减小船壳上水摩擦的高能效系统和方法

专利名称：减小船壳上水摩擦的高能效系统和方法
背景技术：
本发明涉及一种减小船壳上水摩擦的方法，通过一层空气或其他气体将船壳若没有气体时会与水接触的外表面的至少一个主要部分和水分开。更具体地说，本发明涉及一种能效系统和方法，用来在船壳的外表面和航行其中的水之间提供并保持一层空气。
几年来的许多这些努力都放弃了储存在压缩空气／气体中的能量，压缩空气／气体从船尾或船侧排出，以气泡或气流的方式到达水面。过去已经公开了大量的系统和方法，利用船壳和水之间的空气来减小摩擦，进而减小在水中推动船行走的能量。以下的专利公开了这类系统的几种形式美国专利号发明人
4340004Kaneil4393802Rizzo4523536Smoot4528931Lantz4926771Hull5031559Bartholomew5054412Reed等人5117882Stanford5176095Burg5476056Tokunaga等人5524568Bobst5575232KatoKaneil、Rizzo，Hull，Reed等人以及Burg的专利揭示出在船壳的外表面上利用通道或槽并向其供应空气或气体来减小水与船壳的接触面积。Hull的专利使用轴流风扇23来供应空气。Bartholomew，Stanford，Tokunaga等人，Bobst和Kato等人的专利公开了在船壳的外表面上引入空气泡或空气膜的各种方法。其余的Smoot和Lantz的专利则涉及其他减小船壳水阻力的方法。
尽管已公布的这些专利揭示出多种给船壳外表面的至少一个部分提供空气的方法，来减小船壳与水的接触面积，但在允许压缩空气以可能的气流或气泡方式从船壳侧面或船尾漏出到载船的水面这一点上，这些专利都是相同的。为了使空气或其他气体占据船壳和水之间的某些空间，必须在一定压力下供应空气或其他气体。如果空气或气体不插入水和船壳之间的话，这一压力至少等于或大于水作用在船壳上的压力。船壳和水之间的供入气体的界面在水下越深，需要的压力就越大。这样的话，重载航行的深水船，空气必须以很大的压力供给到船壳下方。尽管在船壳外表面与水之间提供空气界面可以减小其间的摩擦，然而船尾流失的压缩空气意味着能量的大量流失。在这种情况下尽管船在推进其前行的能量性能方面可以改进，但提供压缩空气所消耗的在船侧或船尾流失的能量会大大抵消推动船的整体能量性能的任何改进。因此，如果压缩空气的流失得以避免或减到最低程度，就只需相当少的能量来供应压缩空气。
因此，最好提供一种减小船壳上水摩擦的方法和系统，在船壳外表面和水之间以高能效的方式提供气体通常是空气的界面。更具体讲，最好提供这样一种方法和系统，其中通常向下流向船尾的压缩气体得以回收，从而减小能量流失。这种流失往往是压缩气体在船尾泄漏。
发明简述本发明的一个目的是提供一种高能效方法和系统，用来减小船壳外表面和水之间的摩擦。本发明的另一个目的是提供这样一个系统，其中船壳外表面和水之间的摩擦通过在其间提供一气体或空气界面来减小。本发明还有一个目的是提供这样一种能效系统，其中形成界面的压缩气体或空气经由分配开口或出口引向船头，再由位于船尾或船侧压缩空气或气体流路上的收集开口或孔进行回收，以便循环利用。压缩空气或气体由分配口释放。这样，储存于压缩气体中的能量得以回收，而不是以压缩空气气泡或气流的形式离开船侧或船尾到达水面而发生流失。
根据本发明的减小船壳上水摩擦的一高能效方法和系统包括一压缩气体气源和一分配系统。该分配系统包括将压缩气体引向船头部位船壳外表面上的隔板的导气装置。该隔板将压缩气体以气流或气泡的方式滞留在船壳的外表面上，从而避免其升高至水面。收集装置包括朝向船尾的孔或开口，用来回收压缩气体。由收集装置回收的气体进行循环，通过导气装置重新流向船壳外表面。本发明的系统设计得不会对船的稳定性和操作产生不利影响，而且不会显著减小船的可靠性或对货物或者人员的承载能力。本发明的高能效方法允许系统以经济和有效的方式进行制造，并安装在船上。
本发明可以使用各种产生压缩气体的方法。根据船吃水深浅，按照本发明，如果需要的话可用不同的压力来供应压缩气体。一些将随后描述的各种隔板可用来在载船的水和船壳外表面之间保持压缩气体界面。另外，根据本发明，多种装置可用来把压缩气体引向隔板。例如，压缩气体可以只引向船头附近，或者可引向沿船长度方向的多个位置。由收集装置回收的压缩气体在再次将其引向隔板之前可进行去除夹带其中的水的处理。
假如，可在船壳上设有适宜的隔板来滞留船壳外表面和水之间的压缩气体界面，本发明的高能效系统可以应用于任何类型的船上，这种船可以自带动力，或者是象驳船一样由其他船比如拖船推进的船。在比如驳船的无动力船的情况下，压缩气体气源可位于驳船上，还可以位于拖船上，通过合适的分配系统将压缩气体供给一个或多个驳船。除了无动力船，本发明的方法和系统还可应用在完全位于水下的船比如潜艇上。因为压缩气体大体覆盖从船头到船尾的整个长度，本发明的方法和系统的效率，以及多数先前系统，象先前专利曾公开的系统的效率，将随着船的长度而增加。这样，船越大，由本发明的方法和系统实现的效率增益就越大。
图3是

图1所示船的船壳底视图；图3A是在图3所示船壳下方用来导入空气的结构的放大图；图3B是在图3所示船壳下方导入压缩空气的各种路径的放大图；图3C是从图3所示船的船尾处的船壳下方回收压缩空气的结构的放大图；图4是船壳形状不同于图1所示船的底视图，具有根据本发明第二实施例的减小船壳上水摩擦的高能效系统；图4A是图4所示船船头的前视图；图5是另一个具有不同形状船壳的船的底视图，具有根据本发明第三实施例的减小船壳上水摩擦的高能效系统；图5A是图5所示船船头的前视图；图6是主要针对潜艇的具有不同形状船壳的船的底视图，具有根据本发明第四实施例的减小船壳上水摩擦的高能效系统；图6A是图6所示船船头的前视图；图6B是图6所示船的侧视图；图7A是另一种船的船头右舷的侧视图，表示出船壳侧壁具有根据本发明第五实施例的减小船壳上水摩擦的高能效系统；图7B是图7A所示船的局部侧视图；图8是根据本发明的另一压缩空气回收结构的放大图，压缩空气沿船的水下表面流动，该船具有根据本发明第六实施例的减小船壳上水摩擦的高能效系统；图9是一船的局部剖视图，表示出一种设置情况，这种设置用来建立高能效系统内所需的空气体积，该能效系统根据本发明用来减小船壳上的水摩擦；图10是一船的局部剖视图，该船设有另一实施例的收集器，该收集器具有排出分离腔中多余水的通道，并且回收沿船底部表面流动的压缩空气，该船具有根据本发明的第七实施例的减小水摩擦的高能效系统；图11是一船的局部剖视图，该船设有另一实施例的收集器，用来回收沿船底部表面流动的压缩空气，该船具有根据本发明第八实施例的减小水摩擦的高能效系统；图12是具有V形底的船的局部剖视图，表示出另一收集器，用来在压缩空气流向船壳两侧时从船底部表面处回收压缩空气，该船具有根据本发明第九实施例的减小水摩擦的高能效系统；图13是船侧壁的局部剖视图，表示出另一收集器，用来回收沿船侧壁上流动的压缩空气，该船具有根据本发明第十实施例的减小水摩擦的高能效系统；图14是根据本发明收集器的另一实施例，用来回收沿船底表面流动的压缩空气，该船具有根据本发明第十一实施例的减小水摩擦的高能效系统；图15是具有一剖开部分的船的立体图，表示出另一收集器，用来回收沿船底表面流动的压缩空气，该船壳具有根据本发明第十二实施例的减小水摩擦的高能效系统；图15A是图15所示船的侧视图，具有一剖开部分，用来表示根据本发明的收集器；图15B是图15A所示收集器的放大图；图15C是图15A所示收集器的放大的顶部立体图；图16是具有另一压缩空气回收系统实施例的船的局部侧视图，该回收系统用在根据本发明的第十三实施例的减小水摩擦的高能效系统中；图16A是图16所示压缩空气回收系统的放大的局部剖视侧视图；图17是具有根据本发明第十四实施例的另一减小水摩擦的高能效系统的船侧视图；图17A是图17所示船的船头沿水面的放大剖视图。
图1A示出分离腔36和收集孔34。船10下方流动的压缩空气54流经多个位于分离腔36底部的收集孔34。肋50和隔板52辅助空气流向收集孔。夹带在空气中的绝大部分水滞留在腔36底部的水中，而气体则穿过水的上表面56，随后流经机械过滤器或漩涡分离器而将压缩空气与更多的水分离，如箭头58所示，气体然后到达靠近腔36顶部的开口60，顶部处有一从气流中滤去水分的过滤器。传感器62设在收集腔内的不同高度以便指示腔内水面56。传感器62通过合适的控制系统来控制分别位于流路40和20内的阀或调节阀42和44以及泵或风机38。控制阀调节经流路20和40流向腔36的空气的压力和体积。对泵或风机38的控制以及对通过流路20和40的气流的调节就控制了压缩空气经流路22流向船头的气流。通过调节阀42和泵或风机38的输出来调节腔36内空气的压力，从而使水面56保持在需要的范围。在靠近腔36顶部处设一安全传感器64，用来在水面56达到不需要的高度时关闭系统。一个振动导入装置，比如超声波发生器65，可以设在通道30在船尾处的末端，或者设在分离腔36上，如标号67所示。
参见图2，2A，2B和2C下面对本发明不同形式的收集器和分离腔进行说明。参见图2中的右侧船壳部分，由多个肋68在船底上形成多个通道66。每个通道66都设有一个收集器和一个收集分离腔36。大多数收集器和收集分离腔36在图中示出只与一个通道接通，但也可以与两个或多个通道接通。图2A示出收集孔和一分离腔70的放大图，该分离腔70经由一对开口72和一对阀74从邻接的通道接收气体。这对阀74可以是调节型的。来自分离腔70的压缩空气经由开口和流路37被送往风机／泵38，风机／泵38通过图1所示的空气通道22将空气向船头循环。根据船的基本设计和系统的具体特征，如图1A所示的传感器62和64可以与每个分离腔70接通，或与一个或任意多个分离腔接通。
再参见图2，2B和2C，根据本发明的另一种形式的收集器和收集分离腔被示出。在这种形式中，回收压缩空气的开口或收集器以细长的控制阀76的形式出现，该阀可以调节到允许需要的空气量进入而不允许不需要的水量进入。该开口或收集器还无需将气流引入位于中心的收集孔中，从而减小了阻力和紊流。如前所述，空气流入腔36中，随后象前面实施例中描述的那样围绕着隔板流向流路37。图2C是一底视图，相对于图2B，示出肋68，通道66，隔板78，加宽的收集孔80和气流82。
参照图3，3A，3B和3C，下面对本发明的压缩空气分配和收集系统进行更详细的说明。图3船的底视图中示出了槽或通道83，槽或通道83形成于从船头到船尾延伸的多个肋84之间。在船头处，标号86表示的是压缩空气导入通道的开口。由图3A中可以看到，压缩空气通过多个开口或喷嘴86进入通道中。可用流体动力结构88来增加加宽的开口周围的强度。开口或喷嘴86的位置必须使压缩空气捕集入槽或通道83中，而不应该从船头的外轮廓漏出。可设置附加口90来保持空气层的均匀一致并消除由波浪作用和振动引起的气流内的不规则因素，这些不规则因素由任选传感器92来探测。如图3B中所示，关于开口的多种选择由本发明的系统所应用，比如用于气泡或气流的流体动力开口94，和用于气泡的小孔96或多孔材料98。开口100可拆卸使用。出口86，94，96和98可以单独使用或彼此联合使用。根据本发明，收集器设在船尾，用来在压力下收集与在开口86和90处导入的空气一样多的空气。如图3C所示，船壳右侧的槽向形成于中心处并位于槽顶部的收集孔34倾斜。隔板78将空气辅助导向收集孔34。在图3船左侧的船尾处示出的另一结构形式中，压缩空气通过贯穿通道宽度延伸的细长槽102来收集。
参见图4和4A，根据本发明的减小船壳上水摩擦的高能效系统和方法用在一只具有不同类型船壳的船上。在此实施例中，船壳底部没有形成多个槽的彼此隔开的肋，而只有一条突起状的肋104沿着船壳基本垂直的侧壁下缘和船尾形成。压缩空气从船头导入，如前所述通过开口106沿着船脊如图4和4A中箭头108所示向后流向船的两侧。如虚线110所示，收集孔或槽沿突起状肋104的内侧设置，用来回收压缩空气。
在图5和5A所示的本发明的实施例中，船壳具有中凹的底部表面112。气体入口114设在船头，在下凹表面以下以空气或气泡116的层流或流束的形式引入压缩空气。捕集在下凹底面112下方的空气如箭头118所示流向船尾。如前面说明的实施例一样，压缩空气通过位于船尾的收集孔120来收集。如前所述的系统用来循环压缩空气，使之重新在船的下凹底面112下方流动。与前面所列的本发明先前描述的实施例一样，隔板122协助气流导向，防止其从船的侧面溢出。
图6，6A和6B示出本发明的方法和系统应用于比如潜艇的水下船上的情况。在船底上设置带肋126的较平整的表面124，形成通道或槽128，经由开口130把空气导入槽128，并使空气以层流、流束或气泡132的形式按箭头134的方向流向船尾。如前所述，压缩空气在船尾通过收集孔136收集以便循环利用。
图7A和7B示出本发明的方法和系统的另一实施例，应用于船的侧壁138接近垂直的场台。根据侧壁的垂直高度，多个类似系统140一个撂一个地设置，以使用气流覆盖侧壁。如图7A所示，设有两个类似系统140。每个系统140包括一个开口142和位于其下方并相互隔开的收集器144。收集在收集器144中的空气流经收集分离系统146，这在前已作了描述。从系统146回收的空气由风机148循环，并通过供给线150返回到开口142。普通或分离压缩机，高压储存单元和有阀导管152用空气对系统进行预置，并且由于流失而需要用空气对系统进行补充。压缩空气按管头154所示沿着船侧从开口142流向收集器144。预置和补偿所需的空气由大气通过进气装置156来提供。应该注意到，每个系统140都以不同的压力提供气体，这取决于开口142在水面以下的深度。
图8是本发明另一压缩空气收集和分离系统的放大图。压缩空气在水面下的船壳表面上流动，通过壁160上的收集孔158收集，如箭头162所示通过通道164流到收集分离腔166内。回收的压缩空气通过腔166内的出口168来循环。
图9描绘出船170的局部剖视图，表示出建立空气体积的装置172，这一装置用在本发明的减小船壳上水摩擦的高能效系统中。如箭头178所示，通过收集孔174回收的压缩空气流入收集分离腔176内。压力腔180由柔性囊182分成两个部分。第一部分184通过开口186用支承船的水填满。第二部分188由通道190与腔176联通。这样，第一部分184内的水压作用在柔性囊182上，该囊根据两个部分184和188的相对压力而伸缩，从而建立起压缩空气在第二部分188和腔体176内可调节的体积。水从第二部分188出入情况如简明头192所示。
图10描绘出船194的局部剖视图，表示了另一个用于本发明减小船壳上水摩擦的高能效系统中的分离器196。船的底部198上设有如前面实施例中描述的槽或通道200。船壳底部的船尾部分202比另一部分204低，并且设有可调节的导引边缘206，用来将槽200内流动的压缩空气与槽下方的水分开。由导引边缘206分离的压缩空气208经由收集口210和调节阀212流到收集腔214。调节阀212调节成只接收通过槽200的空气。通过调节气流的体积，使之与空气体积相当，多余的水被禁止进入腔214中。腔214内设有隔板216，以防止夹带在压缩空气中的水越过水面直接进入压缩空气的空间中。为了辅助调节腔214内的水面高度，腔底部的出口218与船底船尾部的排泄口222通过一流量调节器220相连。为了保持腔214内需要的气压，多余的水224可从口222排出。系统218，220和222可以应用于在此描述的本发明的其他实施例中。
图11是一船226的局部剖视图，该船具有另一结构形式的收集器／分离器228，用来回收沿船底流动的压缩空气。这一实施例也用于本发明的减小水摩擦的高能效系统中。在船壳234底部表面的槽232中流动的空气230通过开口236进入收集腔228。通过开口236的气体积由滑阀238调节。通过调节滑阀238，开口236可以具有足够的开度，从而允许过量的水进入腔228中，并从开口的船尾部流出，如箭头240所示。尽管大量压缩空气可被回收，但仍可将一开口242通过流路244与腔228相连，这个开口242可以是下凹的V，贯穿形成于船底。流过开口236或者夹带在水中与开口236的船尾部脱离的压缩空气将被收集在开口242，开口242可设一控制阀246。这种空气回收系统可用于本发明的任意或全部实施例中。
图12是具有V形船壳248的船的局部剖视图，与图4和4A中示出的相似。为了收集由隔板或脊250约束的气体，如图所示可制成管状的进气通道252与一主流路或主管254相连，该主管如前所述为收集器／分离器提供回收的压缩空气。如图10中示出的排泄口222可用来从与主管254连接的分离腔中排出多余的水，从而避免了管254和252内的回流扰动。
图13是与图7A和7B所示的船相似的船侧壁256的局部剖视图。为了收集由下凸的脊258约束的气体，设置了进气通道260和主流路262，与图12中所述的相同。
图14是根据本发明的另一实施例的收集器264，用来回收沿船底表面流动的压缩代气。这一收集器与图11中所示的相似，其中设有一辅助流路用来回收压缩空气，而不是用主开口266来回收。辅助或回收开口268设在主开口266的尾部边缘。该回收开口268由流路270与收集器／分离器相连。回收开口268可以设一阀，考虑到安全问题，用来关闭系统。
图15，15A，15B和15C示出船272。该船具有与收集腔276做成整体的漩涡分离器274。图15B示出放大截面，而图15C示出立体图。进入漩涡分离器274的压缩空气和夹带的水被分离，压缩空气从顶部280送走，水则在底部282排走。船272图中示出是浅水船，因此只使用一个风机／泵284，既用来从分离器274通过流路286循环空气，也用来压缩从带阀入口288流过的空气。通过开口294流向船壳292底部表面流动的压缩空气流由例如阀296的流量控制装置来调节。同样，从分离器274到风机／泵284循环的气流由例如阀298等调节器来控制。传感器300用来控制阀290，296，298和风机284，从而保证腔内需要的水面高度。在此实施例中，以浅水船为例，收集器可以很容易地与船壳制成一体，可以用复合材料制造。这类整体的收集分离器可以制造并且加装在各种形状的船壳上，无论是浅水船还是深水船，而且可以用复合材料，钢铁或其他材料制造。在具有最小的气体再分配深度的条件下，这些装置的效率最高，而且由于其长度的原因，更适合于用在高速的场合。整体型收集器／分离器结构简单，是许多类船所需要的。
图16和16A表示出深水船302。该船使用了具有机械分离器306的整体收集／分离器。最初的高压空气由如图1所示出(这些图中未表示)的高压压缩机提供，并由风机／泵308来循环。该系统设有传感器310来控制水面高度312。箭头314表示空气流动情况。从整体收集／分离器经由管318到达风机／泵的气流由控制阀320来调节。
图17和17A示出本发明的一个实施例，其中在浅水船322的船头下方流动的空气在船壳下被截留并压缩，然后如前所述进行循环。如图17A所示，紧靠水面326上方的空气324截留在船壳下并约束在通道328中。被截留的空气由邻近船尾的收集／分离器330收集，然后经由流路332循环到靠近船头位于水面326以下的开口334。例如，收集器可位于水面326以下9英尺，开口334则位于水面326以下1或2英尺。如前面描述的实施例那样，可设置包括传感器和阀的调节系统336来控制收集器330内的水面和流路332中的气流。在这种情况下，船壳成为压缩机，而空气由流动的水推向船尾，由于船尾比船头更深，因而流向船尾的空气被驱致水下更深的地方，并且被压缩。
回顾以上所述，根据本发明的减小船壳上水摩擦的高能效系统主要包括压缩空气／气体循环系统，该系统包括设有过滤器的空气／气体入口，在需要的时候将压缩空气引入高压压缩机／泵。压缩空气／气体从多个点引入系统中来对系统进行预置。阀用来控制供应线路内的空气／气体流。高压空气／气体引至靠近船头水面以下处于关键位置的各种类型的开口处，然后经过各种槽或通道，或者在半平整的船底下方，沿船底流向船尾，随后在船尾处升出水面以前由开口或收集孔来回收。仍然受压的空气穿过收集／分离腔，而收集／分离腔按照需要，允许进入空气／气体的体积发生改变。传感器按需要驱动用来调节收集／分离腔内的水面的控制元件。水面的高低通过增减此处安装的循环风机的速度来调节，还通过打开供给阀向腔体增加新的空气／气体，将空气／气体转送到需要的区域，或者通过开关调节阀来进行调节。收集并分离后的压缩空气需要的话通过使用一高效泵／风机来循环，这种泵／风机产生足够的正压来迫使空气／气体经由管路回到船头穿过开口，这样便完成了一个循环。船底与水面成一夹角、向船尾下倾的船，可在空气向后流动时将空气压缩，从而提供迫使空气通过开口流回到船头的需要的正压力。
还可设置传感器来控制关闭系统的安全装置。为了安全安装响应来自传感器信号而工作的阀，以调节或关闭系统，防止水进入系统或进入船中，而只允许气流进入。
可用调整囊系统来更有效地调节回收空气／气体。囊受与其处于同一高度的包围船壳的水的压力作用，并且在波涛汹涌的海面上船壳倾斜的时候也有助于保持需要的空气体积。本发明适用于各种船壳结构，包括其他平整的和半平整的船壳结构。稍稍下凹的底部适用于多体型船壳的设计，例如双体型船壳。
尽管已对本发明的几个实施例进行了说明，多个实施例的特征的各种结合还可以形成另外的实施例。因此，列出本发明的特征的以下变化方式，将其应用于本发明的减小船壳上水摩擦的高能效系统的不同形式中是很容易理解的1．循环压缩空气可以采用不同于前述的方式来使用。上述实施例采用了在回收压缩空气或气体内蓄能的某些方式。
2．如果需要的话可使用其他气体而不是空气。由于本发明的回收系统，气体流失很少。空气以外的其他气体效果可能更好，易于与水分离，或者具有防污和／或防蚀性能。
3．本系统可以独立设计以适应不同类型、不同形状和不同尺寸船的需要。
4．本系统可以采用一个或多个不同长度的槽或通道。
5．压缩空气／气体的分配口可以在尺寸、型式和位置等方面发生改变，以便产生气泡、气流和空气／气体层，为每个具体船提供需要的效果。开口可以是孔眼，下凹的细长孔眼、钻孔、槽、多孔材料、薄膜或各种其他形式。也可以做成可拆卸的，以便维护和更换。
6．空气／气体的收集孔或开口可以在尺寸、型式、形状和位置等方面根据系统本身而变化，也可以做成可拆卸的，以便维护和更换。
7．空气／气体的位于船下方或沿着船侧的流路可以是通孔、通道、槽、过半平表面或者其他具有限制性的结构。形成流路的隔板根据船壳的形状而改变。
8．各种水面传感器和气压、水压传感器可以应用于本发明的具体应用场合。
9．压缩机、泵、风机、风扇和自动阀门的动力源根据可用情况和需要而改变。
10．空气／气体的辅助开口可设在船下或沿船侧的空气／气体流路长度方向的各种位置，以便更好地调节水和空气／气体的界面。
11．可在收集腔或界面区域之间设置受控流路，以便在多流路系统中重新分配或平衡气流。
12．可用传感器来监测沿着船下、船侧或船尾流路流动的气流。
13．单个的高压压缩机和／或循环风机、泵或风扇可用在船下或船侧的多流路系统中。一个压缩机或风机可供给一个、多个或全部独立的流路，或者每个流路可具备其自己的压缩机或风机。
14．收集腔内的分离器或过滤器可协助分离水和空气／气体，并且在腔内使水的运动最小。而且，可加入气体或溶液形式的可降解化学物质，辅助气／水分离。漩涡式分离器可以位于腔体内或腔体上，或者位于腔体和循环风机之间，用来进行分离。紧接收集腔之前或在收集腔内可以引入例如由超声波发生器产生的振动，以辅助均匀化气体使之成为单一的气团。
15．传感器、阀门和高压注入装置可用于整个系统中，辅助操纵空气／气体和预置、关闭系统。
16．空气／气体可以沿着位于船中心的脊分配，在船具有稍呈V形的船壳时，在沿船侧稍稍向后的位置和船尾回收气体，或者，在船具有呈倒V形船壳时，气体沿两侧分配，在中心处收集。
17．有的船其侧壁和船尾几乎垂直以减小船侧面或尾部的水阻力，这种情况下空气／气体的分配和收集可以在不同深度沿着船侧或船尾来进行。一个或多个在不同压力下工作的系统彼此撂放在一起。
18．在压缩机／泵和开口之间可设置高压储存箱，用来储存和回收来自压缩机／泵或流路的多余的空气／气体。
19．完全位于水下的船，比如潜艇也可使用本发明的系统。船在水面上工作时，任何空气流失都会得到补充并储存起来。
20．当船在产生盐份、锈片和碎屑的水中作业时，可设内置维护净化系统。这些系统可以是机械式或是高压水或净化液。
21．驳船类的无动力船，压缩空气／气体可从拖船上转送过来。压缩空气可以回收起来以便再分配给另一艘无动力浅水船，或者返回气源进行再压缩。
22．系统内气体的体积可响应船壳上的水压而进行调节。例如，使用一个柔性囊使其一端暴露在船外壳的水压中，另一端形成储存压缩空气／气体的部件。
23．各种空气压缩机比如柱塞压缩机、回转压缩机、回转风机、离心风机、风扇，以及船壳和其他装置，都可根据压力和体积的具体需要在本发明的系统中使用。
24．在多路系统中，可以设一安全系统，这样船脊一侧的一路关闭时，另一侧与之相同的一路也将关闭，因而不会影响船的操纵。
以下将对本发明系统的能量效率进行阐述。系统工作所需的能量取决于循环风机、泵／压缩机、风扇和其他动力装置的需要。然而，深度每增加1英尺同时保持气体供给的稳定所需的能量应使压力增加1磅／英寸2来克服深度每降1英尺所带来的影响。
根据本发明提供的能效系统，举例说明，保证10000立方英尺／分的气体，深度每降1英尺，需要的能量为150马力(HP)。如下所示所需气体量 深度 马力+3磅／英寸2所需马力 占10000马(立方英尺／分)(英尺)(HP) (HP)(HP)力的百分比10000位于 1 150 450 600 6．010000位于 2 300 450 750 7．510000位于 4 750 450 120012．010000位于 8 1200 450 165016．510000位于 162400 450 285028．510000位于 324800 450 525052．510000位于 649600 450 10050 100．5每个深度所需的额外的450马力提供另外3磅／英寸2正压，用来克服外船壳表面上的水压和补偿空气散失。所需额外马力的多少根据具体使用系统而变化。
大型船需要大于等于10000立方英尺／分的空气／气体来产生沿船侧或船壳下方流动的所需气流。如果空气／气体内的能量在船侧和船尾散失的话，落入水下32英尺深的船所需功率如上所示为5250马力，以便产生和分配所需的10000立方英尺／分气体。然而在工作中，使用本发明的循环系统，只需要将空气／气体下压约2英尺深度的功率。也就是从水下30英尺的高度，即分离腔内的水面高度返回到位于32英尺深处的开口。这样的话，在这个例子中，所需功率仅为750马力，除此之外，如果不设空气隔板，还需额外的功率来补偿船尾处的空气／气体的微量流失。该额外功率在没有本发明的能效系统时小于所需总功率的10％。
举例来说，设想有一只船，吃水32英尺，有10000马力的可用功率，需要10000立方英尺／分的空气／气体。在没有本发明的空气／气体循环措施的情况下，如果在19．25％或1925马力储存在系统中时有效增益大于10％，且需52．5％的功率或5250马力的功率来在32磅／英寸2压力下供给气体，就会有33．25％或者3325马力的名义功率损失，储存的功率小于提供空气所需的功率。然而在具有本发明的循环措施时，在17．5％或1750马力下效率损失为10％，只有7．5％或750马力用来再压缩气体，这样名义节省值为10％或1000马力。在这一例子中，根据本发明的气体循环节省功率将在大约2．2英尺的深度或再分配深度小于10％时开始发挥作用。无本发明系统的船在较大水深的情况下很快就变得效率低下，降了位于9．83英尺以上的单个位置，否则会产生效率损失而不是效率增益。使用本发明的系统节能的多少取决于循环系统迫使空气／气体通过开口到达船表面对其进行再分配的水下深度。前述的例子中再分配深度为2英尺。
当然使用本发明的系统所节省的能量随每种应用场合而改变，下面是使用本发明的系统实现能量节省的一个示意无循环系统 有循环系统马力储存 1925马力1750马力减去系统能耗-5250马力 -750马力等于净节省或损耗-3325马力 +1000马力占10000马力的百分数33．25％损耗10％节省由本发明的系统实现的总能量节省根据船壳结构的不同而使每个应用场合的结果都不同，船身越长吃水越深的船获益最大。有些船可实现节能25％以上。前面的便子只用来说明潜在的能量节省，实际的能量节省随具体应用而改变。本发明的系统通过使用较小的再分配深度可用在底部吃水只有几英尺的轻型半规划(semi-planning)船上，优势明显。使用图15A，15B，15C，16A和17所示的收集／分离系统，这一度可以小到几个英寸。
尽管对本发明的几个实施例进行了说明，但对于本领域技术人员来说应该清楚，前面说明的只应看作是根据本发明的减小船壳上水阻力的高能效系统的优选实施例。根据本发明减小船壳上的水阻力是通过在船壳和水之间设置空气或其他气体的气流来实现的，通过收集和循环船壳下流动的压缩空气或气体避免了储存在其中的能量的流失，从而提高了效率。在此使用的气休包括空气或其他混合气体。尽管在此列出的是空气，但应该理解如果在某些场合有特别的需要，其他任何气体都可取而代之。依照专利法，在不脱离本发明的精神实质和范围的条件下，可以对减小船壳水阻力高能效的本方法和系统进行改变。所附权利要求意欲含盖所有落入本发明精神实质和范围内的这些改变或修改。
权利要求
1．一种减小船在水中行进时船壳和水之间摩擦的系统，包括A．压缩气体的气源，B．分配系统，所述分配系统从所述压缩气体的气源接收压缩空气，并且将其分配到船壳的外表面，从而在船壳的外表面和水之间提供一气体界面，C．压缩气体回收装置，用来在压缩气体流过船壳的外表面后将其回收，D．循环装置，用来将回收的压缩气体返送回分配系统，这样船壳外表面和水之间的摩擦减小了，压缩气体中的能量也得以回收。
2．如权利要求1的系统，其特征为，压缩气体被分配到靠近船头的船壳外表面。
3．如权利要求1的系统，其特征为，压缩气体回收装置靠近船尾设置。
4．如权利要求1的系统，其特征为，船壳的外表面上设有隔板，防止压缩气体流到行船的水体的上表面。
5．如权利要求4的系统，其特征为，所述隔板形成通道，用来将压缩气体的气流从船头导向船尾。
6．如权利要求5的系统，其特征为，所述回收装置包括一个控制阀，该阀位于每个所述通道的船尾端，用来调节回收的压缩气体的气流。
7．如权利要求6的系统，其特征为，每个所述控制阀提供的气流流路的宽度基本上与对应的所述通道的宽度相同。
8．如权利要求5的系统，其特征为，所述压缩气体的气源是船头通道内的截留空气部分。
9．如权利要求5的系统，其特征为，设置滑阀来调节从所述通道到所述压缩气体回收装置的压缩气体的气流。
10．如权利要求5的系统，其特征为，每个所述通道都设有一回收装置。
11．如权利要求4的系统，其特征为，所述隔板用来将来自船头的压缩气体的气流导向船尾。
12．如权利要求11的系统，其特征为，所述压缩气体回收装置包括位于船尾处的船壳的第一部分，该部分在所述通道下方延伸，形成隔板，将压缩气体导向位于每个通道船尾端的收集孔。
13．如权利要求12的系统，其特征为，所述船壳的第一部分包括位于可调节部分的引导边，该引导边可进行调节，从而将槽内的压缩气体与位于槽下的水分离。
14．如权利要求5的系统，其特征为，设置滑阀来调节从所述通道到所述压缩气体回收装置的压缩气体的气流。
15．如权利要求1的系统，其特征为，所述压缩气体通过船头处船壳内的多个孔来分配到船壳的外表面。
16．如权利要求1的系统，其特征为，所述压缩气体回收装置包括分离装置，用来将夹带的水与回收的压缩气体分离。
17．如权利要求16的系统，其特征为，设置隔板来防止夹带在回收的压缩气体中的水直接进入位于分离腔顶部的压缩气体中。
18．如权利要求16的系统，其特征为，设置有一流路来从靠近船尾的所述分离腔将水排出，所述回收的压缩气体不通过该流路进入所述压缩气体回收装置。
19．如权利要求16的系统，其特征为，所述压缩气体回收装置包括一分离腔，在该腔内回收的压缩气体与夹带的水分离。
20．如权利要求19的系统，其特征为，一过滤器设在从所述分离腔到所述回收装置的流路上。
21．如权利要求19的系统，其特征为，一压力腔内设有一柔性囊，将压力腔分成第一和第二两部分，所述第一部分受在压力腔高度的船壳上的水压作用，而所述第二部分与所述分离腔联接，根据所述第一部分内的水压来调节所述第二部分和所述分离腔内气体的合成体积。
22．如权利要求19的系统，其特征为，设有气流控制装置来调节回收的压缩气体进入所述腔的气流。
23．如权利要求19的系统，其特征为，所述腔内的水面高度响应所述腔内的水面传感器来调节。
24．如权利要求19的系统，其特征为，在所述压缩气体气源和所述腔之间设有一流路，以保持所述腔内所需的气体体积和压力。
25．如权利要求1的系统，其特征为，所述循环装置包括一压力平衡装置，在所述压缩气体返送回所述分配系统时，平衡所述回收的压缩气体和所述气源之间的压力。
26．如权利要求25的系统，其特征为，所述压力平衡装置是风机／泵。
27．如权利要求1的系统，其特征为，将气流控制装置设在所述分配系统中。
28．如权利要求1的系统，其特征为，船壳具有一基本平整的底部，该底部上设有所述分配系统，将压缩气体分配到船头处平整底部的外表面，从而在水和平整底部之间提供一气体界面，所述压缩气体回收装置在船尾回收压缩气体。
29．如权利要求28的系统，其特征为，船是潜艇类船。
30．如权利要求28的系统，其特征为，船尾处船壳的一个部分比所述平整底部的外表面低，所述气体回收装置通过一些孔来回收压缩气体，这些孔位于所述平整底部的船尾端和船尾处船壳的所述部分之间，该船尾处的船壳部分比平整底部的外表面低。
31．如权利要求28的系统，其特征为，所述分配系统还在船头和船尾之间的一个或多个额外位置上将压缩气体分配到平整底部的外表面。
32．如权利要求1的系统，其特征为，所述船壳具有一下凹的船底，所述分配系统在船头将压缩气体分配在下凹底部的外表面上，从而在其与水之间提供气体界面，所述压缩气体回收装置在船尾回收压缩气体。
33．如权利要求1的系统，其特征为，一部分船壳由基本垂直的侧壁形成，分配系统接收来自所述气源的压缩气体，并将其通过侧壁上的孔分配到垂直侧壁的外表面上，所述压缩气体回收装置用来回收侧壁上位于分配压缩气体的孔上方的压缩气体。
34．如权利要求33的系统，其特征为，所述孔沿侧壁从船头到船尾基本水平成排延伸，所述气体回收装置也基本从船头到船尾水平延伸。
35．如权利要求33的系统，其特征为，分配气体的多排水平延伸的孔在船侧壁上彼此垂直隔开，除了最高那一排气体回收装置，多排气体回收装置位于每排孔的上方并且恰好位于更高一排气体分配孔的下方。
36．如权利要求1的系统，其特征为，所述压缩气体回收装置包括船尾处船壳的第一部分，该部分在船壳外表面的前部之下延伸，气体界面便设在此船壳外表面上，压缩气体通过至少一个孔回收，该孔紧邻所述第一部分的船头侧。
37．如权利要求1的系统，其特征为，所述压缩气体回收装置包括一漩涡分离器，把回收的压缩气体与夹带的水分离。
38．如权利要求1的系统，其特征为，所述压缩气体气源还接收所述回收的压缩空气。
39．如权利要求1的系统，其特征为，设置有气流控制装置来调节通过所述分配系统的压缩气体气流。
40．如权利要求1的系统，其特征为，所述压缩气体回收装置包括一振动引入装置，促使压缩气体的气泡均匀一致。
41．在具有船壳的船中，所述船壳用来将船支承在具有上表面的一水体中，至少船壳外表面的第一部分位于水体上表面以下，一种用来减小该第一部分上水摩擦的系统包括一压缩气体气源，一分配系统，所述分配系统接收来自所述气源的压缩气体，并且将其在水体的上表面以下船尾以前邻近所述船壳外表面的第一部分放出，设在所述船壳外表面的所述至少第一部分上的一隔板，用来滞留紧挨船壳外表面的压缩气体，一收集装置，靠近船尾布置，而不是紧邻船壳外表面的所述第一部分放出压缩气体的地方布置，以便在压缩气体流向船尾时收集由所述隔板滞留的压缩气体，一管路系统，用来将收集的压缩气体返送回所述分配系统以便循环利用，船壳外表面和水之间的摩擦减小了，压缩气体中的能量也得以回收。
42．如权利要求41的系统，其特征为，所述隔板形成多个从船壳外表面的所述至少第一部分突出的脊，并且这些脊在船头和船尾之间延伸。
43．在具有船壳的船中通常与水接触的船壳的外表面，包括一压缩气体的气源，用来在压力下向通常与水接触的船壳外表面提供气体，一隔板，在压缩气体从船头向船尾流动时，用来滞留与船壳外表面接触的压缩空气，一朝向船尾的气体收集装置，用来收集压缩气体，该压缩气体来自所述气源，由所述隔板滞留，并且流向船尾，一管路系统，用来把收集的压缩气体返送回船头，与气源提供的压缩空气相结合，再一次供给通常与水接触的船壳外表面。
44．一个船壳，其外表面通常与水接触，并且设有隔板，用来限制压缩气体的气流，该压缩气体气流沿着船壳的至少一个位于水下部分的外表面流动，隔板还用来防止所述压缩气体泄漏到水面以上，该船壳包括一压缩气体气源，用来在压力下向船头给所述隔板提供气体，一朝向船壳尾部的压缩气体收集装置，用来收集压缩气体，该压缩气体来自所述气源，通过所述隔板流向船壳尾部，一管路系统，用来把收集的压缩空气返送回船壳头部，与气源提供的压缩气体一起供给所述隔板。
45．一种减小船壳上水摩擦的高能效方法，包括以下步骤A．产生压缩气体的供给量，并将其提供给一分配系统，B．从分配系统中将压缩气体释放到船下的船头处，C．释放出的压缩气体紧贴船壳的外表面流向船尾，从而在船壳外表面和水之间提供一气体界面，D．在船尾处回收压缩气体，E．由分配系统循环回收的压缩气体。
46．如权利要求45的方法，其特征为，所述回收压缩气体的步骤包括将夹带的水与回收的压缩气体进行分离的步骤。
47．如权利要求45的方法，其特征为，所述压缩气体的释放步骤包括调节压缩气体气流的步骤，该调节步骤提供一优化的气体必需量，从而在船壳的外表面和水之间提供需要的气体界面。
48．如权利要求45的方法，其特征为，所述产生压缩气体供给量的步骤包括在必需的压力下供给压缩气体的步骤，从而将其在船头以下释放。
49．如权利要求45的方法，其特征为，所述循环回收后的压缩气体的步骤包括进一步压缩回收的压缩气体的步骤，使其压力达到从供给源提供给分配系统的压缩气体的压力。
50．如权利要求45的方法，其特征为，所述循环回收气体的步骤包括储存大量回收的压缩气体的步骤，以便将夹带的水从中分离。
51．如权利要求45的方法，其特征为，通过形成在船壳外表面上的通道而将释放的气体导向船尾。
全文摘要
一种减小船(10)的船壳上水摩擦的高能效系统。船(10)的通常与水接合的外表面与水的接触通过关键性地将压缩空气或气体引入并覆盖到该外表面上而减弱。压缩空气田各种槽(30)、通道(66)或半平整表面(124)滞留在外表面上,这些槽、通道或半平整表面沿船底长度,有些应用场合下是沿垂直侧壁的长度延伸,从而防止气流到达水面。压缩气体或空气在流出船尾或船侧以前被回收,并通过能效循环系统(34,36,37,38)的装置循环到船头,从而回收了从船头流向船尾的压缩空气或气体内的能量。船壳越大,吃水越深,通过压缩空气或其他气体的循环所实现的效率就越高。
文档编号B63B1/38GK1280540SQ98811727
公开日2001年1月17日 申请日期1998年12月2日 优先权日1997年12月2日
发明者丹尼尔·J·玮珀 申请人:丹尼尔·J·玮珀