涉及设置有主副推进装置的船舶推进的改进的制作方法

本发明涉及一种拥有具有船头和船尾的船体的船舶，该船舶包括多个推进装置。本发明还涉及一种用于操纵这种类型的船舶的方法。

背景技术：

船舶的推进系统可以分为内部推进装置，例如包括一个或多个活塞发动机或涡轮机，和外部推进装置，适于与船舶所浮在上面的水接触，例如包括一个或多个螺旋桨。推进装置还可以是由泵供给的水射流出口喷嘴。内部和外部推进装置由某种动力传送装置比如一个或多个驱动轴连接。

提高船舶的外部推进装置的效率一直是许多想法的目标。例如，传统的单螺杆船舶推进已被补充有关于多个外部推进装置的想法，且示例包括在US1628837A、US3996877A、US8028636B2、WO2012047753A2和GB1467758中的建议。

除了传统的桨舵组合，其他类型的外部推进装置已经出现，比如吊舱推进。吊舱推进单元具有螺旋桨，其安装在包括电动发动机的吊舱上，该吊舱被固定到形成为舵的支柱的远端。包括支柱和吊舱的单元可以旋转来改变螺旋桨推力的方向，以及由作为舵的支柱提供侧向力。

EP1329379A1和JP200967213公开了一种船只，具有主螺旋桨、其船尾舵、以及两个附加的推进单元。然而，仍然期望进一步提高船舶的外部推进装置的效率。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提高船舶的推进效率。

本发明的另一个目的是提高宽船舶的推进效率。

这些目的是采用一种拥有具有船头和船尾的船体的船舶实现的，所述船舶包括

-朝向所述船尾定位的至少一个主推进装置，以及

-朝向所述船尾定位的至少两个副推进装置，每个副推进装置的推力容量小于所述至少一个主推进装置中任何一个的推力容量的30％，

-其中，由于在垂直于船体中心线的平面上凸出，所述推进装置布置成使得每个副推进装置的水平延伸不重叠所述至少一个主推进装置中任何一个的水平延伸，

-其中，所述至少两个副推进装置布置成使得来自所述副推进装置的螺旋桨涡流(prop wash)离开副推进装置的区域在所述船舶正以全速或极速向前直行时至少部分地位于所述船体的边界层内。

这里，船体被理解为不包括船舶推进系统的部件，比如螺旋桨和水射流出口喷嘴，或者用于掌舵或稳定船舶的装置，比如方舵或船舶稳定翼。

如所理解，至少一个主推进装置和至少两个副推进装置位于朝向船尾意味着它们比船头更靠近船尾。

推力容量是指在静态条件下即当船舶不移动时可以由推进装置提供的最大推进力。每个副推进装置的推力容量小于主推进装置的推力容量的30％，并且可以大于20％，或甚至小于10％。优选地，第一和第二推进装置分别是主和副螺旋桨，每个副螺旋桨的扫掠面积小于主螺旋桨的扫掠面积的30％。

螺旋桨涡流是由副推进装置在船尾推动的水。如以下例示，副推进装置可以是以副螺旋桨的形式的旋转单元，或者它们可以是由水射流泵供给的出口喷嘴。例如，副推进装置是副螺旋桨，螺旋桨涡流是由副螺旋桨在船尾推动的水，且来自副推进装置的螺旋桨涡流离开副推进装置的区域在副螺旋桨。更具体地，对于此例示来说，在副推进装置是螺旋桨(副螺旋桨)的情况下，来自副推进装置的螺旋桨涡流离开副推进装置的区域应理解为与由螺旋桨盘限定的区域相同，即其是由螺旋桨的扫掠面积和螺旋桨叶片的延伸在垂直于螺旋桨的旋转轴线的方向上限定的。如下面所例示，副推进装置是水射流的出口喷嘴，螺旋桨涡流是由水射流的泵在船尾推动的水，并且来自副推进装置的螺旋桨涡流离开副推进装置的区域在水射流的出口喷嘴。更具体地，对于此例示来说，在副推进装置是水射流的出口管嘴的情况下，来自副推进装置的螺旋桨涡流离开副推进装置的区域应理解为是垂直延伸到水射流的流动的平二维区域，并且由在其远端的喷嘴的内部水射流接触表面限定，水射流离开喷嘴。

可以理解的是，由于在垂直于船体中心线的平面上凸出，将推进装置布置成使得每个副推进装置的水平延伸不重叠至少一个主推进装置中任何一个的水平延伸，每个副推进装置在水平方向上与主推进装置完全分离。即，任何副推进装置的水平延伸在船舶的横向方向上与主推进装置的水平延伸完全抵消。这里，推进装置的水平延伸理解为来自推进装置的螺旋桨涡流离开推进装置的区域的最大水平延伸。在螺旋桨的情况下，水平延伸会是螺旋桨扫掠面积的水平直径。优选地，在船舶的横向方向上，在每个副推进装置的水平延伸与主推进装置的水平延伸之间有水平距离。

如在流体力学中已知的是，边界层是流体在固体本体附近的层，其中粘度的影响很显著。边界层的厚度通常被定义为距本体的距离，其中流速是自由流速的99％。此边界层厚度通常取决于船舶的速度。此外，对于给定的船速来说，边界层的厚度将通常取决于在船体上的位置。在副推进装置的位置的边界层的厚度可以例如通过CFD(计算流体力学)来确定。

作为本身是已知的，船舶可能具有设计吃水线。如本领域中公知的，设计吃水线(DWL)，也称为负载吃水线(LWL)或夏季(summer)负载线，是对于特定的水类型和温度来说，当船舶在静水中闲置自由漂浮并且被加载到其设计能力时船体满足水的表面的线。设计吃水线采用所谓的Plimsoll线表示在船体上。Plimsoll线是采用通过圆的水平线的参考标记。Plimsoll标记的水平线与设计吃水线在相同的水平，并且表示对于特定的水类型和温度来说，为了安全保持浮力，船舶在装载时可被安全浸入到的最大深度，即船舶可以装载的法定极限。

优选地，副推进装置完全低于设计吃水线。主推进装置可以完全低于设计吃水线。

优选地，所述至少两个副推进装置布置成使得：来自所述副推进装置的螺旋桨涡流离开副推进装置的每个区域的至少50％、优选的是全部：

-在从所述船体的0.35米内，其中船体的吃水线长度(L.W.L.)在100米以下，

-在从所述船体的0.60米内，其中船体的吃水线长度(L.W.L.)至少为100米且在150米以下，

-在从所述船体的0.83米内，其中船体的吃水线长度(L.W.L.)至少为150米且在200米以下，

-在从所述船体的1.05米内，其中船体的吃水线长度(L.W.L.)至少为200米且在250米以下，

-在从所述船体的1.25米内，其中船体的吃水线长度(L.W.L.)至少为250米且在300米以下，

-在从所述船体的1.45米内，其中船体的吃水线长度(L.W.L.)至少为300米且在350米以下，

-在从所述船体的1.64米内，其中船体的吃水线长度(L.W.L.)至少为350米。

从而，应当确保的是，所述副推进装置布置成使得来自副推进装置的螺旋桨涡流离开副推进装置的区域在所述船舶正以全速或极速向前直行时至少部分地位于船体的边界层内。这可以通过事实得到验证，即可以使用用于在平板上的湍流边界层的厚度的以下表达式来计算边界层厚度：

其中，

δ是边界层的总厚度，

x是从边界层开始的下游的距离，

Re_x是雷诺数，

ρ是密度，

u₀是自由流速度，以及

μ是动态粘度

来自所述副推进装置的螺旋桨涡流离开副推进装置的区域的上述给定的有利位置是从假设副推进装置位于船尾使得x是在船体的吃水线的长度并且保守地假设水温为20摄氏度而推导出的。此外，假设船舶的全速为20节。

如本领域中公知的，边界层从船体分离，通常在靠近船尾的区域。优选地，副推进装置布置成使得来自所述副推进装置的螺旋桨涡流离开副推进装置的区域在所述船舶正以全速或极速向前直行时位于边界层分离区域的前面，即在朝向船头的方向上。

虽然本发明必须向后推水，从而可以局部地增加船体与水之间的摩擦，但是本发明使得可能提供一种具有改善的推进效率的船舶，因为由副推进装置加速的水可用于对朝向船舶尾部的边界层赋予能量。同时，较大的主推进装置(其可被实施为具有大扫掠面积直径的螺旋桨)有助于维持推进系统本身的高效率。基本上，本发明提供了推进系统的增加的船体效率与高效率之间的平衡。

由赋予边界层能量的副推进装置提供的增加的船体效率再加上由主推进装置提供的高推进效率提高了船舶推进的总效率，特别是对于宽船舶来说，例如采用高的梁吃水深度比。其原因是，可以设置一个或多个大主推进装置，其中多个副推进装置沿船舶的横向方向分布，在整个船舶的梁的主要部分上提供了边界层能量供给效应。

因为由于在垂直于船体中心线的平面上凸出，推进装置布置成使得每个副推进装置的水平延伸不重叠至少一个主推进装置中任何一个的水平延伸，所以确保的是提供了推进装置的该有利的横向分布。优选地，由于在垂直于船体中心线的平面上凸出，每个副推进装置布置成使得其水平延伸不重叠其他副推进装置中任何一个的水平延伸。

在一些实施例中，所述主推进装置相对于所述船体中心线定心。从而，在船舶的水平横向方向上，单个主推进装置可以位于船体的中间。

优选地，所述副推进装置中的至少两个分布在所述船体中心线的两侧上，并且位于所述至少一个主推进装置的外侧上。船体在设计吃水线下方，相对于相交船头和船尾的竖直对称平面通常是大致对称的。船体中心线是在竖直对称平面内的水平线。副推进装置最好平均分布在船体中心线的两侧上。可能仅一个副推进装置在船体中心线的每一侧上，或者可能有一个以上的副推进装置在船体中心线的每一侧上。因此，在一些实施例中，至少两个副推进装置位于所述至少一个主推进装置外侧的所述船体中心线的左舷侧上，且至少两个副推进装置位于所述至少一个主推进装置外侧的所述船体中心线的右舷侧上。

在一些实施例中，所述船舶包括两个主推进装置，每个位于所述船体中心线的相应侧上，其中，所述副推进装置中的至少一个沿横向位于所述主推进装置之间。

副推进装置在船体中心线的两侧上的分布可以用于在船体朝向船尾的梁上要被赋予能量的边界层，这在宽船舶比如许多游船中是特别有利的。另外，副推进装置在船体中心线的两侧上的分布减少速度在船体的横向方向上的差别，从而提供增加的效率。

优选的，来自所述副推进装置的螺旋桨涡流离开副推进装置的区域特别是这些区域的中心比所述船体的最低部分更靠近所述设计吃水线。船体的最低部分可以是一个点、一条线，或者例如在船体具有基本上是平面的底表面的情况下是一个区域。

如所提出，所述副推进装置中的至少一个优选为全部是副螺旋桨。优选地，至少两个副推进装置是副螺旋桨，均匀地分布在船体中心线的两侧上。优选地，所有的副推进装置是副螺旋桨，均匀地分布在船体中心线的两侧上。副螺旋桨可以是轴驱动的。同样在本发明的范围内，至少一个副螺旋桨可以是轮边驱动副螺旋桨。在一些实施例中，至少一个副螺旋桨是吊舱或azipull推进器。在一些实施例中，至少一个副螺旋桨是方位推进器。

同样如所提出，在一些实施例中，所述副推进装置中的至少一个优选为全部是水射流的出口喷嘴。从而，主推进装置可以是主螺旋桨。优选地，至少两个副推进装置是水射流的出口喷嘴，均匀地分布在船体中心线的两侧上。优选地，所有的副推进装置是水射流的出口喷嘴，均匀地分布在船体中心线的两侧上。优选地，水射流的入口很宽；特别是它们具有在船体的横向方向上比在其纵向方向上更大的延伸；这将有利地减少在入口处的局部流动减速。

应当指出，该组副推进装置可以是轴驱动副螺旋桨、轮边驱动副螺旋桨、吊舱、azipull推进器和/或水射流出口喷嘴的组合。

在一些实施例中，主推进装置是主螺旋桨，所述副推进装置中的至少一个优选为全部是副螺旋桨，其具有的扫掠面积直径小于主螺旋桨的扫掠面积的直径。例如，如上面所提出，每个副螺旋桨的扫掠面积可以小于主螺旋桨的扫掠面积的30％。所述副螺旋桨的中心可以位于从所述设计吃水线至所述船体的最低部分的距离的上三分之一内。副螺旋桨的扫掠面积的直径可以小于从副螺旋桨的中心到设计吃水线的距离。

优选地，所述副推进装置中的至少一个或全部是副螺旋桨，当所述船舶正以全速或极速向前直行时，所述副螺旋桨的中心可以位于所述船体的边界层内。此外，当船舶正以全速或极速向前直行时，副螺旋桨的整个扫掠面积可以位于船体的边界层内。

所述副推进装置中的至少一个或全部是水射流的出口喷嘴，当所述船舶正以全速或极速向前直行时，所述出口喷嘴可以至少部分地位于所述船体的边界层内。

优选地，所述主推进装置是主螺旋桨，来自副推进装置的螺旋桨涡流离开副推进装置的区域中的至少一个优选为所有区域在所述主螺旋桨的后面。这使得所述区域尽可能靠后，这是有利的。

优选地，所述船舶具有的梁吃水深度比为至少2.5、至少3.0、至少3.5或至少4.0。通过布置在梁方向上分布的副推进装置，该实施例导致在船体的整个梁延伸上赋予边界层能量的特别有利的布置再加上由较大的梁吃水深度比所提供的高船体效率。

所述副推进装置中的至少一个、一个以上或全部是副螺旋桨，所述船体可以具有至少一个凹槽，所述凹槽基本上平行于所述船体中心线，并且至少部分地包围相应的副螺旋桨。凹槽的一部分可以位于吃水线上方。优选地，整个凹槽位于吃水线以下。

优选地，所述凹槽的至少一部分拥有部分圆形横截面，其半径比所述副螺旋桨的扫掠面积的直径的一半大5％-20％。

优选地，所述主螺旋桨的扫掠面积的直径是从设计吃水线到所述船体的最低部分的距离的至少50％。有利地，主推进装置包括在所述主螺旋桨后面的舵。所述舵可以是例如半平衡型的或铲式舵。

所述舵可以具有船艏，该船艏具有的毂盖靠近所述主螺旋桨的轮毂。由此，螺旋桨和主推进装置的舵形成集成的螺旋桨舵系统，比如称为Promas系统的系统。这提供了更高的推进效率，而没有操纵性的任何损失。

还可以采用根据权利要求23所述的船舶来实现这些目的。这样的船舶可以例如实施为根据权利要求3-22中任一项所述的船舶。优选地，由于在垂直于船体中心线的平面上凸出，根据权利要求23所述的船舶的推进装置布置成使得每个副推进装置的水平延伸不重叠至少一个主推进装置中任何一个的水平延伸。优选地，副推进装置完全低于船舶的设计吃水线。至少一个主推进装置可以完全低于设计吃水线。

还可以采用用于操纵根据权利要求1-23中任一项所述的船舶的方法来实现这些目的。该方法包括控制所述副推进装置，使得至少一个副推进装置在所述船体中心线的一侧上的联合推力高于至少一个副推进装置在所述船体中心线的另一侧上的联合推力。从而可以采用在副推进装置上的不同推力掌舵船舶。

这些目的还可以采用一种拥有具有船头和船尾的船体的船舶来实现，所述船舶包括位于朝向所述船尾的至少一个主推进装置，以及位于朝向所述船尾的至少两个副推进装置，每个副推进装置的推力容量小于所述至少一个主推进装置中任何一个的推力容量的30％，所述至少两个副推进装置布置成使得来自所述副推进装置的螺旋桨涡流离开副推进装置的区域在所述船舶正以全速或极速向前直行时至少部分地位于所述船体的边界层内。这样的船舶可以例如实施为根据权利要求2-22中任一项所述的船舶。

这些目的还可以采用一种拥有具有船头和船尾的船体的船舶来实现，所述船舶包括位于朝向船尾的两个主推进装置，所述两个主推进装置中的每个位于船体中心线的相应侧上，多个副推进装置位于朝向船尾，每个副推进装置的推力容量小于主推进装置的推力容量，其中，至少一个所述副推进装置在横向上位于所述主推进装置之间，其中，至少两个副推进装置布置成使得来自所述副推进装置的螺旋桨涡流离开副推进装置的区域在所述船舶正以全速或极速向前直行时至少部分地位于所述船体的边界层内。这样的船舶可以例如实施为根据权利要求2、4-5和7-22中任一项所述的船舶。优选地，由于在垂直于船体中心线的平面上凸出，推进装置布置成使得每个副推进装置的水平延伸不重叠至少一个主推进装置中任何一个的水平延伸。优选地，副推进装置完全低于船舶的设计吃水线。主推进装置可以完全低于设计吃水线。

这些目的还可以采用一种拥有具有船头和船尾的船体的船舶来实现，所述船舶包括位于朝向船尾的至少一个主推进装置(其是主螺旋桨)，以及位于朝向船尾的至少两个副推进装置(每个都是水射流的出口喷嘴)，其中，至少两个副推进装置布置成使得来自所述副推进装置的螺旋桨涡流离开副推进装置的区域在所述船舶正以全速或极速向前直行时至少部分地位于所述船体的边界层内。这样的船舶可以例如实施为根据权利要求2-7、15-17和20-22中任一项所述的船舶。优选地，每个副推进装置的推力容量小于主推进装置的推力容量。优选地，由于在垂直于船体中心线的平面上凸出，推进装置布置成使得每个副推进装置的水平延伸不重叠至少一个主推进装置中任何一个的水平延伸。优选地，副推进装置完全低于船舶的设计吃水线。主推进装置可以完全低于设计吃水线。

附图说明

下面，参照附图，对本发明的实施例进行描述，其中，

-图1示出了船舶的侧视图，

-图2示出了从图1的船舶后面的视图，

-图3示出了图1视图的一部分，

-图4-图6、图9、图11和图13示出了根据本发明替代实施例的从船舶的船体后面的视图，

-图7示出了图6的船体的一部分的侧视图，

-图8示出了沿着图7的线VIII-VIII定向的横截面的一部分，

-图10示出了图9的船体的一部分的侧视图，

-图12示出了图11的船体的一部分的侧视图，

-图14示出了图13的船体的一部分的侧视图，以及

-图15示出了从图1的船舶下面的视图。

具体实施方式

图1示出了船舶1的侧视图。船舶1的船体2具有船头201、船尾202和设计吃水线203，如以上所定义。如图2所示，船舶具有的梁吃水深度比B/D为3.00。船舶1包括位于朝向船尾202的主推进装置3。主推进装置3是主螺旋桨301，舵302安装在尾鳍303。整个主螺旋桨301低于设计吃水线203。主螺旋桨301的扫掠直径是从设计吃水线203到船体2的最低部分的距离D的60％。

如可以在图1和图2中看到，两个副推进装置4朝向船尾202定位。每个副推进装置4是副螺旋桨401。副螺旋桨分布在船体中心线CL的两侧，并且位于主推进装置3的外侧。副螺旋桨401每个都具有比主螺旋桨301的扫掠面积直径更小的扫掠面积直径。

如可以在图2中看到，每个副螺旋桨401布置为在垂直于船体中心线CL的平面上凸出，使得其水平方向延伸HES不重叠主螺旋桨301的水平延伸HEM。

如可以在图3中看到，船体2的底表面204(其沿船体2的主要部分是平面的)朝向船尾202由具有连续平滑形状的上升部205取代，随着其逐渐接近吃水线203，至船尾202的距离变短。主副推进装置3、4沿着船体2的纵向方向(平行于船体中心线CL)位于上升部205的延伸范围内。

在图3中，边界层(随着当船舶正以全速或极速向前直行时出现)表示为线6。边界层6大致在上升部205比在底表面204更厚。

副螺旋桨401位于船体2的边界层6内。由此，它们布置成使得来自副螺旋桨401的螺旋桨涡流8离开副螺旋桨401的区域7也位于船体的边界层6内。此外，来自副螺旋桨401的螺旋桨涡流8离开副螺旋桨401的区域7在主螺旋桨301后面。

应当指出，来自副螺旋桨401的螺旋桨涡流8离开副螺旋桨401的区域7低于设计吃水线203，并且比船体2的最低部分即底表面204更靠近设计吃水线。更具体地，如可以在图2中看到，副螺旋桨401的中心位于从设计吃水线204至底表面204的距离D的上三分之一内。

在图4示出的实施例中，两个副螺旋桨401位于主螺旋桨301外侧的船体中心线CL的左舷侧上。另外两个副螺旋桨401位于主螺旋桨301外侧的船体中心线(CL)的右舷侧上。

在图5示出的实施例中，两个主螺旋桨301分布在船体中心线CL的两侧上。副螺旋桨401位于主螺旋桨301外侧(其在船体中心线CL的左舷侧上)的船体中心线CL的左舷侧上。另一副螺旋桨401位于主螺旋桨301外侧(其在船体中心线CL的右舷侧上)的船体中心线CL的右舷侧上。另一副螺旋桨401位于主螺旋桨301之间。

在图6-图8示出的实施例中，船体2拥有四个凹槽206，它们定向为大致平行于船体中心线CL。每个凹槽206部分地包围相应的副螺旋桨401。如图8所示，每个凹槽206的一部分拥有部分圆形横截面，其半径比副螺旋桨401的扫掠面积的直径的一半大5％-20％。

如可以在图7中看到，副螺旋桨位于全速或极速的船舶的边界层6内。从而它们布置成使得来自副螺旋桨401的螺旋桨涡流8离开副螺旋桨401的区域7也位于船体的边界层6内。

如可以在图7中看到，本实施例具有的铲式舵302在主螺旋桨301后面。

在上述实施例中，副螺旋桨401是轴驱动的。图9和图10示出的替代实施例具有轮边驱动副螺旋桨401。如可以在图10中看到，轮边驱动副螺旋桨401部分地位于全速或极速的船舶的边界层6内。从而它们布置成使得来自轮边驱动副螺旋桨401的螺旋桨涡流8离开螺旋桨401的区域7也部分地位于船体的边界层6内。

在本实施例中，主螺旋桨301后面的舵302具有船艏(bulb)304，其具有的毂盖305靠近主螺旋桨301的轮毂306。因此，该实施例具有称为Promas系统的集成螺旋桨舵系统。

在图11和图12示出的实施例中，两个副推进装置中的每个都是水射流401的出口喷嘴402。如可以在图12中看到，当船舶正以全速或极速向前直行时，出口喷嘴402位于船体的边界层内6。从而它们布置成使得来自出口喷嘴402的螺旋桨涡流8离开出口喷嘴402的区域7也位于船体的边界层6内。

在图13和图14示出的实施例中，三个副推进装置401中的每个以及两个主推进装置301中的每个都是水射流的出口喷嘴。当船舶正以全速或极速向前直行时，副推进装置水射流出口喷嘴402位于船体的边界层6内。

如可以在图15中看到，描绘了根据本发明的方法的实施例的操纵。副推进装置4被控制成使得副推进装置4在船体中心线CL的右舷侧上的推力Ts高于副推进装置4在船体中心线CL的左舷侧上的推力Tp。从而采用至左舷不同的推力Ts、Tp来掌舵船舶1。