专利名称：少水模式槽运的制作方法
少水模式槽运技术领域古老的运河运输，曾称作槽运,现今我们专门建设专用水槽作运输,将在低能耗前提下，极大提高运输量。所谓少水模式也叫浅水模式，就是水槽中只要装少量水就可以满足船舶的航行需要，给干旱地区甚至于沙漠地区进行航运垫定基础。本发明属于航运工程技术领域。技术背景牛顿研究流体中运动物体所受阻力时，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比。水翼船和侧壁气垫船分别用水下水翼及向下喷气的办法使船身的大部分抬出水面，减少船的迎流截面积，从而减少船的航行阻力。但抬高船体要连续消耗巨大能量，因此需要改进。本发明是杨金玉发明“索道缆绳拉牵式内河航运系统”(200910023914. 9)的延续。发明内容在广阔的水面上要想把航行中船身的大部分抬出水面，而不连续消耗巨大能量是做不到的。我们用标准水槽配合特殊形状的标准船只，在有限空间内形成特殊水流，就能在航行中自动把航行中船身的大部分抬出水面，且为保持该动平衡状态而消耗的能量很小。这样不但减少船的迎流截面积，减少船的航行阻力，而且水槽的用水量还可大大减少。详细发明内容结合附图加以说明。
图I为少水模式槽运原理示意图。图2为槽运船犁形船头及水流示意图。图3为槽运运行示意中，I为船，以船队方式运行，由十多艘(200910023914. 9)发明所述的标准化自封闭气垫船和犁形船头、船尾构成，其运行速度为定速；标准化气垫船，是一种无动力、敞开式、方方整整的平底船，可以运集装箱也可运散货；船舱四边分布四个注水方式的调吃水、调平衡舱，船底设有自封闭气垫舱；船之间，底部有折叠式密封气垫通道，两侧有弹性布帘盖住间隙，消除船间涡流，使装满货、调好吃水和平衡后的船队，仍然保持方方整整光光溜溜的单船形态，2为水槽，水槽宽度有严格的尺寸标准，与形体特别的槽运船配合，形成特殊的水流，完成自动抬升船体和转弯功能；槽运水槽采取梯级水平槽形式，采用能利用下坡船队势能牵引上坡船队的上下联动的斜坡水槽作梯级转换；视沿途地形不同，水槽分别采用地下(隧洞)、地表、高架方式，3为水，对于干旱严寒地区，视情况要用低温不冻且蒸发少的特种水溶液、盐水、油来替代，4为岸边牵引动力装置，当采用直线电机驱动时，电机初级线圈安装在岸边，而船的金属外壳就是电机次级；当采用链轮传动方式时，动力电机和链轮安装在岸边，而船的外壳上安装变形链条，5为架空钢索拉牵装置，类似于架空钢索缆车，也是船的动力，比较适合于水位有变动的场合，6为气垫。我们先讨论用标准水槽配合特殊形状的标准船只，如何使航行中船只的船身的大部分抬出水面的原理。图I画出在水槽中航行的船只的船头、船尾、船身三处的横断面、船与槽缝隙处纵断面的水流情况。先看船身横断面，船两侧缝隙处有高水位，水面高度与船的载重量一致，这是正常航行的自然状态，由于摩擦损耗和船尾缝隙的泄漏损耗，通常接近船、头的水位要稍高于船尾，因此整船随水位而先高后低也是常态，这一段称动平衡区；再看船头横断面，当船以速度V前行时，图2犁形船头的前端的斜面上部的水(船头横断面图上虚线所示)将沿着斜面一边向上(水流的动能可以使水流爬高h = v2/2g米，比如船速每小时30km能爬高3. 5米,船速每小时60km能爬高14米)一边向缝隙集中流动,连绵不断地向缝隙补充水维持缝隙高水位。这一过程，实际上是把动能变势能，用来补充整个缝隙的能耗，使整个缝隙的高水位动平衡得以维持，犁形船头段称补充能量输入区；接着看船尾横断面，船尾形状类似于犁形船头，以其独特的形状配合水槽，尽量做到船头的水是怎样爬上来流入缝隙的，船尾缝隙中的水也反过来照样排放下去，完成既能维持船身尾段的高水位又能利用或泄放多余能量的任务。需要指明，缝隙摩擦损耗和船尾缝隙的泄漏损耗越少，为保持高水位动平衡，需要从犁形船头段补充的水越少，船体被抬出水面就越高，行船能耗越省。该段称能量保蓄关隘区。我们不难看出，能够保持航行中船只的船身的大部分抬出水面的动平衡，是通过把水流限制在一定空间内，并被船体形态及船速所控制得以实现的，而水流自由流动的广阔的水面是做不到的。特别强调，保持船速恒定是动平衡的必要条件，若船速下降则船头补水减少，缝隙高水位下降，船将下沉搁浅在本来水量不多的水槽底(可以利用减速及犁形船头处突然伸出挡水板作船队紧急刹车)。我们的槽运船是以船队方式运行的，比如15条船总长L = 300m，各船尺寸统一且很方整，水槽宽度一致，船与槽之间是小缝隙，且平行度好，因此船与水槽缝隙中水流可以套用流体力学中，平行平板间的缝隙流动理论结果①平板(船)移动速为V时，将随船带走缝隙中水流量Q1= bhv/2，产生摩擦损耗N1 = bi!v2L/h，②因缝隙两端有水位压力差Ap = P1-P2 (见图I),形成由高向低的缝隙水流,流向与船带走的相反,其流量q& =b Aph3/12 V- L,泄漏损耗N2 = b Ap2h3/12 V- L,③当上述q^= ，缝隙无水流进、出(缝隙无泄漏)，由上述公式可推出无泄漏缝隙宽度h$= (6 u vL/Ap)1/20若代入缝隙两端水位差 0.3m(即 Ap = O. 03km/cm2),船速 v = 30km/h = 8. 33m/s, u = 0. 001,吃水 b = 3m,可得1!$为0.071米。实际缝宽可设计得稍大些，容许有些泄漏。由此可见，船尾的泄漏总量可以通过调缝宽来控制，至于泄漏水流的形态，就靠犁形船尾的坡度、曲面转角来控制，必要时还可加些引流片。犁形船头、船尾的斜坡角要尽可能小，使水流为缓变流，减少损耗。船起航的速度由0至V需要一个过渡，开始时船停在深水水槽区，船头大部埋在水下，船一起动，此时犁形船头两边像两个大漏斗，迅速收集水流灌入缝隙，使缝隙水位急速上升，高水位落差导致q&很大(即高水位迅速向船尾扩张)，同时前部的船(包括犁形船头)随水位急速上升而抬高，犁形船头的抬高将使进水量减少，引发q&下降；而船速的上升却使qi增大，此消彼长的结局是动平衡(船速达到V时)。不难发现，当犁形船头前端分水劈处于中心时，船头两边的缝隙进水量相等，水位一样高，也就是说正常运转时船是不会擦壁的。若分水劈稍稍偏离中心，船头两边的缝隙进水量不等，两缝隙水位不一样高，船就要傾斜、偏移、转弯，此效应与船舵一样，但原理不同。利用分水劈的船舵效应，做一个可偏移的分水劈，并配合转弯水槽的壁面角度调整，我们可以完成定速船队，在定转弯半径的水槽中的转弯任务。
船起航过程叙述，看来很轻松，实际上很沉重，要消耗巨大能量。我们来算一算把300米长，载重7500吨的船队抬高2. 9米(原吃水3米)，需要的能量W=7500X9. 81X2. 9=213367. 5X IO3N. mN59. 2kw. h，如果要在一分钟内完成抬升任务，就得增添一台3552kw功率电机连续工作(若改在十分钟内完成抬升，电机功率减十倍)，这种消耗仅存于船起航阶段，转入正常航行就不要了。也就是说船的停泊点，不仅水要深，还要备份大于正常运转驱动力的额外动力。
下面粗略分析对比一下，船宽度、船总长不变，水位落差Ap不变，吃水由3米变为10米(载重变为25000吨)，船速提至60km/h时，能耗增长情况。通过上述公式可算得由速度倍增、吃水3米变10米引起①Ii55应增大I. 414倍，虽然Ii55增大，但实际缝宽设计取值时，仍有保持缝隙泄漏不变，也就是说仍有使10米吃水的船队抬高9. 9米(即迎流截面积不变)的可能，②摩擦损耗N1增大9. 43倍，③泄漏损耗N2增大9. 43倍，④船底为气垫，摩擦损耗增加不多。以上几项相加能耗增加20倍左右。若没抬高船体，则引用牛顿运动物体所受阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的结果，现在迎流截面积增大11. 11倍，运动速度的平方增大4倍，合计增大44. 44倍，远高于20倍。该数据充分反映了本发明的节能优势。还要指出，由于船队以V速度前行，在船后的水槽中将引发平均速度为v/2的“槽流”。如有尾随船队，就可利用该“槽流”进一步节能，而在广阔的水面上该残余能量只能让旋涡白白消磨掉。再粗略分析对比一下本发明的巨大运输能力以船速60km/h，载重25000t，吃水10m，总长300m的船队为例①船宽和运输通道的占地宽度船宽w = 25000 + 10 + 300 =8. 33m，水槽宽在9m内，加上附件占地，双向对开两通道槽运的占地宽度20m左右，与两通道高速公路相当，建造难度造价也相当，②主干航道是两个相互隔离的双向对开的水槽，一个水槽上所有船队只有一个方向一个速度(不发生阻塞)，付航道(包括货物装卸编组港、站-如铁路编组站)船队，用相同速度，以圆弧切线方式进出主干航道，全线由计算机调控进出，理想境界是各船队头尾相接；全线动力装置也由计算机控制，船来启动、船走关闭，③仅以每公里只有一支300m船队的密度计算运输量每小时运量25000t/lkmX60km/h =1500000t/h ;每年(300 天计)运量 1500000X24X300 = 108X 108t，即单向年运量 108 亿吨。对比2004年上海港年吞吐量3. 8亿吨、2009年全国煤总产量29. 5亿吨，就知本发明的运输能力有多么惊人。可预见，今后将形成长途运人靠火车飞机、长途运货靠槽运、短途运输靠高速公路的主流运输新格局。具体实施方法为保证全天侯运输，槽运采取图3所示模式，即船舶运输与管道运输有机结合模式，该模式继承发展了管道运输的高流量、无阻塞、低损耗、基础建设费用低、好维修的优势。图3a为敞开式，适合环境条件较好地段，图3b为封闭式，可以是隧洞，也可以是类似于坎儿井、蔬菜大棚，采用坚固耐用的轻薄顶篷，既能防风尘、阻蒸发又能利用地热，有必要沿途装太阳能热水器加温，水温高阻力小更节能。特别适合严寒、干旱、沙漠地区。槽运的牵引动力有直线电机、链轮传动、架空钢索拉牵三种，都是电力，不耗氧、不污染环境，因此可以像管道运输一样做到长距离无人值守。水槽采取梯级水平槽形式，用上下动力联动的斜坡水槽作梯级转换，相邻双向水槽间有水流循环自流暗道，水槽壁面精度不求过高，但要光滑，最好能在槽壁、槽底，装涂减阻材料以减低船及“槽流”阻力。由于水槽用水量不大，容易实现就近补水；实在干旱，用槽运船从远处运水也不难。水槽水位调节高水位靠超过槽壁高度自动溢出，超低水位时要自动补水，为此每段水平水槽都设有调节余缺的水池及相应设备。为应对天灾人祸造成的水槽阻塞、断裂灾害，在主干浅水槽中每隔一定距离修一段应急深水槽，并添置额外动力，以备水槽修复后船队重新起动时用。应急深水槽还设有清淤设备；在水槽转弯处、应急深水槽及梯级转换处还应添置加气设备，给气垫舱补气。综上所述，少水模式槽运，是在专用水槽中装少量水就可以满足船舶航行需要的低能耗、大运输量的航运新模式。低能耗措施主要有三①利用标准水槽，配合特殊形状的标准船只及稳定的船速，在有限空间内形成特殊水流，该水流能自动把航行中船身的大部分抬出水面，且为保持该动平衡状态而消耗的能量很小。这样不但减少船的迎流截面积，减少船的航行阻力，而且水槽的用水量还可大大减少，②采用标准自封闭气垫船，利用船底所 封闭气体，隔开船底与水的直接接触，使船底在气上走，阻力比水要小800倍，③抛弃螺旋桨推进，改为岸边电机(直线电机、链轮传动、架空钢索拉牵)驱动，既节能又无污染。还采用了适应严寒、干旱、沙漠地区全天侯运输的多项措施。所提供的低能耗、大运输量少水模式槽运方案，将使丝绸之路转化成欧亚之间大宗货物陆地船运通道成为可能。
权利要求
1.一种专用水槽内装少量水就能航行的船舶航运系统，包括 水槽，水，船，岸边牵引动力装置； 其中，水槽，水槽宽度有严格的尺寸标准，与形体特别的槽运船配合，形成特殊的水流，完成自动抬升船体和转弯功能；与行船速度为定速对应，转弯水槽也是定半径转弯；槽运水槽采取梯级水平槽形式，并采用能利用下坡船队势能牵引上坡船队的上下联动的斜坡水槽作梯级转换；视沿途地形不同，水槽分别采用地下隧洞、地表、高架方式；互相隔离的相邻双向水槽间有水流循环自流暗道；水槽壁面精度不求过高，但要光滑，最好能在槽壁、槽底，装涂减阻材料以减低船及“槽流”阻力；槽运水槽有主干航道水槽、付航道水槽之分，主干航道上所有船队只有一个速度，付航道上的船队，用相同速度，以圆弧切线方式进出主干航道，全线由计算机调控进出，理想境界是各船队头尾相接；全线动力装置也由计算机控制，船来启动船走关闭；由于水槽用水量不大，容易实现就近补水，实在干旱，用槽运船从远处运水；水槽水位调节高水位靠超过槽壁高度自动溢出，超低水位时要自动补水,为此每段水平水槽都设有调节余缺的水池及相应设备；正常水槽为浅水水槽，为应对天灾人祸造成的水槽阻塞、断裂灾害，在浅水槽中每隔一定距离修一段应急深水槽，并添置额外动力，以备水槽修复后船队重新起动时用；应急深水槽还设有清淤设备；在水槽转弯处、应急深水槽及梯级转换处，还应添置加气设备，给气垫舱补气；水槽有敞开式、封闭式之分敞开式，适合环境条件较好地段，封闭式，可以是隧洞，也可以是类似于坎儿井、蔬菜大棚，采用坚固耐用的轻薄顶篷，既能防风尘、阻蒸发又能利用地热，有必要沿途装太阳能热水器加温，水温高阻力小更节能，特别适合严寒、干旱、沙漠地区； 其中，水，对于干旱严寒地区，视情况要用低温不冻且蒸发少的特种水溶液、盐水、油来替代； 其中，船，以船队方式运行，由十多艘标准化自封闭气垫船和犁形船头、船尾构成，其运行速度为定速；标准化气垫船，是一种无动力、敞开式、方方整整的平底船，可以运集装箱也可运散货；船舱四边分布四个注水方式的调吃水、调平衡舱，船底设有自封闭气垫舱；船之间，底部有折叠式密封气垫通道，两侧有弹性布帘盖住前后船之间隙，消除船间的水流涡流，使装满货、调好吃水和平衡后的船队，仍然保持方方整整光光溜溜的单船形态；犁形船头以小角度斜坡和变化的曲面引导水流汇入船与槽之间隙；犁形船尾反之，以小角度斜坡和变化的曲面引导水流按设计要求流出船与槽之间隙；通过对缝隙宽度、船头船尾斜坡角度、曲面变化的精心设计和试验定型，形成能自动把船体大部抬出水面和维持高水位动平衡的特别水流，并作到维持该高水位动平衡状态所需补充能耗最省；犁形船头前端的分水劈的偏移，可造成船头两边的缝隙进水量不等，两缝隙水位不一样高，船就要傾斜、偏移、转弯，利用分水劈的船舵效应，做一个可偏移的分水劈，并配合转弯水槽的壁面角度调整，我们可以完成定速船队，在定转弯半径的水槽中的转弯任务；在犁形船头两侧加装能突然伸出的挡水板作紧急刹车； 其中，岸边牵引动力装置，有直线电机、链轮传动、架空钢索拉牵驱动三种方式当采用直线电机驱动时，电机初级线圈安装在岸边，而船的金属外壳就是电机次级；当采用链轮传动方式时，动力电机和链轮安装在岸边，而船的外壳上安装变形链条；用架空钢索拉牵船，类似于架空钢索缆车，比较适合于水位有变动的场合，上述三种动力都使用电力，视情况选用其一。
全文摘要
少水模式槽运，是在专用水槽中装少量水就可以满足船舶航行需要的低能耗、大运输量的航运新模式。低能耗措施主要有三①利用标准水槽，配合特殊形状的标准船只及稳定的船速，在有限空间内形成特殊水流，该水流能自动把航行中船身的大部分抬出水面，且为保持该动平衡状态而消耗的能量很小。这样不但减少船的迎流截面积，减少船的航行阻力，而且水槽的用水量还可大大减少，②采用标准自封闭气垫船，利用船底所封闭气体，隔开船底与水的直接接触，使船底在气上走，阻力比水要小800倍，③抛弃螺旋桨推进，改为岸边电机(直线电机、链轮传动、架空钢索拉牵)驱动，既节能又无污染。还采用了适应严寒、干旱、沙漠地区全天侯运输的多项措施。所提供的低能耗、大运输量少水模式槽运方案，将使丝绸之路转化成欧亚之间大宗货物陆地船运通道成为可能。
文档编号B60V1/06GK102635094SQ201110033370
公开日2012年8月15日 申请日期2011年2月11日 优先权日2011年2月11日
发明者杨金玉 申请人:杨金玉