用于带有舵螺旋桨推进器的 航向稳定的远洋船舶的结构设计和推进装置 本发明涉及一种由至少两个舵螺旋桨推进器驱动的远洋船舶，其具有一个用于运输有效载荷或乘客的船身，其中，所述螺旋桨推进器优选设计为电动螺旋桨推进器(PODS)，所述船身在其中部具有一大致为矩形的横截面，在该船身上连接有朝向船尾的导流体(导流尾鳍)，在这些导流体之间形成流动通道。
德国实用新型29913498.9公开了一种快速航海船舶，在其电动舵螺旋桨推进器前设有起有效流体动力学作用的导流尾鳍。
本发明要解决的技术问题在于：进一步对这类船舶作优化，尤其是改善其适航性，此外对所述电动舵螺旋桨推进器形成特别有利的入流。
上述公知的船舶是专门针对分别带有一牵引式推进器和压力式推进器的电动舵推进器的应用情形对舵推进器进行设计的。因此，本发明另一个要解决地技术问题在于：进一步改进这类船舶，使之也可利用仅分别带有一螺旋桨推进器的舵推进器来运行，同时还有更好的推进效率。
上述技术问题这样来实现：所述流动通道设计成朝向所述船尾底部连续地、优选略有弯曲地扩宽的楔形，其中，所述流动通道的侧壁至少部分设计为平坦表面并逐渐缩变成鳍状的腹板，该鳍状腹板具有排水体积部分，而且该流动通道设计成借助其通道效应形成低的船舶阻力，并且产生了有利于提高推进性能的伴流效应。
通过按照本发明优化设计的、位于导流尾鳍之间的流动通道，可比较有利地形成低的尾流阻力和对于所述电动舵推进器形成低的迎流速度。由此减小了航行时水流对船舶产生的阻力，并提高了推进效率。
按照本发明的扩展设计，所述导流尾鳍设计成鳍状的腹板，其中，所述导流尾鳍的排水体积部分逐渐缩变成向后倒圆的末端，该末端与船身没有垂直连接关系地向船尾方向一直延伸到即将碰到舵螺旋桨推进器为止。通过这样的设计，比较有利地实现了由所述流动通道的内外侧之间的压差在舵螺旋桨推进器前形成了在导流尾鳍末端处的绕流，该绕流沿着由螺旋桨所带动的水流流向流动。由此比较有利地改善了螺旋桨的迎流特性并均匀地将水流送往各螺旋桨。
按照本发明的另一种扩展设计，所述导流尾鳍的排水体积部分基本上设置在所述鳍状腹板的外侧。由此可比较有利地在所述导流尾鳍之间形成低阻力的流动通道。水流可在船尾平稳地流走，从而在船尾形成特别有利的阻力特性。
按照本发明的又一种扩展设计，所述位于外侧的排水体积部分设计成凸起部分，其中，所述凸起部分这样成形，使得沿舵螺旋桨转向可形成一非对称的绕流和去流，从而受到这样影响的水流可形成一有利的螺旋桨来流。因此，水流从所述流动通道平稳流出的有益效果与水流在螺旋桨前就已形成旋转相得益彰，从而在总体上对于螺旋桨形成一有利的迎流。
按照进一步的设计，所述流动通道在末端区域其出口处的形状和体积设置得如此之大，以及所述排水体积部分这样布置和进行尺寸设计，使得所述绕流和去流被定向，从而形成一沿着当时舵螺旋桨转向的绕流。这样一来，与所述导流尾鳍的排水体积部分的非对称结构相结合，就以一种有利于避免空化气蚀作用的方式形成了一种十分均匀、尤其无涡旋的流往螺旋桨的迎流。在此，无需放弃常规船尾的船底斜升角，因为它也对船舶的航向稳定性以及所谓的“砰击性能(Slammingverhalten)”会产生有益的影响。
另外还可规定，所述舵螺旋桨推进器具有至少一个设计成高度拧转式螺旋桨(High Scew-Propeller)、且与本发明所形成的入水流相匹配的螺旋桨。由此进一步改善了螺旋桨的低振动特性，将空化气蚀倾向降至最低。在一个带有两个同步的螺旋桨推进器的舵螺旋桨推进器中，作为其中的压力推进器也可采用传统的螺旋桨。
此外还规定，所述船身与导流尾鳍各自的单项尺寸以及它们的组合尺寸按船速大小来调整设计，尤其是作为水池拖曳试验的结果。这同样适用于高度拧转式螺旋桨。在船尾形成的各流动参数例如取决于船舶大小、船舶航速、船身表面粗糙度以及其它随具体船舶有所变化的特性。因此不言而喻的是，对于各种船舶类型必须就船身、导流尾鳍、流动通道和螺旋桨选择不同的各项尺寸。这些各项尺寸必须在拖曳试验和水池试验中分别予以研究和优化设计。此时，货舱容量和船舶制造成本也会在其中起到重要的作用，并因此会形成大量的变型方案，在这些变型方案中仅仅能设定极限尺寸。这些极限尺寸可有利地按船舶宽度、船舶长度及吃水深度的百分比例来给定。
按照本发明的另一种扩展设计，所述船尾的各项尺寸，例如船底斜升角和船尾朝向后方超出所述舵螺旋桨的尺寸以及诸如所述导流尾鳍的向外位置(Auswrtsstellung)、体积和形状的各项尺寸优选根据水池试验结果进行优化，使得波浪、尤其是从船尾涌来的波浪对于船尾的(波浪冲击)影响减小。对于航海船舶来说重要的是，不仅需要有小的船舶阻力，而且还需要船舶有良好的适航性。尤其当海浪从后面拍向船舶时，必要时在船舶停泊于波浪起伏的港口时，需要考虑船舶的适航性，于是要考虑船尾形状对适航性的影响。按照本发明就做到了这点。在此也一并考虑到了对于船舶直线航行起到重要作用的船首线型。
为了优化驱动系统还规定，所述舵螺旋桨推进器配备有压力式推进器；这样就给海水进入螺旋桨桨叶横截面前提供了一相对较长的平稳区。于是，在船身形成的排水涡旋就能至少得到部分的平衡抑制。所述螺旋桨的空化气蚀特性得到如此明显的改善，不再需要高度拧转式螺旋桨。在此，或许必须容忍的是该压力式推进器相对于一牵引式推进器会有一定的效率损失，因为牵引式推进器的伴流由舵螺旋桨推进器的外壳来导引定向，必要时还通过其上设置的鳍板和舵螺旋桨的支撑柱来定向。因此，这是一个成本问题和流动优化问题，同样是水池试验的研究对象。
所述两个舵螺旋桨推进器之间的间距尺寸优选这样设计，使这两个舵螺旋桨推进器一方面能够彼此独立地旋转360°，另一方面又不会导致导流尾鳍之间的间距过大。所述导流尾鳍分别对齐地设置在所述舵螺旋桨推进器之前。按照一种优化设计，所述两个舵螺旋桨推进器之间的间距为螺旋桨直径的1.1至1.3倍。
对于减小直线航行时的能量消耗，优选设置一单独的较小的直线航行舵(为此请参照尚未公开的德国专利申请DE10159427.5中的各变型设计方案)。这样，所述舵推进器可始终处于最佳的迎流方向中，并无需为了航向稳定一直转动调节。在此也通过避免比设置单独的辅助舵所带来的阻力大的转向推力(Schubumleitung)来节省能量的消耗。每个舵螺旋桨推进器的最佳迎流方向分别按照船身、导流尾鳍的尺寸公差和舵螺旋桨的安装公差而有所不同，必要时可优选对制造完工的船舶的试航来确定。
下面参照附图及参数定义来详细说明本发明，从以下描述内容及从属权利要求中可了解到本发明的另外一些创造性的细节。
图1为导流尾鳍与舵螺旋桨推进器的配置示例图；
图2为从船尾看过去的带有图1所示电动螺旋桨推进器POD的船舶型线图(Spantverlaufsschema)；
图3为从前方看过去的船舶型线图；
图4为按照本发明的在一个拖曳水池船模上的流动通道的视图；
图5为带有图4所示流动通道的船模的尾部视图；
图6为带有按照图4和5所示流动通道的导流尾鳍的侧视图；
图7为图1所示配置的原理性示意图。
在图1中以侧视图的方式示出船尾区域的通常构造。所述电动的舵螺旋桨推进器和导流尾鳍位于该船尾区域。附图标记1表示一个从侧面看过去的导流尾鳍，其逐渐收缩成圆形的凸起部分2。附图标记3表示一个电动的舵螺旋桨推进器；图中示例地示出一个带有两个螺旋桨4和5以及侧鳍板的电动舵螺旋桨推进器。不言而喻的是，一个带有一牵引式推进器的舵螺旋桨推进器与一个带有一压力式推进器的舵螺旋桨推进器一样，分别可同与之相配的导流元件一起使用。
附图标记6表示设计吃水线(CWL)，附图标记7则表示导流尾鳍的凸起部分末端与电动的舵螺旋桨推进器的牵引式推进器之间的距离。该间距是一优化设计所针对的对象，因为一方面所述螺旋桨5在所述凸起部分2末端后面必须能够偏转，另一方面其距离所述凸起部分2的间距又应该很小。
为了避免振动和减小空化气蚀作用，在有些船舶上可优选设置一流动均匀稳定段(Strmungsvergleichmβigungsstrecke)。当一个电动的舵螺旋桨推进器POD与一个压力式推进器(相应于图示螺旋桨4)一起应用时，该流动均匀稳定段最长。此时，所述电动的舵螺旋桨推进器3的外壳和其支撑柱作为流动均匀稳定元件。
所述电动的舵螺旋桨推进器可优选相对于水平线倾斜例如2°。该角度在图中用附图标记8示出。附图标记9表示所述船尾端区。该尾端区的长度与该船船尾处的其他部件一样取决于船尾的构造设计，从而取决于船舶类型。
在图2中示出从船尾后面看过去的船轮廓线(船舶型线)。附图标记10示出一典型的船舶型线，附图标记12则表示从船尾向前方看所能看到的电动的舵螺旋桨推进器。如从图2中所能看到的那样，所述舵螺旋桨推进器的中心11虽然象图1中所示那样位于所述球鼻末端之后，然而相对于所述排水体积部分15不对称设置。所述舵螺旋桨推进器本身布置得与船舶中心线相距间距13，该间距13的长度大约为螺旋桨直径16的1.1倍。可明显地从图2所示区域14中的线型走向中看出，本发明在图1中所示导流尾鳍1之间形成的流动通道的内侧具有基本上平坦的构造。
在图3中示出从前方看到的船舶型线走向。附图标记17表示一通常的船舶型线走向，附图标记18表示设置在船头的球鼻型线走向。
图3基本上示出了如航向稳定、且船舶阻力很小的远洋船舶上很常见的那种船舶型线走向。
图4、5和6示出了优化设计的拖曳船模的视图，并分别示出一航行相当快(28节，即28海里/小时)船舶的拖曳船模的船身端部的下部，该船舶的船身规定用于容纳汽车和乘客。这类拖曳船模对于本领域技术人员而言是公知的，通常用于求出船舶的最佳船身形状。
在图4中，附图标记20表示在两个导流尾鳍22之间构成的、带有近似平坦的且连续延伸的侧壁21的流动通道。所述船舶底侧23同样连续不断地延伸并象流动通道20的内侧21一样仅仅略有弯曲。
在图5中，附图标记25表示从船尾看过去的位于所述导流尾鳍26之间的流动通道。该通道设置在船尾的船底斜升部28的顶点24的下方。所述导流尾鳍26设计为朝向后方的尖锐鳍板状并逐渐缩变成凸缘形末端27。所述凸缘形末端无支撑件地由所述导流尾鳍26的鳍板状部分突伸出。这样，总体上就形成一特别有利于流动的船尾形状，它相对于由船尾涌来的海浪具有良好的性能。
在图6中，用附图标记29表示在导流尾鳍30之间的流动通道。所述导流尾鳍的鳍板状端部用31表示，其凸缘形排水体积部分用附图标记33来表示。在导流尾鳍30之后，鉴于优化设计的目的，设有一可更换的且可更改的船尾部段32，利用该部段可使船尾有最佳长度，并且在必要时有最佳的倾角。所述船舶的底部具有一在图中明显可看到的向上倾斜的形状，它大约为船舶长度的1/3。这样，在船尾部分就会形成一平稳的、流速相对较慢的尾流(伴流)，它会导致一低的船舶阻力。
在图7中直观地示出各部件之间的原则性配置关系。这是一种在国际造船业中常见的图示形式。各参数值及其所要求的有效范围值以数学方式定义如下：
Ask 导流尾鳍在从其后端起算的长度LAsk处的横断面积
0.1A0＜Ask＜A0
A0 螺旋桨盘面积
A0＝πD2/4＝0.7853D2
AR 辅助舵的投影面积
0.01A0＜AR＜0.01LppT
Ls 导流尾鳍的长度
0.20Lpp＜Ls＜0.45Lpp
LAsk 从导流尾鳍的端部到所定义的横断面积Ask之间的距离
Lpod 电动舵螺旋桨推进器POD的长度
dtran后铅垂线到船尾之间的距离
2Lpod＞dtran＞Lpod/2
ds 导流尾鳍后端部尖端处中心线之间的距离
1.5D＜ds＜B-1.5D
dss 导流尾鳍端部处的中心线到舭部半径(Bilgenradius)的船底斜升角起始点处的船舷之间的最小距离
dss＞0.75D
dh 从导流尾鳍后端部到导流尾鳍的基线从船舶基线开始升高点之间的距离
dh＞0.3LAsk
dp 螺旋桨毂与导流尾鳍后端部之间的距离
0.02D＜dp＜0.02Lpp
dt 在前螺旋桨盘面处的船体与桨叶梢间距
dt＞0.15D
α 导流尾鳍与垂直于船底基准线的垂直线之间的角度
α＜30°
β 在纵剖面中，POD螺旋桨的中心线与船底基准线之间形成的角
度β＜5°
D 螺旋桨直径
Lpp 前后两条铅垂线之间的长度
B 船舶在其肋骨(Spanten)处的宽度
T 船舶在其肋骨处的吃水深度
AP 后铅垂线
对于在实现电动舵推进器有良好推进效率的同时、总体上有很低的船舶阻力的本发明的结构中，所述舵螺旋桨推进器、导流尾鳍与船尾尾型是彼此相关联的元件。所述电动的舵螺旋桨这样设置在所述导流尾鳍的尾流中，使得所述螺旋桨的旋转轴在该区域内与速度场的一明显下降的轴向分量相一致。通过将电动的舵螺旋桨推进器设置在导流尾鳍之后，使得螺旋桨可在所述导流尾鳍的尾流中运行。所述成型的流动通道比较有利地将所述流出的水定向导引到螺旋桨处。所述导流尾鳍的侧向布置和所述导流体的形状影响螺旋桨盘内的速度场，使得所述速度场的切向速度可比较有利地进入螺旋桨内。其结果是，在减少空化气蚀作用和减小振动的同时，提高了推进系统的效率。此外，所述导流尾鳍提高了船舶的航向稳定性。最终结果是大大节省了燃料。
采用辅助舵对此也有帮助，并由此可将电动的舵螺旋桨推进器调节成相对于所述导流尾鳍区域中的尾流始终是最佳的。通过航向修正运动，无需改变这一最佳位置。