CN1310680A - 高速混合式海洋船舶 - Google Patents

Abstract

高速混合式海洋船舶,带有流体动力学的产生升力的、稳定摇摆且控制俯仰的翼板(4,5)或水翼,其可以两种有区别的不同模式操作,即静水稳定的低速模式,以正的GM值为特征,有至少三个浸入的船壳件(2,3),以及静水不稳定高速模式,以负的GM值为特征,仅有一个浸入的船壳件(2),所述船壳件(2,3)通过将侧船壳连接于主船壳的一体的甲板结构而与船舶(1)成一体。

Description

高速混合式海洋船舶

本发明大体涉及海洋船舶，具体涉及大展弦比水翼辅助的高速混合式船壳，具有一主船壳和两或三个侧船壳

概述

在现代高速船舶中，在过去数年双体船已比单体船壳获得优势市场位置，特别是小于100米的船舶。这类船舶的特征是其操作的简便性，高度的稳定性以及高速和经得起海上风浪的能力，尤其在30-35节的速度范围内。但市场似乎继续对速度性能提出更高的要求，并且今天几种45节甚至50节以上速度的双体船已成现实。在现代高速海洋运输中，经得起风浪的性能亦已成为一大的考虑因素。这些要求已导致出现更大的推进动力设备以及引入主动的运动缓冲系统，如设置在船首区域内小T形翼板和设置在后面的配平舵，用以改善乘坐舒适性。然而，基本上是非永久性升力产生装置的T形翼板的引入往往伴随阻力的增加，这在一40-45节的双体船上减小了约2-3节的速度。

相应于某些航线上增加的速度要求，最快的摆渡操作者仍然不愿意加入这一发展趋势，这是由于与之相关的空中纵摆燃料消耗。很可能从流体动力学的观点看，早在70年代开始商业发展的双体船技术今天已经到达了其发展的最佳阶段。阻力的进一步减小受到了以下事实的严格限制：大部分阻力成分涉及流体动力学表面摩擦力。为了克服这一点，或是不得不减小沾水表面面积，或是通过应用新技术如空气润滑来减小表面摩擦力。

如果认识到缺乏已获得证明的手段来解决这些技术挑战，即表明我们今天所知的双体船概念在所有方面已经不再能够充分地满足将来的市场需要。这一观点亦得到公众和当局对环境问题日益关注的支持，其很可能迫使在这方面表现更好的全新概念的发展。

在90年代初，这导致了已知的水翼原理的暂时复兴，以减小水和船壳之间的摩擦力。引入了一改型双体船概念，带有使两船壳升离水面的一翼板系统，如挪威专利No.175199和多种美国专利所描述的。除了涉及速度和经得起风浪的能力的优点外，这一技术却伴随一些缺陷，增加的投资成本和重量敏感性问题，后者在明显的程度上已经限制了这种特殊类型的船舶的物理尺寸和有效载荷，这最终导致难以在商业上被接受。

在船舶研究和高速摆渡商业的领域，人们可以看到一种趋势，即设计和小规模试验各种新颍的设计。在几种趋势-制动(trend-braking)设计中，某种三体帆船的概念似乎是将来的一种潜在的有兴趣的折衷方案。

现有技术

美国专利No.5503100描述了一种属于这种范畴的设计。但是，该发明似乎有一些不能实现的以及部分不能起作用的因素，这些因素可能使得本发明难以或不能满足与高速船舶有关的要求。另外，该发明涉及水下船壳形状和推进系统的设置，其有可能导致较大的船壳摩擦并形成阻力，较大的吃水深度以及过载重量。

本发明

在优选实施例中，本新颍设计是公知的三体帆船设计的一种改型，该三体帆船设计由于其高速以及抗风浪能力已经在帆船领域获得声誉。如所知的，三体帆船包括三个船壳构件，一个长的和窄的中间船壳和一对较短的侧船壳，后者与位于船体中间或后部的横向桥接结构的下侧成一体。但是，这种设计在高速摆渡领域仍未投入使用。在多种专利中，如US4348972,5178085,5529009,WO93/07046,94/20359,97/10988,EP455605和JP63130492，描述了这种设计的一种改型。

如所知的，所谓Froude的数值由以下公式表示：

Fn=v/√g*L

其中，v=速度(m/s),g=重力加速度，L=水线长度(m)。

该Frouded的数值在船舶的流体动力学阻力上起重要的作用。在具有完全浸入的侧船壳的传统三体帆船上，在长度短并且速度足够低时，其往往以一种滑行的状态操作。由于稳定性要求(即足够高的正GM值)成为这些三体帆船特征的较大的侧船壳浸入导致在较高Froude数值下有阻力明显增加的危险。

本发明涉及上述三体帆船形式的一种改进并且涉及以两种以两种明显不同模式操作的混合式海洋船舶，即静水稳定的低速模式，以正的GM值为特征，有至少三个浸入的船壳件，包括一深的细长主船壳和至少一对细长的浅的支承船壳(后面将其称为侧船壳)，后者通过连接侧船壳和主船壳的刚性甲板结构与船舶成一体，以及部分升高的静水不稳定高速模式，以负的GM值为特征，仅有该细长的主船壳浸入而侧船壳则在水线以上，通过采用一体的流体动力学升力产生、摇摆稳定和俯仰控制翼板或水翼，来实现从一种模式到另一种模式的过渡，该船舶的特征在以下组合：

-主船壳本身是静水不稳定型，具有一负的GM值，相对于水线宽度具有一大的水线长度，并相对于水线宽度具有一大的主甲板宽度；

-在其湿甲板高度以下的主船壳后部具有图4a-d所示的横向截面，或者是这些截面的组合；

-在其主甲板高度以下的主船壳的前部，在其大部分长度上，具有一V,U，或Y形的横向截面，如图4e-m所示；

-该支承船壳具有明显小于主船壳之深度的深度，或者可调的高度，并且沿速度方向观察被设置在船舶中点的后面或附近，并且相对于其中线对称；

-至少一个一级流体动力学翼板或水翼被设置在主船壳和侧船壳之间，通过垂直支柱与它们成一体，或者亦可通过至少一个垂直支柱与中间铺设的湿甲板结构成一体，对称地设置在船舶中心线的各侧。

-最好在较大的船舶上，主船壳上设置有一自身控制类型的快速汲水压载系统，或者控制充水和排水的装置。

在一优选版本中，船舶设置有一完全浸入的升力产生和摇摆稳定的大展弦比一级水翼，其设置在主船壳和侧船壳下面和之间，靠近船舶纵向重心LCG，并固定在主船壳上，固定在中间铺设的湿甲板结构和侧船壳上，以及一个二级的流体动力学升力产生及俯仰控制翼板或水翼，其设置在前部或后部，或者两处，并固定在主船壳上，或者也固定在中间铺设的湿甲板结构上，取决于翼板的横向延伸程度。

在另一特别适用于大于100m船舶的优选版本中，船舶设置有两个升力产生、摇摆稳定和俯仰控制大展弦比一级水翼。由于这种尺寸的船舶通常具有超过1000公吨的满载排水量，就使总的阻力最优化来说，可能希望增加翼板宽度而超过船舶的正常宽度，以便在40-45节的速度提供50％范围内的升力与排水量之比。这种设置示于图8中。这里，部分甲板结构被横向延伸超出船舶的正常宽度，以便于支承翼板的外支柱。这些桥式结构亦可有利于下锚以及上、下船。

通过增加翼板宽度来增加升力将导致许多阻力方面的优点；由于较小的排水量和沾水的船壳面积，减小了船壳的阻力，并且由于减小的支柱浸入以及翼板本身的增加的展弦比，减小了总的翼板阻力。即使从另一观点看，由于翼板系统和所需的结构加强，翼板系统将导致增加的重量，但阻力计算表明在35节以上的速度，与类似尺寸和负载能力的双体船和单体船壳比较，确实具有相当明显的阻力减小潜力。此外，这种前后翼板设置将提供特别高的抗风浪能力，这是由于对起伏、俯仰和摇摆运动的主动和被动的高度缓冲。如所知的，高度的速度对动力之比和抗风浪能力的组合目前难以达到，而这对于最快的摆渡操作者而言有最高的重要性。

对于更大的船舶，如超过200m，甚至三级升力产生翼板也是可行的。在这种情况下，它们的大约位置是后面，前面和中间。但是，如果翼板之间的纵向距离不是足够大，前翼板的下洗(down-wash)效应将在跟踪翼板上产生增加的阻力，所以应当仔细考虑最终的优点。

与传统的双体船相比，在利用主甲板下方的内部船壳体积以及减小壳体面积和结构船壳重量方面，主船壳的特定横向形状，尤其在较大的船舶上，是有利的。与总尺寸和负载能力类似的双体船相比，可以在20％-30％的范围内减小壳体面积，包括侧船壳。通常，这导致同样量级的结构重量的减小。

最佳模式

根据本发明的高速混合式海洋船舶，带有流体动力学的产生升力的、稳定摇摆且控制俯仰的翼板或水翼，其可以两种有区别的不同模式操作，即静水稳定的低速模式，以正的GM值为特征，有至少三个浸入的船壳件，以及静水不稳定高速模式，以负的GM值为特征，仅有一个浸入的船壳件，包括

-一以一体的刚性甲板结构为特征的主船壳，该甲板结构在横向上伸出主船壳的宽度，并且限定为湿甲板的所述甲板结构的下边缘在船舶于未触动水线上处于静止时位于水线之上，并当船舶的朝前的速度明显增加时其处在水线上方一增加的高度处，

-所述主船壳在表示任何未触动状态的水线上方随机高度处的最大框架宽度和水线处的最大宽度处之间有一种至少2的关系，

-所述主船壳在任何直立浮动未触动状态在最大的水线长度和最大的水线宽度之间有一种至少6的关系，

-所述主船壳的前部在主甲板下方具有一V形，U形或者Y形横截面，或者其组合，

-所述主船壳的后部在湿甲板下方具有一V形，U形或者Y形横截面，或者其组合，

-所述主船壳设置有与湿甲板的下方成一体的侧船壳，其深度明显小于主船壳的深度，这样当船舶达到最大速度的40-70％的速度时，所述侧船壳的底部处在水线之上，并且沿速度方向观察所述侧船壳位于船舶中点的后面或者横跨船舶中点，并平行于船舶的中心线，或成一较小的舷内角度，相对于所述主船壳的中心线对称地位于两侧，

-所述湿甲板至少从侧船壳的船首的上和最前部延伸到主船壳的后边缘或船尾，并沿纵向呈一弧形，其端点所处的高度高于沿弧形的任何一点，或者以其整体或其部分平行于主甲板，或具有与主甲板成角度的部分，最好前端和后端处在比其间的平面高的高度，或者具有弧形的中间部分和以角度取向的前和后部的组合，

-所述湿甲板在横截面平行于主甲板或者与之成一角度位置，使得远离船舶中心线的外线上的一点，处于更靠近主甲板高度的高度上，

-所述侧船壳在水平面上具有楔形的船首形状和一平头形的船尾，其在水平面内的面积沿垂直方向是恒定的或者增加，因为在横截面内观察垂直倾斜的船首以及舷内侧和/或舷外侧是倾斜的，

-所述侧船壳被如此设置，即当沿速度方向观察侧船壳位于船舶中点的后面时，船尾的位置处在主船壳的船尾的后面，

-在空载的条件下并当船舶静止时，所述侧船壳具有一组合的浮力，其对应于船舶的总的空载浮力的不到20％，

-在较大尺寸的船舶上，所述侧船壳可被设置成一个在另一个前面，使得一个位于纵向重心(LCG)的后面，而另一个位于所述点的前面，两者位于距主船壳中心线的相同横向距离处，或者前面的侧船壳被设置在距所述中心线一较小距离处，各对侧船壳相对于所述中心线对称地设置。

在一优选实施例中，所述混合式海洋船舶还包括一种设置，其包括一带有弦线(CL)的完全浸入的一级流体动力学翼板或水翼，该弦线限定为横向设置的水翼轮廓的前边缘和后边缘之间的纵向距离，并在随机的朝前速度下以至少对应于弦线(CL)的50％的深度相对于水线浸入，水翼在横向上延伸主船壳中心线和侧船壳中心线之间的距离的至少50％，并且所述水翼设置在船舶纵向重心(LCG)附近，取决于水翼的横向长度所述水翼借助于支柱固定在主船壳，湿甲板和侧船壳上，或者固定在横向延伸出侧船壳的部分湿甲板或甲板结构上，或者固定在这些结构件的一些上，所述支柱将流体动力学升力传递到船舶上，并且水翼设有至少一个在船舶中心线的各侧与水翼的后部成一体的远程控制副翼，当船舶以高速朝前移动并且侧船壳局部浸入或完全位于水线之上时，所述副翼通过绕船舶中心线施加一可控的横向校正力矩提供了所需的流体动力学稳定性。

在另一优选实施例中，混合式海洋船舶还包括一种方案，其包括一个完全浸入的二级流体动力学翼板或水翼，水翼在横向上延伸主船壳中心线和侧船壳中心线之间的距离的不到50％，并且所述水翼设置在主船壳的前面或后面，或者设置在两处，取决于水翼的横向长度以及纵向位置所述水翼借助于至少一个水翼上的支柱固定在所述船壳和/或湿甲板上，所述支柱将通常为一向上的流体动力学力传递到船舶上，并且水翼的至少一个远程控制副翼与所述水翼的后部成一体的，当船舶以高速朝前移动时，所述副翼提供了绕船舶纵向摆动中心的所需平衡调整力矩。

附图

通过参照附图将进一步解释本发明，其中：

图1从侧面示出了根据本发明的混合式海洋船舶；

图2示出了图1的船舶，通过一级水翼的船中部的横截面，表示了主船壳，湿甲板和侧船壳；

图3示出了船后部的横截面，表示了在高速模式下的水线(WL-1)，在低速模式下的水线(WL-2)，和垂直重心(VCG)以及在低速模式的定倾中线(M)和在高速模式的定倾中线(M1)；

图4a-4d示出了在湿甲板高度下方的主船壳后部的可选择的横截面；

图4e-4m示出了在主甲板高度下方的主船壳前部的可选择的横截面；

图5从后面示出了根据本发明的船舶，表示了可调节的侧船壳；

图6详细示出了在根据本发明的船舶上高度可调的侧船壳的横截面，表示了操作原理；

图7a-7g示出了压载水箱的操作原理；

图8示出了一较大船舶的平面，带有两组一级水翼和两组侧船壳

图9示出了船舶的横截面，其带有一表面破水一级水翼；

图10示出了一完全浸入的一级水翼的平面，表示了前边缘和后边缘，弦长(CL)和可控的副翼。

图1示出了带有主船壳(2)和侧船壳(3)的混合式海洋船舶(1)。在该船舶下面，示出了一级水翼系统(4)和垂直支柱(11)，以及二级水翼系统(5)。

如所描述的，由一个一级流体翼板(4)或水翼构成的结构设置在提供了主要流体动力学升力的主船壳(2)和侧船壳(3)之间，这导致减小了的吃水深度和减少的湿润船壳表面，同时它通过一个图9所示的表面破水水翼系统(6)提供了动态稳定性，或者最好是图2所示的由垂直支柱(11)所支承的一完全浸入的翼板系统，其特征为具有一完全可控的水翼断面，或者最好沿所述翼板表面(4)的后边缘(29)成一体的可控副翼(27)。在45节的速度，由翼板系统产生的流体动力学升力可达到与一45m船舶的满载排水量的50-75％对应的值，这取决于翼板的尺寸和排水量。其结果是，该船舶在水中被充分地升高，使得侧船壳越过水线。

与最终相应地升高的传统双体船相比，这就赋予该船舶一个涉及流体动力学阻力的优点。其原因是本船舶的主船壳的浸入的船壳面积最初相对较小，主要是由于船壳的形状，其次是所述结构性重量的减小。而且，任何特定形状的一浸入的单一船壳的湿润面积比同样形状的两个船壳要小，即使总的排水量相同。在一给定的排水量，在方形的浸入壳体的湿润表面方面的数学差约比相同排水量的两个类似形状的壳体的面积小27％。三角形壳体的相应减小约为29％。换句话说，通过本发明的小于设计，可以明显减小流体动力船壳的摩擦。

这一事实与来自翼板生成之升力的效果一起，与类似尺寸和排水量的双体船相比，有助于将一45m船舶上的湿润表面减小约50-70％。因此，它引致明显减小了表面的摩擦阻力，这就使得本概念能尤为良好地适合高速运输平台。

有高纵横比特征的现代化水翼系统，如本发明的情况，具有特别高的升力对阻力之比L/D。与有较高Froude数，即排水量对阻力之比D/D，的双体船的相应比值对比，这样一种翼板系统一般可更有效超过60％，包括来自支柱和舱的阻力。除了减小湿润表面面积的效果，与双体船和单体船壳相比，这赋予本发明优秀的阻力特征。

以此为例，在Froud数为1,0，对应于35节和34m长的水线，阻力和动力计算显示，与同样尺寸和自重的典型双体船比，根据本发明的一船舶具有低15-20％的动力要求。但在45节，动力要求低40-65％，取决于翼板系统的实际举升率。

由水翼系统产生的升力，结合配平力矩(trim momentum)，使之有可能减小船舶的吃水深度，使得在一给定的速度时侧船壳的底部到水线之上，如图1-3所示。在一具有14m宽度的40m长度的船舶上，且满载排水量约为200公吨，这一状态一般会在约20-25节的速度发生，取决于实际的自重。在这一状态，在更高的速度时，只有主船壳的狭窄下部和水翼系统浸入水中。在速度增加时，水线和侧船壳底部之间的间距将增加，在45节时一般将达到1m以上。

与传统的双体船(其特征是高的定倾中心高度，其导致高度的静水稳定性，或者抗起伏性)相比，根据本发明的船舶最初当在水中静止时有较低静水稳定性，以小角度倾斜。随着速度和水翼系统产生的升力的增加，静水稳定性变得进一步减小。当速度和升力足够高并且侧船壳越过水线时，根据本发明的船舶将进入一完全的静水不稳定状态。这一状态的特征是一负的定倾中心高度GM，其通常被限定为一船舶的垂直重心VCG和在一通过船舶中心线的垂直线上的假想定倾中心点之间(M)之间的垂直距离。在小角度倾斜时，所述垂直线将在一给定点处横跨其自身，通常在VCG之上。定倾中心点位于VCG上方的距离越大，静水稳定性越高。所以，一不稳定的船舶通常与一低的或者负的GM值有关，意味着定倾中心点低于VCG。

通过考虑以下事实可更为实际地说明这一点：水线长度和主船壳的宽度之间的关系，L/B，在船舶垂直重心VCG高的同时也高。为了举例说明这一状态，如图3所示，对于处在这一状态的所述40m船舶来说，VCG(G)将位于水线上方约2.7m处。主船壳的最大水线长度约为37m，在此水线处的宽度约为3.7m。请记住约200公吨的整个船舶重量集中在VCG(G)处，很明显在这种状态下它完全没有稳定性，并将无条件倾覆，除非由水翼系统在流体动力学意义上提供所需的校正力矩和/或结合来自侧船壳的静水效果。用点M2说明这种状态的定倾中心点的相应位置。

如上所述，如4示出了各种主船壳的形式，它们是不稳定的或者静水不稳定的船壳形式的例子。

图4(以a-d表示)所示的船壳形式的第一条直线示出了湿甲板高度下方的主船壳的尾部的四种可能的船壳形状。在右边，各种所参考的高度被表示为水线(WL-1)，湿甲板(8)高度和主甲板(7)高度。

图4的其余各种，即e-m，表示了在主甲板高度以下主船壳的前部的可能船壳形状。如所表示的，它可包括在原理上可区分的V、U或者Y形，或它们的组合。

适用于根据本发明的混合式海洋船舶的动力稳定性操作原理基本上类似于适用于喷气式战斗机的原理。如已知的，这些类型的飞机在航空动力学上是不稳定的，并且不能手动控制，这与能由驾驶员控制的传统的稳定式飞机相反。所以，以在原理上与本发明的船舶相同的方式，用电脑来控制它们。不用说，当用机轮支承在地面上时，这些飞机是静态稳定的，类似于在静止或低速时的本混合式船舶。在地面上的更恰当例子是自行车，它也是静态不稳定的，并且如果没有施加在其上的校正力矩就不能保持平衡。

就通过利用一主动的动态稳定效果(由水翼上可控制的副翼提供)而获得高度的乘坐舒适性而言，一静态的不稳定状态是很有利的。由波浪冲击船壳所代表的外部扰动力对于本发明的船壳来说自然要小的多，本发明的特征在于一负的GM值，这与以高度正GM值为特征的传统双体船相反。在引起摇摆运动的侧向波浪中，情况尤为如此。在效果上这导致本发明的船舶将施加有限或者非摇摆的运动(取决于波浪的高度)，而所述双体船则没有办法避免这种情况，即使装备有同样能力的水翼系统。

由于仅主船壳浸入在水中，因此典型地其特征为与一双体船或者一传统单体船壳相比有小的多的沾水平面面积，而且垂直起伏亦得以减小。由于位于LCG附近或者所述点稍微靠前的较大的一级水翼的被动和主动起伏缓冲的组合，垂直起伏得以进一步减小。

在速度通常为40-45节的正常服务条件下，船舶将具有抵抗由侧向波浪引起的摇摆的一动态稳定性边际值，该边际值应至少可以与完全升离水面的所谓水翼双体船相比。这是因为与所谓的水翼双体船相比侧船壳具有小的多的排水量。关于俯仰运动，设置在主船壳上的位于后面或者前面的二级水翼，或配平翼板，将产生一较大的俯仰缓冲效果。这使得根据本发明的船舶具有独特的经得起海上风浪的能力。

当设计这样一种船舶时，相当的注意力必须放在这些特征上：主船壳、侧船壳的深度和浮力，VCG、LCG的位置和翼板的抬升中心。为了获得一从性能讲是最佳的船舶，必须在这些因素之间求得精确的平衡和妥协。

一项重要的标准是在高速操作的整个过程中在水线和侧船壳的底部之间获得充分高的间隙。这是为了减小在严酷海况中的波浪冲击并尽量减小阻力，该阻力否则往往会造成方向上的不稳定性和潜在的速度损失。另一方面，稳定性指标要求侧船壳足够深，以提供静水稳定性。这一指标往往对于首先提到的标准有害。

对这一难题的可行解决方案是在主船壳的底部引入一自调节和排空的压载水箱，如下面所描述的，该水箱在效果上将减小侧船壳的深度和排水量要求，这是因为该船舶在水箱充满时在静止和低速状态变成一较大的船。这一方案对于小尺寸的船舶而言，如30-50m范围内，并非绝对必要。对于较大的尺寸，例如70m以上的范围，排水量将在这一量级，即在例如25节的速度即使一对大的水翼也不太可能提供足够的升力，使得侧船壳越过水线。所以，尺寸增大的船舶似乎更能获得这一系统的优点。对于该方案的一种选择是采用高度可调侧船壳，如下面所描述的。或者这些手段的组合。

当船舶以低速向前移动或者在水中静止时，来自翼板系统的升力被减小或者勾销。这样，吃水深度将增加并且两个侧船壳(3)将浸入水中，如图1和3上由水线(WL-2)所表示的。侧船壳因此将提供所需的静水稳定性。

使之成为可能的一种方法是在船舶的浮力纵向中心和重量纵向中心之间(没有任何来自水翼(4,5)的明显升力)形成一种关系，使得在上述中心作用的力在一给定的后平衡度(其使得侧船壳充分地浸入水中)下处于平衡，并因此提供所需的静态稳定性。这种方法的一潜在缺点是船舶可能得到一较大的后平衡度。

调节侧船壳的吃水深度的一种途径在图5和6中示出。理论上，可以以任何技术上可行的途径来调节侧船壳(3)，例如借助于通过将流体注入一活塞装置而迫使其离开正常储存腔室(22)的适当支承件(21)，该活塞装置迫使所述件向下直至其在水中充分地移动，如图5所示。以这种方式，将使一静水不稳定的船壳变得稳定，并且在任何理想的条件下可使支承件退回，使之不再与水接触。

在船舶以低速向前移动或者在水中静止时，在一给定的深度和排水量，侧船壳被保持在一较低的位置。当速度增加并且水翼系统提供所需的动态稳定性时，侧船壳被暂时提升，以便获得距水线的理想间距。这样一种设置可由支承件(21)实现，借助于一组位于湿甲板(8)和支承件(21)之间的气动或液压致动器(23)，以及固定在所述调节件和位于上方的湿甲板上的一气密柔性隔膜(24)，将该支承件连接于位于上方的湿甲板(8)上。致动器(23)可以被连接于一共用的或者独立的带有所需永久压力的蓄压器，这样它将致动器和可调件保持在永久的较低位置，由完全包围所述件和设置在内部的致动器的柔性隔膜(24)维持。通过利用电动真空泵对柔性隔膜内的内腔(22)施加一负压可使支承件升高。因此，该较大的内部面积将产生一足够的垂直升高力，该力超过由加压的液压和气动致动器(23)所产生的相对的垂直力，使得所述致动器被压缩，这导致支承件被暂时地升高到一上部位置。该电动真空泵可以从船桥上手动地启动，而使得所述泵脱离的控制器信号可以由船舶的永久电反馈系统提供，例如航速仪和摇摆指示器。这将保证该真空泵在一定的条件或者情况下自动地脱离，例如一给定的最大摇摆角度或者一最小的速度。支承件然后将自动地被下降回到正常所处的位置。

与这种方法相关的缺陷是它较为复杂且成本高。对于30-60m之类的较小尺寸的船舶来说，它将导致重量相对增加。但对于较大尺寸的船舶，情况不一定如此，因为它实际上减小了重量，取决于水线以上湿甲板的总尺寸和实际高度。其优点是，在船舶以高速模式操作时，它使之有可能减少侧船壳的排水量，这在效果上减小了侧船壳与波浪干涉的机会。与水镇重方法(将在下文中描述)相比，它将减少最大排水量以及低速时的阻力，这是因为避免了低速时排水量增加。

另一种方法是船舶设有一图1和7所示的独立的压载水箱(15)，其在结构上一体地设置在主船壳的底部内，并位于船舶的船尾前面的一距离处，最好在纵向重心的后部。在水箱的后部，在底部船壳板上的一垂直台阶(17)的后部的一给定距离处，设有一适当成形的开口(16)。当船舶静止时，并且朝前的速度小于给定值时，如图7b所示水将进入水箱。此情况发生的最大速度由开口(16)的纵向长度和设置在前面的台阶(17)与设置在后面的尖端(18)之间的垂直距离，以及水的静压头给出。当速度高于此值时，水流将在垂直台阶(17)处分离。速度增加时，水流的方向将更朝水平面移动，直至其在一给定的速度下不再冲击该开口的倾斜后部上的尖端，而是在该尖端的下面通过，如图7a所示。在这种条件下，压载水箱将不再汲取水，并且由于所谓的喷射泵原理而逐渐排空，直至其完全地排空。在一给定的低速下，水流将再次冲击该尖端，被分离并被汲取讲水箱，直至水箱充满。该水箱设有一与大气连通的空气管道(25)，以避免水箱内的真空和增压。

上述程序要求一定程度理想化的条件，即有船舶的排水量给出的静压头基本上是恒定的。自然，这并非总是如此，因为它受船舶载重条件，平衡，翼板产生的升力和波浪的影响。为了解决这一问题，可以在开口的后面安装一可控制的楔形导向块(19)，如图(7d)所示。其被铰接在后部的点(27)处，使得可以上下自由地调节其角度位置。导向块的底部最好被成形为沿纵向有一弧形的形状。导向块的尖端是楔形的，以便允许分离水流。当船舶静止或者以低于一给定速度的速度朝前移动时，如图7d中的点划线所示，该导向块将在垂直平面内向下倾斜，使得导向块的尖端相对于台阶(17)的下边缘伸出足够距离，以保证导向块汲取水。取决于尖端相对于台阶的所述下边缘的垂直位置，在一给定速度，当水流不再冲击该尖端时，铰接的导向块的角度将自己改变。在此点处，停止汲取水，并且水箱将被逐渐排空。在这一条件下，由于绕导向块的铰接点的滑行力和垂直力矩，导向块将在水流的表面上掠过，只要其被自由地支承。只要速度超过一给定值，导向块的角度将自己调节并且适应水流表面的较小变化，该变化受平衡和波浪的影响，而尖端不会接触水面。当朝前的速度再次减小到一给定值以下时，水流将冲击尖端，被分离并被汲入水箱。通过将一远程控制的液压缸连接到导向块上，一个人就可以在更大程度上控制其角度位置并且由此可更加独立于船舶的速度(v)来充满和排空水箱，

上述导向块装置的一替代方案示于图7f-g中。这里，取下了铰接的导向块并用一固定的尖端代替，如首先描述的。但是，在开口的前面设置了一铰接板(20)。一从舰桥控制的远程操作的致动装置(26)连接在该板上，使得它可以绕设置在前面的铰接点(27)垂直倾斜。当该板处在其下方位置时，水流将在该板的前边缘处分离并取决于朝前的速度和该板的倾斜角度在尖端的下方通过。当该板略为向上倾斜时，取决于倾斜角度和朝前速度(v)水流将附着在该板上并被引入水箱。与上述导向块的方案相比，从操作的观点来说，这一方法更为安全并更为有利。与远程控制的导向块方案一样，可以更加独立于船舶的速度和平衡来控制水箱的注水和排空，但后者有可能较少暴露于操作损坏。取决于水箱的体积和其纵向位置，上述快速水镇重系统可用来给予侧船壳所需的浸没程度，这意味着船舶将从动态稳定性迅速过渡到静态稳定性。当然，可以利用平衡翼板辅助此过渡过程。这一方法由于其操作的简单性而很有利。

Claims (10)

1．高速混合式海洋船舶(1)，带有流体动力学的产生升力的、稳定摇摆且控制俯仰的翼板(4,5)或水翼，其可以两种有区别的不同模式操作，即静水稳定的低速模式，以正的GM值为特征，有至少三个浸入的船壳件(2,3)，以及静水不稳定高速模式，以负的GM值为特征，仅有一个浸入的船壳件(2)，其特征在于

它包括一以一体的刚性甲板结构为特征的主船壳(2)，该甲板结构在横向上伸出主船壳(2)的宽度，并且限定为湿甲板(8)的所述甲板结构的下表面在船舶于未触动状态处于静止时位于水线(WL-2)之上，并当船舶的朝前的速度明显增加时其处在水线上方一增加的高度处，

所述主船壳(2)在表示任何未触动状态水线上方随机高度处的最大框架宽度和水线(WL-1,WL-2)处的最大宽度处之间有一种至少2的关系，

所述主船壳(2)在任何直立浮动状态在最大的水线长度和最大的水线宽度之间有一种至少6的关系，

所述主船壳(2)的前部在主甲板(7)下方具有一V形，U形或者Y形横截面，或者其组合，

所述主船壳(2)的后部在湿甲板(8)下方具有一V形，U形或者Y形横截面，或者其组合，

所述主船壳(2)设置有与湿甲板(8)的下方成一体的侧船壳(3)，其深度明显小于主船壳的深度，这样当船舶达到最大速度的40-70％的速度时，所述侧船壳的底部(12)处在水线(WL-1)之上，

所述侧船壳(3)被如此设置，即沿速度方向观察所述侧船壳的较大部分位于船舶中点的后面，或者所述侧船壳位于大体中部，

所述侧船壳(3)被如此设置，即它们平行于船舶的纵向中心线(9)，或成一较小的舷内角度，使得所述侧船壳的纵向中心线(10)在船尾处比船首处更靠近所述主船壳的中心线(9)，并且所述侧船壳相对于所述主船壳的中心线(9)对称地位于两侧，

所述湿甲板(8)至少从侧船壳的船首(30)的上和最前部延伸到主船壳(2)的船尾(14)，并沿纵向呈一弧形，其端点(30,31)所处的高度高于沿弧形的任何一点，或者以其整体或其部分平行于主甲板(7)，或具有与主甲板成角度的部分，最好前端(30)和后端(31)处在比其间的平面高的高度，或者具有弧形的中间部分和以角度取向的前和后部的组合，

所述湿甲板(8)在横向上是水平的或者处在一角度位置，使得远离船舶垂直中心线(9)的外线上的一点(32)，与靠近所述中心线的一点(33)相比，处于一更高的位置，或者处于相同的高度，

沿速度方向观察当位于船舶的中点时，所述侧船壳(3)在水平面上具有楔形的船首形状和一平头形的船尾(13)，其在水平面内的面积沿垂直方向增加，因为在横截面内观察垂直倾斜的船首以及舷内侧(35)和/或舷外侧(34)是倾斜的，

所述侧船壳(3)被如此设置，即当沿速度方向观察侧船壳位于船舶中点的后面时，船尾(13)的位置处在主船壳的船尾(14)的后面，

在空载的条件下并当船舶静止时，所述侧船壳(3)具有一组合的浮力，其对应于船舶的总的空载浮力的不到20％，

在较大尺寸的船舶上，所述侧船壳(3)可被设置成一个在另一个前面，使得一个位于纵向重心(LCG)的后面，而另一个位于所述点的前面，两者位于距主船壳中心线(9)的相同横向距离处，或者前面的侧船壳被设置在距所述中心线一较小距离处，各对侧船壳相对于所述中心线对称地设置。

2．如权利要求1所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于一种设置，其包括一带有弦线(CL)的完全浸入的一级流体动力学翼板(4)或水翼，该弦线限定为横向设置的水翼的前边缘(28)和后边缘(29)之间的纵向距离，并在随机的朝前速度下以至少对应于弦线(CL)的50％的深度相对于水线(WL-1,WL-2)浸入，水翼在横向上延伸主船壳中心线(9)和侧船壳中心线(10)之间的距离的至少50％，并且所述水翼设置在船舶纵向重心(LCG)附近，取决于水翼的横向长度所述水翼借助于支柱(11)固定在主船壳(2)，湿甲板(8)和侧船壳(3)上，或者固定在横向延伸出侧船壳的部分湿甲板或甲板结构上，或者固定在这些结构件的一些上，所述支柱将流体动力学升力传递到船舶上，并且水翼设有至少一个在船舶中心线的各侧与水翼(4)的后部成一体的远程控制副翼(27)，当船舶以高速朝前移动并且侧船壳局部浸入或完全位于水线之上时，所述副翼通过绕船舶中心线(9)施加一可控的横向校正力矩提供了所需的流体动力学稳定性。

3．如权利要求1和2所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于一种方案，其包括至少一个完全浸入的二级流体动力学翼板(5)或水翼，水翼在横向上延伸主船壳中心线(9)和侧船壳中心线(10)之间的距离的不到50％，并且所述水翼设置在主船壳的前面或后面，或者设置在两处，取决于水翼的横向长度以及纵向位置所述水翼借助于至少一个水翼上的支柱(11)固定在所述船壳和/或湿甲板(8)上，所述支柱将通常为一向上的流体动力学力传递到船舶上，并且水翼的至少一个远程控制副翼(27)与所述水翼的后部成一体的，当船舶以高速朝前移动时，所述副翼提供了绕船舶纵向摆动中心的所需平衡调整力矩。

4．如权利要求1和2所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于一种方案，包括一个或者两个权利要求2所述的完全浸入的一级流体动力学翼板(4)，一个水翼大体设置在船舶的纵向重心(LCG)的前面，而一个水翼设置在所述点的后面，取决于水翼的纵向位置和横向延伸所述水翼借助于支柱(11)固定在所述船壳(2)，湿甲板(8)，侧船壳(3)或横向延伸出侧船壳的部分甲板结构的上，或者这些结构件的一些上。

5．如上述任一项权利要求1-4所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于一种方案，包括一个或者几个流体动力学自稳定表面破水翼板(6)或水翼，如权利要求2-4的任一项所述，该水翼通过垂直和/或倾斜支柱(11)设置并固定在船舶上。

6．如上述任一项权利要求1-5所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于在最高速度由水翼产生的流体动力学升力的比值占船舶总排水量的20％。

7．如上述任一项权利要求1-6所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于侧船壳(3)包括设置在湿甲板(8)下方的结构上成一体的或独立固定的构件，且在其整个长度上或其大部分长度上由刚性结构材料，或者柔性的冲击吸收弹性材料制造。

8．如上述任一项权利要求1-7所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于侧船壳(3)包括支承件(21)，它们在其长度上或在其大部分长度上可调节高度。

9．如上述任一项权利要求1-8所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于主船壳(2)设有一或者多个压载水箱(15)，用以借助于(16,17,18,25)快速排水和注水。

10．如上述任一项权利要求1-9所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于压载水箱(15)安装在主船壳(2)的浸入部分上，在所述船壳的底部有一永久开口(16)，其设置在主船壳的船尾的前面，用以当船舶处于静止或朝前移动时利用周围的水的静态压头和/或动态压头的效应快速注满水箱，并且在一前进速度下，借助于在底部船壳板上的一垂直台阶(17)和在开口后部处的在结构上成一体的楔形尖端(18)，或者一自调节并远程控制的位于开口后部的独立铰接导向块(19)，或者一位于开口前部和在垂直台阶的后面在点(27)处铰接的远程控制板(20)，利用在开口下方流过的水流的动态压头的效应而排空水箱。

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