FI112193B - Pituuskallistusvakautettu alus - Google Patents

Description

112193

PITUUSKALLISTUSVAKAUTETTU ALUS

Tämän keksinnön kohteena on pituuskallistusvakautettu, nopea 5 uppoumatyyppinen alus, jossa rungon pituuskallistuskeskipiste sijaitsee rungon keskialueella tai siitä keulaan päin.

Tavanomaisissa uppoumatyyppisissä merialuksissa rungon pituuskallistus liikkeen keskikohta on sijoitettu lähemmäs perää 10 kuin keulaa.

Pituuskallistusliikkeellä tarkoitetaan aluksen tai sen rungon liikettä sen pystysuuntaisessa keskitasossa kun alus liikkuu veden läpi. Kun alus liikkuu veden läpi, siihen kohdistuu 15 myös liikesuuntaan nähden poikittaista aaltoliikettä, jota voidaan pitää pystysuuntaisena, yhdensuuntaisena siirtymänä, joka alukseen kohdistuu kun se seuraa aaltoja ylös ja alas.

Näin ollen pystysuuntaiset kiihtyvyysvoimat, jotka vaikutta-20 vat alukseen tietyssä pisteessä, määrää osittain liikesuuntaan nähden kohtisuora aaltoilu ja osittain pituuskallistus, eli aluksen kulmakiihtyvyys kertaa pituussuuntainen etäisyys : aluksen pituuskallistusliikkeen keskikohdan ja mainitun tietyn pisteen välillä.

25

Pituuskallistusliike, eli aluksen kulmakiihtyvyys, on tieten- ! kin riippuvainen aluksen nopeudesta suhteessa aaltojen nopeu- * teen ja suuntaan, jolloin aallon ja aluksen välinen suhteellinen nopeus on tärkeä tekijä aluksen pituuskallistusliikkeen 30 kiihtyvyydessä.

Merialuksen pystysuuntaisen liikkeen, ja erityisesti pys-tysuuntaisen kiihtyvyyden, katsotaan olevan tärkein vaikuttava tekijä merisairauden puhkeamisessa ja yleisesti on ha-35 vaittu, että tavanomiaset katamaraanit, joissa pituuskallis-I : tusliikkeen keskipiste sijaitsee lähempänä perää ja joita ! ' * käytetään suurilla nopeuksilla, ovat erittäin alttiita kohdi stamaan matkustajiin voimakkaita kiihtyvyysvoimia. Luonnolli- 2 112193 sesti on myös erittäin epäedullista kohdistaa aluksen lastiin voimakkaita pystysuuntaisia liikkeitä ja erityisesti pystysuuntaisia kiihtyvyysvoimia.

5 Tavanomaisissa uppoumatyyppisissä aluksissa rungon korkeusve-den yläpuolelle ja rungon pituuskallistustaipumukset ovat hallittavissa aktiivisilla vakaajilla, joita ohjataan aluksen pystysuuntaisen kiihtyvyyden havaitsevilla antureilla. Tällaiset hallintajärjestelmät ovat kuitenkin monista syistä 10 johtuen epäsopivia. Järjestelmän on esimerkiksi voitava toimia erittäin nopeasti ja siihen kuuluu liikkuvia vakaajia, jotka ovat herkkiä omalle liikkeelleen ja joihin on kohdistettava erittäin suuria voimia, mikäli niillä halutaan saada minkäänlaista vaikutusta aikaan. Vakaajien ja niiden ohjaus-15 järjestelmien mahdolliset viat saattavat aluksen ja sen matkustajat suureen vaaraan ja voivat aikaansaada tuhoisia seurauksia, mikäli vika syntyy suuressa nopeudessa, esimerkiksi 35 solmua, ja kovassa merenkäynnissä.

20 Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada merialue, edullisesti monirunkoalus, ja vielä edullisemmin katamaraanityyp-pinen alus, jossa runko on uppoumatyyppinen runko ja konstituoitu käytettäväksi suurissa nopeuksissa ja merkittävillä I äaltokorkeuksilla, esimerkiksi 5 m tai enemmän korkeassa aal-25 Rokossa. Tämän kaltaisen aluksen pituus voi olla 120 m ja le- V.yeys 40 m.

i.:Eräässä edullisessa pitkässä, kapeassa uppoumatyyppisessä vrunkorakenteessa, joka on tarkoitettu nopeisiin merialuksiin, 30 esimerkiksi katamaraanityyppisiin monirunkoaluksiin, rungon • iceulan puoleisessa päässä on pallomainen vedenalainen kärki :'ga suhteellisen kapea vesilinjaleveys, niin että rungon etu- päällä on olennaisesti samanlainen muoto kuin ns. SWATH-aluk-* · s.issa, kun taas rungon peräpäällä on enemmän suorakulmainen 35 ’-poikkileikkausmuoto. Tässä suhteessa rungon vesilinjan ala puolinen poikkileikkausala voi pituussuunnassa muuttua vähenemän kuin tavanomaisissa nopeissa merialuksissa, ja rungon 3 112193 poikkileikkausmuoto voi muuttua olennaisesti jatkuvasti mainitun kahden poikkileikkauksen välillä.

Edellä mainittu runkomuoto, jonka hakija on kehittänyt, on 5 esitetty yksityiskohtaisemmin patenttijulkaisussa SE-A- 9100288-1, johon nyt viitataan sellaisen runkomuodon yksityiskohtaisemmaksi selvittämiseksi, jota voidaan pitää sopivana lähtökohtana tälle keksinnölle.

10 Rungossa, jolla on julkaisussa SE-A-9100288-1 esitetty muoto, pituuskallistusliikkeen keskipiste on lähempänä keulaa kuin tavanomaisissa aluksissa, nimittäin rungon keskialueella tai edempänä, esimerkiksi kohdassa, joka käsittää n. 75 % rungon pituudesta mitattuna rungon perästä, samalla kun runko on 15 erittäin sopiva suuriin nopeuksiin ja voidaan edullisesti sovittaa vesisuihkuyksiköihin ja se kestää suuria kuormia.

Muita tällaisella rungolla saavutettavia etuja on esitetty edellä mainitussa patenttijulkaisussa.

20 Keksintö on määritelty oheisessa patenttivaatimuksessa 1 ja sen jatkokehitelmiä epäitsenäisissä vaatimuksissa.

: Keksinnön lähtökohtana on runko, jossa pituuskallistusliik-keen keksipiste sijaitsee rungon keskialueella tai siitä keu- * · » 25··^ laan päin, joka runko on konstruoitu suuria nopeuksia varten . ” ja on ns. uppouma-tyyppinen. Perustuen tällaiseen runkokonst-« · /·;' ruktioon, on keksinnölle tunnusomaista se, että alus on va-’;· rustettu kiinteillä evillä tai siivillä sen aluksen pituus-V ‘ kallistusliikkeen keksipisteestä perään päin, ja että evät 30 tai siivet ulottuvat varsinaisesta rungosta tavalla, joka ai-• · ;.· | kaansaa huomattavan vastuksen rungon peräosan siirtymälle : : : pystysuunnassa, kuten patenttivaatimuksessa 1 määritellään.

Evät tai siivet ulkonevat suhteellisen vähän rungosta ja ne ovat suhteellisen pitkät, niin että evien ja rungon kiinni- 35!’ tyskohtaan kohdistuu vain suhteellisen pieniä taivutusvoimia :.· · huolimatta suuresta kokonaisvoimansiirrosta, ja siivillä tai evillä voi olla terävä ulkoreuna, joka aikaansaa suuren voimansiirron siiven tai evän ja ympäröivän vesimassan välille.

4 112193

Koska evät sijaitsevat aluksen pituuskallistuksen keksipis-teestä perään päin ja suhteellisen suurella keskietäisyydellä mainitusta keskipisteestä, evät aikaansaavat voimakkaan, pi-5 tuuskallistelua vaimentavan vääntömomentin pystysuuntaisessa tasossa mainitun pituuskallistuskeskipisteen ympärillä, kun taas eväkiinnityksiin kohdistuu vain suhteellisen pieniä kuormia, huolimatta siitä, että evät voivat kuljettaa suuria kuormia suhteellisen suuren pituutensa johdosta. Evien poik-10 kileikkausmuoto aikaansaa vain vähäisen vastuksen aluksen pituussuunnassa, ei vähiten sen johdosta, että evät seuraavat virtausviivoja rungon vieressä ja runkoa pitkin.

Koska evät/siivet sijaitsevat pituuskallistusliikkeen keski-15 pisteestä taaksepäin, evät/siivet aikaansaavat halutun palau-tusmomentin kun alus kiinnitetyistä evistä/siivistä huolimatta kallistelee liikkuessaan veden läpi. Lisäksi sii-vet/evät aikaansaavat ylikriittisen suhteen mitä tulee pi-tuuskallistusliikkeeseen, mikä on erittäin toivottavaa.

20

Aaltoliikkeen vaakasuora kokonaisprojektio on edullisesti ainakin 5 % A = W/d:stä, missä W on rungon rakennesyvyyden ve-denalainen kokonaistilavuus, ja d on rungon rakennesyvyys.

.·.·. Projektioalue on ainakin 10 % A:sta. Geometrinen sivusuhde AR 25·. vakautusevälle on suurempi kuin 0.01, edullisesti suurempi kuin 0.02, mutta pienempi kuin 0.1, missä AR (Aspect, Ratio) on S/C, jossa S on kunkin yksittäisen siiven vaakasuoraan projisoitu kärkiväli mitattuna poikittain virtausuuntaan näh-*·’ ’ den, eli itse rungosta päin, siiven ulomman reunan keskiar-30 voon, ja jossa C on siiven jänteen keskiarvo mitattuna vir-: taussuuntaan. Keksinnön mukaisesti siivet/evät voidaan si- V ** joittaa symmetrisesti rungon tai vastaavien runkojen ympä-rille, jolloin taaimmainen, tai peränpuoleinen, siipireuna ... olennaisesti yhtyy rungon peräreunan kanssa.

3s;’ : Vakautusevä voidaan muotoilla määrittämään 0-60° kulman vaa- katasoon nähden suuntaa vakauttavan vaikutuksen aikaansaamiseksi runkoon vaakatasossa.

5 112193

Pituuskallistusliikkeen yhtälö voidaan kirjoittaa seuraavasti : 5 l*0 + c-0*+k*0. = 0, jossa I = hitausmomentti; c = vaimennuskerroin; k = palautusmomentti; ja 10 0 = pituuskallistuskulma.

Keksinnön avulla saavutetaan seuraavaa:

Aluksen ja sen lastin lisäksi hitausmomenttiin I kuuluu myös 15 ns. mukana oskilloiva vesimassa. Mukana oskilloiva vesimassa kasvaa nyt huomattavasti keksinnön mukaisilla siivillä/evil-lä. Tämä vuorostaan tarkoittaa, että aluksen luonnollinen taajuusjakso, tai resonanssitaajuus, kasvaa yhdessä mukana oskilloivan vesimassan kanssa. Tämä on erittäin merkittävää, 20 koska alus yhdessä mukana oskilloivan vesimassan kanssa aikaansaa kohdattavissa tai vastaantulevissa aalloissa luonnollisen jakson, joka on huomattavasti pidempi kuin ns. kohtaa-;*♦.· misjakso. Toisin sanoen, mukana värähtelevään vesimassaan yh-.·.*. teydessä oleva alus ei pysty seuraamaan niitä liikkeitä, 25··. jotka kohdistuvat alukseen vastaantulevista tai kohdattavista ·· aalloista, ja alus ottaa tällöin ylikriittisen kurssin, joka aikaansaa aina pienimmät kiihtyvyydet.

’·' ‘ Vaimennuskerroin kasvaa, koska vesi pakotetaan pystysuunnassa 30 virtaamaan vastaavien vakautussiipien/evien terävien ja pit-• · : kien reunojen ympäri. Vaimennuskertoimen kasvu johtaa pienem- v ' piin amplitudeihin, eli aluksen kiihtyvyyden alentumiseen.

.···. Koska evät sijaitsevat rungon pituuskallistuskeskipisteestä 3S* taaksepäin, evät tulevat pituuskallistusliikkeen aikana hyök-: käyskulmaan, joka aikaansaa palautusmomentin, joka pyrkii pienentämään pituuskallistuskulmaa.

6 112193

Keksintö aikaansaa näin ollen kaikkien kolmen tekijän I, c ja k parantumisen ja tarkoittaa, että käytännön rakenteessa pystysuuntainen kiihtyvyys rungon peräreunassa on pienentynyt n.

50 % verrattuna runkoon, jossa ei ole keksinnön mukaista rat-5 kaisua, eli verrattuna patentin SE-A-9100288-1 mukaiseen runkoon.

Keksinnön eräs edullinen toteutusmuoto liittyy monirunkoaluk-siin, kuten katamaraaniin sopivan kapean, nopean, uppouma-10 tyyppisen rungon valintaan, jossa pituuskallistusliikkeen keskipiste sijaitsee rungon etummaisessa puoliskossa, ja johon on järjestetty siivet tai evät, jotka sijaitsevat pituus-kallistuskeskipisteestä taaksepäin ja ulkonevat hieman itse rungosta ja joiden vaakasuora kokonaisprojektiopinta-ala on 15 ainakin 5 % A:sta, kuten aiemmin määriteltiin, joilla siivillä tai evillä on terävä ulkoreuna, joka vastustaa pystysuuntaisia liikkeitä vedessä.

Keksintö ja sen muut toteutusmuodot on määritelty oheisissa 20 patenttivaatimuksissa.

Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti edulli- j sen toteutusmuotoesimerkin avulla viittaamalla oheisiin pii-• · rustuksiin, joissa 25·',

Kuvio 1 esittää runkokaaviota, jossa pituuskallistuskeski-piste sijaitsee huomattavan edessä ja joka on varustettu kek- • » * sinnön mukaisilla evillä; » · · 30 Kuvio 2 esittää kaaviomaisesti ja sivulta katsottuna kuvion 1 : mukaista runkoa; * · · * » *

Kuviot 3 ja 4 havainnollistavat evien vaihtoehtoisia sijoi-,*·*, tustapoja katamaraanityyppisen aluksen runkoihin; ja 3Ö" i.i : Kuvio 5 esittää kaaviomaisesti ja ylhäältä katsottuna keksin-nön mukaista runkoa.

7 112193

Kuviossa 1 on siis esitetty kaaviokuva keksinnön mukaisesti pituuskallistusvakautetusta rungosta. Kuvio l havainnollistaa puolet vastaavasta kaarineliöstä ja siitä havaitaan edelleen rakennesyvyys d. Edelleen piirustuksessa annetaan rungon ve- 5 silinja WL absoluuttisina numeroina rungolle, jonka pituus on n. 120 m. Kuviossa 1 on havainnollistettu kaaret 0, 1, 2, 3, 4 ja 5, jolloin peräkaari on numero 0 ja etummaisin kaari numero 5.

10 Kuviossa 1 on edelleen esitetty pituuskallistusta vakauttava evä F, joka ulottuu peräkaaresta 0 paikkaan, joka sijaitsee kaarien 1 ja 2 välissä. Evä F ulkonee noin metrin varsinaisesta rungosta ja sen muodostaa kaksi litteätä pintaa, jotka muodostavat keskenään n. 10° kärkikulman. Evä'n mediaanitaso 15 muodostaa kulman a, joka on 35°, vaakatason kanssa. Tosin kulma a voidaan valita suhteellisen vapaasti. Evän pääasiallinen tarkoitus on estää runkoa liikkumasta pystysuunnassa vedessä. Evä voi kuitenkin muodostaa myös kulman vaakatasoon nähden kohdistaakseen ohjausvaikutuksen runkoon.

20

Kuten kuviosta 1 havaitaan, evällä F on terävä ulkoreuna FK, niin että evä F vastustaa pystysuuntaista liikettä ympäröi- ;\ : vässä vedessä mahdollisimman suuressa määrin.

• · 8 112193 niin että evän rungon pystysuuntaiselle liikkeelle muodostama vastus aikaansaa suurimman mahdollisen pituuskallistusta vastustavan vääntömomentin keskipisteen PC ympäri. Evä F ulottuu tämän johdosta edullisesti eteenpäin peräkaaresta 0 ja si-5 jaitsee edullisesti rungon SK peräosassa/puoliskossa, joka evä sijaitsee kohdassa, joka on myös keskipisteestä PC taaksepäin. Runkoevillä on vaakasuuntainen kokonaisprojektioala, joka on ainakin 5 % ja edullisesti ainakin 10 % A:sta, missä A = W/d, jossa W on rakennesyvyyden vedenalainen kokonaisti-10 lavuus ja d on rakennesyvyys. Evän geometrinen sivusuhde AR määritellään S/C, missä S on kunkin yksittäisen evän vaakasuuntainen projektioväli mitattuna virtaussuuntaan nähden poikittaisessa suunnassa, eli varsinaisesta rungosta vakau-tusevän uloimman reunan keskiarvoon, ja missä C on pinnan 15 jännepituuden keskiarvo mitattuna virtaussuunnassa. AR on edullisesti pienempi kuin 0.1 ja suurempi kuin 0.01, edullisesti suurempi kuin 0.02. Kuvion 1 tapauksessa AR = S/C on likimain 0.03.

20 Kuvion 1 tapauksessa A = 18 %. SE patenttihakemus 9100288-1 esittää yksityiskohtaisemmin erään esimerkin erityisestä runkomuodosta, joka on tarkoitettu saavuttamaan huomattavan vä-: hennyksen pystysuunnassa vaikuttaviin kiihtyvyysvoimiin, eri-tyisesti niihin voimiin, jotka vaikuttavat aluksen eturun-25·*·( koon, ja sen voidaan katsoa käsittävän rungon, johon tämä keksintö perustuu, jolloin keksinnön mukaisesti järjestetyt evät aikaansaavat huomattavan vähennyksen pystysuunnassa vai-kuttaviin kiihtyvyysvoimiin rungon peräosassa.

:Y: 30 Kuviossa 3 on esitetty kaaviomaisesti päästä katsottuna kak-* · · sirunkoinen merialus, joka on erityisesti katamaraanityyppiä, V : ja jossa kumpaankin runkoon on järjestetty symmetrisesti evät. Kuviossa 4 on esitetty konstruktio aluksesta, jossa on >··_ symmetrisesti järjestetyt evät, vaikka vain yhdellä puolella » * 35'!' kumpaakin runkoa.

Kuviossa 1 evän F etupää on merkitty F 1.5 osoittamaan, että evän tämä pää on lähellä kaarta 1.5. Vastaavasti evän F taka- 9 112193 pää on merkitty F 0 osoittamaan, että tämä reuna on lähellä kaarta 0.

Evän F poikkileikkausprofiili on edullisesti vakio sen koko 5 pituudella, mutta se kapenee edullisesti kohti kumpaakin päätään, mikä minimoi virtausvastyuksen pitkin evän päätyosia.

Tämä evän päätyosien kapeneminen on toteutettu evän leveyden ja/tai paksuuden suhteen. Evällä voi olla myös terävä ulkoreuna FK sillä alueella, jossa se kapenee. Kuvioissa 1 ja 2 10 esitetty evä F on hieman kaareva pituussuunnassaan ja viettää hieman ylöspäin/taaksepäin, niin että se on veden virtausvii-vall pitkin runkoa tavallisessa käytössä. Kuvion 1 toteutus-muodossa evän F viettävä osa sijaitsee olennaisesti kaaren 1.5 ja kaaren 1 välissä, kun taas kaaren 1 ja kaaren 0 vä-15 Iissä sijaitseva evän osa on olennaisesti vaakasuora, jolloin tämä eväjatke liittyy kuviossa 1 esitettyyn evärakenteeseen, joka on olennaisesti sama kuin julkaisussa SE-A-9100288-1. Esitetyn evän F pituus vastaa yhtä kolmasosaa rungon pituudesta L, ja merkintä BL kuviossa 1 tarkoittaa rungon pohja-20 linjaa, eli linjaa, joka on yhdensuuntainen rungon vesilinjan kanssa ja joka kulkee varsinaisen rungon alimman pisteen kautta.

« · t I » * * « ♦ Ψ ' I » 1 « · f t * » * * · i · ·

Ml * * * * • · · «Il 1 * I · * ·. » · * * » * « * t * < · I t * · « · · * t « i i « · t * * · • * ·

Claims (10)

10 112193

1. Pituuskallistusvakautettu, nopea alus, jossa on ainakin yksi uppoumatyyppinen runko, tunnettu siitä, että runko 5 on konstruoitu siten, että sen pituuskallistuksen keski piste (PC) sijaitsee rungon keskialueella tai siitä eteenpäin; että rungossa (SK) on ainakin yksi kiinteä evä (F) , joka on asennettu taaksepäin pituuskallistuksen keskipisteestä, ja joka evä ulkonee olennaisesti vaa-10 kasuorassa suunnassa varsinaisesta rungosta (SK); että evä ulottuu pitkin veden virtausviivoja runkoa pitkin käytön aikana; että evillä, jotka on sovitettu alukseen, jossa on yksi tai useampi tällainen runko, on vaakasuuntainen kokonaisprojektioala, joka on ainakin 5 %

15 W/d:stä, jossa W on rakennesyvyyden vedenalainen kokonaistilavuus ja d on rungon rakenne syvyys; ja että kunkin evän geometrinen sivusuhde (AR) on suurempi kuin 0.01, mutta pienempi kuin 0.1 ja että sivusuhde (AR) on S/C, missä S on kunkin yksittäisen pinnan vaakasuuntai-20 nen projektioväli mitattuna poikittain virtaussuuntaan nähden, eli varsinaisesta rungosta evän uloimman reunan : keskiarvoon, ja C on kunkin pinnan jännepituuden kes- . kiarvo mitattuna virtaussuunnassa. • · • · • » i 25

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen alus, tunnettu siitä, et- i ♦ , ! tä evien kokonaisala on ainakin 10 % W/d:stä. • · i

· • · ’*' * 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen alus, tunnettu sii tä, että sivusuhde (AR) on suurempi kuin 0.02, mutta • ♦ . i 30 pienempi kuin 0.1.

% » , 4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen alus, tunnettu • « t J··, siitä, että evät on asennettu aluksen peräpuoliskoon. • » I I I * ·,.·.· 35

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen alus, tunnettu siitä, että pituuskallistuksen keskipiste (PC) sijaitsee 11 112193 kohdassa, joka on olennaisesti kolme neljäsosaa runkopi-tuudesta (L) rungon perästä laskettuna.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen alus, tunnettu 5 siitä, että aluksessa on ainakin kaksi evää, ja että evät on sijoitettu symmetrisesti aluksen runkoon tai runkoihin.

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen alus, tunnettu 10 siitä, että vastaavien evien (F) peräreuna olennaisesti yhtyy aluksen peräreunaan.

8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-7 mukainen alus, tunnettu siitä, että evät muodostavat 0-60° kulman vaakatason 15 kanssa.

9. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukainen alus, tunnettu siitä, että evillä on terävä, pitkä ulkoreuna (FK), jonka ympäri vesi virtaa olennaisesti pystysuunnassa, kun 20 alus kallistelee pituussuunnassa. > 1 1

· / 10. Jonkin patenttivaatimuksista 1-9 mukainen alus, ] tunnettu siitä, että aluksen runko on kapea ja suunni teltu nopeaa ajoa varten; ja että alukseen kuuluu edul-’ 25 lisesti kaksi keskenään yhdensuuntaista runkoa, joka on järjestetty vierekkäin katamaraanityyppisesti . I I » * · ' 1 I * I » t 12 112193