空气润滑系统及包括这种系统的船舶的制作方法

本发明涉及一种船舶，所述船舶包括船体，所述船体具有中心线、相对的侧部和大致平坦的底部，所述船舶具有数个空气润滑系统，每个系统包括：限定空腔的侧壁和顶壁，所述空腔具有布置于界面平面中的开口，所述界面平面大致在平坦底部的水平处横切侧壁，当在所述空腔的长度方向看时，所述开口具有前端和后端，空气入口与空腔的开口间隔开，空腔具有长度、从界面平面到顶壁的距离(Hc)以及宽度(W)，其中，比例Lc/Hc在7:1到13:1的范围内，比例W/H在1.3:1到2.5:1的范围内，以及比例Lc/W在3.5:1到7:1的范围内。

背景技术：

从以本申请人的名义提交的WO 2013/125951中已知这种系统和船舶。在这一公开中，描述的是，通过提供相对小型的开口空腔并且以大约静水压将空气注入到空腔中来实现船舶的平坦底部的有效空气润滑，从而在该底部的高度处形成大致平坦的水-空气界面。在该界面处，由于开尔文-亥姆霍兹混合效应，空气被混合到水中，并且气泡流从空腔的后部逃离。这种空腔被认为提供了一种沿着底部提供气泡层、减小摩擦阻力的稳定且高效的方式，从而使得在推进期间由于减小的摩擦所获得的能量增益远超过以静水压将空气注入空腔中所需的额外能量。

为了促成在启动期间将空腔排空，描述了横跨空腔横向地延伸的数个弯曲的波浪偏转器。波浪偏转器减少了空腔内的扰动并且使得空气保持在空腔内更长的时间段，从而使得在启动期间需要用于较弱的空气注入的容量减小的压缩机。

在WO 2013/125951中，还描述了，除了中心线上的最前端的空腔之外，两个空腔可位于中心线的每一侧上不同的长度位置处以便使得气泡横跨底部均匀分布。

WO 2010/058614也公开了一种具有多个空气空腔的船舶，两个空腔位于中心线的每一侧上不同的长度位置处。

在US6,145,459中，描述了一种空气润滑系统，其中，沿着船体以朝向船尾的一个角度经由连接到空腔的缝隙注入空气，该空腔在船体的内侧表面上包含压缩空气。在船体中的缝隙的出口点的上游放置缆线，以便引起使空气体积散开的扰动，因此形成小泡状物。已知的系统具有以下缺点：空气注入需要相对高的压力，并且在针对减小摩擦阻力而进行的润滑所需要的功率方面考虑的话该空气注入是相对低效的。此外，船体外侧上的缆线相对容易受到损坏，产生附加的阻力并且可形成污物、贝类或海草的附着点。

JP 2002-2582 A描述了一种空气空腔船舶，该船舶具有空腔并且具有在底层下方突出以用于在空腔内产生负压的特殊的上游楔子。鉴于所产生的负压，空气在不需要压缩机的情况下供应到空腔中。在空腔内，下部前部部分造成使得水和空气进行混合的不均匀且扰动的空气-水界面。具有相对低的内部压力的小型泡状物在空腔的后部处离开，在泡状物沿着船体的底部行进时，泡状物的大小由于水压而减小。该已知的润滑系统相对低效，因为这种系统以空腔内产生的不受控制的负压来进行操作，并且无法形成与平坦底部在同一水平的平坦的空气-水界面，允许通过开尔文-亥姆霍兹效应沿着所述整个界面来混合空气和水，并且沿着界面不受限制地离开空腔到达明确限定且未扰动的边界层中的底部。

因此，本发明的目的是提供空气沿着底部的改进的分布以便增加润滑。

此外，本发明致力于提供空气润滑系统的改进的控制和安全性。

本发明的另一个目的是提供一种具有改进的空气流特征的空气润滑系统。

技术实现要素：

根据本发明的系统的特征在于，在船舶的中心线的每一侧上，至少三个空腔横跨底部在长度方向上沿着从靠近船首的中心线向对应的一侧延伸的线进行分布。

通过这种“V形”空腔分布，可以横跨底部的整个宽度扩展均匀的气泡覆盖层。空腔沿着其进行分布的线可以是直线或曲线，或者可以由具有不同曲率的线段组成。发明人发现使用更多的小型空腔使得在相对低的能量输入下生成的气泡分布更有利。

根据另一个实施例，空腔可以以下述方式来布置：在朝向船尾的方向看时，最靠近船首的空腔的后端比相邻空腔的前端距离船首更远。

对于带有尖锐的船尾以及相应形状的平坦底部的船舶，空腔遵循船体形状以实现空气润滑横跨底部的宽度的最优分布。相比于空腔在船舶的长度方向上对齐的情况，空腔的扇形展开分布带来改进的底部强度。

对于横跨船体的气泡的有效分布，在靠近船首的区域中，两个最前方的空腔可位于距中心线预定的距离处，靠近船尾的两个额外的空腔位于距中心线较小的距离处。包括在V形分布的边界内的中心空腔沿着船舶的中心线提供额外的空气润滑。

在横向方向上均匀扩展的空腔沿着平坦底部提供空气润滑的良好分布。靠近中心线的密集的空腔针对中心处的流线的扩展而被定制并且被认为在位置上取决于在遇到船舶的前部之后的水的稳定性。发明人在大量的CFD分析之后惊奇地发现了密集的空腔的中心位置。

根据本发明可采用波浪偏转器来使空腔内的流动稳定。通过在空腔内提供在空腔长度方向上具有相对长的尺寸的波浪偏转器，可以在船舶例如以20海里/小时的速度航行时有效地为空腔填充空气。在操作中，偏转器有效地使填充有空气的空腔免遭由于船舶的横摇运动以及波浪而引起的水的进入，长形偏转器部分在横摇运动期间使得空腔内的水表面保持稳定，从而确保空腔的稳定操作。同样，在船舶航行而空腔中没有空气的情况下，根据本发明的长形偏转器部分以减小的阻力带来未被扰动的水流。

如在此所使用的，词语“大致平坦的底部”旨在意指在可以在与水平面成+5°与-5°之间的角度的平面中延伸的底部。

根据本发明的偏转器可以由一个或多个穿孔的板构件形成，或者可以为格子或框架结构的形式。偏转器可以包括数个偏转器构件，每个偏转器构件具有水平定向部分，其中，相邻的长形部分之间在空腔的长度方向上的间隔在空腔长度L的1％与10％之间。

在操作期间，空气可以在偏转器之间以均匀分布的方式向下传到船体底部的水平面处的开尔文-亥姆霍兹界面。通过在相邻偏转器之间留下相对窄的敞开区域的条形物，在空气可以自由地行进到开尔文-亥姆霍兹界面时，偏转器在横摇运动期间有效地避免空腔有波浪进入和有水进入。

在WO 2013/125951第4页第40行到第5页第5行给出了可以发生有效的开尔文-亥姆霍兹效应的速度和气流，该国际申请通过引用合并于此。根据本发明的空气润滑系统所形成的泡状物的大小在0.5毫米到5毫米的范围内。在较低的速度时，所形成的泡状物看起来具有这样的大小，该大小在该范围的最高的一端内并且该大小在直径上通常测量为在3毫米到5毫米之间。对于较高的速度，泡状物大小被认为在该范围的较低的一端处并且在0.5毫米到约3毫米之间。

可以在其中使用本发明的空腔的船舶可以是用于内陆使用的尺寸更小的船舶，但是优选地是远洋航行的船舶，并且可以具有长度为至少20米长达500米的平坦的底部。适合结合根据本发明的空气润滑系统使用的船舶的排水量可以是10.000吨或更多、优选地50.000吨或更多，并且可以包括大型的海洋航行油轮、散装货船、集装箱船或其他载货船以及渡轮、游轮和其他载客船。

空腔的长度可以在2米到10米之间并且空腔的高度可以在0.2米到1.5米之间。空腔的宽度可以在40厘米到2米的范围内。发现空腔的以上尺寸足以产生用于产生恒定的气泡和使这些气泡沿着底部流动到边界层的稳定的开尔文-亥姆霍兹界面效应。

空腔的大小确定了产生稳定的润滑气泡层所需的空气体积，并且确定了在破裂之后重新填充空腔并且重新以水填充所需的空气体积。因此，优化空腔大小确定了空气润滑系统的总体有效性和总的空气供应的效率，并且对于系统的总体能量效率是决定性的。该能量效率引起船舶燃料的使用减少并且提高经济效益。

空腔的形状可以是矩形，但是在其前部部分处优选地是匕首形状或子弹形状以改进空气-水界面的稳定性。

发现匕首和子弹形状的空腔减少了在自由的水表面上波浪的形成。以此方式，填充有空气的空腔被认为相比于将更快破裂的、具有矩形形状的空腔显示出改进的稳定性。

偏转器可以包括水平区段和弯曲的横向区段，水平区段在空腔的长度方向大致平行于界面平面延伸至少10厘米、优选地至少15厘米，弯曲的横向区段向上弯曲、在长度方向上延伸至少10厘米并且从水平的偏转器区段的高度向上延伸至少5厘米、优选地至少10厘米，其中，相邻的偏转器构件之间在空腔的长度方向上的距离不大于1米、优选地不大于30厘米、最优选地不大于10厘米。

当空腔填充有空气时，波浪偏转器的向上弯曲的部分在航行期间使被向上指引的波浪以向下的方向进行偏转。可以在空腔中设置至少三个偏转器构件，水平的偏转器部分位于大致平行于界面平面的偏转器平面中。优选地，偏转器平面覆盖空腔的很大一部分，诸如界面平面的表面区域的至少25％、优选地至少50％、更优选地至少75％。以此方式，空腔被有效地免遭波浪进入并且改进了填充有空气的空腔的稳定性。

在另一个实施例中，偏转器平面位于距离界面平面至少3厘米的距离处。通过将偏转器平面设置为相对靠近空气-水平面，该界面例如在横摇运动期间的向上移动被减少并且填充有空气的空腔的稳定性得到改进。优选地，在空腔的后端处，空腔后壁在后向方向上行进时从顶壁到界面平面倾斜，至少一个偏转器构件位于倾斜的空腔后壁下方。

优选地，在顶壁中放置有用于连接到压缩机出口管道的空气供应开口。经由顶壁注入到空腔中的空气横跨空腔从顶部将其自身均匀地分开，并且沿着偏转器向下流动以形成稳定的空气-水界面。通过在空腔的顶壁中提供空气入口，前端处的空气流保持相对未被扰动并且形成最优的空气混合开尔文-亥姆霍兹界面。在采用子弹或匕首形状的空腔的情况下，这是特别有利的。

对于适当地控制来自每个空腔的气流并且出于在故障的情况下提供冗余系统的目的，针对每个空腔或中心线的相对侧上的预定长度位置处的每对空腔，根据本发明的船舶的实施例包括用于以大致对应于每个空腔中的静水压的压力将空气注入到空腔中的相应的压缩机。通过为每个空腔或空腔对提供压缩机，可以通过设置压缩机的输出来有效地控制进入每个空腔的气流。这远比提供单个压缩机并且通过各自的阀门来控制进入每个空腔的气流更加节能效高。同样，通过为每个空腔使用单独的压缩机而不是使用单个笨重的压缩机促成对现有的具有空气空腔的船舶进行改装。最终，从成本的角度来说，使用多个尺寸较小的压缩机比使用单个大压缩机更有利。

船舶可以在靠近其船首处包括支撑甲板，该支撑甲板位于上部甲板水平面下方，压缩机位于该支撑甲板上。

空腔的顶壁中的进气口可以包括具有逐渐地减小到更小直径的管道区段中的相对宽直径的区段。进气口的直径可以在15厘米到40厘米之间。

加宽的空气入口被认为对于降低入口处的空气速率来说是有效的，这带来未被扰动的开尔文-亥姆霍兹界面和后续最优的水-空气混合。

附图说明

将通过非限制性示例、参照附图详细地描述根据本发明的空气润滑系统和包括该系统的船舶的一些实施例。在附图中：

图1示出根据本发明的包括空气润滑系统的船舶的示意性侧视图，

图2示出根据本发明的空气润滑系统的立体图，

图3示出图2的系统的截面图，

图4示出根据本发明的具有长形偏转器的空腔的示意性侧视图，

图5a至图5c示出根据本发明的偏转器的不同实施例，

图6示出针对每个空腔包括位于靠近船首的支撑甲板上的各自的压缩机的船舶的部分剖视图，

图7示出靠近船首的处于V形构形的数个空腔，以及

图8示出具有圆形前部部分的子弹形空腔的实施例。

具体实施方式

图1示出船舶1，该船舶的长度Lv在20米到500米之间并且宽度在5米到75米之间。船舶1可以具有至少10000吨、优选地至少50000吨的排水量并且是远洋航行船舶。船舶1具有船体4，船体4具有船首2、船尾3、侧部5、大致平坦的底部6和推进器10。在底部6的平面中敞开的空气润滑空腔7、8沿着底部6分布以便产生沿着平坦底部6朝向船尾3行进的一层泡状物9。压缩机11、12连接到每个空腔7、8，用于在每个空腔内以船舶的普遍吃水水平以静水压力来供应空气。压缩机11、12具有连接到空腔7、8的空气出口管道14，并且具有用于摄取环境空气的空气入口管道13。压缩机11、12由控制器15控制，用于根据航行速度、海况以及在启动和停止期间来调节空气供应。

发明人已经发现以下关键原理适用于图1的空气润滑系统的合适的设计：

图2示出被构造为集成模块的空气润滑系统16，该集成模块形成可装配到船舶1的船体4的底部6中的空腔33。系统16包括侧壁18、18’和顶壁19。侧壁18、18’支撑在凸缘17上，凸缘17可焊接到船舶1的平坦底部6中。侧壁18、18’界定与船舶的平坦底部表面大致拉平的开口20，开口20形成平滑的空气-水界面平面，在该空气-水界面平面中由于开尔文-亥姆霍兹混合效应而使得空气被混合到水中。在界面平面处与水混合的气泡沿着后缘21离开空腔，从而平滑地从空腔过渡到底部并且沿着平坦底部6在船尾3的方向上不受限制地行进。凹形弯曲的、向下倾斜的壁部分27将顶壁19与后缘21相连接，从而以平滑流动的模式将空腔内的空气和水引导到沿下部后缘21布置的出口点。

空腔33的前端22是匕首形状的并且空气入口23位于顶壁19中。空气入口19可以连接到压缩机11、12的空气出口管道14中的一个空气出口管道。

在空腔33内，数个弯曲的波浪偏转器24、25、26横跨空腔的宽度W延伸并且连接到侧壁18、18’。空腔33的长度Lc可以为约4米，宽度W为约75厘米，并且高度Hc为约45厘米。侧壁18、18’的厚度可以为16毫米，而凸缘17和顶壁19的厚度可以为20毫米。

发明人已经发现以下关键原理适用于合适的空气润滑系统设计：

空腔内的波浪偏转器使得空腔内的水流稳定。出于两个原因，这是非常重要的：首先，在船舶航行期间，偏转器使得用空气填充空腔。其次，在系统关闭(没有空气输入)时，偏转器使得空腔的阻力最小化。

波浪偏转器被置于空腔的界面平面之上用于在船舶航行期间获得通过空腔的不被扰动的水流。当空腔充满空气时，偏转器远离水表面。偏转器还有助于在船舶的横摇运动期间维持水表面稳定。

空腔的后壁处的倾斜有助于将气泡平滑地释放到船舶的边界层，并且被设计为有助于将通过开尔文-亥姆霍兹混合形成的泡状物注入到中间船舶表面边界层，使得竖直扩散最小化并且对减阻进行最优化。

空腔的前部的形状(即，楔形或子弹形)控制水流，并且使得空气/水界面处的波浪不稳定性最小化，并且对通过开尔文-亥姆霍兹效应混合到边界层的一致的空气进行改进。

空腔的长度被选择为足以形成稳定的开尔文-亥姆霍兹空气混合效应，以产生恒定的气泡并且使气泡流动到边界层中。

空腔在船体下方的相对位置对于使船体的空气润滑表面区域最大化而言是重要的。

空腔的大小可确定产生稳定的气泡所需的空气体积以及在气穴破裂之后恢复空腔所需的空气体积。对空腔的大小进行优化可确定整体的润滑有效性和产生全部空气的效率。

从图3清楚地看到，波浪偏转器24、24’；至26、26’各自具有在距离敞开的界面平面30约5厘米的距离h1处延伸的水平部分29，空腔16内的空气与沿着平坦底部6流动的水之间的边界层位于该敞开的界面平面30中。波浪偏转器水平部分29具有约20厘米的长度Lwh，并且波浪偏转器弯曲部分31具有约20厘米的长度Lwc。水平波浪偏转器部分29距顶壁19的距离hu为约30厘米。所有波浪偏转器的水平部分29在偏转器平面32中位于大致相同的高度处。弯曲偏转器部分的高度hc为约11厘米。相邻波浪偏转器24、24’之间的距离gl为约5厘米。波浪偏转器24至26在界面平面30上的投射表面区域覆盖界面平面的表面区域的至少25％、优选地至少50％、最优选地至少75％。

空气入口23设置有相对宽的区段34，该区段34连接到直径更小的压缩机出口管道35，该宽的区段降低了空气速度并且提供了空气到空腔3中的逐渐流入。

图4示出包括数个大致水平的偏转器构件34、34’的空气润滑系统16的示意图。偏转器构件34、34’可以是横跨空腔的宽度支撑的分开的条状物，或者可以是如在图5a至图5c中示意性示出的一类整体偏转器28的一部分。

在图5a的实施例中，偏转器28包括具有数个缝隙36、36’的板状本体。长形偏转器部分34、34’是整体板状偏转器28的一部分。

在图5b的实施例中，偏转器28为穿孔的板的形式。孔37、37’限定长形偏转器部分34、34’。

在图5c的实施例中，偏转器28是格子形状或框架形状，其中，长形偏转器构件34、34’通过横梁35、35’互连。

如从图6可见的，数个压缩机11支撑在靠近船舶1的船首2的压缩机支撑甲板40上。其他压缩机12布置为在上部甲板41的水平面处靠近船首2。为每个空腔7、8提供一个压缩机11、12。

在图7中，示出了在后向方向上行进时沿着从中心线50到侧部51、52行进的线分布的数个空腔54、54’至59、59’。两个中心空腔53、53’被设置为接近中心线50。空腔54至59’的中心线相对于中心线50成微小角度。针对空腔54、55、56和57以及54’、55’、56’和57’，前方的空腔的前部部分70比该前方的空腔的后部部分71更靠近船首2而被放置。这个‘重叠’提供了气泡横跨平坦底部6的均匀分布。

如从图8可见的，空腔33在其前端22处具有圆形头部，诸如为子弹形状。发现圆形子弹形状的前端22以及匕首形状的前端在空腔33内引起稳定的空气-水界面的形成，而不会沿着界面平面形成波浪。