NO313545B1 - Utforminger på overflaten av et legeme - Google Patents

Description

Den foreliggende opprinnelse 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 overflateutformingene er at de bryter de laminære luft-eller vannstrømmene langs kroppsoverflaten 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 sfrørnningsretningen 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.

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 overflateutformingene ifølge den foreliggende oppfinnelse, sett i perspektiv og

figur 2 viser overflateutformingene sett fra siden.

I figurene 1 og 2 er det vist et utsnitt, h.h.v. i perspektiv og sett fra siden, av en sammenstilling av overflateutforminger som er innrettet til å plasseres for eksempel under vannlinjen på et skipsskrog. Overflateutformingene består av et antall lister 1,2, 3, som i sin tur består av en fotplate 4, hvorpå det er anordnet en rekke av fremspring 5. Fremspringene 5 består av et steg 6 og et hode 7. Steget 6 har liten utstrekning i bredden, d.v.s. i fotplatens 4 lengderetning, men har en større utstrekning i dybden, d.v.s. i fotplatens 4 bredderetning. Stegene 6 strekker seg generelt på skrå i dybderetningen.

Fremspringenes 5 hode 7 har et første parti 7a som strekker seg generelt i fortsettelsen av steget 6, og et andre parti 7b, som strekker seg generelt på skrå mot fotplaten 4, slik at det dannes en vinkel mellom det første partiet 7a og det andre partiet 7b. Hodet 7 har en betydelig utstrekning i bredden, d.v.s. i fotplatens 4 lengderetning. Mellom hvert av hodene 7 dannes det en forholdsvis liten spalte 8. Spalten 8 utvider seg mot fotplaten 4 til en åpning 9 mellom hosliggende steg 6.

Listene 1, 2, 3 anordnes slik at fremspringene 5 forskyves i forhold til hverandre i hosliggende lister 1, 2, 3, slik at et hodeparti står rett overfor en spalte 8 i den hosliggende listen.

Listene anordnes på skipsskrogets overflate slik at forbistrømmende vann strømmer i retning pilen A. Vann vil da både strømme på oversiden av hodene 7 og på undersiden av disse gjennom åpningene 9. Siden stegene 6 har liten utstrekning i bredden vil vannet som strømmer gjennom åpningene 9 strømme forholdsvis uhindret. Derved vil det strømme omtrent like mye vann på oversiden som på undersiden av hodene 7. Stegene 6 bør har så lite areale i strømningsretningen som mulig, men samtidig må disse være tilstrekkelig sterke til å opprettholde konstruksjonens integritet. Forholdet mellom arealet av stegene 6 og åpningene 9 i strømningsretningen bør derfor fortrinnsvis ligge innenfor området 1/10 til 1/100.

Vannet som strømmer på undersiden av hodene 7 vil treffe det andre partiet 7b på undersiden av dette og det skapes en liten turbulens ved enden av partiet 7a, som antydet ved pilen B. Vannet som strømmer på oversiden av hodet 7 vil gis en liten turbulens idet det passerer det høyeste punktet i overgangen mellom det første partiet 7a og det andre partiet 7b, som antydet ved pilen C. Når disse to turbulensene B og C treffer hverandre skapes en ytterligere komplisert turbulens, som antydet ved pilen D.

I tillegg strømmer det en liten mengde vann gjennom spalten 8. Dette vannet settes også i turbulens. Dessuten har hodene en liten avfasing eller avrunding 10a og 10b på hver side, som bidrar til å øke turbulensen rundt spaltene 8.

Listene 1, 2, 3 med foten 4 og fremspringene 5 kan fremstilles enkelt ved ekstrudering. Flere typer materialer egner seg for ekstrudering, bl.a. aluminium, magnesium og andre lettmetaller og ulike typer plaster. Enkelte stållegeringer kan også ekstruderes. Etter ekstruderingen kan hver av åpningene 9 og spaltene 8 freses ut i én operasjon; samtidig kan også avfasingene 10a og 10b freses.

Listene 1, 2, 3 kan limes til de aktuelle partiene på skrogoverflaten. Man kan også feste listene ved hjelp av skruer eller nagler. Dersom listene 1,2, 3 er fremstilt av et sveisbart materiale og skroget er laget av et likeledes sveisbart materiale, foretrekkes det imidlertid å punktsveise listene 1,2, 3 til skroget.

En ytterligere fordel ved utformingen av fremspringene ifølge oppfinnelsen, er at den åpne strukturen gir enkel tilgang for rengjøring. Rengjøringen kan for eksempel foretas ved høytrykksspyling.

Listene kan på enkel måte fjernes, dersom skipet skal gjennom en reparasjon av skroget på det stedet hvor listene er montert, ved at punktsveisene slipes bort. Nye eller de samme listene kan så sveises på plass igjen etter fullført reparasjon.

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 innstrømningsenden 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 (11)

1. Utforming på overflaten av et legeme for å redusere bevegelsesmotstanden mellom legemet og et medium som legemet befinner seg i eller inntil, der utformingen omfatter minst én rekke av generelt vinkelformede fremspring (5) omfattende et avstandsbringende steg (6), som er forbundet med legemets overflate, og et hode (7) forbundet med steget (6), motsatt av overflaten, idet hodet har en underside generelt vendende mot overflaten og en overside vendende bort fra overflaten, der det mellom hosliggende steg (6) og mellom overflaten og hodet (7) er utformet åpninger (9) for gjennomstrømning av medium,karakterisert vedat arealet av stegene (6) i strømningsretningen er liten i forhold til arealet av åpningene (9), for oppnåelse av størst mulig gjennomstrømningsareale, slik hastigheten på mediet som strømmer på undersiden av hodene (7) blir tilnærmet like stor som hastigheten på mediet som strømmer på oversiden av hodene (7).

2. Utforming ifølge krav 1,karakterisert vedat forholdet mellom arealet av stegene (6) og arealet av åpningene (9) er mellom 1/10 og 1/100.

3. Utforming ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat hvert av stegene (6) har en utstrekning i strømningsretningen som er større enn utstrekningen på tvers av strømningsretningen.

4. Utforminger ifølge krav 1, 2 eller 3,karakterisert vedat hvert av stegene har en flate vendende oppstrøms som strekker seg på skrå mot hodet (7) i forhold til strømningsretningen.

5. Utforminger ifølge krav 4,karakterisert vedat hvert av hodene (7) omfatter et første parti (7a), som strekker seg i fortsettelsen av stegets (6) oppstrøms flate.

6. Utforminger ifølge krav 5,karakterisert vedat hvert av hodene (7) har et andre parti (7b) som strekker seg i en vinkel i forhold til det første partiet (7 a).

7. Utforminger ifølge krav 6,karakterisert vedat det første (7a) og det andre (7b) partiet er plateformede.

8. Utforminger ifølge ett av de foregående krav,karakterisertv e d at det mellom hosliggende hoder (7) er utformet spalter (8), som hver står i forbindelse med én åpning (9).

9. Utforminger ifølge ett av de foregående krav,karakterisertv e d at hosliggende rekker at fremspring (5) er forskjøvet i forhold til hverandre, slik at en åpning (9) i en første rekke står overfor et steg (6) i en andre rekke.

10. Utforminger ifølge ett av de foregående krav,karakterisertved at én rekke av fremspringene (5) er anordnet på en plateformet fot (4).

11. Utforminger ifølge krav 10,karakterisert vedat fremspringene (5) og foten (4) er fremstilt i ett stykke ved erkstrudering.