FI95226C

FI95226C - Veneiden ja laivojen potkuri

Info

Publication number: FI95226C
Application number: FI940840A
Authority: FI
Inventors: Jukka Kalevi Pohjola
Original assignee: Jukka Kalevi Pohjola
Priority date: 1994-02-23
Filing date: 1994-02-23
Publication date: 1996-01-10
Also published as: FI95226B; FI940840A0; AU1710995A; WO1995023088A1

Description

95226

VENEIDEN JA LAIVOJEN POTKURI

Keksinnön kohteena on veneiden ja laivojen potkuri, jota voidaan käyttää periaatteessa kaikissa niissä laivoissa, joissa käytetään nykyisin tunnettuja potkureita. Keksinnön 5 mukaisen potkurin rakenteeseen kuuluu lähinnä sylinterimäinen laivan akseliin kiinnitettävä runko sekä tähän runkoon kiinteästi kiinnitetyt potkuriniavat. Nykyisen potkurin rakenteesta keksinnön mukainen potkuri eroaa lähinnä siinä suhteessa, että potkurin lavat on sijoitettu 10 runkoon ruuvimaisesti siten, että edellistä potkurin lapaa seuraava potkurin lapa on sijoitettu edellisen lavan taakse painepuolelle siten, että akselin suuntaisesti katsottuna potkurin symmetriset ympyrän sektoria muistuttavat lavat sivuavat toisiaan eli niiden sektorien kulmat muodostavat 15 yhteensä täyden ympyrän 360° . Tällaisen potkurin nykyistä parempi toiminta perustuu siihen, että potkurin lapojen välissä ei ole yhtään "tyhjää tilaa", joten potkurissa ei esiinny myöskään veden luisua (engl. slip). Veden luisu on juuri pahin nykyisten potkureiden hyötysuhdetta laskeva 20 tekijä, joten keksinnön mukaisella potkurilla saavutetaan parempi hyötysuhde kuin millään nykyisin käytössä olevilla potkureilla, joiden hyötysuhde on korkeimmillaan hieman yli 70 %. Käytännössä nykyisten potkureiden hyötysuhde on kuitenkin paljon pienempi, etenkin suurta kuormaa 25 kuljettavilla rahtilaivoilla, joiden hyötysuhde voi olla vain noin 20-30 % johtuen pääasiassa juuri huomattavasta luisusta. Keksinnön mukaisella potkurilla voidaan saavuttaa jopa yli 90 %:n hyötysuhde ja hyötysuhde säilyy lähes vakiona myös raskailla kuormilla, koska potkurissa ei ole 30 lainkaan luisua. Keksinnön mukainen potkuri säästää siten huomattavasti energiaa tai lisää vastaavasti laivojen nopeutta.

Ennestään tunnettua jo yli 2000 vuotta vanhaa Arkhimedeen ruuvia on useaan otteeseen yritetty käyttää laivan niin-35 sanottuna jatkuvana ruuvipotkurina. Tämä potkuri ei ole kuitenkaan koskaan toiminut kunnolla.

Syy tämän potkurin huonoon toimintaan selviää kun sitä 2 95226 verrataan keksinnön raukaisen potkurin hyvin samantapaiseen rakenteeseen. Jatkuvassa ruuvipotkurissa potkurille alussa tuleva vesimassa joutuu osittain kiertymään potkurin akselin ympäri ja uutta vettä pääsee tulemaan potkurin lavoille vain 5 sivulta päin. Tähän vesimassan "pyörittämiseen” ja turbulenssiin kuluu paljon turhaa energiaa. Keksinnön mukaisessa potkurissa, jota voitaisiin nimittää osittain jatkuvaksi ruuvipotkuriksi, jokainen potkurin lapa "ottaa ja jättää" tulevan vesimassan mahdollisimman lineaarisesti siten, 10 että vesimassan "pyörittämiseen" ja turbulenssiin kuluu mahdollisimman vähän energiaa. Tällöin myös potkurin hyötysuhde on mahdollisimman suuri.

Nykyisin käytössä olevat potkurit ovat myös ruuvipotkureita ja niiden ensimmäiset versiot on kehitetty satoja vuosia sitten, 15 jolloin yhdistettiin Arkhimedeen ruuvin ja tuulimyllyn hyvät ominaisuudet. Alussa potkurien hyötysuhteet olivat vaatimattomia, mutta vielä nykytekniikallakaan ei potkureista voida saada kuin korkeintaan noin 70 %:n hyötysuhde.

Suurimpana syynä alhaiseen hyötysuhteeseen on potkurin lapojen 20 välissä oleva "pakollinen tyhjä tila" ja siitä aiheutuva veden luisu. Luisun suuruus on yleensä huomattavasti yli 20 % käytetystä akseliin tulevasta energiasta. Luisua on yritetty pienentää muunmuassa rakentamalla tunneleita potkurin ympärille; rakentamalla kääntyvälapaisia potkureita sekä ' 25 asettamalla akselille kaksi vastakkaisiin suuntiin pyörivää potkuria. Näillä toimenpiteillä on usein saavutettu hieman parempia tuloksia, mutta hyötysuhde on sittenkin jäänyt alhaiseksi ja investointikustannukset ovat vastaavasti nousseet. Keksinnön mukaisella potkurilla ei esiinny sen . 30 rakenteesta johtuen lainkaan luisua, joten sen hyötysuhdetta alentavat vain erilaiset virtausvastukset sekä kavitaatio. Näiden hävikkien kokonaisvaikutus on kuitenkin melko vähäinen koska ne kuluttavat vain noin 4-8 % potkuriin tulevasta kokonaisenergiasta. Täten keksinnön mukaisella potkurilla 35 voidaan päästä yli 90 %:n hyötysuhteisiin. Edellä esitetyn vaikutuksen aikaansaamiseksi on keksinnölle pääasiassa , 95226 tunnusomaista patenttivaatimuksessa i esitetyt seikat.

Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti viittaamalla oheiseen piirustukseen jossa:

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaista neljälapaista potkuria 5 sivultapäin katsottuna.

Kuvio 2 esittää kuvion 1 potkuria kun se on projisoitu akselia vastaan kohtisuoralle tasolle. Selvyyden vuoksi potkurinlavat on erotettu toisistaan kahdella viivalla yhden asemasta.

1C Kuvio 3 esittää keksinnön raukaisen kuusilapaisen potkurin projektio kuviota kun lavat on muotoiltu hydrodynaaraisesti ympyrän sektorin muotoisia lapoja paremmin.

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaista neljälapaista potkuria sivultapäin katsottuna. Potkuriin kuuluu luja, sylinterimäinen 15 kiinteä runko 1. Rungon ulkopintaan on hitsattu tai muutoin erittäin tukevasti kiinnitetty ruuvimaiseen, akselia vastaan kohtisuoraan asentoon, neljä täysin symmetristä ympyrän sektorin muotoista potkurin lapaa 2. Lavat 2 on asetettu ja taivutettu tiettyyn haluttuun nousukulmaan (potkurin nousuun) 2C siten, että akselin suuntaisesti katsottuna potkurin kaikki eri lavat sivuavat toisiaan eli niiden sektorit muodostavat o täyden ympyrän 360 .

Kun potkuria katsotaan tangentiaalisesti potkurin lavan 2 25 pinnan suunnassa, jätetään lapojen 2 väliin pieni rako 3, jonka suuruus on suunnilleen 3-4 kertaa potkurinlavan keskimääräinen paksuus. Nämä raot 3 muodostavat täysin oleellisen tekijän koko potkurin toiminnalle, sillä niiden ansiosta potkurin jokainen lapa 2 pystyy toimimaan täysin 30 itsenäisesti, eivätkä muut potkurin lavat häiritse yhden toimintaa. Kyseisessä kuviossa 1 mainitut raot 3, jakavat potkurin neljälapaiseksi. Lapojen yhteistoiminnalla saadaan potkuriin mahdollisimman hyvä hyötysuhde. Potkuriin voidaan asentaa 3 lapaa, mutta mieluiten 4 tai 5, tai tarvittaessa -5 enemmän, kun rungon halkaisija on suuri.

4 95226

Kuvio 2 esittää neljälapaisen potkurin runkoa 1 vastaan kohtisuoralle tasolle akselin suuntaisesti projisoitua kuviota. Kuviossa kuitenkin selvyyden vuoksi potkurin lavat on hieman erotettu toisistaan piirtämällä lapojen 2 5 sivuamiskohdat kahdella viivalla. Rungon 1 sisään keskelle on myös piirretty akseliin tuleva kiinnityslieriö 4. Potkurin 2 lavat on merkitty siten, että ensimmäistä lapaa kuvaa numero 2a ja seuraavia lapoja numerot 2b, 2c ja 2d.

Keksinnön mukaisen potkurin toiminta perustuu lähinnä kolmeen 10 pääperiaatteeseen, joita on selvitetty seuraavassa: 1. Potkurin lavat 2 ottavat aina vapaata vettä ja samoin ne poistavat ottamansa veden vapaaseen veteen. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, ettei minkään potkurin differentiaalisen pinnan normaalin sunntainen paineaaltovektori osu seuraavan 15 lavan sisäpintaa vasten. Potkurin ruuvimaisesta rakenteesta johtuen tällainen tilanne voi syntyä vain potkurin ensimmäisen ja viimeisen lavan yhteyteen. Se eliminoidaan kuitenkin helposti siten, että ensimmäisen lavan 2a ja viimeisen lavan 2d välinen etäisyys tehdään tarpeeksi suureksi. Kuviossa l 20 erästä paineaaltovektoria esittää vektori λΓ, joka ohittaa selvästi potkurin viimeisen lavan 2d. Näin tapahtuu aina kun potkurin ensimmäisen lavan etureunan ja viimeisen lavan takareunan välinen etäisyys on suurempi kuin potkurin halkaisija.

25 2. Kun potkuria katsotaan sen akselin suuntaisesti, niin sen kaikki lavat sivuavat toisiaan, eli lapojen muodostamien sektoreiden summa on 360°. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että potkurilla on maksimaalisen suuri työntöpinta-ala koko nousun matkalla, eikä siten potkurin lapojen väliin jää yhtään 30 luisua aiheuttavaa tyhjää tilaa. Koska luisua ei esiinny, pienentää potkurin hyötysuhdetta vain nesteen virtausvastukset ja kavitaatio. Niiden vaikutus varsinkin pienillä kierrosluvuilla on suhteellisen vähäinen, joten potkurin hyötysuhde voi nousta yli 90 %:in. Erityisen tärkeä potkurin 5 95226 ominaisuus on se, että vaikka potkurin kierroslukua nostetaan, säilyy sen hyöytsuhde lähes vakiona. Tällöin raskaitten rahtilaivojen usein hyvin alhaiset hyötysuhteet pystytään jopa kaksinkertaistamaan.

5 3. Potkurin kokonaistoiminta muodostuu erillisten, itsenäisten, toisistaan riippumattomien symmetristen lapojen 2a, 2b, 2c ja 2d yhteistoiminnasta. Kyseinen toiminta on saatu aikaan potkurissa siten, että lavat on sijoitettu runkoon ruuvimaisesti siten, että potkurin lapaa seuraava potkurin 10 lapa on sijoitettu edellisen lavan taakse painepuolelle siten, että niiden väliin jää sopiva rako 3, jonka välistä vesi pääsee virtaamaan. Raon 3 kohdalla edellinen lapa lopettaa toimintansa ja vastaavasti seuraava lapa aloittaa toiminnan, leikkaamalla uutta vettä lavan päälle.

15 Laivan lähtiessä liikkeelle synnyttää pyörivä potkuri veteen virtauksen, joka aiheuttaa potkurin lapoihin kohdistuvan työntövoiman. Tämän voiman suuruus riippuu potkurin halkaisijasta, noususta ja kierrosluvusta ja sen suuruus on suoraan verrannollinen potkurin aikayksikössä syrjäyttämän 20 vesimassan painoon. Lisäksi potkuriin kohdistuu voima, joka on riippuvainen potkurista poistuvan veden aiheuttamasta nesteen sisäisestä virtausvastuksesta. Keksinnön mukainen potkuri syrjäyttää vettä joka kierroksella sylinterimäisen vesipatsaan, jonka pohjan muodostaa potkurin projisoitu pinta-25 ala (kuvio 2) ja pituuden potkurin nousu. Nykyinen ruuvipotkuri, jolla olisi edellisen potkurin mukainen nousu ja halkaisija ja jonka lapojen välissä olisi tyhjää tilaa puolet, muodostaisi edellisen kaltaisen vesipatsaan, jonka tilavuus olisi kuitenkin vain puolet edellisestä. Vastaavasti tällöin 30 potkurista saatava työntövoima olisi sekin vain puolet edellisestä. Käytännössä ympyrän sektorin muotoiset potkurin lavat eivät ole parhaita mahdollisia ja pyörivästä liikkeestä johtuen parempaan hyötysuhteeseen päästään, kun lavat on muotoiltu hydrodynaamisesti siten, että lapojen etureuna leikkaa vettä koko pituudeltaan samalla kun lapojen muodostama projisoitu pinta-ala kattaa mahdollisimman suuren alan potkurin pyörähdys pin ta-ai as ta. Tällaiset lavat 5 on esitetty kuviossa 3.

6 95226

PATENTTIVAATIMUKSET

1. Laivojen ja veneiden potkuri, jossa sy1 in terimäiseen potkurin runkoon (1) on kiinnitetty kolme, neljä tai useampia symmetrisiä potkurin lapoja (2) tiettyyn nousuun ruuvimaisesti siten, että sivultapäin katsottuna lapojen väliin jää 3 - A kertaa potkurin-lavan paksuinen rako (3) tunnettu siitä, että potkurin akselin suuntaisesti katsottuna kaikki potkurin lavat sivuavat toisiaan niin paljon, että hydrodynaamiseen muotoon4tehdyt lavat (5) täyttävät olennaisen suuren osan potkurin pyörähdys pinta-alasta ja jossa ensimmäisen lavan (2a) ja viimeisen lavan (2d) välinen etäisyys on suurempi kuin potkurin halkaisija niin ettei mikään ensimmäisen lavan differentiaalisen pinnan normaalin suuntainen paineaaltovektori osu viimeisen lavan sisäpintaa vasten.

*