專利名稱：低燃料消耗的商業船舶的制作方法
技術領域：
本發明涉及低燃料消耗的商業船舶。更具體地，本發明涉及在水線上方具 有相對大上層結構的如主要以裝運汽車的專用船舶、集裝箱船或客船為代表的
商業船舶，其^:計用于不^又減小水線上方的空氣阻力，而且減小水線下面的水
的阻力。
背景技術：
迄今為止已經提出應用水中改進的球曲形狀船頭以及相應地提高效果的 多種減小水線下水阻力的商業船舶。但是，迄今為止，關于在水線上方具有相 對大上層結構的并且對其的空氣阻力不可忽略的類似裝運汽車的專用船舶、集 裝箱船和客船的商業船舶，基本沒有做出對策。該事實意味著很難減小空氣阻 力同時重視用于盛裝貨物的功能。
因此，本發明不僅通過依靠現有造船技術減小水線下面水阻力，而且通過 以至少接近中空半圓的形狀、接近四分之一球形的形狀或圓柱形狀形成水線上 方的上部船頭部分的上層結構，在該部分中容納駕駛臺等以減小空氣阻力，在 船尾上提供具有橫截面對稱形狀的垂直尾翼，所述垂直尾翼結合有用于來自船 內引擎的廢氣管的通風井，垂直尾翼可旋轉并且可調節，并且根據需要，其后 端用作前鉸鏈的折片或副翼，并且進一步地，將前折片添加到垂直后翼，以減 小由斜頂風或側向風引起到船身的偏航力矩，并減小由舵角調節(制動舵柄) 產生的水下阻力，并且依靠由垂直尾翼產生的升力將風力用作推動力進一步減 小船身水線下面的水阻力，從而提供一種設計用于節約能量同時作為整體保持 用于盛裝貨物的功能的低燃料消耗的商業船舶。
專利文件2
專利文件1和2涉及通過使用稱為"空中翼板"的降落傘從而利用風力的設 備，所述"空中翼板"類似帆船的帆，該設備的目的、結構和作用與本發明1 不同，本發明1通過以空氣動力學成形船頭部分來減小空氣阻力，并且其與本發明2也不相同，本發明2利用設置有通風井的后部垂直尾翼以抵消或減小逆
風傾斜航行時產生的偏航力矩，從而減小由舵角調節(制動舵柄)產生的船身 水線下面的水阻力。即本發明非常實際可行，可容易地實施，并且具有提供與
風力強度無關的效果的明顯不同的技術思想，并且具有與專利文件1和2的存 在無關的創造性步驟。 非專利文件1
SHIN-AITOKUMARU作為新型帆船逐漸形成。該船具有豎立在曱板上的 幾個金屬桅桿，從所述金屬桅桿懸掛金屬帆，并且類似傳統的帆船利用風力。 但是帆無人照管操作；即通過使用計算機自動操作。雖然該船可能比傳統的大 帆船更先進，但是曱板不可避免地具有減小的空閑區域，并且很難找到用于安 裝貨物起重機的空間。因此，該非專利文件1的技術不可能用于在水線上方具 有大上層結構的裝運汽車等的專用船舶等。
以名稱為SHIN-AITOKUMARU為代表的該類型機械大帆船在節約能量 方面非常出色，但是幾個曾經建造的測試船都沒有任何后繼者，表明海運商業 不都對該類型的船感興趣。
專利文件l: PCTWO2005/100147A1
專利文件2: PCTWO2005/100150A1
非專利文件l:維基百科，Shin-aitokumaru
由于其特殊的需要，傳統的裝運汽車的專用船舶、集裝箱船和客船在水線 上方具有相對大面積的上層結構，使得其很難減小空氣阻力。另外，由傾斜逆 風或側向風產生的船身的偏航力矩必須通過舵角調節(制動舵柄)矯正，不可 避免地造成航行時船身水線下面的水阻力的增加。在裝運汽車的專用船舶和集 裝箱船中，進一步地，在船頭部分處，基本根本沒有集中在航行和演習功能以 及錨定船身時需要的錨和繩索操作功能(前曱板功能)的考慮，船頭部分到目 前為止分為駕駛臺和前曱板。在傳統的運輸船舶中，很難將上述任務付諸實踐。
發明內容
現在將詳細描述本發明。
根據本發明，船頭部分以一個或多個中空的近似四分之一球形到半球形狀 (包括兩個臺階到三個臺階的圓形鏡像形狀或部分圓柱形狀)形成，以減小空
4氣阻力，并且駕駛臺形成在其上方部分上。在下方部分中，還沿垂直方向靠近 駕駛臺設置有具有部分圓柱狀的前曱板功能部分，所述前曱板功能部分具有通 常開放或可根據需要打開和閉合的開放部，并且具有可由船身的前側容納的懸 掛錨。此外，其中設置有通風井的垂直尾翼豎立設置在最上層曱板的后部上， 以在其基本垂直的軸上旋轉。將基本垂直豎立固定的通風井結合在具有橫截面 中對稱形狀的垂直尾翼中，以減小受到傾斜逆風時由用于矯正傾斜航行的舵角 調節(制動舵柄)產生的船身水線下面的水阻力。在其中設置通風井時，垂直 尾翼打開基本水平的平面。形成駕駛臺的中空的近似半球形到四分之一球形部 分可通過使用一組具有相同曲率半徑的陰和陽;f莫，并通過塑性加工切段的鋼板 制成。
因此，優點是可以通過將大或小的節段焊接在一起由造船工藝容易地制造 大尺寸或小尺寸的中空的基本半球形到四分之一球形部分。
駕駛臺為這樣的形狀:駕駛臺兩翼完全展開到船舶兩側，使前曱板操作能 夠正好在駕駛臺下面進行，即在航行、靠近碼頭、離開碼頭或靠近或離開另一 艘船舶的側部時，便于駕駛臺操作，并且使得易于管理所述操作船舶。
根據本發明，提供
一種在水線上方具有小的空氣阻力的上層結構的低燃料消耗商業船舶，其 在水線上方具有小的空氣阻力的上層結構，所述船舶包括具有一個或多個中 空的接近四分之一球形到半球形的船頭，所述船頭在所述船頭的前端處的上側 露出部分球形的頂部，并且具有外徑大約與船舶寬度相等的下端；以及延伸到 所述船頭前端并且基本平行于船舶側部基本延伸到達船尾的外壁(殼體)(第 一方面)；
一種第一方面的低燃料消耗商業船舶，其中，所述上層結構沿船舶寬度方 向在水線上方的截面為具有連續的兩個肩部的凸曲線截面(方面2);
第一或第二方面的低燃料消耗商業船舶，其中，所述船頭的前上部為在水
線上方具有平滑延伸到后繼上層結構的上層結構的駕駛臺(方面3 );
第三方面的低燃料消耗商業船舶，其中，所述駕駛臺的前下部為圓柱狀結 構，所述圓柱狀結構具有適于船員觀察并且適于操縱用于絞盤和停泊的齒輪的 前曱板功能的結構，并且設置有可打開和閉合的由透明玻璃和/或合成樹脂制成的窗口 ，和基本平行于水線延伸的開放部分(方面4 );
第一到第四方面的低燃料消耗商業船舶，在后曱板上還具有由金屬和/或 合成樹脂和/或碳纖維增強材料制成的垂直尾翼，以通過遙控調節其角度(方 面5);
第五方面的低燃料消耗商業船舶，其中，所述垂直尾翼大約在其中心部分 中設置有通風井，并且所述垂直尾翼還設置有可根據風向調節角度的前折片和 /或后折片，所述垂直尾翼布置在后曱板上(方面6);和
第五到第六方面的低燃料消耗商業船舶，其中，所述垂直尾翼部分由經編 程的自動控制調節其角度，所述調節是通過使用計算機根據基于預收集數據所 準備的并且具有學習能力的程序來完成的(方面7)。
當將本發明付諸實踐時，獲得下述效果。
(1) 當在海洋上航行時，空氣阻力可減小。
(2) 到目前為止，當逆風傾斜航行時，必須通過抵消偏航力矩進行舵角 調節(制動舵柄)來保持航行方向。但是根據本發明，在空氣中通過利用垂直 尾翼實現該目的，與傳統船舶相比較，使得可能減小水線下面的水阻力。另夕卜， 由垂直尾翼產生的升力可轉變為船身的推進力。
(3) 所述操作便于在靠近碼頭、離開碼頭、靠近船舶側部、離開船舶側 部和上下巻繞錨時進行。
圖1是根據本發明實施例的裝運汽車的專用船舶的立體視圖2A是本發明該實施例的側視圖2B是本發明該實施例的平面視圖3是沿圖2中A-A線的剖視圖4是根據本發明實施例的風洞試驗中流線的側:現圖5是根據現有技術的流線的側視圖6是根據本發明該實施例的風向為30度時流線的平面視圖； 圖7是根據現有技術的流線的平面視圖； 圖8是根據本發明該實施例的風向為-30度時流線的平面視圖； 圖9是根據現有技術的流線的平面視6圖10是用于風洞試驗和用于說明的坐標系的示意圖； 圖11是根據本發明該實施例的垂直尾翼(船頭方向為0度)的平面視圖； 圖12是根據本發明該實施例的垂直尾翼(根據船頭方向將角度調節到p 度)的平面一見圖13是比較本發明該實施例和現有技術之間的偏航力矩系數Cn的示意
圖14是比較本發明該實施例和現有技術之間的船頭和船尾風力系數Cx 的示意圖。
圖15是比較本發明該實施例和現有技術之間的側向風力系數Cy的示意
圖16是示出本發明另一個實施例的立體視圖；和
圖17是現有技術(傳統的裝運汽車的專用船舶)的船身的立體視圖。
附圖中數字說明
10桅桿
11船身
12船頭
13船尾
14最上層曱板 . 15駕駛臺
16全體船員居住空間(住宿區) 17外部殼體
18在最上層曱板兩側的圓形部分(肩部) 19傳統類型的通氣風扇 WL水線
20 前曱板
21 錨
22通風井 22A尾翼 22B前折片23 廢氣管
23C后折片
24船身挖切部分
25 球形船頭
26升力
27側向力
28推進力
30 穩、流
31 湍流
卩 船頭方向和尾翼之間的角度
具體實施例方式
現在將使用附圖描述本發明的實施例。 實施例1
該實施例涉及將本發明的結構應用到裝運汽車的專用船舶中的情況；本發 明的結構在船頭處為近似半球形，并且具有與最上層曱板的兩側上的半球直徑 相同的曲率。圖1是根據本發明該實施例裝運汽車的專用船舶船身的立體視 圖，圖17是傳統裝運汽車的專用船舶船身的立體視圖。
圖2A是本發明船舶的船頭的側視圖，圖2B是其平面視圖，并且圖3是 當最上層曱板的兩側部分沿船舶的寬度方向剖切時的示意性剖視圖。
在該實施例的裝運汽車的專用船舶中(圖2A和2B),當從其側表面看時， 半球形的下端在水線上方，并且不會造成水線下面的船身形狀的變化。上部(圓 頂部分)用于布置駕駛臺(駕駛室)，并且其他部分用作用于裝運汽車的部分。 駕駛臺的下部和相鄰空間用于容納用來升起錨和用于停泊的齒輪，或用作船舶 的倉庫。
參照對應于圖1中半球形后部的船身11，半球的上半部分形成與半球直 徑相同曲率的船身，并且上端延伸到最上層汽車曱板的頂部。最上層汽車曱板 的頂部上方的上部從形成部分駕駛臺(駕駛室)和部分船員居住區空間(住宿 區)的半球的頂部平滑延伸到甲板的天花板。
下半部分平滑延伸到半^求后部的船身外殼體17。
8根據現有技術(參見圖17)，將幾個具有變形矩形外部形狀的通風風扇19 布置在船艙(the hold)上方的甲板上。另一方面，根據本發明的該實施例(圖 1)，通氣風扇盡可能避免全部露出。相反地，空氣動力學成形的所有通氣風扇 布置在最上層曱板側的圓形部分中。因此，可整體減小空氣阻力，但是仍保持 汽車甲板的通氣功能。
風洞試-瞼
接下來將首先根據風洞試驗結果描述本發明該實施例的裝運汽車的專用 船舶在減小空氣阻力方面有效的事實。
風洞試驗通過使用屬于九州大學應用機械研究所的風工程試驗設施，大邊 界層風洞進行。該風工程設施具有15.0米長，3.6米寬和2.0米高的測量尺寸， 并且可產生30米每秒的最大風速。由于考慮風洞的寬度，用于測試的一莫擬船 舶以減小到1/75的比例構造，并且具有1.8米的長度(但是真正的船舶具有 135.0米的水線長度)。
使用了下面三種類型的模型。
(1)
具體實施例方式將半球形應用到船舶船頭的裝運汽車的專用船舶模型。
(2) 現有技術傳統的裝運汽車的專用船舶模型。 (3 )用于證明4企驗器的矩形平行六面體塊。
該試驗在IO米每秒的風速下進行。使用三個固定在試驗設施地板上的分 力計(4企驗器)測量由所述風產生的風壓力。當風來自前方時，風向為0度， 并且直到+90度(風來自左側)和直到-90度(風來自右側)每隔IO度進行測 量。
偏航中心為船身中心。
為了顯現流動，進一步地，試驗通過冒煙法在l.O米每秒的風速下進行。 待測試的裝運汽車的專用船舶具有下述重要尺寸 總長139.9米 水線長度135.0米 垂線之間的長度131.0米 船舶寬度22.4米深度29.6米 吃水深度6.5米
將通過風洞試驗獲得的風力概括在以水面上的船身中心作為原點的船身 固定坐標系上。
坐標系顯示在圖10中。
通過使用下述無因次系數概括風壓力。
Cx:船頭和船尾風力系數CX=FX/ (0.5pU2AF)
CY:側向風力系數CY=FY/ (0.5pU2AL)
CN:偏航力矩系數CN=N/ (0,5pU2AL'L)
其中
Fx:船頭和船尾風力(kg), FY:側向風力(kg), N:偏4元力矩(kg-m)， p:空氣密度(kg'S2/m4) U:風速(m/s), AF:前突面積(m2) AL:側突面積(m2) L:水線長度(m) 下面描述試驗結果。
圖14示出船頭和船尾風力系數(Cx)。如果將現有技術與本發明的該實 施例相比較，在本發明該實施例中的該系數通常很小。如果比較+30度和-30 度之間的風力系數，則本發明的該實施例如下表所示減小系數Cx。例如，對 來自前方(0度)的風使系數Cx減小30%,并對來自20度到30度傾斜方向 的風使系數Cx減小大于50%。
風角度(度)下Cx的比率(本發明船舶/傳統船舶) (角度)(比率) -30 0.456 -20 0.455 -10 0.5060 0.714 10 0.525 20 0.377 30 0.366
這里，根據船舶的右側和左側比率不同。這是因為僅對標記為24的船身 的后右側進行挖切，形成當船舶沿碼頭駛來時用于汽車裝船或卸船的傾斜通道 門的結構。即，船尾的結構不是對稱形狀。也就是說，僅船舶的右側具有翼的 作用。
當以球形形狀形成船頭時，在風為傾斜逆風時，圍繞前邊轉向的氣流基本 沒有片狀脫落。而且，當將最上層曱板的兩側以空氣動力學成形時，氣流的片 狀脫落更少。因此，本發明的船舶與傳統船舶相比較遭遇通常減小的風力。
此外，在船舶旁邊左側45度至正對船側的卯度之間，本發明的船舶另外 獲得側部風力(朝向船頭的推動力)。這是因為，如上所述，右側船尾為在平 面視圖上以三角形形狀切割的結構(參見圖1, 2A和2B)，并且船身形成翼。 因此，船舶在船右側的+45度至位于相對側的正對船側的-90度之間不產生推 動力。
在傳統船舶中，從船舶左側的70度到正對船側的90度阻力基本為零，并 且無法獲得推動力。
圖15示出側向風力系數(Cy)。如果將現有技術與本發明該實施例相比 較，則通常趨勢一致。但是在接近+/-90度時(風來自正對側面)，本發明的船 舶受到的風力減小了 15%。
圖13示出偏航力矩系數(CN)。從0度到接近+/-50度，本發明該實施例 中的偏航力矩小于現有技術的。即，允許減小用于保持航行過程的舵角調節量 (制動舵柄)，并且使減小的水的力(阻力)作用在舵上。
圖4， 5， 6， 7， 8和9為從氣流的顯示記錄的動態圖像中獲得的靜態圖像。
根據現有技術(圖5 )和本發明該實施例(圖4 )，對自前方的風，從船頭 前邊緣流到最上層曱板的氣流是不同的。在本發明的該實施例中，基本沒有湍 流，并且空氣沿球形表面平滑流動。但是在現有技術中，在經過棱角而大面積 地產生強旋渦之后，空氣片狀脫落。
ii對斜逆風，現有技術的船舶和本發明的船舶之間具有明顯的差別。當風從 船舶一側吹向船舶另一側時，傳統的船舶在風的下游側形成大的片狀脫落區。
但是本發明的船舶不形成片狀脫落區。特別當風向為+/-30度時，傳統船舶和
本發明船舶之間的該差別變得極為顯著。
實施例2
根據本發明的該實施例，在最上層甲板上方的空氣流形成比現有技術小的 片狀脫落區。現在說明利用該本質的實施例。該實施例涉及在其中心部分附近
設置通風井22,并且具有角度可參照圖11, 12和17進行調節的前折片22B 和后折片23C的垂直尾翼22A。
該實施例涉及裝運汽車的專用船舶，其在船頭具有半球形狀的上層結構， 在最上層曱板兩側上具有與半球直徑曲率相同的結構，進一步配備有遙控垂直 尾翼。圖l是本發明裝運汽車的專用船舶的立體視圖。
圖11是當本發明船舶的垂直尾翼設置有其角度可調節的前折片和后折片 時的平面視圖，并且圖12示出了在垂直尾翼、前折片和后折片的角度調節時 的空氣流的平面視圖。根據這些附圖，升力由傾斜逆風產生。該升力被分為推 動力和用于減小船身偏航力矩的側向力。所述側向力用于減小舵角調節(制動 舵柄)，并且用于減小由制動4《柄產生的水線下面的水阻力。
根據該實施例，對作用在垂直尾翼上的力進行;險測，并且通過使用計算機 來控制垂直尾翼、前折片和后折片的角度，以在航行中獲得最優推動力和最優 側向力。
在造船業和海運商業中傾向于節約能量并且降低C02的情況下，本發明 由于利用傳統技術的其結構和控制系統，使得可能滿足需求，并且給長期在海 洋上航行的船舶帶來很多好處。
1權利要求
1.一種低燃料消耗商業船舶，其在水線上方具有小的空氣阻力的上層結構，所述船舶包括具有一個或多個中空的接近四分之一球形到半球形的船頭，所述船頭在所述船頭的前端處的上側露出部分球形的頂部，并且具有外徑大約與船舶寬度相等的下端；以及延伸到所述船頭前端并且基本平行于船舶側部基本延伸到達船尾的外壁(殼體)。
2. 根據權利要求1所述的低燃料消耗商業船舶，其中，所述上層結構沿
3. 根據權利要求1或2所述的低燃料消耗商業船舶，其中，所述船頭的 前上部為在水線上方具有平滑延伸到后繼上層結構的上層結構的駕駛臺。
4. 根據權利要求3所述的低燃料消耗商業船舶，其中，所述駕駛臺的前 下部為圓柱狀結構，所述圓柱狀結構具有適于船員觀察并且適于操縱用于絞盤 和停泊的齒輪的前曱板功能的結構，并且設置有可打開和閉合的由透明玻璃和 /或合成樹脂制成的窗口 ，和基本平行于水線延伸的開放部分。
5. 根據權利要求1到4中任一所述的低燃料消耗商業船舶，所述船舶在 后甲板上還具有由金屬和/或合成樹脂和/或碳纖維增強材料制成的垂直尾翼， 以通過遙控調節其角度。
6. 根據權利要求5所述的低燃料消耗商業船舶，其中，所述垂直尾翼大 約在其中心部分中設置有通風井，并且所述垂直尾翼還設置有可根據風向調節 角度的前折片和/或后折片，所述垂直尾翼布置在后曱板上。
7. 根據權利要求5或6所述的低燃料消耗商業船舶，其中，所述垂直尾 翼部分由經編程的自動控制調節其角度，所述調節是通過使用計算機根據基于 預收集數據所準備的并且具有學習能力的程序來完成的。
全文摘要
在水線上方具有相對大上層結構的例如裝運汽車的專用船舶、集裝箱船或客船等的商業船舶在航行過程中傾向于受到空氣阻力。當傾斜地逆風航行時，到目前為止需要影響舵角調節(制動舵柄)從而消除偏航力矩，同時造成了水線下面水阻力的額外增加。本發明的低燃料消耗商業船舶在水線上方具有上層結構，包括具有中空的近似半球形狀到四分之一球形形狀或部分圓柱形狀的船頭，其與駕駛臺一體，并平滑延伸到船尾以減小空氣阻力。所述低燃料消耗商業船舶還具有設置有通風井并且在上層船尾甲板上可旋轉來減小空氣中的偏航力矩的垂直尾翼，基本不需要舵角調節(制動舵柄)，并且因此減小水線下面的水阻力。
文檔編號B63B1/06GK101585397SQ20091000713
公開日2009年11月25日 申請日期2009年2月9日 優先權日2008年5月21日
發明者三井哲夫, 河原謙三 申請人:旭洋造船株式會社