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CN111361684A - 一种船舶减阻及辅助破冰气泡系统 - Google Patents

一种船舶减阻及辅助破冰气泡系统 Download PDF

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CN111361684A CN202010203561.7A CN202010203561A CN111361684A CN 111361684 A CN111361684 A CN 111361684A CN 202010203561 A CN202010203561 A CN 202010203561A CN 111361684 A CN111361684 A CN 111361684A
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air
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吴刚
倪宝玉
刘志兵
黄嵘
王硕仁
郭鹏杰
张东江
薛彦卓
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Abstract

本发明提供一种船舶减阻及辅助破冰气泡系统，涉及极地船舶设计制造技术领域，包括：电源控制箱，分别连接一第一空气压缩机和一第二空气压缩机，用于为第一空气压缩机和第二空气压缩机供电，以及实时调节第一空气压缩机和第二空气压缩机的气体流量；储气装置，安装于破冰船的船底前缘，储气装置通过一第一通气管路连接第一空气压缩机，且储气装置底部设有单向喷气板；稳压分流气罐，稳压分流气罐的输入端连接第二空气压缩机；若干喷气组件，安装于破冰船的舭部，每个喷气组件通过一第二通气管路连接稳压分流气罐的输出端；有益效果设计占用船内空间较小，便于安装，具有设备适应性良好、利用率高的特点；能够同时实现船舶减阻及辅助破冰。

Description

一种船舶减阻及辅助破冰气泡系统
技术领域
本发明涉及极地船舶设计制造技术领域，涉及全海况航行的破冰船，尤其涉及一种船舶减阻及辅助破冰气泡系统。
背景技术
近40年来，北极海冰的覆盖面积和厚度持续缩减，极地航行和资源开发日益现实，巨大的经济利益和重要的战略意义促使国际船舶市场对专业的破冰船、各类极地运输船舶与工程船舶的需求越来越迫切。为此，提升极地船舶在冰区的破冰能力及运动性能同时减小船体航行阻力降低燃料消耗越发为研究人员所关注，除了常规的结构加强与优化破冰型线以外，增加辅助破冰系统也是较为流行的提升破冰能力手段之一。
气泡减阻技术目前普遍被认为是船舶减阻领域最具前景的研究方向，即通过把空气通入船底，在船体表面形成流体密度较低的微气泡气层，改变边界层内流体的结构，以实现降低阻力的效果，来达到节约能源的目的。虽然该技术一直是船舶工程、水动力学和军事科技等领域的研究热点之一，但国内外的研究大都聚焦于敞水海域的减阻性能，尚未有过气泡减阻技术在极地船舶领域的应用。
现有的气泡减阻技术尚未有应用于冰区船舶的先例，而现有的气泡辅助破冰技术则忽略了在敞水区域或是浮冰较少的海域难以发挥作用甚至可能增加燃料消耗的问题，因此发明一种同时具备全海况减阻与辅助破冰清冰性能的气泡辅助系统对于提升极地船舶的综合能力具有重要意义，尤其是对于我国需要经过较漫长的清水航行才能到达南北两极区域的破冰船型非常有创新意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种船舶减阻及辅助破冰气泡系统，应用于全海况航行的破冰船，具体包括：
电源控制箱，设置于所述破冰船的内部，所述电源控制箱分别连接一第一空气压缩机和一第二空气压缩机，用于为所述第一空气压缩机和所述第二空气压缩机供电，以及实时调节所述第一空气压缩机和所述第二空气压缩机的气体流量；
储气装置，安装于所述破冰船的平整的船底前缘，所述储气装置通过一第一通气管路连接所述第一空气压缩机，且所述储气装置底部设有单向喷气板；
所述第一空气压缩机输出的气体经由所述第一通气管路填满所述储气装置后，通过所述单向喷气板以微气泡的形式释放，以在所述破冰船的船底形成微气泡气层，进而实现船舶减阻；
稳压分流气罐，所述稳压分流气罐的输入端连接所述第二空气压缩机；
若干喷气组件，安装于所述破冰船的舭部，每个所述喷气组件通过一第二通气管路连接所述稳压分流气罐的输出端；
所述第二空气压缩机输出的气体经由所述稳压分流气罐进行稳压后，分别通过各所述第二通气管路输出至连接的所述喷气组件，并由所述喷气组件喷出，以在所述破冰船的舷侧形成气水混合流，进而实现辅助破冰。
优选的，所述第一空气压缩机和所述第二空气压缩机分别通过电缆连接所述电源控制箱。
优选的，所述储气装置呈半圆弧形结构且关于所述破冰船的中纵剖面对称。
优选的，所述储气装置位于所述第一空气压缩机的下方，且所述第一通气管路为竖直通气管路。
优选的，所述单向喷气板上设有若干单向喷气孔。
优选的，每个所述第二通气管路包括与所述稳压分流气罐连接的竖直通气管路以及连接所述竖直通气管路和所述喷气组件的水平通气管路。
优选的，所述喷气组件包括两喷嘴，两所述喷嘴之间通过一连接管路连接，且所述连接管路的中部与所述水平通气管路连通。
优选的，所述喷嘴为单向喷嘴。
优选的，所述水平通气管贴合在所述破冰船的船底且各所述水平通气管路整体关于所述破冰船的中纵剖面对称。
优选的，所述稳压分流气罐上设有控制气阀。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
1)采用气泡技术进行船舶减阻和辅助破冰，是一种新型绿色技术，其具有可再生、无污染、能反复使用以及对环境扰动极小等一系列优点；
2)该系统的设计占用船内空间较小，便于安装，无需对现有船体进行大幅度的改造即可实现，具有设备适应性良好、利用率高的特点；
3)该系统功能丰富且具备控制系统能有效地调节控制两部分功能，在极地较开阔碎冰极少的海域或是破冰船已开辟的航道中航行时，可以只开启船底的气泡减阻系统以节省能源提高效率，而在冰情较为复杂时同时运行两部分功能以达到最佳破冰减阻效果。
附图说明
图1为本发明的较佳的实施例中，一种船舶减阻及辅助破冰气泡系统的结构示意图；
图2为本发明的较佳的实施例中，一种船舶减阻及辅助破冰气泡系统的俯视图；
图3为本发明的较佳的实施例中，一种船舶减阻及辅助破冰气泡系统的安装侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。
本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种船舶减阻及辅助破冰气泡系统，应用于全海况航行的破冰船，如图1至图3所示，具体包括：
电源控制箱1，设置于破冰船100的内部，电源控制箱1分别连接一第一空气压缩机2和一第二空气压缩机3，用于为第一空气压缩机2和第二空气压缩机3供电，以及实时调节第一空气压缩机2和第二空气压缩机3的气体流量；
储气装置4，安装于破冰船100的平整的船底前缘，储气装置4通过一第一通气管路5连接第一空气压缩机2，且储气装置4底部设有单向喷气板6；
第一空气压缩机2输出的气体经由第一通气管路5填满储气装置后，通过单向喷气板6以微气泡的形式释放，以在破冰船100的船底形成微气泡气层，进而实现船舶减阻；
稳压分流气罐7，稳压分流气罐7的输入端连接第二空气压缩机3；
若干喷漆组件，安装于破冰船100的舭部，每个喷漆组件通过一第二通气管路9连接稳压分流气罐7的输出端；
第二空气压缩机3输出的气体经由稳压分流气罐7进行稳压后，分别通过各第二通气管路9输出至连接的喷漆组件，并由喷漆组件喷出，以在破冰船100的舷侧形成气水混合流，进而实现辅助破冰。
具体地，本实施例中，基于我国的地理位置，破冰船在由我国直航至南极或北极的过程中，首先要经过没有冰的敞水区域或是浮冰较少的海域的航行海况，在到达极地区域后需要进行破冰，因此需要进行全海况航行的功能兼容。本发明旨在提供同时具备全海况减阻与辅助破冰清冰性能的一种船舶减阻和辅助破冰气泡系统，在设计引入船底微气泡气层达到敞水减阻目的同时，本发明为了更好的实现冰区航行中辅助破冰清冰功能进一步设计在船舶舭部加装了一系列喷嘴以及管路系统，使得沿舷侧流动的气泡流量大幅度增加；同时分别为船底与舭部两部分喷嘴配置了独立的空气压缩机，由共同的电源控制箱控制，根据航行环境的需求调节不同部分的流量亦或单独运行其中一个部分，使两部分相辅相成，在清水航行工况和冰区破冰工况两种不同应用场景均能达到最佳的减阻与节能效果。进一步地，通过一系列实验发现在冰区环境下气泡减阻技术的作用机理与敞水区域产生了较大变化，船底所产生的气泡不仅覆盖在船底表面产生了一定的减阻效果，同时当气泡从船底两侧溢出沿舷侧上升时形成了一股气水混合流对冰区海域中的碎冰和浮冰都产生了一定的有利于降低破冰清冰阻力影响。故本发明既能适用于冰区船舶的既能通过气泡层降低船底摩擦阻力，又能实现在冰区航行中有效降低破冰清冰阻力。
进一步具体地，本发明的船舶减阻及辅助破冰气泡系统包括设置在破冰船100的船体内部的电源控制箱1、第一空气压缩机2、第二空气压缩机3和稳压分流气罐7，其中，第一空气压缩机2和第二空气压缩机3优选通过电缆8分别连接电源控制箱1，稳压分流气罐7与第二空气压缩机3连接。
船舶减阻及辅助破冰气泡系统还包括安装在破冰船100的平整船底前缘处的储气装置4，以及安装在破冰船100的舷侧靠近船底部分，即舭部附近的喷漆组件，其中，储气装置4通过第一通气管路5连接第一空气压缩机2，且储气装置4的底部设有单向喷气板6，在单向喷气板6上设有多个喷气孔，喷气孔由压力控制开合；上述第一通气管路5优选为竖直通气管路，上述储气装置4优选呈半圆弧形结构且关于破冰船100的中纵剖面对称。船底部分，气体经第一空气压缩机2压缩后进入储气装置4，先均匀填满储气装置4后，气体通过单向喷气板6以微气泡的形式释放进入船底与水体接触的边界层，在船底形成均匀稳定的微气泡气层并随船体运动渐渐布满整个平整船底达到降低航行阻力的效果。
上述喷漆组件通过第二通气管路9连接稳压分流气罐7，上述第二通气管路9优选包括连接稳压分流气罐7一端的竖直通气管路，以及连接喷漆组件一端的水平通气管路，且各水平通气管路整体关于破冰船100的中纵剖面对称。上述喷漆组件优选具有两喷嘴81，该喷嘴81优选为圆形喷孔。船体舷侧部分，气体经第二空气压缩机3压缩后进入稳压分流气罐7，当气体充分填满整个稳压分流气罐7并经控制气阀71调节至所需稳定的气压后，通过第二通气管路9及上述喷嘴81喷射于水中，形成沿船体舷侧上升的强烈气水混合流以及聚集在冰层下的气泡空腔，达到辅助破冰清冰效果。上述喷嘴81优选为单向喷嘴，避免了气体及海水回流的影响。
进一步具体地，如图3所示，气泡的破冰作用在于当舷侧气泡11沿船体上升至冰层10以下时，会在冰层10下表面聚集形成大量气泡腔，这部分气泡腔排开海水的同时带走了海水对于冰层的流体支承力，使层冰失去弹性支撑(水的支撑)而更易破坏；气泡的清冰作用在于气体离开喷气孔及单向喷嘴沿船体向上运动，与此同时舷侧气泡11膨胀，沿舷侧形成一股强烈的向上的气水混合流，气水混合流将在船体和破碎的海冰之间形成一层润滑层，有效地降低碎冰、覆雪对船体的摩擦力，从而极大地降低清冰阻力。
气泡减阻功能的实现在于当气体通过第一通气管路5进入储气装置4，先均匀填满储气装置4后气体通过单向喷气板6以微气泡的形式释放进入船底与水体接触的边界层，随着船体的运动形成布满整个船底均匀稳定的微气泡气层12，该船底微气泡气层12能大幅减小船体与海水等介质之间摩擦阻力，在大量实验中总阻力减阻率能达到10％以上。
更为优选的，本发明的电源控制箱1通过调节第一空气压缩机2和第二空气压缩机3的空气流量，以调节船底气泡减阻部分与舷侧气泡辅助破冰清冰部分的不同流量，系统两部分可同时工作亦可分别单独运行，在敞水海域航行时开启船底气泡减阻部分能有效降低船底与水体间摩擦阻力，而降低舷侧气泡辅助破冰清冰部分的流量或是完全关闭能有效减少燃料消耗达到节能目的；在遭遇恶劣冰况时全开舷侧气泡辅助破冰清冰部分能极大的降低冰阻力，同时船底的微气泡气层又能形成润滑层避免部分碎冰滑移至船底所造成的额外船冰摩擦阻力，保证了该系统在各种海况及天气条件下均能实现较好的破冰或减阻效果。
本发明的较佳的实施例中，第一空气压缩机1和第二空气压缩机2分别通过电缆8连接电源控制箱1。
本发明的较佳的实施例中，储气装置4呈半圆弧形结构且关于破冰船100的中纵剖面对称。
本发明的较佳的实施例中，储气装置1位于第一空气压缩机2的下方，且第一通气管路5为竖直通气管路。
本发明的较佳的实施例中，单向喷气板6上设有若干单向喷气孔。
本发明的较佳的实施例中，每个第二通气管路9包括与稳压分流气罐7连接的竖直通气管路以及连接竖直通气管路和喷漆组件的水平通气管路。
本发明的较佳的实施例中，喷漆组件包括两喷嘴81，两喷嘴81之间通过一连接管路82连接，且连接管路82的中部与水平通气管路连通。
本发明的较佳的实施例中，喷嘴81为单向喷嘴。
本发明的较佳的实施例中，水平通气管贴合在破冰船100的船底且各水平通气管路整体关于破冰船100的中纵剖面对称。
本发明的较佳的实施例中，稳压分流气罐7上设有控制气阀71。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种船舶减阻及辅助破冰气泡系统，应用于全海况航行的破冰船，其特征在于，具体包括：
电源控制箱，设置于所述破冰船的内部，所述电源控制箱分别连接一第一空气压缩机和一第二空气压缩机，用于为所述第一空气压缩机和所述第二空气压缩机供电，以及实时调节所述第一空气压缩机和所述第二空气压缩机的气体流量；
储气装置，安装于所述破冰船的平整的船底前缘，所述储气装置通过一第一通气管路连接所述第一空气压缩机，且所述储气装置底部设有单向喷气板；
所述第一空气压缩机输出的气体经由所述第一通气管路填满所述储气装置后，通过所述单向喷气板以微气泡的形式释放，以在所述破冰船的船底形成微气泡气层，进而实现船舶减阻；
稳压分流气罐，所述稳压分流气罐的输入端连接所述第二空气压缩机；
若干喷气组件，安装于所述破冰船的舭部，每个所述喷气组件通过一第二通气管路连接所述稳压分流气罐的输出端；
所述第二空气压缩机输出的气体经由所述稳压分流气罐进行稳压后，分别通过各所述第二通气管路输出至连接的所述喷气组件，并由所述喷气组件喷出，以在所述破冰船的舷侧形成气水混合流，进而实现辅助破冰。
2.根据权利要求1所述的船舶减阻及辅助破冰气泡系统，其特征在于，所述第一空气压缩机和所述第二空气压缩机分别通过电缆连接所述电源控制箱。
3.根据权利要求1所述的船舶减阻及辅助破冰气泡系统，其特征在于，所述储气装置呈半圆弧形结构且关于所述破冰船的中纵剖面对称。
4.根据权利要求3所述的船舶减阻及辅助破冰气泡系统，其特征在于，所述储气装置位于所述第一空气压缩机的下方，且所述第一通气管路为竖直通气管路。
5.根据权利要求1所述的船舶减阻及辅助破冰气泡系统，其特征在于，所述单向喷气板上设有若干单向喷气孔。
6.根据权利要求1所述的船舶减阻及辅助破冰气泡系统，其特征在于，每个所述第二通气管路包括与所述稳压分流气罐连接的竖直通气管路以及连接所述竖直通气管路和所述喷气组件的水平通气管路。
7.根据权利要求6所述的船舶减阻及辅助破冰气泡系统，其特征在于，所述喷气组件包括两喷嘴，两所述喷嘴之间通过一连接管路连接，且所述连接管路的中部与所述水平通气管路连通。
8.根据权利要求7所述的船舶减阻及辅助破冰气泡系统，其特征在于，所述喷嘴为单向喷嘴。
9.根据权利要求6所述的船舶减阻及辅助破冰气泡系统，其特征在于，所述水平通气管贴合在所述破冰船的船底且各所述水平通气管路整体关于所述破冰船的中纵剖面对称。
10.根据权利要求1所述的船舶减阻及辅助破冰气泡系统，其特征在于，所述稳压分流气罐上设有控制气阀。
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