CN1299326A - 具有单－三－双体船造型的船身 - Google Patents

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Abstract

一种具有单－三－双体船造型的船身,包括一与终止于一船尾(12)的两船身侧壁(14、15)连接的船首(11):一对位于一中心线(X－X)两侧的船舷(17、18),一沿中心线(X－X)伸展在船身底面上船首(11)后方、其长度小于船首(11)与船中部(5)之间距离的龙骨(13);一横向伸展在所述两船舷(17、18)之间、在有龙骨(13)部位横问伸展在每一船舷(17、18)与龙骨(13)之间的船底(16),该船底形成倒置纵向凹槽(26、27)。

Description

具有单-三-双体船造型的船身
本发明涉及具有单-三-双体船造型的船身。
船在向前运动时受到的总阻力基本上为表面摩擦(整个船身表面上在运动方向上的总切向应力)、粘滞阻力(与由粘滞效应消耗的能量有关)和剩余阻力之和。剩余阻力在很大程度上包括波浪阻力，该波浪阻力与船身形成重力波消耗的能量有关。
船身向前运动时生成的总波系由两个截然不同、但相互作用的波系构成：一扩散波系和一横向波系。该总波系位于扩散波系的两边界线内部。每一边界线与船身的纵向对称平面成19.5°的角。横向波的峰线在船身处与船身运动方向垂直，随着横向波接近扩散波向后转，直到它们与同一扩散波系汇合。船首前方有一高压区，该高压区生成作为横向和扩散波系一部分的一突出波前。在船身的船首和船尾处还生成其他波系。
一总波系常常可看成由4种波系构成：
*船身向前运动过程中由船首处高压区造成的一船首波系；
*船首部前方由在该处的低压区造成的一波系；
*船尾部由船身该部的低压区造成的一波系；
*船尾区中由一高压区造成的一船尾波系。
很难预见船首波和船尾波的波峰的精确位置。由于在船首和船尾部生成高压波峰，同样很难预见在船身的船首和船尾部生成的波系的波谷的位置。
构成总波系的所述四种波系可互相干扰，多多少少有利于阻止船身的向前运动。但是，由于波的阻力占总阻力的很大一部分，因此应采取措施减小波的阻力，使得在同样的船速下所需的推进力减小。
在过去几年中，设计者的一个目标是尽可能减小由船身向前运动生成的波。
另一方面，有的设计使用船首波系、在船身底部保持船首波系和生成一更突出船尾波系来改善向前运动的阻力条件。1995年4月4日授予Holderman的美国专利No.5,402,743“深船舷船身设计”公开了一种船身，其底部有两个前后伸展在整个船身上的纵向凹槽。在上述专利中，船首波由于本身旋转和受一定控制而引入这两个凹槽中。所述两凹槽相当于文丘里管，使该船首波得到控制。上述专利的发明人使得船身船首中的空气在进入这两个凹槽前被推出。此外还把船身的形状限制成必须具有两弧形边，即船身的横截面向船首和船尾呈锥形，从而通过一对以一前后连续船舷为界的倒置凹槽使得船身在整个长度上呈文丘里管结构。
本发明与上述专利的相同之处在于把向前运动时生成的船首波引入船身底下。
但是，与上述专利不同，本发明的一个目的是提供一种船身，在该船身中，用形成船首波系的一部分能量提高船身的水力支撑。
本发明的另一个目的是提供一种可减小摩擦和粘滞阻力所消耗能量的船身。
本发明的另一个目的是提供一种船身，在该船身中，减小所形成的船尾波，从而减小克服船尾波所消耗的能量。
本发明的另一个目的是提供一种船身，其形状稳定，从而不管航行速度和海上风浪如何，船身可始终保持平衡。
本发明的另一个目的是提供一种船身，在同样载重量下其长度减小。
为实现这些目的，本发明提供一种具有单-三-双体船造型的深船舷船身，包括：
*一与两船身侧壁连接的船首，这两个侧壁位于一中心线两边的对称垂直平面中，终止于船尾；
*一对位于该中心线两侧的船舷，这两船舷形成所述两侧壁的底边，它们起始于船首处一横截面，然后沿纵向不断向后伸展到所述船尾；
*一从船首沿中心线向后伸展在船身底面上的龙骨，其长度小于船首与一横梁截面之间的距离；
*一横向伸展在所述两船舷之间以及在有龙骨部位伸展在两船舷与所述龙骨之间的船底；其横截面与中心线成直角的船底的一表面形成桥接一对横向伸展到所述龙骨的倒置纵向凹槽的凸形船底结构；该对凹槽在所述龙骨后方与单个船底凹槽汇合，单一凹槽的断面的凹槽边在船尾各横截面中的斜度递增，在船尾变成与船身侧壁平行。
按照本发明做成如此形状的船身可称为单-三-双体船。
所述船底倒置结构的水线在该对凹槽和所述单一凹槽前后形成横截面积递增的一状如一扩散器的船底，把从船首传送的水流的动能转换成压力能。
由于在船身底下凹槽中流动的空气不生成一连续的空气层后使用过度浮动效应，而是空气裹挟在水中，使得船身承载在一泡沫边界层上，因此这样一种船身由摩擦和粘滞阻力消耗的能量减少。用一泡沫边界层承载是重要的，其理由如下：
ⅰ)如由一连续空气层承载，其优点是摩擦减小，但除非是赛艇，船身的速度不会高到足以把空气层压缩到增大传给船身的空气动力升力的程度；
ⅱ)如凹槽底面与水直接接触，其最大优点是可用水力支撑船，但其最大缺点是船向前运动时受到的摩擦和粘滞阻力增大；
ⅲ)泡沫层则在要求尽可能减小摩擦阻力与尽可能利用水力支撑之间进行折衷。由于泡沫一般由内含空气或气体(例如废气)的很小的球形室构成，因此泡沫的刚性足以用同等的船身速度传递足够的水力支撑，同时减小向前运动的阻力。
通过把由龙骨和船舷生成的船首波传入这两个凹槽中以及合适选择推进装置及其结构即可获得合适的泡沫层。
就本发明船身对船身向前运动时生成的波系的响应而言，船身在船首中有一与波峰有关的高压区，接着是一与波谷有关的低压区，然后在龙骨后方超过船底最大吃水点处有一低压区。当船身速度改变时，由上述压力分布造成的浮力中心会落到航行重心之前或之后。但是，船身的纵向位置只改变一会儿，由于船首和船尾的吃水的改变，高压区和随后的低压区随之改变，水力立即重新获得平衡。船尾的较深或较浅吃水会改变由龙骨后方上升平底与船舷内侧一起构成的扩散器的横截面，从而有助于保持这一平衡。该平底始终用来支撑船身。总之，本发明船身“始终在其位于龙骨到船尾部位中两船舷之间、在前部受船首和龙骨引导的波浪上航行”。
此外，由于压力从船首到龙骨后方在这两个凹槽中变动，因此船首波的水流在左凹槽中作右旋运动，在右凹槽中作左旋运动，从而有助于形成气泡，增加泡沫层，减小粘滞阻力。
可用一个或多个推进器改变船身底下的压力流型，从而改变浮力中心的位置和上述螺旋运动。
按照本发明构作的船身使得船身波的传送造成波的一部分能量返回给船身，从而提高水力支撑。此外，如此构作的船身可通过合适选择船身在其两船舷之间的尺寸和推进装置的合适布置使得由船在运动时生成的各波系的相互作用生成的波的高度受到控制。波的这一高度还决定于所述泡沫层的阻尼作用。
此外，具有上述凸形横截面的凹槽形底面的形状可做成使得由水力支撑获得的推力大致通过浮力中心，从而不管船静止不动或开动还是随波浪滑行都配平。
下面结合附图详述本发明，附图中：
图1为本发明船身第一实施例的侧视图；
图2为图1船身的仰视图，上半部示出龙骨和船舷的结构，下半部示出各水线；
图3为本发明船身第一实施例的横截面图，示出船身分为9段；
图4A、4B、4C、4D分别为沿图1和2中A-A线、B-B线、C-C线和D-D线剖取的横截面图；
图5为本发明船身第二实施例的侧视图；
图6为图5船身的仰视图，上半部示出龙骨和船舷的结构，下半部示出各水线；
图7和8为本发明船身第二实施例的横截面图，示出船身分为10段；
图9E、9F、9G、9H、9I分别为沿图5和6中E-E线、F-F线、G-G线、H-H线和I-I线剖取的横截面图。
参见本发明第一实施例的各附图，图1和2示出10个垂直横截面或位置。本发明船身包括一船首11、一比方说为一横档12的船尾、一龙骨13、船身侧壁14和15、一船底16、船舷17和18。船舷17和18为侧壁14和15与船底16的接合处。船静止时的水线用19表示。
如图1-3所示，船首11经凸形部与船身侧壁14、15连接。船身侧壁14、15位于一用中心线X-X表示的纵向平面两边的对称垂直平面中，终止于船尾12。该船尾12呈平面。但是船尾也可采用其他形状。
船身侧壁14和15分别终止于位于该纵向平面两侧的船舷17和18处，这两船舷形成船身侧壁14和15的底边。两船舷17、18从位置9与10之间一横截面20沿一纵向弧线向后不断伸展到船尾12后终止在点21上。
龙骨13沿中心线X-X在船身底面上伸展在船首11与位置6之间。最好是，龙骨13向下呈锥形，包括对称的双凸轮廓22和23、合适连接的一前边24和一后边25。双凸轮廓22和23在龙骨13长度离船首11的2/3处有最大弦。但是为使各设计参数最佳，也可采用其他构型。至于龙骨13的位置，其前边24可位于船首11处，其后边25在横截面6中，即在横梁截面5前方约船在水线上的长度的1/10处。但是，后边25的位置可按照需要变动。在所示实施例中，龙骨13底端与船舷17和18的点21位于同一水平面中。结构设计不同，吃水深浅也不同。
本发明船身的船底即底面16在横截面0与6之间横向伸展在船舷17与18之间，在横截面6与船首11之间横向伸展在船舷17和18与龙骨13之间。底面16的各横截面与中心线X-X成直角，形成互相桥接船舷17和18与龙骨13的凸形底面结构。这些凸形底面结构形成沿龙骨13的轮廓22和23伸展的纵向倒置凹槽26和27。如图4D所示，每一纵向凹槽26、27的断面在船首旁船舷17、18始点20处有深弯的边。其后，比方说如图4C所示，凸形底面凹槽各边中，靠外侧的坡度要小于相对于龙骨一侧的边的坡度。在剖面C-C中，凹槽26和27的底面在龙骨后方汇合成单一倒置凸形槽28。如图4B所示，凹槽28的断面的两边向着船尾更倾斜地连接。在船尾12处，凹槽的两边变成与船身侧壁14和15平行，与底面16垂直。
如图2和3所示，标号29示出凹槽边的最大弧度的轨迹。底面16的形状做成，其横截面从船首到船尾递增，起先是该对凹槽26和27，然后是单一凹槽28。
从而通过龙骨在其运动中深入静水中而限制船首波系的生成的目的得以实现。所述波系被传送到离船首11合适距离处水线19下方两船身侧壁14与15之间。
图5、6、7、8、9E、F、G、H、I示出具有单-三-双体船造型的船身的第二实施例。在这些附图中，与图1所示第一实施例相同的部件用同一标号表示。
如图5-7所示，与第一实施例一样，船身侧壁140、150位于用中心线X-X表示的纵向平面两边的对称垂直平面中。但是，船首110与船身侧壁140、150的连接部先凸后凹，因此船首部的宽度比第一
实施例的船身宽。
船身侧壁140和150向下分别终止于船舷170和180，船舷170和180的起始点为位置08后的200(图5)，然后船舷170、180沿纵向不断向后伸展到船尾120并终止于点210。下面说明加宽船首部的作用。
龙骨130沿中心线X-X伸展在船身底面上。最好是，龙骨130向下呈锥形，包括对称的双凸轮廓220和230、一前边240和一后边250。龙骨130的横截面呈纺锤形。
双凸轮廓220和230在龙骨长度中部处有最大弦。至于龙骨130的位置，其前边240可位于船首110处，其后边250在横截面06与船中部05之间的一横截面中，在该船一横梁截面前方约船在水线上的长度的1/20处。但是，后边250的位置可按照需要变动。在第二实施例中，龙骨130底端与船舷170和180的点210位于同一水平面中。结构设计不同，吃水深浅也不同。
本发明第二实施例的船底160的底面在船身位置00与龙骨130的后边250之间部分伸展在船舷170与180之间，在后边250与接近船首的船身位置08之间部分伸展在两船舷170和180与龙骨130之间。
船底160的结构形成一对沿龙骨130的两轮廓220和230伸展的倒置纵向凹槽260和270。如图9I所示，每一纵向凹槽260、270起始处的断面为很平的槽边。如图9H所示，在位置08之后，船身侧壁140、150猛然下降，船舷170和180立即吃水最深。从横截面H-H到G-G(图9G)底面下弯，直到龙骨后边250部分与底面凸形槽的两边以外侧的凸形和龙骨130一侧的凹形连接。在后边250的横截面中，船底160重新上升，直到位置00中的水线190。凹槽260和270的底面也从龙骨130的后边250的横截面开始汇合成单一倒置凸形槽280。
如图9G横截面G-G所示，凹槽280的断面分成凸-平-凹-平各段，直到中心线。从船身的位置04开始，平船底上升，船底凹槽280的两边的斜度递增，变成与船身侧壁140和150平行，与船底160成直角。图5和6中用290示出船底凹槽两边的最大弧度的轨迹。
在本发明第二实施例中，分成凸-平-凹-平各段的特殊底面断面用来在船身底面中形成压力分布的不连续点，从而使得该船身比第一实施例的船身更稳定。
此外，与第一实施例相比较，由于船首更细长、更平，因此船首波更斜地向下流动。由于底面160中的龙骨130的边比第一实施例厚得多，因此凹槽260和270的入口窄得多。从而船身的船底的扩散作用更强。船首的这一形状使得在风浪很大的海面上时船首波越过船首顶部，由于船首上方的波浪与船首底下波浪的静水压推力相平衡，因此船身更稳定。
使用这种结构可开发出高速船身，例如速度为15-25节。
当然，本发明船身侧壁在航行中也起到劈开船首波的作用。但是，由于所述船身侧壁的非对称性，波浪中离开船的部分的作用不大，而流向中心线的部分被传入船底凹槽中，促进空气与水的混合而生成上述泡沫层。
此外，由于船底底面包括两个凹槽和龙骨之后的单一凹槽，加上泡沫层的形成，因此如上所述，可用形成船首波系所化能量的一部分提高水力支撑。
但是，具有两个凹槽和龙骨之后的单一凹槽的底面的形状也可做成使得由水力支撑生成的推力通过浮力中心，从而不管船静止不动或开动还是随波浪滑行都配平。不论何种情况，船的位置保持不变，即，不管是船首下沉还是船尾下坐；当船开始移动时，船的位置的改变只是低处的水线的高度。
由于比以前稳定，船首破浪时船体纵摇、从而船底受撞击的危险减小。船底底下生成的压力防止压力波从浅滩反射时出现这种公知现象。
如上所述，由于泡沫层的阻尼作用，这种形状的船身在船移动时可减小剩余波系。
为了提高泡沫层的均匀性和面积，帮助海水流入船底凹槽中，可在龙骨后部布置一个或多个推进器。从而除了上述气泡形成作用，还在船底凹槽进口处生成吸力。该吸力防止水流被堵塞，而水流堵塞使泡沫层减少，从而向前运动的阻力不受控制地增大。
船底底下的推进器使两凹槽入口处的低压区扩大，从而有利于波浪流动，从而有利于在恶劣海面上航行。
对于推进器应指出，对于中等吨位的船只，推进器可使用其冲压进口位于龙骨与船身侧壁之间的船底凹槽中的喷气推进器，以提高船首入口处的吸力即真空。喷气推进器的出口可位于龙骨的紧后方，以一方面有利于生成上述泡沫层，另一方面提高两船身侧壁之间的单一凹槽中的速度，从而提高水力支撑和该凹槽中的海水流率。
在高吨位船只中，也可在龙骨后方布置一个或多个推进器，对水流、从而船只效率的作用相同。
当把帆用作推进器时，龙骨的吃水很深，由于船速不高，龙骨的形状可做成其底部呈与其后部垂直的翼型。该翼型的底侧几乎平直、而顶侧呈凹形，以使低压区向船尾扩大，便于波浪克服其最深吃水点处的船底。
本发明的某些优点可总结如下。其中一个优点是设计范围比以前扩大，即可开发速度范围更宽的船身。
此外，本说明书创造的新名词单-三-双体船就波系的性能而言，具有单体船、双体船和三体船三种造型的优点。本发明船身既不像单体船那样为受波浪支撑的一梁，也不受多体船一般会受到的扭力，该扭力使得多体船的应用和载重量受到限制。因此，该单-三-双体船造型尽管是一种单体船，却克服了上述三种船身的结构缺点，在水力性能方面又兼备这三种船身的优点。

Claims (6)

1、一种具有单-三-双体船造型的船身，包括：
*一与两船身侧壁(14、15；140、150)连接的船首(11；110)，这两个侧壁位于一中心线(X-X)两边的对称垂直平面中，终止于船尾(12；120)；
*一对位于该中心线(X-X)两侧的船舷(17、18；170、180)，这两船舷(17、18；170、180)形成所述两侧壁(14、15；140、150)的底边，它们起始于船首(11；110)处水线(19；190)下方一横截面，然后沿纵向不断向后伸展到所述船尾(12；120)；
*一从船首(11；110)处沿中心线(X-X)向后伸展在船身底面上的龙骨(13；130)，其长度小于船首(11；110)与一横梁截面(5；05)之间的距离；
*一横向伸展在所述两船舷(17、18；170、180)之间以及在有龙骨(13；130)部位伸展在船舷(17、18；170、180)与所述龙骨(13；130)之间的船底(16；160)；其横截面与中心线(X-X)成直角的船底(16；160)的一表面形成桥接一对横向伸展到所述龙骨(13；130)的倒置纵向凹槽(26、27；260、270)的凸形船底结构；该对凹槽(27、28；270、280)在所述龙骨(13；130)后方与单个船底凹槽(28、280)汇合，单个凹槽断面的凹槽边在船尾各横截面中的斜度递增，在船尾(12；120)变成与船身侧壁平行。
2、按权利要求1所述的船身，其特征在于，每一凹槽(26、27)在船舷(17、18)的始点前由一弧线从船首(11)连接到船身侧壁(14、15)，其中，每一凹槽的断面有一深弯凹槽边；所述凹槽边在向着船尾(12)的各横截面中由一斜面以一定角度连接到一平直中心部。
3、按权利要求1所述的船身，其特征在于，每一凹槽(260、270)在船舷(170、180)的始点前由一弧线从船首(110)连接到船身侧壁(140、150)，其中，每一凹槽的断面有很陡的凹槽边；所述凹槽边在向着船尾(120)的各横截面中由一凸起连接到一平直中心部。
4、按权利要求1所述的船身，其特征在于，所述龙骨(13；130)向下呈锥形，包括对称的双凸轮廓(22、23；220、230)、一前边(24；240)和一后边(25；250)。
5、按权利要求4所述的船身，其特征在于，所述双凸轮廓(22、23)在龙骨(13)长度距离船首(11)的2/3处有最大弦。
6、按权利要求4所述的船身，其特征在于，所述双凸轮廓(220、230)在龙骨(130)长度的一半处有最大弦。
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