专利名称：轮式船型的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种交通工具技术领域的船舶，具体是一种轮式船型。
背景技术：
现有船舶的船体和上层建筑是一个不可分隔的整体建筑物，水密船体的一部分在水中，船浮在水面由推进器推动航行。浸没在水中的船体以同等于航速的速度前进。由于水是粘性流体，因此会产生较大的摩擦阻力以及粘压阻力，此外，船是在两种不同流体(水和空气)的界面排水前进，会产生兴波阻力。无论何种水阻力，它的大小除与浸水表面积和形状有关以外，最主要的是取决于排水体相对水的运动速度，而且，水阻力是以相对水的速度的二次方以上的指数关系增加或减小，因此水阻力的大小与排水体相对水的速度关系重大。现有船舶由于其水下结构体与水上结构体是一个整体构造，要提高船的航速必定增加排水体相对水的运动速度，从而导致水阻力大增。
经对现有技术文献的检索发现，实用新型名称为一种水陆两用车，申请(专利)号为96237526.8。该专利由浮力叶轮、车身、前后动力装置以及方向控制及制动装置等组成，其中浮力叶轮是该水陆两用车的关键技术，在陆上行驶时，利用轮子结构像汽车一样用轮子来行驶，在水上航行时，利用其叶片结构推水前进。浮力叶轮的构造是由充气轮胎、叶片和圆柱形铁筒组成，叶片装在充气轮胎与铁桶之间的径向位置上，圆柱形铁筒两端设有封口盖。根据该构造特点可知充气轮胎是该水陆两用车在陆上行驶时使用，以保证叶片不会着地(叶片埋没在充气轮胎内)，否则叶片立刻会损坏；在水中航行时，要使叶片能在轮子转动时划水产生推力，必须将充气轮胎的空气放掉，使轮胎收瘪，这样才能使叶片暴露在水中划水，否则埋没在充气轮胎内的叶片不能产生推力；为使叶轮有效的产生推力，浮力叶轮浸没在水中的深度不能太多，否则叶轮推进效率极低，如果叶轮全部浸没在水中，则不能产生推力；轮胎放掉空气后，浮力叶轮的浮力将大为减少，浮力叶轮中能产生浮力的主要是两端设有封口盖的圆柱形铁筒，但是，要使叶轮有效地产生推力，圆柱形铁筒也就不能浸没水中太深，甚至应该完全露出水面。因此，从实用意义上讲，要依靠圆柱形铁筒的浮力浮起全车重量是不可能的；如果仅从理论上讲，将圆柱形铁筒做的足够大，使其浸水体积能浮起全车的重量，但如此巨大的铁筒加上叶片和充气轮胎的车辆在陆上行驶是不现实的。根据以上几点，该水陆两用车要能浮在水中由叶轮推进，车身必须浸水来获得浮力，并且是获得浮力的主要构造体。显然，车身浸水后在水中航行时会产生很大的水阻力。
发明内容
本发明针对现有排水型水面船舶阻力大的缺陷，提出一种轮式船型，改变了现有船舶水下排水体与水上船体为一个固定的整体构造，使现有船的排水体相对水的直线前进运动方式变为浮力轮的旋转与前进合成的运动方式，利用转动的浮力轮浸水部分具有与来流水同方向运动的特性，来实现轮式船型在一定的航速下减小排水体相对水的前进方向的速度，从而达到减小水阻力的目的。浮力轮在随动情况下的转动能量来自于作用在浮力轮浸水部分的水阻力，该作用力在轮轴线下方，从而产生一个转动力矩使浮力轮具有一定的转速。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括若干左、右舷浮力轮及浮力轮轴、左、右舷浮力轮轴轴承、水上船体。其连接方式为一个左舷浮力轮和一个右舷浮力轮通过浮力轮轴连接组成一个浮力轮组，左、右舷浮力轮部分浸没在水中，浮力轮的浸水深度小于浮力轮的半径，浮力轮剖面的形状为流线型的；水上船体支撑在浮力轮轴上，水上船体完全脱离水面，水上船体和浮力轮轴之间分别由左、右舷浮力轮轴轴承连接，左、右舷浮力轮能自由转动。
本发明还可以设有舵叶、舵杆、舵承、舵承支撑体、舵机、螺旋桨、螺旋桨轴支架、螺旋桨轴、推力轴承、万向连轴器、中间轴、减速齿轮箱、推进主机，舵叶与舵杆连接，舵杆通过舵承及舵承支撑体与水上船体连接，并通过舵机来操纵；螺旋桨与螺旋桨轴连接，并通过螺旋桨轴支架及推力轴承与水上船体连接，螺旋桨轴再通过万向连轴器、中间轴、减速齿轮箱和推进主机连接组成推进系统。
本发明或者设有浮力轮转速控制装置，浮力轮转速控制装置与浮力轮轴连接，浮力轮转速控制装置安装在水上船体内。
本发明浮力轮浸水部分的排水量(即浮力)支撑了全船的重量，因此浮力轮组的数量和浮力轮的尺寸是根据船的大小和重量等因素来确定，一般情况下，浮力轮组的数量为2组或2组以上，每组浮力轮组由两个位于船两舷的浮力轮组成，必要时还可以在左、右舷浮力轮的中间增设浮力轮，以便在船舶吃水受限制的情况下提供更多的排水量(船舶吃水受限制意味着浮力轮的直径受限制，导致排水量不足)。增设的浮力轮仍然与轮轴连接，同时在增设的浮力轮处的轮轴上增设浮力轮轴轴承并与水上船体连接。此外，左、右舷浮力轮的间距主要是根据船舶的稳性和布置地位要求来确定。水上船体用于承载人员、货物、动力装置等设备，完全位于水面以上，而且船体底部距水面有足够的高度，该高度根据航行海域风浪条件来确定，以确保水上船体在风浪中航行时不受水阻力和波浪的拍击。由此可见，本发明的排水体是若干个部分浸水的浮力轮，而水上船体实际上是一个上层建筑。浮力轮是可以转动的，浮力轮的转速可以通过浮力轮转速控制装置加以驱动和控制，本发明的推进系统和操纵系统与现有常规船舶的推进系统和操纵系统基本相同，采用动力装置驱动螺旋桨来推动船舶前进，并以舵装置来操纵，其中的区别是由于船体离开了水面，舵与船体的连接需要设置舵承支撑体，以便减小舵杆的弯矩；此外，由于推进主机位于水上船体内，因此螺旋桨轴需要倾斜布置。本发明的推进方式也可以采用“Z”型推进器或者喷水推进器来推进。
本发明改变了现有船舶水下排水体的运动方式，使排水体相对水流的前进方向速度大大低于船的航速，从而降低航行阻力，节省船舶的推进功率和能耗，为实现船舶的高速化和低能耗提供了一种新船型。根据本发明的构造特征，轮式船型在布置地位、稳性和耐波性方面能提供良好的性能保证。因为，浮力轮的水线面较小，而左、右舷浮力轮的间距是可以根据需要来设计确定的，从而能在很大的船宽下获得满意的初稳性高，而在大倾角情况下，由于水上船体的存在又能获得较大的复原力矩，从而能保证足够的大倾角稳性；由于水上船体离开了水面，浮力轮的水线面又很小，因此轮式船型在波浪中所受的波浪扰动力比现有常规船型大为减小，结合轮式船型优良的复原力特性，使轮式船型具有良好的耐波性能。轮式船型的船宽根据需要可以设计成足够大，从而能提供宽敞的布置地位。此外，在轮式船型的基础上还可以复合成其他高性能船，例如轮式水翼船等。总之，轮式船型在高速船，特别是在布置地位型的高速船中具有很好的应用前景。
图1是本发明结构示意图；图2是本发明减阻原理图；图3是本发明浮力轮剖面构造图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括左舷浮力轮1、3，右舷浮力轮2、4，浮力轮轴5、6，左舷浮力轮轴轴承7、9，右舷浮力轮轴轴承8、10，水上船体11。左舷浮力轮1、3，右舷浮力轮2、4部分浸没在水中，浸没水中的深度小于浮力轮的半径，浮力轮剖面的形状为流线型的；水上船体11支撑在浮力轮轴5、6上，水上船体11完全脱离水面，左舷浮力轮1和右舷浮力轮2通过浮力轮轴5连接组成一个浮力轮组，左舷浮力轮3和右舷浮力轮4通过浮力轮轴6连接组成另一个浮力轮组，水上船体11和浮力轮轴5、6之间分别由左舷浮力轮轴轴承7、9和右舷浮力轮轴轴承8、10连接，左舷浮力轮1、3，右舷浮力轮2、4能自由转动。
本发明还可以设有舵叶12、舵杆13、舵承14、舵承支撑体15、舵机16、螺旋桨17、螺旋桨轴支架18、螺旋桨轴19、推力轴承20，万向连轴器21、中间轴22、减速齿轮箱23、推进主机24。其连接方式为舵叶12与舵杆13连接，舵杆13通过舵承14及舵承支撑体15与水上船体11及舵机16连接，并通过舵机16来操纵；螺旋桨17与螺旋桨轴19连接，并通过螺旋桨轴支架18及推力轴承20与水上船体11连接，螺旋桨轴19再通过万向连轴器21、中间轴22、减速齿轮箱23和推进主机24连接组成推进系统。
本发明或者设有浮力轮转速控制装置25、26，浮力轮转速控制装置25、26与浮力轮轴5、6连接，浮力轮转速控制装置25、26设置在水上船体11内。
图1所示的轮式船型的排水体是由两组浮力轮组组成的，每个浮力轮组设有两个浮力轮。根据船的大小和重量浮力轮组的数量可以增加，需要时还可以在左舷浮力轮1、3、右舷浮力轮2、4的中间增设浮力轮，以便在船舶吃水受限制的情况下提供更多的排水量。增设的浮力轮仍然与轮轴连接，同时在增设的浮力轮处的轮轴上增设浮力轮轴轴承并与水上船体11连接，以便减小轮轴的弯矩。
如图2所示，本发明航行时能减小水阻力，因为①根据轮式船型的构造特点，提供排水量的浮力轮1、2、3、4以航速V前进的同时绕轮轴以ω角速度转动，轮轴下方浸水部分轮体的线速度U有向后的水平速度分量Ux，在船前进方向轮体相对水流的速度为V-Ux，即浸水部分轮体在前进方向相对水流的速度比航速V减小了Ux，因此，向前转动的部分浸水的轮体可以减小航行中的水阻力。如果浮力轮1、2、3、4的浸水深度大于浮力轮1、2、3、4的半径，则轴线以上的轮体在前进方向相对水流的速度将比V增加Ux，则该部分的轮体阻力将增大。因此，以减小阻力为目的的轮式船型在构造上应具有轮体浸水深度小于浮力轮1、2、3、4半径的特征。②由于浮力轮1、2、3、4浸水部分位于轮轴下方，它们以速度V前进时，浮力轮1、2、3、4浸水部分的轮体受水阻力作用产生转动力矩，因此，当浮力轮1、2、3、4在随动情况下，它们的转动能量完全来自浮力轮1、2、3、4前进时水阻力产生的能量。所以，从能量的角度分析，轮式船型减阻的机理是它在水中航行时其构造特征能吸收水阻力的能量用于浮力轮的转动，从而减小了排水体在船前进方向的相对水流速度，降低了航行阻力。③轮式船型的船体11离开了水面，航行中没有水阻力，并且，船体11底部距水面具有一定的距离，因而即使在波浪中，它也不受水阻力。④流线型剖面的浮力轮1、2、3、4在水面旋转前进时，能减小兴波阻力和形状阻力。⑤船前进时，浮力轮1、2、3、4在随动情况下，尽管可以减小阻力，但不一定能获得最佳的阻力性能，因此，采用浮力轮转速控制装置25、26来控制浮力轮1、2、3、4的转速能使轮式船型获得更佳的阻力性能。浮力轮转速控制装置25、26的功率大小要考虑由此获得的阻力减小而节省的推进装置功率的多少以及经济性等因素，通过设计优化来确定。
如图3所示，是浮力轮1、2、3、4的剖示图，浮力轮1、2、3、4的剖面形状是流线型的。因为浮力轮1、2、3、4在水面转动前进时，靠近轮轴处的轮体速度的水平分量较小，即近水面处的轮体相对水流的速度是较大的，航行时浮力轮1、2、3、4仍有一定的兴波阻力和粘压阻力，流线型剖面的浮力轮1、2、3、4可减小兴波阻力和粘压阻力。
权利要求
1.一种轮式船型，包括左舷浮力轮(1、3)、右舷浮力轮(2、4)，浮力轮轴(5、6)，左舷浮力轮轴轴承(7、9)，右舷浮力轮轴轴承(8、10)，水上船体(11)，其特征在于，左舷浮力轮(1、3)、右舷浮力轮(2、4)部分浸没在水中，浸没水中的深度小于浮力轮的半径，水上船体(11)支撑在浮力轮轴(5、6)上，水上船体(11)完全脱离水面，左舷浮力轮(1)和右舷浮力轮(2)通过浮力轮轴(5)连接组成一个浮力轮组，左舷浮力轮(3)和右舷浮力轮(4)通过浮力轮轴(6)连接组成另一个浮力轮组，水上船体(11)和浮力轮轴(5、6)之间分别由左舷浮力轮轴轴承(7、9)和右舷浮力轮轴轴承(8、10)连接，左舷浮力轮(1、3)、右舷浮力轮(2、4)能自由转动。
2.根据权利要求1所述的轮式船型，其特征是，或者设有浮力轮转速控制装置(25、26)，浮力轮转速控制装置(25、26)与浮力轮轴(5、6)连接，浮力轮转速控制装置(25、26)设置在水上船体(11)内。
3.根据权利要求1所述的轮式船型，其特征是，左舷浮力轮(1、3)、右舷浮力轮(2、4)剖面的形状为流线型的。
4.根据权利要求1所述的轮式船型，其特征是，浮力轮组的数量根据船的大小和重量来确定，或者在左舷浮力轮(1、3)、右舷浮力轮(2、4)的中间增设浮力轮，增设的浮力轮仍然与轮轴连接，同时在增设的浮力轮处的轮轴上增设浮力轮轴轴承并与水上船体11连接。
5.根据权利要求1所述的轮式船型，其特征是，或者设有舵叶(12)、舵杆(13)、舵承(14)、舵承支撑体(15)、舵机(16)、螺旋桨(17)、螺旋桨轴支架(18)、螺旋桨轴(19)、推力轴承(20)，万向连轴器(21)、中间轴(22)、减速齿轮箱(23)、推进主机(24)，其连接方式为舵叶(12)与舵杆(13)连接，舵杆(13)通过舵承(14)及舵承支撑体(15)与水上船体(11)及舵机(16)连接，并通过舵机(16)来操纵，螺旋桨(17)与螺旋桨轴(19)连接，并通过螺旋桨轴支架(18)及推力轴承(20)与水上船体(11)连接，螺旋桨轴(19)再通过万向连轴器(21)、中间轴(22)、减速齿轮箱(23)和推进主机(24)连接组成推进系统。
全文摘要
一种交通工具领域的轮式船型，包括左、右舷浮力轮，浮力轮轴，左、右舷浮力轮轴轴承，水上船体，左、右舷浮力轮部分浸没在水中，浸没水中的深度小于浮力轮的半径，水上船体支撑在浮力轮轴上，水上船体完全脱离水面，左、右舷浮力轮通过浮力轮轴连接组成浮力轮组，水上船体和浮力轮轴之间分别由左、右舷浮力轮轴轴承连接，水上船体支撑在浮力轮轴上方，左、右舷浮力轮能自由转动。本发明改变了现有船舶的排水体在水里只能以与航速一致的前进运动方式，减小了航行阻力，除了具有航行阻力小的优点以外，在耐波性和稳性以及布置地位等方面也具有良好的性能，本发明在高速船，特别是在布置地位型的高速船中具有很好的应用前景。
文档编号B63B38/00GK1586978SQ20041006713
公开日2005年3月2日 申请日期2004年10月14日 优先权日2004年10月14日
发明者顾敏童, 蒋如宏, 赵永生, 范永鹏 申请人:上海交通大学