NO149028B

NO149028B - DEVICE FOR A MARINE VESSEL

Info

Publication number: NO149028B
Application number: NO783006A
Authority: NO
Inventors: Ewan Christian Brew Corlett
Original assignee: Hydroconic Ltd
Priority date: 1977-09-07
Filing date: 1978-09-04
Publication date: 1983-10-24
Also published as: NO149028C; NO783006L; JPS5449796A

Description

Denne oppfinnelse vedrører en anordning ved fremdriftsmiddel for et sjøgående fartøy med et skrog med ujevn akterstrøm-fordeling omfattende en i det vesentlige aksialsymmetrisk frem-driftskanal med et halsparti som omgir en propell. This invention relates to a device for propulsion means for a sea-going vessel with a hull with uneven stern current distribution comprising an essentially axially symmetrical propulsion channel with a neck section surrounding a propeller.

Bruken av fremdriftskanaler eller dysepropelldyser har The use of propulsion ducts or nozzle propeller nozzles has

øket betydelig i de senere år. Opprinnelig var slike dyser fes- increased significantly in recent years. Originally, such nozzles were fes-

tet på små fartøyer, såsom slepebåter, fiskefartøyer o.l., men siden har bruken spredd seg til store fartøyer. Et antall store tankskip, men også bulkskip samt lastelinjeskip, containerskip osv. har vært utstyrt med slike anordninger vanligvis i forbind-else med et anlegg med en skrue. Å la en fremdriftspropell ar-beide i en kanal er således tidligere kjent. Det kan henvises til US patent "3.635.186, BRD patent 436.910 og 689.590 samt norsk patent 127.962. 1 norsk patent 136.786 vises en akterskipsform med ledeflater for vannet anbrakt foran propellen. mainly on small vessels, such as tugboats, fishing vessels etc., but the use has since spread to large vessels. A number of large tankers, but also bulk carriers as well as cargo liners, container ships, etc., have been equipped with such devices, usually in connection with a plant with a screw. Allowing a propulsion propeller to work in a channel is thus previously known. Reference can be made to US patent "3,635,186, BRD patent 436,910 and 689,590 as well as Norwegian patent 127,962. 1 Norwegian patent 136,786 shows a stern ship shape with guide surfaces for the water placed in front of the propeller.

Et trekk ved mindre fartøyer er at propellen og dysen arbeider i en forholdsvis ensartet kjølevannstrøm. Store fartøyer har imidlertid ofte skrog med fullform og følgen derav er at kjø-levannfordelingen er merkbart ujevn og vannet som strømmer inn i dysen på propellens innerside, har aksiale hastighetskomponenter som langt fra er ensartede over hele dysehalsområdet. Détte"gjelder ikke bare store fartøyer med fullform samt tankskip og bulkskip, men også lastebåter, linjebåter, containerskip, servicebåter, slepebåter o.l. A feature of smaller vessels is that the propeller and nozzle work in a relatively uniform cooling water flow. However, large vessels often have hulls with a full shape and the result is that the cooling water distribution is noticeably uneven and the water that flows into the nozzle on the inside of the propeller has axial velocity components that are far from uniform over the entire nozzle neck area. This" applies not only to large full-body vessels as well as tankers and bulk carriers, but also cargo ships, liners, container ships, service boats, tugs, etc.

Sett gjennom dysens hals og med øynene rettet fremover Look through the neck of the nozzle and with your eyes directed forward

langs propellaksen kan kjølevannsfeltet stort sett beskrives som følger: Når et propellblad befinner seg i vertikal, oppad pekende stilling, dvs. i kl. 12 stilling., er det utsatt for et område med kraftig kjølevann. Kjølevannstrømmen øker vanligvis fra propellaksen utover mot propellspissen. Når et propellblad befinner seg i den vertikale stilling, men er rettet nedover, dvs. i kl. 6 stilling, vil det for mange skip befinne seg i et lignende område med kraftig kjølevannstrøm. I stillingene mellom kl. 12 stilling og kl. 6 stilling vil kjølevannstrømmene være svakere. For hver gitt radius finnes derfor en kraftig nedsenkning i innstrømnings-hastigheten når bladet befinner seg i vertikal stilling og dette along the propeller axis, the cooling water field can be broadly described as follows: When a propeller blade is in a vertical, upwards-pointing position, i.e. at 12 position., it is exposed to an area with strong cooling water. The cooling water flow usually increases from the propeller shaft outwards towards the propeller tip. When a propeller blade is in the vertical position, but is directed downwards, i.e. at 6 position, too many ships will be in a similar area with a strong cooling water flow. In the positions between 12 post and at 6 position, the cooling water flows will be weaker. For each given radius there is therefore a sharp drop in the inflow velocity when the blade is in a vertical position and this

fall øker mot bladets spiss. drop increases towards the tip of the blade.

Hensikten med denne oppfinnelse er å tilveiebringe en anordning for å eliminere eller oppheve virkningene av kraftig lokal kjølevannstrøm eller lav aksialhastighet i området ved et skips akter. The purpose of this invention is to provide a device for eliminating or nullifying the effects of strong local cooling water flow or low axial velocity in the area at the stern of a ship.

Det samme strømningsmønster gjelder selvfølgelig for både åpne propeller og for dysepropeller. I tilfelle av åpen propell er det ikke stort man kan gjøre for å møte eller modifisere nevn-te variasjoner. Det må sørges for at skyvepulsene når bladet passerer området med kraftig kjølevannstrøm, ikke induserer vibra-sjoner og at det ikke oppstår kraftig kavitasjon i disse propell-stillinger. Of course, the same flow pattern applies to both open propellers and nozzle propellers. In the case of an open propeller, there is not much that can be done to meet or modify the aforementioned variations. It must be ensured that the thrust pulses when the blade passes the area with strong cooling water flow do not induce vibrations and that strong cavitation does not occur in these propeller positions.

Ved en propell som er anordnet i en dyse, er forholdet an-derledes. I sin .alminnelighet er propelldyser som er festet til skipsskrog, av den akselererende type, dvs. at strømmen gjennom propellen akselereres sammenlignet med åpen strøm. Det eksiste-rer mulighet for at på de steder hvor man har kraftig kjøle-vannstrøm, dvs. hvor lave lokale aksialhastigheter oppstår, kan strømmen akseleres mer enn på andre steder ved hjelp av kanalens eller dysens spesielle geometri. Uttrykket "kjølevann" må her gis den videste betydning idet uttrykket dekker også med-strømsvann eller følgevann som ikke direkte har noe med fartøyets kjøl (hvis den finnes) å gjøre. In the case of a propeller arranged in a nozzle, the situation is different. In general, propeller nozzles attached to ship hulls are of the accelerating type, i.e. the flow through the propeller is accelerated compared to open flow. There is a possibility that in places where there is a strong cooling water flow, i.e. where low local axial velocities occur, the flow can be accelerated more than in other places by means of the special geometry of the channel or nozzle. The term "cooling water" must be given the widest meaning here, as the term also covers co-current water or accompanying water that has nothing to do directly with the vessel's keel (if it exists).

Hvis ingenting gjøres for å styre de ovenfor omtalte for-, hold, er det mulig at når et blad passerer et område med kraftig kjølevannstrøm, vil hvirvlene som dannes fra spissens bakre del under belastning sette igang kavitasjon slik at det dannes en ka-vitasjonskjerne. Når bladet går ut av området med kraftig kjøle-vannstrøm, vil kjernen falle sammen på dysens eller kanalens over-flate og fenomenet vil forårsake uønsket støy, erosjon og eventuelt også strukturskader. If nothing is done to control the conditions discussed above, it is possible that when a blade passes through an area of strong cooling water flow, the vortices formed from the rear part of the tip under load will initiate cavitation so that a cavitation core is formed. When the blade leaves the area with a strong cooling water flow, the core will collapse on the surface of the nozzle or channel and the phenomenon will cause unwanted noise, erosion and possibly also structural damage.

Av konstruksjonsmessige hensyn er det ønskelig at en dyse skal være aksialsymmetrisk, dvs. at den skal være et fast omdrei-ningslegeme. Hvis dette ikke er gjort, vil konstruksjonen/frem-stillingen av dysen falle vanskelig og kostbar. Det er derfor sterke handelsmessige og tekniske hensyn som taler for at dysen så langt som mulig kan være et fast omdreinings legeme med,enkel form i snitt. For construction reasons, it is desirable that a nozzle should be axially symmetrical, i.e. that it should be a fixed body of revolution. If this is not done, the construction/production of the nozzle will be difficult and expensive. There are therefore strong commercial and technical considerations in favor of the nozzle being, as far as possible, a solid revolving body with a simple shape in section.

Da områdene med sterk kjølevannstrøm opptrer i toppstillin-gen og i bunnstillingen som forklart ovenfor og er helt lokale, finnes det en mulighet for en viss utvidelse av grunnkanalen i disse områder for modifisering av strømmen og frembringelse av en modifisert kanal for kjølevannstrøm. Dette er ifølge oppfinnelsen oppnådd ved at en traktlignende plate eller nese (22 eller 27) er anordnet ved innløpet til den aksialsymmetriske kanal (11) i det minste i et område av kanalens omkrets, og hvilken plate eller nese strekker seg både fremover og radialt utover fra kanalinn-løpet for tilpasning av akterstrømmen ved kanalinnløpet. As the areas with strong cooling water flow occur in the top position and in the bottom position as explained above and are completely local, there is a possibility of a certain expansion of the basic channel in these areas to modify the flow and produce a modified channel for cooling water flow. According to the invention, this is achieved by a funnel-like plate or nose (22 or 27) being arranged at the inlet of the axially symmetrical channel (11) at least in an area of the channel's circumference, and which plate or nose extends both forward and radially outward from the channel inlet for adaptation of the stern current at the channel inlet.

Kanalens største utvendige radius kan være omtrent 10% The largest outer radius of the channel can be approximately 10%

større enn halspartiets radius og traktplaten kan ha omtrent 15% større radius enn halspartiets radius. greater than the radius of the neck and the funnel plate can have a radius approximately 15% greater than the radius of the neck.

Traktplaten eller nesen strekker seg fortrinnsvis langs omtrent 30° av omkretsen og en utvendig omhyllingsplate kan være festet til denne for å gå over i kanalens ytterside med normal flateutforming. The funnel plate or nose preferably extends along approximately 30° of the circumference and an external shroud plate may be attached to this to merge into the outside of the channel with normal surface design.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere ved hjelp av eksempler The invention shall be explained in more detail by means of examples

og under henvisning til tegningene, hvor fig. 1 er et perspektiv-riss av en del av akterpartiet av et skip med fremdriftsdyse utformet som en toppboks med skjerm foran innløpet. Fig. 2 og 3 er sideriss og enderiss av en propelldyse med en skoplate festet i dysens kl. 6 stilling. Fig. 4 og 5 svarer til fig. 2 og 3, men viser en annen utførelse for oppnåelse av samme virkning. and with reference to the drawings, where fig. 1 is a perspective view of part of the stern of a ship with a propulsion nozzle designed as a top box with a screen in front of the inlet. Fig. 2 and 3 are side views and end views of a propeller nozzle with a shoe plate fixed in the nozzle at 6 position. Fig. 4 and 5 correspond to fig. 2 and 3, but shows another embodiment for achieving the same effect.

Under henvisning til fig. 1 som viser tilfellet for dysens toppområde (kl.12), kan anordningen brukes med en såkalt "Towmaster"-dyse 11 hvor kanalen bæres av en toppkasse 12 og går ut fra denne som en konsoll. Alternativt kan den brukes alene for åpne propeller eller andre.dysesystemer. Toppkassen har en tilformet nedre innløpsflate 13 som undersiden av skroget foran dysen 11 går over i. Undersiden av skroget og toppkassen danner således en skjerm 13 foran dysen som utgjør en innstrømningskanal. With reference to fig. 1 which shows the case for the top area of the nozzle (at 12 o'clock), the device can be used with a so-called "Towmaster" nozzle 11 where the channel is carried by a top box 12 and extends from this as a console. Alternatively, it can be used alone for open propellers or other nozzle systems. The top box has a shaped lower inlet surface 13 into which the underside of the hull in front of the nozzle 11 passes. The underside of the hull and the top box thus form a screen 13 in front of the nozzle which constitutes an inflow channel.

Toppkassen 12 har stort sett vertikale sider 16 som er un-derstøttet foran innløpet til dysen og er krummet oppover og fremover til de møter skrogflaten. Skjermen 13 må være utformet slik The top case 12 has generally vertical sides 16 which are supported in front of the nozzle inlet and are curved upwards and forwards until they meet the hull surface. The screen 13 must be designed like this

at ingen strømmer kan krysse på .tvers, slik at hele strømningen foregår på langs av skjermen. that no currents can cross across, so that the entire flow takes place along the length of the screen.

Skjermen 13 er krummet nedover og fremover hvor den møter skrogets akterpartier, men toppen av skjermen forløper i det vesentlige horisontalt et godt stykke foran dysens innløp. Ved hjelp av denne innretning oppnås en konsentrasjon av strømmen og den aksiale hastighet av vannet som kommer inn i toppområdet av dysen 11, økes sterkt. Denne faktor skaper kompensasjon for den iboende tendens som strømmen har i dette område av skroget, nem-lig å bevege seg med liten aksial hastighet. Det har vist seg at ledekasser av denne type, særlig hvis de er understøttet aktenfor dysen,såsom ved 14, og ført frem til skrogets akterparti, bevirker en nyttig reduksjon av motstanden ved store skip med fullform, såsom tankskip. Dette er en viktig virkning som skyldes konstruk-sjonen. The screen 13 is curved downwards and forwards where it meets the aft parts of the hull, but the top of the screen runs essentially horizontally a good distance in front of the nozzle inlet. By means of this device, a concentration of the flow is achieved and the axial speed of the water entering the top area of the nozzle 11 is greatly increased. This factor creates compensation for the inherent tendency that the flow has in this area of the hull, namely to move with a small axial speed. It has been shown that baffles of this type, especially if they are supported aft of the nozzle, such as at 14, and brought forward to the aft part of the hull, effect a useful reduction of the resistance in large ships with a full shape, such as tankers. This is an important effect due to the construction.

Aktersiden av toppkassen kan være krummet i grunnriss langsetter en strømlinje hvis det er plass til det, eller den kan fortsette rett ut til akterspeilet og danne en bunnforlengelse av samme, og denne forlengelse kan ha en buet flate 15 mellom de to sider 16. For store tankskip har denne toppkasse vist seg i seg selv, altså uten dysen, å kunne bevirke en reduksjon av motstanden på flere prosent. The aft side of the top box may be curved in plan extending a streamline if there is room for it, or it may continue straight out to the transom and form a bottom extension thereof, and this extension may have a curved surface 15 between the two sides 16. For large tankers, this top box has proven itself, i.e. without the nozzle, to be able to reduce the resistance by several percent.

Nedenfor skal forklares en fremgangsmåte for akselerering av strømmen i dysens bunnparti(kl. 6 stilling). A procedure for accelerating the flow in the bottom part of the nozzle (6 o'clock position) will be explained below.

Som ønskelig er dysen aksialsymmetrisk fordi det er ønsket at dysen er utformet som et fast omdreinings legeme. Dysekonstruksjonen er opphengt i toppen av toppkassen ved hjelp av passende innretninger. As desired, the nozzle is axially symmetrical because it is desired that the nozzle is designed as a fixed body of revolution. The nozzle structure is suspended at the top of the top box by means of suitable devices.

Det er ønskelig å øke stigningsvinkelen eller innfallsvin-kelen for dysens strømningssnitt lokalt over et ganske lite peri-ferisk område, kanskje av størrelsesordenen på 30°. Dette kan gjøres ved hjelp av en eller annen av to fremgangsmåter. It is desirable to increase the pitch angle or angle of incidence for the nozzle's flow section locally over a rather small peripheral area, perhaps of the order of 30°. This can be done using one of two methods.

Ved en utførelse som er vist på fig 2 og 3 er kanalen ut-ført aksialsymmetrisk og en sko eller ledeplate 20 er festet til ledeplaten av selve dysen umiddelbart foran dysens hals 21. Denne ekstra ledeplate strekker seg fremover og er bøyd utover og for-lenger dysens korde lokalt og likeså dysens ytre radius. Hvis dysens ytterste radius f.eks. er 10% større enn halsradien, kan denne sko eller utvidede ledeplate 20 øke radien lokalt kanskje til 15% over halsradien. In an embodiment shown in Figs 2 and 3, the channel is made axially symmetrical and a shoe or guide plate 20 is attached to the guide plate of the nozzle itself immediately in front of the nozzle neck 21. This additional guide plate extends forwards and is bent outwards and extends the nozzle's chord locally and likewise the nozzle's outer radius. If the outermost radius of the nozzle e.g. is 10% larger than the neck radius, this shoe or extended guide plate 20 can increase the radius locally perhaps to 15% above the neck radius.

Ledeplaten 20 er krummet slik at den danner en ny lokal nese 22 for dysen og en hensiktsmessig utvendig skjermplate 23 The guide plate 20 is curved so that it forms a new local nose 22 for the nozzle and a suitable external shield plate 23

er anordnet for å forbinde nesen med dysens ytre flate 25. is arranged to connect the nose with the outer surface of the nozzle 25.

Alternativt kan den utvidede nese 27, som vist på fig. 4 og 5, være en integral del av selve dysekonstruksjonen, idet dysens fremre kant 26 modifiseres i et område på omkring 60° i bunnpartiet. Vinkelen for skjermplaten 28 er ikke kritisk, men innfalsvinkelen, mellomplaten og dysens akse skal være slik at lokal separering på yttersiden 25 av dysen ikke finner sted. Det skal imidlertid nevnes at strømmen i dette område ikke bare er aksial, men også opp-overrettet og at ledeplatens 20 utforming bidrar til at strømmen følger utsiden av dysen, det vil med andre ord si at dysen med ledeplaten 20 i høy grad påvirker kjølevannstrømmen både innven-dig og utvendig. Alternatively, the extended nose 27, as shown in fig. 4 and 5, be an integral part of the nozzle construction itself, the front edge 26 of the nozzle being modified in an area of about 60° in the bottom part. The angle of the screen plate 28 is not critical, but the angle of incidence, the intermediate plate and the axis of the nozzle must be such that local separation on the outer side 25 of the nozzle does not take place. However, it should be mentioned that the flow in this area is not only axial, but also directed upwards and that the design of the guide plate 20 contributes to the flow following the outside of the nozzle, in other words that the nozzle with the guide plate 20 greatly influences the cooling water flow both inside and outside.

Virkningen er økning av vinkelen for dysens strømningssnitt lokalt og å øke dysens/den bakre dels innfallsvinkel og således markant å akselere strømmen lokalt. Denne akselerasjon bevirker selvfølgelig en økning av hastigheten som kompenserer for den lokale nedsettelse av den aksiale hastighet som for mange fartøyer opptrer i dette onråde. Det skal nevnes at i de tilfelle hvor en aksialsymmetrisk dyse er festet slik at den går klar av skroget, kan denne konstruksjon også benyttes i dysens toppområde (kl. 12 stilling) med samme eller større fordel. The effect is to increase the angle of the nozzle's flow section locally and to increase the angle of incidence of the nozzle/the rear part and thus markedly to accelerate the flow locally. This acceleration, of course, causes an increase in speed which compensates for the local reduction in axial speed that many vessels experience in this situation. It should be mentioned that in cases where an axially symmetrical nozzle is attached so that it goes clear of the hull, this construction can also be used in the top area of the nozzle (12 o'clock position) with the same or greater advantage.

Ved anordningen ifølge fig.2 og 3 strekker kantene av skoen 20 seg over en omkretsbue som er avpasset etter kjølevannstrømom-rådet for angjeldende fartøy, vanligvis av størrelsesordenen på 30°, men de må være anordnet slik at strømmen ikke kan krysse dem, dvs. at strømmen må bevege seg langs korden av kanalen på alle steder innbefattet skoen 20. In the arrangement according to fig.2 and 3, the edges of the shoe 20 extend over a circumferential arc which is adapted to the cooling water flow area for the vessel in question, usually of the order of magnitude of 30°, but they must be arranged so that the flow cannot cross them, i.e. that the current must move along the cord of the channel in all places including the shoe 20.

Ved den viste utformning forløper skoens 20 sideplater 2 4 radialt, hvilket kan ansees som vanlig. Det må imidlertid fore-tas en undersøkelse av kjølevanns feltet og enhver viktig instal-lasjon samt sidelukkeplatene må anordnes slik at strømmen beveger seg i deres lengderetning enten forfra akterover eller i vinkel til akteroverretningen. Det er sannsynlig i noen tilfelle at si-deplatenes vinkel kan bli forskjellig på styrbord og babord side som følge av propellens rotasjon. In the design shown, the side plates 2 4 of the shoe 20 extend radially, which can be considered normal. However, an investigation of the cooling water field must be carried out and any important installation as well as the side closing plates must be arranged so that the flow moves in their longitudinal direction either from the front aft or at an angle to the aft direction. It is likely in some cases that the angle of the side plates may be different on the starboard and port sides as a result of the propeller's rotation.

Resultatet av de to forholdsregler som er beskrevet ovenfor og som kan benyttes hver for seg, er at de lokale kjølevannsområ-der med kraftig strømning i dysens topp og bunn reduseres eller elimineres og at dysen får større aksiale strømningshastigheter etter at den er utstyrt med anordningen ifølge oppfinnelsen. Følgen er at pulsene fra propellstøttene fra prope11bladene blir svakere og dermed også svakere vibrasjon samtidig som muligheten for kavitasjon på grunn av hvirveldannelse ved bladenes spisser reduseres. Dermed er det også mindre fare for dannelse av kavita-sjonskjerner på dysens innerflate. Propellens virkningsgrad er alt i alt øket. Hvis propellen arbeider med et gjennomsnitt J-tall (fremdriftskoeffisient) er det klart at i området for liten aksial hastighet arbeider den med et meget lavere J-tall og dermed meget lavere lokal virkninsgrad. Således er propellens gjennomsnittlige virkningsgrad kraftig redusert sammenlignet med den samme propell som arbeider i et ensartet kjølevannsområde. Når kjølevannsområdet gjøres mer ensartet, har dette til følge at propellens virkningsgrad øker og dette har man funnet å være tilfelle med ikke aksialsymmetriske dyser. The result of the two precautions described above, which can be used separately, is that the local cooling water areas with strong flow in the top and bottom of the nozzle are reduced or eliminated and that the nozzle gets greater axial flow speeds after it is equipped with the device according to the invention. The consequence is that the pulses from the propeller supports from the propeller blades become weaker and thus also weaker vibration, while the possibility of cavitation due to vortex formation at the tips of the blades is reduced. Thus, there is also less risk of cavitation cores forming on the inner surface of the nozzle. The efficiency of the propeller is all in all increased. If the propeller works with an average J number (propulsion coefficient), it is clear that in the area of low axial speed it works with a much lower J number and thus a much lower local efficiency. Thus, the propeller's average efficiency is greatly reduced compared to the same propeller operating in a uniform cooling water area. When the cooling water area is made more uniform, this has the effect of increasing the efficiency of the propeller, and this has been found to be the case with non-axially symmetrical nozzles.

Claims

1. Device by means of propulsion for a vessel with a hull with uneven stern current distribution, comprising an essentially axially symmetrical guide channel (11) for water with a throat part (21), which surrounds a propeller, characterized in that a funnel-like plate or nose (22 or 27) is arranged at the inlet of the axially symmetrical channel (11) at least in an area of the channel's circumference, and which plate or nose extends both forward and radially outwards from the channel inlet to accommodate the stern flow at the channel inlet.

2. Device according to claim 1, characterized in that the largest outer radius of the channel is approximately 10% greater than the radius of the neck portion (21) and that the funnel plate or nose has approximately a 15% greater radius than the radius of the neck portion.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the funnel plate or nose (22, 27) extends along approximately 30° of the circumference and that an external casing plate (24) is attached to this and passes into the outside of the channel with a normal surface design.

4. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the funnel plate or nose (27) is shaped as an integral part of the channel construction and extends over approximately 60° of the circumference.

5. Device according to claim 3, characterized in that the side surfaces of the funnel plate or nose extend roughly in line with the local flow direction.

6. Device according to one of claims 1-5, characterized in that the plate or the nose is arranged in the bottom area of the channel inlet or at the top area of the channel inlet or at both.