專利名稱：用于帶有舵螺旋槳推進器的航向穩(wěn)定的遠洋船舶的結構設計和推進裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種由至少兩個舵螺旋槳推進器驅(qū)動的遠洋船舶，其具有一個用于運輸有效載荷或乘客的船身，其中，所述螺旋槳推進器優(yōu)選設計為電動螺旋槳推進器(PODS)，所述船身在其中部具有一大致為矩形的橫截面，在該船身上連接有朝向船尾的導流體(導流尾鰭)，在這些導流體之間形成流動通道。
德國實用新型29913498.9公開了一種快速航海船舶，在其電動舵螺旋槳推進器前設有起有效流體動力學作用的導流尾鰭。
本發(fā)明要解決的技術問題在于進一步對這類船舶作優(yōu)化，尤其是改善其適航性，此外對所述電動舵螺旋槳推進器形成特別有利的入流。
上述公知的船舶是專門針對分別帶有一牽引式推進器和壓力式推進器的電動舵推進器的應用情形對舵推進器進行設計的。因此，本發(fā)明另一個要解決的技術問題在于進一步改進這類船舶，使之也可利用僅分別帶有一螺旋槳推進器的舵推進器來運行，同時還有更好的推進效率。
上述技術問題這樣來實現(xiàn)所述流動通道設計成朝向所述船尾底部連續(xù)地、優(yōu)選略有彎曲地擴寬的楔形，其中，所述流動通道的側壁至少部分設計為平坦表面并逐漸縮變成鰭狀的腹板，該鰭狀腹板具有排水體積部分，而且該流動通道設計成借助其通道效應形成低的船舶阻力，并且產(chǎn)生了有利于提高推進性能的伴流效應。
通過按照本發(fā)明優(yōu)化設計的、位于導流尾鰭之間的流動通道，可比較有利地形成低的尾流阻力和對于所述電動舵推進器形成低的迎流速度。由此減小了航行時水流對船舶產(chǎn)生的阻力，并提高了推進效率。
按照本發(fā)明的擴展設計，所述導流尾鰭設計成鰭狀的腹板，其中，所述導流尾鰭的排水體積部分逐漸縮變成向后倒圓的末端，該末端與船身沒有垂直連接關系地向船尾方向一直延伸到即將碰到舵螺旋槳推進器為止。通過這樣的設計，比較有利地實現(xiàn)了由所述流動通道的內(nèi)外側之間的壓差在舵螺旋槳推進器前形成了在導流尾鰭末端處的繞流，該繞流沿著由螺旋槳所帶動的水流流向流動。由此比較有利地改善了螺旋槳的迎流特性并均勻地將水流送往各螺旋槳。
按照本發(fā)明的另一種擴展設計，所述導流尾鰭的排水體積部分基本上設置在所述鰭狀腹板的外側。由此可比較有利地在所述導流尾鰭之間形成低阻力的流動通道。水流可在船尾平穩(wěn)地流走，從而在船尾形成特別有利的阻力特性。
按照本發(fā)明的又一種擴展設計，所述位于外側的排水體積部分設計成凸起部分，其中，所述凸起部分這樣成形，使得沿舵螺旋槳轉向可形成一非對稱的繞流和去流，從而受到這樣影響的水流可形成一有利的螺旋槳來流。因此，水流從所述流動通道平穩(wěn)流出的有益效果與水流在螺旋槳前就已形成旋轉相得益彰，從而在總體上對于螺旋槳形成一有利的迎流。
按照進一步的設計，所述流動通道在末端區(qū)域其出口處的形狀和體積設置得如此之大，以及所述排水體積部分這樣布置和進行尺寸設計，使得所述繞流和去流被定向，從而形成一沿著當時舵螺旋槳轉向的繞流。這樣一來，與所述導流尾鰭的排水體積部分的非對稱結構相結合，就以一種有利于避免空化氣蝕作用的方式形成了一種十分均勻、尤其無渦旋的流往螺旋槳的迎流。在此，無需放棄常規(guī)船尾的船底斜升角，因為它也對船舶的航向穩(wěn)定性以及所謂的“砰擊性能(Slammingverhalten)”會產(chǎn)生有益的影響。
另外還可規(guī)定，所述舵螺旋槳推進器具有至少一個設計成高度擰轉式螺旋槳(High Scew-Propeller)、且與本發(fā)明所形成的入水流相匹配的螺旋槳。由此進一步改善了螺旋槳的低振動特性，將空化氣蝕傾向降至最低。在一個帶有兩個同步的螺旋槳推進器的舵螺旋槳推進器中，作為其中的壓力推進器也可采用傳統(tǒng)的螺旋槳。
此外還規(guī)定，所述船身與導流尾鰭各自的單項尺寸以及它們的組合尺寸按船速大小來調(diào)整設計，尤其是作為水池拖曳試驗的結果。這同樣適用于高度擰轉式螺旋槳。在船尾形成的各流動參數(shù)例如取決于船舶大小、船舶航速、船身表面粗糙度以及其它隨具體船舶有所變化的特性。因此不言而喻的是，對于各種船舶類型必須就船身、導流尾鰭、流動通道和螺旋槳選擇不同的各項尺寸。這些各項尺寸必須在拖曳試驗和水池試驗中分別予以研究和優(yōu)化設計。此時，貨艙容量和船舶制造成本也會在其中起到重要的作用，并因此會形成大量的變型方案，在這些變型方案中僅僅能設定極限尺寸。這些極限尺寸可有利地按船舶寬度、船舶長度及吃水深度的百分比例來給定。
按照本發(fā)明的另一種擴展設計，所述船尾的各項尺寸，例如船底斜升角和船尾朝向后方超出所述舵螺旋槳的尺寸以及諸如所述導流尾鰭的向外位置(Auswrtsstellung)、體積和形狀的各項尺寸優(yōu)選根據(jù)水池試驗結果進行優(yōu)化，使得波浪、尤其是從船尾涌來的波浪對于船尾的(波浪沖擊)影響減小。對于航海船舶來說重要的是，不僅需要有小的船舶阻力，而且還需要船舶有良好的適航性。尤其當海浪從后面拍向船舶時，必要時在船舶停泊于波浪起伏的港口時，需要考慮船舶的適航性，于是要考慮船尾形狀對適航性的影響。按照本發(fā)明就做到了這點。在此也一并考慮到了對于船舶直線航行起到重要作用的船首線型。
為了優(yōu)化驅(qū)動系統(tǒng)還規(guī)定，所述舵螺旋槳推進器配備有壓力式推進器；這樣就給海水進入螺旋槳槳葉橫截面前提供了一相對較長的平穩(wěn)區(qū)。于是，在船身形成的排水渦旋就能至少得到部分的平衡抑制。所述螺旋槳的空化氣蝕特性得到如此明顯的改善，不再需要高度擰轉式螺旋槳。在此，或許必須容忍的是該壓力式推進器相對于一牽引式推進器會有一定的效率損失，因為牽引式推進器的伴流由舵螺旋槳推進器的外殼來導引定向，必要時還通過其上設置的鰭板和舵螺旋槳的支撐柱來定向。因此，這是一個成本問題和流動優(yōu)化問題，同樣是水池試驗的研究對象。
所述兩個舵螺旋槳推進器之間的間距尺寸優(yōu)選這樣設計，使這兩個舵螺旋槳推進器一方面能夠彼此獨立地旋轉360°，另一方面又不會導致導流尾鰭之間的間距過大。所述導流尾鰭分別對齊地設置在所述舵螺旋槳推進器之前。按照一種優(yōu)化設計，所述兩個舵螺旋槳推進器之間的間距為螺旋槳直徑的1.1至1.3倍。
對于減小直線航行時的能量消耗，優(yōu)選設置一單獨的較小的直線航行舵(為此請參照尚未公開的德國專利申請DE10159427.5中的各變型設計方案)。這樣，所述舵推進器可始終處于最佳的迎流方向中，并無需為了航向穩(wěn)定一直轉動調(diào)節(jié)。在此也通過避免比設置單獨的輔助舵所帶來的阻力大的轉向推力(Schubumleitung)來節(jié)省能量的消耗。每個舵螺旋槳推進器的最佳迎流方向分別按照船身、導流尾鰭的尺寸公差和舵螺旋槳的安裝公差而有所不同，必要時可優(yōu)選對制造完工的船舶的試航來確定。
下面參照附圖及參數(shù)定義來詳細說明本發(fā)明，從以下描述內(nèi)容及從屬權利要求中可了解到本發(fā)明的另外一些創(chuàng)造性的細節(jié)。


圖1為導流尾鰭與舵螺旋槳推進器的配置示例圖；圖2為從船尾看過去的帶有圖1所示電動螺旋槳推進器POD的船舶型線圖(Spantverlaufsschema)；圖3為從前方看過去的船舶型線圖；圖4為按照本發(fā)明的在一個拖曳水池船模上的流動通道的視圖；圖5為帶有圖4所示流動通道的船模的尾部視圖；圖6為帶有按照圖4和5所示流動通道的導流尾鰭的側視圖；圖7為圖1所示配置的原理性示意圖。
在圖1中以側視圖的方式示出船尾區(qū)域的通常構造。所述電動的舵螺旋槳推進器和導流尾鰭位于該船尾區(qū)域。附圖標記1表示一個從側面看過去的導流尾鰭，其逐漸收縮成圓形的凸起部分2。附圖標記3表示一個電動的舵螺旋槳推進器；圖中示例地示出一個帶有兩個螺旋槳4和5以及側鰭板的電動舵螺旋槳推進器。不言而喻的是，一個帶有一牽引式推進器的舵螺旋槳推進器與一個帶有一壓力式推進器的舵螺旋槳推進器一樣，分別可同與之相配的導流元件一起使用。
附圖標記6表示設計吃水線(CWL)，附圖標記7則表示導流尾鰭的凸起部分末端與電動的舵螺旋槳推進器的牽引式推進器之間的距離。該間距是一優(yōu)化設計所針對的對象，因為一方面所述螺旋槳5在所述凸起部分2末端后面必須能夠偏轉，另一方面其距離所述凸起部分2的間距又應該很小。
為了避免振動和減小空化氣蝕作用，在有些船舶上可優(yōu)選設置一流動均勻穩(wěn)定段(Strmungsvergleichmβigungsstrecke)。當一個電動的舵螺旋槳推進器POD與一個壓力式推進器(相應于圖示螺旋槳4)一起應用時，該流動均勻穩(wěn)定段最長。此時，所述電動的舵螺旋槳推進器3的外殼和其支撐柱作為流動均勻穩(wěn)定元件。
所述電動的舵螺旋槳推進器可優(yōu)選相對于水平線傾斜例如2°。該角度在圖中用附圖標記8示出。附圖標記9表示所述船尾端區(qū)。該尾端區(qū)的長度與該船船尾處的其他部件一樣取決于船尾的構造設計，從而取決于船舶類型。
在圖2中示出從船尾后面看過去的船輪廓線(船舶型線)。附圖標記10示出一典型的船舶型線，附圖標記12則表示從船尾向前方看所能看到的電動的舵螺旋槳推進器。如從圖2中所能看到的那樣，所述舵螺旋槳推進器的中心11雖然象圖1中所示那樣位于所述球鼻末端之后，然而相對于所述排水體積部分15不對稱設置。所述舵螺旋槳推進器本身布置得與船舶中心線相距間距13，該間距13的長度大約為螺旋槳直徑16的1.1倍?？擅黠@地從圖2所示區(qū)域14中的線型走向中看出，本發(fā)明在圖1中所示導流尾鰭1之間形成的流動通道的內(nèi)側具有基本上平坦的構造。
在圖3中示出從前方看到的船舶型線走向。附圖標記17表示一通常的船舶型線走向，附圖標記18表示設置在船頭的球鼻型線走向。
圖3基本上示出了如航向穩(wěn)定、且船舶阻力很小的遠洋船舶上很常見的那種船舶型線走向。
圖4、5和6示出了優(yōu)化設計的拖曳船模的視圖，并分別示出一航行相當快(28節(jié)，即28海里/小時)船舶的拖曳船模的船身端部的下部，該船舶的船身規(guī)定用于容納汽車和乘客。這類拖曳船模對于本領域技術人員而言是公知的，通常用于求出船舶的最佳船身形狀。
在圖4中，附圖標記20表示在兩個導流尾鰭22之間構成的、帶有近似平坦的且連續(xù)延伸的側壁21的流動通道。所述船舶底側23同樣連續(xù)不斷地延伸并象流動通道20的內(nèi)側21一樣僅僅略有彎曲。
在圖5中，附圖標記25表示從船尾看過去的位于所述導流尾鰭26之間的流動通道。該通道設置在船尾的船底斜升部28的頂點24的下方。所述導流尾鰭26設計為朝向后方的尖銳鰭板狀并逐漸縮變成凸緣形末端27。所述凸緣形末端無支撐件地由所述導流尾鰭26的鰭板狀部分突伸出。這樣，總體上就形成一特別有利于流動的船尾形狀，它相對于由船尾涌來的海浪具有良好的性能。
在圖6中，用附圖標記29表示在導流尾鰭30之間的流動通道。所述導流尾鰭的鰭板狀端部用31表示，其凸緣形排水體積部分用附圖標記33來表示。在導流尾鰭30之后，鑒于優(yōu)化設計的目的，設有一可更換的且可更改的船尾部段32，利用該部段可使船尾有最佳長度，并且在必要時有最佳的傾角。所述船舶的底部具有一在圖中明顯可看到的向上傾斜的形狀，它大約為船舶長度的1/3。這樣，在船尾部分就會形成一平穩(wěn)的、流速相對較慢的尾流(伴流)，它會導致一低的船舶阻力。
在圖7中直觀地示出各部件之間的原則性配置關系。這是一種在國際造船業(yè)中常見的圖示形式。各參數(shù)值及其所要求的有效范圍值以數(shù)學方式定義如下Ask導流尾鰭在從其后端起算的長度LAsk處的橫斷面積0.1A0＜Ask＜A0A0螺旋槳盤面積A0＝πD2/4＝0.7853D2AR輔助舵的投影面積0.01A0＜AR＜0.01LppTLs導流尾鰭的長度0.20Lpp＜Ls＜0.45LppLAsk從導流尾鰭的端部到所定義的橫斷面積Ask之間的距離Lpod電動舵螺旋槳推進器POD的長度dtran后鉛垂線到船尾之間的距離2Lpod＞dtran＞Lpod/2ds導流尾鰭后端部尖端處中心線之間的距離1.5D＜ds＜B-1.5Ddss導流尾鰭端部處的中心線到舭部半徑(Bilgenradius)的船底斜升角起始點處的船舷之間的最小距離dss＞0.75Ddh從導流尾鰭后端部到導流尾鰭的基線從船舶基線開始升高點之間的距離dh＞0.3LAskdp螺旋槳轂與導流尾鰭后端部之間的距離0.02D＜dp＜0.02Lppdt在前螺旋槳盤面處的船體與槳葉梢間距dt＞0.15Dα導流尾鰭與垂直于船底基準線的垂直線之間的角度α＜30°β在縱剖面中，POD螺旋槳的中心線與船底基準線之間形成的角度β＜5°D 螺旋槳直徑Lpp前后兩條鉛垂線之間的長度B 船舶在其肋骨(Spanten)處的寬度T 船舶在其肋骨處的吃水深度AP后鉛垂線對于在實現(xiàn)電動舵推進器有良好推進效率的同時、總體上有很低的船舶阻力的本發(fā)明的結構中，所述舵螺旋槳推進器、導流尾鰭與船尾尾型是彼此相關聯(lián)的元件。所述電動的舵螺旋槳這樣設置在所述導流尾鰭的尾流中，使得所述螺旋槳的旋轉軸在該區(qū)域內(nèi)與速度場的一明顯下降的軸向分量相一致。通過將電動的舵螺旋槳推進器設置在導流尾鰭之后，使得螺旋槳可在所述導流尾鰭的尾流中運行。所述成型的流動通道比較有利地將所述流出的水定向?qū)б铰菪龢帯Ｋ鰧Я魑馋挼膫认虿贾煤退鰧Я黧w的形狀影響螺旋槳盤內(nèi)的速度場，使得所述速度場的切向速度可比較有利地進入螺旋槳內(nèi)。其結果是，在減少空化氣蝕作用和減小振動的同時，提高了推進系統(tǒng)的效率。此外，所述導流尾鰭提高了船舶的航向穩(wěn)定性。最終結果是大大節(jié)省了燃料。
采用輔助舵對此也有幫助，并由此可將電動的舵螺旋槳推進器調(diào)節(jié)成相對于所述導流尾鰭區(qū)域中的尾流始終是最佳的。通過航向修正運動，無需改變這一最佳位置。
權利要求
1.一種由至少兩個舵螺旋槳推進器驅(qū)動的遠洋船舶，其具有一個用于運輸有效載荷或乘客的船身，其中，所述螺旋槳推進器優(yōu)選設計為電動螺旋槳推進器(PODS)，所述船身在其中部具有一大致為矩形的橫截面，在該船身上連接有朝向船尾的導流體(導流尾鰭)，在這些導流體之間形成流動通道，其特征在于所述流動通道設計成朝向所述船尾底部連續(xù)地、優(yōu)選略有彎曲地擴寬的楔形，其中，所述流動通道的側壁至少部分設計為平坦表面并逐漸縮變成鰭狀的腹板，該鰭狀腹板具有排水體積部分，而且該流動通道設計成借助其通道效應形成低的船舶阻力，并且產(chǎn)生了有利于提高推進性能的伴流效應。
2.按照權利要求1所述的船舶，其特征在于所述導流尾鰭設計成鰭狀的腹板，其中，所述導流尾鰭的排水體積部分逐漸縮變成向后倒圓的末端，該末端與船身沒有垂直連接關系地向船尾方向一直延伸到即將碰到舵螺旋槳推進器為止。
3.按照權利要求1或2所述的船舶，其特征在于所述導流尾鰭的排水體積部分基本上設置在所述鰭狀腹板的外側。
4.按照權利要求1至3中任一項所述的船舶，其特征在于所述位于外側的排水體積部分設計成凸起部分，其中，所述凸起部分這樣成形，使得沿舵螺旋槳轉向可形成一非對稱的繞流和去流，從而受到這樣影響的水流可形成一有利的螺旋槳來流。
5.按照權利要求1至4中任一項所述的船舶，其特征在于所述船舶的底部具有一大致在所述流動通道的起始處開始的船底斜升角。
6.按照上述任一項權利要求所述的船舶，其特征在于所述流動通道在末端區(qū)域其出口處的形狀和體積設置得如此之大，以及所述排水體積部分這樣布置和進行尺寸設計，使得所述繞流和去流被定向，從而形成一沿著當時舵螺旋槳轉向的繞流。
7.按照上述任一項權利要求所述的船舶，其特征在于所述舵螺旋槳推進器具有至少一個設計成高度擰轉式螺旋槳的螺旋槳。
8.按照權利要求7所述的船舶，其特征在于所述高度擰轉式螺旋槳與所述定向流入的水流特性如此匹配，從而避免高壓力波動并優(yōu)化了空化氣蝕特性。
9.按照上述任一項權利要求所述的船舶，其特征在于所述船身與導流尾鰭各自的單項尺寸以及它們的組合尺寸按船速大小來調(diào)整設計，尤其是作為水池拖曳試驗的結果。
10.按照上述任一項權利要求所述的船舶，其特征在于所述高度擰轉式螺旋槳的尺寸根據(jù)所述定向迎流來優(yōu)化設計，尤其是作為水池試驗的結果。
11.按照上述任一項權利要求所述的船舶，其特征在于所述船尾的各項尺寸，例如船底斜升角和船尾朝向后方超出所述舵螺旋槳的尺寸以及諸如所述導流尾鰭的向外位置、體積和形狀的各項尺寸優(yōu)選根據(jù)水池試驗結果進行優(yōu)化，使得波浪、尤其是從船尾涌來的波浪對于船尾的(波浪沖擊)影響減小。
12.按照上述任一項權利要求所述的船舶，其特征在于所述各個電動的舵螺旋槳推進器分別具有一個設計成壓力推進器的螺旋槳。
13.按照上述任一項權利要求所述的船舶，其特征在于所述各個舵螺旋槳推進器之間彼此具有的間隔為各螺旋槳直徑的1.1至1.3倍。
14.按照上述任一項權利要求所述的船舶，其特征在于在所述船舶的船尾處，尤其是在舵螺旋槳推進器的螺旋槳前設有一個用于船舶直線航行的、尤其是鏟形舵形式的輔助舵。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由至少兩個舵螺旋槳推進器驅(qū)動的遠洋船舶，其具有一個用于運輸有效載荷或乘客的船身，其中，所述螺旋槳推進器優(yōu)選設計為電動螺旋槳推進器(PODS)(3)，所述船身在其中部具有一大致為矩形的橫截面，在該船身上連接有朝向船尾的導流體(導流尾鰭)(1)，在這些導流體之間形成流動通道，其中，所述流動通道設計成朝向所述船尾底部連續(xù)地、優(yōu)選略有彎曲地擴寬的楔形，其中，所述流動通道的側壁至少部分設計為平坦表面并逐漸縮變成鰭狀的腹板(2)，該鰭狀腹板具有排水體積部分，而且該流動通道設計成借助其通道效應形成低的船舶阻力，并且產(chǎn)生了有利于提高推進性能的伴流效應。
文檔編號B63H5/08GK1646364SQ03808696
公開日2005年7月27日 申請日期2003年2月17日 優(yōu)先權日2002年2月18日
發(fā)明者亞當·格佐卡, 比約恩·A·亨里克森, 詹·卡納爾, 賴斯扎德·萊希, 凱·泰格斯 申請人:西門子公司, 奧克雷托維杰船舶設計及研究技術中心, 西特拉德公司