逐步增大，船体被进一步托起，此时，船体和侧板的吃水深度进一步减小，当快船的速度达到设计航速时，快船大部分或者全部重量都被气浮单元的升力抵消，受到的阻力主要是空气阻力，总体阻力大幅降低，能耗也大幅减小。因此，冲压气浮快船在设计航速下，可以认为漂浮在水面上方的空气中，因而可以获得较高的航速同时能耗较低。

所述升力板的升力可以用以下公式来进行测算：其中L为升力，ρ是空气密度，V是气流相对速度，S是升力板的面积，C_L是升力系数。升力板的升力系数C_L主要与水面的距离有关，当侧板下缘脱离水面时，气浮单元空腔内的空气开始从侧板下缘泄露，升力系数开始变小。

从上述升力板的升力计算公式可以看出，升力板的升力与V的平方呈正比，随着航速的提升，升力板的升力快速提升，当航速超过250节的时候，每平方米升力板产生的升力通常大于一吨。

当冲压气浮快船的设计航速、自重、载荷和重心位置等参数确定后，可以根据升力板升力计算公式计算出升力板的面积，再确定出升力板前缘和后缘的位置、升力板的宽度等参数，通常，升力板在设计航速下产生的升力等于冲压气浮快船的满载质量。为了保证在设计航速下的稳定性，需要综合考虑快船的重力、空气阻力、气动升力、水动力、水阻力、推力等因素，达到力的平衡和力矩的平衡。通常，两个气浮单元的气动升力的中心与快船重心4位置大致重合。气浮单元的设计应当保证冲压气浮快船的俯仰姿态在整个航行过程中始终维持在合理的范围之内。

从上面分析可知，气浮单元主要利用冲压气浮快船前方气流的冲压压缩使得气浮单元内部静压升高，并利用升力板上下表面的静压差获得升力，与机翼和气垫船产生升力的方式有明显不同。气浮单元的长宽比通常设计得比较大，以减小迎风面积进而获得较大的升阻比，气浮单元的升阻比通常大于10，甚至可以超过20，而普通的快艇在水面滑行时，水动力的升阻比通常小于3，因此，经过优化设计的气浮单元可以获得数倍于船体在水中滑行时的升阻比，因此，冲压气浮快船可以达到更高的航速，同样的航速则能耗更低。快船的航速越高，这种优势则越明显。

如果是双体船，则左右船体可以充当气浮单元的侧板，双体船的湿甲板可以充当升力板，只需在双体船的后部用板结构或者其他结构件将气流通道封闭，双体船即可成为冲压气浮快船。

本实施例中，船体1跟现有船舶的结构功能相同，包括甲板、左舷、右舷、推进装置、方向舵以及其他设施设备，在此不再赘述。

本实施例中，所述升力板2的前缘与船体1的甲板平齐。

本实施例中，所述推进装置为由带螺旋桨(5)的船用发动机、航空涡扇发动机或者航空涡桨发动机，其中螺旋桨5具体设置在所述船体1的尾部后方远处，由船用发动机驱动螺旋桨(5)转动，所述螺旋桨5的推力作用线经过快船的重心或者高于快船重心4，这种优化设计可防止快船在高速航行时发生纵向翻转。所述涡扇发动机或者涡桨发动机设置在船体1上方，用于气流驱动快船。

本实施例中，所述连接件由多个金属杆件或者板条结构件连接而成。比如桁架结构，用于将升力板、侧壁与船体固定连接成一个整体，保证气浮单元的结构强度，将升力板的气动升力传递给船体。

由于冲压气浮快船的气浮单元产生的气动升力是有限的，所以快船应当尽可能采用铝镁合金等轻质材料制造，以减轻快船的重量，以达到更低的能耗。为了减轻快船的重量，驱动螺旋桨的船用发动机可采用功重比较大的发动机，比如燃气轮机、涡轴发动机等。

本实施例中由于在快船上设置了气浮单元，快船在航行时的浸润面积比普通快船小得多，水对快船的阻力更小，快船的大部分或者全部重量被气浮单元的升力抵消，能耗更低，如果快船采用船用发动机驱动螺旋桨产生推力，快船在惯性作用下可以短时间脱离水面，但不能长时间脱离水面。如果采用涡扇、涡桨等航空发动机作为推进装置，快船则可以完全脱离水面航行，此时，船体需要配置气动的升降舵、方向舵等设备，以控制快船的航行姿态和方向。

本实施例的冲压气浮快船与水上飞机、地效飞行器相比，气浮单元的升力大小主要与航速相关，跟迎角关系不大，升力板的横向尺寸远小于飞机的翼展，占用空间小，此外，快船的制造难度和制造成本更低，使用和操控更加简单和方便灵活。如果将水上飞机、地效飞行器的机翼用本发明的气浮单元代替，则水上飞机、地效飞行器的展向尺寸将大幅减小，也可以贴着水面飞行。水上飞机或者其他地效飞行器应用本发明的气浮单元进行改造，也应当视为本发明的应用和保护范围。

本发明的冲压气浮快船已经过实验验证，实验结果表明，冲压气浮快船在航速提升一倍的情况下，能耗维持不变，提速节能效果非常明显。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种冲压气浮快船，其特征在于，包括船体(1)和设置船体(1)左右两侧的气浮单元，所述气浮单元包括升力板(2)和侧板(3)，所述升力板(2)布设在船体(1)左右两侧，从船体(1)的中部靠头端开始布设，升力板(2)的尾部靠近或者超出船体(1)的尾部，升力板(2)通过连接件固定在船体(1)的船舷上，升力板(2)的外形为平板状、曲面状或者平面与曲面相结合的板状，当船体(1)处于水面静止状态下，升力板(2)的后缘低于水面或靠近水面，前缘高于后缘，所述侧板(3)设置在升力板(2)远离船体(1)的一侧，且与升力板(2)固定连接，当船体(1)静置在水面上，船体(1)、升力板(2)、侧板(3)和水面围成一个前面开口，其他各面密封的空腔结构，所述船体(1)设置有推进装置。

2.根据权利要求1所述的一种冲压气浮快船，其特征在于，所述升力板(2)的前缘与船体(1)的甲板平齐。

3.根据权利要求1或2所述的一种冲压气浮快船，其特征在于，所述推进装置为由带螺旋桨(5)的船用发动机、航空涡扇发动机或者航空涡桨发动机。

4.根据权利要求3所述的一种冲压气浮快船，其特征在于，所述螺旋桨(5)具体设置在所述船体(1)的尾部后方远处，并由船用发动机驱动，所述螺旋桨(5)的推力作用线经过快船的重心或者高于快船的重心。

5.根据权利要求1所述的一种冲压气浮快船，其特征在于，所述侧板(3)的吃水线附近设置有浮筒，所述浮筒为长的流线型空心圆筒状结构。

6.根据权利要求5所述的一种冲压气浮快船，其特征在于，所述浮筒固定在侧板(3)上或者所述连接件上。

7.根据权利要求5所述的一种冲压气浮快船，其特征在于，所述浮筒内填充轻质泡沫材料。

8.根据权利要求1所述的一种冲压气浮快船，其特征在于，所述连接件由多个金属杆件或者板条结构件连接而成。