稳定的单体船龙帆/动力帆船船体

摘要

本发明涉及造船，可用于建造和改造具有高帆力量重量比的海上高速龙骨单体帆船或帆船和机动船，其中使用单个、窄的、穿浪的排水船体。为了在穿浪模式下提供有龙骨的单体帆船或帆船和机动船的稳定受控运动，即，在低波浪/水动力阻力排水航态下，无论是在侧倾时还是在直立时(同时有效地抵消所有航线上的侧倾和摇摆)，并提供破碎波浪的能量的消散以及从“水上航行”位置校正至平浮的能力，用于龙骨单体帆船或帆船和机动船的稳定船体的总宽度不超过船体长度的50％，在其底部具有竖直定向的低波浪/水动力阻力的窄部(4)，其沿着船的整个长度纵向布置，相对于其中心线对称并且具有排水段(5)，该船体底部还包括具有重球的龙骨(8)，其中该段的排水量等于船的满载重量。船体还包括两个狭窄的纵向定向的舷侧突出部(6和7)，相对于船的中心线对称布置，其不承受船的重量并且具有流线型的低波浪水动力阻力。所述舷侧突出部在船体的最大宽度处位于水线以上，在水线上方形成两个通道腔(10)，以抑制由船头和舷侧突出部破碎的波浪的能量。

权利要求

1.一种单体船龙帆/动力帆船的稳定船体，其特征在于，该船体的总宽度不超过其长度的50％，该船体在其下部：具有纵向布置的、相对于船中心线对称的竖直定向的水动力阻力窄部，该窄部与所述船体的长度相当，该窄部具有排水段，且船体下部还包括具有重球的龙骨，其中，该排水段沿着水线的长宽比至少为7，该排水段的排水量对应于船的满载重量，其中，所述窄部具有穿浪线、高穿浪杆、流线型的背线以及在其上前部的流线型空间拓宽部，船体下部还包括两个纵向定向的、相对于船中心线对称的舷侧突出部，其位于船体最大宽度沿着船体底面的水线上方；相对于船体长度，舷侧突出部能够位于靠近船体的船尾、中部或船头部分，其中，所述舷侧突出部的长宽比至少为7，其自身的体积足以在下风向舷侧突出部浸没时防御扬帆时的侧倾，但不足以保持船漂浮，其中，舷侧突出部具有流线型的纺锤形形状，穿浪前部，流线型后部和滑行中线，在水线之上形成两个在窄部和每个舷侧突出部之间的隧道空腔，其尺寸足以消散由高穿浪杆和舷侧突出部破碎的波浪的能量。

说明书

稳定的单体船龙帆/动力帆船船体

技术领域

[0001] 本发明涉及造船，并且可以用于建造和改造具有高帆面积重量比的高速海上单体船龙帆/动力帆船，其中使用单个窄的穿浪排水船体。现有技术

[0002] 沿着水线的排水船体长度与其沿水线的宽度(沿水线的长宽比，L/W WL)的比率表征了船的推进力(L/W WL越高，船越快)和稳定性(L/W WL越低，船越稳定)。

[0003] 与较宽的船体相比，狭窄的排水船体具有许多优点。最重要的是，它在运动中具有低的兴波/水动力阻力，允许在开始滑行之前达到高速。另一个优点是高适航性和稳定的运行，因为精细的船头和窄体“刺穿”波浪，使船体结构的负荷和俯仰运动最小化。L/W WL在7以上的船体被称为“穿浪”。

[0004] 狭窄的船体主要缺陷是其稳定性差，在波浪和/或扬帆侧倾的影响下，长而窄的船体容易倾覆。另一个缺陷是对水下表面的质量有很高的要求，因为它有相对较大的湿润表面并产生相当大的摩擦力。

[0005] 建于20世纪初的单体帆/动力帆艇，例如“Sedov”和“Kruzenshtern”，具有L/W WL约为7(即狭窄的船体)，扬帆时速度可达18海里/小时。它们相对较低的帆面积与排水量比(每吨排水量为0.6-0.7m2)，大绝对船体宽度(100米的长度约14m)以及压舱物的可用性，使其相对较窄的船体可以稳定以防止扬帆时的滚动或侧倾。

[0006] 现代单体船龙帆/动力帆船(以下简称“单体龙骨船”)变得更小(大多数长度小于24米)，其船体相对较宽(L/W WL小于5)。为了舒适性和稳定性，给定相对较小的绝对尺寸是必要的；同时为了达到它们的额定速度，单体龙骨船具有较高的帆面积与排水量之比为7-
10m2或更多每吨排水量(即，超过20世纪初帆船比例的10倍以上)，这需要有效抵扬帆时的侧倾。

[0007] 单体龙骨船在扬帆时抵抗侧倾的能力取决于位于龙骨下部的重球和船帆船体宽度上的压载重量。压舱物越重和船体越宽(相应地，与侧倾时的浮心相比，所施加的球的重量的杠杆臂越大)，单体龙骨船更加稳定，其具有更高的帆面积与排水量之比而不会在背风面侧倾。更宽的船体既有积极方面也有消极方面。

[0008] 有利的是，单体龙骨船可能具有较高的帆面积与排水量比(每吨排水量7-10m2或更多)，船的内部空间较大，可用于长途航行期间舒适地容纳船员和设备。在某些条件下(具有经验丰富的船员)，更宽的船体能够滑行，从而在扬帆时形成更高的速度，这对赛艇非常重要。

[0009] 不利的是，宽体船在排水航态下产生较高的波浪阻力，现代巡航单体龙骨船的额定速度不超过8-9海里/小时；在进一步提高速度的情况下，船体以过渡模式运动，从而产生较高的波浪阻力。宽大的船体在船尾和两侧都会受到波浪冲击，而它们细小的船头往往会在扬帆时通过侧倾“埋入”波浪中。如果浮心向侧面发生相当大的变化(随着船体宽度的进一步增加)，宽体失去了从“水上航行”位置独立回归到平浮的能力。

[0010] 对于使用狭窄排水船体的动力船，在扬帆时没有侧倾的情况下，已经实现了许多稳定功能，无论是传统的还是“小水线区”的狭窄船体。

[0011] 对于多船体帆/动力帆船，通过双体船(两个等宽间距的窄体)和三体船(一个窄体和两个间隔较宽的浮体)设计实现了一个高效的窄体稳定系统。这种船舶能够承载高帆面积与排水量的比例；它们在排水航态下发展很快，并具有良好的适航性。限制使用多船体帆/动力帆船的主要缺陷是缺乏从“水上航行”位置独立回归到平浮的能力；因此，这些船只在开阔海里的生存能力值得怀疑。另一个重要的缺陷是由于生活区位于非常狭窄的船体中，使得船员在长途航行中缺乏舒适感。

[0012] 根据国际申请WO2008/00083820080103授权的专利RF No2437797示出了与高适航性高速船相关的船，使得它们能够在非常恶劣的水域条件下运行。本发明确保了沿着船头更加稳定的水流，从而增强了在偏航角的低振幅下船航向稳定性。在高速和恶劣水域中使用的船只有一个长而窄的船体，其在船尾处有或多或少的垂直船头和固定的垂直稳定器或水平稳定器。尾部稳定器是确保长而窄的船体稳定性和防止倾覆的唯一附加元件。这种设计不能在从零到最大速度的情况下提供补扬帆时的侧倾所需的稳定性。

[0013] 专利RF No 2562086显示了一种稳定表面单体高速排水船运动的装置(公布于2015年09月10日)。该专利描述了一种表面单体高速排水船的运动稳定装置，其具有窄船体和尖楔形弓，以船尾水下机翼的形式制造并且配备有侧面异型柱形式的附加支撑件。尾翼是确保长而窄的船体的稳定性并防止倾覆的唯一附加元件。这种设计不能在从零到最大速度的情况下提供补偿扬帆时的侧倾所需的稳定性。

[0014] 专利US US4981099(公布于1991年1月1日)示出了由上述水体，长的刚性水下部分或部分补偿船排水量的部分组成的改进的船，从而对速度，波浪阻力，货物容量等产生影响。

[0015] 确实，船体的浸没部分/部分船体补偿了船排水量的相当大一部分，并且船体在两种介质的边界处的部分(由此产生波浪阻力)因此可以具有最小横截面以最小化具体的波浪阻力。这个概念也被称为“小水线区”船体，并且由例如Navatek Ltd.(Honolulu)公司广泛使用。这种解决方案的主要缺陷是浮心的位置远低于船的重心，位于水线以下。因此，船默认情况下会失稳，并试图返回其稳定位置(即自下而上)，这实际上导致滚动和俯仰运动。这种船体的现代设计大部分旨在通过使用稳定器/水下机翼并提供其计算机控制来创造船运动中的“人造稳定性”。这种设计不能在从零到最大速度的情况下提供补偿扬帆时的侧倾所需的稳定性。

[0016] 专利申请US20130340666(公布于2013年12月26日)显示通过沿着侧脊安装舷侧突出部来延伸船体。船体延伸可以改善船的稳定性和/或使湿润表面最小化。该概念是传统无排水量舷侧突出部的一种选择，这是确保长而窄的船体的稳定性并防止倾覆的唯一附加元件。这种设计不能在从零到最大速度的情况下提供补偿扬帆时的侧倾所需的稳定性。

[0017] 在考虑欧洲申请EP2769909(公布于2014年2月26日)时，应该注意的是，尽管某些结构元件相似，但解决方案是基于不同原理体现的，而不使用窄体的主要优点。它不能确保穿浪和适航性，也不会采用增强扬帆时侧倾稳定性的元素。

[0018] 船体侧构件通过其短的波浪式推力(由此不补偿俯仰)来移动水并参与支撑船的主要重量，连接船体和侧构件的水平元件位于水线以下的介质的边界处，即，船体下部的水平表面以及其侧部构件参与了波浪的产生，从而产生波浪阻力并且不允许穿浪。相反，作者指出，船体中央部分是专门为波浪“在离散质点上撞击”而设计的，从而“均匀地提升”船头和船尾。这种设计的适航性至少可以说是令人怀疑的，船体水下形状是以”具有动态升力的轮廓“的形式提出的，其中还假设使用水下稳定器的情况，这种元件在相对较低的航行速度下不能起作用，排水侧元件不会移动到船的最大宽度，因此不能保证支撑在扬帆时抵抗侧倾。

[0019] 总的来说，解决方案(尽管可以使用带重球的龙骨)更适用于动力高速船。

发明内容

[0020] 根据申请人的判断，所提出的解决方案(现有技术中未知的)允许在设计具有高帆面积与排水比的单体船龙帆/动力帆船的设计中使用单个窄穿浪排水船体，从而确保以下技术结果：

[0021] -单体船龙帆/动力帆船在穿浪模式下的稳定受控运动，即，在低波浪/水动力阻力的排水航态下，无论在扬帆时有无侧倾，确保破碎波能量的有效消散；

[0022] -提供强大的推力和长的杠杆臂，在扬帆和船体摆动下产生抵抗侧倾的相称的阻力；

[0023] -减少作用于船体的惯性力矩的最小值；

[0024] -在严重的侧倾(“水上航行”)位置下为船只提供无需辅助的回归到平浮的功能。

[0025] 因此，所述稳定的船体体现在具有高帆面积与排水比(每吨排水量7-10m2或更多)的海上高速单体船龙帆/动力帆船上，从而确保与现有技术相比(单体船龙帆/动力帆船)：

[0026] -在排水航态下相当大的速度增加2倍或更多(或类似)将船从点А移动到点B所需的能量消耗(帆或发动机)减少2倍；

[0027] -船艇适航性和推进稳定性大大提高；

[0028] -更有效的抵抗扬帆时的侧倾以及在扬帆时任何运动期间没有船体摆动；

[0029] -在“水上航行”之后可以无辅助地回归到平浮；

[0030] -类似的空间和舒适的生活区和出色的转向能力。

[0031] 这个结果是通过单体船龙帆/动力帆船的稳定船体的实施例来实现的，该船体的总宽度不超过其长度的50％，该船体在其下部

[0032] -具有纵向布置的、相对于船中心线对称的竖直定向的低波/水动力阻力窄部，该窄部与所述船体的长度相当，该窄部具有排水段，且船体下部还包括具有重球的龙骨，[0033] -其中，该排水段沿着水线的长宽比至少为7，该排水段的排水量对应于船的满载重量，

[0034] 其中，所述窄部具有穿浪线、高穿浪杆、流线型的背线以及在其上前部的流线型空间拓宽部，

[0035] -船体下部还包括两个纵向定向的、相对于船中心线对称的舷侧突出部，其位于船体最大宽度沿着船体底面的水线上方；相对于船体长度，舷侧突出部能够位于靠近船体的船尾、中部或船头部分，

[0036] -其中，所述舷侧突出部的长宽比至少为7，其自身的体积足以在下风向舷侧突出部浸没时防御扬帆时的侧倾，但不足以保持船漂浮，

[0037] -其中，舷侧突出部具有流线型的纺锤形形状，穿浪前部，流线型后部和滑行中线，[0038] -在水线之上形成两个在窄部和每个舷侧突出部之间的隧道空腔，其尺寸足以消散由支柱和舷侧突出部破碎的波浪的能量。

附图说明

[0039] 附图阐明了稳定船体的所述设计。

[0040] 图1显示了单体船龙帆/动力帆船1的船体的总体视图(发动机未在图中示出)，其中暗灰色部分2显示了在扬帆时(例如在顺风或使用发动机时)没有侧倾情况下的潮湿表面。主要元件是：船体3的上部、具有穿浪排水段5的窄部4、右侧舷侧突出部6和左侧舷侧突出部7、具有重球的龙骨8、舵叶9、两个通道腔10、以及高的前部穿浪杆11。

[0041] 窄部4通过具有重球的龙骨8和舵叶9来保持稳定，这确保了船的转向能力。船的重型设备以及水和燃料储备(如果需要的话)位于窄部4的下部，从而在船体运动时将其重量惯性力矩最小化。排水段5的排水量相当于(80-100％范围内)准备行驶的船的满载重量，包括船员，带重球的龙骨，设备和水以及燃料储备(如果需要的话)等等。因此，舷侧突出部6和舷侧突出部7不参与保持船漂浮。

[0042] 对称的右侧舷侧突出部6和左侧舷侧突出部7与船体中线之间的距离等于水线以上的最大船体宽度。舷侧突出部在船身最大宽度的位置确保了排水力的巨大杠杆臂，可抵抗扬帆时和船体摆动时的侧倾。

[0043] 图1示出了沿着靠近其船尾的船体长度的舷侧突出部的布置；也可以将舷侧突出部布置在靠近其中部或前部的位置。

[0044] 相对于船中心线(在图1中示出了10度的角度)中的舷侧突出部的安装角度适合于确保下风向舷侧突出部浸没时对称的水流运动。

[0045] 窄部4(图2)是长而窄的，具有优异的低波动/水动力阻力，水线L/W WL的长宽比至少为7，从而确保排水穿浪模式和水流沿其整个长度的层压，确保波浪沿着窄部的切割和通过，同时对船的速度影响最小。高的穿浪杆11以最小的速度损失切割波浪。窄部4在其前部具有空间拓宽部12，其减小了俯仰量。

[0046] 图3示出了舷侧突出部的细节，其中对称的右侧舷侧突出部6和左侧舷侧突出部7被制造的又窄又长，并具有优异的低波/水动力阻力，其形状比(长宽比)至少为7，从而确保在扬帆时的侧倾作用下，在其浸没时沿整个下风舷侧突出部的长度方向的穿浪和水流的层压。

[0047] 舷侧突出部在其设计中有三种类型的线-在前部的穿浪线13，在中间部分设计线(“深V”)14，和在尾部的流线型线15。舷侧突出部的主体为流线型主轴形状，具有足够的体积，可用于在下风方向舷侧突出部潜水时通过其排水力来避免扬帆时的侧倾，并且还可用于在所有航行模式下摆动船。与此同时，船体积不足以保持船漂浮。因此，当船处于“在水中航行”位置时，在严重侧倾时，下风向舷侧突出部完全被浸没，从而防止船体通过置换体“翻倒”到稳定的躺卧位置，例如发生在双体船和三体船中。

[0048] 由舷侧突出部承担船的重量的缺乏以及它们在距船中心线和水线以上的最大船体宽度处的位置是所要求保护的船体的最重要的运行条件，因为只有在上述条件都同时满足，那么：

[0049] 下风向舷侧突出部可以是以小体积体现的，以有效地抵抗扬帆时的侧倾，具有窄流线形状并且长宽比至少为7，因此具有穿浪形状，从而对由于在扬帆时侧倾而浸没时的船速产生很小的影响；

[0050] 狭窄形状的舷侧突出部和它们的宽间距允许在窄部4和舷侧突出部6和舷侧突出部7之间形成两个通道腔10，其中腔10使介质边界处的湿润表面最小化，并且在腔10中，舷侧突出部的杆和前线破碎的波的能量被消散；

[0051] 在扬帆时没有侧倾(例如顺风航行或使用发动机)，这种舷侧突出部的中间线位于水线上方并且无负载主动地滑行，由此对运动施加最小的波浪阻力；

[0052] 在关键的“水上航行”位置时，小体积的下风向舷侧突出部不能承载船体重量并且浸没，从而防止船体“翻倒舷侧突出部”，并且独立回归到平浮发生，就像现代单体龙骨船。

[0053] 要求保护的稳定船体可以由例如由玻璃纤维或其他复合材料，木材，金属，聚乙烯或其组合，和/或造船中使用的其他材料体现。

[0054] 图4(正视图)示出了所要求保护的船体(4.1，4.2和4.3)的操作原理以及与各种模式下的传统单体船龙帆/动力帆船(4.4，4.5和4.6)的船体的比较，示出以下作用力的功能：

[0055] 4.1和4.4-在航行扬帆时无侧倾(顺风或使用发动机)，

[0056] 4.2和4.5-向扬帆左舷20度侧倾，

[0057] 4.3和4.6-在“水上航行”的位置上，

[0058] 其中：

[0059] Ст是一个具有重球的龙骨的重力，

[0060] Свс-舷侧突出部排水力，

[0061] Свб-船一侧的排水力，

[0062] Свк-船体排水力，Пу-杠杆臂。

[0063] 显示力的箭头的大小与其值不成比例。

[0064] 在4.1和4.2中，舷侧突出部位于最大船体宽度上，确保船体排水力恢复力矩(Свс)的较大杠杆臂(Пу)，因此船体有效地抵抗扬帆和摇摆时的侧倾。Свс与侧倾成比例：侧倾愈多，下风向舷侧突出部浸没愈深。

[0065] 波浪由舷侧突出部的杆和前线刺穿；波浪能量在通道腔中消散，而不会碰撞船体水平元件。窄部和浸没的窄背风向舷侧突出部在低波/水动力阻力下以排水穿浪模式移动，并且不限制船速。当扬帆时没有侧倾时，舷侧突出部在中间线滑行，防止陷入波浪中。当速度增加时，滑行舷侧突出部产生额外的提升力，抵抗侧倾。

[0066] 4.4和4.5显示了传统的单体龙骨船，船的排水力恢复力矩(Свб)侧的杠杆臂(Пу)很小，不超过船体下风侧宽度的一半；所以恢复的时间也很短，船体在海浪上摇摆，在扬帆时过度侧倾。波浪被杆推开，然后再被宽船体推开，从而在排水航态中产生高波阻力并限制船速。

[0067] 在所有其他条件相同的情况下，在风速较低的情况下，示出的船体在扬帆20度的侧倾将达到4.5中的船体，而不是4.2中的船体。

[0068] 在4.3中，在关键的“水上航行”位置，下风向排水量不足以保持船漂浮并完全被浸没，将浮心移向靠近船中心线。因此，船体排水力(Свк)适用于4.6中的同一点，确保在两种情况下船体都能独立回归到平浮。

[0069] 对于单体船龙帆/动力帆船，所要求保护的稳定的船体提供了窄部与单个的穿浪排水段的组合，其沿水线的长宽比L/W WL为7或更多(并相应地利用低波浪/水动力学阻力，高适航性和运动稳定性的优点)，同时(具有更高的帆面积与排水比7-10m2或更多的每吨排水量)高效的稳定系统(具体而言，抵抗在扬帆和摆动时的侧倾)，为船体提供更好的静态和动态稳定性，比传统的单体船龙帆/动力帆船更好。

[0070] 这导致在排水航态下额定速度增加2倍或更多倍，或者(类似地)，将单体船龙帆/动力帆船从А点移至B点所需的能量消耗(帆或发动机)减少2倍或更多。

[0071] 同时，它确保了现代单体船龙帆/动力帆船水平的以下特点：住舱的空间和舒适性以及出色的转向能力。