专利名称：滑行及半滑行艇的船体的制作方法
技术领域：
本发明涉及船舶的船体，更具体来说，涉及船体的纵截面及其设计。现有技术的滑行艇的船体纵截面提供相对较低的升力系数及适度的升力/阻力比值。本发明描述一种可供选择的纵截面，它具有较高的升力系数，同时也有显著较高的升力/阻力比值。
可以看出，上、下文中关系到船体所使用的术语“纵截面”在本技术领域中是人所共知的，是指对准船体的纵向轴线且含有船体下侧面轮廓的船体截面。
沿现有技术的典型船体纵截面的压力分布表示在
图1中。压力系数Pc在前缘驻点1达到一致，迅速下降并在后缘2渐近于零。升力中心在沿船体弦长(即，浸湿长度)大约30％的点上。实际上，公知技术的典型船体纵截面的压力系数下降得比图示更为迅速。(这种现象也使升力中心前移)这是由于公知的现有技术船舶的滑行船体低长宽比和V形进入形状的缘故。
人们也公知船舶在船体纵截面后缘设有一个或多个折翼或“调整片”。例如，如US 5,806,45、US 5,215,029和EP-A-0 071 763中所示，这种折翼一般与水平成一个相对较小的角度。体现这种后缘折翼的典型船体纵截面的压力分布表示在图2中。在这种情形中，第二压力峰值在标号3处后缘的前面形成。这具有沿着几乎整个截面增加压力、显著增加升力及将升力中心向后移至船体弦长的大约48％的作用。但是，这种折翼通常具有可观的弦长(即折翼的浸湿部分的长度)。当压力垂直于折翼的表面作用时(除了沿折翼表面作用的一个小的摩擦成分以外)，如果折翼角度(即，折翼相对于水平的角度)明显的话，升力的增加是以相当大的阻力增加为代价的。另外，大多数这种后缘折翼并不在船体的整个宽度上延伸，这就导致很大的末端损失和在船体上不均匀的压力分布。因此，使用这种折翼是得不偿失的，需要修正船舶姿态和性能，否则就得不到良好的平衡。
公知技术的滑行船体经常遇到另一个问题是在高速时纵向不稳定，其原因在于船头明显“吸”入趋近的波浪的作用。由于产生足够位置的提升时或当波浪已经经过时船头只能升起，因而上述作用可引起相当大的阻力。因此，图3表示一种公知技术的滑行船体，其中超过设计值，前部截面由于浸入而被弄圆。沿截面的相应压力分布(压力系数，Pc比弦长)表示在图4中。在驻点1达到一致值以后，压力系数Pc迅速下降，在弦长的10％处变为负值，只是在沿弦长的35％处再次变为正值。这种情形随着增加的曲率而恶化，因而在船尾上升时俯抑力矩可能变负，导致负的动升力。由于在弯曲截面上的负升力，图示截面的升力/阻力比值只为相同截面在图1所示出的设计姿态上的值的大约五分之一。
本发明的目的在于避免或尽量减小前述的一个或多个缺点。
按照本发明的第一方面提供一种滑行或半滑行艇的船体，这种船体具有突然下掠的后缘部分。
后缘部分可以在船体中整体形成，不过，后缘部分最好以从船体基本向下伸出的折翼装置的形式设置。折翼装置最好与设计水线面的法线倾斜小于45度，并且可以基本垂直于设计水线面。折翼装置最好横过船体尾板的整个宽度延伸。折翼装置的角度最好是固定的，但是也可以形成和布置得是可以变化的。
折翼装置最好超过船体下侧面紧邻于折翼装置的一个部分的水平伸出一个长度或“弦长”，该弦长是船体长度的一小部分，一船小于船体全长的1％。折翼装置的弦长最好可以通过使折翼装置沿一条倾斜轴线上、下滑动而改变，折翼装置可以可滑动地安装在上述倾斜轴线上。为了控制折翼装置的这种运动，可以设置机、电和/或液压装置。
按照本发明的第二方面，提供一种滑行或半滑行艇的船体，这种船体具有一个前端部分和一个后缘部分，其中该前端部分包括一个从船体头部向后、向下伸向后缘部分的前表面，所述前表面稍许呈拱形，因而在船体纵截面中，所述前表面在船体使用中相对于水线面的角度沿所述前端部分的长度逐渐减小。稍许拱形的前端部分最好圆滑地并入船体下侧面的一个在船以设计工作速度航行时通常浸没的后部。后缘部分的下侧面的该后部最好也呈拱形，因而在船体纵截面中，使所述下侧面相对于设计水线面的入射角在所述下侧面(在设计水线面)会合前端部分的前表面处很小，最好小于2度，可以为1度或更小。
通常浸没的下侧面的拱形表面可以圆滑地并入下侧面的基本上掠的后部。下侧面的这个上掠的后部在船体使用中可以相对于设计水线面倾斜一个正或负角，这取决于安装船体的船舶的种类，以及船体的设计速度和负载状态。
可以看出，在说明书中使用的术语“水线面”是指未扰动水面与船体的相交面。静态水线面是当船体休止时水线面相对于船体的位置。滑行水线面是在抬离时水线面相对于船体的部分。“设计水线面”是在设计状态下(即，在船体以设计速度工作时)水线面相对于船体的位置。
还可以看出，“抬离”是指装有船体的船舶装有船体的船舶达到其最低滑行速度的时间点。
按照本发明的上述第一方面的船体也可以具有按照本发明的上述第二方面的船体的特征。在这样的船体中，船体的浸没的下侧面的上掠的后部最好紧靠船体的突然下掠的后缘部分的前面。
按照本发明的第三方面，提供一种滑行或半滑行艇的船体，其中，在船体的纵截面中，船体在设计状态下使用时船体长度的浸没部分的长度或“弦长”小于船体总长度的十分之一。
按照本发明的另一个方面，提供一种装有上述的本发明的第一、第二和第三方面中任一方面的船体的船舶。
如上所述，为了产生升力，传统的滑水截面需要船舶有正的冲角。按照本发明的船体的优点在于它们在设计速度时可在零冲角下工作，并且可以布置得在船舶的整个速度范围上有小的或没有姿态改变。
另外，本发明的船体可以提供改善的升力系数和二维升力/阻力比值。提高的升力系数使与水接触的表面面积减小，对于梁相等的船舶来说，这可能变成升力表面的平均弦长的减小，因而导致弗氏数(Vs/ g×L)增加，其中Vs是船舶过水的速度，L是局部弦长，g是重力加速度。这可减小喷流阻力和兴波阻力。因此，按照本发明的船体与相同重量和尺寸的传统船体比较可节省相当大的功率，同时涡流和喷流也可以相当程度地减小。本发明船体减少喷流的产生，这样就不必安装喷流轨(sprayrails)和其它用于通过使喷流幕向下偏转而增加升力的其它装置。
增加升力系数可提供的另一个好处在于，船舶能够以显著降低的速度滑行，同时较高的升力/阻力比值进一步减小了达到滑行速度所需要的功率。对于螺旋桨驱动的船舶来说，由于喷气滑动在船体下增加的速度使升力相当大地增加。这种效果比传统船体上要显著得多，这是由于显著减小了弦长，以及在后部上增加了压力分布的缘故。另外，由于较高的升力系数和相应较低的滑行速度，喷气滑动增大。这就增加了相对于船舶的局部速度，因而也增加了动压力。产生的附加升力可将达到滑行速度所需要的功率减小30％。或更多。
现在仅通过举例的方式对照以下附图描述本发明的优选实施例。
图1是典型现有技术的船体纵截面的压力系数Pc对百分比弦长的曲线图；图2是船体装有后缘折翼的典型现有技术的船体纵截面的压力系数Pc对百分比弦长的曲线图；图3是现有技术的以抬离一设计姿态滑行的船体纵截面的船体浸没对百分比弦长的曲线图；图4是对于与图3相同的船体的压力系数Pc对百分比弦长的曲线图；图5是按照本发明的一个实施例的船体纵截面；图6是图5的船体截面的后部的放大图；图7是按照本发明的另一实施例的后视立体图；图8是对巡航状态进行最佳化的按照本发明的船体纵截面的压力系数Pc对百分比弦长的曲线图；图9是对抬离状态进行最佳化的按照本发明的船体纵截面的压力系数Pc对百分比弦长的曲线图。
按照本发明的典型的船体纵截面4表示在图5中。应当注意的是，这不是按比例表示的，实际上图5中的垂直轴线已为清晰起见而放大。船体纵截面4具有一个前表面，该前表面从纵截面的头部向下朝着纵截面的后缘延伸。该表面基本稍许呈拱形，因而在它与静态水线面6相交的点9具有一个小的入射角α1。另一个基本稍许呈拱形的表面10在点9与表面5相切连续，该表面10在点11与船体达到持续滑行速度的水线面7相交。表面10相对于滑行水线面7的切线角α2最好尽可能小，这是与其它约束一致的。
船体纵截面4的后部的放大图表示在图6中。在点11与表面10切线连续的一个基本稍许呈拱形的表面12在点13与设计水线面相会。在点13的入射角α3最好设置得很小，可以为1度或更小。在设计速度时，船舶骑乘在表面14上，表面14在点13与表面12切线连续。该表面最好稍许呈拱形，最好在点15终止在上掠的后缘中。表面14的上掠部分对设计水线面8的切线角αTE可以在小的负值(下掠)至10度或更大的正值(上掠)，这取决于船舶的类型；以及设计速度和负截状态。一般来说，αTE的值在-1°至+1°之间。
在上掠的后缘15上，船体由一个急剧下掠的折翼18终止，该折翼突然结束于标号16处。折翼18的弦长(即，折翼的浸湿长度，这就是折翼超出后缘15伸出的长度)是船体纵截面长度L的一个小的百分数。对于大多数高速船舶来说，这个百分数小于1％，但是在下文中将要描述的滑行或半滑行艇的特殊情形中可以较高。折翼18最好是可变的，通过调整折翼在箭头A方向上的正或负位置，使弦长CF变化。在表面14和折翼18之间的点15可施加小的转接表面(blend)。折翼相对于设计水线面8的角β可以为正值或负值，最好小于45°纵截面的静止时浸湿部分的长度(即，弦长)标为C1。在船舶开始滑行(即，抬离)时的速度上的弦长标为C2。由于增加的升力系数，与公知技术的船体比较，弦长C2与船舶长度L的比值显著减小，其效果是减少摩擦、喷流和兴波阻力。对于高速船舶来说，设计弦长(即，在设计速度时的弦长)C3将很低，一般是船舶长度的不到10％，C3值低的意义在于，如上所述，可提高弗氏值。
一种适用于较重型滑行或半滑行艇的变型表示在图7中，在该图表示的船体纵截面4中，αTE比较图3所示是显著较大的正角，因而点15在设计水线面8的上方。在这种情形中，折翼弦长CF也将较大。为了减小压力损失在船体4的侧部21最好施加裙部20。这种截面可以设计得具有超过0.4的升力系数及超过40的升力/阻力比值。
现在参阅图3，4和5，为方便起见，将水线面6，7，8画成直线，是指距船舶一些距离处的未扰动的水线面。
前面所使用的术语“稍呈拱形”是指沿基本上整个截面呈拱形，在任意点上的曲率被最小化，因而在任何正常条件下压力系数Pc不致变为负值。设计弦长C3与长度L的比值低，，其意味着，请参阅图1，通过采用一个低值的曲率，可实现足够高值的船首水上部分高度H和船前角αn，上述曲率表达为δα/δc，其中α是沿任何表面5，10，12，14在任何点上相对gf水线面的切线角，C是相应的弦长。
可以看出，术语“压力系数”、“升力系数”和“阻力系数”是本专业中通用和公知的，在通用工程上具有下述定义在船体表面上产生的压力垂直于局部船体表面起作用。压力系数Pc等于在单位面积的表面上作用的压力除以动压力，其中动压力＝[水密度×(Va2/2)])，式中Va是相对于船舶的局部水速；升力系数是表面产生的垂向升力除以(突向水面的表面的平面面积×动压力)，等于在表面面积上的[(压力系数×船体相对水平的局部角度的余弦)-(摩擦系数×船体相对于水平的局部角度的正弦)]的积分；以及阻力系数是表面产生的水平阻力除以(表面的面积×动态水头)，等于在表面面积上的[(压力系数×船体相对于水平的局部角度的正弦)-(摩擦系数×船体相对于水平的局部角度的余弦)]的积分，其中，如果船体表面的切线在船尾的方向上指向下面，那么船体相对于水平的局部角度为正，以及其中，摩擦系数是单位面积的表面产生的表面摩擦引起的阻力除以动压力。
升力/阻力比值定义为下述比值升力系数/阻力系数。
参阅图8和图9所示的压力系数分布，可以看出具有上述的改进的纵截面的船体的作用，其中图8表示按照本发明的船体纵截面的效果，所述本发明的船体纵截面已为巡航状态最佳化，提供了0.15的升力系数和25∶1的升力/阻力比值。对于这种情形的折翼弦长CF是设计弦长C3的0.5％。至于公知技术的截面，压力系数在前部驻点1达到一致的值。与图1所示的公知技术的截面相比较，在该点13上的表面的倾角减小，因而垂向作用的成分(即升力)或多或少地增加，而向后作用的成分(阻力)被减小。在紧靠驻点1的后面，由于表面14的向上的弯曲，与公知技术的截面相比较，压力系数Pc或多或少地更为迅速地下降，因而这种截面产生的升力或多或少地被减小。但是，该截面的减小的负斜度可进一步减小阻力成分。压力系数Pc由于向下延伸的后缘折翼18的影响增加而开始沿弦长逐渐增加，而对于公知技术的截面来说压力系数则继续降低。同时，船体表面变平，最好开始上升，使作用在表面上的压力不仅产生相对于公知技术截面来说的相当大的升力，而且也产生推动船舶前进的力的成分。在捌点23，压力系数再次趋近一致(精确值取决于挠曲的陡度)。显然，该表面产生相当大的阻力，所产生的(高)压力的准总数(quasi totality)由于表面垂向向下延伸而构成阻力成分。该阻力必须与所产生的升力和表面14的后部产生的向前的分力平衡。通过将图8曲线下的面积与图1的情形相比较，显然曲线下的面积，相应于所产生的升力，已增加了大约三倍。升力/阻力比值已大约加倍。
图9表示按照本发明的船体纵截面的效果，该船体纵截面已为抬离状态最佳化，提供0.25的升力系数和15∶1的升力/阻力比值。对于这种情形的折翼弦长CF增加至滑行弦长C2的2.0％。作为截面弦长的百分数，增加了的折翼弦长在船体后缘附近加宽了压力系数的峰值，并且在船体的整个弦长上基本增加了压力系数值。通过将图9曲线下的面积与图2的情形相比较，相应于所产生的升力，曲线下的面积已增加大约三倍。升力/阻力比值仍明显保持相同。虽然在装有折翼的现有技术的截面的情形中，升力中心由于装有折翼而后移了弦长的大约16％，但是，新截面的压力中心前移弦长的7％。这种减少了的移动对于保持船舶的平衡有相当大的好处。
上述的升力系数和升力/阻力比值是指两维截面数据(对于船体纵截面而言)。截面升力系数增加三倍意味着对于相同重量和梁的船体来说，设计弦长C3将减小相同的倍数。弗氏值将增加(3)。滑行表面的增加的宽度/弦长比值带来的减小的末端损失，以及增加的弗氏值引起的喷流和兴波损失的减小具有一种撞击(knock-on)效果，因而实践中，新改进的截面当施加在三维船体形状上时显示出大约5倍的升力系数的增加和升力/阻力比值的增加。朝向前面的喷流幕中入射角α3小，以及升力表面的宽度/弦长比值高，其效果意味着船头大部分喷流幕向前伸出，而不是像公知技术的船体的情形中那样侧向偏斜。这种效果使船体“骑乘”在所产生的携带着气泡的喷流幕上，从而进一步减小了表面摩擦。
显然，为了取得最大的优越性，使用新的船体截面的船体最好应该设有可变的折翼。在亚滑行速度上，折翼应理想地缩回以尽可能减小阻力，而为了将提升船舶而滑行，折翼应伸展以提供高的升力。在巡航速度上，折翼应部分地缩回以形成最小的阻力，在设计点以上的速度上，折翼应进一步缩回，以便将浸没的弦长保持得接近其设计值。
以自由表面效应高速流动的技术领域的专业人员懂得，精确的升力和阻力特性可以精确地计算和最佳化，对截面形状可进行微小的变化而使围绕实际三维的船体的流动最佳化而并不超出本发明的范围。
权利要求
1.用于滑行或半滑行艇的船体(4)，所述船体具有突然下掠的后缘部分(18)。
2.如权利要求1所述的船体，其特征在于所述后缘部分(18)在船体中整体形成。
3.如权利要求1所述的船体，其特征在于所述后缘部分是以基本向下从船体(4)伸出的折翼装置(18)的形式设置的。
4.如权利要求3所述的船体，其特征在于所述折翼装置(18)相对于设计水线面(8)的法线倾斜小于45度。
5.如权利要求3所述的船体，其特征在于所述折翼装置基本垂直于设计水线面。
6.如权利要求3至5中任一项所述的船体，其特征在于所述折翼装置(18)横过船体尾板的整个宽度延伸。
7.如权利要求3至6中任一项所述的船体，其特征在于所述折翼装置(18)的角度(β)是固定的。
8.如权利要求3至6中任一项所述的船体，其特征在于所述折翼装置(18)的角度(β)是可变的。
9.如权利要求3至8中任一项所述的船体，其特征在于所述折翼装置(18)超过船体下表面紧邻折翼装置的一个部分(15)的水平一个小于船体(4)的整个长度(L)的1％的弦长(GF)。
10.如权利要求9所述的船体，其特征在于所述折翼装置(18)的弦长(CF)可通过折翼装置沿着一倾斜轴线的向上或向下滑动而改变，所述折翼装置可滑动地安装在所述倾斜轴线上。
11.如权利要求10所述的船体，其特征在于为了控制折翼装置(18)的所述运动，设有机、电及液压装置中的至少一种。
12.用于滑行或半滑行艇的船体(4)，所述船体具有一个前端部分和一个后缘部分，其中前端部分包括一个从船体的头部向后及向下伸向后缘部分的前表面(5，10，12)，所述前表面稍许呈拱形，因而在船体纵截面中，在船体使用时，所述前表面相对于水线面的角(α)沿所述前端部分的长度逐渐减小。
13.如权利要求12所述的船体，其特征在于所述稍许呈拱形的前端部分(5，10，12)圆滑地并入当以设计工作速度航行时船体的通常浸入的下侧面后部(14)。
14.如权利要求13所述的船体，其特征在于后缘部分的下侧面的上述后部(14)也呈拱形，因而在船体的纵截面中所述下侧面在设计水线面会合前表面(10)的点(13)上，所述下侧面相对于设计水线面(8)的入射角(α3)小于2度。
15.如权利要求14所述的船体，其特征在于所述下侧面相对于设计水线面的入射角(α3)小于或等于1度。
16.如权利要求12至15中任一项所述的船体，其特征在于通常浸没的下侧面的拱形表面(14)圆滑地并入下侧面的基本上掠的后部。
17.如权利要求16所述的船体，其特征在于在船体使用中，所述下侧面的所述上掠的后部倾斜于设计水线面(18)一个角(αTE)，该角取决于安装船体(4)的船舶的类型，以及船体的设计速度和负载状态。
18.如权利要求16所述的船体，其特征在于在船体使用中，所述下侧面的所述上掠的后部倾斜于设计水线面(8)一个角(αTE)，该角在-1度至+1度的范围内。
19.如权利要求1至11中任一项所述的船体，其特征在于所述船体(4)还包括一个前端部分，该前端部分包括一个从船体头部向后且向下伸向所述后缘部分(18)的前表面(5)，该前表面稍许呈拱形，因而在船体使用中，在船体的纵截面中，所述前表面相对于水线面的角(α)沿所述前端部分的长度逐渐减小。
20.如权利要求19所述的船体，其特征在于通常浸没的下侧面的拱形表面圆滑地并入下侧面的一个基本上掠的后部，所述上掠的后部紧靠船体的突然下掠的后缘部分(18)的前面。
21.用于滑行或半滑行艇的船体，其中，在船体纵截面中，在船体在设计状态的使用中，船体的长度(L)的浸没部分的长度(弦长C1)小于船体总长度(L)的十分之一。
22.装有如权利要求1至21中任一项所述的船体的船舶。
全文摘要
本发明涉及用于滑行或半滑行艇的船体。该船体(4)具有一个突然下掠的后缘部分(18),在优选实施例中,该后缘部分呈横过船体尾板全宽延伸的折翼的形式,并且该后缘部分超过船体下侧面(14)的上掠部分的水平只伸出一个船体长度(L)的一个小部分。按照本发明的另一个方面,也描述及要求保护一个具有稍许呈拱形的前端部分(5,10。12)的船体。要求保护的船体比传统的滑行船体可提供更高的升力系数和升力/阻力比值,并可以在设计速度上以零冲角工作。
文档编号B63B1/18GK1343170SQ00804779
公开日2002年4月3日 申请日期2000年3月9日 优先权日1999年3月9日
发明者伊恩·J·邓肯 申请人:未来技术有限公司