FI74675C - Stroemningsroder foer ett propellerfartygs akter. - Google Patents

Description

1 74675

Virtauksenohjain potkurilaivojen perässä

Keksintö koskee potkurilaivojen perässä käytettävää virtauksenohjainta, joka on rengasmainen muodoltaan ja kiin-5 nitetty laivaan potkurin eteen.

Tällainen laite on esitetty US-patenttijulkaisussa 4 309 172, jolloin suutin on asetettu aivan potkurin eteen potkuriakselin kanssa koaksiaalisesti tai lähes koaksiaali-sesti. Tällöin vaaditaan suhteellisen suuria mittoja ja vas-10 taavasti rakentamiskustannukset ovat suuret, ja lisäksi siihen liittyy ylimääräistä renkaan kitkavastusta. Saksalaisessa patenttijulkaisussa DE-PS 858 213 esitetyssä ratkaisussa on virtauksenohjaimet sovitettu potkuriaskelin yläpuolelle. Kysymyksessä eivät kuitenkaan ole rengasmaiset, vaan säteit-15 täiset virtauksen ohjaimet. Lisäksi on englantilaisesta aikakauslehdestä Motor Ship, 1982, April, sivuilta 36-37 tunnettu potkuriakselin ympärillä tähtimäisesti sijaitseva ohjainjärjestelmä ja tämän ohjäinjärjestelmän ja ohjaimen rajoittuvan suutinrenkaan muodostama yhdistelmä. Tämän jär-20 jestelmän epäsymmetria kohdistuu säteittäisiin tai lähes säteittäisiin ohjaimiin, jolloin suutin on asennettu keskeisesti akseliin nähden.

Laivapotkureista, joita käytetään useimmiten yksittäin laivan perässä, tiedetään, että tulovirtaus potkuriin on 25 laivan perämuodon mukaisesti pyörteistä ja siten potkurivir-tauksessa on ylöspäin suuntautuva komponentti. Laivan taaksepäin suppenevasta muodosta johtuen suppenee siellä myös virtaus laivan keskilinjaa kohti. Potkuri ei synnytä pyörrettä vain ulosvirtaukseen, vaan myös sen etualueelle. Tämä mer-30 kitsee takaa katsottuna oikealle pyörivässä potkurissa sitä, että vasemmassa laivapuoliskossa yläalueella ylöspäinkompo-nentti tulovirtauksessa edelleenkin voimistuu. Oikeassa puoliskossa vaikuttaa ylössuuntautunut virtauskomponentti potkuria vastaan.

35 Vasemmassa puolessa vaikuttaa potkurin mukana kulkeva virtauskomponentti potkuria keventävästi. Oikeassa puoliskossa vaikuttaa vastaan virtaava komponentti potkurin kuor- 74675 2 maa lisäävästi. Potkurin painekeskiö sijaitsee takaa katsoen oikealle pyörivässä potkurissa potkurin oikealla puolella. Tulovirtaus on myös nopeudeltaan tulevan rajakerroksen ja irtautumisvaikutuksen vuoksi hyvin epätasaista. Tämä ilmiö 5 on erikoisesti aivan laivan perässä potkurin yläpuoliskossa hyvin korostunut. Keskimääräinen tulonopeus potkuriin on yksipotkurisissa kauppalaivoissa 20-40 % pienempi kuin laivan nopeus. Tämä jälkivirtaus (potkurisuihku) vaikuttaa suotuisasti tehonkulutukseen. Jälkivirtauksen erittäin epäta-10 sainen jakautuma vaikuttaa sen sijaan epäsuotuisasti potkurin höytysuhteeseen. Tavallisissa kauppalaivoissa saattaa tulovirtaus potkurin ohi vaihdella välillä 95-30 %:ia laivan nopeudesta. Vielä suurempia eroja tavataan täysissä tankki-laivoissa.

15 Potkurin tulovirtauksen tasaamiseksi voidaan laivan perää muotoilla vastaavasti. Esimerkiksi ns. peräkölit palvelevat pääasiassa tätä tehtävää. Tunnetaan myös lähes vaakasuuntaiset virtauksenohjaimet potkurin edessä. Nämä ohjaimet saavat aikaan aksiaalisemman tulovirtauksen ja voivat 20 myös tasoittaa tulovirtauksen nopeutta. Jos tähän vinosti ylöspäin kulkevaan virtaukseen asetetaan siiveke kaltevaan kulmaan virtaussuunnan ja vaakatason välille, syntyy tähän siivekkeeseen nostovoima, jossa on eteenpäin vaikuttava voi-makomponentti, toisin sanoen se saa aikaan lisätyöntöä. Vir-25 taus siivekkeen takana saa siivekkeeltä impulssin alaspäin ja virtaa siten enemmän vaakasuuntaan. Nämä siivekkeet muuttavat siis virtaussuuntaa toivotulla tavalla ja lisäksi potkurin tulovirtanopeus tasoittuu. Tällainen siiveke voi parantaa laivan propulsiohyötysuhdetta, toisin sanoen voidaan pie-30 nentää tarvittavaa käyttötehoa tietyn nopeuden saavuttamiseksi tai samaa tehoa käytettäessä nopeus nousee. Tällöin on erotettava seuraavat vaikutukset: 1. Työntövoiman tuottaminen suoraan siivekkeeseen. Lisääntynyt kitkavastus siivekkeessä on pieni ja voidaan osit- 35 tain saada takaisin potkurissa.

2. Potkurin höytysuhteen nousu aksiaalisemman tulovirtauksen vuoksi.

Il 3 74675 3. Potkurin hyötysuhteen nousu tulovirtausnopeuden tasoittumisen vuoksi.

4. Virtauksen tasoittuminen vähentää värähtelyjen syntymistä. Tästä on hyötyä tärinän vähenemisenä laivan pe- 5 rässä tai potkurihalkaisijän kasvuna eli potkurin ylemmän kärjen pienempää etäisyytenä laivan peräholvista. Halkaisijan kasvusta seuraa kierrosluvusta riippuen lisää parannusta potkurin höytysuhteen.

Nämä tosiasiat tunnetaan laajalti. Tätä ajatuskulkua 10 siivekkeistä potkurin edessä perärangan molemmin puolin on yritetty toteuttaa. Koska tällaiset siivekkeet merkitsevät lisää rakentamiskuluja, niitä on toistaiseksi käytetty vain harvoin, vaikka nämä kulut ovat pienempiä kuin ne, jotka olisivat säästyneestä käyttötehosta investointeihin ja käyt-15 tökuluihin.

Mainittu efekti on kuitenkin eri puolilla hyvin erilainen ja kun ajatellaan, että siivekkeen asentokulma optimoidaan erikseen kummallakin puolella. Oikealla puolella tulee oikealle pyörivien potkureiden tapauksessa esille kaksi 20 efektiä, jotka kohdistavat potkuriin hyvin pitkälle vaakasuuntaisen tulovirtauksen, nimittäin laivarungon uppoumavir-taus, jossa on ylöspäin suuntautuva virtauskomponentti ja potkurin etupyörre, jossa on alaspäin suuntautuva komponentti. Nämä pystysuuntaiset, komponentit, jotka ovat oikealla 25 puolella vastakkaissuuntaiset, vaikuttavat vasemmalla puolella samaan suuntaan, ts. ne vahvistavat toisiaan. Siksi on usein tarkoituksenmukaista rajoittaa siivekerakenne toiselle puolelle. Tämä on normaalisti se puoli, jossa on menosuuntaan ylöspäin liikkuva potkurinlapa, ts. oikealla pyörivän 30 potkurin tapauksessa vasen puoli. Siiveke on silloin symmetrinen tai epäsymmetrinen profiililtaan, ja imupuoli on ylöspäin .

Kovassa merenkäynnissä siiveke voi ajoittain nousta ylös ja sukeltaa jälleen alas veteen.

35 Alassukellukseen liittyy tällöin Slamming-efekti, jo ka rasittaa rakennetta staattisesti. Tällaisen veteenisku-vaikutuksen välttämiseksi voidaan siiveke asettaa hiukan syvemmälle kuin olisi hydrodynaamisesti optimaalista.

74675 4

Edelleen on tunnettu Kort-suulake, jolloin potkuri ympäröidään renkaanmuotoisella kehällä, jonka poikkileikkaus on siipiprofiili. Nämä Kort-suulakkeet aiheuttavat työntöä, mikä tukee potkurivaikutusta. Työntö syntyy kuitenkin vain 5 suuremmilla potkurikuormilla, muutoin on suulakkeen omavas-tus voitolla. Tällaiset Kort-suulakkeet vaikuttavat samalla tulovirtausta tasoittavasti suunnan ja nopeusjakauman suhteen .

Kun Kort-suulakkeen kaltainen putki asetetaan potkurin 10 eteen keskeisesti, saavutetaan osa suulakepotkurin eduista.

On tunnettua potkurin eteen keskeisesti asetettu Kort-suulake, jonka ulkohalkaisija on likimain yhtä suuri kuin potku-rihalkaisij a.

Keksinnön tavoitteena on saada aikaan parannus potku-15 rin eteen asetettavalla Kort-suulakkeen tyyppiselle siiveke-renkaalle ja yksinkertaisella tavalla mahdollistaa propul-siohyöytysuhteen kasvu sekä taata potukrin tulovirtausnopeu-den tasaaminen.

Tämä tavoite saavutetaan keksinnön mukaan siten, että 20 renkaan ympäröimä poikkipinnan painopiste asetetaan potkuri-akselin yläpuolelle.

Näin saadaan aikaan yksinkertainen rakenne tavoitteena olevan virtausefektin myötä, jolloin on mahdollista suuri-pintainen kiinnittäminen. Myös Slamming-efektistä on tällöin 25 pienempi pelko ja esiintyvät veden iskuvaikutukset ovat pystysuuntaisen laajentumisen vuoksi heikompia.

Keksinnön mukaan on mitoitus edullinen silloin, kun renkaan ympäröimän poikkipinnan painopiste on vähintään 10 %:ia potkurihalkaisijasta verran potkuriakselin yläpuolella 30 ja poikkipinta on pienempi kuin puolet potkurin siipien kärkien muodostaman kehän pinnasta.

Lisäparannuksen saamiseksi propulsiohöytysuhteeseen ehdotetaan, että renkaan akseli asetetaan hiukan taaksepäin kohoavasti. Näin saadaan lisää työntövaikutusta kuten siive-35 ketyyppisessä ohjaimessa. Akselin optimiasentokulma on yleensä pienempi kuin virtausviivakulma vaakasuntaan nähden ilman rengasta.

Il 5 74675

Koska renkaan optimikulma kummassakin laivapuoliskos-sa on erilainen, ehdotetaan, että renkaan muodostaa kuori-puoliskot ja väliin asetettava välilevy, ja että laivan puoliskoihin asetetaan kumpaankin yksi kuoripuolisko, joiden 5 akselisuunnat ovat erilaiset. Kuoripuoliskojen akselien si-vukulma voi muodostaa vastapyörrettä potkurivirtaukselle ja lisäksi käyttää ohjausmomentin aikaansaamiseen, jolloin kompensoituvat potkurin erilaiset ohjausvaikutukset. Tällöin peräsin voi suoraanajossa olla laivan keskiviivan suuntainen. 10 Sellaista tilannetta varten, jolloin vaakaetäisyys potkurivannaksen ja potkurin välillä on pieni, ehdotetaan, että kuoripuoliskot muodostavat laivan ulkopinnan kanssa kulloinkin suljetun renkaan.

Keksintöön kuuluu vaihtoehtoinen rakennevaihtoehto, 15 jossa vain laivan toisella sivulla on yksi suljetun renkaan muodostava ohjain.

Muut keksintöön kuuluvat edut ovat: Päinvastoin kuin varsinaisissa potkuria ympäröivissä Kort-suulakkeissa, voidaan asettaa etusuutin, jonka halkai-20 sija on vapaasti valittavissa ja jonka suihkun poikkileikkaus voidaan sijoittaa siten ja muotoilla niin suureksi, että saavutetaan mahdollisimman hyvä potkurin tulovirtauksen tasaus.

Jälkivirtaus on potkurin ylemmän tulovirtauksen alueel-25 la ja laivan keskiviivan lähellä erikoisen voimakasta. Tälle alueelle keskitetään myös suulakkeen vaikutus.

Tällä alueella on myös virtauksen irtoaminen laivan ulkopinnalta laivan pitkittäisakseliin nähden suuren tai liian suuren virtauskulman seurauksena voimakkaimillaan.

30 Tässä tapauksessa suulake voi saada aikaan paremman virtauksen asettumisen laivan runkoa myöten. Myös virtauskulman vaakatasoon nähden on erikoisen suuri, ts. tässä voidaan helpoiten saavuttaa ohjaimella työntökomponentti ohjaamalla virtausta enemmän vaakasuuntaan.

35 Rajoittamalla etusuulakkeen kokoa ja asettamalla se tälle alueelle, saadaan sen omavastus huomattavasti pienemmäksi kuin tavallisilla etusuulakkeilla, joiden sisähalkai- 6 74675 sija on likimain sama kuin potkurin halkaisija, jolloin se voidaan tehdä myös rakenteeltaan yksinkertaisemmaksi.

Eräs keksinnön mukaisen virtauksenohjaimen työntöön suotuisa vaikutus muodostuu etupyörteen aikaansaamisesta 5 ylemmässä potkurisektorissa. Tämä vaikutus voi yhdistyä "laivan kääntyvän perämuodon" kanssa alemmassa sektorissa.

Sen vuoksi keksinnössä ehdotetaan, että laivan takaosan muoto on sellainen, että vesilinjaulostulo potkuriakselin alla on laivan keskilinjan ulkopuolella. Koska vesilinja alemmal-10 la alueella kulkee terävämmässä kulmassa laivan keskiviivaan nähden kuin ylhäällä, on alhaalla pienempi vaara virtauksen irtoamisesta kuin yläalueella. Toisin sanoen akselin alapuolella voi perämuodon kääntyminen rajoittua pienelle alueelle, pituuden mukaan.

15 Kahdella potkurilla varustettuja laivoja varten ehdo tetaan, että ohjaimet toimivat samalla akselipukkeina. Tällaiset akselipukit voidaan suunnitella tarkoituksenmukaisesti ylhäällä ulospäin pyörivien potkurien yhteydessä niin, että akselit konvergoivat taaksepäin.

20 Akselipukkien konvergoidessa voimakkaasti ne voivat lisätä ohjauskykyä siten, että aluksen kääntyessä paikallaan vastaan iskevä potkuri vaikuttaa akselipukkeihin niin, että syntyy kääntymistä vahvistava poikittaiskomponentti.

Kaksoispotkurirakenteessa on tehonsäästö vielä suurem-25 pi kuin yksipotkurirakenteessa, koska varsinaisen akselipu-kin lisävastus ja häiriövastus jää pois.

Ohjaimen edut lisääntyvät merenkäynnin yhteydessä, koska myös ohjaimen takana potkurin tulovirtauksessa on vähemmän häiriöitä kuin ilman tätä ohjainta. Ohjain vaikuttaa 30 myös jyskytysvärähtelyjä vähentävästi, mikä on kuitenkin pientä. Lisäksi ohjain auttaa ylläpitämään suuntavakavuutta.

Tällainen ohjain ei sovellu ainoastaan uuteen rakentamiseen. Se voidaan asentaa myös valmiiseen laivaan helposti ja sitä voidaan käyttää virheiden korjaamiseen esim. seu-35 raavissa tapauksissa:

II

7 74675 1) kun koeajossa ei ole saavutettu nopeusvaatimuksia, 2) kun suuntavakavuus vaatii parannusta, 3) kun laivan perä alkaa värähdellä.

Piirustuksissa kuvataan kaavamaisesti keksinnön ra- 5 kenne-esimerkki, jolloin kuvio 1 esittää sivunäkymän laivan peräosasta, kuvio 2 esittää vaakaleikkauksen kuviosta 1 likimain puolivälistä kahdesta kuoripuoliskosta muodostuvaa rengasta, kuvio 3 esittää poikkileikkauksen kaksoispotkuriraken-10 teestä, jossa on ohjaimet potkurin edessä, takaa nähtynä.

Esitettyyn laivan peräosaan 4 on asetettu potkuri 5, jota näyttää potkurihylsyn 9 läpi kulkeva akseli, ja joka muodostaa potkurisiipien kärkikehän 10. Potkurin 5 taakse on asetettu peräisin 6 ja eteen rengas, jonka muodostaa kuo-15 ripuolikkaat 1, 2 ja niiden välissä välilevy 3. Näin ympäröidyn poikkipinnan painopiste on silloin potkuakselin 7 yläpuolella. Kuoripuoliskojen 1, 2 akselit 8 voivat olla erisuuntaiset.

Kuvion 3 mukaisessa kaksoisakselirakenteessa voivat 20 ohjaimet 1 toimia akselipukkeina. Ymmärtämistä helpottamaan kuviossa esitetään kaariviiva 11 poikkileikkaustasossa ja pääkaariviiva 12 sekä suunnitteluvesiviiva 13 ja laivan keskitaso 14.

Claims (9)

1. Potkurilaivojen perässä oleva virtauksenohjäin, joka on muodoltaan rengasmainen ja kiinni laivassa potkurin 5 edessä siitä vaakasuunnassa enintään potkurin halkaisijami-tan päässä, tunnettu siitä, että renkaan (1,2) ympäröimän poikkipinnan painopiste on potkuriakselin (7) yläpuolella .

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen virtauksenohjäin, 10 tunnettu siitä, että renkaan (1,2) ympäröimän poikkipinnan painopiste on vähintään 10 %:a potkurihalkaisijasta verran potkuriakselin yläpuolella, ja että poikkipinta on pienempi kuin puolet potkurin siipien kärkien muodostaman kehän (10) pinnasta.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen virtauksenoh- jain, tunnettu siitä, että renkaan (8) akseli on hiukan taaksepäin nousevassa asennossa.

4. Yhden patenttivaatimuksen 1-3 mukainen virtauksenoh jäin, tunnettu siitä, että renkaan muodostaa kuori- 20 puolikkaat (1,2) ja niiden väliin asetettu välilevy (3), jolloin laivan kummallakin sivulla on kuoripuolikkaat (1 ja 2) asetettu erilaisiin akselisuuntiin.

5. Yhden patenttivaatimuksen 1-3 mukainen virtauksen-ohjain, tunnettu siitä, että kuoripuolikas (1,2) muo- 25 dostaa kulloinkin laivan ulkopinnan kanssa suljetun renkaan.

6. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen virtauksen-ohjain, tunnettu siitä, että vain laivan toiselle sivulle on asetettu yksi suljetun renkaan muodostava ohjain.

7. Yhden patenttivaatimuksista 1-6 mukainen virtauk- 30 senohjain, tunnettu siitä, että laivan oerämuodon potkurin akselin (7) alapuolella oleva vesilinjaulostulo ja/tai välilevyn (3) pää on laivan keskitason (14) ulkopuolella.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen virtauksen-ohjain kaksoispotkurilaivoja varten, tunnettu siitä, 35 että ohjaimet (1 kuva 3) muodostavat samalla akselipukit.

9 74675