专利名称：密封式气垫减阻消波船的制作方法
技术领域：
本发明涉及造船业，涉及船舶类型的创新，是对船舶结构、船舶的支承方式和推进方式，以及船舶的减阻方法和减阻理论的创新技术。
现有船舶，为适应各种环境和用途的需要，已经发展了多种类型。各型船舶都有它的特点和适用范围，传统的浮力支承型船舶，优点是浮力大，载量大，结构强度较好，可大型化，造价相对较低等，缺点主要是水阻力大，由于其水阻力随航速呈高次方增长，高速时能耗巨大，而发展到今天，船速已难进一步提高。本世纪中期以后出现了多种动力支承型船舶，主要有滑行艇，水翼船，气垫船和地效翼船等，其共同特点是以流体动压升力将船体抬离水面，以减少船舶浸湿面积来减低船舶的水阻力，动力支承型船舶的优点主要是高速时的水阻力比同等尺度的传统船舶的水阻力小，一般可达到较高的船速，但动力支承型船舶也有较大的弱点其一是要取得足以支承船舶的流体动压升力，都要以增加相应的流体阻力为代价，因此，动力支承型船舶高速时虽比浮力支承型船舶的阻力小，但阻力减少有限，所需动力仍然很大。其二，和浮力相比，流体动压升力相对较弱，因此动力支承型船舶载量较小，船舶难于大型化，而大型化是提高船舶经济性能的重要途径，尤其是海洋船舶，另外，动力支承型船舶对材料和设备的要求较高，因此造成营运成本高。在交通运输日趋高速化的今天，现有船舶在与陆运和空运的竞争中已日渐处下风，迫切盼望在技术上有所创新突破。
本发明的目的在于创立一种新型船舶，应用新的船舶减阻理论，采用新颖的船舶结构，运用新的船舶支承方式和新的船舶推进方法，使所发明之船舶的阻力较小，载重量大，高速、节能且造价较低，并使所建船舶具有多种优良的船舶性能，其目的既在推动造船业和水运业的发展，同时也可推动船舶理论研究的进步。
为实现上述目的，本发明采用了下述几项创新措施(1)、本发明之船舶具有柔性外底和刚性内底两层船底，外层船底(包括首尾之斜升部分)由可相对于船体运动的柔性带1构成，柔性带1成环形，包绕在若干个横向安装的滚筒上，在附图所示的实施例中，前端为张紧滚筒2，其轴伸出舷侧板并安装有张紧机构，后端为动力滚筒3。其轴伸出内舷板并与动力装置连接，中间有若干个安装较低的支承滚筒5，柔性带1位于前后滚筒和支承滚筒下方的部份，构成中段较平直，两端斜升伸出水面的船舶外底。(2)、本发明之船舶的左右舷侧板为通直平板，两侧舷板(双体船情况为内外舷板共4列)平行并竖直安装，舷板间的距离即船舶(或单体船)的型宽，型宽与柔性带1的宽度相当，使柔性带1既能在其中运动又要使其与舷侧板保持较小的间隙，以减少压缩空气的耗气量。(3)、在支承滚筒5的上方安装有刚性内底板7，内底板7与舷侧板为焊接或铆接的气水密结构，在内底7的两端接近前后滚筒处安装有前横舱壁8和后横舱壁9，横舱壁与内底板和舷侧板均为气水密结构，在前后横舱壁上安装有与滚筒的动密封装置10和11，以防止或减少滚筒在转动中漏气，这样，由柔性带1的船底部份，左右舷侧板6，内底板7，前后横舱壁8和9，前后滚筒2和3及其动密封结构包围形成压缩空气气垫室12，当压力略高于船底水压的压缩空气由进气口14不断通入气室12时，气室中可能浸入的水将被完全排出，水排完后气室中的空气可能会从柔性底1和舷侧板6的缝隙向船外泄漏，当气室12的进气流量与泄气流量相等时达到动态平衡状态，此时柔性船底1上部的气体压力和下部的水压力也维持动态平衡状态，由于舷板是竖直的，其所受的水压力的方向是水平的，不形成浮力，柔性带1所受的水压力即为船舶的浮力，浮力经柔性带1和气室12中的压缩空气传至刚性内底板7从而支承整个船体，此时若动力滚筒在动力系统的作用下作图示之顺时针方向转动，则柔性带1的船底部份将相对于船体向船后运动，其外表面及其安装的翼板27则产生划水作用推动船舶前进。当船舶具有相当航速时，柔性底1与水的相对速度为柔性底1相对于船体的线速度V1与船舶的前航速度V的矢量合成(取前航速度V为正)其值为V-V1，由船舶理论可知，当V-V1＞0时，船舶底部的水阻力减少，当V-V1=0时，船底的水阻力消失，当V-V1＜0时，船底的水阻力反向，即此时船底所受水的反作用力对船舶而言已经变为推力，即本发明之船舶的前航推进状态，以上即笔者所提出之《相对运动速度转换》船舶减阻新理论的应用。
本发明之船舶与现有船舶相比具有多种优点(1)、它可大幅度减低船舶的水阻力，特别在高速状态尤为明显，分析柔性船底1的受力状态即可说明此点。设船舶正以速度V向前航行，此时柔性带1在动力滚筒3的带动下作图示之顺时针转动，柔性船底1即以V1的线速度相对于船体向后方运动，而V1是由动力滚筒的转速受人为控制所决定的，当V1的绝对值大于V的时候，水对于柔性船底1的相对运动速度是向前的，与现有船舶的情况相反，即柔性船底不是受到水的阻力作用而是受到水的推力作用，和现有船舶比较，即本发明之船舶消除了船底部的水阻力，而船底面积一般约占船舶总浸湿面积的50％至80％，关于兴波阻力的减低分析如下通常船舶，由于首部有斜升的船底或者首部有横向的曲度，航行时来流在“驻点”附近形成压力升高区而产生波峰，而在船尾附近，由于船舶前移，水流压力降低而形成较大的波谷，从而形成在水面传播的波浪，波浪的能量来自船舶，于是造成船舶的兴波阻力，由于波高，波速，波长均随船速而增长，船舶的兴波阻力随船速的6次方而增长，这种随航速呈高次方增长的阻力成份是现有船舶难于高速的重要原因，本发明之船舶的水平面投影为矩形，首部具有可相对于船体运动的斜升船底，平直的舷侧板前伸把水流分成舷外水流和船底水流两部分，舷外水流因舷板通直而没有横向的曲度，速度变化很小，由柏努利原理可知，压力变化亦很小，因此兴波作用微小。流经船底的水流，由于柔性船底1及其上面安装的翼板27，不断高速向船后运动，便对通常船舶首部阻水之高压波峰区产生较强的抽吸作用，使水面压力降低而使波峰消减，从理论上讲是消除了来流在船首“驻点”附近形成的压力升高现象，反之，来流到船首后反而被向船后和船底加速，没有了“驻点”，因而不产生波峰，抽吸作用反会使船舶首部水面有所下降，其作用是使船舶的形状压差阻力降低，船尾情况也与通常船舶相反，由于柔性船底加速推水向船尾，这种补水作用会由于船舶的前移而使船尾附近形成的低压波谷区的压力有所升高，即本发明之船舶航行中有所谓“削峰”“填谷”作用，如果对翼板形状尺寸和滑脱比等参数进行优选，理论上可把兴波阻力降至很小。综上所述，本发明之船舶的水阻力主要是直舷板的摩擦水阻力，侧舷板的浸湿面积一般占总浸湿面积的20％至50％，也即本发明之船舶可将通常船舶的摩擦水阻力降低50％至80％左右，而对兴波之压差阻力更有大幅度减少，具结果是船舶总阻力大幅度降低，特别是船舶高速时，总阻力之绝对值减低更多，效果尤为明显。(2)、本发明之船舶能耗较低，这一方面得益于前述之水阻力较低，另一方面得益于它内阻小而推进效率又高，兼作推进器的柔性船底，虽为支承船舶整个重力的底层结构，但由于航行中上面气压与下面水压平衡，带1是以气压承托船舶的重量，运动时与船体的摩擦阻力主要是空气摩擦内阻，其值甚小，而其新的船舶推进方式－柔性带翼板直线推进的效率又较高，和现有船舶主要采用的水螺旋浆相比，显然宽大的柔性船底具有更大的推水面积和空间，因而可拨动更多质量的水，由牛顿定律F=mdv/dt可知，如果获取同样的推力(F)，单位时间(dt)里拨动的流体质量(m)越大，则流体所获得的速度增量(dv)越小，流体获得向后的速度而具有的动能来源于船舶的推进器，是船舶动力在水中的耗散，耗散较少的动力而获得同样的推力，也即具有较高的效率，加之直线推进和旋转推进的螺旋浆相比，推进器与水的相对速度小得多，同时又无旋转，因而其摩擦和旋转造成的能量损失要小。虽然维持压缩空气室充气要耗费一定的功率，由于本船气室有动密封的柔性船底，而气室中的气压只略高于(或等于)船底水压(其目的只在使水不至浸入压缩空气室)与通常的气垫船比较，其耗气量要小许多。(3)、本发明之船舶可实现超高速航行，由于水阻力小，内阻也较小，推进效率较高，而且兼作为推进器的柔性船底的“船水相对速度”很小，不存在如高速螺旋浆和高速水翼的“空泡”问题，且柔性带的强度在制造上易解决，惯量较小，其传动形式也便于实现高速运行，所以本发明是实现超高速船舶的良好方案。(4)、由于本发明之船舶仍为浮力支承，而且方形系数很大，排水量一般比同尺度的传统排水船舶还大(气室在静态停泊时可能浸入部分水，但由于气室容积不很大并设有防止继续进水的止水隔板，只须船舶稍增吃水便可补足损失的浮力)浮力大是本发明优于现有各种高速船舶的重要特点，因此本发明之船舶的主要结构也可用普通的船用钢板制造，造价较低，在船舶用途上不但适合作客船，也适合作高速货船和其他特种用途船舶，而高速货船正是现今水运市场最缺少的，其经济性较高。(5)、本发明可制成单体船，但最好是制成双体船，也可制成多体船。在制成双体船情况下，只要控制两单体的柔性带1的转速和转向，即可实现对船舶的操纵，从而可以省却通常船舶的螺旋浆和舵装置，这既可减少船舶的附体阻力又可免除“车舵故障”提高船舶的营运率，还可改善船舶的浅水适航性。(6)、本发明之船舶可制成大型化的海洋船舶，而且具有较好的耐波适航性。当前进中的船舶和波峰相遇时由于带1的水上斜升部分在快速向后向下运动，和现有船舶相比，其船首表面与波峰相遇的相对运动速度较小，这就有效的减轻了波浪的拍击作用，船首上浪可减轻或消除，纵摇力矩也因此而有所减少。由于本船舶的浮力来自柔性船底的水压力，是通过气室的压缩空气而传至刚性内底板的，当船舶处于波浪上时，由于船底各段所处波面的相位不同而引起船底各部份所受的水压力不同，但气室内柔性船底和刚性内底所受到的气体压强却是均匀的(因为气体流动性很好，可认为各部分压力是一致的)。由于内外压力的不均衡，将引起柔性船底平面有一些变形波动，柔性带1的内部张力将限制这种波动，但在结构上仍应允许有一定上下波动的范围，波动大时，柔性船底将受到支承滚筒5的限制，长度很大的船舶，也可在舷侧板底边设置限位板28来限制柔性船底1向下的波动，当底1触及支承滚筒5时才会产生对船体的冲击力，但和波浪对通常船舶的冲击力比较，其力量已减小并变得柔和，这就有效的减低了船舶的纵横摇力矩和垂荡，由于本船舷侧板是竖直的，波浪对舷板的冲击主要只引起船舶横荡，横荡对适航性的影响较小并可通过选择其他船舶参数(如长宽比等)减轻，由于本船舶船体横剖面为方形，特别是在双体船情况下，内外侧共4列垂直舷板，具有很强的横摇阻尼作用和横荡阻尼作用。另外，从波浪的特点看，波浪是水域的一种表面现象，作轨园运动的水质点的振幅和能量随水深而迅速减小，这也是具有竖直舷板的船舶耐波性较好的一个原因，实践已证明，通常的深V型船型具有较好的耐波适航性，而本船舶在这方面的特点比深V型船更典型，且又在竖直舷板的情况下增加了柔性船底气压支承，其适航性自当更加改善。综上述可见，本发明之船舶在有波海域航行时可避免或减轻船首上浪，纵横摇摆和垂荡都较轻微，因此其汹涛阻力也较低，也即具有良好的耐波适航性以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述
图1为船舶的纵剖面示意2为船舶的平面布置图，是图1的A-A剖面情况图3为中横剖面4为限位板安装示意图本实施例为一双体结构的船舶，1为环状柔性带，可由用纤维和钢丝增强的橡胶或韧塑料制造，带1包绕在若干个与船舶呈横向安装的滚筒外面，前端为张紧滚筒2，滚筒2的轴可伸出舷侧板6并可由张紧机构25调整张紧力，25由密封外盖26密封保护，船后端为动力滚筒3，滚筒3的轴22的内端伸出内舷板并与动力装置21相连接，滚筒2和3的中间有若干个支承滚筒，上方装有一个或多个承托滚筒4，其作用是在2和3距离过长的情况下减少柔性带1的下垂和振动，下方安装有若干个支承滚筒5，使柔性带1形成中段较平直而两端斜升的船舶外底，同时在某些情况下，譬如在船舶受到波浪猛烈冲击或触浅时能直接承受由带1传来的力，同时限制带1的位置。所有滚筒的两端均装有轴承，动力滚筒3转动时，则带动柔性带1绕其滚筒系统运转。船舶的内外舷板6为通直平板，内外舷板平行并竖直安装，内外舷板的间距即为每个单体船的型宽，滚筒的长度和柔性带1的宽度与型宽相当，要使柔性带1既能在舷板之间运动而又与舷板保持较小的间隙，内底板7与舷板6为焊接或铆接的气水密结构，内底板前端接近前滚筒2处装有前端横舱壁8，后端接近后滚筒3处装有后端横舱壁9，横舱壁8和9与内底板7和舷侧板6均为气水密连接结构，在前横壁8和前滚筒2之间安装有具有跟随性的动密封装置10，横壁9和后滚筒3之间安装有动密封装置11，动密封装置的密封面可用摩擦系数较小而又耐磨的材料制成，例如用尼龙、酚醛塑料或聚四氟乙烯等材料。这样，由柔性带1位于船底的部分，内外舷侧板6的下部，以及刚性内底板7，前横舱壁8，前滚筒2和后动力滚筒3，后横舱壁9以及动密封结构10和11，便围成了压缩空气室12，为了使船舶在静态停泊时不至因气室12浸入太多的水而损失浮力，在气室12内安装有若干止水隔板13，止水隔板与舷板及刚性内底板为气密结构，隔水板下端高于邻近的支承筒5的下缘以使其不会触及柔性船底1，利用止水隔板与刚性底板和舷板形成的空腔中的空气不能排出从而阻止船舶停泊时气室12浸入更多的水。每个单体船的压缩空气室12都装有进气管14，当压缩空气通入时，12中的水将被完全排出，压缩空气的进气压力应略高于相应吃水时船底部的水压力，由主甲板15上安装的空气压缩风机16提供压缩空气，经管道通入空气室12，风机系统的风压和风量应能调节。当气室12中的浸水被完全排除后，由于气压的作用，柔性船底会稍微离开支承滚筒5，船舶航行时，支承滚筒一般并不受到压力或所受压力也很小，柔性船底1在气压，水压和张力的作用下处于动平衡状态，中部由于其上方的气压略等于下方的水压，基本维持平直状态。两端由于水的压强随水深而增加，压力图呈三角形分布，内部气体压强稍大于外部水之浮力作用的压强同时在带1的张力作用下，柔性船底1的两端会成弧形，两端支承滚筒的安装位置应考虑到此点以使内摩擦阻力较小。当柔性船底1受到另外的力作用时，例如受到波浪冲击或异物碰触时，则由支承滚筒5限制底1过大的波动，相对保持较稳定的形状，柔性船底1的向外波动主要由带的张力控制，长度过大的船也可在船中段的舷板下端内侧装一些辅助控制的限位板28，附图4是其剖面图，为了使限位板在空气室压力波动时不受到大的压力，可在限位板28上端高于带1厚度的舷板处开一些排气孔29，使1接近限位板时，可泄出气室的空气。15为主甲板，覆盖在二单体船的舷板顶部及中部空间，使双体连成整体结构，主甲板上可安装船舶的其他系统和上层建筑物，二单体船的内舷板之间的适当高度还安装有船中部刚性底板17，以形成船舶的中部底舱室18，一般而言，在二单体间距离较大时(大于2倍吃水以上)可将中底板17安装在最大吃水线之上，而当二单体间距离较小时也可将其安装在内舷板底端以使船舶的总浸湿面积保持最小而使水阻力减至最低，中底舱18中可安装动力设备，一般说来，常规船舶的各种动力设备都可在本发明之船舶上使用，而本实施例则选用了全电力推进系统，由主柴油发电机组19发出电力，分别带动左右单体船的调速电动机20，电动机直接带动减速箱21，减速箱的输出轴则直接与动力滚筒3的主轴22连接。全电力推进系统是船舶界正在推广的先进推进系统，在可靠性，操纵布置和节能方面都较优越，只是系统总重量较通常动力系统大，而本船舶浮力较大，完全可以采用。为了使压缩空气质量较高，空气压缩风机16安装在船尾主甲板上较高处，为减少吸进盐水雾和异物，风机前安有网罩23，压缩空气由风管经进气管14通入空气气垫室12。中底舱18中还安装有功率较小的备用发电机组24，本船在压缩空气供气系统出现故障后仍能航行，只是此时空气室12中可能浸入水而使内摩擦阻力增加，航速有所降低，当压缩风机16工作时，压缩空气不断通入空气室12，使空气室12保持无水状态同时维持相应气压而与船底1外的水压平衡，此时动力滚筒3若在动力系统带动下转动，带1及其上面安装的翼板27则划水推船前进，改变电动机20的功率和转速可控制带1的速度从而可改变船速，分别控制双体船两边带1的转速和转向则可实现前进，倒航，转向，回旋等各项操作，当然也可设水舵共同操纵船舶。
权利要求
1.一种船舶，具有动力系统，压气风机系统和通常的船舶系统，其特征在于船舶的外底板由可绕若干滚筒转动而相对于船体运动的柔性带(1)构成，柔性船底上部是由刚性内底板(7)、舷侧板(6)、前后滚筒(2)、(3)，前后横舱壁(8)、(9)以及前后动密封结构(10)和(11)等构成的压缩空气气垫室(12)、船底(1)可在二舷例板(6)之间运动并与(6)保持较小的间隙，当空气室(12)的进气流量等于底板(1)与舷板(6)之间的缝隙的泄气流量时，柔性船底(1)上方的气压与下方的水压维持动平衡状态，此时船舶的浮力由柔性船底(1)所受的水压力形成，浮力通过压缩空气室(12)内的压缩空气传至刚性内底板(7)而支承整个船体，柔性船底(1)可在动力滚筒(3)带动下相对于船体作前后运动，可改变船底(1)与水的“船水相对速度”从而改变船舶底部水阻力的大小和方向。
2.如权利要求1所述的船舶，其特征在于所述的柔性船底(1)上安装有韧性翼板垫块(28)，既可作船舶的推进器，也可作船舶的操纵装置。
3.如权利要求1所述的船舶，其特征在于所述船舶的压缩空气气垫室(12)中安装有若干止水隔板(13)，隔板把空气室分为若干格，以使每格上部的空气在船舶静态时不能溢出而保持船舶的浮力。
全文摘要
本发明在于创建一种新型船舶。本发明应用了发明人所提出的《相对运动速度转换消除船舶水阻力原理》,采用了新颖的船舶结构,并运用新的船舶支承方式和新的船舶推进方法,使所建之船舶具有传统船舶的浮力大,载量大,强度好,造价较低等优点,同时又具有水阻力低,内阻小,推进效率高,耐波适航性好等特点,其前景是可开发出一系列高速、节能的高性能船舶。
文档编号B63B1/40GK1300694SQ99126550
公开日2001年6月27日 申请日期1999年12月18日 优先权日1999年12月18日
发明者周德群 申请人:周德群