专利名称：带有楔形腔、纵向偏移腔和摇晃控制装置的气腔船及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种气腔船，包括带有船首、船尾和位于船尾附近的螺旋桨的船体，至少两个形成于船体底部且在长度方向上相邻的开口腔，和用于向腔中供应空气的空气注入装置，每一腔由在船长度方向上延伸的两个侧壁、一个后壁和一个前壁封闭而成，所述后壁包括随着朝向后方而向下倾斜的壁部。
本发明还涉及一种制造所述气腔船的方法。
背景技术：
美国专利US-A-3 595 191中揭示了这样一种气腔船，其中，大型远洋轮船(如油轮)的船体底部设有多个向下开口的气腔，气腔中充有压缩空气。因此，可减少船只的触水面积，改善其水力特性，例如减少水的阻力。在这些气腔中会产生影响船只水力学性能的水波纹。
美国专利US-A-3 742 888中揭示了一种多室气垫船的船体，其中，在长度方向上，所形成的最前面的气腔与后气腔相邻，所述最前面的气腔的后壁由倾斜的分隔壁和基本竖直的后分隔壁部形成。所述分隔壁部和侧尾鳍或浮筒由实心船体材料形成为一个整体船体部。这意味着船底部将由轻型材料如不适合于制造水上船只(如散货运输船或者油轮)的纤维增强塑料来制造。用于将压缩空气注入到腔中的空气入口位于腔的侧壁中。这就产生出一种气流波纹，其不太适于以相对低速航行的大型船只。
发明内容
所以本发明的一个目的是提供一种气腔船，其中，形成有气腔，用于产生能使航行稳定并减少水阻力的波纹。本发明的一个目的特别在于，提供一种以低于30海里/小时的速度航行的气腔船，如散货运输船、集装箱船、或油轮或大型客轮，即50 000吨或以上(优选为100 000吨或以上)的远洋轮船，其压差阻力减少且要求相对低的空气压力和/或较低的体积以对腔中填以空气。
本发明的又一目的是提供一种气腔船，其包括以相对容易的方式形成的腔。本发明还一目的在于提供一种气腔船，其中所述腔可设在已有船只的船体上。
本发明的再一目的在于提供一种气腔船，其具有稳定的摇摆运动。
关于本发明第一实施例的气腔船，其特征在于，所述前壁和后壁中的至少一个包括第一板形壁部，所述第一板形壁部的上横边与船底部相连，纵边与相应的各侧壁相连，下横边位于距船体底部一定距离处且与第二板形壁部相连，所述第二壁部与所述侧壁和船体底部相连，或与一个相邻腔的壁部相连，第一和第二壁部封闭出一个楔形闭合空间，其中空气注入装置包括位于前壁第二壁部中的开口，用于大体在后壁方向上将空气注入到腔中。
在腔的长度方向上空气从前壁注入可产生稳定的低涡旋气流，减少磨擦阻力。在具体实施例中，前壁的第二壁部以小于90°的角度延伸到船体底部。
在船的设计速度范围内，倾斜前、后壁的几何形状允许波浪进入腔中，波峰位于第二板形壁部的上横边处或附近，波浪的形状被顺着倾斜后壁部向下偏转。这特别适用于以9-30海里/小时速度航行的1000吨或以上的远洋货船或者大型客轮。通过适当调节腔中的波形，人们发现可以获得无振动的腔空间，并能大大减少阻力，同时也可减少空气注入，从而节约能源。另外，本发明的腔可以在造船所由板形部件相对容易地制造，且可以装到新建的船只上，还能用于通过将侧壁和横向壁连接到已有船体底部来对已有船只进行翻新。
楔形后壁的长度可以为腔长度的1-0.1倍，优选为腔长度的0.5-0.1倍。
在一个实施例中，两个腔前后布置。最后面的腔的前壁由是最前面腔的板形第二壁部形成，第二壁部光滑过渡连接到最前面腔的第一板形壁部。从而，防止液体沿着楔形腔封闭空间的最下部分开。
在本发明气腔船的另一实施例中，横向并排布置有至少第一和第二腔，其中在长度方向上，第一腔的前、后壁与第二腔的前、后壁处于不同位置。
可以发现，在腔中产生出类似于船体外面的波纹。腔中的波纹不是纯横向的，而是倾斜的。通过使在横向并排放置的气腔的位置发生偏移，可在腔内获得波纹系统之间的干涉，这样可减少船只的阻力。通过纵向偏移气腔，可以改进船体外面的波纹，从而进一步减少船只的阻力。
在本发明气腔船的另一实施例中，设有摇晃控制装置，其包括摇晃角度检测器、纵向中心线各侧上的气腔的可单独控制空气源，从而当船只绕纵向中心线在倾斜方向上发生倾斜时，一个腔升高，一个腔降低，角度检测器产生控制信号，增加升高的腔中的空气供给量。
通过这种方法，提供了一种有效的防震系统，以减少航行过程中船只的运动(摇晃、颠簸、偏航)。具体而言，可以产生摇晃恢复力矩，以校正由于风力造成的静态横倾角度，从而使气腔系统产生最优的作用。
下面将通过实例并结合附图详细说明本发明气腔船的一个非限定性的实施例。在图中图1是根据本发明包括有气腔和导流板的油轮或散货运输船的侧视图。
图2中图1中的船的仰视图。
图3是沿图2中III-III线截取的导流板的剖面图。
图4是包括有楔形前、后壁的两个相邻气腔的透视图。
图5-8是气腔的不同实施例的示意侧视图。
图9是包括有在长度方向上偏移布置的气腔的船的组合俯仰视图。
图10是带有摇晃控制装置的气腔船的示意横截面图。
图11是带有以双体结构形成的气腔的气腔船的视图。
具体实施例方式
图1中示出了一油轮或一散货运输船，其登记吨位为例如50000-500 000吨。在船体3的底部2上，船包括有多个气腔4、5、6，这些气腔在其面朝下的表面处开口。压缩空气通过压缩机7经一系列导管10注入腔4-6内。所述空气通过船1长度方向的腔前壁8、9中的开口注入到低涡旋气流的空穴区域中。每个腔的长度约为0.5-30m，宽度约为0.5-20m深度约为0.3-5m。腔的高度设为在发生最大纵倾时腔中仍完全充满空气，并通常会与腔内计算出的浪头高度相对应。腔的宽度设为可在船长度方向上并排延伸至少三排腔。低速航行的非减摇鳍单体船(non-fin-stabilised monohull vessel)以船只设计速度v航行时，其腔的长度可由式Lc＝0.34v2给出。
空气以1.5-4巴的压力供给，稍大于在船的对应吃水深度下所述腔中的液体静力学压力。空气供给的速率设为可保持每个腔在给定条件下(速度、海水状态等)尽可能地干燥，并在每个气腔中保持稳定状态，多余的空气从每个腔的后部逸出。
船1的船首11处包括一个球形部分，可减少水的阻力。在船尾12处，浸入水中的非充气式螺旋桨13驱动船以8-30海里/小时的速度航行，优选为13-17海里/小时。在船尾12附近，在最后面的气腔4和螺旋桨13之间，三个平行的导流板15、16、17沿船体外表面在向后方向以和水平成γ角的角度倾斜延伸，用于将从腔4-6中逸出的空气平行于导流板从底部2朝水面18引导。这就防止了空气进入螺旋桨平面，并保持螺旋桨13处的空气量低于例如10％体积。通过这种方式，不需对螺旋桨作特殊的设计上的修改，在将气腔4-6翻新到已有船只上时是很有优势的。
如图2所示，三个气腔21、22在船底部并排延伸，其中外腔和里腔的横向隔板23、24在纵向中心线25的方向上偏移，以优化腔中的波形。横向隔板23、24可以是楔形截面，每个腔的深度通常在每个腔的前面和后面不一样。
在最后面的腔21和螺旋桨13之间，三个楔形导流板15、16、17以和纵向中心线25成角α如80-110°的角度朝船缘(tanging)线26延伸，船缘线由船1的大体水平底部边界形成。在图2中，只在船的一侧上示出了导流板的下部25和中部25’，而事实上，导流板是相对于纵向中心线18对称布置的。从船缘线26处，导流板15-17沿船体侧面例如向上延伸到水面18，其中部25’与纵向成β角。角度β取决于船的设计速度和气泡在水中的上升速度。导流板15-17的上部25”以角度γ竖直延伸，如图1所示。角度α、β、γ取决于船的设计，如设计速度和在设计速度下的空气逸出角度，并用于将气泡引导向表面，而没有横向的加速度。
如图3所示，导流板15-17包括楔形断面，且由焊接到船体3的壁29上的倾斜条27和横向条28形成。每个条的宽度W可以为0.3-3m，而船体壁29上方的最后面部分的高度h由从最后一个腔中逸出的空气平均量来确定，可以是0.1-2m，从而各导流板之间的距离D可以是0.1-10m，且与船体壁29的角度δ为10-90°。
在导流板15-17后端30处，形成有低压区，其中捕获有气泡。捕获的气泡在低压区中沿导流板从底部2被导向到海面18，从而防止空气进入螺旋桨13的区域。
图4示出了腔40的示意图，所示船处于底部2面朝上的位置，其中，船首位于图4的右手侧，航行方向由箭头T表示。腔40由板形侧壁41、42，楔形前壁44，和楔形后壁43围成。前、后壁43、44每个包括板形壁部45，其下横边连到船体3底部2上。壁部45倾斜并延伸远离底部2。壁部45的纵边47、48例如通过焊接连接到侧壁41、42上。沿着上横边49，第一壁部45连接到第二壁部50上，第二壁部包括倾斜面，其下边53连到底部2上。壁部45沿边49到壁部50的过渡和壁部50沿边53到底部29的过渡应该是逐渐的，以防止流体沿边49和53分开。由第一和第二壁部45、50形成一个楔形的封闭的盒状结构44。通过板形壁部50中的孔55，空气供给导管10进入腔40中，且容纳在由壁44封闭的盒形结构中。
图5为气腔40的示意图。位于腔40中的波纹构成为，波峰位于楔形前壁44的下横向边53附近且随后将由壁部45折回，如图5中的虚线所示。气腔40、40’的盒状前后壁43、44的楔形形状是这样的，即，可获得最佳流动和无震动的腔空间，也就是大大减少了压差阻力现象。本发明中腔的形状和空气入口位置55要求相对少的气流以保持腔中填充有空气，因为这在较低的空气注入量时可高度减少阻力。
在腔40的深度H(侧壁41、42的高度)为1m时，楔形壁44的长度Lw1可以是例如约10m。第二壁部50的长度Lw2可以约7m，从而腔40的长度Lc为约10m，腔40的宽度W(见图4)可以为约4m。
图6示出了一个实施例，其中最前面的楔形壁44的弯曲的第二壁部50连接到最后面的楔形壁43的倾斜壁部45上。与图5中所示的腔相比(在图5中壁部50沿其下边53连接到底部2上，使腔更适于在起伏的水中如海上工作)，这样的腔结构更适于在平静的水中工作。
如图7所示，第二壁部50竖直布置，壁部45在底部2附近和边49附近具有大体水平的方向。空气供给导管10的空气入口55在箭头所示方向注入空气，并且其位于腔中的空穴区域中。
在图8所示的实施例中，与图7中的凹形壁部45相比，壁部45为凸形。根据工作速度和水流条件不同(有或没有波浪，有或没有强风或潮流等)，可以有不同的设计。
图9以俯仰组合视图示出了船1，从图中可以看出，在船的长度方向上并排延伸有两排气腔60、60’、61、61’。腔61、61’的楔形壁62、63、64与腔60、60’的楔形壁65、66、67沿纵向中心线25位于不同位置。通过这种方式，腔中的斜波纹最优化，以减少船的水阻力。
图10示出了包括有摇晃控制装置83的本发明的船1。腔70、71位于纵向中心线25的两侧且通过导管76、77连接到压缩机78、79。压缩机由计算机80来控制，其接收由角度检测器81产生的作为输入的检测器信号。通过控制注入到每个腔70、71中的空气量，不仅优化了每种操作条件下的性能，而且提供了航行中船运动时的减震系统，并能产生摇晃恢复力矩。
在零倾斜的直立位置，空气以同样方式捕获在腔70、71的侧壁或尾鳍72、73和74、75之间，且通过导管76、77的空气供给由计算机80基于速度、负载和环境条件来调整。为了防止由于空气的逸出造成腔中压力突然下降，可将气流监测器85、86引入导管76、77中，以检测这样的压力下降。作为压力下降的响应，各压缩机78、79可逐步升压使各腔内快速建立压力。
在船发生倾斜时，例如在横倾角为φ时，腔71升高，对于较小的横倾角，如5度，腔壁74、75的横倾角期望倾斜较小量。角度检测器81产生响应此倾斜的检测信号，从而计算机80致动压缩机79，腔71中的压力增加。因为侧壁74的高度大于侧壁75的高度，因为船倾斜时，大量的空气会供给到内腔区域中。腔71的体积的增加会使船的浮力中心朝船的横倾侧移动(图中的左手侧)，这产生一个恢复力矩使船恢复到其直立位置。在直立的过程中，计算机80控制空气供给到腔71中，以在船达到其零横倾位置之前，可选择性地通过导管77移走腔71中多余的空气，以避免在相反方向的“超越角”。
可使用第二指令检测器代替摇晃角度检测器81来测量摇晃加速度。在例如使用稳定鳍的情况下，本发明的摇晃控制系统可提供摇晃稳定性而不会大量增加船的阻力。
气腔系统和摇晃控制系统可以被造进新船中，或者也可以被装到具有排水型船体的已有船只上。
图11示出具有内船体102和外船体103的双体油轮100。外船体被切开以形成气腔104、105。分隔壁112、113被作为板形部件焊接到内船体102上，以形成气腔104、105的底部。外船体103的部分106可以用于形成分隔壁113的壁部107。外船体部分109可以切去，然后再焊接到内船体102上以用作最前面的气腔的分隔部分108。在完成气腔后，将压缩机110加到双体船100上，压缩机已通过空气导管115连接到各气腔以向其中供给空气。使用本发明的方法，已有双体船可以被改变为气腔船，以减少磨擦和阻力现象，因而以容易和有效的方式节约推进所需的能源消耗。
权利要求
1.一种气腔船(1)，包括带船首(11)、船尾(12)和位于船尾附近的螺旋桨(13)的船体(3)，至少两个形成于船体底部(29)上且在长度方向上相邻的开口腔(4、5、6)，和用于将空气供给到腔中的空气注入装置(7、10)，其中每个腔由在船长度方向上延伸的两侧壁(41、42)、一后壁(43)和一前壁(44)封闭，所述后壁包括沿向后方向向下倾斜的壁部，其特征在于，前、后壁(43、44)中的至少一个包括第一板形壁部(45)，所述第一板形壁部的上横边(46)与船底部(29)相连，纵边(47、48)与各侧壁(41、42)相连，下横边(49)位于距船体底部(29)一定距离处且与第二板形壁部(50)相连，第二壁部(50)与所述侧壁(41、42)和船体底部(29)相连或者与相邻腔中的一个壁部相连，所述第一和第二壁部(45、50)封闭出楔形的闭合空间，其中所述空气注入装置(7、10)包括位于前壁(44)的第二壁部(50)中的开口(55)，用于在大体后壁(43)的方向上向腔中注入空气。
2.根据权利要求1所述的气腔船，其中，所述第二壁部以小于90°的角度延伸到船体底部(29)。
3.根据权利要求2所述的气腔船，其中，在长度方向上第二壁部(50)的长度(Lw2)的长度为腔长度(Lc)的1-0.1倍，优选为0.5-0.1倍，最好为腔长度的0.3-0.2倍。
4.根据权利要求1、2或3所述的气腔船，其中，对于在长度方向上相邻的所述至少两个腔(40、40’)，最前面的腔的第二壁部包括沿光滑过渡部分(49)与第一板形壁部(45)相连的倾斜平面(50)。
5.根据前述任一项权利要求所述的气腔船，其中，横向并排布置有至少两个腔(60、61)，其中在长度方向上，第一腔(60)的前、后壁(65、66)与第二腔(61)的前、后壁(63、64)位于不同位置。
6.根据前述任一项权利要求所述的气腔船，腔被设在纵向中心线的每一侧，其特征在于，具有摇晃控制装置，其包括摇晃检测器和对每一腔可单独控制的空气源，船在倾斜方向上发生倾斜时，一个腔升高，一个腔降低，摇晃检测器产生控制信号，以增加升高的腔中的空气供给。
7.一种气腔船，包括带船首(11)、船尾(12)和位于船尾附近的螺旋桨(13)的船体(3)，形成于船体底部(2)上且在横向上并排布置的至少第一和第二开口腔(60、61)，和用于将空气供给到腔中的空气注入装置(7、10)，其中每个腔由在船长度方向上延伸的两侧壁、一后壁和一前壁封闭，其特征在于，沿船纵向中心线，第一腔(60)的前、后壁(65、66)与第二腔(61)的前、后壁(63、64)位于不同位置。
8.一种气腔船(1)，包括带船首(11)、船尾(12)和位于船尾附近的螺旋桨(13)的船体(3)，位于纵向中心线的每一侧上且形成于船体底部(2)的至少一个开口腔(4、5、6)，和用于将空气供给到腔中的空气注入装置(7、10)，其中所述腔由在船长度方向上延伸的两侧壁、一后壁和一前壁封闭，所述后壁包括沿向后方向向下倾斜的壁部，其特征在于包括有摇晃控制装置(83)，其包括摇晃检测器和对每一腔可单独控制的空气源，船在倾斜方向上发生倾斜时，一个腔升高，一个腔降低，摇晃检测器产生控制信号，以增加升高的腔中的空气供给。
9.一种制造根据权利要求1所述的气腔船(1)的方法，包括以下步骤提供具有船体(3)和底部(29)的船(1)；以及将侧壁(41、42)和前、后壁(43、44)连接到底部(29)上。
10.一种制造气腔船(100)的方法，其中气腔船包括具有外船体部分(103)和内船体部分(102)、船首、船尾和靠近船尾的螺旋桨的双船体，以及至少一个形成于船体底部的开口腔(104、105)，其特征在于将外船体(103)至少部分去除，形成在船长度方向上相邻的至少两个腔，每个腔通过由板形材料制成的两个侧壁、一个前壁和一个后壁封闭，从而使内船体部分(102)形成每个腔的底部。
11.根据权利要求10所述的方法，其中外船体(103)的至少部分(106、109)用于构成腔的侧壁、前壁和后壁中的一个或多个。
全文摘要
本发明涉及一种气腔船，包括带船首(11)、船尾(12)和位于船尾附近的螺旋桨(13)的船体(3)，至少一个形成于船体底部(29)上的开口腔(4、5、6)，和用于将空气供给到腔中的空气入射装置(7、10)，其中所述腔由后壁(43)、前壁(44)和在船长度方向上延伸的两侧壁(41、42)封闭，所述后壁包括边朝着后方延伸边向下斜的壁部。其特征在于，前后壁(43、44)中的至少一个包括第一板形壁部(45)，其下横边(46)与船底部(29)相连，其纵边(47、48)与各侧壁(41、42)相连，上横边(50)位于距船体底部(29)一定距离处且与第二板形壁部(50)相连，所述第二壁部(50)与所述侧壁(41、42)和船体底部(29)相连或者与相邻腔中的一个壁部相连，所述第一和第二壁部(45、50)封闭出楔形闭合空间。
文档编号B63B1/38GK1662414SQ03814470
公开日2005年8月31日 申请日期2003年5月5日 优先权日2002年5月7日
发明者康斯坦丁·马特费夫, 约恩·保罗·温克勒 申请人:Dk集团荷属安的列斯群岛公司