涉及設置有主副推進裝置的船舶推進的改進的製作方法

2024-03-09 12:42:15

本發明涉及一種擁有具有船頭和船尾的船體的船舶，該船舶包括多個推進裝置。本發明還涉及一種用於操縱這種類型的船舶的方法。

背景技術：

船舶的推進系統可以分為內部推進裝置，例如包括一個或多個活塞發動機或渦輪機，和外部推進裝置，適於與船舶所浮在上面的水接觸，例如包括一個或多個螺旋槳。推進裝置還可以是由泵供給的水射流出口噴嘴。內部和外部推進裝置由某種動力傳送裝置比如一個或多個驅動軸連接。

提高船舶的外部推進裝置的效率一直是許多想法的目標。例如，傳統的單螺杆船舶推進已被補充有關於多個外部推進裝置的想法，且示例包括在US1628837A、US3996877A、US8028636B2、WO2012047753A2和GB1467758中的建議。

除了傳統的槳舵組合，其他類型的外部推進裝置已經出現，比如吊艙推進。吊艙推進單元具有螺旋槳，其安裝在包括電動發動機的吊艙上，該吊艙被固定到形成為舵的支柱的遠端。包括支柱和吊艙的單元可以旋轉來改變螺旋槳推力的方向，以及由作為舵的支柱提供側向力。

EP1329379A1和JP200967213公開了一種船隻，具有主螺旋槳、其船尾舵、以及兩個附加的推進單元。然而，仍然期望進一步提高船舶的外部推進裝置的效率。

技術實現要素：

本發明的一個目的是提高船舶的推進效率。

本發明的另一個目的是提高寬船舶的推進效率。

這些目的是採用一種擁有具有船頭和船尾的船體的船舶實現的，所述船舶包括

-朝向所述船尾定位的至少一個主推進裝置，以及

-朝向所述船尾定位的至少兩個副推進裝置，每個副推進裝置的推力容量小於所述至少一個主推進裝置中任何一個的推力容量的30％，

-其中，由於在垂直於船體中心線的平面上凸出，所述推進裝置布置成使得每個副推進裝置的水平延伸不重疊所述至少一個主推進裝置中任何一個的水平延伸，

-其中，所述至少兩個副推進裝置布置成使得來自所述副推進裝置的螺旋槳渦流(prop wash)離開副推進裝置的區域在所述船舶正以全速或極速向前直行時至少部分地位於所述船體的邊界層內。

這裡，船體被理解為不包括船舶推進系統的部件，比如螺旋槳和水射流出口噴嘴，或者用於掌舵或穩定船舶的裝置，比如方舵或船舶穩定翼。

如所理解，至少一個主推進裝置和至少兩個副推進裝置位於朝向船尾意味著它們比船頭更靠近船尾。

推力容量是指在靜態條件下即當船舶不移動時可以由推進裝置提供的最大推進力。每個副推進裝置的推力容量小於主推進裝置的推力容量的30％，並且可以大於20％，或甚至小於10％。優選地，第一和第二推進裝置分別是主和副螺旋槳，每個副螺旋槳的掃掠面積小於主螺旋槳的掃掠面積的30％。

螺旋槳渦流是由副推進裝置在船尾推動的水。如以下例示，副推進裝置可以是以副螺旋槳的形式的旋轉單元，或者它們可以是由水射流泵供給的出口噴嘴。例如，副推進裝置是副螺旋槳，螺旋槳渦流是由副螺旋槳在船尾推動的水，且來自副推進裝置的螺旋槳渦流離開副推進裝置的區域在副螺旋槳。更具體地，對於此例示來說，在副推進裝置是螺旋槳(副螺旋槳)的情況下，來自副推進裝置的螺旋槳渦流離開副推進裝置的區域應理解為與由螺旋槳盤限定的區域相同，即其是由螺旋槳的掃掠面積和螺旋槳葉片的延伸在垂直於螺旋槳的旋轉軸線的方向上限定的。如下面所例示，副推進裝置是水射流的出口噴嘴，螺旋槳渦流是由水射流的泵在船尾推動的水，並且來自副推進裝置的螺旋槳渦流離開副推進裝置的區域在水射流的出口噴嘴。更具體地，對於此例示來說，在副推進裝置是水射流的出口管嘴的情況下，來自副推進裝置的螺旋槳渦流離開副推進裝置的區域應理解為是垂直延伸到水射流的流動的平二維區域，並且由在其遠端的噴嘴的內部水射流接觸表面限定，水射流離開噴嘴。

可以理解的是，由於在垂直於船體中心線的平面上凸出，將推進裝置布置成使得每個副推進裝置的水平延伸不重疊至少一個主推進裝置中任何一個的水平延伸，每個副推進裝置在水平方向上與主推進裝置完全分離。即，任何副推進裝置的水平延伸在船舶的橫向方向上與主推進裝置的水平延伸完全抵消。這裡，推進裝置的水平延伸理解為來自推進裝置的螺旋槳渦流離開推進裝置的區域的最大水平延伸。在螺旋槳的情況下，水平延伸會是螺旋槳掃掠面積的水平直徑。優選地，在船舶的橫向方向上，在每個副推進裝置的水平延伸與主推進裝置的水平延伸之間有水平距離。

如在流體力學中已知的是，邊界層是流體在固體本體附近的層，其中粘度的影響很顯著。邊界層的厚度通常被定義為距本體的距離，其中流速是自由流速的99％。此邊界層厚度通常取決於船舶的速度。此外，對於給定的船速來說，邊界層的厚度將通常取決於在船體上的位置。在副推進裝置的位置的邊界層的厚度可以例如通過CFD(計算流體力學)來確定。

作為本身是已知的，船舶可能具有設計吃水線。如本領域中公知的，設計吃水線(DWL)，也稱為負載吃水線(LWL)或夏季(summer)負載線，是對於特定的水類型和溫度來說，當船舶在靜水中閒置自由漂浮並且被加載到其設計能力時船體滿足水的表面的線。設計吃水線採用所謂的Plimsoll線表示在船體上。Plimsoll線是採用通過圓的水平線的參考標記。Plimsoll標記的水平線與設計吃水線在相同的水平，並且表示對於特定的水類型和溫度來說，為了安全保持浮力，船舶在裝載時可被安全浸入到的最大深度，即船舶可以裝載的法定極限。

優選地，副推進裝置完全低於設計吃水線。主推進裝置可以完全低於設計吃水線。

優選地，所述至少兩個副推進裝置布置成使得：來自所述副推進裝置的螺旋槳渦流離開副推進裝置的每個區域的至少50％、優選的是全部：

-在從所述船體的0.35米內，其中船體的吃水線長度(L.W.L.)在100米以下，

-在從所述船體的0.60米內，其中船體的吃水線長度(L.W.L.)至少為100米且在150米以下，

-在從所述船體的0.83米內，其中船體的吃水線長度(L.W.L.)至少為150米且在200米以下，

-在從所述船體的1.05米內，其中船體的吃水線長度(L.W.L.)至少為200米且在250米以下，

-在從所述船體的1.25米內，其中船體的吃水線長度(L.W.L.)至少為250米且在300米以下，

-在從所述船體的1.45米內，其中船體的吃水線長度(L.W.L.)至少為300米且在350米以下，

-在從所述船體的1.64米內，其中船體的吃水線長度(L.W.L.)至少為350米。

從而，應當確保的是，所述副推進裝置布置成使得來自副推進裝置的螺旋槳渦流離開副推進裝置的區域在所述船舶正以全速或極速向前直行時至少部分地位於船體的邊界層內。這可以通過事實得到驗證，即可以使用用於在平板上的湍流邊界層的厚度的以下表達式來計算邊界層厚度：

其中，

δ是邊界層的總厚度，

x是從邊界層開始的下遊的距離，

Rex是雷諾數，

ρ是密度，

u0是自由流速度，以及

μ是動態粘度

來自所述副推進裝置的螺旋槳渦流離開副推進裝置的區域的上述給定的有利位置是從假設副推進裝置位於船尾使得x是在船體的吃水線的長度並且保守地假設水溫為20攝氏度而推導出的。此外，假設船舶的全速為20節。

如本領域中公知的，邊界層從船體分離，通常在靠近船尾的區域。優選地，副推進裝置布置成使得來自所述副推進裝置的螺旋槳渦流離開副推進裝置的區域在所述船舶正以全速或極速向前直行時位於邊界層分離區域的前面，即在朝向船頭的方向上。

雖然本發明必須向後推水，從而可以局部地增加船體與水之間的摩擦，但是本發明使得可能提供一種具有改善的推進效率的船舶，因為由副推進裝置加速的水可用於對朝向船舶尾部的邊界層賦予能量。同時，較大的主推進裝置(其可被實施為具有大掃掠面積直徑的螺旋槳)有助於維持推進系統本身的高效率。基本上，本發明提供了推進系統的增加的船體效率與高效率之間的平衡。

由賦予邊界層能量的副推進裝置提供的增加的船體效率再加上由主推進裝置提供的高推進效率提高了船舶推進的總效率，特別是對於寬船舶來說，例如採用高的梁吃水深度比。其原因是，可以設置一個或多個大主推進裝置，其中多個副推進裝置沿船舶的橫向方向分布，在整個船舶的梁的主要部分上提供了邊界層能量供給效應。

因為由於在垂直於船體中心線的平面上凸出，推進裝置布置成使得每個副推進裝置的水平延伸不重疊至少一個主推進裝置中任何一個的水平延伸，所以確保的是提供了推進裝置的該有利的橫向分布。優選地，由於在垂直於船體中心線的平面上凸出，每個副推進裝置布置成使得其水平延伸不重疊其他副推進裝置中任何一個的水平延伸。

在一些實施例中，所述主推進裝置相對於所述船體中心線定心。從而，在船舶的水平橫向方向上，單個主推進裝置可以位於船體的中間。

優選地，所述副推進裝置中的至少兩個分布在所述船體中心線的兩側上，並且位於所述至少一個主推進裝置的外側上。船體在設計吃水線下方，相對於相交船頭和船尾的豎直對稱平面通常是大致對稱的。船體中心線是在豎直對稱平面內的水平線。副推進裝置最好平均分布在船體中心線的兩側上。可能僅一個副推進裝置在船體中心線的每一側上，或者可能有一個以上的副推進裝置在船體中心線的每一側上。因此，在一些實施例中，至少兩個副推進裝置位於所述至少一個主推進裝置外側的所述船體中心線的左舷側上，且至少兩個副推進裝置位於所述至少一個主推進裝置外側的所述船體中心線的右舷側上。

在一些實施例中，所述船舶包括兩個主推進裝置，每個位於所述船體中心線的相應側上，其中，所述副推進裝置中的至少一個沿橫向位於所述主推進裝置之間。

副推進裝置在船體中心線的兩側上的分布可以用於在船體朝向船尾的梁上要被賦予能量的邊界層，這在寬船舶比如許多遊船中是特別有利的。另外，副推進裝置在船體中心線的兩側上的分布減少速度在船體的橫向方向上的差別，從而提供增加的效率。

優選的，來自所述副推進裝置的螺旋槳渦流離開副推進裝置的區域特別是這些區域的中心比所述船體的最低部分更靠近所述設計吃水線。船體的最低部分可以是一個點、一條線，或者例如在船體具有基本上是平面的底表面的情況下是一個區域。

如所提出，所述副推進裝置中的至少一個優選為全部是副螺旋槳。優選地，至少兩個副推進裝置是副螺旋槳，均勻地分布在船體中心線的兩側上。優選地，所有的副推進裝置是副螺旋槳，均勻地分布在船體中心線的兩側上。副螺旋槳可以是軸驅動的。同樣在本發明的範圍內，至少一個副螺旋槳可以是輪邊驅動副螺旋槳。在一些實施例中，至少一個副螺旋槳是吊艙或azipull推進器。在一些實施例中，至少一個副螺旋槳是方位推進器。

同樣如所提出，在一些實施例中，所述副推進裝置中的至少一個優選為全部是水射流的出口噴嘴。從而，主推進裝置可以是主螺旋槳。優選地，至少兩個副推進裝置是水射流的出口噴嘴，均勻地分布在船體中心線的兩側上。優選地，所有的副推進裝置是水射流的出口噴嘴，均勻地分布在船體中心線的兩側上。優選地，水射流的入口很寬；特別是它們具有在船體的橫向方向上比在其縱向方向上更大的延伸；這將有利地減少在入口處的局部流動減速。

應當指出，該組副推進裝置可以是軸驅動副螺旋槳、輪邊驅動副螺旋槳、吊艙、azipull推進器和/或水射流出口噴嘴的組合。

在一些實施例中，主推進裝置是主螺旋槳，所述副推進裝置中的至少一個優選為全部是副螺旋槳，其具有的掃掠面積直徑小於主螺旋槳的掃掠面積的直徑。例如，如上面所提出，每個副螺旋槳的掃掠面積可以小於主螺旋槳的掃掠面積的30％。所述副螺旋槳的中心可以位於從所述設計吃水線至所述船體的最低部分的距離的上三分之一內。副螺旋槳的掃掠面積的直徑可以小於從副螺旋槳的中心到設計吃水線的距離。

優選地，所述副推進裝置中的至少一個或全部是副螺旋槳，當所述船舶正以全速或極速向前直行時，所述副螺旋槳的中心可以位於所述船體的邊界層內。此外，當船舶正以全速或極速向前直行時，副螺旋槳的整個掃掠面積可以位於船體的邊界層內。

所述副推進裝置中的至少一個或全部是水射流的出口噴嘴，當所述船舶正以全速或極速向前直行時，所述出口噴嘴可以至少部分地位於所述船體的邊界層內。

優選地，所述主推進裝置是主螺旋槳，來自副推進裝置的螺旋槳渦流離開副推進裝置的區域中的至少一個優選為所有區域在所述主螺旋槳的後面。這使得所述區域儘可能靠後，這是有利的。

優選地，所述船舶具有的梁吃水深度比為至少2.5、至少3.0、至少3.5或至少4.0。通過布置在梁方向上分布的副推進裝置，該實施例導致在船體的整個梁延伸上賦予邊界層能量的特別有利的布置再加上由較大的梁吃水深度比所提供的高船體效率。

所述副推進裝置中的至少一個、一個以上或全部是副螺旋槳，所述船體可以具有至少一個凹槽，所述凹槽基本上平行於所述船體中心線，並且至少部分地包圍相應的副螺旋槳。凹槽的一部分可以位於吃水線上方。優選地，整個凹槽位於吃水線以下。

優選地，所述凹槽的至少一部分擁有部分圓形橫截面，其半徑比所述副螺旋槳的掃掠面積的直徑的一半大5％-20％。

優選地，所述主螺旋槳的掃掠面積的直徑是從設計吃水線到所述船體的最低部分的距離的至少50％。有利地，主推進裝置包括在所述主螺旋槳後面的舵。所述舵可以是例如半平衡型的或鏟式舵。

所述舵可以具有船艏，該船艏具有的轂蓋靠近所述主螺旋槳的輪轂。由此，螺旋槳和主推進裝置的舵形成集成的螺旋槳舵系統，比如稱為Promas系統的系統。這提供了更高的推進效率，而沒有操縱性的任何損失。

還可以採用根據權利要求23所述的船舶來實現這些目的。這樣的船舶可以例如實施為根據權利要求3-22中任一項所述的船舶。優選地，由於在垂直於船體中心線的平面上凸出，根據權利要求23所述的船舶的推進裝置布置成使得每個副推進裝置的水平延伸不重疊至少一個主推進裝置中任何一個的水平延伸。優選地，副推進裝置完全低於船舶的設計吃水線。至少一個主推進裝置可以完全低於設計吃水線。

還可以採用用於操縱根據權利要求1-23中任一項所述的船舶的方法來實現這些目的。該方法包括控制所述副推進裝置，使得至少一個副推進裝置在所述船體中心線的一側上的聯合推力高於至少一個副推進裝置在所述船體中心線的另一側上的聯合推力。從而可以採用在副推進裝置上的不同推力掌舵船舶。

這些目的還可以採用一種擁有具有船頭和船尾的船體的船舶來實現，所述船舶包括位於朝向所述船尾的至少一個主推進裝置，以及位於朝向所述船尾的至少兩個副推進裝置，每個副推進裝置的推力容量小於所述至少一個主推進裝置中任何一個的推力容量的30％，所述至少兩個副推進裝置布置成使得來自所述副推進裝置的螺旋槳渦流離開副推進裝置的區域在所述船舶正以全速或極速向前直行時至少部分地位於所述船體的邊界層內。這樣的船舶可以例如實施為根據權利要求2-22中任一項所述的船舶。

這些目的還可以採用一種擁有具有船頭和船尾的船體的船舶來實現，所述船舶包括位於朝向船尾的兩個主推進裝置，所述兩個主推進裝置中的每個位於船體中心線的相應側上，多個副推進裝置位於朝向船尾，每個副推進裝置的推力容量小於主推進裝置的推力容量，其中，至少一個所述副推進裝置在橫向上位於所述主推進裝置之間，其中，至少兩個副推進裝置布置成使得來自所述副推進裝置的螺旋槳渦流離開副推進裝置的區域在所述船舶正以全速或極速向前直行時至少部分地位於所述船體的邊界層內。這樣的船舶可以例如實施為根據權利要求2、4-5和7-22中任一項所述的船舶。優選地，由於在垂直於船體中心線的平面上凸出，推進裝置布置成使得每個副推進裝置的水平延伸不重疊至少一個主推進裝置中任何一個的水平延伸。優選地，副推進裝置完全低於船舶的設計吃水線。主推進裝置可以完全低於設計吃水線。

這些目的還可以採用一種擁有具有船頭和船尾的船體的船舶來實現，所述船舶包括位於朝向船尾的至少一個主推進裝置(其是主螺旋槳)，以及位於朝向船尾的至少兩個副推進裝置(每個都是水射流的出口噴嘴)，其中，至少兩個副推進裝置布置成使得來自所述副推進裝置的螺旋槳渦流離開副推進裝置的區域在所述船舶正以全速或極速向前直行時至少部分地位於所述船體的邊界層內。這樣的船舶可以例如實施為根據權利要求2-7、15-17和20-22中任一項所述的船舶。優選地，每個副推進裝置的推力容量小於主推進裝置的推力容量。優選地，由於在垂直於船體中心線的平面上凸出，推進裝置布置成使得每個副推進裝置的水平延伸不重疊至少一個主推進裝置中任何一個的水平延伸。優選地，副推進裝置完全低於船舶的設計吃水線。主推進裝置可以完全低於設計吃水線。

附圖說明

下面，參照附圖，對本發明的實施例進行描述，其中，

-圖1示出了船舶的側視圖，

-圖2示出了從圖1的船舶後面的視圖，

-圖3示出了圖1視圖的一部分，

-圖4-圖6、圖9、圖11和圖13示出了根據本發明替代實施例的從船舶的船體後面的視圖，

-圖7示出了圖6的船體的一部分的側視圖，

-圖8示出了沿著圖7的線VIII-VIII定向的橫截面的一部分，

-圖10示出了圖9的船體的一部分的側視圖，

-圖12示出了圖11的船體的一部分的側視圖，

-圖14示出了圖13的船體的一部分的側視圖，以及

-圖15示出了從圖1的船舶下面的視圖。

具體實施方式

圖1示出了船舶1的側視圖。船舶1的船體2具有船頭201、船尾202和設計吃水線203，如以上所定義。如圖2所示，船舶具有的梁吃水深度比B/D為3.00。船舶1包括位於朝向船尾202的主推進裝置3。主推進裝置3是主螺旋槳301，舵302安裝在尾鰭303。整個主螺旋槳301低於設計吃水線203。主螺旋槳301的掃掠直徑是從設計吃水線203到船體2的最低部分的距離D的60％。

如可以在圖1和圖2中看到，兩個副推進裝置4朝向船尾202定位。每個副推進裝置4是副螺旋槳401。副螺旋槳分布在船體中心線CL的兩側，並且位於主推進裝置3的外側。副螺旋槳401每個都具有比主螺旋槳301的掃掠面積直徑更小的掃掠面積直徑。

如可以在圖2中看到，每個副螺旋槳401布置為在垂直於船體中心線CL的平面上凸出，使得其水平方向延伸HES不重疊主螺旋槳301的水平延伸HEM。

如可以在圖3中看到，船體2的底表面204(其沿船體2的主要部分是平面的)朝向船尾202由具有連續平滑形狀的上升部205取代，隨著其逐漸接近吃水線203，至船尾202的距離變短。主副推進裝置3、4沿著船體2的縱向方向(平行於船體中心線CL)位於上升部205的延伸範圍內。

在圖3中，邊界層(隨著當船舶正以全速或極速向前直行時出現)表示為線6。邊界層6大致在上升部205比在底表面204更厚。

副螺旋槳401位於船體2的邊界層6內。由此，它們布置成使得來自副螺旋槳401的螺旋槳渦流8離開副螺旋槳401的區域7也位於船體的邊界層6內。此外，來自副螺旋槳401的螺旋槳渦流8離開副螺旋槳401的區域7在主螺旋槳301後面。

應當指出，來自副螺旋槳401的螺旋槳渦流8離開副螺旋槳401的區域7低於設計吃水線203，並且比船體2的最低部分即底表面204更靠近設計吃水線。更具體地，如可以在圖2中看到，副螺旋槳401的中心位於從設計吃水線204至底表面204的距離D的上三分之一內。

在圖4示出的實施例中，兩個副螺旋槳401位於主螺旋槳301外側的船體中心線CL的左舷側上。另外兩個副螺旋槳401位於主螺旋槳301外側的船體中心線(CL)的右舷側上。

在圖5示出的實施例中，兩個主螺旋槳301分布在船體中心線CL的兩側上。副螺旋槳401位於主螺旋槳301外側(其在船體中心線CL的左舷側上)的船體中心線CL的左舷側上。另一副螺旋槳401位於主螺旋槳301外側(其在船體中心線CL的右舷側上)的船體中心線CL的右舷側上。另一副螺旋槳401位於主螺旋槳301之間。

在圖6-圖8示出的實施例中，船體2擁有四個凹槽206，它們定向為大致平行於船體中心線CL。每個凹槽206部分地包圍相應的副螺旋槳401。如圖8所示，每個凹槽206的一部分擁有部分圓形橫截面，其半徑比副螺旋槳401的掃掠面積的直徑的一半大5％-20％。

如可以在圖7中看到，副螺旋槳位於全速或極速的船舶的邊界層6內。從而它們布置成使得來自副螺旋槳401的螺旋槳渦流8離開副螺旋槳401的區域7也位於船體的邊界層6內。

如可以在圖7中看到，本實施例具有的鏟式舵302在主螺旋槳301後面。

在上述實施例中，副螺旋槳401是軸驅動的。圖9和圖10示出的替代實施例具有輪邊驅動副螺旋槳401。如可以在圖10中看到，輪邊驅動副螺旋槳401部分地位於全速或極速的船舶的邊界層6內。從而它們布置成使得來自輪邊驅動副螺旋槳401的螺旋槳渦流8離開螺旋槳401的區域7也部分地位於船體的邊界層6內。

在本實施例中，主螺旋槳301後面的舵302具有船艏(bulb)304，其具有的轂蓋305靠近主螺旋槳301的輪轂306。因此，該實施例具有稱為Promas系統的集成螺旋槳舵系統。

在圖11和圖12示出的實施例中，兩個副推進裝置中的每個都是水射流401的出口噴嘴402。如可以在圖12中看到，當船舶正以全速或極速向前直行時，出口噴嘴402位於船體的邊界層內6。從而它們布置成使得來自出口噴嘴402的螺旋槳渦流8離開出口噴嘴402的區域7也位於船體的邊界層6內。

在圖13和圖14示出的實施例中，三個副推進裝置401中的每個以及兩個主推進裝置301中的每個都是水射流的出口噴嘴。當船舶正以全速或極速向前直行時，副推進裝置水射流出口噴嘴402位於船體的邊界層6內。

如可以在圖15中看到，描繪了根據本發明的方法的實施例的操縱。副推進裝置4被控制成使得副推進裝置4在船體中心線CL的右舷側上的推力Ts高於副推進裝置4在船體中心線CL的左舷側上的推力Tp。從而採用至左舷不同的推力Ts、Tp來掌舵船舶1。