WO2021136853A1 - Hidrosustentador para pequeñas embarcaciones - Google Patents

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Definitions

  • the object of the present invention has application in the field of the naval industry and more specifically in the nautical sports and recreational construction of small boats, since it is a hydrosustainer, also known in Anglo-Saxon terminology as hydrofoil, which implements a particular hydrodynamic and structural configuration, which finds utility in supporting small boats to move them at a certain height above the water surface.
  • hydrofoils for the support of boats, not only of small size such as hydrofoils for windsurfing and kitesurfing boards or dinghy sailing, but also for large sailboats or ships.
  • hydrofoil systems for sailboats or ships use many different configurations of hydrofoils whose position and / or incidence is regulated by control systems that allow the stability and maneuverability of the boat in different flight conditions.
  • the objective of the present invention is to provide a water support for small boats, which is self-stabilizing in the longitudinal plane of the boat for a wide range of longitudinal position of the center of gravity without actuation of any mechanism. ; while allowing lateral maneuverability of the boat by laterally shifting the center of gravity.
  • the invention proposes a water support that has the characteristics of claim 1.
  • the present invention describes a system that, unlike small water-sustaining systems, the flight remains in stable conditions by varying the flight speed, by correcting the tendency of the wing to exit the water, replacing it with a tendency to decrease the angle attack as speed increases and to increase as speed decreases, flying in conditions close to constant lift within a wide range of flight speed, which causes the boat to remain at a nominally constant height above the water with varying speed flight / navigation.
  • the proposed water support system also substantially widens the lateral positioning range of the center of gravity, which greatly favors the performing lateral maneuvers by lateral displacement of the center of gravity with respect to the axis of the boat.
  • Fig. 1 shows a perspective view of the water support object of the invention.
  • Fig. 2 represents respective bottom plan and side elevation views of this device, in which dimensions have been placed that show the proportions that can reach various dimensions.
  • - Figs. 3 and 4 are views of the front and rear train of this hydrosustainer, respectively.
  • Fig. 5 shows a side view of an alternative embodiment of the rear end of a variant of the hydrosupport of the invention.
  • the invention basically consists of two wings (32, 22) attached to the boat (1) by two legs (31, 21) each. From now on we will refer to these two-legged wing assemblies as “trains”. In this way, there is a front train (3), whose longitudinal location will be ahead of the center of gravity of the entire vessel, also including the pilot and / or crew. For its part, the rear gear (2) has a longitudinal location behind the center of gravity of the boat + pilot / crew assembly.
  • wings are used with a geometric mean chord of around 20 cm, a length that we will hereinafter refer to as characteristic chord (C).
  • the wings (32, 22) straight wings or with widening at the tips are used, unlike the wings used in aeronautics, which usually present narrowing at the tips. If we define the broadening parameter (2) as the quotient between the chord at the tips (c t ) and the chord at the root (c r ), wings with a broadening parameter between 1 (straight wing) and 3 are used.
  • spans of between 4 and 8 characteristic strings (80-160 cm) are used in general, while in the embodiment corresponding to dinghy sailing boats, larger spans are used as such. as will be detailed in the corresponding section.
  • wings without arrow are normally used, although the use of wings with moderate arrow is contemplated for aesthetic reasons, to delay the effects of cavitation in high-speed vehicles or to avoid the hooking and dragging of debris that may be found in the aquatic environment.
  • the legs (31) of the front gear (3) have a circular or quasi-circular section, so that when the vehicle is navigating with slipping, the hydrodynamic lateral forces produced in said legs (31) are very low; consequently they will never be flat, so that they do not support.
  • the rear train (2) has a normally flat wing (22), although it may have a certain dihedral.
  • the legs (21) of the rear train (2) are either flat or with a symmetrical hydrodynamic profile. In both cases, it is intended that, when the vehicle is navigating slippery, notable lateral forces are produced that reinforce the directional stability of the vehicle when said legs (21) are submerged or partially submerged. That is, when the vehicle is floating, taking off or in low speed flight.
  • the realization of the legs (21) in a symmetric aerodynamic profile is contemplated only for the reduction of the hydrodynamic resistance of said legs.
  • Vertical fins (23) are installed on the wingtips of the rear wing (22), like keels, which are responsible for the directional stability of the vehicle. Said fins (23) are installed directly on the rear wingtips (22). In an alternative embodiment, said rear wings (22) are mounted on horizontal masts (24) that are attached to the wing tips (22) and that allow the longitudinal location of said wings (23) in more forward or backward positions with respect to the longitudinal position of the wingtips. The longitudinal location of these wings determines to a large extent the behavior of the vehicle in lateral maneuvers, which is why it is of great importance the possibility of modifying the longitudinal position of its installation in order to configure the type of vehicle driving.
  • the legs (31, 21) of the front (3) and rear (2) trains have a length of between 2 and 6 characteristic strings (40-120 cm). It should be noted that the two legs can be replaced by one, but when there are two they support less effort each one of them and, when they are removable, their placement is easier since they would require a less robust fixing mechanism as they support less effort than if it is just one leg.
  • the preferred embodiment of the invention is a water-supporting watercraft. Said embodiment results from the installation of everything described above on a small hull of 200-300 cm in length and 80-120 cm in beam provided with a propulsion plant based on an explosion or electric motor driven by a propeller or water jet. On this helmet there is a saddle that allows the pilot to straddle the helmet and a handlebar whose rotation allows directional control of the vehicle by lateral deflection of the thrust produced by the propeller or water jet or by deflection one or two rear vertical fins as a rudder.
  • the propeller or the water jet outlet nozzle is installed in a central position and rearward with respect to the rear train and at a height coinciding with that of the rear wing, in a range of +/- 1 characteristic chord.
  • the throttle or power control is actuated by a trigger or grip installed on one of the handlebar horns.
  • control to regulate the height of the vehicle above the water surface. Said control is carried out by regulating the angle of relative incidence of the front wing (32).
  • the implementation of this angle regulation is contemplated in three different ways:

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Abstract

Hidrosustentador para pequeñas embarcaciones (1), que comprende un tren anterior (3) formado por un ala (32), que presenta un acentuado diedro negativo, que está unida a la embarcación (1) mediante sendas patas (31), de sección circular o cuasi- circular y un tren posterior (2) formado por un ala (22), plana o con un mínimo diedro, unida a la embarcación (1) mediante sendas patas (21); estando el tren anterior (3) y el posterior (2) situados longitudinalmente y respectivamente por delante y por detrás del centro de gravedad del conjunto de la embarcación, incluyendo también el piloto y/o tripulación.

Description

DESCRIPCIÓN
Hidrosustentador para pequeñas embarcaciones
Sector de la técnica
El objeto de la presente invención tiene aplicación en el ámbito de la industria naval y más concretamente en la construcción náutica deportiva y de recreo de pequeñas embarcaciones, ya que se trata de un hidrosustentador, también conocido en la terminología anglosajona como hydrofoil, que implementa una configuración hidrodinámica y estructural particular, que encuentra utilidad en la sustentación de pequeñas embarcaciones para el desplazamiento de las mismas a una cierta altura sobre la superficie del agua.
Estado de la técnica
Existen numerosos sistemas de sustentación de embarcaciones, conocidos como hydrofoil, para la sustentación de embarcaciones, no solo de pequeño tamaño como los hydrofoil para tablas de windsurf y kitesurf o vela ligera, sino también para grandes veleros o buques.
Las principales diferencias del nuevo sistema con respecto a los existentes, aparte de su morfología hidrodinámica y estructural, consisten en lo siguiente:
Los pequeños sistemas hydrofoil para tablas de windsurf y kitesurf o vela ligera requieren de un ajuste continuo de la posición longitudinal del centro de gravedad mediante el ajuste de la posición longitudinal de la tripulación de acuerdo a las condiciones de vuelo/navegación, principalmente la velocidad. Esto es debido a que las configuraciones hidrodinámicas empleadas presentan un comportamiento tal que, cuando el ala se acerca a la superficie del agua presentan una tendencia a seguir subiendo y sacar el ala del agua. Esta tendencia se traduce en que conforme el vehículo va aumentando su velocidad, el centro de gravedad debe de ser trasladado hacia adelante para evitar que el ala salga del agua, lo que ocasionaría en una pérdida total del control de la embarcación. En lo que respeta al comportamiento lateral, estos sistemas suelen presentar una pobre capacidad de maniobra lateral debido al escaso margen de posicionamiento lateral del centro de gravedad para mantener la estabilidad lateral, lo que se traduce en una acusada tendencia al vuelco de la embarcación, lo que hace bastante complicada la maniobrabilidad mientras la embarcación está en vuelo.
Los grandes sistemas hydrofoil para veleros o buques utilizan numerosas configuraciones diferentes de hydrofoils cuya posición y/o incidencia se regula mediante sistemas de mando que permiten la estabilidad y maniobrabilidad de la embarcación en las distintas condiciones de vuelo.
Descripción de la invención
Basándose en el estado de la técnica anterior, el objetivo de la presente invención es proporcionar un hidrosustentador para pequeñas embarcaciones, que es auto estabilizante en el plano longitudinal de la embarcación para un amplio margen de posición longitudinal del centro de gravedad sin accionamiento de mecanismo alguno; al tiempo que permite la maniobrabilidad lateral de la embarcación mediante el desplazamiento lateral del centro de gravedad.
Con el fin de alcanzar los objetivos propuestos, la invención propone un hidrosustentador que tiene las características de la reivindicación 1.
La presente invención describe un sistema que, a diferencia con los pequeños sistemas hidrosustentador, el vuelo permanezca en condiciones de estabilidad al variar la velocidad de vuelo, al corregir la tendencia a la salida del ala del agua, sustituyéndola por una tendencia a disminuir el ángulo de ataque conforme aumenta la velocidad y a aumentarlo conforme disminuye la velocidad, volando en condiciones cercanas a la sustentación constante dentro de un amplio margen de velocidad de vuelo, lo que hace que la embarcación permanezca a una altura nominalmente constante sobre el agua al variar la velocidad de vuelo/navegación.
El sistema de hidrosustentador propuesto amplía también sustancialmente el margen de posicionamiento lateral del centro de gravedad, lo que favorece en gran medida la realización de maniobras laterales mediante desplazamiento lateral del centro de gravedad respecto al eje de la embarcación.
Y, con respecto a los grandes sistemas hydrofoil para veleros o buques, su principal diferencia radica en que la estabilidad se obtiene de modo pasivo, es decir, sin la necesidad de accionamiento de sistema de mando alguno y en que la maniobrabilidad lateral se obtiene nominalmente mediante el desplazamiento lateral del propio piloto/tripulación. Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de facilitar la comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva un juego de dibujos en los que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: - La Fig. 1 muestra una vista en perspectiva del hidrosustentador objeto de la invención.
La Fig. 2 representa sendas vistas en planta inferior y alzado lateral de este dispositivo, en el que se han colocado cotas que muestran las proporciones que pueden alcanzar varias dimensiones. - Las Fig.3 y 4 son respectivamente vistas del tren anterior y posterior de este hidrosustentador.
La Fig. 5 muestra una vista lateral de una realización alternativa del tren posterior de una variante del hidrosustentador de la invención. Exposición detallada de modos de realización
En esencia, la invención consiste básicamente en dos alas (32, 22) unidas a la embarcación (1) mediante dos patas (31, 21) cada una. En adelante a estos conjuntos de ala con dos patas los denominaremos “trenes”. De este modo se tiene un tren anterior (3), cuya ubicación longitudinal estará adelantada respecto al centro de gravedad del conjunto de la embarcación, incluyendo también el piloto y/o tripulación. Por su parte, el tren posterior (2), tiene una ubicación longitudinal retrasada respecto al centro de gravedad del conjunto embarcación + piloto/tripulación. En la invención se emplean alas con una cuerda media geométrica de alrededor de 20 cm, longitud que denominaremos en adelante como cuerda característica (C). En general, se emplean alas con una cuerda de 15 a 25 cm, ya que de esta forma durante la navegación el ala va por la zona sucia del agua (hidrodinámicamente hablando) que es la zona de la superficie lo que le da más estabilidad. En esto se diferencia de otros sistemas que intentan evitar esta zona sucia y en la presente patente se busca esta zona para aumentar la estabilidad.
Respecto a la forma en planta de las alas (32, 22), se emplean alas rectas o con ensanchamiento en las puntas, a diferencia de las alas empleadas en aeronáutica, que suelen presentar estrechamiento en las puntas. Si definimos el parámetro ensanchamiento (2) como el cociente entre la cuerda en las puntas (ct) y la cuerda en la raíz (cr), se emplean alas con un parámetro de ensanchamiento de entre 1 (ala recta) y 3.
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Por sencillez constructiva se emplean alas rectas, si bien se emplea el ensanchamiento en las puntas cuando se pretende aumentar la estabilidad lateral del vehículo.
Respecto a la envergadura de las alas (32, 22), se emplean envergaduras de entre 4 y 8 cuerdas características (80-160 cm) de modo general, mientras que en la realización correspondiente a embarcaciones de vela ligera se emplean envergaduras mayores tal y como se detallará en el apartado correspondiente.
Respecto a la flecha de las alas (32, 22), se emplean normalmente alas sin flecha, aunque se contempla el empleo de alas con flecha moderada por motivos estéticos, para retrasar los efectos de cavitación en vehículos de alta velocidad o bien para evitar el enganche y arrastre de deshechos que puedan encontrarse en el medio acuático.
Respecto a la ubicación de los puntos de agarre de las patas a las alas, estos son equidistantes respecto del plano de simetría del ala y presentan una separación entre ellos de entre 2 y 4 cuerdas características (40-80 cm). Ver Fig. 2. En lo que respecta a las características particulares del tren anterior (3) cabe señalar que el ala (32) presenta un acentuado diedro negativo (>10 grados).
Las patas (31) del tren anterior (3) son de sección circular o cuasi-circular, de modo que cuando el vehículo está navegando con resbalamiento, las fuerzas laterales hidrodinámicas que se producen en dichas patas (31) son muy bajas; consecuentemente nunca serán planas, para que no sustenten.
Por su parte, el tren posterior (2) presenta un ala (22) normalmente plana, aunque pueda presentar un cierto diedro.
Las patas (21) del tren posterior (2) son, o bien planas, o bien de perfil hidrodinámico simétrico. En ambos casos se pretende que, cuando el vehículo está navegando con resbalamiento, se produzcan fuerzas laterales notables que refuercen la estabilidad direccional del vehículo cuando dichas patas (21) están sumergidas o parcialmente sumergidas. Es decir, cuando el vehículo está en flotación, en despegue o en vuelo a baja velocidad. La realización de las patas (21) en perfil aerodinámico simétrico se contempla tan solo para la disminución de la resistencia hidrodinámica de dichas patas.
En las puntas de ala del ala trasera (22) van instaladas unas aletas verticales (23), a modo de quillas, que son responsables de la estabilidad direccional del vehículo. Dichas aletas (23) se instalan directamente en las puntas de ala trasera (22). En una realización alternativa, dichas alas traseras (22) se montan sobre mástiles horizontales (24) que van unidos a las puntas de ala (22) y que permiten la ubicación longitudinal de dichas aletas (23) en posiciones más adelantadas o retrasadas respecto de la posición longitudinal de las puntas de ala. La ubicación longitudinal de estas aletas determina en gran medida el comportamiento del vehículo en las maniobras laterales, por lo que resulta de gran importancia la posibilidad de modificar la posición longitudinal de su instalación para poder configurar el tipo de conducción del vehículo.
En cuanto a la ubicación longitudinal de los trenes anterior (3) y posterior (2), cabe señalar que se instalan con una separación longitudinal de entre 4 y 8 cuerdas (80-160 cm) entre ellos y de manera que el centro de gravedad del vehículo quede ubicado entre ambos. Las patas (31, 21) de los trenes anterior (3) y posterior (2) presentan una longitud de entre 2 y 6 cuerdas características (40-120 cm). Se hace notar que las dos patas pueden sustituirse por una, pero cuando son dos soportan menos esfuerzo cada una de ellas y, cuando son desmontables, es más fácil su colocación ya que requerirían un mecanismo de fijación menos robusto al soportar menos esfuerzo que si es sólo una pata.
La realización preferente de la invención es una moto acuática hidro-sustentadora. Dicha realización resulta de la instalación de todo lo descrito anteriormente sobre un pequeño casco de 200-300 cm de eslora y 80-120 cm de manga provisto de una planta propulsora basada en motor de explosión o eléctrico con impulsión mediante hélice o chorro de agua. Sobre dicho casco se dispone de un sillín que permite al piloto ir montado a horcajadas sobre el casco y de un manillar cuyo giro permite el control direccional del vehículo mediante la deflexión lateral del empuje producido por la hélice o chorro de agua o bien mediante la deflexión de una o dos aletas verticales traseras a modo de timón.
La hélice o la tobera de salida del chorro de agua se instala en una posición centrada y retrasada respecto del tren posterior y a una altura coincidente con la del ala posterior, en un margen de +/- 1 cuerda característica. El mando de gas o potencia se acciona mediante gatillo o puño instalado en uno de los cuernos del manillar.
En esta realización de la invención, se dispone de un mando regulador de la altura del vehículo sobre la superficie del agua. Dicho mando se realiza mediante la regulación del ángulo de incidencia relativa del ala delantera (32). Se contempla la implementación de esta regulación del ángulo de tres maneras diferentes:
Mediante el accionamiento de alerones en el borde de salida del ala.
Mediante el giro del ala completa (32) respecto de su anclaje (33, 34) a las patas. Mediante el giro del tren anterior (3) completo respecto al casco de la embarcación (1).
Se contemplan cuatro maneras diferentes para el accionamiento de este mando: - Mediante puño instalado en uno de los cuernos del manillar.
Mediante manigueta (tipo freno) instalado en uno de los cuernos del manillar. Mediante pedal accionado por uno de los pies del piloto.
Mediante desplazamiento longitudinal del manillar. Del accionamiento de este mando resulta un aumento de la incidencia del ala delantera (32), lo que conlleva que el vehículo se acomode a un mayor ángulo de ataque y a una mayor altura sobre el agua.
Una vez descrita suficientemente la naturaleza de la invención, así como un ejemplo de realización preferente, se hace constar a los efectos oportunos que los materiales, forma, tamaño y disposición de los elementos descritos podrán ser modificados, siempre y cuando ello no suponga una alteración de las características esenciales de la invención que se reivindican a continuación.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Hidrosustentador para pequeñas embarcaciones (1), que comprende: un tren anterior (3) formado por un ala (32), que presenta un acentuado diedro negativo, que está unida a la embarcación (1) mediante sendas patas (31), de sección circular o cuasi-circular de modo que cuando la embarcación está navegando con resbalamiento, las fuerzas laterales hidrodinámicas que se producen en dichas patas (31) son muy bajas; un tren posterior (2) formado por un ala (22), plana o con un mínimo diedro, unida a la embarcación (1) mediante sendas patas (21), que presenta en ambas puntas sendas aletas verticales (23) a modo de quillas, que son responsables de la estabilidad direccional del vehículo; en el que, el tren anterior (3) y posterior (2) se sitúan longitudinalmente y respectivamente por delante y por detrás del centro de gravedad del conjunto de la embarcación, incluyendo también el piloto y/o tripulación.
2.- Hidrosustentador, según la reivindicación anterior, caracterizado por que tanto el ala anterior (32) como el ala posterior (22) presentan una cuerda de 15 a 25 cm, lo que permite que en la navegación el ala vaya por la zona sucia del agua ya que es la zona de la superficie que proporciona mayor estabilidad.
3.- Hidrosustentador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las aletas (23) situadas en el extremo del ala (22) del tren posterior (2) se montan sobre mástiles horizontales (24) que van unidos a las puntas del ala (22) y que permiten la ubicación longitudinal de dichas aletas (23) en posiciones más adelantadas o retrasadas respecto de la posición longitudinal del ala (22).
4 Hidrosustentador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las alas, anterior (32) y posterior (22), son rectas o ensanchadas en las puntas.
5.- Hidrosustentador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la envergadura de las alas (32, 22) está comprendida entre 4 y 8 cuerdas características, o más en la realización de embarcaciones de vela ligera.
6.- Hidrosustentador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la ubicación de los puntos de agarre de las patas (31, 21) a las alas (32, 22) son equidistantes respecto del plano de simetría del ala y presentan una separación entre ellos de entre 2 y 4 cuerdas características.
7.- Hidrosustentador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los trenes, anterior (3) y posterior (2), se instalan con una separación longitudinal de entre 4 y 8 cuerdas características y de manera que el centro de gravedad del vehículo quede ubicado entre ambos.
8.- Hidrosustentador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las patas (31, 21) de los trenes anterior (3) y posterior (2) presentan una longitud de entre 2 y 6 cuerdas características.
9.- Hidrosustentador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las dos patas, anteriores (31) y/o posteriores (21), opcionalmente se sustituyen por una.
10.- Hidrosustentador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la embarcación (1) dispone de un mando que permite la regulación del ángulo de incidencia relativa del ala delantera (32), a fin de variar la altura del vehículo sobre la superficie del agua.
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