1.发明涉及空气润滑船和气腔，也称为“空气释放单元”，其中船包括具有底部的船体和空气润滑系统，该空气润滑系统用于当船正在水中移动时在底部和沿着底部流动的水之间提供空气润滑层。空气润滑系统包括由侧壁、顶壁和界面平面限定的至少一个腔体，界面平面位于离顶壁某一距离处并且基本上在底部的水平处横向于侧壁延伸，腔体具有前端、后端和沿腔体的长度方向延伸的长度lc，具有与腔体的开口间隔开的空气入口。


背景技术：

2.从以申请人的名义提交的wo2015/133899中已知这种系统和船。在该公布中，描述了通过提供相对小尺寸的开式腔体并且在大约液体静压力下将空气注入到腔体中来实现船的平坦的底部的有效空气润滑，从而在底部的高度处形成基本上平坦的水
‑
空气界面。在该界面处，由于开尔文亥姆霍兹(kelvin helmholtz)不稳定性的发生，空气混入水中，并且气泡流从腔体的后部逸出。发现这种腔体提供了稳定和有效的方式来提供沿底部包含在边界层中的一层气泡，减小摩擦阻力使得由于在推进期间摩擦减小导致的能量增益远远超过在液体静压力下将空气注入腔体所需的额外能量。使用空气润滑系统，可以实现减少高达10％的燃料消耗。
3.为了便于在起动期间排空腔体，可以使用横向延伸穿过腔体的一个或多个导流板。导流板减小了腔体内的紊流，并且使空气在腔体内保持较长的时间，从而需要在起动期间用于注入较小功率空气的降低容量的压缩机。
4.本发明的目的是提供上述类型的空气润滑系统和空气释放单元，其具有改善的效率并且利用相对少量的能量来润滑船体。本发明的又一个目的是改善空气润滑和从腔体释放空气的稳定性。本发明的另一个目的是提供空气润滑系统，在空气润滑系统中可以简化在船体底部中的腔体的安装。


技术实现要素：

5.至此，根据本发明的气腔船包括由侧壁、顶壁和界面平面限定的至少一个腔体，界面平面位于离顶壁的距离为hc处并且基本上在底部的水平处横向于侧壁延伸，腔体具有前端、后端并且在其后端处具有宽度wr，其中比率lc/hc在6:1至15:1的范围内。比率wr/hc在1.3:1至5:1的范围内，并且比率lc/wr在3.5:1至7:1的范围内，长度lc在2m和10m之间，优选在4m和8m之间，其中，侧壁从侧壁接触的前端处的鼻部分延伸到位于离前端的距离lt处的过渡区，后端和过渡区之间的侧壁相对于腔体的长度方向以角度延伸，使得当在向后方向上行进时，侧壁之间的距离沿着腔体的长度增加。
6.如本文中所限定的，对于“过渡区”，边界是指沿着在鼻部分的会聚侧壁和朝向腔体的后端延伸的腔体的侧壁部件之间的腔体的长度。
7.通过根据发明的相对小尺寸的空气润滑腔体的发散侧壁，气泡将以较宽的尾部离开腔体，这导致用气泡更有效地覆盖船体的底部。因此，可以使用较小数量的空气润滑腔
体，例如12个而不是14个来润滑底部。与wo2015/133899中描述的已知空气润滑系统相比，从过渡区向后端延伸的侧壁在已知空气润滑系统中平行放置，使用根据本发明的腔体，可以实现降低约15％的用于空气润滑的能量消耗。
8.通过根据发明的发散侧壁，已经出现腔体的长度方向可以在腔体的位置处偏离流线的方向，同时仍然实现对流动方向较不敏感的稳定气泡释放。这允许安装气腔和使气腔的长度方向相对于流线成角度的较大自由度。由于根据本发明的腔体不需要与流线完全对准，因此这使得腔体的安装能够平行于船结构部件(诸如纵梁、舱壁和加强结构)。这极大地简化了建造新建船和/或通过在底部中切割用于在其中容纳腔体单元的孔来改造现有的船的工艺。
9.还发现，根据本发明的气腔的发散侧壁减小了在腔体的后端处形成的涡流，从而减小了阻力并且提高了润滑的效率。
10.优选地，鼻端基本上是v形或匕首形。匕首形的鼻具有防止在自由表面处的腔体内形成波浪的优点。
11.应当注意，从欧洲专利申请ep0667282中已知高速表面效应船中的大尺寸v形气腔。已知的腔体延伸超过船的长度的一半，一直延伸到船尾。已知的气腔不适于受控地释放通过在腔体界面平面处的空气和水的开尔文
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亥姆霍兹混合形成的并且在离开该腔体之后粘附到底部的下游部件的气泡。
12.过渡位置lt可以位于离前端1m和2m之间的距离处，优选地在1.2m和1.8m之间的距离处。
13.在根据发明的船的实施方式中，在顶壁中、在与过渡位置lt基本上对应的长度位置处设置有空气入口。发现这产生了腔体内的最佳空气分布，产生了腔体内的最小压差和空气
‑
水界面的最小扰动。
14.在根据发明的船的实施方式中，靠近后端的侧壁之间的距离wr在70cm和150cm之间，优选在80cm和120cm之间，并且其中，在过渡区处的侧壁之间的距离wt在40cm和70cm之间，优选在45cm和60cm之间。
15.根据发明的气腔的紧凑尺寸提供了稳定和有效的空气润滑。
16.优选地，腔体的后壁从顶表面向下倾斜，以在50cm和2m之间、优选地在1m和1.5m之间的后壁长度lr上与界面平面相切。
17.倾斜的后壁终止于界面平面并且形成楔形释放部分，空气/水混合物可以从该楔形释放部分以受控的方式离开腔体以均匀地散布在下游底部部件上。优选地，腔体下游的底部部分基本上是平坦的，使得气泡粘附到底部，并且不具有向上朝向水表面移动的可能性。
18.导流板可以基本上平行于界面平面地位于离界面平面1cm和50cm之间的距离处，导流板具有基本上平行于腔体的侧壁的侧壁，并且在离侧壁1cm和10cm之间的距离处延伸。通过导流板，在起动时可以快速地用空气填充腔体。在使用时，通过导流板防止波浪进入腔体，防止腔体的空气排空，从而提高腔体的稳定性。导流板可以根据以申请人的名义提交的wo2013/125951、wo2015/133899或wo2018/044163来布置。
19.在根据发明的优选实施方式中，船包括沿船的底部的流线，并且在中心线的每侧上具有在跨过底部的不同宽度位置处的两个或更多个腔体，每个腔体定位成使得腔体的长
度方向与腔体的位置处的流线成在0.01
°
和7
°
之间、优选在0.01
°
和5
°
之间的角度。
20.根据发明的包括发散侧壁的腔体的设计使得腔体对水流的方向较不敏感。因此，可以将根据发明的腔体放置成不与沿着船的底部的流线精确对准，而是将腔体与船的内部加强结构(诸如，舱壁和梁)对准。因此，简化了腔体的设计和布置，并且使腔体的构造更具成本效益。
21.根据发明的船可以在中心线的每侧上在长度方向上包括两个腔体，其中，当在长度方向上看时，最靠近船的船首放置的向前的腔体的前端和更靠近船尾放置的腔体的前端之间的距离在4m和10m之间。
22.腔体可以在船的长度方向上以相对较大的距离间隔开，同时仍然用气泡覆盖整个(优选地是平坦的)底部。此外，从腔体释放的气泡的尾部相对较宽，从而使用减少的空气量实现气泡层的大面积覆盖。
附图说明
23.根据本发明的船的一些实施方式将通过非限制性示例的方式参照附图进行详细描述。在附图中：
24.图1示出了包括根据发明的空气润滑系统的船的示意性侧视图；
25.图2示出了包括发散侧壁的空气释放单元或腔体单元的立体图；
26.图3示出了根据发明的腔体单元的侧视图；
27.图4示出了根据发明的腔体单元的俯视图；
28.图5示出了包括多个根据发明的空气润滑腔体的船的底部的平面图；以及
29.图6示意性地示出了腔体相对于流线的位置。
具体实施方式
30.图1示出了长度lv在20m和500m之间并且宽度在5m和75m之间的船1。船1可以具有至少10000吨、优选至少50000吨的排水量，并且是远洋船。船1具有船体4，船体4具有船首2、船尾3、侧部5、基本上平坦的底部6和螺旋桨10。在底部6的平面内敞开的空气润滑腔体7、8沿着底部6分布，以产生在边界层中沿着平坦的底部6朝向船尾3行进的一层气泡9。压缩机11、12连接到每个腔体7、8，用于在船的主要吃水水平处至少在每个腔体内部的液体静压下供应空气。压缩机11、12具有连接到腔体7、8的空气出口管道14，并且具有用于吸入环境空气的空气入口管道13。压缩机11、12由控制器15控制，用于根据航行速度、海况和在起动和停止期间调节空气供应。
31.图2示出了空气润滑系统16，其被构造为形成腔体33的整体模块，腔体33可以被装配到船1的船体4的底部6中。系统16包括沿着中心线51在长度方向上从前端22延伸到后端28的侧壁18、18’。顶壁19在侧壁的上边缘处延伸跨过侧壁，从而限定了腔体33。侧壁18、18’由凸缘17上的下边缘29支撑，凸缘17可以焊接到船1的平坦的底部6中。侧壁18、18’界定了基本上与船的平坦的底表面齐平的开口20。在使用中，开口20形成平滑的空气
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水界面平面，由于开尔文亥姆霍兹混合效应，空气在平滑的空气
‑
水界面平面混合到水中。在界面平面处与水混合的气泡沿着后边缘21离开腔体，以从腔体平滑地过渡到下游平坦的底部部分上，并在边界层中沿着平坦的底部6在船尾3的方向上不受限制地行进。凹形弯曲的、向下倾
斜的后壁部件27从顶壁19到后边缘21延伸大约1.5m的长度lr，以将腔体内的空气和水以平滑的流动模式引导到沿着较低的后边缘21定位的出口点。
32.在腔体33的前端22附近，设置有匕首形的鼻部分24，其沿着长度lt从前端22延伸到过渡区26。侧壁18、18’沿向后方向从过渡区26发散到后端28。空气入口23位于顶壁19中。空气入口23可以连接到压缩机11、12的空气出口管道14中的一个。
33.在腔体33内，导流板25在距离侧壁18、18’的1cm和几个cm之间的小距离处跨过开口20的最大部分延伸。腔体33的长度lc可以是大约4m，长度lt可以是大约1m，后部的宽度wr是大约1m，过渡区26处的wt是大约50cm，并且高度hc是大约50cm。侧壁18、18’可以具有16mm的厚度，而凸缘17和顶壁19可以具有20mm的厚度。
34.腔体33内的导流板25稳定腔体内的水流。这是重要的，因为导流板能够在船起动期间用空气填充腔体，并防止腔体例如由于波浪充满水。其次，当空气润滑系统16关闭(没有空气输出)时，导流板25使腔体的阻力最小化。
35.导流板25定位在腔体的界面平面上方，用于在船的航行速度期间获得通过腔体的未受干扰的水流。当腔体33充满空气时，导流板25与水表面相隔。导流板有助于在船的横摇运动期间保持开尔文亥姆霍兹界面稳定。
36.腔体33的后壁27处的斜面保证了气泡平滑地释放到船的边界层中，并且被设计成将通过开尔文亥姆霍兹混合形成的气泡注入到船表面边界层中，从而最小化垂直分散并且优化减阻。
37.腔体33的鼻部分24的形状通过开尔文亥姆霍兹效应控制水流，使空气/水界面处的波浪不稳定性最小化并且改善进入边界层的一致的空气混合。
38.腔体33的长度lc被选择得足够长，例如大约4m，以产生稳定的开尔文亥姆霍兹空气混合效应，用于恒定的气泡产生和气泡流进边界层。
39.跨过底部6的多个腔体33的相对定位对于使船体的空气润滑的表面区域最大化是重要的。
40.腔体的尺寸决定了稳定气泡产生所需的空气体积和在气穴坍塌之后腔体的恢复所需的空气体积。优化腔体的尺寸决定了整体润滑效率和总的空气润滑的效率。
41.图3以侧视图示出了空气润滑系统16。腔体从界面平面20到顶壁19的高度hc可以是大约45cm。导流板25离界面平面20的高度hd例如可以是5cm。腔体从前端22到后边缘21的长度lc可以是4m。过渡区26离前端22的距离lt可以是大约1m。入口23定位在过渡区26附近。
42.图4示出了空气润滑系统的俯视图，其中导流板25的边缘由虚线表示。侧壁18、18’从过渡区26沿向后方向以例如大约5
°
的发散角α延伸到腔体33的中心线51和平行于该中心线51的任何线。根据船体结构，角度α可以在2
°‑
10
°
、优选2
°‑8°
、更优选4
°‑7°
的范围内。在侧壁18、18’的端部处的腔体的后部宽度wr可以是大约1m。在过渡区26处的腔体的宽度wt可以是大约50cm。
43.以高达大约10
°
的角度α放置的发散侧壁18、18’导致跨过底部的发散空气覆盖层，从而提供了减少空气润滑系统的数量并且使用减少的空气量利用气泡充分覆盖船体底部的可能性。在给定的船体结构中，腔体设计使得角度α尽可能大以获得最佳的空气润滑。
44.在后端28处的发散侧壁18、18’的后边缘防止了涡流的形成，从而改善了空气润滑稳定性并且降低了摩擦阻力。
45.图5示出了船1的底部6和流线40、41，水沿着流线40、41从船首2流向船尾。多个腔体42
‑
47在沿着船的宽度wv(可以达到例如20m)的不同位置处延伸，从船的中心线50向侧面呈扇形散开的v形分布。腔体的中心线不需要沿着流线40、41精确对准。由于发散的侧壁，当从船的长度方向上看时，两个相邻腔体45、46之间的距离li可以相对较大，比腔体长度长诸如1
‑
3m、例如4m
‑
7m或更长。
46.图6示出了腔体16，该腔体16以其中心线51相对于流线41成介于0.01
°
和7
°
之间的角度β放置。在船体设计中，角度β小于角度α，并且优选地选择成使得在前端与腔体相交的流线在船尾离开腔体，优选地在侧壁18、18’之间沿着后端28离开腔体。