船壳以及包括这种船壳的船舶的制作方法与工艺

本发明涉及一种船壳以及包括所述船壳的船舶。更具体而言，本发明涉及一种船壳以及相关联的船舶，该船舶使用风能进行推动，船舶的水上船壳的主要部分设计成用作帆。

背景技术：
可持续的海洋运输取决于新技术的发展，该技术能够利用海洋内发现的可再生资源。风为一种这样的资源，并且源自太阳能和地球的旋转。气象学提供有关风强度和风向的信息，因此，风能已经是可预测的。通过利用气象数据的计算化加权，计算机程序可为船舶计算海上的最佳路线，以便利用可用的风能。这称为气象航线选择，并且当今在市场上可购买到。因此，根据本发明，船舶上的船长容易选择最佳航线，以便利用这种能量推进船舶。除了当今先进的气象工具以外，从帆船的时代开始，就已经知晓术语“信风”，并且其指明不同大陆之间的路线，这些路线是凭经验了解的并且在风向和风力上特别合适。

技术实现要素：
因此，本发明的一个目标在于，提供一种允许海洋运输并且进入空气和海洋的排放物实际上为零的船舶。试图通过根据本发明的船舶来实现上述和其他目标，该船舶包括船壳，其中，在吃水线之上的船壳的主要部分实质上设计作为NACA翼板(foil)式的飞翼(aerofoil，翼型)的区段，所述区段关于船壳的中心线对称，并且其中，飞翼的前缘面向船舶的前部的方向，以便通过相关气流生成气动升力，所述气动升力在船舶的航线或推进方向的有角度扇区内产生船舶的推进力，所述气动升力由吃水线下面生成的水力升力平衡。具有根据本发明进行设计的船壳并且在相关气流中行进的船舶将如上所述的生成在航线的有角度扇区内产生推进力的气动升力。这就是船舶的风力系统。在船上测量的相关气流由船舶的航线和速度以及真实风的方向和强度决定。此外，通过也将船舶从静止开始运动并且使其采用所需速度的电力推进系统，能够利用所生成的升力进行推进，从而节省燃料。这是为船舶保持恒定的速度的一种动力系统。此处所涉及的气动升力(L)是这样一个矢量，其迎角的一个点在上述船壳的重心处。为了获得平衡，如上所述，气动升力由水力升力平衡，在本发明的一个有利的实施例中，由设置在吃水线下面的四个水翼产生该水力升力，两个水翼平行地设置在船壳的中心线的每侧上，并且相对于水下船壳的重心对称，并且其中，每个水翼朝着船壳的中心线向内和向下成45°地渐进(edge)。水下船壳的重心因此也为船舶的枢轴点。因此，必须为如下的情况：-气动升力×力臂l＝水力升力×力臂v，其中，-力臂l＝从水上船壳的重心到水下船壳的重心的距离，-力臂v＝从水翼的重心到水下船壳的重心的距离。在一个研制的设计模型中，力臂l等于力臂v，并且水翼的投影区域设定为“航行区域”的大约5％，即，在船壳的纵向方向上的船壳投影面。为了获得水力升力，水翼的迎角的角度为1-5°，称为偏航角(leewayangle)，该偏航角是动态产生的。因此，也获得船舶摇晃的动态稳定。船舶的水上船壳的重心因此必须位于与船壳的中心线垂直的线上，且直接位于船舶的枢转点之上。作为空气力和水力的一个实例，在附图1中显示了作用在通过真实风VT开始运动的帆船上的力的图示，其摘自ISBN0-396-07739-0，作者为CzeslavA.Marchaj的Aero-hydrodynamicsofSailing，并且其中，在船只配电板上记录的相应风为相关气流VA。船只速度VS的矢量和相关气流VA的矢量之间的角度为角度β，如图中所示。对于将处于平衡状态中的船只中心线上的侧向力而言，必须为以下情况：-FS＝FH。由于具有比表面积的竖直水翼(也称为帆船上的“龙骨”)具有迎角，在本文中称为“偏航角”，所以产生FS。具有龙骨形式的水翼具有关于其水平中心线对称的形式(NACA)，该水平中心线与船只的中心线平行。通常竖直中心线位于前缘后面的25％处，并且延伸穿过水下船壳的重心。这为船只的枢转点。FH为将产生倾斜力矩的水平倾斜力-MH＝FH×力臂，其中，该力臂为从船帆的重心到水下船壳的重心的竖直距离。FS为通过水翼的重心、以90°作用在水翼的中心线上的水平力。如果在水翼的中心线和水下船壳的中心线之间没有水平距离(与安装在中心的龙骨的情况一样)，那么就没有扶正力矩。-MS＝FS×力臂。扶正力矩必须等于倾斜力矩，以便获得平衡。-MS＝MH。力臂在此处为水翼的中心线到水下船壳的中心线的距离，在龙骨安装在中心的这种情况下，该距离为0。因此，在具有一个船壳的帆船上，水翼(龙骨)的重量用作扶正力矩。如果不能或不需要使用重量，那么位移也可用作扶正力矩，如具有多个船壳的帆船中那样。在具有一个船壳的更大型船舶中，位移也用作扶正力矩。如果水翼朝着水下船壳的中心线向内渐进或倾斜比如45°，并且位于与中心线相距指定的距离的力臂上，那么会产生力。这个力与力臂相乘将成为动态扶正力矩，这是因为具有速度和迎角，即，偏航角。根据在水翼的哪一侧上通过右舷或端口偏航角生成FS(上方/下方)，FS通过重心以90°作用于水翼的竖直中心线。-MS＝FS×力臂。因此，能够生成一种扶正力矩，其中在与船舶的中心线相距指定的距离的水平力臂上仅仅具有一个对称水翼。这个船舶称为“快速帆船”，并且通过风力作用在右舷和端口侧上来运行。在更大型的船舶上，上述论述不切实际，因此，通常具有两个倾斜的水翼，如三体艇上那样。在本发明的上述有利的实施例中，其旨在具有四个倾斜的水翼，除了由于实际和安全的原因的某些位移以外，这些水翼还生成扶正力矩，并且这些水翼提供基本三体艇形的水下船壳。在水下船壳的中心内进行测量时，长度/宽度比为8.3:1，这较为有利，这是因为对于在船尾周围产生不利的紊流而言，表现出具有8:1的界限，这就增加了海上阻力。在具有上述长度/宽度比时，船舶具有很小的侧向稳定性，并且已经选择本发明的上述有利实施例的三体艇形式以便弥补这个事实，并且提供穿过海洋的这种较好稳定性以及较低的阻力，当今的商船都不能具有任何相似的事实。计算显示了在不考虑空气动力和风力的情况下设计水上船壳和上部结构的大型商船(比如，具有16000hk的主发动机的车辆运载船MaerskTaiyo，其船速为9m/s并且来自不利方向的风强为8m/s)由于风力可能经受高达907hk的制动效应。这种制动效应与高达2.8吨/每天的油耗量对应，这在环境和成本方面非常重要的意义。本发明的一个优选实施例具有的迎角β等于43°，具有5580m2的飞翼区域和7m/s的船速VS以及12m/s的真实风强，对该优选实施例进行的相似计算显示了能够从风力为船舶生成13570hk的推进力。众所周知，借助于风力，能够获得巨大的推进力，这也可提供非常高的速度，并且可提及的是，冰上帆船比赛的世界纪录为65m/s(235km/h)，其在真实风速VT等于14.5m/s且迎角β等于14°的情况下创立。在挪威科技大学(NTNU)进行的有关在弦长95％处切断对称NACA翼板(NACA16-018)的船壳的风洞试验(LarsSaetran教授在2010年10月进行的“船壳的水上部分的风洞研究(Windtunnelstudyoftheabove-waterpartofaship’shull)”)中，得出结论(引用)：“具有NACA翼板的船壳的模型试验提供了这样的风力分量，该风力分量相对于船舶的纵轴线沿船舶的运行方向在大约13到39度的部分内发生作用”。在上述研究中，也有文件证明在对称NACA翼板部分上建立最大的二维流动的重要性，所述对称NACA翼板部分等同于所试验的船壳，以便在生成用于推进船舶的风力方面获得船壳形状的最佳效应，并且在该研究中，通过使用于其中一个所试验模型的对称NACA翼板形飞翼的长度翻倍来实现所述对称NACA翼板部分。从技术文献中还预先了解到，通过在飞翼的两端设置端板并使端板与飞翼的纵向方向垂直，可在飞翼上获得二维流动轮廓。对于飞翼基本上向下延伸到水面的船舶而言，水面最终构成这种端面或端面，并且因此，这种端面或端面与朝着船舶顶部的飞翼的相对的另一端连接，设置这种端板或端面将是最为重要的。在纵横比较小时，这种侧板或端面格外重要，其中，翼区段的长度相对于其弦长较小，最终在根据本发明的船壳中成为这种情况，这与具有较高的纵横比的飞行器的机翼不同。在图2中显示了上述研究中的试验数据，其中可见，在具有双倍的船壳高度并且具有激流(tripping)(由“方格窗口”形的符号表示)的情况下，获得正的力分量(显示为负的阻力系数Cd，并且其中，这种负阻力恰好用于推进航行)，其中相关气流从13°到39°，并且最大力在30°处。不具有激流时(以“菱形”符号所示)，结果略差，但是依然获得明显的正力分量。对于由两个其他符号表示的这两个其他的试验模型(分别为普通船壳和单个NACA翼板形飞翼区段)而言，从图中可见，未测量任何相似的正力分量。应提及的是，申请人已经访问了在具有21000吨净负载(DWT)的车辆运载船(M/SHoeghTrooper)的配电板上输入的日志数据，该车辆运载船在2010年9月3日到9月15日从佛罗里达的杰克逊维尔穿越到达马耳他的瓦莱塔，然后到达韩国，并且返回欧洲，其中，这种日志数据显示船舶在45％以上的穿越时间位于13-39°的航线扇区内。如果航线已经调整了高达10％，那么这个数字为59％。这就表示，在通过NTNU所进行的试验中的最佳试验模型中，负风力会在大约59％的时间调整为正风力。在以下附图中，显示了一种根据一个有利实施例的船舶，其中，长度为180.5m，高度为33m，并且宽度为34.2m。这就提供了5957m2的航行面积。与航线构成30°的19m/s的相关气流表明，本发明的实施例无需使用发动机动力也能航行。这是M/SHoeghTrooper在横渡的第九天具有的那些条件。因此，根据本发明提供了一种船壳，其特征在于，在吃水线之上的船壳的主要部分实质上设计作为NACA翼板式的飞翼的区段，所述区段与船壳的中心线对称，并且其中，飞翼的前缘面朝船舶的前部的方向，以便通过相关气流产生气动升力，所述气动升力在船舶的航线或推进方向的有角度扇区内产生船舶的推进力，所述气动升力通过吃水线下面生成的水力升力平衡。根据本发明，进一步提供了一种具有上述船壳的船舶。附图说明下面参看附图，进一步详细地描述本发明的一个非限制性实施例，其中：图1为作用在通过真实风VT开始运动的帆船上的力的图示，其摘自ISBN0-396-07739-0，作者为CzeslavA.Marchaj的“气动液动航行”(Aero-hydrodynamicsofSailing)，并且其中，在船只的配电板上记录的相应气流为相关气流VA，船只速度VS的矢量和相关气流VA的矢量之间的角度为角度β；进一步地，图中的缩写为：L–气动升力D–气动拖力(aerodynamicdrag)Ft–气动合力(aerodynamicresultant)Fs–水力升力(hydrodynamiclift)R–水力拖力(hydrodynamicdrag)Rt–水力合力(hydrodynamicresultant)L＝cL×S×qD＝cD×S×qq＝0.00119×V×VV–风速cL–升力系数cD–拖力系统q–气动压力(aerodynamicpressure)S–面积图2为NTNU进行的风洞试验(LarsSaetran教授在2010年10月进行的“船壳的水上部分的风洞研究(Windtunnelstudyoftheabove-waterpartofaship’shull)”)的试验结果的视图；以及图3-图7分别为本发明的有利实施例的侧视图、透视图、剖视图、正视图以及后视图，其中，图5为沿着图3中的线A-A截取的截面，并且其中，线A-A与船舶的吃水线基本一致。具体实施方式图3-图7示出了根据本发明的船舶1，其中，位于吃水线之上的船壳的主要部分实质上设计为NACA翼板式飞翼的区段，所述区段关于船壳的中心线S对称，并且其中，飞翼的前缘3面朝船舶的前部的方向，以便通过相关气流产生气动升力，所述气动升力在船舶1的航线或推进方向的有角度扇区内产生船舶1的推进力，所述气动升力由吃水线下面生成的水力升力平衡。NACA翼板有利地为NACA16-018类型，飞翼区段2的后缘4在飞翼的弦长的95％处切断。飞翼区段2有利地由吃水线之上的相应上端面5和下端面6界定，所述上端面和下端面在飞翼区段2的周界的主要部分上从飞翼区段2的表面成角度地伸出，并且尤其沿着飞翼区段2的前缘3和侧部，该角度有利地大于或等于90°。水力升力有利地由设置在吃水线之下的多个水翼7产生，其中，如图所示，相对于船壳的中心线S以及相对于船舶的水下船壳的重心对称地设置四个水翼7，并且其中，所述重心构成船舶1的枢转点。在未显示的替换实施例中，相对于船壳的中心线以及在船舶的水下船壳的重心处对称地设置两个水翼7，所述重心形成船舶1的枢转点。有利地，水翼7相对于通过船壳的中心线S的竖直平面，朝着船壳的中心向下且向内以大约45°的角度设置，并且其中，船舶1的水上船壳的重心位于与船壳1的中心线S构成直角的线上，直接位于船舶1的枢转点上方。而且，有利地，在船壳的纵向方向上，水翼7的总投影面积构成对称的飞翼区段的投影面积的大约5％。尤其从图6和图7中可见，船壳有利地为三体艇型。根据本发明的船舶1有利地包括未显示的变速电力推进系统，用于补充船舶1的基于风力的推进系统。