NO313544B1 - Utforminger på overflaten av et legeme - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører utforminger på overflaten av legemer for å redusere motstanden i forhold til et medium som legemet befinner seg i eller inntil, i samsvar med ingressen til det etterfølgende krav 1. Spesielt vedrører oppfinnelsen utforminger som reduserer vann- og/eller luftmotstanden til en farkost, spesielt et skip. Oppfinnelsen har imidlertid også anvendelse på innsiden av rør som gjennomstrømmes av gass og/eller væske, for eksempel i ventilasjonsanlegg, væsketransportrør, slik som transportrør for hydrokarboner, nedløpsrør til vannkraftverk eller i forbindelse med bølgekraftverk.

Fra naturen er det kjent en rekke dyr som har overflateutforminger som reduserer strømningsmotstanden. Fugler har fjær som skaper er ru overflate og fisk, haier og rokker har skjell. Felles for disse overfiateutformingene er at de bryter de laminære luft-eller vannstrømmene langs kroppsoverfiaten og skaper små turbulenser. De laminære strømmene skaper stor strømningsmotstand fordi strømningsmediets hastighet i forhold til legemet er tilnærmet lik null nær overflaten. Det dannes derfor en tynn film av strømningsmediet nær overflaten, som utøver en motstand på legemet. En ru overflate vil bryte denne filmen og skape små turbulente strømninger. Derved reduseres strømningsmotstanden vesentlig.

Det er kjent flere overflateutforminger som drar nytte av denne effekten.

US 3184185 viser utforminger på oversiden av flyvinger. Det er stanset ut hull i overflaten. Den utstansede delen av hullet rager ut som en tunge på skrå i forhold til overflaten. På grunn av hullenes utforming vil luft trekkes ut gjennom disse fra innsiden av vingen. Denne luftstrømmen skaper en oppadrettet kraft, som gir løft.

US 3451645 beskriver en anordning som ligner på foregående. Her er det anordnet buede lameller på oversiden av vingen. Det er dannet en spalte mellom hver av lamellene. Luft strømmer ut gjennom denne spalten fra innsiden av vingen og deretter langs lamellens bue.

US 4753401 beskriver elementer som er påsatt overflaten på et legeme. Hver av elementene har åpninger 8 og over disse er det anordnet ribber 4 med grunne spor 5 mellom ribbene. Flere elementer er plassert etter hverandre slik at åpningene og ribbene ligger på linje. Mellom hvert av elementene dannes det en slisse 9 som står i forbindelse med en kanal 6B på tvers av kanalen 6A dannet av åpningene 8. Når fluid med lavt trykk strømmer forbi vil fluid trekkes ut fra kanalene 6A og 6B. Når fluid med høyt trykk strømmer forbi vil fluid strømme inn i kanalen 6A og 6B. Dette skal så resultere i redusert strømningsmotstand.

US 5386955 beskriver en overflate med fremspring i form av generelt trekantede ribber. Det er utformet enkelte relativt store ribber og et større antall mindre ribber mellom disse. I en utførelsesform er det anordnet trekantede ribber med økende tverrsnitt i strømningsretningen.

US 5476056 beskriver ulike utforminger på overflaten av et skipsskrog. I noen utførelsesformer er disse bølgeformede fremspring. I andre utførelsesformer er disse mer irregulære fremspring. Luft tilføres overflaten for å danne en luftfilm.

Selv om noen av de kjente overflateutformingene gir en viss effekt med hensyn på reduksjon av strømningsmotstanden, er de likevel beheftet med en rekke ulemper. Anordningene ifølge US 3184185 og US 3451645 er avhengig av at det finnes er hulrom innenfor overflaten, som luft kan strømme ut fra. US 5386955 beskriver anordning av svært små generelt trekantede ribber med en høyde på i størrelsesorden 70 um, som i noen utførelsesformer er anordnet på tvers av strømningsretningen og i andre utførelsesformer på langs. Selv om det skapes noe turbulens ved disse ribbene blir denne turbulensen av begrenset effekt p.g.a. ribbenes størrelse. Disse ribbene egner seg utelukkende ved svært høye hastigheter, rundt Mach 0,5. Ved lavere hastigheter, slik som man finner ved skip og hurtiggående båter, vil disse ribbene ha liten eller ingen effekt. Dessuten vil ribbene fullstendig dekkes av bunnstoff som påføres skroget og redusere effekten til null.

US 5476056 foreskriver at det tilføres luft til skrogoverflaten. Dette krever installasjon av kostbart pumpeutstyr og energi for å drive dette.

US 4753401 er antageligvis den beste utformingen av de ovennevnte, men er langt fra optimal og er dessuten svært komplisert å fremstille.

Det er dessuten kjent overflateutforminger fra GB 2068502 for turbinblader. Disse har enten form av hår eller i form av forhøyninger. Forhøyningene har form av halve kjegler som ligger mot overflaten.

Videre er det kjent overflateutforminger fra DE 3534268 i form av tynne blad som stikker opp fra overflaten eller i form av trekanter som avsmalner, men har økende høyde i strømningsretningen.

Ulempen med utforminger i form av forhøyninger er for det første at de lett kan beskadiges ved ytre påvirkning. Dessuten har det vist seg at de ikke gir like god effekt som fordypninger med komplementær form.

Den foreliggende oppfinnelse tar sikte på å overvinne de ovennevnte ulemper og dessuten å optimalisere effekten, både med hensyn på virkningsgrad, økonomi, produserbarhet og vedlikehold. Det tas også sikte på å tilveiebringe overflateutforminger som egner seg for bruk ved lave og moderate hastigheter, slik som man finner ved skip, hurtiggående båter, vannkraftrør, men også ved passasjerfly i moderate hastigheter. Dette oppnås ved de trekk som ifølge den foreliggende oppfinnelse er angitt i den kjennetegnende del av krav 1.

Fordelaktige utførelsesformer er angitt i de uselvstendige krav.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere under henvisning til de vedlagte figurer, der:

figur 1 viser et utsnitt av overflateutforminger sett i perspektiv,

figur 2 viser overflateutformingene i figur 1 i lengdesnitt,

figur 3 viser en utførelsesform av overflateutforminger ifølge oppfinnelsen,

figur 4 viser en annen utførelsesform av overflateutforminger ifølge oppfinnelsen,

figur 5 viser overflateutformingene i figur 4 i lengdesnitt og

figur 6 viser ytterligere overflateutforminger.

I figurene 1 og 2 er det vist overflateutforminger, h.h.v. i perspektiv og i snitt langs strømningsretningen. Overflateutformingen 1 er montert på en overflate 3, som kan være overflaten til et skipsskorg. Hver av overflateutformingene 1 har en skrå toppflate 2, som strekker seg på skrå opp fira overflaten 3, fra en nedstrøms kant 4, som ligger i overflatens 3 plan, til en oppstrøms toppkant 5, som ligger i avstand over overflaten 3. Denne avstanden er minst 1 mm, fortrinnsvis 5-15 mm, men kan også være så mye som 25 mm, i avhengighet av strømningshastigheten forbi overflateutformingen 1. Lengden på toppflaten 2 er fortrinnsvis 15-60 mm eller mer, men denne kan også ligge utenfor dette området i avhengighet av strømningshastigheten forbi overflateutformingen 1.

Mellom den nedstrøms kanten 4 og den oppstrøms toppkanten 5 strekker det seg sidekanter 6 og 7. Disse sidekantene divergerer fra den nedstrøms kanten 4 mot den oppstrøms toppkanten 5, slik at toppflaten 2 er bredere oppstrøms enn nedstrøms. Mellom sidekantene 6 h.h.v. 7 og overflaten 3 er det sidevegger 9. Toppkanten 5 og sidekantene 6 og 7 virker som avbruddskanter for mediet som strømmer forbi overflateutformingen 1.

Fra den oppstrøms toppkanten 5 strekker det seg en endevegg 8 ned mot overflaten 3. Endeveggen 8 er buet, slik at overflateutformingen 1 i horisontalsnitt får generelt form av et kakestykke. Imidlertid kan endeveggen 8 også være rett, slik at overflateutformingen får form av en trekant med avkuttet spiss.

Pilen 10 angir strømningsretningen for fluidet som strømmer forbi overflateutformingene 1, som for eksempel kan være anordnet på under vannlinjen på overflaten av et skip. Vannet strømmer da langs toppflaten 2 og sideveggene 9. Når vannet når kanten av endeveggen 8 brytes dette opp i turbulente strømninger 11 og 12. Derved brytes de laminære strømningene opp og vannets adhesjonskrefter til overflaten 3 reduseres betydelig. Overflateutformingene i figur 1 egner seg best for strømningshastigheter lavere enn ca. 40 knop.

Figur 3 viser overflateutforminger 20 som er utformet på samme måte som overflateutformingene 1 i figur 1, men overflateutformingene strekker seg ned i overflaten 3 i stedet for å heve seg over denne. Således omfatter overflateutformingen 20 en bunnflate 22, som strekker seg fra en oppstrøms kant 24 og på skrå ned i overflaten 3 til en nedstrøms kant 25. Mellom den oppstrøms kanten 24 og den nedstrøms kanten 25 strekker det seg sidekanter 26 og 27. Mellom sidekantene og overflaten er det sidevegger 29.

Disse sidekantene divergerer fra den oppstrøms kanten mot den nedstrøms kanten, slik at bunnflaten er bredere nedstrøms enn oppstrøms.

Fra den nedstrøms kanten 25 strekker det seg en endevegg 28 opp mot overflaten 3. Endeveggen 28 er buet, slik at overflateutformingen 20 i horisontalsnitt får generelt form av et kakestykke. Imidlertid kan endeveggen 28 også være rett, slik at overflateutformingen får form av en trekant med avkuttet spiss. I vertikalsnitt har overflateutformingen 20 samme form som overflateutformingen 1, slik at dersom man snur figur 2 på hodet vil denne kunne representere et vertikalsnitt gjennom overflateutformingen 20.

I figur 3 angir pilen 30 strømningsretningen forbi overflateutformingene 20. Derved blir strømningsretningen motsatt av strømningsretningen 10 forbi overflateutformingene 1. Dersom overflateutformingene 20 er anordnet på for eksempel et skipsskrog vil den laminære vannstrømmen brytes ved den nedstrøms kanten 25, som virker som avbruddskant, og det dannes en turbulent virvel 31 over og delvis ned i kaviteten dannet av overflateutformingen 20.

Den største dybden i denne kaviteten er minst 1 mm, fortrinnsvis 5-15 mm, men kan også være så mye som 15 mm, i avhengighet av strømningshastigheten forbi ' overflateutformingen 20. Lengden på bunnflaten 22 er fortrinnsvis 15-60 mm eller mer, men denne kan også ligge utenfor dette området i avhengighet av strømningshastigheten forbi overflateutformingen 20

Overflateutformingen 20 i figur 3 egner seg best for strømningshastigheter over ca. 40 knop. Figur 4 og 5 viser en overflateutforrning 40 som er utformet generelt som en dråpeformet fordypning 41. Den dråpeformede fordypningens 41 bredeste ende 42 er generelt kulesektorformet og vender nedstrøms, mens den smaleste enden 43 er generelt kjeglesektorformet og vender oppstrøms med sin spisse ende. ved den brede enden dannes det en kant 44 mot overflaten 3. Denne kanten virker som en avbruddskant for strømningen langs overflaten 3. Strømningsmediet strømmer i retning av pilen 50 og brytes i en turbulent virvel ved kanten 44. Den største dybden på fordypningen 41 er minst 1 mm, fortrinnsvis 5-15 mm, men kan også være så mye som 25 mm eller mer, i avhengighet av strømningshastigheten forbi overflateutformingen 40. Lengden av fordypningen i strømningsretningen er fortrinnsvis i området 15-60 mm. Figur 6 viser en ytterligere overflateutforrning. Denne egner seg best for lavere hastigheter, under ca. 15 knop. Overflateutformingen 60 er dannet av en skjermformet vegg 61. Veggen 61 er for eksempel en del av en avkortet kjegle eller en del av en sylindervegg i en skråstilt sylinder. Veggen 61 oppviser derved en konveks utforming oppstrøms og et konkav hulrom 62 nedstrøms. Langs veggen 61 dannes det en toppkant 66 og to sidekanter 67 og 68. Disse kantene virker som avbruddskanter for strømningsmediet.

Veggen 61 er fortrinnsvis fremstilt ved å stanse denne ut av en plate 64. Derved dannes det et hull 65. Platen 64 kan deretter festes til overflaten 3, slik at overflaten 3 stenger hullet 65. Festemidlene kan være lim, nagler, skruer, sveising m.m. alt etter hvilket materiale platen 64 og overflaten 3 er laget av. Strømningsmediet strømmer i retning pilen 70. Når strømningsmediet, for eksempel vann, treffer veggen 61 bøyes dette til siden på hver side av den skjermformede veggen 61 og oppover langs denne. Når vannet passerer sidekantene 67, 68 og toppkanten 66, som virker som avbruddskanter, dannes det en turbulent virvel 71, 72 og 73. På denne måten brytes den laminære strømningen langs overflaten 3.

Høyden på overflateutformingen 60 er minst 1 mm, fortrinnsvis 5-15 mm, men kan også være så mye som 25 mm eller mer, i avhengighet av strømningshastigheten forbi overflateutformingen. Lengden av overflateutformingen i strømningsretningen er fortrinnsvis i området 15-60 mm.

Som man ser av figurene 1, 3, 4 og 6 er overflateutformingene plassert noe forskjøvet i forhold til hverandre, fortrinnsvis i rekker, slik at overflateutformingene i én rekke er plassert i mellomrommet mellom overflateutformingene i den hosliggende rekken.

Som nevnt innledningsvis kan den foreliggende oppfinnelse kan også brukes på innsiden av rør, både for eksisterende rørgater eller lignende. I for eksempel ventilasjonsrør kan det tapes fast strimler med de beskrevne overflateutformingene. Her kan strimlene være fremstilt i for eksempel plast. I nye rør med væskeføring kan disse ha påmontert tilsvarende overflateutforminger som en ring i strømningsenden av røret, slik at man får en turbulensring ved hver rørskjøt. Jo tettere disse ringene står jo høyere vil strømningshastigheten bli. Materialet, for eksempel plasten må være så stiv at den bryter det laminære skiktet. Dersom disse turbulensringene er utført i for mykt materiale vil effekten forsvinne.

Overflateutformingene kan også benyttes på forkanten av flyvinger eller vindmølleblad.

Claims (7)

1. Utforminger på overflaten av legemer for å redusere motstanden i forhold til et medium som legemet befinner seg i eller inntil, der utformingene omfatter et antall fordypninger, karakterisert ved at overflaten er lukket, at fordypningen har en avbruddskant grensende til fordypningen og som befinner seg oppstrøms av fordypningen slik at det strømmende medium nærmest overflaten settes i turbulens ved passering av avbruddskanten og at fordypningen har en største dybde fra overflaten på minst ca. 2 mm.

2. Utforminger ifølge krav 1, karakterisert ved at bunnen av fordypningen har økende bredde i strømningsretningen.

3. Utforminger ifølge krav 2, karakterisert ved at bunnen av fordypningen starter ved avbruddskanten i en buet endevegg.

4. Utforminger ifølge krav 1, karakterisert ved at fordypningene har en nedstrøms avbruddskant i overflatens plan og et oppstrøms parti med avtagende dybde i strømningsretningen.

5. Utforminger ifølge krav 4, karakterisert ved at fordypningene er generelt dråpeformede med dråpeformens smale ende vendende nedstrøms.

Utforminger ifølge krav 4, karakterisert ved at fordypningene har en hovedsakelig plan bunnflate som i strømningsretningen strekker seg opp mot og sammenfaller med overflaten.

7. Utforminger ifølge ett av de foregående krav, karakterisert v e d at fordypningenes dybde er minst 5 mm, fortrinnsvis 5-15 mm.