正壓超微氣泡發生器的製作方法

2023-09-17 17:30:10 3

專利名稱：正壓超微氣泡發生器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種沿著船舶的船體產生一層氣泡以降低其在水中的摩擦阻力的方法。本發明還涉及一種具有用於在船體表面上產生多個氣泡的氣泡發生設備的船舶。
背景技術：
這種方法和船舶從美國專利No. 6，789，491中已知，其中描述了如何藉助於帶翼吸氣管(WAIP)系統產生一層微氣泡。一層直徑可小到10微米的微氣泡通過將環境空氣吸入船舶底部附近腔室中的低壓區域而產生。低壓區域將環境空氣的氣流經由附接在船體底部附近腔室中的翼上的管而導向。船舶的向前運動在翼上方產生吸力並在翼的上表面上方吸入環境空氣。在翼上方的水-空氣界面處，朝著船尾迅速流動的水引起所謂的 Kelvin-Helmholtz不穩定性，這導致空氣和水的混合以及隨後產生微氣泡。與由加壓空氣產生的氣泡不同，一旦噴射入水中，這些微氣泡的尺寸不會改變，它們形成一個覆蓋船體從船頭至船尾的較大表面積的層。這樣，能實現高達15%的推進能量節省。還已知在船體上安裝多個氣泡產生噴嘴，空氣經由壓縮機供應至所述噴嘴。這些噴嘴具有狹縫狀幾何形狀並且用作微氣泡發生器。主動空氣壓縮的缺點是與使用帶翼吸氣管(WAIP)系統產生低壓相比能量消耗增加。本發明的目標是提供一種用於在船舶的船體上產生氣泡的方法，以及具有增大阻力減少的氣泡發生器的船舶。本發明的另一目標是提供一種用於產生微氣泡並且降低相對較大位移的海洋貨運船舶的摩擦阻力同時維持可用貨倉儘可能大的方法。本發明的又一目標是提供一種用於在船舶的船體上產生氣泡的方法，以及具有能適應於主要海洋狀況的氣泡發生器的船舶。本發明的再一目標是提供一種用於在船舶的船體上產生氣泡的方法，以及具有效率增大的氣泡發生器的船舶。

發明內容
為了滿足這些目標，本發明提供了一種在船舶的船體上產生一層氣泡的方法，其包括步驟一在船舶的底部處提供腔室，腔室沿著底部具有至少1米並且不超過船舶長度L 的30 %的長度，優選地不超過25 %，最優選地不超過船舶長度L的10 %，並且具有與底部平面隔開至少50釐米的頂面，優選地距底部平面至少1米，一經由壓縮機設備在高於大氣壓力的壓力下將空氣提供入腔室以至少部分地排出腔室的水，一在腔室中提供水-空氣波紋界面，用於形成混合區域，一在混合區域中產生多個氣泡，以及一在腔室的底部處或附近提供氣泡出口，用於允許氣泡沿著船體朝著船舶的後部流出。底部附近的腔室至少部分地由噴射入腔室的加壓空氣將水排出。這種空氣腔室已經由申請人開發並且例如在EP1501719和W02007/136269中描述以便在航海狀況下為貨輪提供增大的推進效率。發明人已經意識到，開發來用於減少被弄溼的船體表面的空氣腔室， 以令人驚奇和意外的方式用作相對較小尺寸的氣泡和微氣泡的發生器。已經顯現，在空氣以對應於腔室吃水深度的壓力(每10米吃水深度大約1巴)下噴射時，湍流水-空氣界面形成為用作其中水充滿空氣的混合區域。在水-空氣混合物在後部從腔室帶走時，水-空氣混合物從位於腔室後下側附近的出口區域排出。已經顯現，氣泡從出口點在船體的較大表面區域上散布，比如溼船體表面的20% -40%之間，並且保持在0. Ιμπι和100 μ m之間的基本上恆定的尺寸。這樣，能以相對簡單且成本有效的方式實現摩擦阻力的降低。根據本發明的用於產生氣泡的腔室具有與美國專利No. 6，789，491中公開的小尺寸腔室相比較大的尺寸，但是與根據EP1501719和W02007/136^9的空氣腔室船舶中使用的腔室相比尺寸較小。因此，根據本發明的船舶中的可用貨倉增大。根據本發明的氣泡發生器的簡單設計允許通過在船體的底部處提供相對較小尺寸的腔室而容易在現有船舶上改型。通過使用根據本發明的空氣腔室，空氣腔室充滿空氣以降低船體的受溼區域從而減少摩擦阻力同時產生尺寸在IOym和Imm之間的小尺寸氣泡。小氣泡經由後部附近的氣泡出口從腔室離開並且分布於較大船體表面區域上以便進一步減少摩擦阻力。從而能實現高達15%的推進能量節省。根據本發明，能將導入空氣腔室用於從腔室排出水的加壓空氣用作用於產生微氣泡的空氣供應。在優選實施例中，這種空氣在腔室的前端處導入。替代地，除了用於從腔室排出水的加壓空氣供應以外，單獨的氣泡發生設備可用於腔室中，腔室具有連接至這些設備的單獨空氣供應。氣泡發生設備可包括空氣管道或噴嘴、翼形(WAIP)設備、穿孔板或任何其它適合的氣泡發生裝置。本發明的壓縮機設備能連接至控制單元用於在與腔室內部的氣體壓力相比更高的壓力下選擇性地將空氣提供入腔室用於維持腔室內部的預定水位。傳感器設置於腔室中用於監視水位並且將輸入信號提供至控制單元。當波浪從腔室中排出空氣時，壓縮機設備致動以增加流動至腔室的空氣從而排出水和維持充分乾燥的環境。第二空氣供應裝置延伸至腔室用於以基本上連續的速度將空氣供應至腔室中的氣泡發生裝置以使得產生恆定的氣泡流用於覆蓋船體。優選地根據本發明的氣泡產生狀況是如此的以使得形成於腔室的混合區域中的氣泡具有在ΙΟμπι和Imm之間的尺寸。優選地導入腔室的空氣的壓力控制為至少稍微高於或大約與腔室內部的氣體壓力一樣高。在一個實施例中，腔室內部的水的速度大約等於船舶的前進速度。空氣在腔室的前端處的流入速度非常低，優選地接近0米每秒。腔室可具有氣泡出口，其形成於腔室的傾斜頂面的後端處，傾斜頂面在沿著底部平面看的向後方向上從頂面高度朝著底部平面向下傾斜。這樣，氣泡被迫進入腔室的後部處的楔形空間，它們能在此處以相對較高的向後(相對)速度在船體底部的水平附近離開， 比如覆蓋船體在腔室下遊的部分。
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在又一實施例中，氣泡發生設備位於兩個並排就位的腔室之間的分隔區域中，空氣供應連接至氣泡發生設備用於將空氣提供至發生設備以產生多個小氣泡。在覆蓋船體的氣泡開始向側面行進以便升高至水面時，它們沿著船體遷移以返回入空氣腔室以補充這些空氣腔室損失的任何空氣。這樣，能獲得氣泡的恢復，產生增大效率的氣泡潤滑系統(循環空氣潤滑系統)。在本發明的氣泡發生系統的又一實施例中，至少兩個氣泡發生設備在船舶的長度方向上以相互距離隔開地位於腔室中。這樣，小尺寸的氣泡在腔室的內部斜面上產生用於腔室的額外內部潤滑並且在從腔室離開時，用於外部船體表面的潤滑。在溫和天氣狀況下， 最接近船體底部的氣泡發生設備運行，而在狂浪狀態期間，最靠近腔室頂部的氣泡發生設備啟用，而最靠近船體底部的氣泡發生設備不運行並且可由獨立操作的閥關閉。


將參照附圖以示例的方式詳細描述包括根據本發明的氣泡發生系統的船舶的一些實施例。圖中圖1示出包括根據本發明的氣泡發生設備的船舶的示意性側視圖，圖2示出具有位於空氣腔室的傾斜頂面上的多個氣泡發生設備的空氣腔室船舶的示意性側視圖，圖3示出具有兩個平行的空氣腔室以及位於空氣腔室之間的氣泡發生設備的空氣腔室船舶的底部視圖，圖4示出圖3的空氣腔室船舶的示意性橫向橫截圖，示出兩個空氣供應管道，圖5示出包括三個布置於傾斜腔室頂面上的氣泡發生設備的空氣腔室的放大細節，圖6示出翼狀氣泡發生器的側視圖，圖7示出圖6的氣泡發生器的底部橫截圖，並且圖8是可調節翼狀氣泡發生器的示意性側視圖。
具體實施例方式圖1示出具有船體2和底面3的船舶1。船舶1具有沿著底面3測量的例如在50 米和300米之間的長度Lh。船舶具有從龍骨水平至甲板水平測量的例如在10米和40米之間的高度H。在船舶的船頭5附近腔室6形成為從底面3向上延伸。腔室6具有長度L。， 其與船舶長度L相比相對較短並且其例如可處於5米和30米之間。腔室具有從底面3至頂面4測量的高度H，其可以在50釐米和例如5米之間。在腔室6的前端9附近，設置連接至空氣供應管道11的空氣入口 10。壓縮機12 通過管道13吸入環境空氣並且將壓縮的空氣供應至腔室6以便從腔室排出水。空氣控制為與腔室6內部主要的壓力(這個壓力取決於船舶1的吃水)相比處於超壓。已經發現，波紋的空氣-水表面形成於腔室6內部，其限定其中水充滿空氣的混合區域。穿過腔室6中的水-空氣界面的移動水產生Kelvin-Helmholtz不穩定性並且形成小尺寸的氣泡14。這些氣泡具有在ΙΟμπι和Imm之間的直徑並且經由腔室6的後部附近的氣泡流出區域15脫離。在後部中，腔室具有向下傾斜的頂面16，在腔室的後部17附近形成楔形空間。氣泡從這個流出區域15朝著船體2的尾部18散布，以覆蓋大部分底面3。在圖2的實施例中，三個氣泡發生設備20、21、22設置於傾斜頂面16中。第二空氣供應管道25將第二壓縮機沈連接至每個發生設備用於以基本上恆定的速度供應空氣。 氣泡發生設備20-22可包括管道、穿孔板、翼形元件或任何其它適合類型的氣泡發生設備， 比如美國專利申請No. 2001/0022152、US 2003/0097971或美國專利No. 6，789，491中所描述的。壓縮機12和/或閥35由控制單元觀控制來根據經由水位傳感器(其輸出傳輸至控制單元28)監視的腔室內部的水位將空氣供應至腔室6。每個氣泡發生設備20、21、22 經由通過控制單元28控制的相應閥30、31、32連接至第二空氣供應管道25。在海洋狀況是暴風雨時，腔室6內部的水位將相對較高，以使得氣泡發生設備20、21和22能全部啟用， 閥30、31、32打開。在溫和的海洋狀態下，腔室中的水位將較低並且閥32將閉合以便停用氣泡發生設備22。當海洋平靜時，腔室6中的水位將很低並且僅氣泡發生器20將啟用，閥 30打開並且閥31、32閉合。覆蓋腔室內表面的氣泡引起空氣腔室的摩擦阻力的顯著下降。圖3示出船體具有兩個平行空氣腔室40、4(Τ的船舶1的底視圖。氣泡發生設備 41、42、45和46產生覆蓋底面3的側面部分的氣泡。氣泡發生設備43、44位於空氣腔室40、 40~之間的中央部分461中。從底面3的側面部分以及從中央部分461向上行進的氣泡至少部分地回收在腔室40、4(Τ中並且補充這些腔室中的空氣容積。圖4示出圖3的空氣腔室的示意性橫截圖，其中在中央區域461中，氣泡捕獲於設置於中央區域上的兩個壁47、48之間。壓縮機沈將恆定的氣流提供至氣泡發生設備43。 腔室40、4(Τ每個連接至壓縮機12，壓縮機12在單元觀的控制之下維持腔室內部的水位基本上恆定。在圖5的實施例中，氣泡發生設備50、51和52由腔室6的傾斜頂面16中的楔形空氣狹縫形成。流出區域15由在其中傾斜頂面16位於底部3附近的區域形成。圖6示出位於船體63中的腔室61內部的翼形氣泡發生設備60。氣泡發生設備 60限定混合腔66並且包括空氣管道64和壓縮機65用於將空氣噴射入中空翼形空間。水經由設備60的前表面中的開口 67進入混合腔66。在混合腔中產生的氣泡通過開口 68離開並且向後行進(在圖中行進至左手側)以覆蓋船體的底面。在翼形元件上方形成具有輕微真空Δ ρ的低壓區域。在圖7中，能看到氣泡發生設備的分隔壁70、71，其將氣流從壓縮機65導向至與相應入水口噴嘴67、67、、67…相通的獨立混合區域66、66、、66…。如能從圖8看到的，傾斜角α能根據吃水深度和/或波浪狀況由能在其豎直支柱76上樞轉翼形氣泡發生器60的旋轉驅動元件75改變。
權利要求
1.一種在船舶的船體( 上產生一層氣泡(14)的方法，其包括步驟一在船舶(1)的底部(3)處提供腔室(16)，腔室(16)沿著底部具有至少1米並且不超過船舶長度L的30 %的長度，優選地不超過25 %，最優選地不超過船舶長度L的10 %，並且具有與底部平面隔開至少50釐米的頂面，優選地距底部平面至少1米，一在高於大氣壓力的壓力下經由壓縮機設備(12)將空氣提供入腔室以至少部分地排出腔室的水，一在腔室中提供空氣-水界面，用於形成混合區域，一在混合區域中產生多個氣泡，以及一在腔室(6)的後部(17)處或附近提供氣泡出口(15)，用於允許氣泡沿著船體朝著船舶的後部流出。
2.根據權利要求1的方法，其中氣泡具有在10微米和1毫米之間的尺寸。
3.根據權利要求1或2的方法，其中氣泡出口(15)形成於腔室(6)的傾斜頂面(16) 的後端處，傾斜頂面(16)在沿著底部平面看的向後方向上從頂面高度朝著底部平面向下傾斜。
4.根據權利要求1、2或3的方法，其中導入腔室的空氣的壓力控制為至少大約與腔室內部的空氣壓力一樣高。
5.根據權利要求1、2、3或4的方法，其中腔室內部的水的速度大約與船舶的前進速度一樣高。
6.一種船舶(1)，其具有船體O)，船體(2)具有底面(3)和腔室(6，40,401),腔室從底面向上延伸至與底面隔開至少50釐米的頂面，並且向上延伸至不超過船舶高度He的 10 %的高度，並且沿著底部具有大於1米並且不超過船舶長度L的30 %的長度，優選地不超過25%，最優選地不超過船舶長度L的10% ；壓縮機設備(12)，其用於在比腔室中的空氣壓力更高的壓力下將空氣提供入腔室(16)以至少部分地排出腔室的水，腔室包括混合區域L，用於在混合區域中產生多個小尺寸的氣泡，並且在腔室的後端(17)處或附近具有氣泡出口(15)，用於允許氣泡沿著船體朝著船舶的後部流出。
7.根據權利要求6的船舶，其中頂面(16)在沿著底部平面看的向後方向上從頂面高度朝著底部平面向下傾斜至氣泡流出區域。
8.一種船舶(1)，其具有船體⑵，船體(2)具有底面(3)和腔室(6)，腔室(6)從底面向上延伸至與底面隔開至少50釐米的頂面並且向上延伸至不超過船舶高度H的10%的高度He;壓縮機設備(1 以及控制單元( )，控制單元08)連接至壓縮機設備用於在比腔室中的空氣壓力更高的壓力下選擇性地將空氣提供入腔室以維持腔室內部的預定水位， 腔室包括混合區域，用於在混合區域中產生多個小尺寸的氣泡，並且在腔室的後部(17)處或附近具有氣泡出口(15)，用於允許氣泡沿著船體朝著船舶的後部流出，第二空氣供應裝置O0、21、22、25、26)延伸至腔室的混合區域用於以實質上連續的速度將空氣供應入混合區域。
9.一種船舶(1)，其具有船體O)，船體( 具有底面C3)和兩個腔室(40、4(Γ)，腔室從底面(3)向上延伸至與底面隔開至少50釐米的頂面並且向上延伸至不超過船舶高度 H的10%的高度He，腔室並排地定位並且由分隔區域(461)分開；壓縮機設備(12)以及控制單元( )，控制單元08)連接至壓縮機設備用於在比腔室中的空氣壓力更高的壓力下選擇性地將空氣提供入腔室用於維持腔室內部的預定水位，氣泡發生設備(43、44)位於分隔區域(461)中，空氣供應裝置06)連接至氣泡發生設備用於將空氣提供至發生設備03、 44)以產生多個小氣泡。
10.一種船舶(1)，其具有船體⑵，船體(2)具有底面(3)和腔室(16)，腔室(16)從底面向上延伸至與底面(3)隔開至少50釐米的頂面並且向上延伸至不超過船舶高度H的 10%的高度He;壓縮機設備(12)，其用於在比腔室中的空氣壓力更高的壓力下將空氣提供入腔室，腔室包括混合區域用於在混合區域中產生多個小尺寸的氣泡，並且在腔室的後部 (17)處或附近具有氣泡出口(15)用於允許氣泡沿著船體朝著船舶的後部流出，其中至少兩個氣泡發生設備(20、21、22、50、51、52)位於腔室中，在船舶的長度方向上以相互距離隔開。
11.根據權利要求10的船舶，每個氣泡發生設備包括能夠經由閥(30,31,3 各自關閉的空氣供應裝置。
12.根據權利要求8、9、10或11的船舶，腔室沿著底部具有至少1米並且不超過船舶長度L的30 %的長度，優選地不超過25 %，最優選地不超過船舶長度L的10 %，並且具有距底部平面至少50釐米的頂面，優選地距底部至少1米。
13.根據權利要求8至12的任何一個的船舶，其中氣泡出口(15)形成於腔室的傾斜頂面(16)的後端處，所述傾斜頂面(16)在沿著底部平面看的向後方向上從頂面高度朝著底部平面(3)向下傾斜。
14.根據權利要求6-13的任何一個的船舶，包括在腔室(61)內部的彎曲氣泡發生元件 (60)。
15.根據權利要求14的船舶，所述彎曲氣泡發生元件(60)鉸接地連接至船體，連接至用於改變其位置的驅動元件(75)。
全文摘要
本發明涉及一種在船舶的船體上產生一層氣泡的方法，其包括步驟在船舶的底部處提供腔室，腔室沿著底部具有至少1米並且不超過船舶長度L的30％的長度，優選地不超過25％，最優選地不超過船舶長度L的10％，並且具有與底部平面隔開至少50釐米的頂面，優選地距底部平面至少1米；經由壓縮機設備在高於大氣壓力的壓力下將空氣提供入腔室以至少部分地排出腔室的水；在腔室中提供水-空氣界面，用於形成混合區域；在混合區域中產生多個氣泡；以及在腔室(6)的底部處或附近提供氣泡出口，用於允許氣泡沿著船體朝著船舶的後部流出。
文檔編號B63B1/38GK102271992SQ200980153538
公開日2011年12月7日 申請日期2009年12月2日 優先權日2008年12月2日
發明者J·P·溫克勒 申請人:Dk集團荷屬安的列斯群島公司