專利名稱：為輪船提供大直徑螺旋槳的方法和具有大直徑螺旋槳的輪船的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提高推進(jìn)效率以及輪船乘坐舒適性的方法。本發(fā)明還涉及一種具有提高推進(jìn)效率以及輪船乘坐舒適性的螺旋槳結(jié)構(gòu)的輪船。
背景技術(shù)：
術(shù)語(yǔ)“輪船”在文中用于指代海洋船只，其通常具有足夠大的尺寸來(lái)承載其自身小 艇，諸如救生艇、充氣艇或小氣艇。所用的經(jīng)驗(yàn)法則是“艇可以配裝在輪船上，而輪船不可以 配裝在艇上”。此外，術(shù)語(yǔ)“尾板”在文中用于指代形成船只的船尾的表面。尾板可以是平板或彎 曲板，并且它們可以垂直、前傾(稱為上翻)或后傾。尾板的底部末端可以大致處于吃水線 上，在這種情況下，船只的船尾稱為“方形船尾”，或者船身可以延續(xù)，使得中心線在終止于 尾板之前適當(dāng)處于吃水線上方，在這種情況下，船尾稱為“懸伸船尾”。輪船設(shè)計(jì)者面臨的一個(gè)問(wèn)題是將船身振動(dòng)保持在可接受的水平。過(guò)大的振動(dòng)不僅 導(dǎo)致船只中出現(xiàn)令人不快的噪音，而且還可能對(duì)輪船結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危險(xiǎn)的應(yīng)力。此外，導(dǎo)致船身 振動(dòng)的作用力還導(dǎo)致其他不希望的影響。船身振動(dòng)問(wèn)題在當(dāng)今比過(guò)去更為嚴(yán)重，原因是輪船一般更大并且動(dòng)力更大。動(dòng)力 增大導(dǎo)致使船身振動(dòng)的激發(fā)力增大，并且尺寸增大使得船身更容易被這些力產(chǎn)生的振動(dòng)所影響。船身振動(dòng)的主要原因是因螺旋槳產(chǎn)生的、在螺旋槳上方作用于船身的水壓波動(dòng)。 由于穿過(guò)螺旋槳盤的尾流變化，就是說(shuō)被螺旋槳葉片掃略出的區(qū)域存在變化，所以隨著螺 旋槳旋轉(zhuǎn)，葉片承受明顯的載荷變化。對(duì)于傳統(tǒng)的單螺旋船尾構(gòu)造，螺旋槳盤處的最大尾流 可能是最小尾流的8倍。隨著螺旋槳旋轉(zhuǎn)，螺旋槳葉片上迅速變化的載荷的一個(gè)影響是在 水中產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)，這種壓力脈動(dòng)將激發(fā)船身振動(dòng)并且可能導(dǎo)致嚴(yán)重的螺旋槳葉片 空隙腐蝕。在傳統(tǒng)輪船中，船尾輪廓為在螺旋槳上方向后卷曲成弧形，然后向上彎曲以形成 輪船的尾部末端。這種彎曲形狀對(duì)于在螺旋槳和處于螺旋槳上方的船身部分之間提供較大 間隙是必要的，該間隙對(duì)于緩解螺旋槳在水中激發(fā)的壓力波對(duì)船身的影響以及遵循輪船剩 余部分產(chǎn)生的尾流模式是必要的。這種彎曲形狀通常作為船尾框架鑄件而形成一個(gè)部件。 對(duì)于400000dwt的輪船來(lái)說(shuō)，船尾框架可能有50英尺高并且重600噸。它制造起來(lái)極其昂 貴，并且在到達(dá)船塢時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)其發(fā)生扭曲，所以必須將額外的部件焊接到其上以校正其 形狀。US3, 983，829建議通過(guò)在船尾制作復(fù)雜輪廓來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，制作復(fù)雜輪廓包括 改進(jìn)尾流模式并因此允許配裝直徑更大的螺旋槳。眾所周知，可以通過(guò)降低軸RPM并增大 螺旋槳直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)提高推進(jìn)效率。但是，正如前述，US3，983，8 建議的設(shè)計(jì)方案非常復(fù) 雜，因此實(shí)際上非常昂貴，這也最可能是這種已知設(shè)計(jì)方案從1974年以來(lái)從未在市場(chǎng)上獲3得成功的一個(gè)原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提高推進(jìn)效率以及輪船乘坐舒適性，這一目的根據(jù)附帶的權(quán)利要 求書(shū)所限定的本發(fā)明來(lái)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)所述技術(shù)問(wèn)題的上述方案將有利于增大螺旋槳直徑而不增大船身上的感生 壓力脈沖的可能性，并因此可能提高推進(jìn)效率并提升輪船乘坐舒適性。本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)以及其他方面將由獨(dú)立權(quán)利要求以及以下描述來(lái)體現(xiàn)。


在以下內(nèi)容中，將參照優(yōu)選實(shí)施方式和附圖來(lái)更為詳細(xì)地描述本發(fā)明。圖1是傳統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)方案的簡(jiǎn)略側(cè)視圖；圖2是具備根據(jù)本發(fā)明的推進(jìn)結(jié)構(gòu)的輪船的第一實(shí)施方式的簡(jiǎn)略側(cè)視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的推進(jìn)單元的第二實(shí)施方式；和圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的第三簡(jiǎn)略側(cè)視圖；圖5是根據(jù)圖2的設(shè)計(jì)方案的輪船后視圖。
具體實(shí)施例方式在圖1中簡(jiǎn)略示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的輪船1的側(cè)視圖。輪船1具有船身1，船身具有基線11、船頭12、船尾14和尾板13。在船尾14，布置 有推進(jìn)單元2，推進(jìn)單元包括連接到螺旋槳軸21的螺旋漿20，螺旋槳軸又借助軸承22等旋 轉(zhuǎn)地固定到船身10。發(fā)動(dòng)機(jī)M布置成驅(qū)動(dòng)軸21。在螺旋槳20后部，布置有船舵3，船舵包 括連接到舵桿31的鏟形舵30，舵桿又旋轉(zhuǎn)地固定到船身10的船尾14中。圖中還示出了 吃水線16 ( “設(shè)計(jì)吃水線”對(duì)應(yīng)于承載用于其用途的“標(biāo)準(zhǔn)載荷”時(shí)輪船1的吃水線)。圖 中示出輪船1漂浮在水4中。圖中簡(jiǎn)略示出了水4的表面40以及在以巡航速度推進(jìn)輪船 1時(shí)位于船身10的尾板13之后一定距離處存在的上升波浪的波峰41。如圖所示，根據(jù)現(xiàn) 有技術(shù)，螺旋槳的直徑D通常最大占據(jù)基線11和吃水線16之間距離H的80 %，原因是首先 螺旋槳末端和船身之間必須存在足夠大的間隙，以避免產(chǎn)生振動(dòng)，第二，在水面40和螺旋 槳末端之間必須存在一定的距離，以避免吸入空氣。在圖2中，簡(jiǎn)略示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的輪船1的側(cè)視圖。相同的附圖 標(biāo)記用于本發(fā)明，正如用于圖1所示的輪船。因此，以下僅針對(duì)區(qū)別/新穎特征進(jìn)行詳細(xì)解 釋。較之如圖1所示的傳統(tǒng)輪船，螺旋槳20的直徑Dl更大。這是通過(guò)將螺旋槳旋轉(zhuǎn)地安 裝到船身，位于船身的尾板13之后一定距離來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中尾板之后的距離選擇地讓螺旋 槳20相對(duì)于船尾上升浪的波峰41來(lái)說(shuō)，基本上居中。由于將螺旋槳20定位在這樣的位置，所以可以合理地采用外徑Dl遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)情 形的螺旋槳20，如圖2所示，即有時(shí)甚至可能大于基線11和固定負(fù)載(deadweight)吃水線 16之間的距離H，原因是波峰41較之周圍水面40處于更高的高度，對(duì)于以巡航速度航行的 中等尺寸的輪船來(lái)說(shuō)，大致高出大約1-1. 5m。在這方面，應(yīng)該理解，本發(fā)明適用于各種輪船， 例如從IOdwt (優(yōu)選至少IOOdwt)到500000dwt的輪船，即使用相對(duì)巨大的螺旋槳例如直徑0. 5-15m的螺旋槳的輪船。實(shí)際上，主要的焦點(diǎn)在于遠(yuǎn)洋商用船只，此時(shí)本發(fā)明在成本和環(huán) 境影響方面具有顯著的積極作用。因此，可以實(shí)現(xiàn)更大的動(dòng)力輸出，原因僅僅是螺旋槳直徑 更大。實(shí)際上，根據(jù)本發(fā)明，僅憑該參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大約7-15%的輸出效率提升。此外，螺 旋槳20的新穎定位將不再對(duì)船身10振動(dòng)帶來(lái)任何主要影響，而這又提供了改善的舒適性， 并且實(shí)際上消除了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中的一些制約。此外，針對(duì)螺旋槳上的負(fù)載，也存在積極影 響，例如較之定位在尾板之前的情形來(lái)說(shuō)，船身可以設(shè)計(jì)成在該位置產(chǎn)生更少的脈動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)螺旋槳20定位在后方位置，根據(jù)圖2所示的實(shí)施方式，最靠后的螺旋槳 軸承22由相對(duì)于尾板13基本上垂直定位的支撐結(jié)構(gòu)23承載。因此，結(jié)構(gòu)23將定位在螺 旋槳20的前方。為了進(jìn)一步提高效率，所述支撐件的輪廓可以形成(翼形)以向前產(chǎn)生推 力。此外，所述輪廓可以用于形成一種協(xié)助進(jìn)一步提高螺旋槳效率的預(yù)轉(zhuǎn)/渦旋，而鑒于本 發(fā)明，所述預(yù)轉(zhuǎn)/渦旋可以以協(xié)同方式使用，因?yàn)橹睆礁蟮穆菪龢幌駛鹘y(tǒng)小直徑螺旋 槳那樣在表面載荷方面存在限制，小直徑螺旋槳通常表示水體的預(yù)轉(zhuǎn)(總是由船身一定程 度地形成，例如大約3% )因過(guò)載而未被利用。此外，圖2示出了船舵30可以定位在船尾14后方并且位于螺旋槳20后方。舵桿 31旋轉(zhuǎn)地固定在從尾板13突出的支撐平臺(tái)32中，并適當(dāng)高出水面40。但是，也可以采取 其他措施(本身已知)，可能單獨(dú)采取或者以任意組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)低速下的操縱能力，例如輪 船1可以布置有隧道助推器(未示出)和/或可旋轉(zhuǎn)或不可旋轉(zhuǎn)的助推器(參見(jiàn)圖4，其中 示出了上擺助推器5)。在圖3中，示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的側(cè)視圖。與圖2中一樣，圖中所示 的許多特征與已經(jīng)描述過(guò)的特征相同，因此不再贅述。相對(duì)于圖2來(lái)說(shuō)，主要的區(qū)別在于， 圖3中使用了可旋轉(zhuǎn)的助推器，例如吊艙單元6。因此，在根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施方式中，也 可以使用非常巨大的螺旋槳20，其上端接近固定負(fù)載吃水線16，但是鑒于船尾波浪41的原 因，所述螺旋槳在巡航速度下可以安全的沉入水中。作為具有吊艙單元6的傳統(tǒng)情況，其垂 直延伸部分30’可以形成地作為船舵。這里，在某些應(yīng)用中，螺旋槳20的直徑Dl可以在基 線11和吃水線16之間高度H的大約85% -100%內(nèi)的范圍內(nèi)選擇。但是，在圖3的實(shí)施 方式中，示出了螺旋槳20甚至可以設(shè)計(jì)地更大，即Dl大于H的100%，例如大約為130%。 這種結(jié)果可以結(jié)合控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述控制系統(tǒng)包括突出地比螺旋槳末端更深的剪斷銷 18，所述剪斷銷定位在輪船1的船頭12處/附近。這種系統(tǒng)參照?qǐng)D5進(jìn)行更為詳細(xì)的描述。圖3和5所示的船身構(gòu)造優(yōu)選包括位于尾板13處的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括成“容器”60 形式的用于吊艙6的結(jié)合部/凹坑13’(見(jiàn)圖5)，即具有配裝在下端的吊艙6以及包括在 殼體60中的周圍設(shè)備的模塊，該模塊穿過(guò)尾板13垂直延伸，配裝在凹坑13’中的。鑒于吊 艙單元6定位在該位置，其螺旋槳20將定位地與尾板13隔開(kāi)一定距離，從而基本上與波峰 浪41的中心/峰部成直線。在圖4中，示出了根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施方式，大部分的特征與以上所述實(shí)施 方式相同，因此不做贅述。相對(duì)于圖2，圖4中的主要區(qū)別在于，使用了包括突出支撐結(jié)構(gòu) 15的船身構(gòu)造，所述支撐結(jié)構(gòu)相對(duì)于尾板13向后突出。這種突出結(jié)構(gòu)15用于旋轉(zhuǎn)地配合 吊艙單元6。而且在圖4中，使用了具有向尾板13后突出一定距離的支撐結(jié)構(gòu)15的船身設(shè) 計(jì)。但是，突出單元2基本上沿著如圖2所述的相同直線，即傳統(tǒng)艙內(nèi)驅(qū)動(dòng)螺旋槳20。螺旋 槳20使其軸21連接到支撐結(jié)構(gòu)15，由此可以實(shí)現(xiàn)螺旋槳安全地定位在船尾波浪的波峰41中的適當(dāng)位置。使用了傳統(tǒng)類型的船舵3，即連接到舵桿31的鏟形舵30，舵桿31定位在船 尾，但是位于螺旋槳20前方的一定距離處。這里，圖中示出布置有可收回的吊艙單元5，所 述吊艙單元可以在輪船1處于低速時(shí)激活，以實(shí)現(xiàn)穿過(guò)船舵30的足夠多的水流，從而也能 在低速時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。在圖5中，示出了后視圖，即表示根據(jù)本發(fā)明的輪船10，但是裝備有一對(duì)螺旋槳， 即使用多于一個(gè)螺旋槳當(dāng)然也落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，圖5描繪了與具體控制系統(tǒng)相結(jié)合的改進(jìn)設(shè)計(jì)，如果輪船進(jìn)入淺海，所述控 制系統(tǒng)用于將葉片取向定位到預(yù)定的位置。在輪船底部11的前方部分，例如在球鼻船首 上，安裝有向下突出的“剪斷銷” 18，所述剪斷銷的長(zhǎng)度L使得銷18的端部定位在基線11以 下足夠長(zhǎng)的距離，以便伸出地距離超過(guò)螺旋槳任何末端可能達(dá)到基線11以下的距離h。優(yōu) 選，剪斷銷18布置成可以收回/可以擺動(dòng)/可以伸縮，以允許其根據(jù)需要“下降”，例如在港 口或淺水中。(也)可能僅僅在低于預(yù)設(shè)速度航行時(shí)，因?yàn)樾枰ㄙM(fèi)一些時(shí)間來(lái)停止螺旋槳 20，以使其定位在安全位置，即葉片20’ (由虛線示出)的末端不會(huì)突出地低于基線11。因 此，本發(fā)明的構(gòu)思優(yōu)選可以結(jié)合低速使用因?yàn)檫@樣將更容易提供充分的結(jié)構(gòu)(離合器、制 動(dòng)機(jī)構(gòu)等)，這些結(jié)構(gòu)可以在制動(dòng)所述銷18的時(shí)間區(qū)間內(nèi)處理螺旋槳20的止動(dòng)和定位操作 并讓螺旋槳20到達(dá)那里。例如，許多應(yīng)用可以限制到最高7節(jié)的速度。如果“剪斷銷” 18 剪斷，則向控制系統(tǒng)(未示出)發(fā)送信號(hào)，將所述軸脫開(kāi)并將所述軸的速度制動(dòng)到零，并且 將葉片20’定位在預(yù)定位置。對(duì)于IOOm的輪船來(lái)說(shuō)，在7節(jié)的速度下，用于控制程序的時(shí) 間區(qū)間可以是大約觀秒。在5節(jié)的情況下，可能會(huì)是大約39秒。與本發(fā)明的其他參數(shù)相 結(jié)合，后一種構(gòu)思將允許螺旋槳直徑增大大約30-40%，例如41. 4%，如果不考慮與船身之 間的間隙的話。這意味著運(yùn)行著的螺旋槳使其半徑的末端41. 4%位于“基線”以下。對(duì)于 直徑為5. 3m的4葉片螺旋槳而言，這意味著可以將直徑增大到7. 5m，而負(fù)載只是原來(lái)的一 半。這將使得推進(jìn)效率提高大約17%?？傊帽景l(fā)明可以實(shí)現(xiàn)以下優(yōu)勢(shì)通過(guò)在給定發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力供應(yīng)的條件下，增大螺旋槳直徑，螺旋槳盤區(qū)域上分布的 載荷將減小。在實(shí)踐中，這意味著因使水加速產(chǎn)生的摩擦所導(dǎo)致效率損失減小，并且螺旋槳 從大氣中吸入空氣的危險(xiǎn)也減小。而且，通過(guò)將螺旋槳定位在船尾波浪的波峰中，將進(jìn)一步提高吸入空氣的裕度。而且，利用船尾波浪，鑒于水速度降低，可以實(shí)現(xiàn)更高的“船身效率”，這暗示推進(jìn) 沖量可能更高。而且，通過(guò)將螺旋槳定位地遠(yuǎn)離船身，將減小螺旋槳對(duì)船身的吸引，所謂的推力減 額因子連同降低的水流速度，也可以用于提高船身效率。此外，可以以協(xié)同方式利用船身的總體波浪系統(tǒng)，即降低船身的總阻力。本發(fā)明并不限于上述的例子，而是可以在待批準(zhǔn)的權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)進(jìn)行變 化。例如，技術(shù)人員從以上所述優(yōu)勢(shì)中認(rèn)識(shí)到，其中許多并不直接涉及針對(duì)波浪定位螺旋 槳，而實(shí)際上涉及將螺旋槳定位在尾板后方，即遠(yuǎn)離船身。此外，應(yīng)該理解，在某些場(chǎng)合，將 額外的支撐結(jié)構(gòu)連接到船尾用于支撐可能定位在螺旋槳20 (定位如圖2-4所示)后方的船 舵，即船舵將定位在船尾波浪的波峰41后方，將具有優(yōu)勢(shì)。但是，在許多設(shè)備中，將不希望 存在所述額外的支撐結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種為輪船提供大直徑螺旋槳00)的方法，所述輪船具有船身(10)，所述船身在船 身的尾板(1 后部一定距離處產(chǎn)生上升波浪，所述方法包括將所述螺旋槳00)旋轉(zhuǎn)地安裝到所述船身(10)，與所述尾板(13)隔開(kāi)一定距離。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述螺旋槳00)定位成使得所述螺旋槳 (20)在以巡航速度推進(jìn)所述輪船時(shí)，沉沒(méi)在所述波浪的波峰Gl)以下。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，提供一種螺旋槳(20)，所述螺旋槳的直 徑為所述船身(10)的基線(11)和所述輪船的吃水線(16)之間垂直距離(H)的50-200%， 優(yōu)選為85-150%。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的方法，進(jìn)一步包括在所述螺旋槳00)前方提供船舵 (30)。
5.如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括在所述輪船(5)的船尾(14)附近提供支撐結(jié)構(gòu)(15;13’、60)。將所述螺旋槳00)旋轉(zhuǎn)地安裝到所述支撐結(jié)構(gòu)(15;13’、60)，以形成組件。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括連接所述支撐結(jié)構(gòu)(15)，以突出到所述尾板(13)后方。
7.一種具有大直徑螺旋槳00)和船身(10)的輪船，所述船身在船身(10)的尾板(13) 后方一定距離處產(chǎn)生上升波浪，其中，所述螺旋槳00)旋轉(zhuǎn)地安裝到所述船身(10)，與所 述尾板(13)隔開(kāi)一定距離。
8.如權(quán)利要求7所述的輪船，其特征在于，所述螺旋槳00)定位成使得所述螺旋槳 (20)在以巡航速度推進(jìn)所述輪船時(shí)，沉沒(méi)在所述波浪的波峰Gl)以下。
9.如權(quán)利要求7或8所述的輪船，其特征在于，所述螺旋槳的直徑為所述船身(10)的 基線(11)和所述輪船的吃水線(16)之間垂直距離(H)的50-200%，優(yōu)選為85_150%。
10.如權(quán)利要求8或9所述的輪船，進(jìn)一步包括連接在所述螺旋槳00)前方位置的 船舵(30)。
11.如權(quán)利要求7至10任一項(xiàng)所述的輪船，進(jìn)一步包括用于所述螺旋槳00)的支撐 結(jié)構(gòu)(15 ；13’、60)；所述螺旋槳00)旋轉(zhuǎn)地安裝到所述支撐結(jié)構(gòu)(15 ；13’、60)，以形成連接到所述尾板 (13)附近的組件。
12.如權(quán)利要求7至11任一項(xiàng)所述的輪船，其特征在于，所述螺旋槳00)布置在助推 器單元(6)上，所述助推器單元優(yōu)選形成容納式單元(6、60)。
13.如權(quán)利要求12所述的輪船，其特征在于，所述尾板(13)具有至少一個(gè)用于連接所 述容納式吊艙推進(jìn)器(6)凹口，并且所述容納式吊艙推進(jìn)器(6)利用液壓控制的嵌入螺栓 機(jī)械地固緊在在所述尾板(1 中。
14.如權(quán)利要求7至13任一項(xiàng)所述的輪船，其特征在于，所述輪船具有單一螺旋槳 (20)。
15.如權(quán)利要求7至13任一項(xiàng)所述的輪船，其特征在于，所述輪船具有成對(duì)的螺旋槳。
16.如權(quán)利要求7至15任一項(xiàng)所述的輪船，其特征在于，所述輪船是多重推進(jìn)輪船。
全文摘要
為了提高推進(jìn)效率以及輪船乘坐舒適性，其中船身(10)在船身(10)的尾板(13)后方一定距離處形成上升波浪，并且螺旋槳(20)旋轉(zhuǎn)地安裝到所述船身(10)，與所述尾板(13)隔開(kāi)一定距離，并且優(yōu)選處于這樣的水平，即使得螺旋槳(20)在以巡航速度推進(jìn)輪船時(shí)，沉沒(méi)在所述波浪的波峰(41)以下，從而允許使用大直徑(D1)的螺旋槳(20)。所述輪船可以是單螺旋槳輪船、雙螺旋槳輪船或者多重推進(jìn)輪船。
文檔編號(hào)B63B3/48GK102056793SQ200980121492
公開(kāi)日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2009年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月8日
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