专利名称：降低船舶水摩擦的方法和结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是，通过底部的气体层降低内陆和海运行驶中平底浮载船舶行驶阻力的方法，和执行这种方法所需的适当结构。
背景技术：
到目前为止，实践中只能通过船舶的造型降低行驶阻力。在底部和水之间引入空气特别是气体的这种方法已经为人们所知晓。在DE 10 2004 024 343 Al中说明一种方法，向刚刚沉浸在水表面下部的船首吹入气体，并且通过水流导入船体的下部。但是这种方法需要大量的空气，根据已知的吹导实践经验需要大约40千瓦的功率。这主要包括，向船体下部挤压来源于行驶水流和螺旋桨的空气所需的能量。 已知的还有一种保持空气位于船体底部的装置(DE 199 33 942 Al)。如果没有采取其它措施，这里将出现明显的空气损失，应始终予以填充。如US 5 054 412 A 和 GB I 300 132 A 中所述，根据 DE 693 09 655 T2 的说明，
小型腔室的结构在维持空气方面有些问题。本发明的目的是，设计一种降低浮载船舶行驶阻力的方法，通过该方法尽可能达到船舶底部均匀的气体或者空气层的分布，最小化气体损失，并且通过降低阻力使气体层下部的水流变得平静。
发明内容
此外，还应设计一种执行该方法的适当的结构。通过权利要求I中所述的特征达到了发明的目的。在权利要求2至10中说明了其它这种方法的优点。权利要求11的内容是执行这种方法的结构。在权利要求12至18中说明了这种结构的优点。沿着船舶的纵侧面和纵向方向的中心，在船体的下部安装向下延伸的壁或者凸起，通过它们至少可以形成两个腔室，在船舶底部和下部的水之间导入气体并且形成气体层。作为首选的变量，气体层的腔室也可以设置为旋转形。腔室前部区域中至少设置有第一个水位测量器，后部区域中至少设置有第二个水位测量器。自动比较得出的测量信号。根据得出的对比结果控制配平箱中的液位，达到控制船舶横轴的倾斜角度的目的。此外或者根据另外一种方法，也可以比较测量结果，自动调整固定在船舶上的水翼，达到控制船舶横轴的倾斜角度的目的。同样，也可以只调整水翼的一部分。可以单独或者组合使用这两种方法。调整水翼的优点是，通过调整海洋上船体横轴的倾斜角度可以抑制基本的波浪，如果只使用配平箱调整，则这一过程过慢。如果内陆行驶中横轴附近的晃动过大，则这一方法同样适用。一般来说，专利申请中提到的与腔室水面有关的船舶倾斜角度或者空间位置，位于船舶下方气体层的下部。为了达到这一目标，至少达到降低行驶阻力和气体损失的目的，船舶所有下部位置的水位应均匀的以一定比例设置在整体结构最低限度的上部。根据权利要求3，可以通过控制每个腔室的气体供应分别调整水位。为了实现上述水位均匀的设置，有必要控制围绕着纵轴的倾斜角度(以下称为内倾)。根据权利要求4所述通过一个腔室中大约有平行的纵向坐标的两个液位测量器〈LI，L2)计算内倾，然后a)根据配平箱的液位和/或者b)通过自动控制装置进行自动控制(通过泵)。安装在船舶上的水翼控制内倾角度。水翼优先应用于海洋船舶中。因为通过倾斜角度，小于通过前倾度控制内倾的精确度，可以比较控制配平箱和/或者水翼的测量结果调整侧面，也可以比较控制配平箱和/或者水翼内倾的测量结果调整侧面，这种方法不直接依赖液位测量器，而是间接的通过自动垂直线实现。应始终可以直接通过液位测量自动控制船舶的前倾度。由于经常出现的不同影响(河流上的行驶方向和下坡航道，海洋波浪和较大的精确度要求)，垂直线不适用于这里。
如果倾斜控制器的功能不能正常运行，则根据权利要求5、6、7中所述的特征，底部下面基本均匀分布的气体可以解决这一问题。不平静的海洋就是上述的这种情况。但是这里不能抑制水对底部或者孔板的反作用力，在非常短的时间内又可以重新形成降低摩擦的气体层。船舶的附加装置也可能设置有孔板。权利要求7建议使用一种最大化节省空气或者气体损耗的结构，前提是船舶有较大的吃水深度。权利要求8、9、10涉及的是船舶气体层的侧面周围受到限制，也就是说，沿着行驶方向，腔室中横向于行驶方向的向前和向后的突起受到限制，尽可能保持较低的气体损失度和相对较厚的气体层。权利要求8中建议的这种结构设置有一个导流器边缘3，它可以使腔室中的水表面恢复平静，并且尽可能的保持水平。如果船舶下部的水表面不太平稳，则权利要求9中的措施应该可以限制气体的损失。权利要求10中所述的气体或者水的电导率测量器，可以实现运行时腔室中的水位测量器较低的运行成本和较好的稳定性。因为电极涉及到气体和水的快速更换，电极之间的绝缘装置也可能始终保持湿润状态，所以必须编程，从哪个电流/电压比和时间开始应该释放开关脉冲。电极应设置为，尽可能防止受到机械损伤。
在下面的结构示例中进一步说明了本发明。相关的图形为图I发明的这种船舶的纵剖面图(这里以平底货运船为例)，图2图I中线A-A的横截面，图3其它结构的平底货运船侧壁的部分横截面A-A，图4图I中平底货运船缩小的底部视图，图5第二种结构(海洋船舶)的底部视图，图6沿着图5中心的纵剖面图，图7图6中线B-B的截面，
图8图7中线C-C的截面，和图9后部腔室5的部分纵剖面图。
具体实施例方式图I至4(结构示例)显示的是一种平底货运船，它优先应用于内陆船舶运输中。通过图I中用F标注的箭头应可以说明顶推船的力度。在下面的示例中，通过内陆平底货运船的开关点完整地显示了倾斜和水位控制器的程序设计(见图I至4)。
侦彳壁7从平底货运船的底部I向下突起90毫米。从侧壁7的最低部分开始测量额定水位4，结果为40毫米。船首区域中的导流器边缘3为30毫米，船尾区域中的横向凸缘8从侧壁7的最低部分向上突起20毫米。举例的船舶类型的腔室5宽度大约为8. I米，船舶的总长为55米至65米。水位测量器LI至L4可以与电导率测量器、声波装置或者浮子共同工作，并且安装在向下延伸的侧壁7上。它们可以分别连续地提供中央处理的电子信号。举例来说，由于船舶底部不平静的水表面4，将根据相应的信号自动形成最后10秒的平均值，避免不必要的开关过程。为了说明功能性(开关规定)-控制平底货运船的前倾度如果水位LI〉(L3+5毫米)，则将启动泵Pl和P2。如果水位Ll〈 (L3-5毫米)，则将启动泵P3。如果水位L1=L3，则将关闭前倾控制器侧面泵的电流供应，泵Pl和P2分别平行于前倾和侧倾控制器，并且供应电流，如示例中的泵P2，尽管关闭还可以继续供应电流，直到平底货运船侧倾控制器完成它的任务。-平底货运船侧倾控制器:如果水位LI〉(L2+5毫米)，则将启动泵Pl。如果水位Ll〈 (L2-5毫米)，则将启动泵P2。如果水位L1=L2，则将关闭侧倾控制器侧面泵的电流供应。-胳室5水位控制器:如果水位L2> (L2额定值+5毫米)，则将开启鼓风机9和相应的阀门10。如果水位L4> (L4额定值+5毫米)，则将开启鼓风机9和相应的阀门10。如果水位L2或者L4等于或者小于它们的额定值，则将关闭相应的阀门10，如果水位L2和L4等于或者小于它们的额定值，则将关闭鼓风机9。控制装置的功能:通过两个平行的止回阀11和由磁铁控制的阀门10 DN 40，鼓风机(离心式鼓风机)9向相应的腔室5中推送大约40升/秒的气体。平底货运船的沉浸深度为I. 5米，并且有效度为70%时，鼓风机9的电动功率大约为I千瓦。半满腔室5的充气持续大约280秒。同样，鼓风机9也是平底货运船船首中的倾斜控制装置。每侧设置有一个配平箱12，它有4立方米的体积、通风管道13和泵Pl或者P2 (离心式鼓风机)。泵Pl和P2的供给大约为4至5升/秒，分别需要大约200瓦的电动功率，并且也可以向后输送。泵P3同样也是一个离心式鼓风机，但是有较平的特征曲线，大约250瓦时电动功率下的供给功率为4至8升/秒。所有的泵没有滑动密封件。整个主要额定宽度为50毫米的管路系统应该是免维护的。此外，除了泵P3前部的手动截止阀I (DN 65至80)，在管路系统中只有一个设置液体止回阀的自动换气阀E。阀门E的作用是，关闭泵后尽快中断水流。如果代替上述的敞开式、周围有水的倾斜控制系统，希望设置一种封闭式控制系统，则必须在平底货运船船尾中安装两个相同容量的附加配平箱。这时需要总共四个泵和额外大约55米长的倾斜管路，它在平底货运船后续的安装中具有较大的难度。平底货运船装船的问题
示例中卸货和装船时，在平底货运船的底部没有气体层2。尽管由于较大的影响，它在水中也保持相对稳定。可以通过两个图形中没有画出的小阀门释放气体层2，或者通过止回阀11有目的性的缓慢释放气体。在平底货运船中安装有一个精确的垂直线，通过摄像机和屏幕可以把垂直线的图像传输给装载管理员。装载结束时，围绕着横轴的平底货运船的倾斜角度应小于I :1000，围绕着纵轴的倾斜角度应小于I :250。通过示例中2x40001的配平箱2容量还可以均衡这一比例。此外，还可以根据观察垂直线，通过泵P1、P2、P3的手动遥控器，或者通过启动所有上述章节“开关控制”中所述的控制器，进一步降低倾斜角度。举例来说，如果从启动程序开始的时间周期设置为10分钟，则前倾自动控制的过程比较协调，它可以定期中断两个腔室5的气体供给，并且降低平均气体供给量。倾斜控制器应可以在10分钟内达到目标范围。下面的结构示例2涉及的是一种快速平板集装箱驳船，它配备有水翼。如果船舶处于前倾晃动中，并且有过多的气体从气体层2中释放，则应在驱动螺旋桨和舵的后部安装一个水翼15，类似图5和6中所述的海洋船舶。水翼15的调整角度为自动调整，根据水位测量器L获取的信息，它可以抵消缓慢的前倾晃动。水翼15水平延伸I. 5米，安装在末端和中部，平均厚度为30毫米，宽度250毫米，在8米/秒的流动速度时产生至6千牛顿的推进力和能量。如果由于螺旋桨，腔室5中的水表面4变得不平静，从后部横向凸缘8的下部释放出过多的空气，则通过翼型20周围水粒子23的换向使得水平方向上的水流变得平静(见图9)。翼型20有20毫米厚，150毫米宽，延伸经过腔室5后部区域的整个宽度。为了避免与较硬的水底发生碰撞，底部I上的翼型20可以摆动。必要时，通过弹簧力向下挤压在一个固定的挡板上。
_3] 效益评估/成本和应用变量(内陆船舶行驶)在上述平底货运船的示例中(结构示例I)，大约170吨空船重量时，平底货运船附加装置的材料消耗量大约可以至3吨。平均吃水深度I. 3米时，安装后通过气体层系统不再环流的水环流表面的比例大约为69 %。如果集装箱船的总重量超过1000吨，则估算的6吨辅助装置的材料消耗量显得相对较小。与目前的没有气体层2的船舶类型相比，在相同大小和行驶速度的新建船舶中，大约仅有一半发动机功率的船体的额外费用相对较小。因此，这种船舶的建造费用几乎不可能大于传统的同种类型的运输船舶。除了极大的降低了底部I上的水摩擦力，空气或者气体层2还降低了船首/船尾的压力差，减小形成的波浪和波浪阻力。因为水始终流向最小阻力的路径，如果船体下部的水流速度上升，则船体侧壁上的水流速度降低。螺旋桨也可以或多或少地提高水射流的速度。这里，应只在长路段上行驶 较长时间的系统中重新装配或者新建这种运输工具。正常的货运机动船舶或者快速拖车运输船舶(例如多瑙河上，宽度22. 8米，船舶吃水深度至I. 5米，114米长，行驶速度20公里/小时，1800千瓦)以及快速浅位客船也适用于这里。上述的多瑙河船舶可以节省至50%的能量。下面涉及的是另外一种结构示例3，根据图5、6、7和8说明海洋船舶结构的优点。应在已经长时间运行的海洋船舶中安装该附加装置。由于海洋波浪，海运比内陆船舶运输的要求更高，但是由于较大的行驶速度，节省的能量和驱动功率也更大。举例来说，波罗的海渡轮，型号321Mukran，建造年份1990，尺寸长度190米，宽度26米，船舶吃水深度6. 8米，发动机功率10600千瓦，行驶速度31. 5公里/小时(源于早期+技术10/1986)。附加装置部件侧壁7从船舶底部I向下突起I米。腔室5有120米长，并且可以分离大约42%的未环流区域的水。通过船尾中的敞开式泵系统的配平箱12控制前倾角度。通过连接配平箱12的两个管路和两个泵控制侧倾角度。配平箱12的容量至少应设置为，可以均衡船舶装载时正常的误差。正常的水位4额定值为O. 5米，在平静的海面中少一些，不平静的海面则多一些。通过后面所述的孔板16供给空气，同样也进行水位测量。突起8与前部导流器边缘3和后部符合船体形状的水流部分呈锐角。它从侧壁7最低部分的上部，向下突出大约O. 4米。尽管结构有所不同，但是倾斜控制的含义与上述章节平底货运船的“开关控制”相似。在正常的波浪中，通过单侧自动快速调整船体中可以移出的水翼15的定位角控制侧倾角度，通过船尾中的水翼15控制前倾角度。侧面水翼5的平均厚度为200毫米，6米长，大约可以产生300千牛顿的垂直力。根据估算，调整角度为O时需要大约43千瓦的驱动功率。300千牛顿时，允许短期内提升至大约400千瓦的功率。如上面所述，根据时间轴计算控制过程中水位4的测量值。也可以单独控制前倾和侧倾角度。控制误差的目标为零，水翼15的调整角可以抑制船体前倾和后倾时的移动。在较大的波浪中，腔室5中的水从下部冲击并且摩擦船体底部I。为了尽量避免发生这种情况，根据权利要求5在底部I的下方安装孔板16。举例来说，在平的船舶底部I (见图5至8)中或者至少在腔室5的内部热粘合一个上部敞开的小盒。这将分别形成2米长、I米宽、O. 05米高的气体室，它横向于行驶方向延伸的气体分配管路17 (见图7和8)。为了增加稳定性，小盒或者孔板16也设置有保护元件18，它同样粘贴在底部I上。由于气体分配管路7和大约10千帕的周围环境之间的压力差，以及较小的密封性要求，可以实现节省空间和成本的网格节流板形状的液压或者气动气动阀门19。维修时可以重新移除热粘接性化合物。应根据声音反射或电导率原理，测量控制气动阀门19所需的水位4。根据权利要求7，不通过时间周期计算测量值，而是立即直接应用于气动阀门19的控制。如果使用了两个不同大小的网格节流板19，则在必要时可以气动控制(只有开启-关闭)每个小盒，气流等级分为3级。压力差大约为5千帕时，通过2毫米厚的不锈钢金属板16经过直径为2毫米的孔，从20毫米的距离向下挤压气体。举例来说，如果需要通过鼓风机供给2. 4米/秒的外部空气，则鼓风机的驱动功率应达到大约274千瓦。为了节省功率,在吃水深度较大的船舶中，首先可以在船舶底部I特定区域(首先是后部和侧后部)的小盒中分别额外安装一个空气收集器。如果水位4超过最大值，则空气收集器的阀门将打开，并且导回空气。也就是说，一部分2. 4nfVs的空气通过大约10千帕的鼓风机压力差流入循环中。它均勻的分布在船舶底部。原则上，发动机排出的气体也可以代替空气。但是应注意烟尘和水分离的问题。 最适当的发动机排气的应用范围出现在军用快艇中，它用作附加装置和新建部件。除了邻近海域上的运输渡轮，建议的这种解决方案也适用于快速集装箱货船中。
权利要求
1.通过沿着行驶方向固定在底部(I)的向下的壁(7)或者突起，以及至少两个向下敞开的腔室(5)降低平底浮载船舶行驶阻力的方法，这两个腔室通过突起受到沿着行驶方向向前和向后的限制，其中，船舶底部(I)和下部的水之间形成的气体层(2)导入腔室(5)中，其特征在于，腔室(5)的前部区域中至少设置有第一个水位测量器(L1、L2或者L4)，后部区域中至少设置有第二个水位测量器(L3)，自动比较得出的测量信号，根据得出的对比结果 a)控制配平箱(12)中的液位，达到控制船舶横轴的倾斜角度的目的，和/或 b)自动调整固定在船舶上的水翼(15)或者部件，达到控制船舶横轴的倾斜角度的目的。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，通过均匀的分布船舶底部(I)和下部的水之间形成的气体层(2)，达到控制船舶横轴的倾斜角度的目的。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，在腔室(5)中设置水位测量器(LI，L2，L3或者L4)，自动使用测量器的测量信号，分别控制每个腔室中的水位，通过阀门(10)把气体导入相应的腔室(5)中。
4.根据权利要求I至3所述的方法，其特征在于，在一个腔室(5)中至少设置两个水位测量器(LI，L2)，通过自动比较两个水位测量器(L1，L2)的测量信号，得出船舶纵轴的倾斜角度，并且根据结果 a)至少通过两个配位箱(12)控制液位，自动控制船舶纵轴的倾斜角度，和/或者 b)至少通过固定在船舶上的水翼(15)或者部件自动控制船舶纵轴的倾斜角度。
5.根据权利要求I至4所述的方法，其特征在于，在底部(I)的下部至少安装有一个水平的孔板(16)，通过形成的气体层向下沿着水的方向导入气体。
6.根据权利要求I至4所述的方法，其特征在于，底部(I)设置有孔，通过形成的气体层向下沿着水的方向导入气体。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，孔板(16)或者底部(I)上部的空间分为独立的几个部分，需要时至少可以通过一个气动阀门(19)供给气体，其中每个部分至少设置有一个水位测量器，气动阀门(19)自动控制器测量信号的用途是，尽可能地始终把水流保持在底部(I)和孔板(16)下部的一定的距离内。
8.根据权利要求I至7所述的方法，其特征在于，气体层(2)四周的侧面受到限制，其中，在行驶方向腔室(5)的前部和横向于水流的方向中，至少设置有一个导流器边缘(3)，它可以使水流变得平静。
9.根据权利要求I至8所述的方法和结构,其特征在于,在腔室(5)中横向于行驶的方向上至少安装一个翼型(20)，它可以减小底部(I)下部垂直水流的移动。
10.根据权利要求I至10所述的方法，其特征在于，通过至少两个电极之间的介质电导率的测量可以确定腔室(5)中的水位(4)。
11.一种用于实施前述权利要求中方法的结构，其特征在于，在船舶底部至少设置有一个沿着纵侧面向下延伸的壁(7)或者突起，其中，未受限的空间至少分为两个腔室(5)，可以把气体导入底部(I)和下部的水之间形成的气体层(2)，在腔室(5)的前部区域至少安装有第一个测量水位的测量器(L1，L2或者L4)，在后部区域至少安装有第二个测量水位的测量器(L3)，它们与测量信号的自动比较装置连接在一起，至少安装有一个改变液位的控制和调节装置，在配位箱(2)和/或者船舶上中至少安装有一个控制船舶横轴倾斜角度的水翼(15)，其中，通过控制和调节装置，至少把一个控制船舶横轴倾斜角度的水翼(15)与测量信号的自动比较装置连接在一起。
12.根据权利要求11所述的结构，其特征在于，在每个腔室(5)中安装有一个测量水位的测量器(L1，L2，L3或者L4)，通过它可以单独控制每个腔室(5)中的水位，通过阀门(10)可以把气体导入相应的腔室(5)中。
13.根据权利要求11或12所述的结构，其特征在于，腔室(5)中至少安装有两个测量水位的测量器(L1，L2)，它们与测量水位的测量信号自动比较装置连接在一起，安装有一个至少连接两个配位箱(12)的控制和调节装置，通过液位可以自动控制船舶纵轴的倾斜角度。
14.根据权利要求11至13所述的结构，其特征在于，在船舶底部(I)的下部至少安装有一个水平的孔板(16)，通过它可以把气体导入形成的气体层(2)中。
15.根据权利要求11至13所述的结构，其特征在于，船舶的底部(I)设置有孔，通过它可以把气体导入形成的气体层(2)中。
16.根据权利要求14或15所述的结构，其特征在于，孔板(16)或者底部(I)上部的空间分为几个单独的部分，需要时至少可以通过一个气动阀门(19)供给空气，其中，每个部分至少安装有一个测量水位的测量器，它与气动阀门(19)的自动控制装置连接在一起。
17.根据权利要求11至16所述的结构，其特征在于，船舶底部(I)容纳气体层(2)的空间受到壁和/或者突起侧面的限制，其中，在行驶方向腔室(5)的前部和横向于水流的方向中，至少设置有一个导流器边缘。
18.根据权利要求11至17所述的结构,其特征在于,在腔室(5)中横向于行驶的方向上至少安装一个翼型(20)，它可以减小底部(I)下部垂直水流的移动。
全文摘要
本发明涉及的是，通过底部的气体层降低平底浮载船舶行驶阻力的方法和结构。这主要应用于内陆和海洋运输中。发明的目的是，尽可能达到船舶底部均匀的气体或者空气层的分布，最小化气体损失，并且通过降低阻力使气体层下部的水流变得平静。这里建议的解决方案是，腔室5前部区域中至少设置有第一个水位测量器L1、L2或者L4，后部区域中至少设置有第二个水位测量器L3。自动比较得出的测量信号，根据得出的对比结果a)控制配平箱(12)中的液位，达到控制船舶横轴的倾斜角度的目的，和/或者自动调整固定在船舶上的水翼(15)或者部件，达到控制船舶横轴的倾斜角度的目的。
文档编号B63B1/38GK102958794SQ201180032751
公开日2013年3月6日 申请日期2011年7月18日 优先权日2010年7月21日
发明者克劳斯·林德曼 申请人:克劳斯·林德曼