带有偏置水流的流体动力学船首鳍装置的船舶的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及流体动力学技术领域，尤其是，本发明涉及一种船舶，该船舶设置有安装于船首的流体动力学管道，该流体动力学管道用于在航行过程中管理水流，该管道由两个侧向壁组成，船舶船首每侧各有一个侧向壁，这两个侧向壁与一水平取向或者相对于水平方向成一定倾斜度的底壁部分相连接，这样的管道在管道内部限定一位于船舶船首处的水流空间，相对于管道外部的水流而言，管道内部的水流具有不同的特性，从而减小兴波阻力和摩擦阻力，进而减少船舶推进所需的燃料消耗量。尤其是，本发明旨在提出流体动力学管道与船首构造和几何形状在功能上相互依存的设计的解决方案，以便可以在不同类型船舶的各种特定情况中获得管道内部水流和管道外部水流之间的有利差异化的最佳结果，从而获得最佳减小的推进阻力并降低燃料消耗量。
【背景技术】
[0002]在造船领域，鉴于全球经济危机和环境问题的加剧，减少能源消耗正变得日益重要。
[0003]决定用于船舶推进的燃料需求量的一个重要因素是船舶所遭受的兴波阻力和摩擦阻力。因而，人们一直努力减小船舶所遭受的兴波阻力和摩擦阻力并提高船舶穿越水实体的推进力。举例来说，在过去，船体的船首部分广泛采用球鼻型构造或球状构造来以减小兴波阻力以及尤其是来降低船首波的高度。
[0004]然而，船舶的前表面，即在船舶推进的过程中与水接触的船首的表面区域是一个大区域，而且考虑到推进阻力与船舶速度的平方成正比，因此，需要相应地增加马力来克服这一阻力并提供船舶以所设计的额定速度前进所需的推进力。
[0005]W0-92/22456 (Petromanolakis Em.)提出了一种安装于船舶船首的管道，该管道在船舶吃水线上方和下方延伸一定高度，这种管道实现了船舶推进过程中的兴波阻力的减小，因为船舶通过该管道冲撞水体，而非通过船舶的整个前表面冲撞水体。这种减小兴波阻力和能量消耗的管道在后续的专利申请中已得到优化，其中实现了流经该管道的水流相对于管道外部水流的差异化的增加。
[0006]尤其是，W0-2013/011332 (Petromanolakis Em.等人)披露了一种安装于船舶船首的流体动力学管道，该管道包括一水平壁部分和两个侧向壁部分，其中，流经该管道的水流获得与管道外部水流显著不同的特性，从而减小兴波阻力和摩擦阻力，并进而降低船舶推进通常所需的燃料量。该管道布置有对应于水平壁部分的零攻角的低压中心和位于侧向壁部分与水平壁部分的连接区域中的侧向壁部分的低压中心，所述对应于水平壁部分的零攻角的低压中心位于产生第一船首波的区域中，所述侧向壁部分的低压中心位于水平壁部分的低压中心与直至水平壁部分的前缘或水平壁部分的前缘略微前方之间的选定位置处。此外，为了克服先前技术的缺点和不足，提出了实现管道性能优化的船头流体动力学管道的结构设计参数。尤其是，提出了管道的水平壁部分的制造参数和侧向壁部分的制造参数的多种选择性组合，其中，对所述管道的决定升力系数Q和曳力系数C D的壁部分的几何形状参数进行考虑，旨在获得管道的水平壁部分和侧向壁部分两者的最佳的Q/CD比率，以及旨在实现与船舶的特定名义推进速度和船首的几何形状相对应的管道的水平壁的升力系数Q和侧向壁的升力系数C [的最佳比率。
[0007]然而，可以看出，虽然本文上面提出的管道参数设计实现了显著改进，这些改进已通过在配置有流体动力学管道的不同类型的船舶(游艇、集装箱船、散货船和护卫舰)模型中所进行的测试得到了确认，但是，上述不同类型的船舶所获得的结果存在明显差异，这凸显了进一步进行管道的参数设计工作的必要性，其中，这一设计过程需要考虑每种特定船首的结构及几何形状的参数变化，还需要考虑船舶的可变载荷，因此，必须以保证船首-管道组合的最佳性能的方式对船首进行设计，从而获得减小船舶推进所需的马力并进而降低燃料消耗量的最佳最终结果。
[0008]举例来说，虽然已经发现所述管道在船舶船首上的定位必然有助于实现经济上有利的航行，而且还有助于减小船首的竖直运动加速度从而实现更高的平均航行速度，但是，根据分析，在上述测试中所获得的结果存在差异化的原因之一是所提出管道和船舶的配合的差异，由于离开管道的水流撞击在船首和/或球鼻艏的两侧，这种撞击造成明显的损失并且造成管道的有利效果最小化。
[0009]在已进行的不同测试中的管道性能连续性存在差异的另一个原因是船舶载荷条件变化。这造成船舶吃水(即船舶浸在水里的深度)存在差异，因而改变了管道的作用范围，这种问题在集装箱船中尤为明显，其中，在船舶未装载货物以及货船满载这两种极端情况下船舶吃水存在显著变化。
[0010]而且，据观察，当船舶以其名义速度航行时，船舶球鼻艏可获得满意的性能，而在较低速度时，由于Fn的并发改变，船舶球鼻艏的性能将会下降，但是，通过设置本发明的管道，可确保在低于设计的名义速度(经济速度)的速度下以及任何Fn值下实现令人满意的性能。
【发明内容】
[0011]因此，本发明的一个主要目的在于有效克服先前技术的上述缺点和不足，并结合船舶船首的结构和几何形状在功能上相互依存的参数以及船舶的变化载荷情况，提出将实现流体动力学管道性能优化的流体动力学管道的结构设计参数。
[0012]因此，本发明的一个目的在于提供一种船舶船首的功能设计，该船首的功能设计能够与安装于船首的流体动力学水流管理管道相适应，其吃水线为直线型的或者凸出型的，而非凹入型的，并且其始终与船舶中心线成一定角度，以避免水流撞击船首的中空弯曲侧的凹曲部并滞留在其中，因为水流的这种撞击和滞留将不期望地导致船舶减速。因此，利用船首侧部的直线型或者凸出型(而非凹入型)构造，在管道出口实现了平稳的水流，并且与该水流对船首壁和/或球鼻艏的冲击有关的损失被最小化。
[0013]尤其是在配有球鼻艏的船舶中，本文提出一种确保球鼻艏的有益效果和管道的有益效果相协调的设计，以便最大化航行性能和最小化燃料消耗量。尤其是，利用配有球鼻艏的船舶的特定应用，本发明的一个目的在于定位球鼻艏，使得球鼻艏的上部分不位于吃水线下太深的位置，而是接近载货吃水线，以便球鼻艏的驻点将位于流经本发明的管道的水流之内，其中，所提出的设计在流经所述管道的水流中有助于影响所有向上的兴波向量和一些向下的兴波向量，从而改善船舶侧部处的水流。
[0014]本发明的另一个目的在于提出位于船舶船首且具有垂直运动能力的流体动力学水流管理管道，以便优化所述管道在船舶的各种变化吃水条件下的有益影响，其中，船舶的变化吃水条件取决于船舶的载荷情况以及消耗品的消耗。
[0015]本发明的另一个目的在于提出上述位于船舶船首的可竖直移动的流体动力学水流管理管道，其优选设置有可确保所述管道与船舶船首的侧壁保持水密抵接的装置，从而保持所述管道之内的水流的特性不发生改变。尤其是，本发明的一个目的在于提出将所述管道安装于覆盖船舶船首的板上的实施例，此板在船舶的纵向方向上延伸，覆盖所述管道的水平壁部分的部分或全部长度，并与所述管道的水平壁和侧向壁一起移动，从而确保所述管道内的水密特性。
[0016]本发明的另一个目的在于针对未配置上述覆盖船首侧壁的板的情况，提供一替代实施例，根据该替代实施例，通过利用适当的密封机构实现所述管道的可竖直移动的水平壁部分在船首侧壁上的水密抵接，所述密封机构为例如，举例来说，填充有空气或其他流体介质的腔或者由橡胶或其他材料制成的实体装置，这种腔或实体装置或者其他类型的水密抵接装置被推向船首的侧壁，它们安装于所述管道的水平壁部分的端部处或者安装于船首侧壁的预定的适当位置处并由液压或气动或机械或电气机构驱动，从而使之进入所述管道的可竖直移动的水平壁部分与船首侧壁的水密抵接状态。对于采用板覆盖位于所述管道的水平壁部分的端部处的部分长度的情况，可使用类似的用于水密抵接的密封机构，其中，这种密封机构安装于所述水平壁部分之内，用于为在由板覆盖的所述水平壁部分的长度之外延伸的所述水平壁部分的长度的剩余部分提供在船首侧壁上水密抵接的水密装置。
[0017]本发明的另一个目的在于提供用于管理船舶船首处的水流的上述管道的水平壁部分，所述水平壁部分在其各侧设置有片状金属板或叶片，这种片状金属板或叶片在所述管道下方延伸并朝船舶船首收敛，其中，位于所