專利名稱：船舶航行節能裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于“船舶節能設計”的技術領域。
二 背景技術1.船舶阻力眾所周知，船舶在水上航行時受到空氣和水二者對船體的反向作用力，這種與船體運動方向相反的流體作用力，稱之為“船舶阻力”。
2.船舶阻力的分類船舶所受到的阻力可分為兩個部分。一部分是裸船體在靜水中受到的總阻力(RT)；另一部分是包括空氣阻力(RA)、波浪引起的阻力增值(RAW)與船舶所受到的附體阻力等，這幾種阻力統稱為“附加阻力”。其中，船舶在靜水中受到的總阻力(RT)是船舶阻力的主要成分。關于靜水中船體總阻力(RT)的劃分，請見下表。
說明表中的摩擦阻力是船體在運動時，受水的粘性切應力的作用，而在運動方向上產生的合力；興波阻力是船體運動時興起波浪時，使船體表面壓力分布改變所引起的阻力；粘壓阻力是由于流體的“粘滯性”引起船體表面壓力變化而形成的阻力。付汝德把船舶的總阻力主要劃分為“相當平板摩擦阻力”RF、“粘壓阻力”和“興波阻力”等幾個方面。而相當平板摩擦阻力RF的數值可以按照付汝德相似律進行換算。
3.船舶總阻力的表達式RT=12ρV2SCT---(1)]]>4.船舶阻力有關參數的相互關系雷諾數Rn=VLv---(2)]]>付汝德數Fn=VgL---(3)]]>體積付汝德數FnΔ=VgΔ1/3---(4)]]>以上各式中，S是船舶的濕面積，V是船舶的航速，v是流體的運動粘度系數，Δ是排水量，L是船長，g是重力加速度常數。
1)阻力系數的表達原則由船模阻力試驗可直接得到船模阻力與速度之間的關系曲線。為方便進行船體阻力的換算以及不同船形之間比較阻力性能的優劣，需要將船模試驗所得到的阻力與速度之間的關系，以一定的參數恰當的加以表達，常用的表達方法應遵循以下基本原則a.阻力系數和速度系數所包含的參數應是在設計時的已知值，如船長、排水量，速度等；b.阻力系數與速度系數應是無因次的，以避免絕對尺度和單位制不同所造成的影響；c.阻力系數的值應顯示出峰值和谷值，以便在設計時盡量地做到避“峰”就“谷”。
2)阻力系數通常的表示方法a.總阻力系數CT=RT12ρSV2---(5)]]>b.阻力系數和付汝德數表示方法，即CT=RT12ρSV2]]>或RT12ρV2Δ2/3≈VgL---(6)]]>這種表示方法常用于阻力換算中，是作常用的方法之一。
3)船模阻力和實船阻力的換算船模阻力試驗的主要目的是把試驗所得到的船模阻力換算到實船的靜水總阻力或有效功率。具體的換算方法有下述兩種a.二因次換算法也稱為付汝德換算法，即根據付汝德的基本假設把阻力分成摩擦阻力和剩余阻力兩個部分，在船模和實船的Fn相對時，認為兩者的剩余阻力系數是相等的，二摩擦阻力則根據船模和實船的雷諾數分別由平板摩擦阻力系數公式計算求得。換算時一般都用無因次阻力系數來進行。對于船模，則有CTM＝CFM+CRM。其中，CTM由船模試驗求得，CFM由摩擦阻力系數公式根據船模試驗的雷諾數計算得到，對船模和實船速度相對應(即Fn相等時)，有CRM＝CRS，則實船的總阻力系數CTS＝CFS+CRM+ΔCF，其中，ΔCF為實船粗糙度補貼。于是，我們可以寫出實船的總阻力為RT=12ρV2SCTS---(7)]]>b.三因次換算法由休斯在1954年提出。這種方法把船舶阻力分成3部分，即平板摩擦阻力、形狀阻力(或稱粘壓阻力)和自由面引起的興波阻力，并認為形狀阻力系數與平板摩擦阻力系數的比值是一個常數，它不隨雷諾數而變，僅取決于船體形狀，即CTM＝(1+k)CFM+CRM。其中的kCFM為形狀阻力系數，即把“二因次方法”包含的“剩余阻力系數”中的“形狀阻力系數”劃歸為受到雷諾數影響的摩擦阻力系數之中，并構成摩擦阻力系數的一個固定分數。這時，實船的總阻力系數應為CTS＝(1+k)CFS+CRM+CA+CAA(8)1978年第15屆ITTC提出的“單漿船性能預報方法”中阻力換算就是按照上式進行的，并規定為CA={105(KSLWL)1/3-0.64]×10-3;]]>CAA=0.001(ATVS).]]>式中的Ks是50mm長度內船體粗糙表面的平均波動幅度。
5.附加阻力正如所知，船舶在航行時，除船體受到摩擦阻力、興波阻力、和粘壓阻力之外，船舶的各種附體及船體上的開孔也會遭受到阻力的作用；與此同時，船舶水面以上的船體和上層建筑部分，還將受到空氣阻力；再者，由于船體外板上的油漆剝落、銹蝕和粘附的水生物而引起污底阻力；除此之外，海上的風浪也會使船舶的阻力比靜水中的阻力有一定程度的增加所有這些額外增加的阻力，我們統稱之為“附加阻力”。
三 發明內容鑒于造成船舶附加阻力的因素較復雜，所以我們這里暫不予考慮。排除附加阻力后，通過關系式(7)可以發現船舶的總阻力(RT)剛好與流體的密度(ρ)成反比。還有，由流體力學理論知道，流體的興波阻力(RW)和粘壓阻力(RPv)不僅與密度有關，而且還與它的粘度(ν)有關，即粘度越大，其粘壓阻力和興波阻力也就越大。由此而啟迪我們如果能夠在船舶航行的過程中，隨時降低流體的密度和粘度，也就可以在很大程度上改變船舶所受到的航行阻力。不難想象，向流體中充灌壓縮空氣的做法，可在一定程度上減小流體的密度與粘度。為此，本發明擬采用向船艏有關部位充灌壓縮空氣的做法，來達到降低船舶的航行阻力，提高它的航運經濟性。
四 具體方案本發明的具體方案是結合實船球匕首的形狀，制作一個由不銹鋼管組成的“多孔壓縮空氣混合噴射罩”(參見圖3)。在船舶下水之前，把這個“噴射罩”固定在船艏的相應部位，用其將球匕首罩住(參見圖2)。該空氣混合噴射罩的形狀，應結合船艏的形狀設計成離開球匕首大約1000～4000毫米不等的空間距離，其具體尺寸可以根據船艏形狀并由船模實驗來確定。在噴射罩所有噴氣管的內側布置一定數量的噴氣孔，這些噴氣孔的出氣方向應盡量與船舶的前進方向相反(參見圖4)。噴氣孔直徑與數量應根據計算與船模實驗來確定，應以有效降低船舶的航行阻力并防止形成“穴蝕沖擊”為基本前提。并且，在船艏艙室的適當位置安裝兩臺空氣壓縮機組和兩個壓縮空氣瓶(互為備用)，在每一個空氣瓶與噴射罩之間均設置幾組管路，并在每組管路上設兩個具有截止止回功能的電磁閥，以便根據船舶的吃水情況來控制每組噴射罩的工作狀態。該裝置的控制系統設置在駕駛臺，實行遠距離控制(參見圖1)。
五
圖1.船舶航行節能裝置系統框2.船舶航行節能裝置安裝示意3.空氣混合噴射罩外形結構示意4.空氣混合噴射罩位置A的局部放大圖六具體實施方式
在實施本方案之前，必須進行船模實驗。只有通過船模實驗，才能確定該節能裝置的外形尺寸、噴氣管的直徑、噴氣孔的數量與孔徑的大小、空氣壓縮機的功率與空氣瓶的容量等。在確定了上述參數之后，才可以結合實船船艏的形狀，設計相應的節能裝置，并在船舶下水之前，將其安裝固定在船艏的位置之上。
權利要求
技術特征本發明的技術特征是向船艏前方的水線下與船底吃水以上的流體中充灌壓縮空氣，造成船艏與舷側部分相關流體的密度與粘度下降，從而降低這些流體對船舶所形成的“總阻力”與“興波阻力”，進而達到節省燃料，增加航速，提高船舶航運經濟性的根本目的。請求保護的范圍1.通過向船艏前方水線下到船底吃水以上的流體中充灌壓縮空氣，來降低這些流體的密度和粘度，從而達到降低船舶航行阻力的任何裝置。
全文摘要
本發明的要點是向船艏前方水線下與船底吃水以上的流體中充灌壓縮空氣，并通過船舶的前進運動造成船艏與舷側一定范圍上流體密度與粘度的大大下降，從而降低了這些流體對船舶所形成的“總阻力”與“興波阻力”。不言而喻，船舶總阻力和興波阻力的降低，自然會在一定程度上減少船舶的航行阻力，進而達到節省燃料，增加航速，提高船舶航運經濟性的根本目的。
文檔編號B63B1/38GK1629034SQ200310124468
公開日2005年6月22日 申請日期2003年12月18日 優先權日2003年12月18日
發明者夏烆光 申請人:夏烆光