TWI749106B - 鰭設備和船舶 - Google Patents
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Abstract
[課題] 本發明提供一種鰭裝置和船舶,其能夠藉由將較慢速帶的區域集至螺旋漿面來提高推進效率,從而實現節能目的。 [解決問題的手段] 本發明之實施例中船舶1,其設置在船體上的鰭裝置2,該鰭裝置2由前述鰭裝置2設在船體側面上在船身長方向形成側平面11,該側平面11的船尾部最低點P1、計劃滿載吃水線DWL和表示螺旋槳12位置的螺旋槳線PL的交叉點Q相配合的直線L1、表示船艙高度的船艙高度線BHL和螺旋槳線PL所圍成的區域α內配置兩個鰭(第一鰭21和第二鰭22)。
Description
本發明係有關一種鰭裝置及船舶技術領域,尤指一種適合於船舶用節能化的鰭裝置及具備該鰭裝置的船舶。
近年來,鑒於原油價格上漲,二氧化碳排放量要減少等環境問題等因素,船舶燃料效率化的要求不斷提高,更需要進一步的節能,因為船運上,船尾部分一般會產生艙底渦(剝離旋渦),藉由用螺旋槳收集艙底渦,可以提高推進效率,為了作為收集該艙底渦流的裝置,因此遂有在螺旋槳的正前方配置大致圓筒狀的管道裝置(請參專利文獻1),以及在船體的側面部配置有鰭的裝置(請參專利文獻2和3)的提出。
在專利文獻1記載的管道裝置中,通過將包含艙底渦流的水流(伴水)引入到管道內,能夠對水流的軸向的流動進行整流,從而能夠更有效地收集艙底渦。另外,在專利文獻2公開的鰭裝置中,藉由前鰭抑制艙底渦的發生,並且藉由後鰭抑制艙底渦的擴散。另外,在專利文獻3所公開的艙底結構中,藉由船底側面生成的艙底渦的流動方向變化來引導艙底渦到螺旋槳。
但是,船尾部的伴流之流動複雜,更有除了艙底漩渦以外的流速較慢速的區帶(以下稱“慢區帶”)。因此,在如上述專利文獻1~3所述的抑制艙底渦旋產生或整流船艙旋渦方向的方法中,無法藉由船艙底渦旋以外的慢區帶來抑制使推進效率低落,仍為問題所在。
為解決前述問題,本案發明人已獲准一項發明專利(請參專利文獻4),該發明係藉由將鰭配置在船體的預定範圍內,通過將慢區帶集中在螺旋槳表面上來提高推進效率。
【專利文獻1】發明專利第5132140號公報
【專利文獻2】發明專利第3808726號公報
【專利文獻3】新型專利第3097653號公報
【專利文獻4】發明專利第6041440號公報
在上述發明專利文獻4之記裁中,雖然可以提高推進效率,但是在實例中對方塊形係數(Block coefficient)(CB)較大的船舶,因其慢區帶的區域傾向於更寬,因而尚有改進的空間。
本發明係鑑於上述問題之解決而提出,其目的在於提供一種鰭裝置和船舶,使其能夠藉由將慢區帶的面積集中在螺旋槳面用來提高推進效率和節能的目的。
本發明係提供一種裝置,其在船側的船長方向所形成的側平面船體所配置的鰭裝置中,前述側平面的船尾側的最低點P1、計劃滿載吃水線DWL與表示螺旋槳位置的螺旋槳線PL交叉點Q配合的直線L1、表示船艙高度的船艙高度線BHL、以及上述螺旋槳線PL所圍成區域內至少有一部份配置具有多數個鰭的裝置。
此外,本發明提供一種船舶,其在具有船側的船長方向所形成側平面的船體上設置有鰭裝置的船舶中,前述用來表示側平面的船尾側最低點P1、和計劃滿載吃水線DWL與表示螺旋槳位置的螺旋槳線PL之交叉點Q所配合的直線L1、表示船艙高度的船艙高度線BHL、和螺旋槳線PL所圍成的區域內,至少一部份配置多數個鰭為特徵的船舶。
在上述鰭裝置和船舶中,該區域包括:通過上述側平面的後端線SEL與船艙高度線BHL的交叉點P2的直線L1平行的直線L2、直線L1、及上述船艙高度線BHL、和上述螺旋槳線PL所圍成的第一區域,前述至少有一部分的鰭可設置在第一區域內。
再者,上述區域中,在含與通過最船首側所配置的第一鰭尖端的垂直線FTL和船艙高度線BHL的交叉點P3的直線L1平行的直線L3、直線L1、船艙高度線BHL、和螺旋槳線PL所圍成的第二區域中,至少有一部分前述鰭設置在該第二區域中。
另者,多個鰭中可以包括在水平方向上具有不同位置含至少兩個鰭,船尾側的鰭位置比設於船首部側的鰭的位置更上方。
而且,前述鰭可以配置成不超過船的寬度。
又,前述鰭亦可以略成水平地配置。
再者,如使用多個鰭時,各個鰭也可以設置成產生的渦旋彼此干擾的位置。
又者,船舶可以在船尾部配置的螺旋槳的前方,設有將流入螺旋槳的水流進行整流的整流裝置。
上述本發明的鰭裝置和船舶,藉由在船尾部的預定範圍內配置多數個鰭,慢區帶因被鰭裝置產生的渦旋擾動,將形成慢區帶的水流集中並將其導向螺旋槳。另外,藉由多個鰭產生渦流的相乘效果,可以更有效地擾動和集中慢區帶,因此本發明確可藉由將較螺旋槳表面固定在慢區帶區域並將之集中,確實可以提高推進效率,從而實現節能。
1:船舶
1a:船首部
1b:船尾部
2:鰭裝置
2V:大渦旋
11:側平面
11a:直線部
11b:後端部
11c:傾斜部
12:螺旋槳
13:船底
14:甲板
15:整流裝置
16:舵
21:第一鰭
21V:渦旋
22:第二鰭
22v:渦旋
23:第三鰭
2v、21v、22v、23v:漩渦
F1:船體中心剖面線
F2:側平面剖面線
F3:含第一鰭水平面剖面線
F4:含第二鰭水平面剖面線
F5:吃水面剖面線
F6:剖面線
BL:基準線
BHL:艙底高度線
DWL:計劃滿載的吃水線
FTL:垂直線
L1,L2,L3:直線
P1:船尾側最低點
P2,P3,Q:交叉點
PL:螺旋槳線
SEL:後端線
α:區域
β:第一區域
γ:第二區域
【圖一】係本發明實施例中具有鰭裝置船舶的船尾部的斜視圖。
【圖二】係圖一所示船舶的剖面圖。
【圖三】係表示鰭的位置決定方法的示意圖,其(A)表示第一例;(B)表示第二例。
【圖四】係表示鰭的位置決定方法的示意圖,其(A)表示第三例;(B)表示第四例;(C)表示第五例;(D)表示第六例;(E)表示第七例。
【圖五】係表示鰭的位置決定方法的示意圖,其(A)表示第八例;(B)表示第九例。
【圖六】表示鰭的位置與伴流係數改善關係的分佈圖。
【圖七】具有鰭裝置及整流裝置船舶的船尾部的側視圖;(A)表示具有2個鰭、(B)表示具有3個鰭。
【圖八】表示省能源的比較圖。
請參附圖一至圖八有關本發明之實實施例說明如下:圖一係本發明具有鰭裝置船舶的船尾部的斜視圖;圖二是圖一所示的船舶的剖視圖;在圖一中,為便於說明,船體以外的結構(螺旋槳、方向舵等)均省略了。
附圖一及附圖二所示係本發明船舶1的實施例,設置於在船側具有沿船長方向形成的平面狀的側平面(11)的船體的鰭裝置(2),將連接側面平板11的船尾側的最低點P1與表示螺旋槳12位置的螺旋槳線PL與計劃載重吃水線DWL的交叉點Q的直線L1、表示船艙高度的船艙高度線BHL、與螺旋槳線PL圍成的區域α設有兩個鰭(第一鰭21和第二鰭22)。以下的說明中,將第一鰭21和第二鰭22統稱為鰭21、22。
圖二係具有多個螺旋漿線的船舶1統合剖視圖。其中,包括船體中心線的垂直面外形的船體中心剖面線F1(實線)、側平面11的外緣的側平面剖面線F2(實線)、表示含第一鰭21水平面外形的剖面線F3(實線)、表示含第二鰭22的水平面外形的剖面線F4(實線)、以含計劃滿載吃水線DWL水平面剖面線F5(虛線)及含甲板水平面外形的甲板面的表面剖面線F6(雙點虛線)等六個剖視線的統合圖。
又,因水平面剖面線F3、水平表面剖面線F4、吃水面剖面線F5和甲板面剖面線F6僅為船體中心線的右半邊區域(右舷側),因此,圖中所示的B/2表示船身B的一半。
船體中心剖面線F1下端的直線部分為船舶1的底部13,而上端的直線部分為船舶1的甲板
14,船底13的位置通常被稱為基線BL,而圖二中1a表示船首部分,1b表示船尾部分。
側平面11約在船體側面的中央形成,具有與船底13大致平行的直線11a,該直線11a的最後端對應於側平面11的船尾側最低點P1。另外,船底13與直線11a的位差(垂直方向的距離)表示船艙高度(即船底13兩側彎曲部的高度)。在本實施例中,直線11a與船艙高度線BHL一致。
又,側平面11在船尾1b側具有大致垂直形成的後端部11b。在本實施例中,包括後端部11b的直線被定義為後端線SEL,在側平面11中,連接後端部11b的下端配合直線部11a的最後端(船尾側的最低點P1)的剖面,具有從船底13朝甲板14向船尾部1b上升的傾斜部11c.另者,在船舶1沒有後端部11b時,後端線SEL由通過傾斜部11c與甲板14的交點的垂直線所形成。
此外,如水平面剖面線F3和水平面剖面線F4所示,第一鰭21和第二鰭22佈置成不超過船寬B。第一鰭21和第二鰭22的配置位置也可以以不超過船寬B的方式移動,或者切斷突出船寬B的部分亦佳。
如圖一所示,第一鰭21和第二鰭22各自由大致矩形的平板構成,但視需要其拐角處以R形對應亦可,鰭21、22相對應於船體的安裝角度設定為大致水平,該鰭21、22相對於水流的迎角(Angel of attach)則被設定為可為0°。至於未示於圖的鰭21、22更可設計成流線形狀或者葉片形狀,以利減小水流的阻力。在本實例中所稱“大致水平”是指相對於水平方向傾斜角度可有稍微變化的意思。
接著,將參照圖三(A)至圖五(B)來說明鰭位置的定位方法。如圖三所示係鰭的定位方法,圖中(A)為第一示例,(B)為第二示例;另圖四(A)是第三示例,(B)是第四示例,(C)是第五示例,(D)是第六示例,(E)是第七示例;圖五也是表示鰭定位方法的圖,(A)是第八示例,(B)是第九示例。在前述每個圖式中,螺旋槳12的形狀以示意性表示,因而省略了諸如方向舵和管道的附件的圖示。
如圖三A所示,將表示螺旋槳12位置的螺旋槳線PL與計劃滿載吃水線DWL的交叉點定義為Q,螺旋槳線PL是與螺旋槳12的軸線垂直的螺旋槳葉片基座線,從船尾部1b的側視圖中,將連接側平面11的船尾側的最低點P1和交叉點Q的直線定義為L1,如果將由該直線L1、計劃滿載吃水線DWL和艙底高度線BHL包圍的區域(圖中的陰影部分)定義為α,則鰭21、22配置在區域α內,但應該注意的是,“區域α內的佈置”意指鰭21和22至少一部分配置在區域α內即可。
例如,如圖三(A)所示,鰭裝置2包括在水平方向上具有不同位置的二個鰭(第一鰭21、第二鰭22)時,位於船尾部1b側的第二鰭22配置位置在配置於船首部1a側的第一鰭21上方,這裡所指鰭21、22的水平位置為係指以船首部1a側的端部(前端)為基準來確定。另外,所稱“上方”是指第二鰭22至少有一部分位於第一鰭21的上方(水面側)。
例如,如圖三(B)所示,鰭裝置2包括在水平方向上具有不同位置的三個鰭(第一鰭21至第三鰭23)時,第一鰭21和第二鰭22的相關位置係位於船尾部1b側的第二鰭22配置位於船首部1a側的第一鰭21的上方,第二鰭22和第三鰭23的相關位置,位於船尾部1b側的第三鰭23配置在位於船首部1a側的第二鰭22的上方。
又,圖中雖未標示,但鰭裝置2包括四個或以上多個鰭在水平方向可有不同位置配置,如選擇前後兩個鰭,則位於船尾部1b側的鰭將設置位於船首部1a側鰭的上方。
當然本實施例不限於圖三(A)和圖三(B)所示的鰭的配置。例如,圖四(A)至圖四(C)的第三至第五示例即表現出兩個鰭時配置的定位方法,而在圖四(D)和圖四(E)中所示為第六實施例和第七實施例關於選用三個鰭時的定位方法。
如圖四(A)所示的第三實施例中,第二鰭22配置在第一鰭21水平上方的相同位置,如圖所示,第二鰭22的一部分包含在區域α內,第二鰭22的一部分亦可突出區域α,雖然圖中未示,當然第一鰭21的一部分亦可以突出區域α。
如圖四(B)所示的第四實施例中,第二鰭22配置在第一鰭21的上方且前方於第一鰭21,此所稱「前方」係指至少第二鰭22的前端位於比第一鰭21的前端靠前方(朝向船首部1a)的位置。
如圖四(C)所示的第五實例,第二鰭22配置在第一鰭21的後方且高度相同。這裡所稱之「後方」係指第二鰭22的前端至少位於第一鰭21的後端的後方(船尾1b側)。
如圖四(D)所示為第六例實施例,其第二鰭22配置在第一鰭21的上方及後方,第三鰭23配置在第二鰭22的後方但等高的位置。又,儘管圖中未示,但第一鰭21和第二鰭22的相關位置也可以如前述圖四(A)至圖四(C)所示的第三示例到第五示例所示。
如圖四(E)所示的第七實施例中,第二鰭22設置在第一鰭21的上方且相對後方,並且第三鰭23設置在第二鰭22的下方且後方。儘管圖中未示,但第一鰭21和第二鰭22的位置關係可以如圖四(A)至圖四(C)所示的第三示例到第五示例所示。
另外,如圖五(A)所示,將側平面11的後端線SEL與船艙高度線BHL的交叉點設為P2,將通過交叉點P2且與直線L1平行的直線設為L2,此時,鰭21、22可以佈置在由直線L2,直線L1、船艙高度線BHL和螺旋槳線PL圍繞的第一區域β中。如該圖所示,第一區域β是包含於區域α中的。
另外,如圖五(B)所示,通過配置在最靠近船首一側的第一鰭(第一鰭21)的前端的垂直線被定義為FTL,垂直線FTL和船艙高度線BHL之交叉點被定義為P3,通過交叉點P3並平行於直線L1的直線即為L3。此時,鰭21,22可以配置在由直線L3,直線L1,船艙高度線BHL和螺旋槳線PL圍成的第二區域γ中。
在上述第八和第九實施例中,雖然僅圖示兩個鰭21、22,但也可以使用三個或更多個鰭。此外,鰭21和22配置亦可如上述第三至第五示例中所示者。又儘管圖中未示,但鰭21、22的至少一部分可以含於第一區域β或第二區域γ中,並且鰭21、22的整體不一定是限含於第一區域β或第二區域γ中。
接著,參照圖六說明使用兩個鰭時鰭21、22的位置關係與其伴流(wake)係數提高效果的關係;圖六所示者為鰭的位置關係與伴流係數改善效果間關係的分佈圖。
通常,當船舶1行駛時,靠近船舶1船體周圍水被船舶1拉動,將朝與船舶1相同的方向流動,伴隨該艘船1的水流被稱為伴隨流,通過將該伴隨流的速度除以船舶1的速度所獲得的值稱為伴流率w,V是船舶1的速度,若Vp是螺旋槳12的前進速度,則Vp=V(1-w)。其中「1-w」通常稱為伴流係數。從而,伴流係數w值增大,則螺旋槳12的前進速度Vp相對於船舶1的速度V變小,推進效率即提高。
如圖二所示,如以第一鰭21前端與第二鰭22前端的水平距離為△X,第一鰭21與第二鰭22的垂直距離為△Z,圖六所示係模擬△X在0~50米範圍內、△Z在2~8米的範圍內變化時的伴流係數的改善效果圖,圖中△X和△Z的數值僅是例示之一,並不以此數值為限。
如圖六所示,將第二鰭22配置於第一鰭21後方(船尾部1b側)的上方(水面側),能有效地提高伴流係數。另外,將第二鰭22配置在比較靠近第一鰭21的位置時,也能提高伴流係數的改善效果。
此外,如圖六中所示的三條虛線表示上述用來決定鰭21、22的定位方法中所使用的直線L1、L2和L3。從該圖可以看出,將鰭21、22設置在不超過直線L1的範圍內,可以獲得一定的提高伴流係數的效果;又,將鰭21、22配置在直線L1與直線L2之間,也能夠得到一定的伴係數的改善效果;而在直線L1與直線L3之間配置鰭21、22的前端,可以獲得一定的提高伴流係數的效果。
在此將參照圖七(A)和圖七(B)來討論圖六所示的伴流係數修改效果的原理。其中圖七為表示具備鰭裝置、整流裝置之船舶的船尾部側面圖,其(A)所示者為設置兩個鰭的情況,其圖中(B)所示者為設置三個鰭的情況。圖中船舶1具備:在船尾部1b的螺旋槳12的前方配置了可整流流入螺旋槳12水流的整流器15、及配置在螺旋槳12後方,用於控制船舶1的行進方向的舵16。
整流器15配置在螺旋槳12的正前方略呈圓筒狀或呈略半圓筒狀的導管,該整流器15可任意採用如在日本專利公開特公平No.03-066197和日本專利第5132140中描述的已知技術。
由於船尾部1b的底部的水流從船底13朝向後方(船尾部1b側)及上方(水面側)的方向流動,所以與大致水平配置的第一鰭21碰撞的水流,產生從第一鰭21的下面流到上表面的環繞流動(渦流21v)。同樣地,與第二鰭22碰撞的水流則產生從第二鰭22的下表面流向上表面的環繞流動(渦流22v)。
這些旋渦21v和22v向下流動成長,在某一點彼此干擾,變成更大的旋渦2v,當產生這個大旋渦2v時,可以認為船尾部分1b的慢區帶能被有效地擾動,且該慢區帶的水流可以被收集並被引導到螺旋槳12。
此外,當第一鰭21和第二鰭22彼此太靠近或太遠時,難以產生大的渦流2v,且讓對船尾部1b的慢區帶的影響降低。相同的考慮與圖六所示的伴流係數改善效果的趨勢一致。
更者,上述考量也適用於如圖七(B)所示的三個鰭的情況,與第三鰭23碰撞的水流產生從第三鰭23的下表面到上表面流動的環繞流動(渦流23v),渦流21v、22v、23v在生長的同
時向下游移動,在某一點會彼此干涉,並且產生表更大的渦旋2v。
因此,基於上述考量,將多個鰭配置在由各鰭產生的渦流相互干涉的優選位置,即使各個鰭間產生的渦流彼此不相干涉,也沒有什麼影響,仍可收藉由每個渦流來干擾和集中船尾部1b的慢速帶的效果。也就是說,只要在上述鰭定位方法所描述的範圍內配置多個鰭,則不一定需要由鰭產生的渦流彼此干涉亦可。
最後,將說明本實施例的鰭裝置2的節能效果,圖八為節能效果的比較圖,樣本A是具有一個鰭(僅第一鰭21)的船舶,樣本B是具有兩個鰭(如第一鰭21和第二鰭22)的船舶,樣本C是只有整流器15的船舶,樣本D所示為具一個鰭及整流器15的船舶,樣本E所示具有兩個鰭和整流器15的船舶。
如圖八所示的節能效果是根據使用船體模型的水槽測試結果來計算的。具體而言,通過製造船體模型樣本A~E,對每個樣本在相同的條件下進行推進性能試驗,再用該等試驗結果來計算燃料消耗量,再由該等降低的燃料消耗量即計算出節能效果。
如圖八所示,比較樣本A和樣本B,藉由使用鰭2的數量,若增加第二鰭22,獲得比在一個鰭的情況下有更大的節能效果;另外,在比較試驗D和試驗E的時,在試驗E中只有增加鰭數,與試驗D相較時,因為增加鰭數,更改善節能效果。
此外,在樣本D中,藉由一個鰭(第一鰭21)和整流器15的相乘效應可以獲得△E1的節能效果,這種相乘效果起因於透過配置第一鰭21,現在可以收集在傳統的船舶中不能被整流器15收集的慢區帶的伴流。
在樣本E中,兩個鰭(第一鰭21和第二鰭22)與整流器15的相乘效果可以獲得△E2的節能。如圖所示,△E2比△E1數值大,可以看出,樣本E具有比樣本D高的相乘效果,這表示配置兩個鰭在樣本D的船舶現在可以收集整流器15不能收集的慢區帶的伴流。
上述有關本案各種實施例的船舶1並不限定於油輪、散貨船、液化天然氣(LNG)運輸船、液化石油氣(LPG)船、渡輪等的大型船舶、也可以是PCC(汽車運輸船)、普通貨船,貨櫃船等的瘠形船均可適用。
本發明不限於上述實施例,在不脫離本發明精神的範圍內的各種可能修改、變更均在本發明的包括範圍。
1‧‧‧船舶
1a‧‧‧船首部
1b‧‧‧船尾部
11a‧‧‧直線部
11b‧‧‧後端部
11c‧‧‧傾斜部
12‧‧‧螺旋槳
13‧‧‧船底
14‧‧‧甲板
21‧‧‧第一鰭
22‧‧‧第二鰭
F1‧‧‧船體中心剖面線
F2‧‧‧側平面剖面線
F3‧‧‧含第一鰭水平面剖面線
F4‧‧‧含第二鰭水平面剖面線
F5‧‧‧吃水面剖面線
F6‧‧‧剖面線
BL‧‧‧基準線
BHL‧‧‧艙底高度線
DWL‧‧‧計劃滿載的吃水線
L1‧‧‧直線
Q‧‧‧交叉點
PL‧‧‧螺旋槳線
SEL‧‧‧後端線
Claims (8)
- 一種鰭裝置,其係在船舶的船側主(長)方向上形成有側平面的船體配置鰭裝置;連接前述側平面的船尾的最低點P1、計劃滿載吃水線DWL、表示螺旋槳位置的螺旋槳線PL交叉點Q的線L1,配合表示船艙高度的船艙高度線BHL與螺旋槳線PL所圍成的區域內至少有一部分配置有多數個鰭;前述複數個鰭係:各個鰭配置在產生從下面流到上表面的環繞流動(渦流)的位置;前述複數個鰭係:包括至少兩個鰭且在水平方向上具有不同位置,且位於船尾的鰭設置在船首部的鰭的上方;具有以上特徵的鰭。
- 如請求項1所述之鰭裝置,其中所述之區域包括:通過上述側平面的後端線SEL與船艙高度線BHL的交叉點P2的直線L1平行的直線L2、直線L1、及上述船艙高度線BHL、和上述螺旋槳線PL所圍成的第一區域,至少有一部分的前述鰭可設置在第一區域中為其特徵者。
- 如請求項1所述之鰭裝置,其中所述之區域中,在含與通過最船首側所配置的第一鰭尖端的垂直線FTL和船艙高度線BHL的交叉點P3的直線L1平行的直線L3、直線L1、船艙高度線BHL、和螺旋槳線PL所圍成的第二區域,至少有一部分前述鰭設置在該第二區域中為其特徵者。
- 如請求項1所述之鰭裝置,其中所述之鰭之配置不應超過船寬為其特徵者。
- 如請求項1所述之鰭裝置,其中所述之鰭略呈水平配置為其特徵者。
- 如請求項1所述之鰭裝置,其中所述之多數鰭係設置在由各鰭所生成之渦流相互干擾的位置為其特徵者。
- 一種船舶,其具有:配置有鰭裝置於船側的船長方向所形成有平面側的船體;前述鰭裝置係如請求項1~6中任一項所記載之鰭裝置;為特徵之船舶。
- 如請求項7所述之船舶,其中所述之船舶具有提供一種整流裝置,配置在船尾部的螺旋槳的前方,對流入螺旋槳的水流進行整流為其特徵者。
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