NO300963B1 - Anordning for reduksjon av bölgemotstanden som virker på et skip - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for reduksjon av bølgemotstanden som virker på et skip, hvilken anordning omfatter i det minste ett par finner som hver har hovedsakelig lik form og strekker seg ovenfor og nedenfor skipsskrogets vannlinje symmetrisk på hver side av skroget, idet hver finne er festet til skroget med direkte kontakt langs sin fremre endekant og den bakre ende av hver finne er adskilt fra skrogoverflaten, og organer for å justere finnen i forhold til skroget ved å bevege finnens bakre ende bort fra og mot skroget.

Motstanden som opptrer når et skip flyter og navigerer på vannet består hovedsakelig av friksjonsmotstand fra vannet, bølgemotstand og luftmotstand. Mens friksjonsmotstanden utgjør nesten 90% av den totale motstand ved store skip som navigerer med liten hastighet, vil bølgemotstanden ved små og middels store skip som navigerer med stor hastighet øke og utgjøre opptil 60% av den totale motstand. På den annen side utgjør den del av motstanden som skyldes formen og luftmotstanden bare noen prosent ved de fleste skip. Derfor blir vanligvis beregningen av den totale motstand utført ved å måle den totale motstand ved en skipsmodell, hvorfra friksjonsmotstanden man får ved beregning subtraheres, og den resterende bølgemotstand multipliseres med deplasements-forholdet mellom det aktuelle skip og skipsmodellen for å beregne bølgemotstanden ved det aktuelle skip, hvoretter friksjonsmotstanden adderes for å komme frem til den totale motstand, som ønsket.

Bølgemotstanden det er tale om her refererer seg til motstand som skyldes bølger, f.eks. gravitasjonsbølger bevirket av skipets fremdrift. Forholdet mellom inerti og gravitasjon eller det såkalte Froudes tall er en viktig faktor ved bølgemotstand.

Som anordning for reduksjon av bølgemotstand har det vært foreslått å redusere egenvekten av skipet per se, og for dette formål har det ifølge de japanske patenter nr.

55-15349 og 48-35557 såvel som andre steder vært foreslått å forsyne skipsskroget med flere luft-utstrømningshull i bunnen eller i sidene nær bunnen, hvorfra trykkluft strømmer ut i sjøen for å bevirke at skroget flyter opp mot havover-flaten .

Denne metode har imidlertid neppe vært benyttet ved virkelige skip fordi, når unntas skip som navigerer mens hele skroget befinner seg under vann og ikke har noen fri overflate, f.eks. undervannsbåter, vil dannelsen av bølger på grunn av skipets fremdrift ikke kunne reduseres når skroget er over vannflaten, slik at metoden er uegnet for å redusere bølgemotstanden. Dessuten vil det være risiko for kantring når skipets hastighet økes slik at den overskrider en viss grense.

Det har også vært foreslått en metode hvor trykkluft blåses som bobler ut i vannet forover i skipets fartsretning for å redusere vannmotstanden ved hjelp av massen av luftbobler (se f.eks. japansk patent nr. 60-33185), og en metode for å redusere vannmotstanden ved å installere tynne smale bord parallelt med skrogets ytterflate og omtrent i rett vinkel til fartsretningen, idet det holdes en liten klaring til skrogets ytterflate i vannet, og luft blåses ut fra et stort antall små åpninger i bordets fremre kant.

Disse tidligere kjente metoder krever imidlertid hjelpe-utrustning, så som kompressorer for produksjon av trykkluft som skal blåses ut i vannet, samt uunngåelig stort energiforbruk til luftutblåsningen. Således er ingen av de tidligere kjente metoder helt tilfredsstillende for bruk i forbindelse med virkelige skip.

En anordning av den innledningsvis nevnte type er kjent fra WO 86/04557. Her er det vist en seilbåt hvor det nær akter-stavnen er montert en svakt utragende finne, som har til formål å slippe luft ut slik at hekkbølgen slipper og ikke suger akterpartiet av seilbåten ned ved økende hastighet. I én av utførelsene er finnen til en viss grad justerbar, men den er innspent i skroget ved sin fremre ende og lar seg derfor bare justere i begrenset grad innenfor sin egen elastisitet. En ulempe er også her at luft må tilføres innenifra.

Til grunn for foreliggende oppfinnelse ligger således den oppgave å tilveiebringe en anordning for reduksjon av bølgemotstanden ved hjelp av en enkel konstruksjon som har høy ytelse uten uforholdsmessig stort energiforbruk og som kan reguleres for å optimalisere virkningen.

Som et resultat av intensiv forskning for å utvikle en anordning med enkel konstruksjon som gjør det mulig å redusere bølgemotstanden, har oppfinnerne funnet at denne oppgave kan løses ved en anordning av den innledningsvis nevnte type, hvor det karakteristiske er at finnene utelukkende er anordnet på den fremre del av skipsskroget og er festet til dette ved hjelp av hengselorganer.

Oppfinnelsen tilveiebringer også et skip forsynt med ovennevnte anordning for reduksjon av bølgemotstanden.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli beskrevet nærmere under henvisning til de vedføyede tegninger, hvor

fig. 1 er et skjematisk grunnriss av et skipsskrog som ved vannlinjenivået er forsynt med en anordning ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 viser sideriss av et skipsskrog forsynt med en anordning ifølge oppfinnelsen,

fig. 3a - 3h viser forskjellige finneutformninger ifølge oppfinnelsen,

fig. 4-6 viser perspektivriss av finner som er festet til skipsskroget på forskjellige måter.

fig. 7 viser grunnriss av en finne som er festet til skroget med variabel finnemonteringsvinkel,

fig. 8 er en forklarende illustrasjon av strømnings-linjer generelt rundt et legeme, og

fig. 9 er en forklarende illustrasjon av prinsippet ved anordningen ifølge oppfinnelsen.

Som vel kjent innen hydrodynamikken, har ethvert fluidum viskositet og kompressivitet, slik at når et legeme anbringes i en fluidstrøm, vil fluidets viskositet bevirke en hastighetsfordeling på grunn av overflatefriksjonen, og, som vist på fig. 8, blir det dannet grenseskiktpartier a og bakevje- eller hvirvelpartier b i strømningslinjemønsteret rundt legemet. Situasjonen er den samme når fluidet befinner seg i ro og legemet i dette beveger seg. Når det benyttes et par finnelignende plater som strekker seg bakover på større avstand fra skroget, som vist på fig. 9, og på et nivå for å strekke seg ovenfor og nedenfor vannlinjen av skroget, vil følgelig et grenseskiktparti a bli dannet ved den bakre ende av hver plate og et hvirvel-parti b i mellomrommet mellom platens bakre ende og skroget. Som et resultat blir bølgene som dannes ved fremdriften av skipet eliminert når de passerer over den bakre ende av platen på grunn av omdannelsen av strømningen til en turbulent strømning.

Under henvisning til de vedføyede tegninger vil anordningen ifølge oppfinnelsen nå blir bekrevet mer detaljert. Fig. 1 er et grunnriss av et skipsskrog ved vannlinjenivået, og fig. 2 viser sideriss av skroget, hvor flere par finnelignende plater 4, 4,.... og 4', 4',.... er anordnet symmetrisk på venstre og høyre sideflater 2 hhv. 2' av skroget 1. Som vist på fig. 2 er hver av platene 4, 4, .... og 4', 4', .... anbragt ovenfor og nedenfor vannlinjen 3 fra for- til akterenden av skorget 1. Hver av finnene 4 .... og 4<1> .... er, som vist på fig. 2, festet til skroget 1 langs sin fremre endekant mens deres bakre ende er adskilt fra skrogets 1 overflate.

Det er hensiktsmessig at hver av finnene 4, .... og 4•, .... er festet til skroget slik at de danner en vinkel på

2°- 25°, eller fortrinnsvis 5° - 15, med skroget 1, hvilken vinkel i det følgende vil bli kalt monteringsvinkelen cx. Når monteringsvinkelen cx er mindre enn 2° vil reduksjons-effekten på bølgemotstanden være utilstrekkelig, mens friksjonsmotstanden, når vinkelen er større enn 25", vil øke så meget at skipets fart reduseres. Når det er anordnet to eller flere par finner kan man velge å variere monteringsvinkelen cx fra par til par. Den optimale verdi på monteringsvinkelen cx er avhengig av skipets hastighet og skrogets 1 profil, slik at det er hensiktsmessig å utforme hvert skip på basis av resultatene av vanntank-eksperimenter med en skrogmodell med tilsvarende profil.

Formen av de finner som benyttes ved anordningen ifølge oppfinnelsen er ikke spesielt begrenset, men forutsetningen er at den fremre endekant må ha samme krumning som den skrogflate finnen skal festes til med direkte kontakt. Eksempler på egnede finnekonstruksjoner omfatter kvadrat-iske, vertikalt langstrakte rektangler, horisontalt langstrakte rektangler, trapeser, omvendte trapeser, trekanter, femkanter, halvsirkler og sektorer, som vist på fig. 3a - 3h.

Materialet i finnene er heller ikke spesielt begrenset, forutsatt at det har tilstrekkelig høy styrke til å motstå vannmotstanden når skipet er i fart, og kan omfatte metaller, plasttyper, trematerialer, keramiske materialer o. 1.

Finnene monteres f.eks. slik som vist i perspektiv på fig. 4, hvor en plate 4 er utformet på forhånd slik at dens fremre endekant 5 har en krumning som passer til krumningen av skrogflaten, og bøyet slik at dens bakre ende 6 vil befinne seg på avstand fra skrogflaten når finnen 4 er festet til skrogflaten ved den fremre endekant 5 i en passende vinkel til skrogflaten. Finnens fremre endekant er festet til skrogflaten 2 ved nagling eller sveising. Om nødvendig, kan en kileformet avstandsholder innsettes mellom finnen 4 og skrogflaten 2 for å sikre stabil fiksering av finnen. Fig. 5 illustrerer en modifisering av finnemonteringen ifølge fig. 4, idet det bakre endeparti av finneplaten 4 er bøyet i omtrent rett vinkel for å danne en bøy 6• med en bredde svarende til den ønskede avstand mellom den bakre ende 6 og skrogflaten 2. Bøyen 6<1> er også festet til skrogflaten 2 ved nagling eller sveising. Hensiktsmessig kan bøyen fremstilles med slik form at de øvre og nedre partier blir stående igjen i form av ben for å lette innsugning av luft. Fig. 6 viser perspektivriss av en andre modifikasjon av finnekonstruksjonen, hvor finnen 4 er utformet på forhånd som en integrerende utbulende del av skrogflaten 2 for å danne en lomme 7 som åpner bakover, og valgfritt i det minste delvis oppad og/eller nedad, mens lommen 7 er vanntett isolert fra innenbordssiden ved påsetning av en plate.

Som kjent vil et skips bølgemotstand være avhengig ikke bare av skrogets form, men også av vindhastigheten, havstrømmens hastighet og retning, bølgehøyden og andre forhold ved omgivelsene, slik at det av og til vil være ønskelig å modifisere monteringsvinkelen av finnene, avhengig av forholdene. I et slikt tilfelle vil det være fordelaktig om finnenes monteringsvinkel kan varieres innenfor et visst område.

Fig. 7 er et grunnriss som viser en anordning for en slik variabel finnemonteringsvinkel, hvor den fremre endekant 5 av finnen 4 er dreibart opplagret på skrogflaten 2 slik at den bakre ende 8 kan åpnes og lukkes ved at den skyves og trekkes ved hjelp av en stang 9 som er koblet til en snekkehjulanordning 10. Det vil være klart at snekkehjul-anordningen 10 kan erstattes med en hydraulisk sylinder eller en kamskiveanordning.

Når det imidlertid gjelder et bestemt skip, vil de aktuelle data vedrørende effekten av vindhastighet, havstrømmens hastighet og retning, bølgehøyde o.l. på bølgemotstanden bli utarbeidet og benyttet for utregning av de optimale monteringsvinkler, og resultatene bli innmatet i en computer som tjener til automatisk å styre finnemonteringsvinkelen under navigasjon av skipet i overensstemmelse med endringene av forholdene i omgivelsene.

Anordningen ifølge oppfinnelsen bevirker en stor reduksjon av bølger som dannes under skipets fremdrift som et resultat av utformningen av grenseskiktpartiet a ved finnens ytre bakre ende og hvirvelpartiet b i mellomrommet mellom finnens bakre ende og skroget, som beskrevet under henvisning til fig. 9.

Fordelen ved anordningen ifølge oppfinnelsen for å redusere bølgemotstanden er spesielt stor når skipet seiler med konstant hastighet over en bestemt verdi. I tillegg er konstruksjonen av anordningen som benyttes ved oppfinnelsen så enkel at anordningen kan benyttes ved omtrent alle konvensjonelle båttyper.

Anordningen ifølge oppfinnelsen kan derfor finne utstrakt anvendelse ved mange forskjellige båter, helt fra små båter, så som robåter, racerbåter, lystfartøyer og fiskebåter, til store skip, så som lasteskip, passasjerskip, containerskip og oljetankskip.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet mer detaljert i det følgende ved hjelp av eksempler som illustrerer noen utførelsesformer av oppfinnelsen.

Eksempel 1.

Et tankforsøk ble utført som følger: En 2 m lang skrogmodell som fløt på vannflaten i lengderetningen av en vanntank med en lengde på 10 m og en bredde på 5 m ble fortøyet ved sin fremre ende omtrent midt på den 5 m lange tankveggen med et tau med en innsatt strekkmåler.

Ti finneplater av polyvinylklorid, hver med følgende dimensjoner: 100 mm høyde, 50 mm bredde og 20 mm tykkelse, ble festet symmetrisk på skrogflaten i posisjoner med avstander på 20 cm, 40 cm, 60 cm, 80 cm og 100 cm fra skrogets fremre ende og på en slik måte at finneplatene strakte seg ovenfor og nedenfor skrogets vannlinje mens finneplatenes bakre ende strakte seg utad med en finnemonteringsvinkel på 3° til skrogflaten.

Deretter ble en vannjetpumpe på 50 hk startet for å tilveiebringe en vannstrømning i tanken, og det ble foretatt målinger av forholdet mellom vannstrømningshastigheten og belastningen som ble utøvet på skroget.

Til sammenligning ble det samme eksperiment utført med den samme skrogmodell uten bruk av finner av polyvinylklorid. De oppnådde resultater er vist i nedenstående tabell 1.

Som det fremgår av tabellen, kunne belastningen som ble utøvet på skroget reduseres betydelig når dette var forsynt med finner og den motstandsreduserende effekt ble tydeligere jo større vannstrømningshastigheten var.

Visuelt ble det funnet at hvitt bølgeskum som ble dannet på begge sider av skroget kunne reduseres til omtrent det halve ved å forsyne skroget med finner.

Eksempel 2.

Finnenes effektivitet ble testet ved å benytte en virkelig båt. Således ble det anordnet armer med en lengde på 3 m som strakte seg ut fra høyre og venstre side av en motorbåt (modell Yamaha SR-21) med en total lengde på 6,65 m, en total bredde på 2,41 m, en bruttovekt på 820 kg og forsynt med en utenbordsmotor på 220 hk med en maskimal fart på 40 knop. Ved å benytte tau med en lengde på 30 m, som hvert ble festet til enden av én av de utragende armer, ble to robåter (modell Yamaha ROW-10) med en total lengde på 2,84 m, en total bredde på 1,8 m og en bruttovekt på 72 kg tauet, og strekket i tauene ble målt ved hjelp av en strekkmåler.

I dette tilfelle var én av robåtene forsynt med finner av aluminium ved posisjoner på 1 cm, 37 cm og 70 cm fra stevnen og 2 2 cm fra akterenden og symmetrisk på høyre og venstre side. Hver finne hadde en høyde på 10 cm og en lengde på 50 cm og var ved sine fremre ender fast fiksert til side-platene av båtskroget ved hjelp av bolter, mens finnenes bakre ende strakte seg utad fra skroget med finnemonterings-vinkler på 11-33', 8°13», 7°29' og 8<0>13•, regnet fra den fremre til den bakre finne.

Den følgende tabell 2 viser resultatene av tauingsforsøket med disse robåter ved varierende hastighet.

Av tabellen fremgår det at bølgemotstanden ved båten med finner var betydelig mindre enn ved båten uten finner, uavhengig av hastigheten over hele området fra lav til høy hastighet. Denne effekt var spesielt bemerkelsesverdig når båtens hastighet overskred 30 km/t.

Eksempel 3.

I den hensikt å undersøke forholdet mellom finnemonteringsvinkelen og bølgemotstanden, ble det samme eksperiment som i eksempel 2 gjentatt ved anordning av finnene med samme monteringsvinkel. Eksperimentet ble utført med finne-monteringsvinkler på 14,7° og 30°. Resultatene er vist i nedenstående tabell 3.

Slik det fremgår av tabellen, øker motstanden som virker på båten når finnemonteringsvinkelen overskrider en viss bestemt vinkel, som kan være ca. 25°, og innvirker uheldig på båtens hastighet.

Claims (2)

1 . Anordning for reduksjon av bølgemotstanden som virker på et skip (1), hvilken anordning omfatter i det minste ett par finner (4, 4') som hver har hovedsakelig lik form og strekker seg ovenfor og nedenfor skipsskrogets (2) vannlinje (3) symmetrisk på hver side av skroget, idet hver finne er festet til skroget med direkte kontakt langs sin fremre endekant og den bakre ende av hver finne er adskilt fra skrogoverflaten, og organer for å justere finnen i forhold til skroget ved å bevege finnens bakre ende bort fra og mot skroget, karakterisert ved at finnene utelukkende er anordnet på den fremre del av skipsskroget (2) og er festet til dette ved hjelp av hengselorganer.

2. Skip forsynt med en anordning for reduksjon av bølgemotstanden ifølge krav 1.