專利名稱：高速混合式海洋船舶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及海洋船舶，具體涉及大展弦比水翼輔助的高速混合式船殼，具有一主船殼和兩或三個(gè)側(cè)船殼概述在現(xiàn)代高速船舶中，在過去數(shù)年雙體船已比單體船殼獲得優(yōu)勢市場位置，特別是小于100米的船舶。這類船舶的特征是其操作的簡便性，高度的穩(wěn)定性以及高速和經(jīng)得起海上風(fēng)浪的能力，尤其在30-35節(jié)的速度范圍內(nèi)。但市場似乎繼續(xù)對速度性能提出更高的要求，并且今天幾種45節(jié)甚至50節(jié)以上速度的雙體船已成現(xiàn)實(shí)。在現(xiàn)代高速海洋運(yùn)輸中，經(jīng)得起風(fēng)浪的性能亦已成為一大的考慮因素。這些要求已導(dǎo)致出現(xiàn)更大的推進(jìn)動力設(shè)備以及引入主動的運(yùn)動緩沖系統(tǒng)，如設(shè)置在船首區(qū)域內(nèi)小T形翼板和設(shè)置在后面的配平舵，用以改善乘坐舒適性。然而，基本上是非永久性升力產(chǎn)生裝置的T形翼板的引入往往伴隨阻力的增加，這在一40-45節(jié)的雙體船上減小了約2-3節(jié)的速度。
相應(yīng)于某些航線上增加的速度要求，最快的擺渡操作者仍然不愿意加入這一發(fā)展趨勢，這是由于與之相關(guān)的空中縱擺燃料消耗。很可能從流體動力學(xué)的觀點(diǎn)看，早在70年代開始商業(yè)發(fā)展的雙體船技術(shù)今天已經(jīng)到達(dá)了其發(fā)展的最佳階段。阻力的進(jìn)一步減小受到了以下事實(shí)的嚴(yán)格限制大部分阻力成分涉及流體動力學(xué)表面摩擦力。為了克服這一點(diǎn)，或是不得不減小沾水表面面積，或是通過應(yīng)用新技術(shù)如空氣潤滑來減小表面摩擦力。
如果認(rèn)識到缺乏已獲得證明的手段來解決這些技術(shù)挑戰(zhàn)，即表明我們今天所知的雙體船概念在所有方面已經(jīng)不再能夠充分地滿足將來的市場需要。這一觀點(diǎn)亦得到公眾和當(dāng)局對環(huán)境問題日益關(guān)注的支持，其很可能迫使在這方面表現(xiàn)更好的全新概念的發(fā)展。
在90年代初，這導(dǎo)致了已知的水翼原理的暫時(shí)復(fù)興，以減小水和船殼之間的摩擦力。引入了一改型雙體船概念，帶有使兩船殼升離水面的一翼板系統(tǒng)，如挪威專利No.175199和多種美國專利所描述的。除了涉及速度和經(jīng)得起風(fēng)浪的能力的優(yōu)點(diǎn)外，這一技術(shù)卻伴隨一些缺陷，增加的投資成本和重量敏感性問題，后者在明顯的程度上已經(jīng)限制了這種特殊類型的船舶的物理尺寸和有效載荷，這最終導(dǎo)致難以在商業(yè)上被接受。
在船舶研究和高速擺渡商業(yè)的領(lǐng)域，人們可以看到一種趨勢，即設(shè)計(jì)和小規(guī)模試驗(yàn)各種新潁的設(shè)計(jì)。在幾種趨勢-制動(trend-braking)設(shè)計(jì)中，某種三體帆船的概念似乎是將來的一種潛在的有興趣的折衷方案。
現(xiàn)有技術(shù)美國專利No.5503100描述了一種屬于這種范疇的設(shè)計(jì)。但是，該發(fā)明似乎有一些不能實(shí)現(xiàn)的以及部分不能起作用的因素，這些因素可能使得本發(fā)明難以或不能滿足與高速船舶有關(guān)的要求。另外，該發(fā)明涉及水下船殼形狀和推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)置，其有可能導(dǎo)致較大的船殼摩擦并形成阻力，較大的吃水深度以及過載重量。
本發(fā)明在優(yōu)選實(shí)施例中，本新潁設(shè)計(jì)是公知的三體帆船設(shè)計(jì)的一種改型，該三體帆船設(shè)計(jì)由于其高速以及抗風(fēng)浪能力已經(jīng)在帆船領(lǐng)域獲得聲譽(yù)。如所知的，三體帆船包括三個(gè)船殼構(gòu)件，一個(gè)長的和窄的中間船殼和一對較短的側(cè)船殼，后者與位于船體中間或后部的橫向橋接結(jié)構(gòu)的下側(cè)成一體。但是，這種設(shè)計(jì)在高速擺渡領(lǐng)域仍未投入使用。在多種專利中，如US4348972,5178085,5529009,WO93/07046,94/20359,97/10988,EP455605和JP63130492，描述了這種設(shè)計(jì)的一種改型。
如所知的，所謂Froude的數(shù)值由以下公式表示Fn=v/√g*L其中，v=速度(m/s),g=重力加速度，L=水線長度(m)。
該Frouded的數(shù)值在船舶的流體動力學(xué)阻力上起重要的作用。在具有完全浸入的側(cè)船殼的傳統(tǒng)三體帆船上，在長度短并且速度足夠低時(shí)，其往往以一種滑行的狀態(tài)操作。由于穩(wěn)定性要求(即足夠高的正GM值)成為這些三體帆船特征的較大的側(cè)船殼浸入導(dǎo)致在較高Froude數(shù)值下有阻力明顯增加的危險(xiǎn)。
本發(fā)明涉及上述三體帆船形式的一種改進(jìn)并且涉及以兩種以兩種明顯不同模式操作的混合式海洋船舶，即靜水穩(wěn)定的低速模式，以正的GM值為特征，有至少三個(gè)浸入的船殼件，包括一深的細(xì)長主船殼和至少一對細(xì)長的淺的支承船殼(后面將其稱為側(cè)船殼)，后者通過連接側(cè)船殼和主船殼的剛性甲板結(jié)構(gòu)與船舶成一體，以及部分升高的靜水不穩(wěn)定高速模式，以負(fù)的GM值為特征，僅有該細(xì)長的主船殼浸入而側(cè)船殼則在水線以上，通過采用一體的流體動力學(xué)升力產(chǎn)生、搖擺穩(wěn)定和俯仰控制翼板或水翼，來實(shí)現(xiàn)從一種模式到另一種模式的過渡，該船舶的特征在以下組合-主船殼本身是靜水不穩(wěn)定型，具有一負(fù)的GM值，相對于水線寬度具有一大的水線長度，并相對于水線寬度具有一大的主甲板寬度；-在其濕甲板高度以下的主船殼后部具有圖4a-d所示的橫向截面，或者是這些截面的組合；-在其主甲板高度以下的主船殼的前部，在其大部分長度上，具有一V,U，或Y形的橫向截面，如圖4e-m所示；-該支承船殼具有明顯小于主船殼之深度的深度，或者可調(diào)的高度，并且沿速度方向觀察被設(shè)置在船舶中點(diǎn)的后面或附近，并且相對于其中線對稱；-至少一個(gè)一級流體動力學(xué)翼板或水翼被設(shè)置在主船殼和側(cè)船殼之間，通過垂直支柱與它們成一體，或者亦可通過至少一個(gè)垂直支柱與中間鋪設(shè)的濕甲板結(jié)構(gòu)成一體，對稱地設(shè)置在船舶中心線的各側(cè)。
-最好在較大的船舶上，主船殼上設(shè)置有一自身控制類型的快速汲水壓載系統(tǒng)，或者控制充水和排水的裝置。
在一優(yōu)選版本中，船舶設(shè)置有一完全浸入的升力產(chǎn)生和搖擺穩(wěn)定的大展弦比一級水翼，其設(shè)置在主船殼和側(cè)船殼下面和之間，靠近船舶縱向重心LCG，并固定在主船殼上，固定在中間鋪設(shè)的濕甲板結(jié)構(gòu)和側(cè)船殼上，以及一個(gè)二級的流體動力學(xué)升力產(chǎn)生及俯仰控制翼板或水翼，其設(shè)置在前部或后部，或者兩處，并固定在主船殼上，或者也固定在中間鋪設(shè)的濕甲板結(jié)構(gòu)上，取決于翼板的橫向延伸程度。
在另一特別適用于大于100m船舶的優(yōu)選版本中，船舶設(shè)置有兩個(gè)升力產(chǎn)生、搖擺穩(wěn)定和俯仰控制大展弦比一級水翼。由于這種尺寸的船舶通常具有超過1000公噸的滿載排水量，就使總的阻力最優(yōu)化來說，可能希望增加翼板寬度而超過船舶的正常寬度，以便在40-45節(jié)的速度提供50％范圍內(nèi)的升力與排水量之比。這種設(shè)置示于圖8中。這里，部分甲板結(jié)構(gòu)被橫向延伸超出船舶的正常寬度，以便于支承翼板的外支柱。這些橋式結(jié)構(gòu)亦可有利于下錨以及上、下船。
通過增加翼板寬度來增加升力將導(dǎo)致許多阻力方面的優(yōu)點(diǎn)；由于較小的排水量和沾水的船殼面積，減小了船殼的阻力，并且由于減小的支柱浸入以及翼板本身的增加的展弦比，減小了總的翼板阻力。即使從另一觀點(diǎn)看，由于翼板系統(tǒng)和所需的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，翼板系統(tǒng)將導(dǎo)致增加的重量，但阻力計(jì)算表明在35節(jié)以上的速度，與類似尺寸和負(fù)載能力的雙體船和單體船殼比較，確實(shí)具有相當(dāng)明顯的阻力減小潛力。此外，這種前后翼板設(shè)置將提供特別高的抗風(fēng)浪能力，這是由于對起伏、俯仰和搖擺運(yùn)動的主動和被動的高度緩沖。如所知的，高度的速度對動力之比和抗風(fēng)浪能力的組合目前難以達(dá)到，而這對于最快的擺渡操作者而言有最高的重要性。
對于更大的船舶，如超過200m，甚至三級升力產(chǎn)生翼板也是可行的。在這種情況下，它們的大約位置是后面，前面和中間。但是，如果翼板之間的縱向距離不是足夠大，前翼板的下洗(down-wash)效應(yīng)將在跟蹤翼板上產(chǎn)生增加的阻力，所以應(yīng)當(dāng)仔細(xì)考慮最終的優(yōu)點(diǎn)。
與傳統(tǒng)的雙體船相比，在利用主甲板下方的內(nèi)部船殼體積以及減小殼體面積和結(jié)構(gòu)船殼重量方面，主船殼的特定橫向形狀，尤其在較大的船舶上，是有利的。與總尺寸和負(fù)載能力類似的雙體船相比，可以在20％-30％的范圍內(nèi)減小殼體面積，包括側(cè)船殼。通常，這導(dǎo)致同樣量級的結(jié)構(gòu)重量的減小。
最佳模式根據(jù)本發(fā)明的高速混合式海洋船舶，帶有流體動力學(xué)的產(chǎn)生升力的、穩(wěn)定搖擺且控制俯仰的翼板或水翼，其可以兩種有區(qū)別的不同模式操作，即靜水穩(wěn)定的低速模式，以正的GM值為特征，有至少三個(gè)浸入的船殼件，以及靜水不穩(wěn)定高速模式，以負(fù)的GM值為特征，僅有一個(gè)浸入的船殼件，包括-一以一體的剛性甲板結(jié)構(gòu)為特征的主船殼，該甲板結(jié)構(gòu)在橫向上伸出主船殼的寬度，并且限定為濕甲板的所述甲板結(jié)構(gòu)的下邊緣在船舶于未觸動水線上處于靜止時(shí)位于水線之上，并當(dāng)船舶的朝前的速度明顯增加時(shí)其處在水線上方一增加的高度處，-所述主船殼在表示任何未觸動狀態(tài)的水線上方隨機(jī)高度處的最大框架寬度和水線處的最大寬度處之間有一種至少2的關(guān)系，-所述主船殼在任何直立浮動未觸動狀態(tài)在最大的水線長度和最大的水線寬度之間有一種至少6的關(guān)系，-所述主船殼的前部在主甲板下方具有一V形，U形或者Y形橫截面，或者其組合，-所述主船殼的后部在濕甲板下方具有一V形，U形或者Y形橫截面，或者其組合，-所述主船殼設(shè)置有與濕甲板的下方成一體的側(cè)船殼，其深度明顯小于主船殼的深度，這樣當(dāng)船舶達(dá)到最大速度的40-70％的速度時(shí)，所述側(cè)船殼的底部處在水線之上，并且沿速度方向觀察所述側(cè)船殼位于船舶中點(diǎn)的后面或者橫跨船舶中點(diǎn)，并平行于船舶的中心線，或成一較小的舷內(nèi)角度，相對于所述主船殼的中心線對稱地位于兩側(cè)，-所述濕甲板至少從側(cè)船殼的船首的上和最前部延伸到主船殼的后邊緣或船尾，并沿縱向呈一弧形，其端點(diǎn)所處的高度高于沿弧形的任何一點(diǎn)，或者以其整體或其部分平行于主甲板，或具有與主甲板成角度的部分，最好前端和后端處在比其間的平面高的高度，或者具有弧形的中間部分和以角度取向的前和后部的組合，-所述濕甲板在橫截面平行于主甲板或者與之成一角度位置，使得遠(yuǎn)離船舶中心線的外線上的一點(diǎn)，處于更靠近主甲板高度的高度上，-所述側(cè)船殼在水平面上具有楔形的船首形狀和一平頭形的船尾，其在水平面內(nèi)的面積沿垂直方向是恒定的或者增加，因?yàn)樵跈M截面內(nèi)觀察垂直傾斜的船首以及舷內(nèi)側(cè)和/或舷外側(cè)是傾斜的，-所述側(cè)船殼被如此設(shè)置，即當(dāng)沿速度方向觀察側(cè)船殼位于船舶中點(diǎn)的后面時(shí)，船尾的位置處在主船殼的船尾的后面，-在空載的條件下并當(dāng)船舶靜止時(shí)，所述側(cè)船殼具有一組合的浮力，其對應(yīng)于船舶的總的空載浮力的不到20％，-在較大尺寸的船舶上，所述側(cè)船殼可被設(shè)置成一個(gè)在另一個(gè)前面，使得一個(gè)位于縱向重心(LCG)的后面，而另一個(gè)位于所述點(diǎn)的前面，兩者位于距主船殼中心線的相同橫向距離處，或者前面的側(cè)船殼被設(shè)置在距所述中心線一較小距離處，各對側(cè)船殼相對于所述中心線對稱地設(shè)置。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，所述混合式海洋船舶還包括一種設(shè)置，其包括一帶有弦線(CL)的完全浸入的一級流體動力學(xué)翼板或水翼，該弦線限定為橫向設(shè)置的水翼輪廓的前邊緣和后邊緣之間的縱向距離，并在隨機(jī)的朝前速度下以至少對應(yīng)于弦線(CL)的50％的深度相對于水線浸入，水翼在橫向上延伸主船殼中心線和側(cè)船殼中心線之間的距離的至少50％，并且所述水翼設(shè)置在船舶縱向重心(LCG)附近，取決于水翼的橫向長度所述水翼借助于支柱固定在主船殼，濕甲板和側(cè)船殼上，或者固定在橫向延伸出側(cè)船殼的部分濕甲板或甲板結(jié)構(gòu)上，或者固定在這些結(jié)構(gòu)件的一些上，所述支柱將流體動力學(xué)升力傳遞到船舶上，并且水翼設(shè)有至少一個(gè)在船舶中心線的各側(cè)與水翼的后部成一體的遠(yuǎn)程控制副翼，當(dāng)船舶以高速朝前移動并且側(cè)船殼局部浸入或完全位于水線之上時(shí)，所述副翼通過繞船舶中心線施加一可控的橫向校正力矩提供了所需的流體動力學(xué)穩(wěn)定性。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，混合式海洋船舶還包括一種方案，其包括一個(gè)完全浸入的二級流體動力學(xué)翼板或水翼，水翼在橫向上延伸主船殼中心線和側(cè)船殼中心線之間的距離的不到50％，并且所述水翼設(shè)置在主船殼的前面或后面，或者設(shè)置在兩處，取決于水翼的橫向長度以及縱向位置所述水翼借助于至少一個(gè)水翼上的支柱固定在所述船殼和/或濕甲板上，所述支柱將通常為一向上的流體動力學(xué)力傳遞到船舶上，并且水翼的至少一個(gè)遠(yuǎn)程控制副翼與所述水翼的后部成一體的，當(dāng)船舶以高速朝前移動時(shí)，所述副翼提供了繞船舶縱向擺動中心的所需平衡調(diào)整力矩。
附圖通過參照附圖將進(jìn)一步解釋本發(fā)明，其中

圖1從側(cè)面示出了根據(jù)本發(fā)明的混合式海洋船舶；圖2示出了圖1的船舶，通過一級水翼的船中部的橫截面，表示了主船殼，濕甲板和側(cè)船殼；圖3示出了船后部的橫截面，表示了在高速模式下的水線(WL-1)，在低速模式下的水線(WL-2)，和垂直重心(VCG)以及在低速模式的定傾中線(M)和在高速模式的定傾中線(M1)；圖4a-4d示出了在濕甲板高度下方的主船殼后部的可選擇的橫截面；圖4e-4m示出了在主甲板高度下方的主船殼前部的可選擇的橫截面；圖5從后面示出了根據(jù)本發(fā)明的船舶，表示了可調(diào)節(jié)的側(cè)船殼；
圖6詳細(xì)示出了在根據(jù)本發(fā)明的船舶上高度可調(diào)的側(cè)船殼的橫截面，表示了操作原理；圖7a-7g示出了壓載水箱的操作原理；圖8示出了一較大船舶的平面，帶有兩組一級水翼和兩組側(cè)船殼圖9示出了船舶的橫截面，其帶有一表面破水一級水翼；圖10示出了一完全浸入的一級水翼的平面，表示了前邊緣和后邊緣，弦長(CL)和可控的副翼。
圖1示出了帶有主船殼(2)和側(cè)船殼(3)的混合式海洋船舶(1)。在該船舶下面，示出了一級水翼系統(tǒng)(4)和垂直支柱(11)，以及二級水翼系統(tǒng)(5)。
如所描述的，由一個(gè)一級流體翼板(4)或水翼構(gòu)成的結(jié)構(gòu)設(shè)置在提供了主要流體動力學(xué)升力的主船殼(2)和側(cè)船殼(3)之間，這導(dǎo)致減小了的吃水深度和減少的濕潤船殼表面，同時(shí)它通過一個(gè)圖9所示的表面破水水翼系統(tǒng)(6)提供了動態(tài)穩(wěn)定性，或者最好是圖2所示的由垂直支柱(11)所支承的一完全浸入的翼板系統(tǒng)，其特征為具有一完全可控的水翼斷面，或者最好沿所述翼板表面(4)的后邊緣(29)成一體的可控副翼(27)。在45節(jié)的速度，由翼板系統(tǒng)產(chǎn)生的流體動力學(xué)升力可達(dá)到與一45m船舶的滿載排水量的50-75％對應(yīng)的值，這取決于翼板的尺寸和排水量。其結(jié)果是，該船舶在水中被充分地升高，使得側(cè)船殼越過水線。
與最終相應(yīng)地升高的傳統(tǒng)雙體船相比，這就賦予該船舶一個(gè)涉及流體動力學(xué)阻力的優(yōu)點(diǎn)。其原因是本船舶的主船殼的浸入的船殼面積最初相對較小，主要是由于船殼的形狀，其次是所述結(jié)構(gòu)性重量的減小。而且，任何特定形狀的一浸入的單一船殼的濕潤面積比同樣形狀的兩個(gè)船殼要小，即使總的排水量相同。在一給定的排水量，在方形的浸入殼體的濕潤表面方面的數(shù)學(xué)差約比相同排水量的兩個(gè)類似形狀的殼體的面積小27％。三角形殼體的相應(yīng)減小約為29％。換句話說，通過本發(fā)明的小于設(shè)計(jì)，可以明顯減小流體動力船殼的摩擦。
這一事實(shí)與來自翼板生成之升力的效果一起，與類似尺寸和排水量的雙體船相比，有助于將一45m船舶上的濕潤表面減小約50-70％。因此，它引致明顯減小了表面的摩擦阻力，這就使得本概念能尤為良好地適合高速運(yùn)輸平臺。
有高縱橫比特征的現(xiàn)代化水翼系統(tǒng)，如本發(fā)明的情況，具有特別高的升力對阻力之比L/D。與有較高Froude數(shù)，即排水量對阻力之比D/D，的雙體船的相應(yīng)比值對比，這樣一種翼板系統(tǒng)一般可更有效超過60％，包括來自支柱和艙的阻力。除了減小濕潤表面面積的效果，與雙體船和單體船殼相比，這賦予本發(fā)明優(yōu)秀的阻力特征。
以此為例，在Froud數(shù)為1,0，對應(yīng)于35節(jié)和34m長的水線，阻力和動力計(jì)算顯示，與同樣尺寸和自重的典型雙體船比，根據(jù)本發(fā)明的一船舶具有低15-20％的動力要求。但在45節(jié)，動力要求低40-65％，取決于翼板系統(tǒng)的實(shí)際舉升率。
由水翼系統(tǒng)產(chǎn)生的升力，結(jié)合配平力矩(trim momentum)，使之有可能減小船舶的吃水深度，使得在一給定的速度時(shí)側(cè)船殼的底部到水線之上，如圖1-3所示。在一具有14m寬度的40m長度的船舶上，且滿載排水量約為200公噸，這一狀態(tài)一般會在約20-25節(jié)的速度發(fā)生，取決于實(shí)際的自重。在這一狀態(tài)，在更高的速度時(shí)，只有主船殼的狹窄下部和水翼系統(tǒng)浸入水中。在速度增加時(shí)，水線和側(cè)船殼底部之間的間距將增加，在45節(jié)時(shí)一般將達(dá)到1m以上。
與傳統(tǒng)的雙體船(其特征是高的定傾中心高度，其導(dǎo)致高度的靜水穩(wěn)定性，或者抗起伏性)相比，根據(jù)本發(fā)明的船舶最初當(dāng)在水中靜止時(shí)有較低靜水穩(wěn)定性，以小角度傾斜。隨著速度和水翼系統(tǒng)產(chǎn)生的升力的增加，靜水穩(wěn)定性變得進(jìn)一步減小。當(dāng)速度和升力足夠高并且側(cè)船殼越過水線時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的船舶將進(jìn)入一完全的靜水不穩(wěn)定狀態(tài)。這一狀態(tài)的特征是一負(fù)的定傾中心高度GM，其通常被限定為一船舶的垂直重心VCG和在一通過船舶中心線的垂直線上的假想定傾中心點(diǎn)之間(M)之間的垂直距離。在小角度傾斜時(shí)，所述垂直線將在一給定點(diǎn)處橫跨其自身，通常在VCG之上。定傾中心點(diǎn)位于VCG上方的距離越大，靜水穩(wěn)定性越高。所以，一不穩(wěn)定的船舶通常與一低的或者負(fù)的GM值有關(guān)，意味著定傾中心點(diǎn)低于VCG。
通過考慮以下事實(shí)可更為實(shí)際地說明這一點(diǎn)水線長度和主船殼的寬度之間的關(guān)系，L/B，在船舶垂直重心VCG高的同時(shí)也高。為了舉例說明這一狀態(tài)，如圖3所示，對于處在這一狀態(tài)的所述40m船舶來說，VCG(G)將位于水線上方約2.7m處。主船殼的最大水線長度約為37m，在此水線處的寬度約為3.7m。請記住約200公噸的整個(gè)船舶重量集中在VCG(G)處，很明顯在這種狀態(tài)下它完全沒有穩(wěn)定性，并將無條件傾覆，除非由水翼系統(tǒng)在流體動力學(xué)意義上提供所需的校正力矩和/或結(jié)合來自側(cè)船殼的靜水效果。用點(diǎn)M2說明這種狀態(tài)的定傾中心點(diǎn)的相應(yīng)位置。
如上所述，如4示出了各種主船殼的形式，它們是不穩(wěn)定的或者靜水不穩(wěn)定的船殼形式的例子。
圖4(以a-d表示)所示的船殼形式的第一條直線示出了濕甲板高度下方的主船殼的尾部的四種可能的船殼形狀。在右邊，各種所參考的高度被表示為水線(WL-1)，濕甲板(8)高度和主甲板(7)高度。
圖4的其余各種，即e-m，表示了在主甲板高度以下主船殼的前部的可能船殼形狀。如所表示的，它可包括在原理上可區(qū)分的V、U或者Y形，或它們的組合。
適用于根據(jù)本發(fā)明的混合式海洋船舶的動力穩(wěn)定性操作原理基本上類似于適用于噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的原理。如已知的，這些類型的飛機(jī)在航空動力學(xué)上是不穩(wěn)定的，并且不能手動控制，這與能由駕駛員控制的傳統(tǒng)的穩(wěn)定式飛機(jī)相反。所以，以在原理上與本發(fā)明的船舶相同的方式，用電腦來控制它們。不用說，當(dāng)用機(jī)輪支承在地面上時(shí)，這些飛機(jī)是靜態(tài)穩(wěn)定的，類似于在靜止或低速時(shí)的本混合式船舶。在地面上的更恰當(dāng)例子是自行車，它也是靜態(tài)不穩(wěn)定的，并且如果沒有施加在其上的校正力矩就不能保持平衡。
就通過利用一主動的動態(tài)穩(wěn)定效果(由水翼上可控制的副翼提供)而獲得高度的乘坐舒適性而言，一靜態(tài)的不穩(wěn)定狀態(tài)是很有利的。由波浪沖擊船殼所代表的外部擾動力對于本發(fā)明的船殼來說自然要小的多，本發(fā)明的特征在于一負(fù)的GM值，這與以高度正GM值為特征的傳統(tǒng)雙體船相反。在引起搖擺運(yùn)動的側(cè)向波浪中，情況尤為如此。在效果上這導(dǎo)致本發(fā)明的船舶將施加有限或者非搖擺的運(yùn)動(取決于波浪的高度)，而所述雙體船則沒有辦法避免這種情況，即使裝備有同樣能力的水翼系統(tǒng)。
由于僅主船殼浸入在水中，因此典型地其特征為與一雙體船或者一傳統(tǒng)單體船殼相比有小的多的沾水平面面積，而且垂直起伏亦得以減小。由于位于LCG附近或者所述點(diǎn)稍微靠前的較大的一級水翼的被動和主動起伏緩沖的組合，垂直起伏得以進(jìn)一步減小。
在速度通常為40-45節(jié)的正常服務(wù)條件下，船舶將具有抵抗由側(cè)向波浪引起的搖擺的一動態(tài)穩(wěn)定性邊際值，該邊際值應(yīng)至少可以與完全升離水面的所謂水翼雙體船相比。這是因?yàn)榕c所謂的水翼雙體船相比側(cè)船殼具有小的多的排水量。關(guān)于俯仰運(yùn)動，設(shè)置在主船殼上的位于后面或者前面的二級水翼，或配平翼板，將產(chǎn)生一較大的俯仰緩沖效果。這使得根據(jù)本發(fā)明的船舶具有獨(dú)特的經(jīng)得起海上風(fēng)浪的能力。
當(dāng)設(shè)計(jì)這樣一種船舶時(shí)，相當(dāng)?shù)淖⒁饬Ρ仨毞旁谶@些特征上主船殼、側(cè)船殼的深度和浮力，VCG、LCG的位置和翼板的抬升中心。為了獲得一從性能講是最佳的船舶，必須在這些因素之間求得精確的平衡和妥協(xié)。
一項(xiàng)重要的標(biāo)準(zhǔn)是在高速操作的整個(gè)過程中在水線和側(cè)船殼的底部之間獲得充分高的間隙。這是為了減小在嚴(yán)酷海況中的波浪沖擊并盡量減小阻力，該阻力否則往往會造成方向上的不穩(wěn)定性和潛在的速度損失。另一方面，穩(wěn)定性指標(biāo)要求側(cè)船殼足夠深，以提供靜水穩(wěn)定性。這一指標(biāo)往往對于首先提到的標(biāo)準(zhǔn)有害。
對這一難題的可行解決方案是在主船殼的底部引入一自調(diào)節(jié)和排空的壓載水箱，如下面所描述的，該水箱在效果上將減小側(cè)船殼的深度和排水量要求，這是因?yàn)樵摯霸谒涑錆M時(shí)在靜止和低速狀態(tài)變成一較大的船。這一方案對于小尺寸的船舶而言，如30-50m范圍內(nèi)，并非絕對必要。對于較大的尺寸，例如70m以上的范圍，排水量將在這一量級，即在例如25節(jié)的速度即使一對大的水翼也不太可能提供足夠的升力，使得側(cè)船殼越過水線。所以，尺寸增大的船舶似乎更能獲得這一系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。對于該方案的一種選擇是采用高度可調(diào)側(cè)船殼，如下面所描述的?；蛘哌@些手段的組合。
當(dāng)船舶以低速向前移動或者在水中靜止時(shí)，來自翼板系統(tǒng)的升力被減小或者勾銷。這樣，吃水深度將增加并且兩個(gè)側(cè)船殼(3)將浸入水中，如圖1和3上由水線(WL-2)所表示的。側(cè)船殼因此將提供所需的靜水穩(wěn)定性。
使之成為可能的一種方法是在船舶的浮力縱向中心和重量縱向中心之間(沒有任何來自水翼(4,5)的明顯升力)形成一種關(guān)系，使得在上述中心作用的力在一給定的后平衡度(其使得側(cè)船殼充分地浸入水中)下處于平衡，并因此提供所需的靜態(tài)穩(wěn)定性。這種方法的一潛在缺點(diǎn)是船舶可能得到一較大的后平衡度。
調(diào)節(jié)側(cè)船殼的吃水深度的一種途徑在圖5和6中示出。理論上，可以以任何技術(shù)上可行的途徑來調(diào)節(jié)側(cè)船殼(3)，例如借助于通過將流體注入一活塞裝置而迫使其離開正常儲存腔室(22)的適當(dāng)支承件(21)，該活塞裝置迫使所述件向下直至其在水中充分地移動，如圖5所示。以這種方式，將使一靜水不穩(wěn)定的船殼變得穩(wěn)定，并且在任何理想的條件下可使支承件退回，使之不再與水接觸。
在船舶以低速向前移動或者在水中靜止時(shí)，在一給定的深度和排水量，側(cè)船殼被保持在一較低的位置。當(dāng)速度增加并且水翼系統(tǒng)提供所需的動態(tài)穩(wěn)定性時(shí)，側(cè)船殼被暫時(shí)提升，以便獲得距水線的理想間距。這樣一種設(shè)置可由支承件(21)實(shí)現(xiàn)，借助于一組位于濕甲板(8)和支承件(21)之間的氣動或液壓致動器(23)，以及固定在所述調(diào)節(jié)件和位于上方的濕甲板上的一氣密柔性隔膜(24)，將該支承件連接于位于上方的濕甲板(8)上。致動器(23)可以被連接于一共用的或者獨(dú)立的帶有所需永久壓力的蓄壓器，這樣它將致動器和可調(diào)件保持在永久的較低位置，由完全包圍所述件和設(shè)置在內(nèi)部的致動器的柔性隔膜(24)維持。通過利用電動真空泵對柔性隔膜內(nèi)的內(nèi)腔(22)施加一負(fù)壓可使支承件升高。因此，該較大的內(nèi)部面積將產(chǎn)生一足夠的垂直升高力，該力超過由加壓的液壓和氣動致動器(23)所產(chǎn)生的相對的垂直力，使得所述致動器被壓縮，這導(dǎo)致支承件被暫時(shí)地升高到一上部位置。該電動真空泵可以從船橋上手動地啟動，而使得所述泵脫離的控制器信號可以由船舶的永久電反饋系統(tǒng)提供，例如航速儀和搖擺指示器。這將保證該真空泵在一定的條件或者情況下自動地脫離，例如一給定的最大搖擺角度或者一最小的速度。支承件然后將自動地被下降回到正常所處的位置。
與這種方法相關(guān)的缺陷是它較為復(fù)雜且成本高。對于30-60m之類的較小尺寸的船舶來說，它將導(dǎo)致重量相對增加。但對于較大尺寸的船舶，情況不一定如此，因?yàn)樗鼘?shí)際上減小了重量，取決于水線以上濕甲板的總尺寸和實(shí)際高度。其優(yōu)點(diǎn)是，在船舶以高速模式操作時(shí)，它使之有可能減少側(cè)船殼的排水量，這在效果上減小了側(cè)船殼與波浪干涉的機(jī)會。與水鎮(zhèn)重方法(將在下文中描述)相比，它將減少最大排水量以及低速時(shí)的阻力，這是因?yàn)楸苊饬说退贂r(shí)排水量增加。
另一種方法是船舶設(shè)有一圖1和7所示的獨(dú)立的壓載水箱(15)，其在結(jié)構(gòu)上一體地設(shè)置在主船殼的底部內(nèi)，并位于船舶的船尾前面的一距離處，最好在縱向重心的后部。在水箱的后部，在底部船殼板上的一垂直臺階(17)的后部的一給定距離處，設(shè)有一適當(dāng)成形的開口(16)。當(dāng)船舶靜止時(shí)，并且朝前的速度小于給定值時(shí)，如圖7b所示水將進(jìn)入水箱。此情況發(fā)生的最大速度由開口(16)的縱向長度和設(shè)置在前面的臺階(17)與設(shè)置在后面的尖端(18)之間的垂直距離，以及水的靜壓頭給出。當(dāng)速度高于此值時(shí)，水流將在垂直臺階(17)處分離。速度增加時(shí)，水流的方向?qū)⒏矫嬉苿?，直至其在一給定的速度下不再沖擊該開口的傾斜后部上的尖端，而是在該尖端的下面通過，如圖7a所示。在這種條件下，壓載水箱將不再汲取水，并且由于所謂的噴射泵原理而逐漸排空，直至其完全地排空。在一給定的低速下，水流將再次沖擊該尖端，被分離并被汲取講水箱，直至水箱充滿。該水箱設(shè)有一與大氣連通的空氣管道(25)，以避免水箱內(nèi)的真空和增壓。
上述程序要求一定程度理想化的條件，即有船舶的排水量給出的靜壓頭基本上是恒定的。自然，這并非總是如此，因?yàn)樗艽拜d重條件，平衡，翼板產(chǎn)生的升力和波浪的影響。為了解決這一問題，可以在開口的后面安裝一可控制的楔形導(dǎo)向塊(19)，如圖(7d)所示。其被鉸接在后部的點(diǎn)(27)處，使得可以上下自由地調(diào)節(jié)其角度位置。導(dǎo)向塊的底部最好被成形為沿縱向有一弧形的形狀。導(dǎo)向塊的尖端是楔形的，以便允許分離水流。當(dāng)船舶靜止或者以低于一給定速度的速度朝前移動時(shí)，如圖7d中的點(diǎn)劃線所示，該導(dǎo)向塊將在垂直平面內(nèi)向下傾斜，使得導(dǎo)向塊的尖端相對于臺階(17)的下邊緣伸出足夠距離，以保證導(dǎo)向塊汲取水。取決于尖端相對于臺階的所述下邊緣的垂直位置，在一給定速度，當(dāng)水流不再沖擊該尖端時(shí)，鉸接的導(dǎo)向塊的角度將自己改變。在此點(diǎn)處，停止汲取水，并且水箱將被逐漸排空。在這一條件下，由于繞導(dǎo)向塊的鉸接點(diǎn)的滑行力和垂直力矩，導(dǎo)向塊將在水流的表面上掠過，只要其被自由地支承。只要速度超過一給定值，導(dǎo)向塊的角度將自己調(diào)節(jié)并且適應(yīng)水流表面的較小變化，該變化受平衡和波浪的影響，而尖端不會接觸水面。當(dāng)朝前的速度再次減小到一給定值以下時(shí)，水流將沖擊尖端，被分離并被汲入水箱。通過將一遠(yuǎn)程控制的液壓缸連接到導(dǎo)向塊上，一個(gè)人就可以在更大程度上控制其角度位置并且由此可更加獨(dú)立于船舶的速度(v)來充滿和排空水箱，上述導(dǎo)向塊裝置的一替代方案示于圖7f-g中。這里，取下了鉸接的導(dǎo)向塊并用一固定的尖端代替，如首先描述的。但是，在開口的前面設(shè)置了一鉸接板(20)。一從艦橋控制的遠(yuǎn)程操作的致動裝置(26)連接在該板上，使得它可以繞設(shè)置在前面的鉸接點(diǎn)(27)垂直傾斜。當(dāng)該板處在其下方位置時(shí)，水流將在該板的前邊緣處分離并取決于朝前的速度和該板的傾斜角度在尖端的下方通過。當(dāng)該板略為向上傾斜時(shí)，取決于傾斜角度和朝前速度(v)水流將附著在該板上并被引入水箱。與上述導(dǎo)向塊的方案相比，從操作的觀點(diǎn)來說，這一方法更為安全并更為有利。與遠(yuǎn)程控制的導(dǎo)向塊方案一樣，可以更加獨(dú)立于船舶的速度和平衡來控制水箱的注水和排空，但后者有可能較少暴露于操作損壞。取決于水箱的體積和其縱向位置，上述快速水鎮(zhèn)重系統(tǒng)可用來給予側(cè)船殼所需的浸沒程度，這意味著船舶將從動態(tài)穩(wěn)定性迅速過渡到靜態(tài)穩(wěn)定性。當(dāng)然，可以利用平衡翼板輔助此過渡過程。這一方法由于其操作的簡單性而很有利。
權(quán)利要求
1．高速混合式海洋船舶(1)，帶有流體動力學(xué)的產(chǎn)生升力的、穩(wěn)定搖擺且控制俯仰的翼板(4,5)或水翼，其可以兩種有區(qū)別的不同模式操作，即靜水穩(wěn)定的低速模式，以正的GM值為特征，有至少三個(gè)浸入的船殼件(2,3)，以及靜水不穩(wěn)定高速模式，以負(fù)的GM值為特征，僅有一個(gè)浸入的船殼件(2)，其特征在于它包括一以一體的剛性甲板結(jié)構(gòu)為特征的主船殼(2)，該甲板結(jié)構(gòu)在橫向上伸出主船殼(2)的寬度，并且限定為濕甲板(8)的所述甲板結(jié)構(gòu)的下表面在船舶于未觸動狀態(tài)處于靜止時(shí)位于水線(WL-2)之上，并當(dāng)船舶的朝前的速度明顯增加時(shí)其處在水線上方一增加的高度處，所述主船殼(2)在表示任何未觸動狀態(tài)水線上方隨機(jī)高度處的最大框架寬度和水線(WL-1,WL-2)處的最大寬度處之間有一種至少2的關(guān)系，所述主船殼(2)在任何直立浮動狀態(tài)在最大的水線長度和最大的水線寬度之間有一種至少6的關(guān)系，所述主船殼(2)的前部在主甲板(7)下方具有一V形，U形或者Y形橫截面，或者其組合，所述主船殼(2)的后部在濕甲板(8)下方具有一V形，U形或者Y形橫截面，或者其組合，所述主船殼(2)設(shè)置有與濕甲板(8)的下方成一體的側(cè)船殼(3)，其深度明顯小于主船殼的深度，這樣當(dāng)船舶達(dá)到最大速度的40-70％的速度時(shí)，所述側(cè)船殼的底部(12)處在水線(WL-1)之上，所述側(cè)船殼(3)被如此設(shè)置，即沿速度方向觀察所述側(cè)船殼的較大部分位于船舶中點(diǎn)的后面，或者所述側(cè)船殼位于大體中部，所述側(cè)船殼(3)被如此設(shè)置，即它們平行于船舶的縱向中心線(9)，或成一較小的舷內(nèi)角度，使得所述側(cè)船殼的縱向中心線(10)在船尾處比船首處更靠近所述主船殼的中心線(9)，并且所述側(cè)船殼相對于所述主船殼的中心線(9)對稱地位于兩側(cè)，所述濕甲板(8)至少從側(cè)船殼的船首(30)的上和最前部延伸到主船殼(2)的船尾(14)，并沿縱向呈一弧形，其端點(diǎn)(30,31)所處的高度高于沿弧形的任何一點(diǎn)，或者以其整體或其部分平行于主甲板(7)，或具有與主甲板成角度的部分，最好前端(30)和后端(31)處在比其間的平面高的高度，或者具有弧形的中間部分和以角度取向的前和后部的組合，所述濕甲板(8)在橫向上是水平的或者處在一角度位置，使得遠(yuǎn)離船舶垂直中心線(9)的外線上的一點(diǎn)(32)，與靠近所述中心線的一點(diǎn)(33)相比，處于一更高的位置，或者處于相同的高度，沿速度方向觀察當(dāng)位于船舶的中點(diǎn)時(shí)，所述側(cè)船殼(3)在水平面上具有楔形的船首形狀和一平頭形的船尾(13)，其在水平面內(nèi)的面積沿垂直方向增加，因?yàn)樵跈M截面內(nèi)觀察垂直傾斜的船首以及舷內(nèi)側(cè)(35)和/或舷外側(cè)(34)是傾斜的，所述側(cè)船殼(3)被如此設(shè)置，即當(dāng)沿速度方向觀察側(cè)船殼位于船舶中點(diǎn)的后面時(shí)，船尾(13)的位置處在主船殼的船尾(14)的后面，在空載的條件下并當(dāng)船舶靜止時(shí)，所述側(cè)船殼(3)具有一組合的浮力，其對應(yīng)于船舶的總的空載浮力的不到20％，在較大尺寸的船舶上，所述側(cè)船殼(3)可被設(shè)置成一個(gè)在另一個(gè)前面，使得一個(gè)位于縱向重心(LCG)的后面，而另一個(gè)位于所述點(diǎn)的前面，兩者位于距主船殼中心線(9)的相同橫向距離處，或者前面的側(cè)船殼被設(shè)置在距所述中心線一較小距離處，各對側(cè)船殼相對于所述中心線對稱地設(shè)置。
2．如權(quán)利要求1所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于一種設(shè)置，其包括一帶有弦線(CL)的完全浸入的一級流體動力學(xué)翼板(4)或水翼，該弦線限定為橫向設(shè)置的水翼的前邊緣(28)和后邊緣(29)之間的縱向距離，并在隨機(jī)的朝前速度下以至少對應(yīng)于弦線(CL)的50％的深度相對于水線(WL-1,WL-2)浸入，水翼在橫向上延伸主船殼中心線(9)和側(cè)船殼中心線(10)之間的距離的至少50％，并且所述水翼設(shè)置在船舶縱向重心(LCG)附近，取決于水翼的橫向長度所述水翼借助于支柱(11)固定在主船殼(2)，濕甲板(8)和側(cè)船殼(3)上，或者固定在橫向延伸出側(cè)船殼的部分濕甲板或甲板結(jié)構(gòu)上，或者固定在這些結(jié)構(gòu)件的一些上，所述支柱將流體動力學(xué)升力傳遞到船舶上，并且水翼設(shè)有至少一個(gè)在船舶中心線的各側(cè)與水翼(4)的后部成一體的遠(yuǎn)程控制副翼(27)，當(dāng)船舶以高速朝前移動并且側(cè)船殼局部浸入或完全位于水線之上時(shí)，所述副翼通過繞船舶中心線(9)施加一可控的橫向校正力矩提供了所需的流體動力學(xué)穩(wěn)定性。
3．如權(quán)利要求1和2所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于一種方案，其包括至少一個(gè)完全浸入的二級流體動力學(xué)翼板(5)或水翼，水翼在橫向上延伸主船殼中心線(9)和側(cè)船殼中心線(10)之間的距離的不到50％，并且所述水翼設(shè)置在主船殼的前面或后面，或者設(shè)置在兩處，取決于水翼的橫向長度以及縱向位置所述水翼借助于至少一個(gè)水翼上的支柱(11)固定在所述船殼和/或濕甲板(8)上，所述支柱將通常為一向上的流體動力學(xué)力傳遞到船舶上，并且水翼的至少一個(gè)遠(yuǎn)程控制副翼(27)與所述水翼的后部成一體的，當(dāng)船舶以高速朝前移動時(shí)，所述副翼提供了繞船舶縱向擺動中心的所需平衡調(diào)整力矩。
4．如權(quán)利要求1和2所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于一種方案，包括一個(gè)或者兩個(gè)權(quán)利要求2所述的完全浸入的一級流體動力學(xué)翼板(4)，一個(gè)水翼大體設(shè)置在船舶的縱向重心(LCG)的前面，而一個(gè)水翼設(shè)置在所述點(diǎn)的后面，取決于水翼的縱向位置和橫向延伸所述水翼借助于支柱(11)固定在所述船殼(2)，濕甲板(8)，側(cè)船殼(3)或橫向延伸出側(cè)船殼的部分甲板結(jié)構(gòu)的上，或者這些結(jié)構(gòu)件的一些上。
5．如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求1-4所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于一種方案，包括一個(gè)或者幾個(gè)流體動力學(xué)自穩(wěn)定表面破水翼板(6)或水翼，如權(quán)利要求2-4的任一項(xiàng)所述，該水翼通過垂直和/或傾斜支柱(11)設(shè)置并固定在船舶上。
6．如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求1-5所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于在最高速度由水翼產(chǎn)生的流體動力學(xué)升力的比值占船舶總排水量的20％。
7．如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求1-6所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于側(cè)船殼(3)包括設(shè)置在濕甲板(8)下方的結(jié)構(gòu)上成一體的或獨(dú)立固定的構(gòu)件，且在其整個(gè)長度上或其大部分長度上由剛性結(jié)構(gòu)材料，或者柔性的沖擊吸收彈性材料制造。
8．如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求1-7所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于側(cè)船殼(3)包括支承件(21)，它們在其長度上或在其大部分長度上可調(diào)節(jié)高度。
9．如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求1-8所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于主船殼(2)設(shè)有一或者多個(gè)壓載水箱(15)，用以借助于(16,17,18,25)快速排水和注水。
10．如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求1-9所述的高速混合式海洋船舶(1)，其特征在于壓載水箱(15)安裝在主船殼(2)的浸入部分上，在所述船殼的底部有一永久開口(16)，其設(shè)置在主船殼的船尾的前面，用以當(dāng)船舶處于靜止或朝前移動時(shí)利用周圍的水的靜態(tài)壓頭和/或動態(tài)壓頭的效應(yīng)快速注滿水箱，并且在一前進(jìn)速度下，借助于在底部船殼板上的一垂直臺階(17)和在開口后部處的在結(jié)構(gòu)上成一體的楔形尖端(18)，或者一自調(diào)節(jié)并遠(yuǎn)程控制的位于開口后部的獨(dú)立鉸接導(dǎo)向塊(19)，或者一位于開口前部和在垂直臺階的后面在點(diǎn)(27)處鉸接的遠(yuǎn)程控制板(20)，利用在開口下方流過的水流的動態(tài)壓頭的效應(yīng)而排空水箱。
全文摘要
高速混合式海洋船舶,帶有流體動力學(xué)的產(chǎn)生升力的、穩(wěn)定搖擺且控制俯仰的翼板(4,5)或水翼,其可以兩種有區(qū)別的不同模式操作,即靜水穩(wěn)定的低速模式,以正的GM值為特征,有至少三個(gè)浸入的船殼件(2,3),以及靜水不穩(wěn)定高速模式,以負(fù)的GM值為特征,僅有一個(gè)浸入的船殼件(2),所述船殼件(2,3)通過將側(cè)船殼連接于主船殼的一體的甲板結(jié)構(gòu)而與船舶(1)成一體。
文檔編號B63B1/32GK1310680SQ99808823
公開日2001年8月29日 申請日期1999年5月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月29日
發(fā)明者朗尼·H·奧德加德 申請人:朗尼·H·奧德加德