專利名稱：減小船殼上水摩擦的高能效系統和方法
背景技術：
本發明涉及一種減小船殼上水摩擦的方法，通過一層空氣或其他氣體將船殼若沒有氣體時會與水接觸的外表面的至少一個主要部分和水分開。更具體地說，本發明涉及一種能效系統和方法，用來在船殼的外表面和航行其中的水之間提供并保持一層空氣。
幾年來的許多這些努力都放棄了儲存在壓縮空氣／氣體中的能量，壓縮空氣／氣體從船尾或船側排出，以氣泡或氣流的方式到達水面。過去已經公開了大量的系統和方法，利用船殼和水之間的空氣來減小摩擦，進而減小在水中推動船行走的能量。以下的專利公開了這類系統的幾種形式美國專利號發明人
4340004Kaneil4393802Rizzo4523536Smoot4528931Lantz4926771Hull5031559Bartholomew5054412Reed等人5117882Stanford5176095Burg5476056Tokunaga等人5524568Bobst5575232KatoKaneil、Rizzo，Hull，Reed等人以及Burg的專利揭示出在船殼的外表面上利用通道或槽并向其供應空氣或氣體來減小水與船殼的接觸面積。Hull的專利使用軸流風扇23來供應空氣。Bartholomew，Stanford，Tokunaga等人，Bobst和Kato等人的專利公開了在船殼的外表面上引入空氣泡或空氣膜的各種方法。其余的Smoot和Lantz的專利則涉及其他減小船殼水阻力的方法。
盡管已公布的這些專利揭示出多種給船殼外表面的至少一個部分提供空氣的方法，來減小船殼與水的接觸面積，但在允許壓縮空氣以可能的氣流或氣泡方式從船殼側面或船尾漏出到載船的水面這一點上，這些專利都是相同的。為了使空氣或其他氣體占據船殼和水之間的某些空間，必須在一定壓力下供應空氣或其他氣體。如果空氣或氣體不插入水和船殼之間的話，這一壓力至少等于或大于水作用在船殼上的壓力。船殼和水之間的供入氣體的界面在水下越深，需要的壓力就越大。這樣的話，重載航行的深水船，空氣必須以很大的壓力供給到船殼下方。盡管在船殼外表面與水之間提供空氣界面可以減小其間的摩擦，然而船尾流失的壓縮空氣意味著能量的大量流失。在這種情況下盡管船在推進其前行的能量性能方面可以改進，但提供壓縮空氣所消耗的在船側或船尾流失的能量會大大抵消推動船的整體能量性能的任何改進。因此，如果壓縮空氣的流失得以避免或減到最低程度，就只需相當少的能量來供應壓縮空氣。
因此，最好提供一種減小船殼上水摩擦的方法和系統，在船殼外表面和水之間以高能效的方式提供氣體通常是空氣的界面。更具體講，最好提供這樣一種方法和系統，其中通常向下流向船尾的壓縮氣體得以回收，從而減小能量流失。這種流失往往是壓縮氣體在船尾泄漏。
發明簡述本發明的一個目的是提供一種高能效方法和系統，用來減小船殼外表面和水之間的摩擦。本發明的另一個目的是提供這樣一個系統，其中船殼外表面和水之間的摩擦通過在其間提供一氣體或空氣界面來減小。本發明還有一個目的是提供這樣一種能效系統，其中形成界面的壓縮氣體或空氣經由分配開口或出口引向船頭，再由位于船尾或船側壓縮空氣或氣體流路上的收集開口或孔進行回收，以便循環利用。壓縮空氣或氣體由分配口釋放。這樣，儲存于壓縮氣體中的能量得以回收，而不是以壓縮空氣氣泡或氣流的形式離開船側或船尾到達水面而發生流失。
根據本發明的減小船殼上水摩擦的一高能效方法和系統包括一壓縮氣體氣源和一分配系統。該分配系統包括將壓縮氣體引向船頭部位船殼外表面上的隔板的導氣裝置。該隔板將壓縮氣體以氣流或氣泡的方式滯留在船殼的外表面上，從而避免其升高至水面。收集裝置包括朝向船尾的孔或開口，用來回收壓縮氣體。由收集裝置回收的氣體進行循環，通過導氣裝置重新流向船殼外表面。本發明的系統設計得不會對船的穩定性和操作產生不利影響，而且不會顯著減小船的可靠性或對貨物或者人員的承載能力。本發明的高能效方法允許系統以經濟和有效的方式進行制造，并安裝在船上。
本發明可以使用各種產生壓縮氣體的方法。根據船吃水深淺，按照本發明，如果需要的話可用不同的壓力來供應壓縮氣體。一些將隨后描述的各種隔板可用來在載船的水和船殼外表面之間保持壓縮氣體界面。另外，根據本發明，多種裝置可用來把壓縮氣體引向隔板。例如，壓縮氣體可以只引向船頭附近，或者可引向沿船長度方向的多個位置。由收集裝置回收的壓縮氣體在再次將其引向隔板之前可進行去除夾帶其中的水的處理。
假如，可在船殼上設有適宜的隔板來滯留船殼外表面和水之間的壓縮氣體界面，本發明的高能效系統可以應用于任何類型的船上，這種船可以自帶動力，或者是象駁船一樣由其他船比如拖船推進的船。在比如駁船的無動力船的情況下，壓縮氣體氣源可位于駁船上，還可以位于拖船上，通過合適的分配系統將壓縮氣體供給一個或多個駁船。除了無動力船，本發明的方法和系統還可應用在完全位于水下的船比如潛艇上。因為壓縮氣體大體覆蓋從船頭到船尾的整個長度，本發明的方法和系統的效率，以及多數先前系統，象先前專利曾公開的系統的效率，將隨著船的長度而增加。這樣，船越大，由本發明的方法和系統實現的效率增益就越大。
圖3是
圖1所示船的船殼底視圖；圖3A是在圖3所示船殼下方用來導入空氣的結構的放大圖；圖3B是在圖3所示船殼下方導入壓縮空氣的各種路徑的放大圖；圖3C是從圖3所示船的船尾處的船殼下方回收壓縮空氣的結構的放大圖；圖4是船殼形狀不同于圖1所示船的底視圖，具有根據本發明第二實施例的減小船殼上水摩擦的高能效系統；圖4A是圖4所示船船頭的前視圖；圖5是另一個具有不同形狀船殼的船的底視圖，具有根據本發明第三實施例的減小船殼上水摩擦的高能效系統；圖5A是圖5所示船船頭的前視圖；圖6是主要針對潛艇的具有不同形狀船殼的船的底視圖，具有根據本發明第四實施例的減小船殼上水摩擦的高能效系統；圖6A是圖6所示船船頭的前視圖；圖6B是圖6所示船的側視圖；圖7A是另一種船的船頭右舷的側視圖，表示出船殼側壁具有根據本發明第五實施例的減小船殼上水摩擦的高能效系統；圖7B是圖7A所示船的局部側視圖；圖8是根據本發明的另一壓縮空氣回收結構的放大圖，壓縮空氣沿船的水下表面流動，該船具有根據本發明第六實施例的減小船殼上水摩擦的高能效系統；圖9是一船的局部剖視圖，表示出一種設置情況，這種設置用來建立高能效系統內所需的空氣體積，該能效系統根據本發明用來減小船殼上的水摩擦；圖10是一船的局部剖視圖，該船設有另一實施例的收集器，該收集器具有排出分離腔中多余水的通道，并且回收沿船底部表面流動的壓縮空氣，該船具有根據本發明的第七實施例的減小水摩擦的高能效系統；圖11是一船的局部剖視圖，該船設有另一實施例的收集器，用來回收沿船底部表面流動的壓縮空氣，該船具有根據本發明第八實施例的減小水摩擦的高能效系統；圖12是具有V形底的船的局部剖視圖，表示出另一收集器，用來在壓縮空氣流向船殼兩側時從船底部表面處回收壓縮空氣，該船具有根據本發明第九實施例的減小水摩擦的高能效系統；圖13是船側壁的局部剖視圖，表示出另一收集器，用來回收沿船側壁上流動的壓縮空氣，該船具有根據本發明第十實施例的減小水摩擦的高能效系統；圖14是根據本發明收集器的另一實施例，用來回收沿船底表面流動的壓縮空氣，該船具有根據本發明第十一實施例的減小水摩擦的高能效系統；圖15是具有一剖開部分的船的立體圖，表示出另一收集器，用來回收沿船底表面流動的壓縮空氣，該船殼具有根據本發明第十二實施例的減小水摩擦的高能效系統；圖15A是圖15所示船的側視圖，具有一剖開部分，用來表示根據本發明的收集器；圖15B是圖15A所示收集器的放大圖；圖15C是圖15A所示收集器的放大的頂部立體圖；圖16是具有另一壓縮空氣回收系統實施例的船的局部側視圖，該回收系統用在根據本發明的第十三實施例的減小水摩擦的高能效系統中；圖16A是圖16所示壓縮空氣回收系統的放大的局部剖視側視圖；圖17是具有根據本發明第十四實施例的另一減小水摩擦的高能效系統的船側視圖；圖17A是圖17所示船的船頭沿水面的放大剖視圖。
圖1A示出分離腔36和收集孔34。船10下方流動的壓縮空氣54流經多個位于分離腔36底部的收集孔34。肋50和隔板52輔助空氣流向收集孔。夾帶在空氣中的絕大部分水滯留在腔36底部的水中，而氣體則穿過水的上表面56，隨后流經機械過濾器或漩渦分離器而將壓縮空氣與更多的水分離，如箭頭58所示，氣體然后到達靠近腔36頂部的開口60，頂部處有一從氣流中濾去水分的過濾器。傳感器62設在收集腔內的不同高度以便指示腔內水面56。傳感器62通過合適的控制系統來控制分別位于流路40和20內的閥或調節閥42和44以及泵或風機38。控制閥調節經流路20和40流向腔36的空氣的壓力和體積。對泵或風機38的控制以及對通過流路20和40的氣流的調節就控制了壓縮空氣經流路22流向船頭的氣流。通過調節閥42和泵或風機38的輸出來調節腔36內空氣的壓力，從而使水面56保持在需要的范圍。在靠近腔36頂部處設一安全傳感器64，用來在水面56達到不需要的高度時關閉系統。一個振動導入裝置，比如超聲波發生器65，可以設在通道30在船尾處的末端，或者設在分離腔36上，如標號67所示。
參見圖2，2A，2B和2C下面對本發明不同形式的收集器和分離腔進行說明。參見圖2中的右側船殼部分，由多個肋68在船底上形成多個通道66。每個通道66都設有一個收集器和一個收集分離腔36。大多數收集器和收集分離腔36在圖中示出只與一個通道接通，但也可以與兩個或多個通道接通。圖2A示出收集孔和一分離腔70的放大圖，該分離腔70經由一對開口72和一對閥74從鄰接的通道接收氣體。這對閥74可以是調節型的。來自分離腔70的壓縮空氣經由開口和流路37被送往風機／泵38，風機／泵38通過圖1所示的空氣通道22將空氣向船頭循環。根據船的基本設計和系統的具體特征，如圖1A所示的傳感器62和64可以與每個分離腔70接通，或與一個或任意多個分離腔接通。
再參見圖2，2B和2C，根據本發明的另一種形式的收集器和收集分離腔被示出。在這種形式中，回收壓縮空氣的開口或收集器以細長的控制閥76的形式出現，該閥可以調節到允許需要的空氣量進入而不允許不需要的水量進入。該開口或收集器還無需將氣流引入位于中心的收集孔中，從而減小了阻力和紊流。如前所述，空氣流入腔36中，隨后象前面實施例中描述的那樣圍繞著隔板流向流路37。圖2C是一底視圖，相對于圖2B，示出肋68，通道66，隔板78，加寬的收集孔80和氣流82。
參照圖3，3A，3B和3C，下面對本發明的壓縮空氣分配和收集系統進行更詳細的說明。圖3船的底視圖中示出了槽或通道83，槽或通道83形成于從船頭到船尾延伸的多個肋84之間。在船頭處，標號86表示的是壓縮空氣導入通道的開口。由圖3A中可以看到，壓縮空氣通過多個開口或噴嘴86進入通道中。可用流體動力結構88來增加加寬的開口周圍的強度。開口或噴嘴86的位置必須使壓縮空氣捕集入槽或通道83中，而不應該從船頭的外輪廓漏出。可設置附加口90來保持空氣層的均勻一致并消除由波浪作用和振動引起的氣流內的不規則因素，這些不規則因素由任選傳感器92來探測。如圖3B中所示，關于開口的多種選擇由本發明的系統所應用，比如用于氣泡或氣流的流體動力開口94，和用于氣泡的小孔96或多孔材料98。開口100可拆卸使用。出口86，94，96和98可以單獨使用或彼此聯合使用。根據本發明，收集器設在船尾，用來在壓力下收集與在開口86和90處導入的空氣一樣多的空氣。如圖3C所示，船殼右側的槽向形成于中心處并位于槽頂部的收集孔34傾斜。隔板78將空氣輔助導向收集孔34。在圖3船左側的船尾處示出的另一結構形式中，壓縮空氣通過貫穿通道寬度延伸的細長槽102來收集。
參見圖4和4A，根據本發明的減小船殼上水摩擦的高能效系統和方法用在一只具有不同類型船殼的船上。在此實施例中，船殼底部沒有形成多個槽的彼此隔開的肋，而只有一條突起狀的肋104沿著船殼基本垂直的側壁下緣和船尾形成。壓縮空氣從船頭導入，如前所述通過開口106沿著船脊如圖4和4A中箭頭108所示向后流向船的兩側。如虛線110所示，收集孔或槽沿突起狀肋104的內側設置，用來回收壓縮空氣。
在圖5和5A所示的本發明的實施例中，船殼具有中凹的底部表面112。氣體入口114設在船頭，在下凹表面以下以空氣或氣泡116的層流或流束的形式引入壓縮空氣。捕集在下凹底面112下方的空氣如箭頭118所示流向船尾。如前面說明的實施例一樣，壓縮空氣通過位于船尾的收集孔120來收集。如前所述的系統用來循環壓縮空氣，使之重新在船的下凹底面112下方流動。與前面所列的本發明先前描述的實施例一樣，隔板122協助氣流導向，防止其從船的側面溢出。
圖6，6A和6B示出本發明的方法和系統應用于比如潛艇的水下船上的情況。在船底上設置帶肋126的較平整的表面124，形成通道或槽128，經由開口130把空氣導入槽128，并使空氣以層流、流束或氣泡132的形式按箭頭134的方向流向船尾。如前所述，壓縮空氣在船尾通過收集孔136收集以便循環利用。
圖7A和7B示出本發明的方法和系統的另一實施例，應用于船的側壁138接近垂直的場臺。根據側壁的垂直高度，多個類似系統140一個撂一個地設置，以使用氣流覆蓋側壁。如圖7A所示，設有兩個類似系統140。每個系統140包括一個開口142和位于其下方并相互隔開的收集器144。收集在收集器144中的空氣流經收集分離系統146，這在前已作了描述。從系統146回收的空氣由風機148循環，并通過供給線150返回到開口142。普通或分離壓縮機，高壓儲存單元和有閥導管152用空氣對系統進行預置，并且由于流失而需要用空氣對系統進行補充。壓縮空氣按管頭154所示沿著船側從開口142流向收集器144。預置和補償所需的空氣由大氣通過進氣裝置156來提供。應該注意到，每個系統140都以不同的壓力提供氣體，這取決于開口142在水面以下的深度。
圖8是本發明另一壓縮空氣收集和分離系統的放大圖。壓縮空氣在水面下的船殼表面上流動，通過壁160上的收集孔158收集，如箭頭162所示通過通道164流到收集分離腔166內。回收的壓縮空氣通過腔166內的出口168來循環。
圖9描繪出船170的局部剖視圖，表示出建立空氣體積的裝置172，這一裝置用在本發明的減小船殼上水摩擦的高能效系統中。如箭頭178所示，通過收集孔174回收的壓縮空氣流入收集分離腔176內。壓力腔180由柔性囊182分成兩個部分。第一部分184通過開口186用支承船的水填滿。第二部分188由通道190與腔176聯通。這樣，第一部分184內的水壓作用在柔性囊182上，該囊根據兩個部分184和188的相對壓力而伸縮，從而建立起壓縮空氣在第二部分188和腔體176內可調節的體積。水從第二部分188出入情況如簡明頭192所示。
圖10描繪出船194的局部剖視圖，表示了另一個用于本發明減小船殼上水摩擦的高能效系統中的分離器196。船的底部198上設有如前面實施例中描述的槽或通道200。船殼底部的船尾部分202比另一部分204低，并且設有可調節的導引邊緣206，用來將槽200內流動的壓縮空氣與槽下方的水分開。由導引邊緣206分離的壓縮空氣208經由收集口210和調節閥212流到收集腔214。調節閥212調節成只接收通過槽200的空氣。通過調節氣流的體積，使之與空氣體積相當，多余的水被禁止進入腔214中。腔214內設有隔板216，以防止夾帶在壓縮空氣中的水越過水面直接進入壓縮空氣的空間中。為了輔助調節腔214內的水面高度，腔底部的出口218與船底船尾部的排泄口222通過一流量調節器220相連。為了保持腔214內需要的氣壓，多余的水224可從口222排出。系統218，220和222可以應用于在此描述的本發明的其他實施例中。
圖11是一船226的局部剖視圖，該船具有另一結構形式的收集器／分離器228，用來回收沿船底流動的壓縮空氣。這一實施例也用于本發明的減小水摩擦的高能效系統中。在船殼234底部表面的槽232中流動的空氣230通過開口236進入收集腔228。通過開口236的氣體積由滑閥238調節。通過調節滑閥238，開口236可以具有足夠的開度，從而允許過量的水進入腔228中，并從開口的船尾部流出，如箭頭240所示。盡管大量壓縮空氣可被回收，但仍可將一開口242通過流路244與腔228相連，這個開口242可以是下凹的V，貫穿形成于船底。流過開口236或者夾帶在水中與開口236的船尾部脫離的壓縮空氣將被收集在開口242，開口242可設一控制閥246。這種空氣回收系統可用于本發明的任意或全部實施例中。
圖12是具有V形船殼248的船的局部剖視圖，與圖4和4A中示出的相似。為了收集由隔板或脊250約束的氣體，如圖所示可制成管狀的進氣通道252與一主流路或主管254相連，該主管如前所述為收集器／分離器提供回收的壓縮空氣。如圖10中示出的排泄口222可用來從與主管254連接的分離腔中排出多余的水，從而避免了管254和252內的回流擾動。
圖13是與圖7A和7B所示的船相似的船側壁256的局部剖視圖。為了收集由下凸的脊258約束的氣體，設置了進氣通道260和主流路262，與圖12中所述的相同。
圖14是根據本發明的另一實施例的收集器264，用來回收沿船底表面流動的壓縮代氣。這一收集器與圖11中所示的相似，其中設有一輔助流路用來回收壓縮空氣，而不是用主開口266來回收。輔助或回收開口268設在主開口266的尾部邊緣。該回收開口268由流路270與收集器／分離器相連。回收開口268可以設一閥，考慮到安全問題，用來關閉系統。
圖15，15A，15B和15C示出船272。該船具有與收集腔276做成整體的漩渦分離器274。圖15B示出放大截面，而圖15C示出立體圖。進入漩渦分離器274的壓縮空氣和夾帶的水被分離，壓縮空氣從頂部280送走，水則在底部282排走。船272圖中示出是淺水船，因此只使用一個風機／泵284，既用來從分離器274通過流路286循環空氣，也用來壓縮從帶閥入口288流過的空氣。通過開口294流向船殼292底部表面流動的壓縮空氣流由例如閥296的流量控制裝置來調節。同樣，從分離器274到風機／泵284循環的氣流由例如閥298等調節器來控制。傳感器300用來控制閥290，296，298和風機284，從而保證腔內需要的水面高度。在此實施例中，以淺水船為例，收集器可以很容易地與船殼制成一體，可以用復合材料制造。這類整體的收集分離器可以制造并且加裝在各種形狀的船殼上，無論是淺水船還是深水船，而且可以用復合材料，鋼鐵或其他材料制造。在具有最小的氣體再分配深度的條件下，這些裝置的效率最高，而且由于其長度的原因，更適合于用在高速的場合。整體型收集器／分離器結構簡單，是許多類船所需要的。
圖16和16A表示出深水船302。該船使用了具有機械分離器306的整體收集／分離器。最初的高壓空氣由如圖1所示出(這些圖中未表示)的高壓壓縮機提供，并由風機／泵308來循環。該系統設有傳感器310來控制水面高度312。箭頭314表示空氣流動情況。從整體收集／分離器經由管318到達風機／泵的氣流由控制閥320來調節。
圖17和17A示出本發明的一個實施例，其中在淺水船322的船頭下方流動的空氣在船殼下被截留并壓縮，然后如前所述進行循環。如圖17A所示，緊靠水面326上方的空氣324截留在船殼下并約束在通道328中。被截留的空氣由鄰近船尾的收集／分離器330收集，然后經由流路332循環到靠近船頭位于水面326以下的開口334。例如，收集器可位于水面326以下9英尺，開口334則位于水面326以下1或2英尺。如前面描述的實施例那樣，可設置包括傳感器和閥的調節系統336來控制收集器330內的水面和流路332中的氣流。在這種情況下，船殼成為壓縮機，而空氣由流動的水推向船尾，由于船尾比船頭更深，因而流向船尾的空氣被驅致水下更深的地方，并且被壓縮。
回顧以上所述，根據本發明的減小船殼上水摩擦的高能效系統主要包括壓縮空氣／氣體循環系統，該系統包括設有過濾器的空氣／氣體入口，在需要的時候將壓縮空氣引入高壓壓縮機／泵。壓縮空氣／氣體從多個點引入系統中來對系統進行預置。閥用來控制供應線路內的空氣／氣體流。高壓空氣／氣體引至靠近船頭水面以下處于關鍵位置的各種類型的開口處，然后經過各種槽或通道，或者在半平整的船底下方，沿船底流向船尾，隨后在船尾處升出水面以前由開口或收集孔來回收。仍然受壓的空氣穿過收集／分離腔，而收集／分離腔按照需要，允許進入空氣／氣體的體積發生改變。傳感器按需要驅動用來調節收集／分離腔內的水面的控制元件。水面的高低通過增減此處安裝的循環風機的速度來調節，還通過打開供給閥向腔體增加新的空氣／氣體，將空氣／氣體轉送到需要的區域，或者通過開關調節閥來進行調節。收集并分離后的壓縮空氣需要的話通過使用一高效泵／風機來循環，這種泵／風機產生足夠的正壓來迫使空氣／氣體經由管路回到船頭穿過開口，這樣便完成了一個循環。船底與水面成一夾角、向船尾下傾的船，可在空氣向后流動時將空氣壓縮，從而提供迫使空氣通過開口流回到船頭的需要的正壓力。
還可設置傳感器來控制關閉系統的安全裝置。為了安全安裝響應來自傳感器信號而工作的閥，以調節或關閉系統，防止水進入系統或進入船中，而只允許氣流進入。
可用調整囊系統來更有效地調節回收空氣／氣體。囊受與其處于同一高度的包圍船殼的水的壓力作用，并且在波濤洶涌的海面上船殼傾斜的時候也有助于保持需要的空氣體積。本發明適用于各種船殼結構，包括其他平整的和半平整的船殼結構。稍稍下凹的底部適用于多體型船殼的設計，例如雙體型船殼。
盡管已對本發明的幾個實施例進行了說明，多個實施例的特征的各種結合還可以形成另外的實施例。因此，列出本發明的特征的以下變化方式，將其應用于本發明的減小船殼上水摩擦的高能效系統的不同形式中是很容易理解的1．循環壓縮空氣可以采用不同于前述的方式來使用。上述實施例采用了在回收壓縮空氣或氣體內蓄能的某些方式。
2．如果需要的話可使用其他氣體而不是空氣。由于本發明的回收系統，氣體流失很少。空氣以外的其他氣體效果可能更好，易于與水分離，或者具有防污和／或防蝕性能。
3．本系統可以獨立設計以適應不同類型、不同形狀和不同尺寸船的需要。
4．本系統可以采用一個或多個不同長度的槽或通道。
5．壓縮空氣／氣體的分配口可以在尺寸、型式和位置等方面發生改變，以便產生氣泡、氣流和空氣／氣體層，為每個具體船提供需要的效果。開口可以是孔眼，下凹的細長孔眼、鉆孔、槽、多孔材料、薄膜或各種其他形式。也可以做成可拆卸的，以便維護和更換。
6．空氣／氣體的收集孔或開口可以在尺寸、型式、形狀和位置等方面根據系統本身而變化，也可以做成可拆卸的，以便維護和更換。
7．空氣／氣體的位于船下方或沿著船側的流路可以是通孔、通道、槽、過半平表面或者其他具有限制性的結構。形成流路的隔板根據船殼的形狀而改變。
8．各種水面傳感器和氣壓、水壓傳感器可以應用于本發明的具體應用場合。
9．壓縮機、泵、風機、風扇和自動閥門的動力源根據可用情況和需要而改變。
10．空氣／氣體的輔助開口可設在船下或沿船側的空氣／氣體流路長度方向的各種位置，以便更好地調節水和空氣／氣體的界面。
11．可在收集腔或界面區域之間設置受控流路，以便在多流路系統中重新分配或平衡氣流。
12．可用傳感器來監測沿著船下、船側或船尾流路流動的氣流。
13．單個的高壓壓縮機和／或循環風機、泵或風扇可用在船下或船側的多流路系統中。一個壓縮機或風機可供給一個、多個或全部獨立的流路，或者每個流路可具備其自己的壓縮機或風機。
14．收集腔內的分離器或過濾器可協助分離水和空氣／氣體，并且在腔內使水的運動最小。而且，可加入氣體或溶液形式的可降解化學物質，輔助氣／水分離。漩渦式分離器可以位于腔體內或腔體上，或者位于腔體和循環風機之間，用來進行分離。緊接收集腔之前或在收集腔內可以引入例如由超聲波發生器產生的振動，以輔助均勻化氣體使之成為單一的氣團。
15．傳感器、閥門和高壓注入裝置可用于整個系統中，輔助操縱空氣／氣體和預置、關閉系統。
16．空氣／氣體可以沿著位于船中心的脊分配，在船具有稍呈V形的船殼時，在沿船側稍稍向后的位置和船尾回收氣體，或者，在船具有呈倒V形船殼時，氣體沿兩側分配，在中心處收集。
17．有的船其側壁和船尾幾乎垂直以減小船側面或尾部的水阻力，這種情況下空氣／氣體的分配和收集可以在不同深度沿著船側或船尾來進行。一個或多個在不同壓力下工作的系統彼此撂放在一起。
18．在壓縮機／泵和開口之間可設置高壓儲存箱，用來儲存和回收來自壓縮機／泵或流路的多余的空氣／氣體。
19．完全位于水下的船，比如潛艇也可使用本發明的系統。船在水面上工作時，任何空氣流失都會得到補充并儲存起來。
20．當船在產生鹽份、銹片和碎屑的水中作業時，可設內置維護凈化系統。這些系統可以是機械式或是高壓水或凈化液。
21．駁船類的無動力船，壓縮空氣／氣體可從拖船上轉送過來。壓縮空氣可以回收起來以便再分配給另一艘無動力淺水船，或者返回氣源進行再壓縮。
22．系統內氣體的體積可響應船殼上的水壓而進行調節。例如，使用一個柔性囊使其一端暴露在船外殼的水壓中，另一端形成儲存壓縮空氣／氣體的部件。
23．各種空氣壓縮機比如柱塞壓縮機、回轉壓縮機、回轉風機、離心風機、風扇，以及船殼和其他裝置，都可根據壓力和體積的具體需要在本發明的系統中使用。
24．在多路系統中，可以設一安全系統，這樣船脊一側的一路關閉時，另一側與之相同的一路也將關閉，因而不會影響船的操縱。
以下將對本發明系統的能量效率進行闡述。系統工作所需的能量取決于循環風機、泵／壓縮機、風扇和其他動力裝置的需要。然而，深度每增加1英尺同時保持氣體供給的穩定所需的能量應使壓力增加1磅／英寸2來克服深度每降1英尺所帶來的影響。
根據本發明提供的能效系統，舉例說明，保證10000立方英尺／分的氣體，深度每降1英尺，需要的能量為150馬力(HP)。如下所示所需氣體量 深度 馬力+3磅／英寸2所需馬力 占10000馬(立方英尺／分)(英尺)(HP) (HP)(HP)力的百分比10000位于 1 150 450 600 6．010000位于 2 300 450 750 7．510000位于 4 750 450 120012．010000位于 8 1200 450 165016．510000位于 162400 450 285028．510000位于 324800 450 525052．510000位于 649600 450 10050 100．5每個深度所需的額外的450馬力提供另外3磅／英寸2正壓，用來克服外船殼表面上的水壓和補償空氣散失。所需額外馬力的多少根據具體使用系統而變化。
大型船需要大于等于10000立方英尺／分的空氣／氣體來產生沿船側或船殼下方流動的所需氣流。如果空氣／氣體內的能量在船側和船尾散失的話，落入水下32英尺深的船所需功率如上所示為5250馬力，以便產生和分配所需的10000立方英尺／分氣體。然而在工作中，使用本發明的循環系統，只需要將空氣／氣體下壓約2英尺深度的功率。也就是從水下30英尺的高度，即分離腔內的水面高度返回到位于32英尺深處的開口。這樣的話，在這個例子中，所需功率僅為750馬力，除此之外，如果不設空氣隔板，還需額外的功率來補償船尾處的空氣／氣體的微量流失。該額外功率在沒有本發明的能效系統時小于所需總功率的10％。
舉例來說，設想有一只船，吃水32英尺，有10000馬力的可用功率，需要10000立方英尺／分的空氣／氣體。在沒有本發明的空氣／氣體循環措施的情況下，如果在19．25％或1925馬力儲存在系統中時有效增益大于10％，且需52．5％的功率或5250馬力的功率來在32磅／英寸2壓力下供給氣體，就會有33．25％或者3325馬力的名義功率損失，儲存的功率小于提供空氣所需的功率。然而在具有本發明的循環措施時，在17．5％或1750馬力下效率損失為10％，只有7．5％或750馬力用來再壓縮氣體，這樣名義節省值為10％或1000馬力。在這一例子中，根據本發明的氣體循環節省功率將在大約2．2英尺的深度或再分配深度小于10％時開始發揮作用。無本發明系統的船在較大水深的情況下很快就變得效率低下，降了位于9．83英尺以上的單個位置，否則會產生效率損失而不是效率增益。使用本發明的系統節能的多少取決于循環系統迫使空氣／氣體通過開口到達船表面對其進行再分配的水下深度。前述的例子中再分配深度為2英尺。
當然使用本發明的系統所節省的能量隨每種應用場合而改變，下面是使用本發明的系統實現能量節省的一個示意無循環系統 有循環系統馬力儲存 1925馬力1750馬力減去系統能耗-5250馬力 -750馬力等于凈節省或損耗-3325馬力 +1000馬力占10000馬力的百分數33．25％損耗10％節省由本發明的系統實現的總能量節省根據船殼結構的不同而使每個應用場合的結果都不同，船身越長吃水越深的船獲益最大。有些船可實現節能25％以上。前面的便子只用來說明潛在的能量節省，實際的能量節省隨具體應用而改變。本發明的系統通過使用較小的再分配深度可用在底部吃水只有幾英尺的輕型半規劃(semi-planning)船上，優勢明顯。使用圖15A，15B，15C，16A和17所示的收集／分離系統，這一度可以小到幾個英寸。
盡管對本發明的幾個實施例進行了說明，但對于本領域技術人員來說應該清楚，前面說明的只應看作是根據本發明的減小船殼上水阻力的高能效系統的優選實施例。根據本發明減小船殼上的水阻力是通過在船殼和水之間設置空氣或其他氣體的氣流來實現的，通過收集和循環船殼下流動的壓縮空氣或氣體避免了儲存在其中的能量的流失，從而提高了效率。在此使用的氣休包括空氣或其他混合氣體。盡管在此列出的是空氣，但應該理解如果在某些場合有特別的需要，其他任何氣體都可取而代之。依照專利法，在不脫離本發明的精神實質和范圍的條件下，可以對減小船殼水阻力高能效的本方法和系統進行改變。所附權利要求意欲含蓋所有落入本發明精神實質和范圍內的這些改變或修改。
權利要求
1．一種減小船在水中行進時船殼和水之間摩擦的系統，包括A．壓縮氣體的氣源，B．分配系統，所述分配系統從所述壓縮氣體的氣源接收壓縮空氣，并且將其分配到船殼的外表面，從而在船殼的外表面和水之間提供一氣體界面，C．壓縮氣體回收裝置，用來在壓縮氣體流過船殼的外表面后將其回收，D．循環裝置，用來將回收的壓縮氣體返送回分配系統，這樣船殼外表面和水之間的摩擦減小了，壓縮氣體中的能量也得以回收。
2．如權利要求1的系統，其特征為，壓縮氣體被分配到靠近船頭的船殼外表面。
3．如權利要求1的系統，其特征為，壓縮氣體回收裝置靠近船尾設置。
4．如權利要求1的系統，其特征為，船殼的外表面上設有隔板，防止壓縮氣體流到行船的水體的上表面。
5．如權利要求4的系統，其特征為，所述隔板形成通道，用來將壓縮氣體的氣流從船頭導向船尾。
6．如權利要求5的系統，其特征為，所述回收裝置包括一個控制閥，該閥位于每個所述通道的船尾端，用來調節回收的壓縮氣體的氣流。
7．如權利要求6的系統，其特征為，每個所述控制閥提供的氣流流路的寬度基本上與對應的所述通道的寬度相同。
8．如權利要求5的系統，其特征為，所述壓縮氣體的氣源是船頭通道內的截留空氣部分。
9．如權利要求5的系統，其特征為，設置滑閥來調節從所述通道到所述壓縮氣體回收裝置的壓縮氣體的氣流。
10．如權利要求5的系統，其特征為，每個所述通道都設有一回收裝置。
11．如權利要求4的系統，其特征為，所述隔板用來將來自船頭的壓縮氣體的氣流導向船尾。
12．如權利要求11的系統，其特征為，所述壓縮氣體回收裝置包括位于船尾處的船殼的第一部分，該部分在所述通道下方延伸，形成隔板，將壓縮氣體導向位于每個通道船尾端的收集孔。
13．如權利要求12的系統，其特征為，所述船殼的第一部分包括位于可調節部分的引導邊，該引導邊可進行調節，從而將槽內的壓縮氣體與位于槽下的水分離。
14．如權利要求5的系統，其特征為，設置滑閥來調節從所述通道到所述壓縮氣體回收裝置的壓縮氣體的氣流。
15．如權利要求1的系統，其特征為，所述壓縮氣體通過船頭處船殼內的多個孔來分配到船殼的外表面。
16．如權利要求1的系統，其特征為，所述壓縮氣體回收裝置包括分離裝置，用來將夾帶的水與回收的壓縮氣體分離。
17．如權利要求16的系統，其特征為，設置隔板來防止夾帶在回收的壓縮氣體中的水直接進入位于分離腔頂部的壓縮氣體中。
18．如權利要求16的系統，其特征為，設置有一流路來從靠近船尾的所述分離腔將水排出，所述回收的壓縮氣體不通過該流路進入所述壓縮氣體回收裝置。
19．如權利要求16的系統，其特征為，所述壓縮氣體回收裝置包括一分離腔，在該腔內回收的壓縮氣體與夾帶的水分離。
20．如權利要求19的系統，其特征為，一過濾器設在從所述分離腔到所述回收裝置的流路上。
21．如權利要求19的系統，其特征為，一壓力腔內設有一柔性囊，將壓力腔分成第一和第二兩部分，所述第一部分受在壓力腔高度的船殼上的水壓作用，而所述第二部分與所述分離腔聯接，根據所述第一部分內的水壓來調節所述第二部分和所述分離腔內氣體的合成體積。
22．如權利要求19的系統，其特征為，設有氣流控制裝置來調節回收的壓縮氣體進入所述腔的氣流。
23．如權利要求19的系統，其特征為，所述腔內的水面高度響應所述腔內的水面傳感器來調節。
24．如權利要求19的系統，其特征為，在所述壓縮氣體氣源和所述腔之間設有一流路，以保持所述腔內所需的氣體體積和壓力。
25．如權利要求1的系統，其特征為，所述循環裝置包括一壓力平衡裝置，在所述壓縮氣體返送回所述分配系統時，平衡所述回收的壓縮氣體和所述氣源之間的壓力。
26．如權利要求25的系統，其特征為，所述壓力平衡裝置是風機／泵。
27．如權利要求1的系統，其特征為，將氣流控制裝置設在所述分配系統中。
28．如權利要求1的系統，其特征為，船殼具有一基本平整的底部，該底部上設有所述分配系統，將壓縮氣體分配到船頭處平整底部的外表面，從而在水和平整底部之間提供一氣體界面，所述壓縮氣體回收裝置在船尾回收壓縮氣體。
29．如權利要求28的系統，其特征為，船是潛艇類船。
30．如權利要求28的系統，其特征為，船尾處船殼的一個部分比所述平整底部的外表面低，所述氣體回收裝置通過一些孔來回收壓縮氣體，這些孔位于所述平整底部的船尾端和船尾處船殼的所述部分之間，該船尾處的船殼部分比平整底部的外表面低。
31．如權利要求28的系統，其特征為，所述分配系統還在船頭和船尾之間的一個或多個額外位置上將壓縮氣體分配到平整底部的外表面。
32．如權利要求1的系統，其特征為，所述船殼具有一下凹的船底，所述分配系統在船頭將壓縮氣體分配在下凹底部的外表面上，從而在其與水之間提供氣體界面，所述壓縮氣體回收裝置在船尾回收壓縮氣體。
33．如權利要求1的系統，其特征為，一部分船殼由基本垂直的側壁形成，分配系統接收來自所述氣源的壓縮氣體，并將其通過側壁上的孔分配到垂直側壁的外表面上，所述壓縮氣體回收裝置用來回收側壁上位于分配壓縮氣體的孔上方的壓縮氣體。
34．如權利要求33的系統，其特征為，所述孔沿側壁從船頭到船尾基本水平成排延伸，所述氣體回收裝置也基本從船頭到船尾水平延伸。
35．如權利要求33的系統，其特征為，分配氣體的多排水平延伸的孔在船側壁上彼此垂直隔開，除了最高那一排氣體回收裝置，多排氣體回收裝置位于每排孔的上方并且恰好位于更高一排氣體分配孔的下方。
36．如權利要求1的系統，其特征為，所述壓縮氣體回收裝置包括船尾處船殼的第一部分，該部分在船殼外表面的前部之下延伸，氣體界面便設在此船殼外表面上，壓縮氣體通過至少一個孔回收，該孔緊鄰所述第一部分的船頭側。
37．如權利要求1的系統，其特征為，所述壓縮氣體回收裝置包括一漩渦分離器，把回收的壓縮氣體與夾帶的水分離。
38．如權利要求1的系統，其特征為，所述壓縮氣體氣源還接收所述回收的壓縮空氣。
39．如權利要求1的系統，其特征為，設置有氣流控制裝置來調節通過所述分配系統的壓縮氣體氣流。
40．如權利要求1的系統，其特征為，所述壓縮氣體回收裝置包括一振動引入裝置，促使壓縮氣體的氣泡均勻一致。
41．在具有船殼的船中，所述船殼用來將船支承在具有上表面的一水體中，至少船殼外表面的第一部分位于水體上表面以下，一種用來減小該第一部分上水摩擦的系統包括一壓縮氣體氣源，一分配系統，所述分配系統接收來自所述氣源的壓縮氣體，并且將其在水體的上表面以下船尾以前鄰近所述船殼外表面的第一部分放出，設在所述船殼外表面的所述至少第一部分上的一隔板，用來滯留緊挨船殼外表面的壓縮氣體，一收集裝置，靠近船尾布置，而不是緊鄰船殼外表面的所述第一部分放出壓縮氣體的地方布置，以便在壓縮氣體流向船尾時收集由所述隔板滯留的壓縮氣體，一管路系統，用來將收集的壓縮氣體返送回所述分配系統以便循環利用，船殼外表面和水之間的摩擦減小了，壓縮氣體中的能量也得以回收。
42．如權利要求41的系統，其特征為，所述隔板形成多個從船殼外表面的所述至少第一部分突出的脊，并且這些脊在船頭和船尾之間延伸。
43．在具有船殼的船中通常與水接觸的船殼的外表面，包括一壓縮氣體的氣源，用來在壓力下向通常與水接觸的船殼外表面提供氣體，一隔板，在壓縮氣體從船頭向船尾流動時，用來滯留與船殼外表面接觸的壓縮空氣，一朝向船尾的氣體收集裝置，用來收集壓縮氣體，該壓縮氣體來自所述氣源，由所述隔板滯留，并且流向船尾，一管路系統，用來把收集的壓縮氣體返送回船頭，與氣源提供的壓縮空氣相結合，再一次供給通常與水接觸的船殼外表面。
44．一個船殼，其外表面通常與水接觸，并且設有隔板，用來限制壓縮氣體的氣流，該壓縮氣體氣流沿著船殼的至少一個位于水下部分的外表面流動，隔板還用來防止所述壓縮氣體泄漏到水面以上，該船殼包括一壓縮氣體氣源，用來在壓力下向船頭給所述隔板提供氣體，一朝向船殼尾部的壓縮氣體收集裝置，用來收集壓縮氣體，該壓縮氣體來自所述氣源，通過所述隔板流向船殼尾部，一管路系統，用來把收集的壓縮空氣返送回船殼頭部，與氣源提供的壓縮氣體一起供給所述隔板。
45．一種減小船殼上水摩擦的高能效方法，包括以下步驟A．產生壓縮氣體的供給量，并將其提供給一分配系統，B．從分配系統中將壓縮氣體釋放到船下的船頭處，C．釋放出的壓縮氣體緊貼船殼的外表面流向船尾，從而在船殼外表面和水之間提供一氣體界面，D．在船尾處回收壓縮氣體，E．由分配系統循環回收的壓縮氣體。
46．如權利要求45的方法，其特征為，所述回收壓縮氣體的步驟包括將夾帶的水與回收的壓縮氣體進行分離的步驟。
47．如權利要求45的方法，其特征為，所述壓縮氣體的釋放步驟包括調節壓縮氣體氣流的步驟，該調節步驟提供一優化的氣體必需量，從而在船殼的外表面和水之間提供需要的氣體界面。
48．如權利要求45的方法，其特征為，所述產生壓縮氣體供給量的步驟包括在必需的壓力下供給壓縮氣體的步驟，從而將其在船頭以下釋放。
49．如權利要求45的方法，其特征為，所述循環回收后的壓縮氣體的步驟包括進一步壓縮回收的壓縮氣體的步驟，使其壓力達到從供給源提供給分配系統的壓縮氣體的壓力。
50．如權利要求45的方法，其特征為，所述循環回收氣體的步驟包括儲存大量回收的壓縮氣體的步驟，以便將夾帶的水從中分離。
51．如權利要求45的方法，其特征為，通過形成在船殼外表面上的通道而將釋放的氣體導向船尾。
全文摘要
一種減小船(10)的船殼上水摩擦的高能效系統。船(10)的通常與水接合的外表面與水的接觸通過關鍵性地將壓縮空氣或氣體引入并覆蓋到該外表面上而減弱。壓縮空氣田各種槽(30)、通道(66)或半平整表面(124)滯留在外表面上,這些槽、通道或半平整表面沿船底長度,有些應用場合下是沿垂直側壁的長度延伸,從而防止氣流到達水面。壓縮氣體或空氣在流出船尾或船側以前被回收,并通過能效循環系統(34,36,37,38)的裝置循環到船頭,從而回收了從船頭流向船尾的壓縮空氣或氣體內的能量。船殼越大,吃水越深,通過壓縮空氣或其他氣體的循環所實現的效率就越高。
文檔編號B63B1/38GK1280540SQ98811727
公開日2001年1月17日 申請日期1998年12月2日 優先權日1997年12月2日
發明者丹尼爾·J·瑋珀 申請人:丹尼爾·J·瑋珀