船殼以及包括這種船殼的船舶的製作方法與工藝

2023-05-14 14:27:46

本發明涉及一種船殼以及包括所述船殼的船舶。更具體而言，本發明涉及一種船殼以及相關聯的船舶，該船舶使用風能進行推動，船舶的水上船殼的主要部分設計成用作帆。

背景技術：
可持續的海洋運輸取決於新技術的發展，該技術能夠利用海洋內發現的可再生資源。風為一種這樣的資源，並且源自太陽能和地球的旋轉。氣象學提供有關風強度和風向的信息，因此，風能已經是可預測的。通過利用氣象數據的計算化加權，電腦程式可為船舶計算海上的最佳路線，以便利用可用的風能。這稱為氣象航線選擇，並且當今在市場上可購買到。因此，根據本發明，船舶上的船長容易選擇最佳航線，以便利用這種能量推進船舶。除了當今先進的氣象工具以外，從帆船的時代開始，就已經知曉術語「信風」，並且其指明不同大陸之間的路線，這些路線是憑經驗了解的並且在風向和風力上特別合適。

技術實現要素：
因此，本發明的一個目標在於，提供一種允許海洋運輸並且進入空氣和海洋的排放物實際上為零的船舶。試圖通過根據本發明的船舶來實現上述和其他目標，該船舶包括船殼，其中，在吃水線之上的船殼的主要部分實質上設計作為NACA翼板(foil)式的飛翼(aerofoil，翼型)的區段，所述區段關於船殼的中心線對稱，並且其中，飛翼的前緣面向船舶的前部的方向，以便通過相關氣流生成氣動升力，所述氣動升力在船舶的航線或推進方向的有角度扇區內產生船舶的推進力，所述氣動升力由吃水線下面生成的水力升力平衡。具有根據本發明進行設計的船殼並且在相關氣流中行進的船舶將如上所述的生成在航線的有角度扇區內產生推進力的氣動升力。這就是船舶的風力系統。在船上測量的相關氣流由船舶的航線和速度以及真實風的方向和強度決定。此外，通過也將船舶從靜止開始運動並且使其採用所需速度的電力推進系統，能夠利用所生成的升力進行推進，從而節省燃料。這是為船舶保持恆定的速度的一種動力系統。此處所涉及的氣動升力(L)是這樣一個矢量，其迎角的一個點在上述船殼的重心處。為了獲得平衡，如上所述，氣動升力由水力升力平衡，在本發明的一個有利的實施例中，由設置在吃水線下面的四個水翼產生該水力升力，兩個水翼平行地設置在船殼的中心線的每側上，並且相對於水下船殼的重心對稱，並且其中，每個水翼朝著船殼的中心線向內和向下成45°地漸進(edge)。水下船殼的重心因此也為船舶的樞軸點。因此，必須為如下的情況：-氣動升力×力臂l＝水力升力×力臂v，其中，-力臂l＝從水上船殼的重心到水下船殼的重心的距離，-力臂v＝從水翼的重心到水下船殼的重心的距離。在一個研製的設計模型中，力臂l等於力臂v，並且水翼的投影區域設定為「航行區域」的大約5％，即，在船殼的縱向方向上的船殼投影面。為了獲得水力升力，水翼的迎角的角度為1-5°，稱為偏航角(leewayangle)，該偏航角是動態產生的。因此，也獲得船舶搖晃的動態穩定。船舶的水上船殼的重心因此必須位於與船殼的中心線垂直的線上，且直接位於船舶的樞轉點之上。作為空氣力和水力的一個實例，在附圖1中顯示了作用在通過真實風VT開始運動的帆船上的力的圖示，其摘自ISBN0-396-07739-0，作者為CzeslavA.Marchaj的Aero-hydrodynamicsofSailing，並且其中，在船隻配電板上記錄的相應風為相關氣流VA。船隻速度VS的矢量和相關氣流VA的矢量之間的角度為角度β，如圖中所示。對於將處於平衡狀態中的船隻中心線上的側向力而言，必須為以下情況：-FS＝FH。由於具有比表面積的豎直水翼(也稱為帆船上的「龍骨」)具有迎角，在本文中稱為「偏航角」，所以產生FS。具有龍骨形式的水翼具有關於其水平中心線對稱的形式(NACA)，該水平中心線與船隻的中心線平行。通常豎直中心線位於前緣後面的25％處，並且延伸穿過水下船殼的重心。這為船隻的樞轉點。FH為將產生傾斜力矩的水平傾斜力-MH＝FH×力臂，其中，該力臂為從船帆的重心到水下船殼的重心的豎直距離。FS為通過水翼的重心、以90°作用在水翼的中心線上的水平力。如果在水翼的中心線和水下船殼的中心線之間沒有水平距離(與安裝在中心的龍骨的情況一樣)，那麼就沒有扶正力矩。-MS＝FS×力臂。扶正力矩必須等於傾斜力矩，以便獲得平衡。-MS＝MH。力臂在此處為水翼的中心線到水下船殼的中心線的距離，在龍骨安裝在中心的這種情況下，該距離為0。因此，在具有一個船殼的帆船上，水翼(龍骨)的重量用作扶正力矩。如果不能或不需要使用重量，那麼位移也可用作扶正力矩，如具有多個船殼的帆船中那樣。在具有一個船殼的更大型船舶中，位移也用作扶正力矩。如果水翼朝著水下船殼的中心線向內漸進或傾斜比如45°，並且位於與中心線相距指定的距離的力臂上，那麼會產生力。這個力與力臂相乘將成為動態扶正力矩，這是因為具有速度和迎角，即，偏航角。根據在水翼的哪一側上通過右舷或埠偏航角生成FS(上方/下方)，FS通過重心以90°作用於水翼的豎直中心線。-MS＝FS×力臂。因此，能夠生成一種扶正力矩，其中在與船舶的中心線相距指定的距離的水平力臂上僅僅具有一個對稱水翼。這個船舶稱為「快速帆船」，並且通過風力作用在右舷和埠側上來運行。在更大型的船舶上，上述論述不切實際，因此，通常具有兩個傾斜的水翼，如三體艇上那樣。在本發明的上述有利的實施例中，其旨在具有四個傾斜的水翼，除了由於實際和安全的原因的某些位移以外，這些水翼還生成扶正力矩，並且這些水翼提供基本三體艇形的水下船殼。在水下船殼的中心內進行測量時，長度/寬度比為8.3:1，這較為有利，這是因為對於在船尾周圍產生不利的紊流而言，表現出具有8:1的界限，這就增加了海上阻力。在具有上述長度/寬度比時，船舶具有很小的側向穩定性，並且已經選擇本發明的上述有利實施例的三體艇形式以便彌補這個事實，並且提供穿過海洋的這種較好穩定性以及較低的阻力，當今的商船都不能具有任何相似的事實。計算顯示了在不考慮空氣動力和風力的情況下設計水上船殼和上部結構的大型商船(比如，具有16000hk的主發動機的車輛運載船MaerskTaiyo，其船速為9m/s並且來自不利方向的風強為8m/s)由於風力可能經受高達907hk的制動效應。這種制動效應與高達2.8噸/每天的油耗量對應，這在環境和成本方面非常重要的意義。本發明的一個優選實施例具有的迎角β等於43°，具有5580m2的飛翼區域和7m/s的船速VS以及12m/s的真實風強，對該優選實施例進行的相似計算顯示了能夠從風力為船舶生成13570hk的推進力。眾所周知，藉助於風力，能夠獲得巨大的推進力，這也可提供非常高的速度，並且可提及的是，冰上帆船比賽的世界紀錄為65m/s(235km/h)，其在真實風速VT等於14.5m/s且迎角β等於14°的情況下創立。在挪威科技大學(NTNU)進行的有關在弦長95％處切斷對稱NACA翼板(NACA16-018)的船殼的風洞試驗(LarsSaetran教授在2010年10月進行的「船殼的水上部分的風洞研究(Windtunnelstudyoftheabove-waterpartofaship’shull)」)中，得出結論(引用)：「具有NACA翼板的船殼的模型試驗提供了這樣的風力分量，該風力分量相對於船舶的縱軸線沿船舶的運行方向在大約13到39度的部分內發生作用」。在上述研究中，也有文件證明在對稱NACA翼板部分上建立最大的二維流動的重要性，所述對稱NACA翼板部分等同於所試驗的船殼，以便在生成用於推進船舶的風力方面獲得船殼形狀的最佳效應，並且在該研究中，通過使用於其中一個所試驗模型的對稱NACA翼板形飛翼的長度翻倍來實現所述對稱NACA翼板部分。從技術文獻中還預先了解到，通過在飛翼的兩端設置端板並使端板與飛翼的縱向方向垂直，可在飛翼上獲得二維流動輪廓。對於飛翼基本上向下延伸到水面的船舶而言，水面最終構成這種端面或端面，並且因此，這種端面或端面與朝著船舶頂部的飛翼的相對的另一端連接，設置這種端板或端面將是最為重要的。在縱橫比較小時，這種側板或端面格外重要，其中，翼區段的長度相對於其弦長較小，最終在根據本發明的船殼中成為這種情況，這與具有較高的縱橫比的飛行器的機翼不同。在圖2中顯示了上述研究中的試驗數據，其中可見，在具有雙倍的船殼高度並且具有激流(tripping)(由「方格窗口」形的符號表示)的情況下，獲得正的力分量(顯示為負的阻力係數Cd，並且其中，這種負阻力恰好用於推進航行)，其中相關氣流從13°到39°，並且最大力在30°處。不具有激流時(以「菱形」符號所示)，結果略差，但是依然獲得明顯的正力分量。對於由兩個其他符號表示的這兩個其他的試驗模型(分別為普通船殼和單個NACA翼板形飛翼區段)而言，從圖中可見，未測量任何相似的正力分量。應提及的是，申請人已經訪問了在具有21000噸淨負載(DWT)的車輛運載船(M/SHoeghTrooper)的配電板上輸入的日誌數據，該車輛運載船在2010年9月3日到9月15日從佛羅裡達的傑克遜維爾穿越到達馬爾他的瓦萊塔，然後到達韓國，並且返回歐洲，其中，這種日誌數據顯示船舶在45％以上的穿越時間位於13-39°的航線扇區內。如果航線已經調整了高達10％，那麼這個數字為59％。這就表示，在通過NTNU所進行的試驗中的最佳試驗模型中，負風力會在大約59％的時間調整為正風力。在以下附圖中，顯示了一種根據一個有利實施例的船舶，其中，長度為180.5m，高度為33m，並且寬度為34.2m。這就提供了5957m2的航行面積。與航線構成30°的19m/s的相關氣流表明，本發明的實施例無需使用發動機動力也能航行。這是M/SHoeghTrooper在橫渡的第九天具有的那些條件。因此，根據本發明提供了一種船殼，其特徵在於，在吃水線之上的船殼的主要部分實質上設計作為NACA翼板式的飛翼的區段，所述區段與船殼的中心線對稱，並且其中，飛翼的前緣面朝船舶的前部的方向，以便通過相關氣流產生氣動升力，所述氣動升力在船舶的航線或推進方向的有角度扇區內產生船舶的推進力，所述氣動升力通過吃水線下面生成的水力升力平衡。根據本發明，進一步提供了一種具有上述船殼的船舶。附圖說明下面參看附圖，進一步詳細地描述本發明的一個非限制性實施例，其中：圖1為作用在通過真實風VT開始運動的帆船上的力的圖示，其摘自ISBN0-396-07739-0，作者為CzeslavA.Marchaj的「氣動液動航行」(Aero-hydrodynamicsofSailing)，並且其中，在船隻的配電板上記錄的相應氣流為相關氣流VA，船隻速度VS的矢量和相關氣流VA的矢量之間的角度為角度β；進一步地，圖中的縮寫為：L–氣動升力D–氣動拖力(aerodynamicdrag)Ft–氣動合力(aerodynamicresultant)Fs–水力升力(hydrodynamiclift)R–水力拖力(hydrodynamicdrag)Rt–水力合力(hydrodynamicresultant)L＝cL×S×qD＝cD×S×qq＝0.00119×V×VV–風速cL–升力係數cD–拖力系統q–氣動壓力(aerodynamicpressure)S–面積圖2為NTNU進行的風洞試驗(LarsSaetran教授在2010年10月進行的「船殼的水上部分的風洞研究(Windtunnelstudyoftheabove-waterpartofaship’shull)」)的試驗結果的視圖；以及圖3-圖7分別為本發明的有利實施例的側視圖、透視圖、剖視圖、正視圖以及後視圖，其中，圖5為沿著圖3中的線A-A截取的截面，並且其中，線A-A與船舶的吃水線基本一致。具體實施方式圖3-圖7示出了根據本發明的船舶1，其中，位於吃水線之上的船殼的主要部分實質上設計為NACA翼板式飛翼的區段，所述區段關於船殼的中心線S對稱，並且其中，飛翼的前緣3面朝船舶的前部的方向，以便通過相關氣流產生氣動升力，所述氣動升力在船舶1的航線或推進方向的有角度扇區內產生船舶1的推進力，所述氣動升力由吃水線下面生成的水力升力平衡。NACA翼板有利地為NACA16-018類型，飛翼區段2的後緣4在飛翼的弦長的95％處切斷。飛翼區段2有利地由吃水線之上的相應上端面5和下端面6界定，所述上端面和下端面在飛翼區段2的周界的主要部分上從飛翼區段2的表面成角度地伸出，並且尤其沿著飛翼區段2的前緣3和側部，該角度有利地大於或等於90°。水力升力有利地由設置在吃水線之下的多個水翼7產生，其中，如圖所示，相對於船殼的中心線S以及相對於船舶的水下船殼的重心對稱地設置四個水翼7，並且其中，所述重心構成船舶1的樞轉點。在未顯示的替換實施例中，相對於船殼的中心線以及在船舶的水下船殼的重心處對稱地設置兩個水翼7，所述重心形成船舶1的樞轉點。有利地，水翼7相對於通過船殼的中心線S的豎直平面，朝著船殼的中心向下且向內以大約45°的角度設置，並且其中，船舶1的水上船殼的重心位於與船殼1的中心線S構成直角的線上，直接位於船舶1的樞轉點上方。而且，有利地，在船殼的縱向方向上，水翼7的總投影面積構成對稱的飛翼區段的投影面積的大約5％。尤其從圖6和圖7中可見，船殼有利地為三體艇型。根據本發明的船舶1有利地包括未顯示的變速電力推進系統，用於補充船舶1的基於風力的推進系統。