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CN1070439C - 具有翼型部分的船头导流管 - Google Patents

具有翼型部分的船头导流管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及船(1)的船头导流管(2),用于减小船推进时的波高并改进船头(3)周围的层流,因而船能以增加的速度和/或降低的燃料消耗移动。导流管安装在船头前表面各侧并具有沿水流方向设置的翼型部分(6),其前缘位于导流管入口处而尾缘位于导流管出口处。由于安装了导流管,在由凸形翼型表面构成的导流管内表面和船头表面(3)之间形成一个用于水流的通道(7)。水流通过上述通道而获得增加的速度和降低的压力,从而改善船的滑动。

Description

具有翼型部分的船头导流管
本发明涉及流体动力学技术领域,特别涉及改进船的流动特性的装置及方法。更具体地说,涉及船的船头导流管,其特点是有一翼型部分,使船的流动性能有明显的改进。
在造船工业中,一般已在减小船的摩擦阻力及兴波阻力方面作了努力,使得改进它们穿过致密的水团的航行。由于这一理由,特别为限制船必须碰到的船头波的高度,已提出了一种技术方案,把船体的前部船身制成鼓包或球形。这样减小了船碰到的兴波阻力。
穿过水的船的前表面,也就是参与推进船通过水的过程的扩大的船头区很宽。考虑到推进阻力与船速的平方成正比,克服该阻力所需的动力也成正比地增加。
为了解决这一问题及减小船的前表面遇到的推进阻力及兴波能量,过去已有人,如E.E.Petromanolakis在WO 92/22456中提出了把导流管连接到船头。当船冲击水团通过导流管时,可望减小船的推进引起的兴波阻力,其中导流管沿船的高于及低于吃水线上下延伸而不是沿整个前表面延伸。但是,这种作为兴波阻力吸收器的导流管不会产生理想的结果,因为它不可能明显地分化从海水穿过导流管绕船的前表面流动的水流(尽管可能有小的变化)。现有技术中另一些方案,如FR-A-1-017897产生了负面结果,因为不仅它们不能减小船推进时产生的兴波阻力,而且另外它们包括要由船的主机提供动力的移动部件。对船的推进所要求的动力而言,其结果是负面的。
另外,WO-A-82 03055(SEE)提出了用一管子把水从船头传送到船尾,以便在该处把它用来推进转动元件。这是一个完全不同的方面,另外,由于摩擦,紊流等,很难肯定其能否实施。
还有想解决上述问题的其它的现有技术的文件,如DE-C-931090(Kuckuck),DE-A-3045977(M.A.N.AG),DE-A-3508203(WIESER)和FR-A-847445(TISCHENBACH)。
这些文件大部分没有公开带任何流体动力带部分,更具体的就是翼型部分的导流管,因此不可能实现在导流管内限定的通道中的水流与导流管外的水流的区分流。现有技术都不能提供这一必须的区分流状态,因为一方面它们有一开口端,没有封闭的底部,而另一方面它们延伸到船的吃水线之上的高度不够高。特别地,DE-C-931090在说明书中限定及图中示出导流管高于船的吃水线的高度使导流管在吃水线上可见,但该高度不能确保把导流管中的水及管外的水分离开。
对建议的船头导流管的试验工作证明导流管的翼型结构和相对于船头的方向,就在导流管中水流的速度的增加和相应地降低导流管内的压力和在导流管下游的水流低压区而言达到理想的结果是重要的。所引用的很多现有技术专利,由于它们具有逆的翼型结构(如具有凹形内表面的翼型)或者设成使得导流管内具有颠倒的水流状态(如定向成形成连续的发散的水流通道),不能提供有利的结果。
因此,本发明的主要目的是有效地克服现有技术的上述缺点及不足而提出一种船头导流管,其结构及方向保证在导流管内及导流管外的流动特点的差别,使得通过导汉管和船头前表面之间通道的水流比其外侧的水流速度增加,因而使导流管内的压力减小及在导流管的下游产生流动的低压区,导致对船的推进的阻力正比地减小。这样,改进了船的滑动,使船速增加,功率消耗降低并相应地减少了燃料的消耗。
本发明的另一个目的是提供建议的船头导流管,其翼型结构及定向使导流管内比导流管外的水流速增加,压力降低,理想的导流管的定向及翼型结构是具有凸形内表面的翼型并在船头各侧形成向着船的后方先收敛后发散的水流通道。
通过下面参照附图对本发明的详细说明,会使本领域技术人员更明白本发明的这些和其它的目的、特征和优点,这些说明只是作为举例性说明而不是对本发明的限制性的实施例,附图中:
图1示出具有鼓包/球鼻船头的船的侧视图,不带减小推进阻力的船头导流管;
图2示出图1所示的船的船头部分的顶视图,示出船推进时形成的流线图;
图3是图1所示的船的前体部分的前视图;
图4是具有鼓包/球鼻船头的船的侧视图,另外装有带翼型部分的导流管,该翼型部分跟随船头结构形状并在顶部封闭,焊在船侧;
图5示出沿着图4所示的船的吃水线的俯视剖面图;
图6示出图4所示的船的前部船体部分的前视图;
图7示出图4所示的船的前部船体的俯视剖面图,带有船推进时形成的流线图。
图8是具有鼓包/球鼻船头的船的侧视图,另外装有翼型部分的船头导流管,其通过一套支承元件连接到船的侧面;
图9是沿着图8中所示的船的吃水线的俯视横剖面图;
图10是图8中所示的船的前部船体的前视图;
图11示出具有鼓包/球鼻船头的船侧视图,该船具有船头导流管,该导流管精确地在船头型线处开始并且跟随船缘型线;
图12示出船的侧视图,其中船头导流管里面装有一组沿纵向设置的平行的板,以产生通过船头导流管的层流;
图13示出图12中所示的船的前部船体的俯视横剖面图;
图14示出图12中所示的船的前部船体的前视图;
图15示出船的前部船体部分的透视侧视图,船头导流管具有与船的船头型线不同的形状;
图16示出普通的船、带鼓包/球鼻船头的船和本发明设有船头导流管的船的马力与速度的曲线图。
下面参见附图对本发明举例性的最佳实施例进行说明。
首先,在图1,2和3中示出具有鼓外球鼻3的船1的透视侧视图,俯视图及前视图。特别见图2,在船头前表面的水流线在船头前后,在船头前表面的两侧保持同样的密度。用本发明的船头导流管包住船头的前表面(如图7示意地示出)的作用是在船头导流管的下游形成不同的流动特点,特别是流线5的密度减小。
图4,5和6示出船1的透视侧视图、俯视图和前视图,该船1具有鼓包/球鼻3及本发明的翼形段导流管2。自然,也可以在不设鼓包/球鼻的情形下把导流管设到船上。
本发明的导流管2设在船1的头部和前表面的两侧,在高度上延伸到高于及低于船的吃水线。导流管2在船的吃水线上的高度最好使导流管的上部超过预期的最大的波高度,例如高于吃水线5-6米。在任何情形下,建议的导流管延伸的高度使得在船的任何负载的情形下,导流管总高于水面,而在导流管内的水流与导流管外的水流分离。
在吃水线下面,如果有鼓包/球鼻3的话,导流管就往下达到该部位,或甚至包住它,把它藏在里面。
导流管2一般跟随船头流线的形态学,也就是其几何形状,并且在底部封闭。导流管可沿水流的方向在船头的前后延伸,或占据任何中间位置。最好,位置选在使导流管的约一半长度沿着水流方向突出在船头的前面。导流管2在顶部可以是部分或全部开口的或是封闭的,但总要满足在导流管内的水流绝对与其外面的水流分开。
在图4,5,6中示出的导流管,其收敛的壁在顶部闭合,连接及焊到船侧,而在图8,9和10中示出一船,船头导流管2在顶部开口,通过一套合适的支承件4连接到船侧。
当使用这种支承件4时,它们最好有流体动力学部分,在两侧呈凸状,沿水流方向设置,或者它们可以是具有任何普通形式的管。
在图4,5和6所示的结构中导流管在顶部封闭,而在图8,9和10所示的结构中导流管2在顶部开口,通过支承件4连接到船1上,导流管总的来说沿垂直方向跟随船头的总的几何外形。但是导流管可以有不同的形状。因此导流管可以任何几何形状包住船头的外表面,该形状沿垂直方向不同于船头前表面的几何形状,在图15的透视侧视图中示出一实例。
还需指出装有船头导流管的船的船头线可以与正常的垂直方向平行或倾斜,船看成在静止位置。绕着导流管2的进水线也可以是倾斜的,可与船头线的倾斜类似地或不同地倾斜。如图11所示,导流管2的进水线精确地跟随船头线。
导流管2总的可以与任何的船头形态一起用。作为实例,最好船头沿海水的进水线适当地减薄。
当设置本发明提出的船头导流管,在导流管2的内表面及船头的前表面之间形成水流通道7。水流通道7包括在船的各侧的至少一个水流入口及一个水流出口。本发明的导流管2的特点是导流管壁从上述在船1的两侧的至少一个进口到上述至少一个出口沿着水流纵向具有翼型部分。翼型部分的前缘在上述至少一个进口处,后缘在上述至少一个出口处。
带翼型部分导流管2的凸形侧构成导流管的内表面,因此根据翼形理论内凸形侧相对管的外侧得到较高的流速及相应的较低的压力。导流管的外侧可以是平的或稍微凹形的表面。因此本发明的导流管段使通过通道7的水团比绕管2外壁流过的水团有更大的速度。流速差导致管内的压降,及在管2的下游产生低压区,如此使船头周围的层流改善,降低了船头波高并使船能更好地滑动。
如图12,13和14所示,带翼型部分的导流管可有一系列突出的导向板6以改进层流,这些板纵向连接到管的内表面。导向板6最好有翼型段,它们的前缘处在上述水流入口而后缘处在水流出口。这些导向板安装在管的各侧壁部分的内表面及相应的船头侧表面,或安装在管的壁部,或在相应的船头的一个侧表面。也可沿着或穿过管的侧壁部分和船头侧面之间的距离设槽,以使在水流通道内在相邻的导向板之间水流可垂直地流动。
类似的突出导向板系列也可装到管的外表面。
对使用本发明具有翼型系数CD=0.012和CL=1.3的模型进行了试验。这些试验表明水流特性有改进。因此船的牵引阻力降低约7.5%,相应的马力节省约10-12%。
采用FROUDE方法,把上述数据换算到真船上。用一个空的船体模型,不带桨及螺旋浆等来进行上述实验。结果示于附表,其中示出了对不同速度值的马力值。表中示出了三种情形:船设有小的气泡或鼓包但没带本发明建议的导流管(情形A);船带有改进的气泡式鼓包,该气泡式鼓包特别是在比较本发明和现有技术的范围内由国立Athens理工大学设计的(情形B);以及船设有如情形A的小气泡式鼓包,并装有本发明的船头导流管(情形C)。在附表中所示的百分比表示与设有小气泡式鼓包但不带船头导流管的情形A相比较的马力值的增加(+)或减小(-)。同样的结果也示于图16。
表:马力与船速的关系
船速(knots)     情形A带小鼓包不带导流管的船     情形B带改进的鼓包的船     情形C设有本发明船头导流管的船
    14151617181919.520     22642885365244425582667276138779     2581+14%3213+11%3695+1%4508+1%5310+5%6442-3%7361-3%7641-13%     2031-10%2548-12%3197-12.5%4066-8.5%5000-11.6%6068-9%7029-8%7726-12%
关于所建议的船头导流管,必须指出其在船头的位置,高或低于船的吃水线的高度,沿着水流方向的长度,相对于船的对称轴的倾斜,及离开船体的距离按照船头几何形状,船体系数及船的航速来决定。
关于这方面要提一下,本发明参照一些实施例进行了说明,但本发明不限于这些实施例。因此,任何涉及形状、尺寸、大小、材料及结构以及所建议的导流管的翼型部分的装配元件的变型或改型都包括在本发明的目的和范围内,只要它不构成新的发明和不是对现有技术的改进。
从上述模型对具有参数为CD=0.012及CL=1.3的专门翼型进行的试验分析导出了测定导流管位置,也就是翼型相对于船的对称轴的倾斜度的下列公式,上述值在下述范围:
A2-A1=0.0425L±0.005L
式中:如附图5所示,A1是导流管内表面和船头前表面之间的最小距离,A2是导流管前缘和船头前表面之间的距离,A2是从导流管前缘的最内端测量。A1,A2沿着同样的吃水线测量,L是沿水流方向翼型的长度。因此,本发明的最佳实施例表明在海水中所有的吃水线均满足上述公式,在所有的吃水线上翼型的倾斜保持尽可能恒定。自然,上述公式限定了导流管翼型和其离开船头前表面间距值的最佳范围。从上面可看出船头导流管相对船头前表面的最佳方向使得在船头各侧在导流管内表面和船头之间的水流通道沿着船的向后的方向先收敛后发散。
本发明的船头翼型导流管的实验性应用已经在特别是DANESEALINE公司拥有的在“Rhodes Island”注册的挂希腊旗的F/BRODOS的真船上应用。该实验应用已获得满意的结果。

Claims (10)

1.具有翼形部分的船头导流管(2),所述的船的船头有相对的船头侧面及船头前表面,所述的船头导流管包括壁部,适于在船头相对侧安装到船(1)的船头并延伸接近船头的前表面,在所述的导流管(2)的内表面和所述的船头之间限定一水流通道(7),所述的船头导流管(2)的特征在于它安装在船头的外面,延伸到船头前表面的后面及前方,并且有一封闭的底端和限定在所述的导流管(2)的内表面和船头之间的水流通道(7),在所述的通道(7)中流的水与在通道(7)外流的水分开,所述的壁部各包括一翼型部分,总的沿所述的船(1)的纵向延伸,所述的翼型部分在船的相对的船头侧具有前缘,限定所述的水流通道(7)的至少一个入口,和一个尾缘,限定所述的水流通道(7)的至少一个出口,所述的翼型部分有突起的内表面,所述的水流通道沿着船向后的方向先收敛后发散,其中所述的突起的内表面使流过所述的通道的水速相对于流过所述的船头导流管(2)的外表面的水速增加,在所述的导流管(2)内产生压降,及在所述的船头导流管(2)的下游产生水流低压区。
2.按照权利要求1的船头导流管,其特征在于其成形为跟随相对的船头侧的形状,在所述导流管的壁部和所述相对船头侧之间获得基本上相等的距离。
3.按照权利要求1的船头导流管,其特征在于所述的翼型部分适于安装到相对的船头侧,使翼型部分上端焊到所述的船(1)的船头前表面各侧而闭合,因而限定了一个周边封闭的船头导流管(2)。
4.按照权利要求1的船头导流管,其特征在于包括支承件(4),适于安装到所述的相对的船头侧使所述的船头导流管(2)在船(1)的各侧在顶部局部开口。
5.按照权利要求3或4的船头导流管,其特征在于包括垂直相隔的具有翼型段的导向板,从各所述的侧壁部分的内表面向里突出,并总的沿船的纵向延伸直到相对的船头侧以增强通过所述的水流通道(7)的水的层流,其中所述的导向板的翼型段定向成其前缘在所述的水流通道(7)的进口,而尾缘在所述的水流通道(7)的出口。
6.按照权利要求3或4的船头导流管,其特征在于包括具有翼型段的导向板,从各所述的侧壁部分的内表面向里突出,并总的沿船的纵向延伸以增强通过所述的水流通道(7)的水的层流,其中所述的导向板的翼型段定向成前缘在所述的水流通道(7)的进口,而尾缘在所述的水流通道(7)的出口,并且其中所述的垂直相隔的导向板安装在各所述的侧壁部分的所述的内表面或在各相应的一个所述的船头侧,和/或设有沿着或穿过所述的侧壁部分和所述的船头侧面之间的距离的槽,以使在水流通道(7)内的水流可垂直地流动。
7.按照权利要求1的船头导流管,其特征在于所述的导流管具有一平的外表面。
8.按照权利要求1的船头导流管,其特征在于所述的导流管具有一凹形的外表面。
9.按照权利要求2的船头导流管,它安装在所述相对船头侧适当减薄的船上。
10.按照权利要求1的船头导流管,其特征在于所述的导流管在船头的位置,所述的翼型段的几何尺寸,所述的导流管在船的吃水线之上或之下的高度,沿着水流方向的长度,相对于船的对称轴的倾斜,离开船体的距离根据船头的几何形状、船体系数和船的航速来决定。
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