NO149420B - Stroemledeanordning for forbedring av tilstanden av stroemningene rundt akterenden av et skip med stor fyllingsgrad - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en strømledeanordning for forbedring av tilstanden av strømningene rundt akterenden av et skip med stor fyllingsgrad, omfattende en ringformet anordning som er festet direkte til skipets akterende foran propellen, således at en vesentlig del av anordningen, sett fra siden, overlapper skipets skrog i avstander mellom anordningen og propellen, hvilken anordning har et strømlinjeformet lengdesnitt med den konvekse side rettet innad.

Hensikten med oppfinnelsen er å forbedre strøm-ningen av kjølvannet ved et skip med stor fyllingsgrad og inn-føre denne laminære strøm til propellens arbeidsflate for på denne måte å nedsette vibrasjonene i skroget, kavitasjoner og støy.

Når et skip drives med en hastighet Vg mot skipets motstand Rg kan den nødvendige avgitte motoreffekt P (hk) uttrykkes ved

hvor n er fremdriftsvirkningsgraden, som på sin side uttrykkes ved

hvor uttrykket (1 - t)/(1 - w) representerer den gjensidige påvirkning mellom propellen og skroget, t er en funksjon av skyvekraftreduksjonen, w er en funksjon av kjølvannshastig-heten, n^er en såkalt åpen virkningsgrad (open efficiency)

for en propell uten et foranstående skrog, og qR er en relativ rotasjonsvirkningsgrad (relative rotative efficiency) og representerer forholdet mellom propellvirkningsgraden for en propell anbragt i den forstyrrede strømning bak skroget og q

Det er derfor nødvendig å bevirke en reduksjon

av motstanden og øke fremdriftsvirkningsgraden for å

bedre ytelsen ved å redusere den nødvendige motoreffekt for en viss hastighet. Av ligning (2) fremgår det således at en økning av faktoren w vil bevirke en økning av fremdriftsvirkningsgraden n_ selv om de andre parametre forblir konstant. Av ligning (1) fremgår det at en forbedring av fremdriftsvirkningsgraden vil føre til at den avgitte motoreffekt P vil bli forbedret.

Vannstrømmen rundt stevnen ved et skip med stor fyllingsgrad består av parallelle strømmer langs skipssiden, oppadrettede strømmer rundt sidekjølen og vertikale hvirvler. Ved dette strømningsbilde er de vertikale hvirvler tredimen-sjonale, adskillende hvirvler som bevirker sterk turbulens. Turbulensen er ennvidere en følge av tilstedeværelsen av de parallelle strømmer og de oppadrettede strømmer. Turbulensen finner sted ved et område som befinner seg like foran og over propellen, således at områdene for de høyeste kjølvannsverdier er konsentrert til den øvre del av propellen. Disse områder avtar generelt sett gradvis mot den nedre side..

Følgelig blir fordelingen av kjølvannstrømmen ved et skip med stor fyllingsgrad drastisk forandret, sammenlignet med hva tilfellet er ved vanlige skip med "slankt" skrog.

I tillegg hertil foreligger sterke lokale kjølvannstrømmer. Der foreligger således med andre ord to hovedstrømmer, av hvilke den ene er en strøm med lav hastighet rundt den øvre del av propellen, mens den annen del har stor hastighet og befinner seg ved den nedre del av propellen. Følgelig oppstår der kavitasjoner i områdene nær de øvre og nedre deler av propellen, hvor strømmene er konsentrert og belastnings-fordelingen på propellbladene følgelig blir uønsket. Som en følge av dette tiltar motstanden på grunn av adskillelse av vertikale hvirvler, og vibrasjonen i skroget opptrer som følge av en ikke-ensartet strøm rundt propellen, hvilket fører til støy.

De hittil kjente, vanlige tunnelpropeller som benyttes på dette område, er ikke så effektive til å homoge-nisere strømningene, da den gjensidige virkning mellom propellen og tunnelen finner sted jevnt over hele propellens om-krets, idet den ringformede spalte mellom propellen og tunnelen er ensartet. Den strøm som kommer inn ved tunnelens innløp, akseleres praktisk talt ensartet i tunnelen før den når frem til propellens arbeidsareal. Denne ensartede strøm kan ikke hindre den ovenfor nevnte vibrasjon i skroget og støyen. Kavitasjon og erosjon oppstår på tunnelens indre overflate og forkorter dennes levetid. Ennvidere bevirker propelltunnelen en uønsket økning av skipets byggesum på grunn av krav til større styrke og presisjon når det gjelder områdene rundt propellen-.

Et annet problem består i at det er nødvendig å erstatte den foreliggende propell med en ny propell med større stigning når en tunnel skal anbringes i forbindelse med propellen for å oppnå en optimal propellhastighet i forhold til hovedmaskinens turtall. Ved en tunnelpropell er nemlig strøm-hastigheten rundt propellen øket i betydelig grad, idet pro-pellhastigheten økes med minst 10 % ved den samme maskineffekt når den allerede foreliggende propell kombineres med en tunnel. Dette betyr at hovedmaskinen ikke kan utnyttes til sitt maksimum, idet den ikke tilsvarer strømningshastigheten. For å unngå dette, er det nødvendig å forandre propellen eller å forandre hovedmaskinen for å møte kravet til større turtall. Disse motstridende forholdsregler er imidlertid vanskelig å overkomme, bortsett fra at de er kostbare. Føl-gelig er anvendelsne av den hittil kjente tunnelpropell ikke effektiv i den hensikt å oppnå en høyest mulig effektivitet av et skip, idet skipets gang påvirkes i uheldig retning.

For å overvinne disse problemer er det blitt fore-slått å forskyve tunnelen fremover fra dens normale stilling, således at den bakre eller aktre ende av tunnelen anordnes nær propellen. Dette forslag gir imidlertid et annet problem, nemlig at den bakoverrettede skyvekraft som tilveiebringes av tunnelen, økes i uhensiktsmessig grad ved å øke andelen av skyvekraftreduksjonen t, som bevirker en nedsatt skrog-virkningsgrad rjH og reduserer fremdriftsvirkningsgradne i\, således at man ikke oppnår den forbedring av virkningsgraden som er hensikten.

For å eliminere problemene i forbindelse med tunnelpropellen og samtidig øke f remdrif tsvirkningsgraden er det derfor nødvendig å holde den fremre ende av tunnelen lengst mulig borte fra skroget og samtidig sørge for at. tunnelens bakre ende befinner seg i nærheten av propellen.

Dette gjør det nødvendig å velge en kortere tunnellengde, da avstanden mellom skroget og propellen er begrenset. Samtidig vil den skyvekraft som bevirkes av tunnelen selv, bli øket og propellens virkningsgrad nedsatt i forhold til den vanlige, tunnelpropell. Dette trekk kan derfor ikke utnyttes i praksis.

Hensikten med oppfinnelsen er derfor å skaffe en strømstyreanordning som kan omdanne kjølvann-strømmen som oppstår i. strømningsfeltet rundt akterenden av et skip med stor fyllingsgrad, til en laminær strøm og lede denne laminære strøm til propellens arbeidsareal og samtidig diffusere den for derved å forbedre skipets gang og samtidig undertrykke skrogvibrasjonen, kavitasjonen og støyen.

Det særegne ved oppfinnelsen er at den ringformede anordning har elliptisk form og har et åpningsareal som er større enn propellens rotasjonsareal.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det føl-gende under henvisning til tegningene, hvis fig. 1 viser et delvis snitt i oppriss av stevnen av et skip med stor fyllingsgrad og utstyrt med en strømledeanordning av kjent utførelse, fig. 2 viser et snitt etter linjen A - A på

fig. 1 og fig. 3 viser et snitt etter linjen B - B på

fig. 2; fig. 4 viser et vertikalsnitt av en utførelse ifølge oppfinnelsen, fig. 5 viser skjematisk strømlede-anordningen A ifølge oppfinnelsen sammenlignet med kjente anordninger (B og C) og hvilke deler av kjølvann-strømmene som fanges opp av de forskjellige anordninger, fig. 6 viset-et eksempel på snitt av en strømledeanordning, fig. 7 viser strømningsfeltet rundt akterenden av et skip med stor fyllingsgrad og utstyrt med en strømledeanordning ifølge oppfinnelsen, fig. 8 viser forandringen av hastighetsforde-lingen av strømningens aksialkomponent og fig. 9 viser et snitt av en ringformet anordning som ble anvendt ved et eksperiment.

Fig. 1 viser akterenden av et skip 1 med stor fyllingsgrad utstyrt med en strømledeanordning av kjent art;

denne kjente, ringformede strømledeanordning 2 har en øvre lengde som er større enn den nedre lengde Z^' Den øvre lengde er mellom 0,2 og 1,0 ganger propellens diameter Dp. Lengden avtar gradvis fra den øvre til den nedre side, og anordningens innerside 21 er stort sett konveks, således at anordningen 2 får vingeformet tverrsnitt. Anordningens 2 fremre ende er avrundet og danner innløpssiden som er den som ligger nærmest baugen.

Anordningen 2 er således anbragt at dens bakre befinner seg foran propellen 3, dvs. med en øvre avstand d og en nedre avstand d' til propellen. Anordningen 2 er festet til skroget over en lengde mellom 20 og 100 % av lengden ^ .

Avstandene d og d' er hensiktsmessig valgt under hensyntagen til forskjellige faktorer, såsom formen og be-liggenheten av kjølvann-strømmen, den belastning som propellen utsettes for og andre faktorer. Avstanden øker gradvis fra den øvre side av anordningen til dennes nedre side.

Anordningen 2 er festet direkte til skipets skrog i punktene 2a, 2b, 2a', 2b' (fig. 2). Eventuelt kan dens øvre parti befinne seg bak skroget ved å være festet til dette ved hjelp av bæreelementer.

Fig. 1, 2 og 3 viser, som nevnt, en tidligere kjent , ringformet, sirkulær anordning 2. Anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse har derimot et ovalt tverrsnitt, som vist på fig. 4 og betegnet med 5, eller den kan være satt sammen av korte, rette avsnitt, alt etter de forskjellige faktorer, således at dens form blir stort sett oval, for å tilveiebringe en strømnings-hastighetsfordeling langs akterenden, formen og tykkelsen av bunnskiktet osv.

Den ytre overflate 2k hhv. 5k av den kjente ringformede, såvel som av den nye, ovale anordning er rett, se også fig. 3 som viser vinkelen 5- mellom en linje som er parallell med skrogets 1 lengdeakse og den ytre overflate 2k, hvilken vinkel blir den samme ved utførelsen ifølge fig. 4 og betegnet 5k og som fortrinnvis ligger mellom -10° og +30°. Den ytre overflate 2k såvel som 5k kan være rettet utad i forhold til den nevnte linje som er parallell med skrogets lengdeakse. Motstanden øker hvis vinkelen 3u er særlig stor i forhold til den oppadgående strømning fra skrogets bunn. På lignende måte vil motstanden også øke ved at vinkelen økes i den annen retning.

Den ovale anordning fremstilles lettest ved

at ringens 5i innerside dannes av korte linjer, fortrinnsvis med buede overganger, se fig. 6. Denne utførelse av ring-profilet er spesielt beregnet for høy fremdriftshastighet. Anordningen har en diffusorvinkel "V ved sitt bakre parti 5e, hvilken vinkel Y ligger mellom 0° og 10°, fortrinnsvis mellom 3° og 5° i forhold til ringens indre overflate.

En strømledeanordning av den kjente art har en

i det vesentlige sirkulær grunnform som vist på fig. 2,

men det kan undertiden være nødvendig å gi den forskjellige endrede former i overensstemmelse med skrogform og strøm-ningsf eltets tilstand. Således viser fig. 4 en konstruksjon som har en oppadrettet utbulning med mindre krumning i retning nedad, således at den får en oval, ellipse- eller ellipselignende form. Denne form er særlig egnet når skrogets bunn er forholdsvis spiss, og de vikLigste trekk ved denne ovale strømledeanordning skal belyses i forbindelse med fig.5. Her viser strek-prikk-prikk-linjen A skjematisk formen av

den ovale strømledeanordning ifølge fig. 4, mens strek-prikk-linjen B viser en sirkulær anordning og den prikkede linje C viser en stort sett sirkulær anordning som er satt sammen av rette linjestykker som således nærmer seg formen B. Som det fremgår vil en strømledeanordning av formen A ifølge oppfinnelsen i stor grad fange opp hele 0,7-delen av strøm-ningene w samt de hurtigere såvel som de langsomme strøm-ninger w og. således være mere effektiv som utførelsene B og C. Anordningen A kan også være sammensatt av korte, rette stykker som tilnærmet vil gi en form som betegnet med A.

Det fremgår således at der ved hjelp av oppfinnelsen oppnås en vesentlig forbedring når det gjelder fremdriftsvirkningsgraden, enn ved de tidligere kjente utførelser.

Virkningen av strømledeanordningen ifølge oppfinnelsen skal beskrives under særlig henvisning til fig. 7 og 8.

Parallelle strømmer S, og oppadrettede strømmer S^ og S2 har den form som vist på fig. 7. Disse strømmer når frem til strømledeanordningens 5 inngangsende, og hastig-hetsfordelingen av strømmenes aksiale komponent ved inngangs-siden er som vist på fig. 8. Pilene angir størrelsen og retningen av den samlede strøm. Som det fremgår av fig. 8b avtar strømningshastigheten ovenfra og nedad.

Den skrått oppadrettede strøm S^ som ledes inn

i den ovale anordning 5, endres i retning og hastighet av ringens innerside og blir derved en parallell strøm S^"; samtidig blir de vertikale hvirvler S2 undertrykket. De øvrige mindre vertikale deler av disse hvirvler S2 vil om-dannes etterhvert som de når inn i den ovale anordning og kommer ut av dene i form av en i det \esentlige parallell strøm. Uensartetheten av de parallelle strømmer S^' og S2" mellom de øvre og nedre deler av ringen reduseres som følge av virkningen av anordningen 5, som angitt på fig. 8. Disse laminære eller parallelle strømmer passerer gjennom ringen og blir deretter diffusert før de ledes mot propellen 3

over avstandene d og d<1>.

Den nedre del av strømmen har en noe mindre hastighet enn den øvre del. Da avstanden d' imidlertid er større enn avstanden d, vil den gjensidige virkning mellom propellen 3 og anordningen 5 være større ved den øvre del enn ved den nedre del, således at strømmen blir mere ensartet. I tillegg hertil tillater forskjellen mellom avstandene d

og d<1> en tilfredsstillende diffusjon av strømmen over hele propellarealet med sikte på å oppnå en ensartet hastighets-fordeling som angitt på fig. 8d.

Ovenfor er beskrevet en oval strømlede-anordning 5 med vingeformet tverrsnitt med den konvekse side rettet innad mot ringens snetrum. Anordningen 5 har en lengde oventil som ligger mellom 0,2 og 1,0 ganger propellens 3 diameter Dp,

og en nedre lengde som er mindre enn den øvre. Anordningen er ennvidere festet direkte til skipets skrog, således at

skipets akterende befinner seg innenfor anordningen. Avstanden mellom anordningen og propellen er tilstrekkelig stor til at den strøm som kommer' ut av utløpsenden, blir diffusert og når frem til propellens overflate. Denne avstand avtar gradvis fra den øvre til den nedre side av den ovale anordning.

Følgelig vil den kjølevann-strøm som har stor hastighet og befinner seg rundt skipets akterende, bli forandret til en parallell strøm og derpå diffusert og ledet til propellens arbeidsareal. Resultatet av dette er at frem-drif tsvirkningsgraden økes samtidig som den uønskede vibrasjon i skroget og den uønskede støy reduseres i vesentlig grad. Særlig blir den strømkomponent som har forholdsvis stor hastighet og som frembringes rundt skrogets bunn, tilstrekkelig diffusert ved den nedre del av den ovale anordning, hvor avstanden til propellen er større enn ved den øvre del, inntil strømmen ledes til propellens arbeidsareal.

Fordelen ved oppfinnelsen vil være særlig merkbar når den anvendes i forbindelse med et tidligere bygget skip,

da de ovenfor nevnte fordeler oppnås uten nevneverdig modi-fikasjon eller forandring av propellen, selv om de samme fordeler også oppnås når anordningen anvendes i forbindelse med et nybygg. Således er det innlysende at oppfinnelsen har stor praktisk betydning,

De utførelser av oppfinnelsen som er vist og beskrevet, er ikke de eneste som er praktisk anvendelige. Den vesentligste fordel som oppnås ved oppfinnelsen er at de strømkomponenter som har stor hastighet og frembringes i strømningsfeltet rundt akterenden av et skip med stor fyllingsgrad, konsentreres og delvis akselereres ved hjelp av den ovale anordning og at strømmen gjøres ensartet, hvilket ikke alene oppnås ved hjelp av den ovale anordning selv,

men som oppnås ved den varierende avstand mellom anordningen og propellen, dvs. ved diffuseringsvirkningen for å gjøre det mulig å lede en ensartet strøm med forholdsvis liten strøm-ningshastighet mot propellens arbeidsareal.

Claims (1)

1. Strømledeanordning for forbedring av tilstanden av strømningene rundt akterenden av et skip med stor fyllingsgrad, omfattende en ringformet anordning (5) som er festet direkte til skipets akterende foran propellen (3) således at en vesentlig del av anordningen, sett fra siden, overlapper skipets skrog (1) i avstander (d og d') mellom anordningen (5) og propellen (3), hvilken anordning har et strømlinjeformet lengdesnitt med den konvekse side rettet innad, karakterisert ved at den ringformede anordning (5) har elliptisk form sett i skrogets (1) lengde-retning, og har et åpningsareal som er større enn propellens (3) rotasjonsareal.