本发明涉及一种破冰船舶，其包括带有船底(2)、船艏(3)和船尾(4)的船体。其中船艏(3)包括前倾的上船艏部(31)、下球艏部(33)和中间艏部(32)。该船舶设计带有结构水线(W1)、上破冰水线(W3)和下破冰水线(W2)。为了提高船舶的破冰能力，当船舶在船舶的结构水线(W1)处操作时，下球艏部(33)的上部表面布置成位于水面处或附近。当船舶在船舶的下破冰水线(W2)处操作时，下球艏部(33)的下部表面布置成穿透水面。当船舶在船舶的上破冰水线(W3)处操作时，前倾的上船艏部(31)布置成穿透水面。本发明还涉及用于操作该破冰船舶的方法。
1.一种破冰船舶，该破冰船舶包括带有船底(2)、船艏(3)和船尾(4)的船体，其中船艏(3)包括前倾的上船艏部(31)、下球艏部(33)和位于所述前倾的上船艏部和所述下球艏部之间的中间艏部(32)，所述下球艏部(33)在所述船舶的长度方向上的下球艏部(33)的给定位置(S1)处具有球鼻根部截面(34)，破冰船舶(1)设计带有结构水线(W1)、上破冰水线(W3)和下破冰水线(W2)，其特征在于：-当所述船舶在所述船舶(1)的结构水线(W1)处操作时，所述下球艏部(33)的上部表面布置成位于水面处或附近；
-当所述船舶在所述船舶(1)的下破冰水线(W2)处操作时，所述下球艏部(33)的下部表面布置成穿透所述水面；-当所述船舶在所述船舶(1)的上破冰水线(W3)处操作时，前倾的上船艏部(31)布置成穿透所述水面；且-给定位置(S1)处的所述下球艏部(33)的所述球鼻根部截面(34)的截面积小于第一位置(S2)处的所述下球艏部的截面积并且大于第二位置(S3)处的位于所述结构水线(W1)下的所述船艏(3)的截面积，其中第一位置在所述船舶的所述长度方向上位于所述给定位置(S1)的前部，第二位置在所述船舶的所述长度方向上位于所述给定位置(S1)的后部。
2.如权利要求1所述的破冰船舶，其特征在于当所述船舶在所述上破冰水线(W3)处操作时，所述前倾的上船艏部(31)与海平面之间的角度 至多40度。
3.如权利要求2所述的破冰船舶，其特征在于所述角度 在10度至40度之间。
4.如权利要求1所述的破冰船舶，其特征在于当所述船舶在所述上破冰水线(W3)处操作时，所述前倾的上船艏部(31)与海平面在所述船舶的所述长度方向上的第三位置(S4)处相交，且在所述船舶的所述长度方向上的所述第三位置(S4)处，所述船艏(3)的型线与所述船舶的中心线(CL)处的竖直平面间的角度(β1)至少为75度。
5.如权利要求1或4所述的破冰船舶，其特征在于在所述船舶的所述长度方向上的给定位置(S1)和第三位置(S4)间的中间位置处，所述船艏(3)的型线与所述船舶中心线(CL)处的竖直平面间的角度(β2)至多60度。
6.操作破冰船舶的方法，该破冰船舶包括带有船底(2)、船艏(3)和船尾(4)的船体，其中船艏(3)包括前倾的上船艏部(31)、下球艏部(33)和位于所述前倾的上船艏部和所述下球艏部之间的中间艏部(32)，所述下球艏部(33)在所述船舶的长度方向上的下球艏部给定位置(S1)处具有球鼻根部截面(34)，破冰船舶(1)设计带有结构水线(W1)、上破冰水线(W3)和下破冰水线(W2)，其特征在于根据所述方法：-当所述船舶在所述船舶(1)的结构水线(W1)处操作时，将所述下球艏部(33)的上部表面保持在位于水面处或附近；
-当所述船舶在所述船舶(1)的下破冰水线(W2)处操作时，使所述下球艏部(33)的下部表面穿透所述水面；
-当所述船舶在所述船舶(1)的上破冰水线(W3)处操作时，使所述前倾的上船艏部(31)穿透所述水面；并且
通过使所述给定位置(S1)处的所述下球艏部(33)的所述球鼻根部截面(34)的截面积小于第一位置(S2)处的所述下球艏部的截面积并且大于第二位置(S3)处的位于所述结构水线(W1)下的所述船艏(3)的截面积来增强冰或者碎冰块在所述船舶的所述长度方向上沿所述船体的向后的运动，其中第一位置在所述船舶的所述长度方向上位于所述给定位置(S1)的前部，第二位置在所述船舶的所述长度方向上位于所述给定位置(S1)的后部。
破冰船舶
技术领域
[0001] 本发明涉及根据权利要求1的前序所述的一种在水体中操作的破冰船舶，水体具有位于海平面的水面，该船舶包括带有船底、船艏和船尾的船体，其中船艏包括前倾的上船艏部、下球艏部和位于前倾的上船艏部和下球艏部之间的中间艏部，下球艏部在船舶的长度方向上的给定位置处具有球鼻根部截面，该破冰船舶设计有结构水线、上破冰水线和下破冰水线。本发明还涉及一种根据权利要求8的前序所述的用于操作破冰船舶的方法。
背景技术
[0002] 对于海洋船舶，已知通过在船舶的船艏处安装球状体，也就是所谓的球艏部来降低阻力，因而降低动力需求并减小燃料消耗。经过适当设计的球艏部能影响船舶产生的波浪从而降低能量损失。例如在公告号为EP2391533B1的欧洲授权专利中公开了这样的示例，其中球艏部设计用于开放水域。
[0003] 通常认为不适于将球艏部用于在冰况下操作的船舶。然而，近来已经为用于在冰区、即冰况下操作的船舶设计带有球艏部。例如KR20120139268、KR 20080107070和KR 20060039270中公开了这样的示例。然而，考虑到希望和需要能够在开放水域和冰况下操作这些已知的船舶，需要球艏部的设计作出折衷。冰况会制约将球艏部设计为具有有利的流体动力学的型线。结果是，已知带有球艏的船舶的性能劣于带有用于开放水域的良好设计的球艏的船舶或带有良好设计的破冰船艏的船舶。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中的不足并提供一种能够在重度、中度和轻度冰况下高效破冰的船舶并同时确保不削弱船舶在开放水域的操作效率。利用根据权利要求1的破冰船舶来实现该目的。
[0005] 本发明的基本思想是设计一种海洋船舶，当需要在不同冰况下进行破冰操作和需要在开放水域进行操作时均具有优越的性能。这种设计的出发点是结构水线。将船舶设计成：当船舶在船舶的结构水线处操作时，下球艏部的上部表面位于水面处或附近；当船舶在船舶的下破冰水线处操作时，将下球艏部的下部表面布置成穿透水面；且当船舶在船舶的上破冰水线处操作时，将前倾的上船艏部布置成穿透水面。
[0006] 下面将给出本发明的有益效果。
[0007] 当船舶在船舶的结构水线处操作时，船舶被加载且不存在纵倾。在船舶处于漂浮位置时，下球艏部的上部表面设计成位于水面处或附近。实际上，术语“位于…处或附近”是指下球艏部的上部表面整体地或局部地位于水面处，也可以是略低于或略高于水面。在冰况下，下球艏部的上部表面有利地设计成与在轻度和中度冰况下遇到的冰或冰盖抵接。换句话说，在该漂浮位置时能够在轻度和中度冰况下最优地操作船舶。
[0008] 当船舶在下破冰水线处操作时，例如假设是货船的船舶是空仓且在压舱工况下操作。可替代地，为处于漂浮位置，可通过移动压舱物、消耗货物或者移动货物来有意地使船舶纵倾。在该漂浮位置，能够以非常恰当的方式在轻度和中度冰况下操作船舶。
[0009] 当船舶在上破冰水线处操作时，操作船舶以使船艏向下纵倾。在该漂浮位置时能够在重度冰况下最优地操作船舶。例如可以通过货物或压舱物的分布或更换压舱液体以达到该漂浮位置。
[0010] 在本发明的一个有利的实施例中，给定位置处的下球艏部的球鼻根部截面的截面积小于第一位置处的下球艏部的截面积，其中第一位置位于给定位置的前部。
[0011] 给出的下球艏部的设计能够进一步提高船舶在冰况下的适应性和操作效率，该设计例如是使球鼻根部截面处的球鼻的截面积小于位于球鼻根部截面前方的球鼻的截面积。这允许冰或者碎冰块轻易地沿船舶的船体向后移动到船尾。
[0012] 根据本发明的又一个有利的实施例，给定位置处的下球艏部的球鼻根部截面的截面积大于第二位置处的位于结构水线下的船艏的截面积，第二位置位于给定位置的后部。这进一步有利于冰或者碎冰块沿船舶的船体向后的流动。
[0013] 在本发明的一个有利的实施例中，当船舶在上破冰水线处操作时，前倾的上船艏部与海平面之间的角度至多为40度。这提升了在重度冰况下的船舶破冰能力。在这方面，优选角度在10度至40度之间。
[0014] 当船舶在上破冰水线处操作时，前倾的上船艏部与海平面在船舶的长度方向上的第三位置处相交。为了提高船舶在水体中的通过性，在船舶的长度方向上的第三位置，使船艏的型线与船舶中心线处的竖直平面间的角度至少为75度。
[0015] 为进一步改善破冰船舶的操作，有利的是在船舶的长度方向上的第三位置和给定位置间的中间位置处，使船艏的型线与船舶中心线处的竖直平面间的角度至多为60度。
[0016] 对于海洋船舶来说，术语船体、船底、船艏、球鼻、球艏和船尾具有通常的含义。球鼻根部截面是球鼻在交叉点处的竖直截面，该交叉点是倾斜的上船艏部的下端，即中间艏部与突出下球艏部，即球鼻交叉的位置。缺少清楚的交叉点时，则是中间艏部的横向轮廓最靠后的转折点。船舶的长度是指船舶在长度方向上在船艏和船尾间的长度。船舶宽度是指船舶在结构水线处的最大横向宽度
[0017] 结构水线限定了这样的水线，船舶设计成以该水线为基础完成其主操作，该主操作例如可以与载荷、推进力、速度等有关。上破冰水线限定了期望船舶在冰中操作的最高水线。该水线可以是虚线。下破冰水线限定了期望船舶在冰中操作的最低水线。该水线可以是虚线。这些水线代表了船舶在冰况下操作的不同的吃水极限。
[0018] 通常将多种破冰船舶分配用于各种冰级，该冰级限定了这些船舶能够操作的冰况。大体可将冰况划分为重度、中度或轻度冰况。比如前面、前部、前方等术语是指船舶长度方向中的船艏方向。比如后部、向后、在端部等术语是指船舶长度方向中的船尾方向。在船舶当冰况下操作时，船舶和其船艏将与冰或者冰原相抵接并从而经受来自周围水体中的冰或者冰原的冰负荷。
[0019] 在权利要求2-7中限定了破冰船舶的更多的有利特征。在权利要求8-10中限定了操作破冰船舶的方法。
[0020] 附图简要说明
[0021] 以下将参照所附示意图对本发明进行举例说明，其中：
[0022] 图1是根据本发明的破冰船舶的侧视图，
[0023] 图2从下部示出了破冰船舶的船艏，
[0024] 图3是破冰船舶的船艏的侧视图，
[0025] 图4示出了位于水线下的破冰船舶的船体的截面，即所谓的剖面面积曲线，[0026] 图5是图4的放大详图，以及
[0027] 图6和7示出了破冰船舶的前部的横截面。
具体实施方式
[0028] 在图1中用附图标记1来标识破冰船舶。破冰船舶1包括带有船底2、船艏3和船尾4的船体。船艏3包括前倾的上船艏部31、带有球鼻根部截面34的下球艏部33以及位于前倾的上船艏部31和下球艏部33之间的中间艏部32，其中球鼻根部截面34位于下球艏部在船舶长度方向上的给定位置S1处。破冰船舶1设计带有结构水线W1、上破冰水线W3以及下破冰水线W2。图2是上述船艏3的三维图。
[0029] 在图6和7中用附图标记B来标识破冰船舶1的宽度。宽度B是指破冰船舶1在结构水线W1处的最大横向宽度。如下将结合图6和7来更详细地讨论宽度B与破冰船舶1的设计间的相关性。
[0030] 图3中示出了船艏3的更多细节。
[0031] 在图3中，当船舶在破冰船舶1的结构水线W1处操作时，将下球艏部33的上部表面设置成位于水面附近。实际上这意味着下球艏部的上部表面位于水面处或附近。通常情况下，在该漂浮位置，破冰船舶1装载且不存在纵倾。在冰况下(将冰标识为ICE)，下球艏部33的上部表面与冰或冰盖相抵接并从下方破冰。在该漂浮位置时能够在轻度和中度冰况下最优地操作船舶。
[0032] 当破冰船舶1在下破冰水线W2处操作时，将下球艏部33的下部表面设置成穿透水面。在该漂浮位置，能够以非常恰当的方式在轻度和中度冰况下操作船舶。在图3中示出了下球艏部33的下部表面如何抵接冰且在下球艏部的下方朝下破冰。
[0033] 对于载货船，处于该漂浮位置的船舶将是空仓且处于压舱工况。可替代地，可通过移动压舱物、消耗货物或者移动货物来有意地使船舶纵倾。
[0034] 当破冰船舶1在上破冰水线W3处操作时，操作船舶以使船艏向下纵倾。可以通过货物或压舱物的分布或更换液体以达到该纵倾位置。在该漂浮位置处能够在重度冰况下最优地操作船舶。随着破冰船舶1向前移动，从而差不多以传统的方式使前倾的上船艏部31向下和朝侧向破冰。
[0035] 从而可以在三个不同的漂浮位置处操作船舶，这在不同的冰况下是有利的：当船舶在船舶的结构水线W1处操作时，下球艏部33的上部表面保持在水面处或附近；当船舶在船舶的下破冰水线W2处操作时，下球艏部33的下部表面穿透水面；且当船舶在船舶的上破冰水线W3处操作时，前倾的上船艏部31穿透水面。
[0036] 当破冰船舶1在上破冰水线W3处操作时，在漂浮位置，有利的是使前倾的上船艏部与海平面(在图3中标识为上破冰水线W3)之间的角度 不超过40度。因此角度 代表前倾的上船艏部31的倾斜度。如图3所示，前倾的上船艏部31的倾斜角度 至少与前倾的上船艏部31的下部分有关，即前倾的上船艏部中更靠近海平面的部分。如图1和3所示，该船艏部的上部分能够具有不同的倾斜度。
[0037] 这种构造进一步提升了破冰船舶1在重度冰况下的破冰能力。在任何情况下，优选角度在10度至40度之间。如图3所示，当船舶在上破冰水线W3的漂浮位置处操作时，前倾的上船艏部31与海平面在破冰船舶1的长度方向上的第三位置S4处相交。
[0038] 虽然优化这种破冰船舶的破冰能力是重要的，还必须将冰块和碎冰清除远离船舶以确保船舶在水体中的有效通过性。
[0039] 出于此目的，对根据本发明的破冰船舶1的船艏和下球艏部进行了有利的设计，具体涉及船艏3和下球艏部33的轮廓或横向突出以及在船舶长度方向上的容积分布。这一点参考图1和图3在图4和图5中示出了。
[0040] 在图4中示出了剖面面积曲线，即表示位于结构水线W1下的船舶的船体的横截面积的图。图5是图4中图示部分的放大图。在这些图中标识出了给定位置S1、第一位置S2和第三位置S3。如下详述，给定位置S1处的截面积小于第一位置S2处的截面积，且第二位置S3处的截面积小于给定位置S1处的截面积。
[0041] 如此构造轮廓和长度方向容积分布以使给定位置S1处的下球艏部33的球鼻根部截面34的截面积小于第一位置S2处的下球艏部的截面积，在船舶的长度方向上第一位置S2位于给定位置S1的前部。下球艏部具有的球鼻根部截面的截面积小于球鼻根部截面前方的截面积的构造，这改善了破冰船舶在冰况下的操作。这种构造还有利于冰或者碎冰块沿船体朝向破冰船舶的后方流动。
[0042] 可以通过如下构造来进一步改善冰或者碎冰块沿破冰船舶的船体向后流动，即，使给定位置S1处的下球艏部的球鼻根部截面的截面积大于第二位置S3处位于结构水线W1下的船艏截面积，在船舶的长度方向上，第二位置S3位于给定位置S1的后部。
[0043] 当破冰船舶1在上破冰水线W3处操作时，船艏3的型线也会影响船舶在水体中的通过性，尤其是在冰况下。
[0044] 当船舶在上破冰水线W3处操作时，通过如下的方式来实现船艏3的有利的设计：将船艏3构造为在船舶的长度方向上的第三位置S4处，使船艏3的型线与船舶中心线CL处的竖直平面间的角度β1至少为75度。
[0045] 此外，有利的是使得，在船舶的长度方向上的给定位置S1和第三位置S4间的中间位置处，船艏3的型线与船舶中心线CL处的竖直平面间的角度至多60度。因而至少优选的是，β1大于β2。
[0046] 在图6中标识出了角度β1和角度β2。如上所述，附图标记B标识为破冰船舶1的宽度，其中宽度B是指破冰船舶1在结构水线W3处的最大横向宽度。可以将破冰船舶1的船体2的型线，包括船艏3的型线设计成弯曲的，从而难于测量角度β1和角度β2。
[0047] 因此，在第三位置S4处，船艏3的型线与中心线CL处的竖直平面间的角度β1显示为从船舶的中心线CL到朝向船舶外侧延伸的虚线之间的角度，在此B/2表示破冰船舶1的宽度B的一半。
[0048] 以类似的方式，在第三位置S4和给定位置S1间的中间位置处，船艏3的型线与中心线CL处的竖直平面间的角度β2显示为从船舶的中心线CL到朝向船舶外侧延伸的虚线之间的角度。
[0049] 如上所述，基于在图7中示出的角度β来定义角度β1和β2，在此角度β定义为在B/10距离处测量的船艏3的型线与的船舶中心线CL间的角度，该B/10距离指距离船舶的中心线CL的宽度B的十分之一的距离。换句说话，在这个离船舶的中心线CL非常近的距离处，船体的曲率要恒定得多。
[0050] 与此有关的附图和说明书仅意图用于清楚地阐明本发明的基本思想。在随附的权利要求的范围内，本发明可以在细节上变型。
