一种减少舰船兴波阻力的装置及方法与流程

本发明涉及船舶减阻领域，具体涉及一种减少舰船兴波阻力的装置及方法。

背景技术：

水面舰船所受阻力主要包括压差阻力、兴波阻力及摩擦阻力，低速航行时，摩擦阻力占主要部分，高速航行时，兴波阻力占主要部分。兴波阻力主要由船首波和船尾波组成，其大小与舰船首波高度、首波与尾波是否抵消、舰船长宽比有关。船舶行驶时，船首对水施加压力，把水劈开而前进，于是在船首部位就激起一组随船前进的波浪，这就是首波。船尾在前进时，水中留出一个低压区，成为波谷，形成了一组由船尾前进而引起的波浪，称为尾波。船舶航行时，船体兴起了首波和尾波，舰船需要损耗部分能量来克服这些波浪前进，即为兴波阻力。目前舰船为减少兴波阻力，普遍采用球鼻船首，球鼻船首主要利用球状部分所形成的低压，降低首波高度、让首波与尾波相抵减，从而减小兴波阻力，而舰船长宽比则无法调整。因球鼻船首为固定结构，故该装置最佳的减少兴波阻力、使首波和尾波相抵消的效果必须在一定范围内的航速及海况下达到，在其他航速及海况下虽然也有一定减阻的效果，但效果将大打折扣。因此，如果能发明一种新型装置及方法，能根据舰船实际航速、海况来调整首波高度，并使首波与尾波相抵消，同时还能调节舰船长宽比，从而使舰船在各个海况和航速下都能最佳的减小兴波阻力效果，这对于提高水面舰船的航速、节能减排、增加其航程有着重要的实际意义。

船航行时产生的船行波分船艏波和船尾波，在船行波传播中，如果首波与尾波在船尾处互相迭加，兴波阻力就大；如果首波和尾波在船尾处互相抵消，兴波阻力就小。船首波高则兴波阻力大，船首波低则兴波阻力小，兴波阻力还和舰船的长度、速度有关。为了减小兴波阻力，在船舶设计时可以采用球鼻艏，即把船水线以下做成球鼻状的流线型，利用球状部分所形成的低压，降低首波的高度，从而减小兴波阻力。另外，在一定的设计航速下，适当选择船的长度比，可以减少兴波阻力。远洋船多采用球鼻船艏型，也就是为了调整船长，以达到减少兴波阻力的目的，如球鼻的大小和位置选择恰当，可使球鼻兴波的波谷和船首波的波峰正好处于相同的位置，使首波与尾波相低，合成波的波高明显减小，设计成功的球鼻首能使总阻力减小10-15％，未达到较佳减阻效果。但目前技术船舶一旦建造完毕，对船舶长度和首波的相位、幅度、频率均不能再主动调节，无法根据实时海况及自身的速度灵活的主动调节，减小船首波高度、改变船长宽比、使船的首波和尾波在船尾处互相抵消，从而在各种海况及速度下均能最大限度的减少兴波阻力。

另外舰船在水面航行，水下部分常滋生各类水生生物，会加大舰船摩擦阻力、腐蚀船底、增加日常维护保养的工作量。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题提供一种减少舰船兴波阻力的装置及方法，用于减小水面舰船所受兴波阻力及摩擦阻力，提高水面舰船的航速，节约航运过程中的能源消耗、碳排放。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种减少舰船兴波阻力的装置及方法。

所述减少舰船兴波阻力的装置包括：

船体，所述船体的船艏的下部设有向所述船体的前进方向伸出所述船体的前伸机构，所述前伸机构的内部设有内腔，所述内腔通过气管与设置在所述船体内的气源连通，所述气管上固定设有气体流量调节装置和气体压力调整装置，所述前伸机构上设有与所述内腔连通的喷嘴。

本发明的有益效果是：通过前伸机构上的喷嘴喷出气体，在船体前方形成可随航速及海况调节的由气泡形成的虚拟船艏，水下虚拟船艏部分形成低压，和首波高压相抵消，降低了首波高度；通过实时改变船体前伸机构上的喷嘴位置，来调整船长宽比；通过实时改变船体前伸机构上的喷嘴位置和喷出气体的流量及压力，使首波与尾波相抵减，达到减小船体在高速航行时的兴波阻力，向后移动的气体在船体与水面之间形成气象面，减小舰船航行的摩擦力提高水面舰船的航速，节约航运过程中的能源消耗、碳排放。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述前伸机构包括头部和伸缩杆，所述内腔位于所述头部内，所述气管置于所述伸缩杆内并与所述内腔连通，所述喷嘴位于所述头部的侧壁上，所述伸缩杆的前端与所述头部的后端固定连接，所述伸缩杆的后端与所述船艏的下部连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：能够调节前伸机构的长度，在不使用时可收回一部分，避免造成前伸机构损坏。

进一步，所述伸缩杆为液压式伸缩杆，所述伸缩杆的后端还固定连接一固定端的前端，所述固定端的后端与所述船艏的下部连接，所述气管依次穿过所述固定端和伸缩杆并与所述内腔连通。

采用上述进一步方案的有益效果是：伸缩的长度容易控制，且液压系统较为成熟，工程实施难度较小。

进一步，所述船艏下端固定连接一球鼻艏，所述固定端的后端固定连接一转轴的一端，所述转轴的中部转动设在位于所述球鼻艏上方的所述船艏上，所述转轴的另一端传动连接一驱动装置的输出端，所述驱动装置与所述船体内壁固定连接，所述固定端的侧壁固定连接一支撑杆的一端，所述支撑杆的另一端连接一转盘，所述转盘的底端与所述船体固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：前伸机构能够抬升和下降，使得前伸机构与船艏形成不同夹角，配合可调节的气体强度和可调节的气体的喷气频率，可使舰船根据实际的船速及海况形成不同形状及长度的虚拟船艏，降低了首波高度、优化了舰船的长宽比、并使舰船的首尾波相抵消，以达到最佳的减阻效果。

进一步，还包括控制系统，所述控制系统与波浪传感器、船横摇传感器、船纵摇传感器、船航速传感器、船航向传感器、所述驱动装置、所述伸缩杆、所述气体流量调节装置和气体压力调整装置电连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过控制系统可控制气体流量调节装置开关，并控制喷嘴喷出的气体的压力、频率。

进一步，所述固定端设为多根，多根所述固定端的顶端相交并固定连接，多根所述固定端的底端分别与所述船艏的上部连接，所述伸缩杆位于多根所述固定端相交的顶端。

采用上述进一步方案的有益效果是：前伸机构形成尖锥型，能使前伸机构在不增加过多重量的基础上大大加强前伸机构的强度。

进一步，所述气源上还固定设有臭氧发生器，所述臭氧发生器的输出端与所述气源连通。

采用上述进一步方案的有益效果是：在需要时可打开臭氧发生器，臭氧进入气源，随着气管从喷嘴喷出，同时调整前伸机构的角度、调整气源强度，保证含臭氧的气体能均匀覆盖船底水线以下的地方，可有效减少舰船水下部分水生生物的附着，保持舰船水下部分的流线型，减小舰船的航行阻力、减小水生生物对船体的腐蚀、提高舰船的航速、减少日常维护工作量和能源的消耗；而气体压力调整装置则可实时控制气压的强度，以适应不同海况及船速下舰船所需要的虚拟船艏。

进一步，所述喷嘴为单个，单个所述喷嘴位于所述头部远离所述伸缩杆的一端的端部。

采用上述进一步方案的有益效果是：单个喷嘴对气体的喷出强度控制效果好。

进一步，所述喷嘴有多个，多个所述喷嘴均匀分布于头部的顶端。

采用上述进一步方案的有益效果是：多个喷嘴，气体喷出较为均匀且可根据实际需要增加部分喷嘴的喷出强度或关闭部分喷嘴，方案灵活性较强。

减少舰船兴波阻力的方法是：在船体的船艏上设有可调节的带有喷嘴的前伸机构，并且喷嘴连通气源；将带有喷嘴的前伸机构探入水中；通过调节控制系统，控制系统控制气体压力调整装置和气体流量调节装置产生不同频率和强度的气体，气体经喷嘴喷出形成气泡，喷嘴所喷出气泡在水中形成虚拟船艏，改变舰船首波高度、舰船长宽比，气体继续向后移动，到达舰船的实体船艏后沿船体的外壁向船体的船尾移动，使得船体与水体之间形成气相层，减小船艏及船体底部的湿面积，从而减小摩擦阻力。

本发明的有益效果是：通过前伸机构的喷嘴喷出可调节强度的气体及可调节夹角及前伸长度的前伸机构，在船体前方形成可随航速及海况调节的虚拟船艏，大幅减小船艏波波高、改变舰船长宽比，使首尾波抵消，可在各类海况及舰船速度下减少舰船的兴波阻力及摩擦阻力，提高水面舰船的航速，减小燃料浪费。

附图说明

图1为本发明船体示意图；

图2为本发明一种前伸机构示意图；

图3为本发明另一种前伸机构示意图；

图4为本发明另一种前伸机构位置设置示意图；

图5为本发明控制系统示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、头部，2、船体，3、球鼻艏，4、气源，5、气管，7、转轴，8、驱动装置，9、喷嘴，10、船艏，11、气体流量调节装置，12、伸缩杆，13、固定端，14、内腔，15、臭氧发生器，16、气体压力调整装置，17、支撑杆，18、转盘。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种减少舰船兴波阻力的装置，包括：船体2，船体2的船艏10的下部设有向所述船体2的前进方向伸出所述船体2的前伸机构，船艏10的下端固定连接一球鼻艏3，前伸机构位于球鼻艏3的上方，球鼻艏3为船体2上用于减小兴波阻力的一个凸起物，根据舰船能达到的船速及舰船的实际功能，有水滴形、圆筒形等多种形状，前伸机构包括头部1和伸缩杆12，伸缩杆12的前端与头部1的后端固定连接，沿船体前进的方向为前端，另一端为后端，头部1内部设有内腔14，气管5置于伸缩杆12内，内腔14通过气管5与设置在船体2内的气源4连通，气源4上还设有一个臭氧发生器15，臭氧发生器可采用电离型臭氧发生器、紫外线灯管型等多种臭氧发生器，臭氧发生器15的输出端与气源4连通，气管5上设有气体压力调整装置16，气体压力调整装置与气管5连通，气体压力调整装置16用于调整气管5中的气体的压力，当开启臭氧发生器15后，臭氧进入气源，臭氧随气体通过管道运输到前伸机构，通过喷嘴9喷出，同时前伸机构调整角度，通过气体压力调整装置16进行调整气压，保证含臭氧的水泡能均匀平铺于舰船水线以下，能够减少船底水生生物的滋生，减小水生生物对船底的腐蚀，保持船底的流线型，提高船速，减小燃油消耗，减小对舰船的日常维护，气管5上设有一个控制气管5开启和关闭的气体流量调节装置11，伸缩杆12为液压式伸缩杆或电动伸缩杆，液压伸缩杆是通过液压推力使得前伸机构达到伸缩的效果，液压伸缩杆能通过远程进行控制，伸缩杆12的后端固定连接一固定端13的前端，当需要伸缩杆12伸长时，通过控制使得液压增大，推动伸缩杆12伸长，当需要收回伸缩杆12时，控制液体释放，使得伸缩杆12内压力减小，伸缩杆12缩短，电动伸缩杆通过电能控制杆体伸缩，固定端13的后端固定连接一转轴7的一端，转轴7的中部转动设在船艏10上，转轴7位于球鼻艏3的上方，转轴7的另一端传动连接一驱动装置8的输出端，驱动装置8与船体2的内壁固定连接，驱动装置8可为电机或液压装置，通过驱动装置8的驱动，带动转轴7转动，转盘18和支撑杆17跟随前伸机构一起联动，使得前伸机构绕转轴7的轴线方向转动，改变前伸机构在船体2前端的上下位置，通过前伸机构与船艏10之间夹角的改变，头部1的侧壁上设有与内腔14连通的喷嘴9，喷嘴9喷出气体强度的改变，来改变舰船的长宽比及虚拟舰首的形状，来达到减少舰船行进时兴波阻力的产生的目的，另外当船体2前方出现礁石或者船体2需要靠岸时，可将前伸机构完全转动至紧贴船体2的前壁，避免前伸机构的伸出影响船体2靠岸；

喷嘴9的数量为单个或多个，单个喷嘴9时设置在头部1的顶端，喷出的气体可均匀分布船体2周围，多个喷嘴9的数量根据实际情况设置，均匀分布在头部1的顶端，喷嘴9形状为圆形、矩形、环形或三角形，喷嘴9为向船体2方向开口或向船体的前方开口，喷嘴9的大小可根据实际情况具体设置，气源4可为鼓风机、空压机、舰船动力尾气或充气瓶，通过控制气体流量调节装置11开合来调节喷嘴9喷出的气体的量以及速度，前伸机构可为不锈钢金属或其他满足需要的材料；

船体2还设有控制系统，控制系统与波浪传感器、船横摇传感器、船纵摇传感器、船航速传感器、船航向传感器、驱动装置8、伸缩杆12、气体流量调节装置11和气体压力调整装置16电连接，波浪传感器、船横摇传感器、船纵摇传感器、船航速传感器、船航向传感器均为现有技术，能够实现对船体的操控，控制船体在海面上平稳行驶，主控人员对控制系统调节，使得气体流量调节装置11能够开、关或部分开启，控制气体喷出的流量，气体喷出的流量不同，控制气体压力调整装置16使得喷出的气体的压力不同，对于船体2减阻的效果也不同，可适应不同的海域和航速，主控人员可通过对控制系统调节，调节前伸机构的驱动装置8，控制前伸机构的转动角度，使前伸机构能在不同情况下达到最好效果；另外控制系统可与喷嘴9联接，在控制船体2的过程中，通过控制系统调节局部喷嘴9的喷出强度，可调整喷嘴9喷出的气体的在水下所形成的形状，除有助于减小舰船的船艏波波高、兴波阻力、提高船速、减小排放外也有助于减小船体2的横摇、纵摇和船体2转弯半径，使得船体2更加容易被操控。

如图4所示，前伸机构位于船体2的船底，转轴7同样位于船体2的船底，当不需要使用前伸机构时，通过驱动装置8带动转轴7转动，将前伸机构绕转轴7转动到紧贴船底的位置，当需要使用前伸机构时，转动前伸机构，使得前伸机构转到船艏的前方，通过喷嘴喷出气体，对船体进行减阻。

如图2所示，是一种前伸机构，固定端为一根，头部1的顶端是三角锥形，喷嘴9均匀分布在三角锥形的顶端，头部1的底端与伸缩杆12的伸缩端12固定连接。

如图3所示，是另一种前伸机构，固定端设有两根，两根固定端的顶端相交并固定连接，两根固定端的底端分别通过转轴7与船艏10的上部连接，转轴7与驱动装置8传动连接，通过驱动装置8的驱动，带动转轴7转动，转轴7的转动，带动两根固定端绕转轴上下移动，能够将前伸机构在不使用的情况下收回到紧贴住船艏10前方，喷嘴9位于前伸机构的顶端，喷嘴9为三角形，喷嘴9根据喷嘴开口方向的不同，喷出的气体能够向船体喷出，也能够向船体的前方喷出。

本减少舰船兴波阻力的方法是利用船体2的船艏10设有的可调节的带有喷嘴9的前伸机构，将带有喷嘴9的前伸机构探入水中，通过调节控制系统，控制系统控制气体压力调整装置16和气体流量调节装置产生不同频率和强度的气体，气体经喷嘴9喷出形成气泡，喷嘴9所喷出气泡在水中形成虚拟船艏，改变舰船首波高度、舰船长宽比，气体继续向后移动，到达舰船的实体船艏10后顺船体2的外壁及船底弥散，弥散开来的气体向船体2的船尾移动，使得整个或部分船体2与水体之间形成气相层，减小船艏10及船底部的湿面积，从而减小摩擦阻力；

通过调节控制系统实现调节前伸机构与船艏10的夹角不同，和通过喷出气泡的强度大小不同，协调改变虚拟船艏的形状和大小、改变舰船长宽比，大幅减小船艏波波高，减小兴波阻力，随着舰船行驶越来越快，产生的兴波阻力越来越大，喷嘴9喷出的气体根据航速调节喷气强度，形成适合当前船速的虚拟船艏10，并改变舰船的长宽比，大幅度减小了高速行驶时的兴波阻力，可适应不同的船速及海况产生的阻力，达到减少不同状态下的兴波阻力的目的；另外通过调节气体流量调节装置11的开启与关闭和气体压力调整装置16的调压，改变喷嘴9喷出的气体压力、气体流量、气体频率，气体与船体2相接，当喷出的气体量较多时，船体2的长度增长，使得船体2的长宽比增大，船体2的摩擦阻力减小，船体2的长宽比增大后，船体2行驶过程中船艏10产生的波浪传递到船体2中部，波浪的波幅、相位、频率发生变化，船尾的波浪同样向船体2传递，通过调节气体，使得船艏10产生的波浪与船尾产生的波浪在传递过程中，频率相同，相位相反，波幅相同，根据波的传递中增强与减弱原理，船艏的波浪与尾波在船体处互相抵消，使得船体2受到的兴波阻力减小，提高舰船的航速；另外喷嘴9喷出的气体到达舰船的实体船艏10后顺着船体2的外壁机船底弥散，弥散后的气体向船体2的尾部移动，使得整个或部分船体2与水体之间形成气相层，减小船艏10及船体2底部的湿面积，减小了舰船的摩擦阻力，因此通过前伸机构的抬升和下降，使得前伸机构与船艏的夹角不同，配合前伸机构长度的调节以及调节喷嘴9喷出气体的强度，根据实际的船速及海况形成不同形状及长度的虚拟船艏，以此减小了舰船航行中的兴波阻力和摩擦阻力，综合提高了舰船的航速；另外通过设置的臭氧发生器15产生的臭氧能够减少船底水生生物的滋生，减少水生生物对船底的腐蚀，更好的保持船底流线型，辅助提高船速，同时减小燃油消耗和减小对舰船的维护。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。