NO331872B1

NO331872B1 - Skipsskrog, samt skip innbefattende nevnte skipsskrog

Info

Publication number: NO331872B1
Application number: NO20101795A
Authority: NO
Inventors: Terje Lade
Original assignee: Lade As
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-04-23
Also published as: JP5974018B2; PL2655182T3; CN103328323B; NO20101795A1; EP2655182A1; ES2781701T3; WO2012087146A1; KR101653033B1; JP2014501194A; KR20140012955A; EP2655182B1; DK2655182T3; EP2655182A4; CN103328323A; HRP20200457T1

Abstract

Det er tilveiebrakt et skipsskrog, hvor en vesentlig del av skipsskroget, over sin vannlinje, er utformet i det vesentlige som en seksjon av en i forhold til skipsskrogets senterlinje (S) symmetrisk vingeprofil av type NACA-profil med vingeprofilseksjonens (2) fremre kant (3) vendt i retning av skipets (1) front, for ved relativ vind å generere et aerodynamisk løft som skaper fremdrift for skipet (1) innenfor en vinkelsektor på skipets (1) kurs eller fremdriftsretning, idet det aerodynamiske løftet utbalanseres av et hydrodynamisk løft generert under vannlinjen. Det er videre tilveiebrakt et skip (1) innbefattende ovennevnte skipsskrog.

Description

Skipsskrog, samt skip innbefattende nevnte skipsskrog

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et skipsskrog, samt et skip innbefattende nevnte skipsskrog. Mer spesifikt vedrører oppfinnelsen et skipsskrog og et tilhørende skip som utnytter vindenergi til fremdrift, idet en vesentlig del av skipets overvannsskrog er utformet for å fungere som et seil.

Bærekraftig sjøtransport er avhengig av at det utvikles ny teknologi som kan utnytte de fornybare ressursene som finnes på havet. Vind er en slik ressurs, og som oppstår fra solenergien og jordrotasjonen. Meteorologien forteller om vindstyrke og vindretning, og dermed har vindenergien blitt forutsigbar. Ved hjelp av datastyrt vekting av meteorologiske data kan et dataprogram beregne den beste ruten over havet for et skip, for å utnytte den tilgjengelige vindenergien. Dette kalles "weather routing", og er kommersielt tilgjengelig per i dag. Slik blir det enkelt for kapteinen ombord på et skip i henhold til oppfinnelsen å velge den beste kursen for å utnytte denne energien til fremdrift av skipet. I tillegg til dagens avanserte meteorologiske verktøy er begrepet "tradewinds" kjent allerede fra seilskutetiden, og betegner erfaringsmessig spesielt egnede seilruter mellom de ulike kontinenter med hensyn til vindretning og -styrke.

Et formål med den den foreliggende oppfinnelse er således å tilveiebringe et skip som muliggjør sjøtransport med tilnærmet 0-utslipp til luft og sjø.

Ovennevnte eller andre formål søkes i et første aspekt av oppfinnelsen løst med et skipsskrog, hvor, over vannlinjen, en vesentlig del av skipskroget er utformet i det vesentlige som en seksjon av en i forhold til skipsskrogets senterlinje symmetrisk vingeprofil av type NACA-profil med vingeprofilseksjonens fremre kant ("leading edge") vendt i retning av skipets front, for ved relativ vind å generere et aerodynamisk løft som skaper fremdrift for skipet innenfor en vinkelsektor på skipets kurs eller fremdriftsretning, idet det aerodynamiske løftet utbalanseres av et hydrodynamisk løft generert under vannlinjen, og idet vingeprofilseksjonen er avgrenset av en øvre flate over vannlinjen som rager i vinkel utover fra vingeprofilseksjonens overflate over en vesentlig del av vingeprofilseksjonens omkrets, og særlig langs vingeprofilseksjonens fremre kant og sider.

I et andre aspekt av oppfinnelsen søkes ovennevnte eller andre formål løst med et skip innbefattende ovennevnte skipsskrog.

Et skip med et skrog utformet i henhold til oppfinnelsen, og som går i den relative vind, vil som nevnt ovenfor generere et aerodynamisk løft som skaper fremdrift innenfor en vinkelsektor på kursen. Dette er skipets vindkraftsystem. Den relative vind, målt om bord på skipet, er bestemt av skipets kurs og hastighet, og den sanne vindens retning og styrke. Med et elektrisk fremdriftssystem i tillegg, som også starter skipet fra stillestå-ende og tar det opp i den ønskede hastigheten, kan man utnytte det genererte løftet til fremdrift, og således spare drivstoff: Det blir et dynamisk system som holder konstant hastighet på skipet.

Det aerodynamiske løftet (L) det her dreier seg om er som en vektor med angrepspunkt i overvannsskrogets tyngdepunkt. For å oppnå likevekt må det aerodynamiske løftet, som nevnt ovenfor, utbalanseres av et hydrodynamisk løft, som i en fordelaktig utførelses-form av oppfinnelsen genereres av fire hydrofoiler anordnet under vannlinjen, idet to hydrofoiler er parallelt anordnet på hver side av skipsskrogets senterlinje, og symmetrisk i forhold til undervannsskrogets tyngdepunkt og hvor hver hydrofoil er kantet 45° innover og nedover mot skipsskrogets senterlinje. Undervannsskrogets tyngdepunkt blir således også skipets dreiepunkt.

Derfor må:

Aerodynamisk løft x arm 1 = hydrodynamisk løft x arm v

der

Arm 1 = avstand tyngdepunkt overvannsskrog til tyngdepunkt undervannsskrog Arm v = avstand tyngdepunkt hydrofoiler til tyngdepunkt undervannsskrog

På en utviklet designmodell er arm 1 lik arm v, og projisert areal av hydrofoilene er satt til ca. 5 % av "seglarealet", dvs. projisert flate av skrog i skrogets lengderetning.

For å oppnå et hydrodynamisk løft har hydrofoilene en angrepsvinkel på 1- 5°, kalt "leeway angle", noe som vil skje dynamisk. Man får således også en dynamisk stabilise-ring av skipets krengning.

Tyngdepunktet til skipets overvannsskrog må således ligge på en linje vinkelrett på skipsskrogets senterlinje, rett over skipets dreiepunkt.

Som et eksempel på luftkrefter og vannkrefter er det i vedlagte figur 1 er vist en fremstilling, hentet fra "Aero- hydrodynamics of såiling", av Czeslav A. Marchaj, ISBN 0- 396-07739-0, over krefter som virker på en seilbåt satt i bevegelse av den samme vind Vt, og hvor den tilsvarende vind registrert om bord i båten vil være den relative vind Va. Vinkelen mellom vektoren for båtens hastighet Vsog den relative vind Va vil være vinkelen p, slik det fremgår av figuren.

For at kreftene sideveis på båtens senterlinje skal være i balanse må

Fs = FH

Fs oppstår ved at en vertikal hydrofoil (også kalt "kjøl" på seilbåter), med et bestemt areal blir gitt en angrepsvinkel, her kalt "leeway angle". Hydrofoilen i form av kjølen har en symmetrisk form (NACA) om sin horisontale senterlinje, parallelt med båtens senterlinje. Den vertikale senterlinjen ligger generelt 25 % bak "leading edge", og går gjennom undervannsskrogets tyngdepunkt. Dette er båtens dreiepunkt.

FH er den horisontale krengningskraften, som vil skape et krengende moment

Mh = Fh x arm

der armen er den vertikale avstanden fra seilets tyngdepunkt til undervannsskrogets tyngdepunkt.

FS er en horisontal kraft som virker 90° på hydrofoilens senterlinje, gjennom hydrofoilens tyngdepunkt. Dersom det ikke er noen avstand horisontalt mellom hydrofoilens senterlinje og undervannsskrogets senterlinje (som ved en midtmontert kjøl), vil det ikke bli noe rettende moment

MS = FS x arm

Det rettende moment må være lik det krengende moment for å oppnå balanse

MS = MH

Armen vil her være avstanden fra hydrofoilens senterlinje til undervannsskrogets senterlinje, som i det foreliggende tilfellet med en midtmontert kjøl vil være lik 0.

På seilbåter med ett skrog benytter man derfor vekt i hydrofoilen (kjølen) som rettende moment. Man kan også benytte deplasement som rettende moment, dersom man ikke kan eller vil benytte vekt, som i seilbåter med flere skrog. Også i større fartøy med ett skrog blir deplasement benyttet som rettende moment.

Dersom man kanter eller skråstiller hydrofoilen for eksempel 45° innover, mot undervannsskrogets senterlinje, og plasserer den på en arm med en gitt avstand fra senterlinjen, vil den skape en kraft. Denne kraften, multiplisert med armen, blir et dynamisk rettende moment, ved at det blir en hastighet og en angrepsvinkel, "leeway angle". Avhengig av hvilken side av hydrofoilen F$skapes på, over/under, gjennom styrbord eller babord "leeway angle", vil Fs virke 90° på hydrofoilens vertikale senterlinje, gjennom

tyngdepunktet.

Ms = Fs x arm

Det er således mulig å skape et rettende moment med bare én symmetrisk hydrofoil på en horisontal arm med en gitt avstand fra fartøyets senterlinje. Dette kalles en "Proa", som fungerer med vinden både på styrbord og babord side.

På større fartøy vil ovennevnte være upraktisk, og man vil derfor generelt ha to skråstilte hydrofoiler, som på en trimaran.

I ovennevnte, fordelaktige utførelsesform av oppfinnelsen er det tenkt fire skråstilte hydrofoiler som skaper et rettende moment, i tillegg til noe displasement, av praktiske årsaker og sikkerhetsårsaker, og som gir et i det vesentlige trimaranformet undervannsskrog.

Målt i senter av undervannsskroget er det fordelaktig et lengde/breddeforhold på 8,3:1, fordi det synes som om det går en grense ved 8:1 når det gjelder å skape ugunstige vir-velstrømmer rundt akterskipet, og som gir en øket motstand i sjøen.

Med et lengde/breddeforhold som nevnt ovenfor vil fartøyet få liten sideveis stabilitet, og trimaranformen til ovennevnte fordelaktige utførelsesform av oppfinnelsen er valgt for å bøte på dette faktum, og gir så god stabilitet og lav motstand gjennom sjøen at in-gen av dagens handelsfartøy kan vise til noe tilsvarende.

Beregninger viser at et stort handelsfartøy hvor overvannsskroget og overbygget er utformet uten tanke på aerodynamikk og vind, slik som bilfraktskipet Maersk Taiyo med en hovedmotor på 16000 hk, ved en fart på skipet lik 9 m/s og en vindstyrke på 8 m/s fra ugunstig retning vil kunne oppnå en bremseeffekt på inntil 907 hk på grunn av vinden. Denne bremseeffekten tilsvarer et oljeforbruk på inntil 2,8 tonn/døgn, som jo er svært vesentlig med hensyn til miljø og kostnader.

Tilsvarende beregninger for en fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen, med et vin-geprofilareal lik 5580 m<2>, en skipshastighet Vslik 7 m/s og en sann vindstyrke lik 12 m/s fra en innfallsvinkel p lik 43°, viser at det er mulig å generere 13570 hk fremdrift for skipet fra vindkraften.

At man ved hjelp av vinden kan oppnå svært store fremdriftskrefter, og som også kan gi svært store hastigheter er velkjent fra tidligere, og hvor det kan nevnes at verdensrekor-den for isseiling er 65 m/s (235 km/h), og da ved en sann vindhastighet, Vt, lik 14,5 m/s og en innfallsvinkel P lik 14°.

Vindtunnelforsøk utført ved NTNU ("Vindtunnelundersøkelse av overvannsdel av skipsskrog", av professor Lars Sætran, oktober 2010) av et skrog med en symmetrisk

NACA-profil (NACA 16-018) avkappet ved 95 % av kordelengden konkluderer med at (sitat) "modelltest av skrog med NACA-profil gir en komponent av vindkrefter som virker i skipets fartsretning i en sektor fra ca 13 til 39 grader vind i forhold til skipets leng-deakse".

I ovennevnte undersøkelse ble det også underbygget viktigheten av å etablere en mest mulig 2-dimensjonal strømning over den symmetriske NACA-profilseksjonen som ut-gjør det testede skroget for å oppnå en optimal effekt av skrogformen med hensyn til ge-nerering av vindkrefter for fremdrift av skipet, og som i undersøkelsen ble gjort ved å doble lengden til den symmetriske NACA-profilformede vingeseksjonen for en av de testede modellene. Fra tidligere er det også kjent fra faglitteraturen at en 2-dimensjonal strømningsprofil kan oppnås over en vingeprofil ved å anordne endeplater i begge ender av vingeprofilen, normalt på vingeprofilens lengderetning. For et skip hvor vingeprofilen strekker seg i det vesentlige ned til vannflaten, vil nødvendigvis vannflaten utgjøre et slikt endeplan eller -flate, og det er således i den motsatte andre enden av vingeprofilen mot toppen av skipet som det vil være mest vesentlig å anordne en slik endeplate eller -flate i tilknytning til. Slike sideplater eller -flater er ekstra viktige ved en liten "Aspect ratio", hvor vingeseksjonens lengde er liten i forhold til dens kordelengde, slik den nødvendigvis vil måtte være i et skipsskrog i henhold til oppfinnelsen, i motsetning til vingen til et fly, som har høy "Aspect ratio".

Testdata fra ovennevnte undersøkelse er vist i Fig. 2, og hvor det fremgår at det med den doblede skroghøyden ved tripping (vist med "rutevindu"-formede symboler) ble

oppnådd en positiv kraftkomponent (vist som negativ drag-koeffesient, Cd, og hvor det er nettopp dette negative drag som benyttes til fremdrift ved seiling) med en relativ vind fra 13 til 39°, og med en maksimal kraft ved 30°. Uten tripping, vist med "diamant"-for-mede symboler, ble resultatet noe dårligere, men fremdeles med en betydelig oppnådd positiv kraftkomponent. For de to andre testmodellene (henholdsvis tradisjonelt skipsskrog og enkel NACA-profilformet vingeseksjon) indikert med de to andre symboler ble det, slik det fremgår av figuren, ikke målt noen tilsvarende positiv kraftkomponent.

Det skal også nevnes at søker har fått tilgang til loggedata utført ombord i bilfraktskipet M/S Høegh Trooper på 21000 dødvekttonn (dwg) fra en overfart fra Jacksonville i Florida til Valletta på Malta i perioden 3. september - 15. september 2010, og videre til Korea og tilbake til Europa, hvor disse loggedataene viser at skipet lå innenfor en sektor på 13 - 39° over 45 % av overfartstiden. Dersom kursen hadde blitt justert inntil 10° ville dette tallet blitt 59 %. Dette innebærer at med den beste av testmodellene fra forsøkene utført ved NTNU ville de negative vindkreftene blitt snudd til positive ca.

59 % av tiden.

Et skip i henhold til en fordelaktig utførelsesform er vist i de etterfølgende vedlagte fi-gurer, og hvor lengden er 180,5 m, høyden er 33 m og bredden er 34,2 m. Dette gir et seilareal på 5957 m<2>. Ved en relativ vind på 19 m/s, 30° på kursen, antyder dette at denne utførelsesformen av oppfinnelsen kan segle uten bruk av motorkraft. Slike forhold hadde M/S Høegh Trooper den niende dagen av overfarten.

I henhold til oppfinnelsen er det således tilveiebrakt et skipsskrog, kjennetegnet ved at over vannlinjen er en vesentlig del av skipsskroget utformet i det vesentlige som en seksjon av en i forhold til skipsskrogets senterlinje symmetrisk vingeprofil av type NACA-profil med vingeprofilens fremre kant ("leading edge") vendt i retning av skipets front, for ved relativ vind å generere et aerodynamisk løft som skaper fremdrift for skipet innenfor en vinkelsektor på skipets kurs eller fremdriftsretning, idet det aerodynamiske løftet utbalanseres av et hydrodynamisk løft generert under vannlinjen.

I henhold til oppfinnelsen er det videre tilveiebrakt et skip med et skipsskrog som angitt ovenfor.

I det etterfølgende er det nærmere beskrevet en ikke-begrensende utførelsesform av oppfinnelsen, med henvisning til de vedlagte tegninger, der

figur 1 er en fremstilling, hentet fra "Aero- hydrodynamics of såiling", av Czeslav A. Marchaj, ISBN 0-396-07739-0, over krefter som virker på en seilbåt satt i bevegelse av den samme vind W, og hvor den tilsvarende vind registrert om bord i båten vil være den relative vind Va. Vinkelen mellom vektoren for båtens hastighet Vsog den relative vind Va vil være vinkelen p\

figur 2 er en graf over testresultater fra vindtunnelforsøk utført ved NTNU ("Vindtun-nelundersøkelse av overvannsdel av skipsskrog", av professor Lars Sætran, oktober 2010), og

figurene 3 - 7 er henholdsvis side-, perspektiv-, snitt-, front- og bakriss av en fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen, og hvor fig. 5 er et snitt langs linjen A-A i figur 3, og hvor linjen A-A i det vesentlige sammenfaller med skipets vannlinje. 1 fig. 3 - 7 er det vist et skip 1 i henhold til oppfinnelsen hvor en vesentlig del av skipsskroget, over vannlinjen, er utformet i det vesentlige som en seksjon av en i forhold til skipsskrogets senterlinje S symmetrisk vingeprofil 2 av type NACA-profil med vingeprofilseksjonens 2 fremre kant 3 ("leading edge") vendt i retning av skipets front, for ved relativ vind å generere et aerodynamisk løft som skaper fremdrift for skipet 1 innenfor en vinkelsektor på skipets 1 kurs eller fremdriftsretning, idet det aerodynamiske løf-tet utbalanseres av et hydrodynamisk løft generert under vannlinjen.

NACA-profilen er fordelaktig av type NACA16-018, og med vingeprofilseksjonens 2 bakre kant ("trailing edge") 4 avkappet ved 95 % av vingeprofilens kordelengde.

Vingeprofilseksjonen 2 er fordelaktig avgrenset av respektive øvre 5 og nedre 6 flater over vannlinjen som rager i vinkel utover fra vingeprofilseksjonens 2 overflate over en vesentlig del av vingeprofilseksjonens 2 omkrets, og særlig langs vingeprofilseksjonens 2 fremre kant 3 og sider, idet vinkelen fordelaktig er større enn eller lik 90°.

Det hydrodynamiske løftet genereres fordelaktig av et antall hydrofoiler 7 anordnet under vannlinjen, idet, som vist, fire hydrofoiler 7 er symmetrisk anordnet i forhold til skipsskrogets senterlinje S og i forhold til tyngdepunktet til skipets undervannsskrog, og hvor nevnte tyngdepunkt utgjør skipets 1 dreiepunkt.

I en ikke vist, alternativ utførelsesform er to hydrofoiler symmetrisk anordnet i forhold til skipsskrogets senterlinje og ved tyngdepunktet til skipets undervannsskrog, idet nevnte tyngdepunkt utgjør skipets dreiepunkt.

Hydrofoilene 7 er fordelaktig anordnet i en vinkel på ca. 45° nedover og innover mot senter av skipsskroget i forhold til et vertikalt plan gjennom skipsskrogets senterlinje S, og hvor tyngdepunktet til skipets 1 overvannsskrog ligger på en linje vinkelrett på skipsskrogets senterlinje s, rett over skipets 1 dreiepunkt.

Videre utgjør fordelaktig hydrofoilens 7 samlede projiserte areal ca. 5 % av den symmetriske vingeprofilseksjonens projiserte areal i lengderetning av skipsskroget.

Slik det særlig fremgår av fig. 6 og 7 er skipsskroget fordelaktig av trimaran-typen.

Skipet 1 i henhold til oppfinnelsen innbefatter fordelaktig et ikke vist, variabelfart elektrisk fremdriftsystem for å utfylle skipets 1 vindbaserte fremdriftssystem.

Claims

1. Skipsskrog,karakterisert vedat over vannlinjen er en vesentlig del av skipskroget utformet i det vesentlige som en seksjon av en i forhold til skipsskrogets senterlinje (S) symmetrisk vingeprofil av type NACA-profil med vingeprofilseksjonens (2) fremre kant (3) vendt i retning av skipets (1) front, for ved relativ vind å generere et aerodynamisk løft som skaper fremdrift for skipet (1) innenfor en vinkelsektor på skipets (1) kurs eller fremdriftsretning, idet det aerodynamiske løftet utbalanseres av et hydrodynamisk løft generert under vannlinjen, og idet vingeprofilseksjonen (2) er avgrenset av en øvre (5) flate over vannlinjen som rager i vinkel utover fra vingeprofilseksjonens (2) overflate over en vesentlig del av vingeprofilseksjonens (2) omkrets, og særlig langs vingeprofilseksjonens (2) fremre kant (3) og sider.

2. Skipsskrog i henhold til krav 1,karakterisert vedat NACA-profilen er av type NACA 16-018, og med vingeprofilseksjonens (2) bakre kant (4) avkappet ved 95 % av vingeprofilseksjonens (2) korde lengde.

3. Skipsskrog i henhold til et av de foregående krav,karakterisert vedat vingeprofilseksjonen (2) er avgrenset av en nedre (6) flate over vannlinjen som rager i vinkel utover fra vingeprofilseksjonens (2) overflate over en vesentlig del av vingeprofilseksjonens (2) omkrets, og særlig langs vingeprofilseksjonens (2) fremre kant (3) og sider.

4. Skipsskrog i henhold et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat vinkelen er større enn eller lik 90°.

5. Skipsskrog i henhold til hvilket som helst av de ovenstående krav,karakterisert vedat det hydrodynamiske løftet genereres av et antall hydrofoiler (7) anordnet under vannlinjen.

6. Skipsskrog i henhold til krav 5,karakterisert vedfire hydrofoiler (7) symmetrisk anordnet i forhold til skipsskrogets senterlinje (S) og i forhold til tyngdepunktet til skipets (1) undervannsskrog, idet nevnte tyngdepunkt utgjør skipets (1) dreiepunkt.

7. Skipsskrog i henhold til krav 5,karakterisert vedto hydrofoiler (7) symmetrisk anordnet i forhold til skipsskrogets senterlinje og ved tyngdepunktet til skipets (1) undervannskrog, idet nevnte tyngdepunkt utgjør skipets (1) dreiepunkt.

8. Skipsskrog i henhold til krav 6 eller 7,karakterisertv e d at hydrofoilene (7) er anordnet i en vinkel på ca. 45° nedover og innover mot senter av skipsskroget i forhold til et vertikalt plan gjennom skipsskrogets senterlinje (S).

9. Skipsskrog i henhold til krav 6 eller 7,karakterisertved at tyngdepunktet til skipets (1) overvannsskrog ligger på en linje vinkelrett på skipsskrogets senterlinje (S), rett over skipets (1) dreiepunkt.

10. Skipsskrog i henhold til et hvilket som helst av krav 5 til 9,karakterisert vedat hydrofoilens (7) samlede projiserte areal utgjør ca. 5 % av den symmetriske vingeprofilseksjonens (2) projiserte areal i lengderetning av skipsskroget.

11. Skipsskrog i henhold til et hvilket som helst av de ovenstående krav,karakterisert vedå være av trimaran-typen.

12. Skip (1) innbefattende et skipsskrog som angitt i et hvilket som helst av krav 1-11.

13. Skip i henhold til krav 12,karakterisert vedå innbefatte et variabelfart elektrisk fremdriftsystem for å utfylle skipets vindbaserte fremdriftssystem.

14. Skip i henhold til krav 12 eller 13,karakterisert vedat skipets (1) lengde er 180,5 m, skipets (1) høyde er 33 m og skipets (1) bredde er 34,2 m.