FI82425C - Koelkonstruktion. - Google Patents

Description

82425 Kölirakenne

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannossa lähemmin määritelty kölirakenne vedessä liikkuvan 5 aluksen, esimerkiksi purjeveneen rungon yhteydessä.

Kölejä on pääasiallisesti kahta perustyyppiä: veneen runkoon kiinnitetty eväköli, joka voi olla myös nostettava, ja uppoamakoli, jossa veneen runko on 10 laajennettu kölieväksi. On selvää, että kölejä voi olla sijoitettuna runkoon useampia kappaleita. Köli-rakenne sisältää tavallisimmin lisäpainon esim. rautaa tai lyijyä.

15 Kölin tehtävänä erityisesti purjeveneen yhteydessä on tasapainottaa purjeista veneen runkoon kohdistuvan kallistavan poikittaisvoiman vaikutusta sekä estää veneen sortoa. Samantapaisia tehtäviä on myös mahdollisella lisäevällä ja peräsimellä. Peräsimen pääasialli-20 nen tehtävä on kuitenkin aikaansaada veneen ohjaukseen tarvittava poikittaisvoima. Mitä syvempi tai raskaampi köli, sitä suurempi on venettä oikaiseva momentti.

. Lisäksi kölin käytännön mitoitukseen vaikuttaa edellä mainittujen lisäksi köliltä vaadittava lujuus, var-25 sinkin rungon ja kölin liitoskohdassa hetkellisiä dynaamisia sivuttaisvoimia vastaan. Lukuunottamatta : kevyitä jollia, joissa kölin tehtävänä on pääasiassa veneen sorron estäminen miehistön itse toimiessa purjevoiman vastavoimana, köli on muotoiltava rungon 30 poikittaissuunnassa enemmän tai vähemmän leveäksi. Näin ollen köliä on pyrittävä muotoilemaan siten, että sen aiheuttama vastus olisi mahdollisimman pieni. Nykyisin käytössä olevat ratkaisut pyrkivät minimoimaan ohivirtauksen turbulenssia ja kitkapintaa (märkäpin-35 taa). Hyvän kölin tulee luonnollisesti olla mahdollisimman virtaviivainen.

2 82425

Koska vesi on kokoonpuristamaton neste, toimii purjeveneen köli syrjäytyspumpun tavoin, eli sen ottama teho (ilman kitkatehoa) on funktio kölin suurimmasta poikkipinta-alasta, sen keskisyväyksestä ja veneen 5 nopeudesta.

Veneen ottama syrjäytyspumpputeho vaikuttaa veneen nopeuteen, varsinkin pienillä nopeuksilla, jolloin veneen muut ominaisuudet, kuten rungon pituus ei 10 vaikuta sen nopeuteen.

Seuraavassa on luettelon muodossa esitetty ne komponentit, joista aluksen etenemisen vastus muodostuu: 15 - kölin ja aluksen rungon uppoumasta syntyvä pumppaus teho, jonka suuruus riippuu veneen etenemissuunnan suurimmasta poikkipinta-alasta, tämän poikkipinta-alan keskisyväyksestä, ja veneen nopeudesta, 20 - syrjäytettyjen vesimassojen etenemisvastuksista (vesimassojen nousu veden pinnalle), aluksen rungon ja kölin sekä veden välisestä kitkasta, ja .:. 25 - aluksen veden yläpuolisten osien ja rakenteiden ilman vastuksesta.

Laskelmilla voidaan osoittaa, että näistä suurimmat 30 ovat syr jäytyspumppuefekti ja syrjäytettyjen vesimasso jen virtaushäviöt.

: : Nykyisin aluksen rungon ja kölin muotoilu on pitkälti kehittynyt kokemuksen pohjalta. Hyväksi havaittuja 35 muotoja on käytetty ja teoreettinen perusta on yleensä heikko. Virtausanalyysit ovat erittäin komplekseja, vaikka kyseessä onkin kokoonpuristumaton neste. Lisäksi on huomioitava, että käytännössä merenkäynnistä tulevat 3 82425 häiriökomponentit vaikeuttavat laskelmia. Voidaan siis todeta, että erityisesti purjeveneiden ja niiden kölien suunnittelu ja rakentaminen perustuvat nykyisin pitkälti perinteisiin ja käytössä olleisiin rakenne-5 mahdollisuuksiin ja niiden pienehköön paranteluun.

Varsinaiseen perusongelmaan eli uppoumasta syntyvään syrjäytyspumppuefektiin ei ole kiinnitetty huomiota.

Aluksen rungon ja kölin uppouman kulkusuuntaan nähden 10 poikittainen pinta-ala voidaan jakaa kahteen osaan: runkoon ja köliin (myös evä/evät ja peräsin). Uppou-matyyppisellä kölillä köli määritellään alkavaksi siltä kohtaa runkoa, jossa pohjan kaltevuus kasvaa yli 45°. Aluksen rungon syrjäyttämä vesimäärä on yleensä 15 suurempi kuin kölin. Aluksen rungon aiheuttamaan syrjäytyspumppuefektiin ei tässä keksinnössä puututa. Kölin (evän/evien ja peräsimen) suurin aluksen kulkusuuntaan nähden poikittainen pinta-ala on yleensä oleellisesti pienempi kuin aluksen rungon vastaava 20 poikittainen pinta-ala. Kuitenkin on selvää, että näiden pinta-alojen keskisyvyydet ovat erilaiset. · Aluksen rungon poikittaisen pinta-alan keskisyvyys on *: huomattavasti pienempi kuin kölin poikittaisen pinta- alan keskisyvyys. Näin ollen kölin suhteellinen 25 merkitys syr jäytyspumppuefektin kannalta kasvaa, koska tarvittava nostokorkeus on suurempi.

Näin ollen syr jäytyspumppuefektin huomioimisella kölirakenteessa on merkitystä ja syrjäytyspumppuefekti 30 tältä osin voidaan kokonaan tai osittain poistaa hallitulla veden ohjauksella. Tässä yhteydessä voidaan viitata pumppuanalogiaan, jolloin pumpun kokonaisnosto-korkeus määräytyy paineen puoleisen putken pään ja I pumpun välisestä korkeuserosta riippumatta putken 35 muodosta. Tämä luonnollisesti sillä edellytyksellä, että jätetään putken virtauskitka huomioimatta.

4 82425

Tekniikan tasoa alalla kuvaavina julkaisuina voidaan esittää WO-82/00447 ja WO-83/00129. Näistä ensimmäisessä on esitetty ratkaisu aluksen kulkuvastuksen pienentämiseksi aluksen rungon sivuja kaventamalla.

5 Ratkaisu perustuu siihen, että aluksen nopeuden noustessa tullaan alueelle, jossa aluksen rungon pituus määrittelee veneen ns. kriittisen nopeuden. Rungon sivuja kaventamalla saadaan edullisempi pinta-aalto ja näin parempi nopeus aluksen kriittisellä 10 nopeusalueella. Sitä vastoin kölin aiheuttaman syrjäy-tyspumppuefektin tehontarve on lineaarinen aluksen nopeuden kanssa. Suurin hyöty ratkaisussa saadaan alhaisilla nopeuksilla, koska aluksen muut vastukset ovat eksponentaalisia nopeuteen nähden. Jälkimmäisessä 15 on esitetty lähinnä peräsinrakenne, joka on ontto siten, että poikkileikkauspinta-ala pienenee etureunasta jättöreunaan päin. Peräsimen sivulle on järjestetty lähelle jättöreunaa rei'itys, jonka tarkoituksena on saada aikaan parempi virtaus peräsimen päästöpuolelle, 20 jolloin pyritään välttämään peräsimen päästöpuolella virtaushäiriöitä. Jälkimmäisessä on myös oletettu, että f· kokoonpuristumaton vesi käyttäytyy samalla tavalla kuin • kokoonpuristuva ilma.

25 Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan kölira-kenne, jolla kölin syrjäyttämä vesi pystytään ohjaamaan hallitusti sen ohi siten, että kölin syrjäytyspumppu-efekti voidaan ainakin huomattavalta osalta poistaa ja rajoittaa venettä hidastavaa vastavoimaa, eli 30 pitää kölin syrjäytyspumppuefektin nostokorkeutta mahdollisimman pienenä.

Tämän tarkoituksen saavuttamiseksi keksinnön mukaiselle ’ kölirakenteelle on pääasiassa tunnusomaista se, mikä 35 on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

‘ Kanavan ja/tai uran suuaukko on oleellisesti kölin etureunan yhteydessä ja poistoaukko kölin takareunan yhteydessä. Jos köli on muotoiltu siten, että se 5 82425 käsittää oleellisesti poikittaiselta pinta-alaltaan pienet etu- ja/tai takareunan alueet, voidaan suuaukko ja poistoaukko sijoittaa kölin sivupinnoille, jolloin olennainen osa syrjäytyspumppuefektistä kölin suunnan 5 poikittaisen pinta-alan alueella kölin keskiosalla voidaan huomioida. Kölin pituussuuntaisen, ainakin yhden kanavan ja/tai uran poikkileikkauspinta-ala on pienempi kuin kölin suurin poikkipinta-ala. Tällöin virtausnopeus kanavissa/urissa kasvaa ja osa syrjäyte-10 tystä vedestä nousee pinnalle. Ratkaisulla vähennetään syrjäytyspumppuefektin nostokorkeus ainoastaan kölin keskisyväyksen ja kanavan ja/tai uran poistoaukon välisen korkeuseron suuruiseksi. Kölirakenteen ensisijaisena tarkoituksena ei ole siis saada aikaan 15 mahdollisimman laminaari veden ohivirtaus kölin pinnalla, vaan syrjäytetyn veden hallittu siirto ohi kölin siten, että vesi palautetaan lähes alkuperäiselle syvyystasolle eli pyritään minimoimaan syr jäytyspumppuefektin nostokorkeus.

20

Oheisissa epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa on · esitetty keksinnön mukaisen kölirakenteen edullisia \ vaihtoehtoja.

,·. 25 Seuraavassa selityksessä havainnollistetaan keksinnön mukaista kölirakennetta oheisten piirustusten esittämiin suoritusesimerkkeihin viitaten. Piirustuksissa kuva 1 esittää sivulta katsottuna keksinnön 30 mukaisen kölirakenteen ensimmäistä sovellu tusta, kuva 2 esittää leikkausta II-II kuvasta 1, * 35 kuva 3 esittää sivulta katsottuna keksinnön ] mukaisen kölirakenteen toista sovellutusta ;· sivulta katsottuna, 6 82425 kuva 4 esittää leikkausta IV-IV kuvasta 3, kuva 5 esittää keksinnön mukaisen kölirakenteen kolmatta sovellutusmuotoa sivulta katsot-5 tuna, kuva 6 esittää leikkausta VI-VI kuvasta 5, kuva 7 esittää sivulta katsottuna keksinnön 10 mukaisen kölirakenteen neljättä sovellu tusta sivulta katsottuna, ja kuva 8 esittää leikkausta VIII-VIII kuvasta 7.

15 Piirustuksissa on yleisesti aluksen kuten purjeveneen runko esitetty viitenumerolla 1 ja köli viitenumerolla 2. Veden pinta on esitetty viitenumerolla 3.

Kuvassa 1 on esitetty lähinnä keksinnön mukaisen 20 kölirakenteen teoreettinen optimiratkaisu. Kölirakenteen 2 etureuna 4 on edullista muotoilla kiilamaiseksi j· ohjauspinnaksi, joka kohoaa loivasti kölin kärjestä 5 lähtien kohti kanavan 6 suuaukkoa 7. Tällöin kölin ·. syrjäyttämä vesi nousee etureunaa 4 pitkin etenemisin 25 suuntaan (nuoli ES) nähden vastakkaiseen suuntaan kohti kanavan 6 suuaukkoa 7. Kanava 6 on muodostettu rungon 1 sisään ja se on pituussuunnassa kuvan 1 mukaisesti kaareva tai suora. Kanavan 6 poistoaukko 8 on kölin 2 takareunan 9 yläosassa rungon ja kölin 30 liittymäkohdassa. Kölin 2 takareuna 9 on muotoiltu etureunan 4 suhteen oleellisesti symmetriseksi siten, että poistoaukosta 8 ulosvirtaava vesi siirtyy taka-·'. reunaa pitkin vinosti alaspäin ja rungon 1 pituussuun- ; nassa taaksepäin. Tällaista kölirakennetta voidaan 35 sivukuvantona kuvata eräänlaisena lohenpyrstöraken-teena. Syrjäytyspumppuefekti on tällöin kokonaan : (kanavan virtaushäviöitä ja kitkahäviöitä lukuunot tamatta) eliminoitu, koska syr jäytetty vesi palautetaan 7 82425 täsmälleen samaan korkeusasemaan sen virrattua kanavan 6 läpi. Tämä luonnollisesti sillä edellytyksellä, että kanavan 6 poikkileikkauksen pinta-ala vastaa kokonaan tai merkitykselliseltä osalta kölin suurimman 5 poikkileikkauksen pinta-alaa etenemissuuntaa (nuoli ES) vastaan kohtisuorassa suunnassa. Tällaisella rakenteella on mahdollisesti joitakin epäkohtia erityisesti lujuuden kannalta, esim. karilleajon yhteydessä, mutta tietyillä erikoisrakenteilla tällai-10 siä haittoja luultavasti voitaisiin pienentää tai poistaa ne kokonaan. Tässä yhteydessä ei ryhdytä lähemmin selvittämään tällaisia rakenteellisia vaihtoehtoja, koska ne eivät kuulu tämän keksinnön piiriin.

15 Kuvissa 3 ja 4 on esitetty eräs keksinnön sovellutus-muoto sijoitettuna perinteiseen runko- ja köliraken-teeseen. Tässä ratkaisussa rungon 1 ja kölin 2 liittymäkohtaan on tehty kaksi rungon pituussuuntaista uraa 10a ja 10b kölin 2 molemmille puolille. Kölin 2 20 syrjäyttämä vesi siirtyy näihin uriin etureunan kohdalla olevan suuaukon 11 kautta ja poistuu kölin takareunan kohdalla olevan poistoaukon 12 kautta. Tällaisten urien muotoilu ja poikkileikkauspinta-alan valinta liittyy aluksen kokonaissuunnitteluun, erityi-·' 25 sesti lujuuden ja muiden vaadittavien ominaisuuksien .. perusteella. On selvää, että rungon 1 ja kölin 2 sivupintojen välille voidaan sijoittaa kuvissa 3 ja 4 katkoviivoin 13 esitettyjä vahvikkeita esim. levyvah-vikkeita.

30

Kuvissa 3 ja 4 esitetyllä uraratkaisulla voidaan syr jäytyspumppuefektiä ainakin pienentää huomattavassa määrin.

• · I

• j 35 Kuvassa 5 ja 6 on esitetty eräs keksinnön mukaisen kölirakenteen sovellutusmuoto, jota voidaan käyttää suhteellisen pienin muutoksin jo eräissä tällä hetkellä käytössä olevissa purjevenemalleissa. Purjeveneen 8 82425 sisätilan pohjan muodostaa vaakasuora runkolevy 14 (kuva 6) ja tavanomaisissa ratkaisuissa rungon 1 välittömästi köliin liittyvät osat 15a ja 15b kölin molemmin puolin yhdessä runkolevyn 14 kanssa muodos-5 tavat olennaisesti kolmiomaisen, rungon pituussuun taisen tilan, joka nykyisissä ratkaisuissa jätetään tyhjäksi. Tätä tilaa voidaan käyttää keksinnön mukaisena kanavana muodostamalla kölin 2 etureunan yhteyteen suuaukko 16 ja kölin takareunan yhteyteen poistoaukko 10 17 ja muotoilemalla kanava 18 mainittuun tilaan.

Ratkaisu on huomattavan yksinkertainen. On selvää, että köli 2 voidaan tukea rungon osien 15a ja 15b lisäksi myös suoraan runkolevyyn 14, jolloin muodostuu kaksi erillistä, kölin kummallakin puolella olevaa 15 kanavaa.

Kuvissa 7 ja 8 on esitetty eräs keksinnön mukaisen kölirakenteen sovellutusmuoto kaksi- tai useampieväi-selle kölille. Tässä ratkaisussa kölien 2a ja 2b 20 välillä on tehty yksi pituussuuntainen ura 19 (näitä voi luonnollisesti olla useampia). Kölien 2a ja 2b syrjäyttämä vesi siirtyy tähän uraan 19, jonka suuaukko .· 20 on kölin etureunan kohdalla ja poistoaukko 21 kölin takareunan kohdalla. Tällaisten urien muotoilu :* 25 ja poikkileikkauspinta-alan valinta liittyy veneen kokonaissuunnitteluun, erityisesti lujuuden ja muiden '. vaadittavien ominaisuuksien perusteella. On selvää, että kölien (tai kölien kärkien) väliin voidaan sijoittaa kuvissa 7 ja 8 katkoviivoin 22 esitetty 30 ainakin yksi vahvike, jossa voi olla lisäpainoja.

On selvää, että edellä mainittujen ratkaisujen lisäksi voidaan köli muiden rakenteellisten ja lujuuteen ··· kohdistuvien vaatimusten puitteissa sinänsä varustaa 35 yhdellä tai useammalla kanavalla, jotka mahdollistavat syrjäytettävän veden suoran läpivirtauksen kölin ; kautta. Tämä on edullista niissä tapauksissa, jolloin rungon 1 ja kölin 2 liittymäkohtaan ei voida aluksen 9 82425 rakenteellisista tai muista syistä järjestää poikkipinta-alaltaan kölin poikkipinta-alaa vastaavaa kanavaa.

On selvää, että keksinnön toteutusmuodot voivat 5 vaihdella huomattavasti. Esitetyt ratkaisut ovat vain esimerkkejä ja niitä voidaan yhdistellä samaan köli-rakenteeseen .

Claims (10)

10 82425

1. Kölirakenne vedessä liikkuvan aluksen, esim. purjeveneen rungon yhteydessä, jolloin kölin (2) 5 yhteydessä on aluksen rungon (1) ja kölin (2) liittymäkohdassa ainakin yksi oleellisesti kölin (2) pituussuuntainen kanava (6, 18) ja/tai ura (10a, 10b), tunnettu siitä, että mainitun kanavan (6, 18) ja/tai uran (10a, 10b) suuaukko (7, 11, 16) sinänsä 10 tunnetusti on oleellisesti kölin (2) etureunan (4) yhteydessä ja poistoaukko (8, 12, 17) sinänsä tunnetusti on oleellisesti kölin (2) takareunan (9) yhteydessä, että kanavan (6, 18) ja/tai uran (10a, 10b) poikkileikkauspinta-ala on pienempi kuin kölin (2) suurin 15 poikkipinta-ala ja että mainittu kanava (6, 18) ja/tai ura (10a, 10b) on sovitettu ainakin osittain aluksen rungon (1) alueelle kölin (2) syrjäyttämän veden ohjaamiseksi ainakin osittain rungon (1) pituussuuntaisen, kölin (2) kohdalla olevan alueen ohi kanavassa 20 (6, 18) ja/tai urassa (10a, 10b), nostamatta sitä veden pinnalle.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kölirakenne, tunnettu siitä, että suuaukkoon (7) liittyvä 25 kölin (2) etureuna (4) on järjestetty vinosti kohti suuaukkoa (7) kohoavaksi pinnaksi, joka alkaa kölin kärjestä (5).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kölirakenne, 30 tunnettu siitä, että kölin (2) takapinta (9) on muodostettu poistoaukosta (8) vinosti alaspäin suuntautuvaksi pinnaksi, joka yhdessä etupinnan (4) kanssa muodostaa pyrstömäisen muodon.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kölirakenne, ’ tunnettu siitä, että runkoon (1) on muotoiltu rungon (1) ja kölin (2) liittymäkohtaan kölin (2) molemmin puolin rungon (1) pituussuuntaiset urat (10a, II il 82425 10b), joiden suuaukko (11) on kölin (2) etureunan kohdalla ja joiden poistoaukko (12) on kölin (2) takareunan kohdalla.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen kölirakenne, tunnettu siitä, että runko (1) ja köli (2) on yhdistetty vahvikkeilla (13).

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kölirakenne, 10 tunnettu siitä, että kanava (18) on muodostettu aluksen runkoon (1) aluksen sisätilaa rajoittavan runkolevyn (14) sekä köliin (2) välittömästi liittyvien rungon (1) osien (15a, 15b) rajoittamaan tilaan, johon on muodostettu suuaukko (16) kölin (2) etureunan 15 kohdalle ja poistoaukko (17) kölin (2) takareunan kohdalle.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kölirakenne, jossa kölejä on kaksi tai useampia (2a ja 2b), tunnettu 20 siitä, että ainakin kölien välissä on yksi tai useampi pituussuuntainen ura (19), jonka suuaukko (20) on 1' kölien (2a ja 2b) etureunan kohdalla ja jonka poisto- aukko (21) on kölien (2a ja 2b) takareunan kohdalla.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kölirakenne, tunnettu siitä, että kölit (2a ja 2b) on yhdistetty ainakin yhdellä vahvikkeella (22), jossa mahdollisesti on lisäpaino.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kölirakenne, tunnettu siitä, että kanavan (6, 18) ja/tai uran (10a, 10b) poikittainen pinta-ala vastaa oleellisesti : kölin (2) suurinta poikittaista pinta-alaa.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kölirakenne, tunnettu siitä, että suuaukko (7, 11, 16) on " järjestetty oleellisesti samaan korkeusasemaan kuin poistoaukko (8, 12, 17). i2 82425 Patentkrav;