專利名稱：小水線面面積高速船的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及小水線面面積船只，這種類型的船在先有技術(shù)中稱之為半潛船，或指那些具有支承由連結(jié)于水下船體上的穿水支架支撐的平臺(tái)的載荷的船。
開(kāi)發(fā)來(lái)用于公海國(guó)家間的運(yùn)行的半潛船在先有技術(shù)中被稱為小水線面面積雙體船(SWATH)。這類船的各種結(jié)構(gòu)在美國(guó)專利3623444和3897744(ThomasGLang)和4552083和4557721(TerrenceWSchmidt)已經(jīng)描述過(guò)了。
所有上述的半潛船的實(shí)例都采用一種細(xì)長(zhǎng)(小斷面積長(zhǎng)度比)的水下船體的設(shè)置，以提供主要的浮力。從動(dòng)力和燃料消耗的觀點(diǎn)看，為了高效地運(yùn)行，SWATH船被限制在弗勞德數(shù)小于0.4的速度上。弗勞德數(shù)(F)的定義如下F = V/gl]]>這里，V＝速度g＝重力加速度l＝船體長(zhǎng)度速度受限制主要是由于在弗勞德數(shù)0.4和0.8之間發(fā)生的波阻急劇增加。在先有技術(shù)中，對(duì)于所有表面排水型船只來(lái)說(shuō)這種波阻的增加已經(jīng)充分地確立，并且通常被稱為阻力或功率“峰”。見(jiàn)《流體動(dòng)力學(xué)阻力》(Fluid-Dynamice，SighardF.Hoerner著，1965年由作者出版)一書(shū)。在這樣的“峰”值速度區(qū)域運(yùn)行。由于高波阻，導(dǎo)致需要高推進(jìn)功率和降低燃料使用效率。在弗勞德數(shù)大于0.8的運(yùn)行可顯著的減小波阻，但是對(duì)于通常型式的SWATH船來(lái)說(shuō)，越過(guò)這樣的“峰”值速度區(qū)域要求額外的推進(jìn)功率。
本發(fā)明的目的是提供一種小水線面面積船體型式，它使得波阻減小并且使其在弗勞德數(shù)大于0.8的高速下高速的運(yùn)行。
由本發(fā)明，高速時(shí)減小波阻是通過(guò)使用流線型支撐架和在支撐架之間橫向伸延的流線型水翼而獲得的。橫向水翼可以單個(gè)地或多個(gè)地設(shè)置，并且整流罩和吊艙可以成整體地結(jié)合到該設(shè)計(jì)中。這些橫向水翼顯著減小的沿流向長(zhǎng)度，與通常形狀的長(zhǎng)船體相比，在給定速度下可以顯著地增加弗勞德數(shù)。具有較短長(zhǎng)度的流線型吊艙可以用來(lái)與流線型橫向水翼相連結(jié)，或者可以用來(lái)代替流線型橫向水翼。


圖1示出關(guān)于弗勞德數(shù)為0.4，0.5和0.8的流向長(zhǎng)度與速度之間的關(guān)系。
圖2表示兩種500長(zhǎng)噸船的波阻(理論上的)予測(cè)，其一為普通SWATH的，一種為本發(fā)明的。
圖3表示在圖2中的每種設(shè)計(jì)所需的總有效功率(EHP)予測(cè)。這些功率予測(cè)既包括了剩余(波浪)阻力也包括粘性阻力。
圖4示出先有技術(shù)的SWATH船的一立體圖。主要特性參數(shù)為排水量500長(zhǎng)噸，支撐架長(zhǎng)111英尺，浸水部分船體130英尺。
圖5表示依據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的一種船的立體圖。
圖6表示圖5中的船的內(nèi)縱剖面圖。
圖7表示圖5中的船的正視圖，并以虛線示出了橫支撐架的可替換的位置。
圖8示出了穿水支撐架的理論波阻系數(shù)。
圖9示出了各種直徑與長(zhǎng)度比的浸水船體在幾種浸水深度時(shí)的理論波阻系數(shù)。
圖10示出了支撐架與船體間隔與最小波峰阻力之間的關(guān)系。
圖11到16示出了本發(fā)明的其它替換實(shí)施例。
參考圖1、2和3可最好地理解本發(fā)明的細(xì)節(jié)。
圖1中示出了一條船的水線長(zhǎng)度，速度和其運(yùn)行時(shí)的弗勞德數(shù)之間的關(guān)系。船前進(jìn)速度產(chǎn)生的重力波是船波阻力的根源。弗勞德數(shù)表示出重力波型及由此導(dǎo)致的由船產(chǎn)生的波阻。先有技術(shù)中的排水型船在低于弗勞德數(shù)0.4以下運(yùn)行，以更高的弗勞德數(shù)運(yùn)行會(huì)引起燃料效率下降并需要更高的推進(jìn)功率。
由于弗勞德數(shù)的限制，高速運(yùn)行的船的設(shè)計(jì)要求長(zhǎng)的船體，以提高運(yùn)行效率。例如，設(shè)計(jì)30節(jié)的排水船，必須500英尺(或更長(zhǎng))才能高燃料效率地運(yùn)行。
最大波阻力發(fā)生在接近弗勞德數(shù)＝0.5的曲線處，后者經(jīng)常被稱為峰速。超過(guò)弗勞速數(shù)0.5，波阻下降，在0.8到1.0弗勞德數(shù)的范圍降至一低水平。
使用本發(fā)明的船將從0.8或更高的弗勞德數(shù)運(yùn)行。
本發(fā)明的船被做成所有的浸沒(méi)船體部件(支撐架，水翼和吊艙)在順流方向的長(zhǎng)度尺寸都是較短的。長(zhǎng)度的限制由設(shè)計(jì)運(yùn)行速度和F＝0.8曲線決定。例如，對(duì)于設(shè)計(jì)速度20節(jié)以上的高效運(yùn)行的船，任一浸沒(méi)船體部件的最大長(zhǎng)度為55英尺。
圖2示出了兩只500長(zhǎng)噸船的理論波阻的比較，其中一只是通常的SWATRH船，另一只為本發(fā)明的實(shí)施例。
先有技術(shù)的SWATH船有一個(gè)由111英尺的支撐架和130英尺長(zhǎng)的浸水船體構(gòu)成的船體。基于浸沒(méi)船體長(zhǎng)度為130英尺，在15節(jié)或弗勞德數(shù)＝0.39時(shí)波阻急劇增加。波阻在20節(jié)時(shí)(弗勞德數(shù)＝0.52)接近最大值，速度再提高達(dá)35節(jié)時(shí)(弗勞德數(shù)＝0.9)僅稍微地減小。
由本發(fā)明的小水線面積船型(圖5所示)具有長(zhǎng)度為28英尺的支撐架和水翼。這種船型在7節(jié)(弗勞德數(shù)＝0.39)時(shí)波阻急劇增加，在13節(jié)(弗勞德數(shù)＝0.73)時(shí)達(dá)到最大值，在17節(jié)(弗勞德數(shù)＝0.95)時(shí)降至一個(gè)低值。雖然本發(fā)明的船型在低速時(shí)波阻較大，但在設(shè)計(jì)船速20節(jié)時(shí)實(shí)際上卻很低(8比35千磅)。
圖3表示各設(shè)計(jì)方案所要求的總功率效率(EHP)的予測(cè)。在高速時(shí)動(dòng)力的降低幾乎從19節(jié)的40%變動(dòng)至30節(jié)時(shí)的19%，或者說(shuō)，在給定的功率下，可以這現(xiàn)速度增加大約3節(jié)。
圖8示出了關(guān)于一穿水支撐架的理論波阻。在F＝0.4時(shí)支撐架的波阻迅速增加，在F＝0.5附近接近最大值，而在高弗勞德數(shù)(大于F＝1.0)后下降到一低數(shù)值。這種觀象的詳細(xì)解釋見(jiàn)前文已經(jīng)引述的Hoerner所著的書(shū)。這一特性曲線表觀了先有技術(shù)和本發(fā)明的小水線面面積船的支撐架的波阻影響的特征。本發(fā)明的講述在設(shè)計(jì)速度時(shí)弗勞德數(shù)大于或等于1.0時(shí)速度與船體弦長(zhǎng)的關(guān)系。
圖9中示出了浸水船體的理論波阻。對(duì)于各種不同浸水深度與船長(zhǎng)之比，由直徑與長(zhǎng)度之比的平方規(guī)格化的波阻系數(shù)依據(jù)弗勞德數(shù)畫(huà)出曲線。
對(duì)于穿水支撐架，波阻在F＝0.4時(shí)急劇增加，在F＝0.5時(shí)達(dá)到峰值，在低于大約0.1時(shí)降至低值。
由直徑長(zhǎng)度比的平方規(guī)格化的阻力系數(shù)隨浸水深度與長(zhǎng)度之比而變化。如圖9的曲線所確定的那樣，先有技術(shù)中的SWATH(圖4)在船速20節(jié)時(shí)，弗勞德數(shù)為0.52，船體波系數(shù)CD大約為0.09，而本發(fā)明(圖5)的較短長(zhǎng)度流線型的吊艙的阻力系數(shù)在船速20節(jié)(弗勞德數(shù)＝1.1)時(shí)阻力系數(shù)將有一個(gè)小于0.03的波阻系數(shù)。波阻系數(shù)的定義如下，DC＝波阻/ 1/2 ρV2A這里，ρ＝水的密度V＝速度A＝正面面積對(duì)于實(shí)用于半潛式船只的船體潛沒(méi)比例，波阻在弗勞德數(shù)0.4和0.8之間變得過(guò)大。由于其細(xì)長(zhǎng)的水下船體的性質(zhì)。為了高燃料效率運(yùn)行，這些船被限制在弗勞德數(shù)0.4的速度。所有上述的半潛式船的實(shí)例都設(shè)置了細(xì)長(zhǎng)的潛水船體(小斷面積與長(zhǎng)度之比)來(lái)提供主要的浮力。
圖10示出了可能的在弗勞德數(shù)0.5處時(shí)產(chǎn)生最小波阻峰值的支撐架間隔。所示橫波型是對(duì)波阻起重要作用的因素。消除這種橫波可以用把船艉支撐架按一定距離前后隔開(kāi)排列的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)，由此各支撐架產(chǎn)生的橫波有180°的相位差。橫波波長(zhǎng)和速度的關(guān)系由下式?jīng)Q定λ＝2πV2/g這里，λ＝波長(zhǎng)V＝速度g＝重力加速度橫波的消失會(huì)在支撐架間隔(X)為0.5λ，1.5λ……處發(fā)生。對(duì)于弗勞德數(shù)＝0.5，用于消除橫波的支撐架間隔(X)應(yīng)該在0.25πl(wèi)，0.75πl(wèi)，1.25πl(wèi)處。先有技術(shù)的解決方法示于圖4中。在先有技術(shù)中，支承浮力由一對(duì)實(shí)際上是平行筒形的潛水殼體2和4提供。每一潛水殼體做成長(zhǎng)圓柱形狀6，后者包括一圓形的艏部8和一錐形艉部10潛水船體2和4通過(guò)一對(duì)支撐架14和16為上部船體12提供支承浮力。支撐架長(zhǎng)而窄，盡量設(shè)計(jì)成最小。換立之，支撐架有一低的厚度弦長(zhǎng)比。
上部船體12呈一平臺(tái)狀并包括升高的上部結(jié)構(gòu)18，船用機(jī)械，船員艙等設(shè)置在平臺(tái)內(nèi)。
主要特征為排水量500長(zhǎng)噸，支撐架長(zhǎng)111英尺，潛水船體長(zhǎng)130英尺。比照船速作為水線長(zhǎng)度的函數(shù)的曲線(圖1)，可注意到在弗勞德數(shù)0.5時(shí)最大航速是20節(jié)。但這不是這種船的燃料高效率或動(dòng)力高效率航速。在弗勞德數(shù)0.4時(shí)可獲得更高的燃料效率，些時(shí)給出14節(jié)的最高航速。這個(gè)結(jié)果也示于圖3功率中。
圖5示出了一小水線面面積船20，它有一在水平面上的載荷船體結(jié)構(gòu)22，后者有一艏部24和一艉部26，從艏部懸下的是一組雙支撐架28、30。這些支撐架懸掛的是一組吊艙29、31。連結(jié)于吊艙29、31之間的是一流線型排水型水翼32。第二組支撐34，36由船體結(jié)構(gòu)的艉部26垂下，與支撐架28、30前后縱到設(shè)置。這些支撐架對(duì)著裝設(shè)有通常的船用推進(jìn)器的推進(jìn)吊艙38，40。第二個(gè)流線型排水型水翼42在推進(jìn)吊艙之間橫向伸延。
水翼31、42和吊艙29、31、38以及40提供了船浮力的主要部分。由于其順流向長(zhǎng)度短，在由弗勞德數(shù)大于0.8所確定的中速至高速時(shí)，它們可以減小波阻。
圖6示出對(duì)設(shè)計(jì)本發(fā)明的船至關(guān)重要的尺寸。支撐架和水翼弦長(zhǎng)(分別用A和B代表)。吊艙長(zhǎng)(C)和潛入深度(D)都是生成波阻的因素。這些尺寸對(duì)波阻的影響示于圖8和9中。
圖7示出了圖5中船的一正視圖，虛線表示出支撐架的可替換的設(shè)置，這些支撐架的設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)是能夠優(yōu)化上部船體橫向結(jié)構(gòu)與橫向流線型水翼的翼展的寬度。
圖11示出了與圖5所示的結(jié)構(gòu)不同的一種船，去掉了前流線型橫水翼，代之以對(duì)著前浮力吊艙的操縱鰭板。所示的支撐架從船體結(jié)構(gòu)中心向外傾斜。這種實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是增加了動(dòng)態(tài)縱頃角穩(wěn)定性。
圖12所示的船與圖5所示的基本相同，只是支撐架46、47、48和49從船體結(jié)構(gòu)中心向外傾斜一角度。
這一實(shí)施例具有可增加橫向水翼的弦長(zhǎng)，增加浮力水翼52和58的排不量而不加大上部船體寬度的優(yōu)點(diǎn)。
圖13所示的實(shí)施例沒(méi)有橫向水翼。代替橫向水翼的是對(duì)著各個(gè)支撐架的單個(gè)水翼。推進(jìn)吊艙安裝在后支撐架上，并且它們被設(shè)計(jì)成使推進(jìn)器置于推進(jìn)吊艙的前部。推進(jìn)吊艙被顯示從前支撐架懸下，以減少在某些應(yīng)用中推進(jìn)器的易損性。
圖14所示的實(shí)施例有一對(duì)延伸至幾乎船的全長(zhǎng)的支撐架50、51。這些支撐架在其前部有伸出的部分54、56和在其后部有垂直伸出部分58、60。終端連接浮筒70，72和推進(jìn)吊艙74和76。流線型水翼62和63在吊艙之間橫向伸延。
圖15示出了本發(fā)明的另外的實(shí)施例。在該實(shí)施例中，一橫向水翼直接對(duì)接在每一前支撐架上。
圖16示出了另一個(gè)可替換的實(shí)施例。在該實(shí)施例中，橫向水翼對(duì)接在艏艉支撐架上。所有的浮力部件都是水翼形狀的，沒(méi)有吊艙。
權(quán)利要求
1.一種小水線面面積高速船，包括一帶有一艏部和一艉部的在水平面上的船體結(jié)構(gòu)，一組在前的從船體結(jié)構(gòu)的艏部懸下的雙支撐架，所述雙支撐架對(duì)著在上述雙支撐架之間橫向延伸并將它們互相連接的第一橫向排水型水翼，一個(gè)從船體結(jié)構(gòu)的艉部懸下的第二組雙支撐架，上述第二組雙支撐架對(duì)著推進(jìn)吊艙，一個(gè)第二橫向排水型水翼在上述吊艙之間橫向伸延并把它們互相連接，并且上述推進(jìn)吊艙實(shí)際上只與上述第二組雙支撐架相連接。
2.一種小水線面面積高速船，包括一帶有有一艏部和一艉部的在水平面上的船體結(jié)構(gòu)，一對(duì)從船體結(jié)構(gòu)上懸下的縱向支撐架，在支撐架的前部之間伸延并與之相連接的一橫向排水型水翼，一對(duì)推進(jìn)吊艙對(duì)著上述支撐架的后部，及在上述吊艙之間伸延并與之相連接的一個(gè)第二橫向排水型水翼。
3.依權(quán)利要求2的一種小水線面面積高速船，其中，上述支撐架與船體成夾角地懸下。
4.依權(quán)利要求2的一種小水線面面積船進(jìn)一步被限定具有與第二橫向排水型水翼成整體的操縱面，上述操縱面用于在航行中提供對(duì)縱傾，橫傾，，船的運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定的操縱。
5.一種小水線面面積高速船，包括一帶有一艏部和一艉部的在水平面上的船體結(jié)構(gòu)，一個(gè)第一組雙艏支架從船體結(jié)構(gòu)的艏部懸下，一組雙艉支撐架從船體結(jié)構(gòu)的艉部懸下，第一浮力裝置，該第一浮力裝置對(duì)著上述艏野撐架組，第二浮力裝置，該第二浮力裝置對(duì)著上述雙艉支撐架組，在艏和艉支撐架的縱向長(zhǎng)度和船的設(shè)計(jì)速度之間的關(guān)第為F = V/gl]]>這里F＝設(shè)計(jì)弗勞德數(shù)V＝小水線面面積高速船的設(shè)計(jì)速度(英尺/秒)l＝支撐架的縱向長(zhǎng)度(英尺)g＝重力加速度(英尺/秒.秒)并且設(shè)計(jì)弗勞德數(shù)為0.8或更大。
6.依權(quán)利要求5的小水線面面積高速船其中，上述第一浮力裝置包括一單個(gè)的橫向艏水翼，該橫向艏水翼與每個(gè)上述的雙艏支撐架相連接，上述橫向艏水翼的縱向長(zhǎng)度與高速船的設(shè)計(jì)速度之間的關(guān)系為F = V/gl]]>這里，F(xiàn)＝設(shè)計(jì)弗勞德數(shù)V＝水水線面面積高速船設(shè)計(jì)速度(英尺/秒)l＝上述橫向船水翼的縱向長(zhǎng)度，(英尺)g＝重力加速度(英尺/秒.秒)而設(shè)計(jì)弗勞德數(shù)為0.8或更大。
7.依權(quán)利要求6的小水線面面積高速船，其中，上述艉浮力裝置包括一橫向艉水翼，該橫向艉水翼與每個(gè)上述的雙艉支撐架相連接，上述橫向艉水翼的縱向長(zhǎng)度與該船的設(shè)計(jì)速度之間的關(guān)第為F = V/gl]]>這里F＝設(shè)計(jì)弗勞德數(shù)。V＝小水線面面積高速船的設(shè)計(jì)速度(英尺/秒)l＝上述橫向艉水翼的縱向長(zhǎng)度(英尺)g＝重力加速度(英尺/秒2)而設(shè)計(jì)弗勞德數(shù)為0.8或更大。
8.依權(quán)利要求5的小水線面面積高速船，其中，每一上述船支撐架包括一浮力吊艙。
9.依權(quán)利要求8的小水線面面積高速船包括一橫向艏水翼，該橫向艏水翼連接予上述艏浮力吊艙之間。
10.依權(quán)利要求5的小水線面面積高速船，其中，上述第一浮力裝置包括一對(duì)艏浮力吊艙，每一上述第一浮力吊艙對(duì)著并連接著上述雙支撐架之一，上述第二浮力裝置包括一對(duì)艉吊艙，每一上述第二浮力吊艙對(duì)著并連接著上述雙艉支撐架之一，每一上述第一浮力吊艙的縱向長(zhǎng)度和每一上述第一浮力吊船的縱向長(zhǎng)度與該船的設(shè)計(jì)速度的關(guān)系如下F = V/gl]]>這里F＝設(shè)計(jì)弗勞德數(shù)V＝小水線面面積高速船的設(shè)計(jì)速度l＝上述每個(gè)第一和第二浮力吊艙的縱向長(zhǎng)度g＝重力加速度而設(shè)計(jì)弗勞德數(shù)為0.8或更大。
11.一種小水線面面積高速船，包括一帶有一艏部和一艉部的水上船體結(jié)構(gòu)，多個(gè)艏支撐架，上述多個(gè)艏支撐架從上述船體結(jié)構(gòu)的艏部懸下，至少一個(gè)艉支撐架，上述艉支撐架從上述船體結(jié)構(gòu)的艉部懸下，第一組多個(gè)浮力裝置，該第一組多個(gè)浮力裝置對(duì)著上述多個(gè)艏支撐架，至少一個(gè)第二浮力裝置，該第二浮力裝置對(duì)著上述艉支撐架，各上述艏支撐架，上述第一組浮力裝置，上述艉支撐裝置和上述第二組浮力裝置的縱向度與該船的設(shè)計(jì)速度之間的關(guān)系為F = V/gl]]>這里F＝設(shè)計(jì)弗勞德數(shù)V＝上述小水線面面積高速船向設(shè)計(jì)速度(英尺/秒)l＝上述每一艏支撐架，第一組浮力裝置，艉支撐架和上述第二組浮力裝置的長(zhǎng)度(英尺)g＝重力加速度(英尺/秒.秒)而設(shè)計(jì)弗勞德數(shù)為0.8或更大。
12.一種小水線面面積高速船，包括一帶有一艏部和一艉部的在水平面上的船體結(jié)構(gòu)，從船體結(jié)構(gòu)的艏部懸下的第一組雙艏支撐架，從船體結(jié)構(gòu)的艉部懸下面一組雙艉支撐架，第一浮力裝置，該第一浮力裝置對(duì)著上述艏歧撐架，第二浮力裝置，而上述第二浮力裝置對(duì)著上述雙艉支撐架。
13.依權(quán)利要求12的一種小水線面面積船，其中，上述第一浮力裝置包括一第一水翼形元件。
14.依權(quán)利要求12的一種小水線面面積船，其中，上術(shù)第二浮力裝置包括一第二水翼形元件。
15.依權(quán)利要求14的一種小水線面面積船，其中，上述第二水翼形元件在上述第二組雙支撐架之間伸延并把它們連結(jié)。
16.依權(quán)利要求15的一種小水線面面積船，其中，第一浮力裝置包括一第一水翼形元件。
17.依權(quán)利要求16的一種小水線面面積船，其中，上述第一水翼形元件在上述第一組雙支撐架之間延伸并把它們連接。
全文摘要
本發(fā)明的目的提供一種小水線面面積船，可從在由弗勞德數(shù)大于0.8所確定的中至高速有效地運(yùn)行。該船包括由穿水支撐架支承的一水上船體結(jié)構(gòu)，支撐架末端是浮力吊艙，支撐架可以對(duì)著在支撐架之間伸延的流線形橫向水翼，這些水翼和或吊艙順?biāo)鞣较虻某叽巛^短，給船提供了浮力的主要部分，并在中至高速船行時(shí)減小波阻。
文檔編號(hào)B63B1/12GK1083004SQ9310890
公開(kāi)日1994年3月2日 申請(qǐng)日期1993年6月9日 優(yōu)先權(quán)日1992年6月16日
發(fā)明者T·W·施米特 申請(qǐng)人:洛克希德導(dǎo)彈及航天有限公司