CN87106189A - 破冰船 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有如下特点的破冰船：利用船体内的热源来加热船体的关键外板部位，以便降低冰雪作用在破冰船外板上的粘附力和摩擦力以及当船舶封冻在冰中时的静摩擦力；在关键外板部位喷射出主机的热废气和外界水的混合流。

Description

本发明涉及破冰船。

对于具有尖船首的常规破冰船来说，由船体外板，特别在水线区、楔形首水线处和船的首突肩处的外板，对冰表面产生极大的水平外力，由压缩力和弯曲力矩把冰破碎。而主要在上述关键外板部位产生的极大的外力会产生一种极大的摩擦力，这种摩擦力既不利于冰表面的弯曲破碎，也不利于船的推进。

对于具有良好的碎冰船首的破冰船来说，冰的破断线产生在船的前方，其方向与船的纵轴垂直。这样就产生了其初始宽度与船宽相当的大浮冰块。这些浮冰块被压到船体下面，在一定深度就破碎成两半，然后分别被推到船的两侧。在此过程中，刚破碎成的浮冰是沿着船首的外板运动的。浮冰的前边缘支顶在未破的冰上。支承力以前倾方式作用在船底下的未破的冰，该支承力的作用方向正好与将船前的冰破成上述宽度相当于船宽的浮冰的力的一个分量相反，因而会降低破冰能力。这样，破冰船就一定要同时增大推进器或螺旋桨推力来产生一个该力的纵向分量。由于破冰力的纵向分量也必须由推进器推力来抵消，所以刚破的冰块以及在该冰块前方的所有冰块对推进器推力有两重作用，此时粘附在船底下的所有浮冰起如下两重作用：一是产生的摩擦力抵消部分推力，二是产生的摩擦力抵消部分破冰力。即使第一种摩擦力是由周围的冰块而不是由前面的冰产生的，该摩擦力仍要求加大推进器的推力。而第二种摩擦力抵消了部分破冰力，所以也要加大推力，从而破冰船就要比没有摩擦力时更高地爬在冰上来压碎冰层。

DE-OS21，21，334号专利提出了一种带有如下破冰首的船舶：水下船首部分有两个楔形的破冰首柱，两首柱之间形成一凹槽。在此凹槽后端处，船底下装有一个雪犁形的导向装置。这种破冰船产生的冰块比通常小得多，但不能推到船外侧的固定冰层下面，却浮在船体及其外侧的固定冰层之间的间隙之中，使船体外板上的摩擦力增大，或者冰块积聚在凹槽中，滑过船底中部而进入推进器部位。因而这种破冰船对主机功率要求较大，推进器也易于被冰块损坏。

00，79，002号欧洲专利也提出了一种破冰船首形状。为航行于无障碍水域或冰封水域，在该种船的水线以上装有一个箱形船首，该箱形船首的两侧壁板是平行的，前端面延伸到船的整个宽度;船体的水下部分是剧烈前倾的平板。在后部端板形成为一根中龙骨，再后就是船尾，船尾部装有推进器。箱形船首的结构是这样的：在船首侧壁和端面之间的过渡区内的侧缘，在侧缘的纵向是弯曲的，而相对于船首侧壁形成的平面却是侧向凸出的;这样在结构水线下两侧缘之间的距离就成为船体水下部分的最大宽度。在下述范围内两侧缘之间的各肋骨的下侧是向下弯曲的，即从端板成为中龙骨处起，到端板达到船底处为止的船长范围内。采用这种结构使船舶的推进功率较小，而又不必花费大笔技术、设计费用，特别还具有较优良破冰特性。此外，这种结构为整块浮冰从固定冰层上剪切破裂下来提供更加有利的条件，还不易把冰块打成小块，从而改善冰块在水下的导向;其结果是可以更加可靠地实现冰块在固定冰层下的侧向移动。

对各种破冰船来说，刚破的冰块和在该冰块之前的各冰块的支承对船舶推进器的推力发生多重作用。假如在船体外板和水中浮冰块之间不产生摩擦力，那末就不会有这种前支承的。上述摩擦力是不能完全消除的，但摩擦力的大小完全取决于冰表面和船体外板间的接触情况，关键是要在船体外板和冰之间有润滑膜。即使在船体外板和冰之间不能渗透过水，但如果船体和冰之间存在足够大的相对运动，则产生的摩擦热就熔化冰而形成润滑膜。此外，在这一部位熔化热量应大于失散的热量。可是，这种情况对于低速航行的船舶是不会发生的，因为船舶破冰区域有限而外界温度却极低。船舶低速航行使船体与冰之间产生的微小摩擦热量很快地被极冷的船体外板和极冷的周围冰所吸收，结果仍处于干摩擦状态，产生的摩擦力极大。而当船舶停止航行时，冰块可能冻结到船体外板上，以后就很难把冰块从船体上除下来。

本发明要解决的问题就是通过降低船体外板的摩擦力来减少破冰船的破冰阻力。解决办法是在船内使用热源来加热关键的外板部位，以降低冰雪作用在船体外板上的粘附力和摩擦力以及当船舶封冻在冰中时的静摩擦力。

通过降低船体外板的摩擦力来减少破冰船的破冰阻力是这样实现的：向关键的船体外板部位提供热量或使这些部位产生较高频率振荡或振动。当船舶处于停航状态时还可以用水润滑来减小摩擦。

根据本发明，在产生巨大摩擦力或粘附力的船体外板部位开设有若干个出口，从这些出口中喷射出发动机排出的废热气和外部水的混合流。在常规的冰喷嘴装置中，空气通过推进水被吸入作为喷射器的喷嘴，所以在喷射器出口处形成的是空气和水的混合流;而在本发明中使用的是废气和水的混合流，所用废气来自发动机，即船舶的推进主机。混合流所需的废气从主机和消音器之间的排气管引出（后者然后通向烟筒）。由一台鼓风机把废气鼓到喷嘴中，在喷嘴作为喷射器工作过程中鼓风机压力可以调低。在废气锅炉和装在主机废气管上的消音器之间的废气温度的高低，随主机的特性、结构和负荷而不同，但一般都超过180℃。在使用20个喷嘴、鼓风机压力为100毫米水头下，鼓风机的功率大约为2千瓦。在推进用水停止供应情况下，热废气仍然从喷嘴中喷出，以防设备结冰。

使用废气和水的混合流的优点是喷嘴系统与外界冷空气无关。根据废气量大小、废气温度高低以及推进用水量的大小，喷嘴中推进用水的温度总能有所提高。在关闭推进用水附件情况下，逸散的废气始终将喷嘴和喷嘴出口加热，所以它们不会冰冻。用喷嘴降低冰摩擦阻力的装置最好装设在船首的倾斜端面上，但也可以把各喷嘴装设在各关键船体外板部位。但是，装设在船首的附近比较好，因为这样有助于对船首端板进行加热。

根据本发明的另一个特点，从船体内部来加热船体上的那些冰摩擦力或粘附力大的外板部位。可用在船体外板附近装设容纳水、燃油或液货的舱柜的办法从内部进行加热，至少将舱柜内液体加热到稍高于外部水的冰点的某一温度。也可以让发动机排出的热气通过需要加热的外板部位或将加热燃油通过需要加热的外板部位来从内部加热船体。

如果破冰船装有一种大体成箱形的船首，其两条侧缘形成水下船体的最大宽度，这两条侧缘在穿过水线后在船首处间距变窄，该船首上装设有水和废气混合流的出口，则这种结构通过加热克服已知破冰船上所发生的各种问题。由于是对船首的整个倾斜端板进行加热（破裂的浮冰块已滑过该端板），摩擦产生的热量不可能失散，从而即使船舶处于停航状态也总是存在润滑水膜，减小已破碎的冰在破冰阻力上的上述双重作用。热量提供是采取如下方式：由加热装置对在船体外板之上的介质和压载水或燃油加热，使其温度始终高出冰的熔点几度。

从下面叙述可以看出本发明的其它各优点。

下面结合附图和非限制性具体方案对本发明作详细介绍。

图1是喷嘴的示意侧面布置图，该喷嘴装设在箱形船首倾斜端面外板上，其中使用一种废气和推进用水的混合流。

图2是使用废气的喷嘴的工作示意图，其中废气来自船舶推进主机的废气管道。

图3是带有外板加热装置的破冰船船首的侧面图。

图4表示由压载水或燃油提供热量的船舶外板加热装置，其中部分是侧视图，部分是垂直剖视图。

图5表示另一种船首外板加热装置，装置由里面有液态或气态介质的管系组成，部分是侧视图，部分是垂直剖视图。

图1、图3、图4和图5表示一般破冰船体100的箱形船首10。在船首10，向前向上倾斜的端面12延伸到船宽的大部分。端面12的两外侧缘是由两条纵向延伸、略带弯曲的侧缘线14所限定（在图1、图3～5中只能看到一条侧缘线）。这两条侧缘线14能相对于在其上的船体侧向伸展出。船首10的端面12可以是越来越向下弯曲，或者是从前向后作横向弯曲。船首10的端面12可以是剧烈向前倾斜的平面结构，也可以是凸曲面或凹曲面结构。船首的端面12到侧面后就成为侧板11，在图1和图3～5各图中只能看到一块侧板。船首10的端面12的外板是用数字13表示。

在船体100的外板13的附近以及（或）在船首10的倾斜端面12的外板上（即在首柱附近），装设用来降低冰摩擦阻力的装置20（见图1）。

上述冰摩擦力降低装置20包括有许多个装在外板13上或端面12的外板上的出口21，从这些出口喷射出由外部水和主机26排放出的热废气组成的混合流。在图1所示的方案中，出口21装在端面12的外板13上。在上述出口21的附近装有喷嘴22，该喷嘴构成喷射器（用23表示）。推进用水通过24送入喷嘴22中，而废气是通过管道（图中未表示出）顺箭头25方向送入的。

在有必要保持温暖的各关键部位的外板上均装设出口，这样冰雪作用在船体100的外板13上的摩擦力得以降低。除了可以使用船上的热源以外，还可以使用船上的能源来产生较高频率的振荡或振动。

由废气管28向喷嘴22提供废气，该废气管从推进主机26出来，通向烟筒30。在图2中，废气管28上装有一台废气锅炉27和消音器29。喷嘴22用的废气最好从废气锅炉27和消音器29之间用管子28a引出;管子28a的一端与废气管28相通，另一端与喷嘴22相通，管子28a上还装有一台鼓风机32。在鼓风机32作用下，废气从废气管28抽出，送入喷嘴22。可以用三通阀33调节送入喷嘴22的废气量。由管子28b把从三通阀出来的废气送回到消音器29和烟筒30之间的废气管28中（如图2所示）。

从废气管28出来的废气在大多数情况下温度超过180℃。假如废气温度更高，则可以在管子28a上加装一只热交换器，使废气温度降到所需温度。

喷嘴22最好装设在图1中所示的外板13上，也就是在那些必须要保持温暖的关键外板部位或在船首10的端面12外板上。喷嘴22的数量多少取决于要保温的部位或端面12的大小。但是也可以把喷嘴布置到其它船首区域与水下部分船首相连的船体外板上，这样就可以降低冰摩擦阻力，而且所有这些喷嘴都可以使用废气和推进用水的混合流。

图3～5中所示的破冰船首10有倾斜的、平直端面12，但该端面也可以是凸曲面或凹曲面。船首10的端面12的外板13上也可以装一种用来降低冰摩擦阻力的装置120，该装置包括有一种用来加热倾斜端面12或其外板13的装置50;这样已与破碎冰块作一定程度摩擦接触的上述端面，由于进行了加热，其温度始终高于冰的熔点。在图3中，固定冰层是用数字60表示，而已破的冰块是用数字61表示。浮冰块61a和61b，相对于刚破的冰块61，顺着船首10的端面12的外板13滑移。

对于船体上产生较大冰摩擦或粘附力的外板部位也可以从船体内部来加热，所需热量则可在船体板附近设置水、燃油或液货舱柜来提供，通过加热使舱柜内液体的温度至少稍高于外部水的冰点;也可以使发动机的热气通过需要加热的外板部位。从船体内部进行加热也可以使热的工作液体穿过需要加热的外板部位来实现。

作为本发明的一个改进方案是船体外板采用波形结构，以便增加关键外板部位的面积，从而可增加引入的热量。如果再能合理布置外板在流线方向的波形，则同时还可以减少船体在海上运动中的拍击现象。

船首10的端面12的外板13用的加热装置50，可采取各种各样的结构形式，图4和图5是其中两种。如果加热装置50采取如下结构就更加有利：该装置包括有一套沿特定外板部位布置的管路系统51，液态或气态介质以循环方式在管路系统内流动，由加热装置52使管系统的温度始终高于冰的熔点。

在图4中，加热装置50中有一个箱柜51，该箱柜放置在倾斜端面12上，并延伸到整个端面上。箱柜可采用如图4中所示的结构形式，但也可以采用51a所示的形式。

箱柜51是用来存放水、压载水、燃油或液货的，但也可以放其它液态介质。压载水或燃油之类介质可由装设在箱柜51之外或之中的加热装置52来加热。在图4所示的方案中，加热装置52装设在箱柜51之中，从而使加热装置52与箱柜51中介质之间的热传导可以直接进行。如果加热装置12装设在船首10内而在箱柜51之外，则要用一套管路系统（图中未表示出）和一台泵使介质以循环方式穿过加热装置52后再进入箱柜51的内部，从而使介质在箱柜51内始终保持所需的温度。

加热装置52可以采用电热装置。但是也可以采用热交换器，可以用推进主机排出的废气来加热，这样加热装置52就不需要另外的能源了。当然还可以采用其它常规的各种加热装置。重要的是输送热量以使整个端面12或其外板13的温度始终保持在冰的熔点以上。最好是使外板13的温度始终比冰的熔点高出几度。把箱柜51布置在要保温的外板区内比较理想。也可以不只装1个箱柜，而是装好几个相互独立的箱柜。除用箱柜以外，还可以用由热传导性优良的材料制成的容器，使该容器与要加热的外板接触。

图5表示船首10的外板13的加热装置50的另一种方案。在该方案中，加热装置50中有一管路系统151，气态或液态介质以循环方式通过该管系。可以使用船舶的推进主机排出的废气作为气态介质。也可以用加热装置152来加热液态介质，使介质升温到所需温度并保温。加热外板13用的介质的循环管用数字153表示。用一台泵154使介质循环。形成管路系统151的各管子可以沿船舶纵方向布置在外板13的内侧，也可以与船舶纵方向垂直布置，还可以连接成格栅状。

也可以为端面12提供一个箱柜系统（图中未表示出），该系统内不断流通热废气或加热的液态介质，它们向外板13提供热量并使之达到所需温度。

如果破冰船装有一种大体成箱形的船首，其两条侧缘形成水下船体的最大宽度，这两条侧缘在穿过水线后在船首处间距变窄，两侧缘上装有用来增加热量供给的加热装置。对加热装置进行调节，使向侧缘提供热量，提高其温度，保证在不同结冰状态下都熔化冰形成润滑膜。

要根据具体的破冰条件来最合理地调节水润滑膜的厚度，并要根据所需的润滑膜厚度来调节加热装置的温度。从船底上的出口排出的水，可以不必另加空气或其它气体，就能转向并喷放到在侧缘线以上的舷侧，其方向与船体纵轴线成直角。

为了用最少的热量达到最佳效果，船体端面12可采用波形的或其它适当形状，波形的凹凸方向与船体的纵方向一致。这将增加外板的表面积，有利于外板的加热。

对船首10的端面12的外板13的加热最好是在破碎冰块61a、61b滑过的部位上。但是也可以对端面12的全部外板13和水下部分的船体板进行加热。

可以利用船体100内的热源来使关键外板部位保持温暖，也可用船内的能源来产生较高频率振荡或振动，以便降低冰雪作用在船体100的外板上的粘附力和摩擦力以及当船舶封冻在冰中时的静摩擦力。在关键外板部位开设有出口21，发动机26排出的热废气和外部水的混合流从这些出口喷出。混合流所需的废气是从推进主机和消音器之间的废气管28中引出。船体100的关键外板部位也可以从船体内部进行加热。从内部加热可以通过在船体板附近装设水、燃油或液货舱柜的办法来实现，把舱柜中液体加热，使其温度高于外部水的冰点。还可以用把发动机排出的热气或热的燃油引到关键外板部位的办法来从船体内部加温。加热装置50有一个沿关键外板部位布置的管路系统151，液态或气态介质以循环方式在管系内流动，加热器152把介质温度始终保持在比冰的熔点高出几度。在船体100的船首10的水线附近，外板采用波形，其凹凸方向大体顺着流线方向。如果破冰船装有一种大体成箱形的船首，其两条侧缘形成水下船体的最大宽度，这两条侧缘在穿过水线后在船首处间距变窄，两侧缘上装有用来增加热量供给的加热装置。对加热装置进行调节，使向侧缘提供热量，提高其温度，保证在不同结冰状态下都熔化冰形成润滑膜。如果破冰船装有一种大体成箱形的船首，其两条侧缘形成水下船体的最大宽度，这两条侧缘在穿过水线后在船首处间距变窄，船首上装有外板润滑系统，在水线下的船底部装设有空气和水或废气和水的混合流的出口，从船底上的出口排出的水，可以不必另加空气或其它气体，就能转向并喷放到在侧缘线以上的舷侧，其方向与船体纵轴线成直角。出口装设在关键的外板部位，其中只喷放出主机的热废气。不过也可以从出口中喷放出主机的热的或加热的冷却海水。

Claims (15)

1、一种破冰船，其中在船内使用热源来加热关键的外板部位，以降低冰雪作用在船体外板上的粘附力和摩擦力以及当船舶封冻在冰中时的静摩擦力。

2、一种破冰船，其中在船内使用能源来产生较高频率的振荡和振动，以降低冰雪作用在船体外板上的粘附力和摩擦力以及当船舶封冻在冰中时的静摩擦力。

3、根据权利要求1要求的破冰船，在船的关键外板部位装设有出口，从这些出口中喷放出外界水和主机热废气的混合流。

4、根据权利要求3要求的破冰船，其中混合流所需的废气是从推进主机和消音器之间的废气管中引出。

5、根据权利要求1要求的破冰船，其中船体的关键外板部位是从船体内部来加热。

6、根据权利要求5要求的破冰船，在船体板附近装设水、燃油或液货舱柜来实现从船体内部加热，把液舱柜中液体加热，使其温度高于外部水的冰点。

7、根据权利要求5要求的破冰船，把发动机排出的热气引到关键外板部位来从船体内部加温。

8、根据权利要求5要求的破冰船，把热燃油引到关键的外板部位来从船体内部加温。

9、根据权利要求5要求的破冰船，其中加热装置包括有沿关键外板部位布置的管路系统，液态或气态介质以循环方式在管路内流通，由加热器使介质温度始终高出冰的熔点几度。

10、根据上列1～9权利要求的破冰船，其船首水线附近的外板采用波形形状，其弯曲方向大体顺着流线方向。

11、根据权利要求1要求的破冰船，带有一种大体成箱形的船首，其两条侧缘形成水下船体的最大宽度，这两条侧缘在穿过水线后在船首处间距变窄，两侧缘上装有用来增加热量供给的加热装置。

12、根据权利要求11要求的破冰船，可对加热装置进行调节，保证向侧缘提供的热量在不同结冰状态下都能熔化冰形成所需的润滑膜。

13、根据权利要求1要求的破冰船，带有一种大体成箱形的船首，其两条侧缘形成水下船体的最大宽度，这两条侧缘在穿过水线后在船首处间距变窄，船首上装有外板润滑系统，在水线下的船底部装设有空气和水或废气和水的混合流的出口，从船底上的出口排出的水，可以不必另加空气或其它气体，就能转向并喷放到在侧缘线以上的舷侧，其方向与船体纵轴线成直角。

14、根据权利要求1要求的破冰船，出口装设在关键的外板部位，其中只喷放出主机的热废气。

15、根据权利要求1要求的破冰船，出口装设在关键的外板部位，其中只喷放出主机的热的或加热的冷却海水。

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