NO751809L - - Google Patents

Description

Skipshekk-konstruksjon

: Den foreliggende oppfinnelse angår forbedringer ved hekk-konstruks joner for skip og særlig ved hekk-konstruksjonen av et kraftig eller bredt skip, f.eks. et tankskip.

Et problem som skipskonstruktører står overfor, er å holde skrogvibrasjon på et akseptabelt nivå. Unormale vibrasjoner bevirker ikke bare ubehagelig støy i fartøyet, men kan også gi farlige på-kjenninger av skipets konstruksjon. Dessuten gir de krefter som forårsaker skrogvibrasjoner, også andre uønskede virkninger.

Problemet med skrogvibrasjon oppstår idag i større grad enn før, fordi skipene nå vanligvis er større og har større maskinytelse. Økningen i ytelse resulterer i en økning i eksitasjons-kreftene som bevirker skrogvibrasjon, og økningen i størrelse gjør skroget mer mottagelig for vibrasjon ved disse krefter.

En hovedårsak til skrogvibrasjon er at der i vannet forekommer trykkvariasjoner som frembringes av propellen, og som virker på skroget over denne. På grunn av variasjoner i kjølvannshastigheten over propellkretsen, dvs. det område som propellbladene sveiper over, utsettes bladene for vesentlige belastningsendringer når propellen dreier seg. Med en vanlig hekk-konstruksjon med en enkelt propell kan den maksimale kjølvannshastighet ved propellkretsen være så meget som åtte ganger den minimale kjølvannshastighet i dette område. En virkning av den raskt varierende belastning på propellbladene når propellen dreier seg, er fremskaffelsen av de sterke trykkpulser i vannet som eksiterer skrogvibrasjon og bevirker alvorlig erosjon av propellbladene ved kavitasjon.

Andre virkninger av den ujevne fordeling av kjølvannshastig-heten over propellkretsen er en reduksjon av propellens effektivitet og vibrasjon.av propellakselen, noe som øker slitasjen på lager-féringene og kan ødelegge oljepakninger og øke skrogvibrasjonen. Med et vanlig skrog er der en sterk konsentrasjon av høy kjølvanns-hastighet ved det øvre parti av propellkretsen, noe som forårsaker en eksentrisk belastning av propellen og bevirker at propellakselen ligger an mot den. øvre del av hekk-lageret. Endelig er der en økning i de dynamiske bøyepåkjenninger som propellakselen utsettes for, og som kan bevirke tretthetsbrudd av propellakselen.

Et forslag til løsning av problemet med skrogvibrasjon er å feste finner på sidene av skroget foran propellkretsen for å samle vann og lede det inn i det øvre område av propellkretsen for således å skaffe et jevnere kjølvannsfelt over" propellkretsen.

Skjønt dette forslag har den virkning at det reduserer skrog-vibras jonen, vil tilføyelsen av finner øke hekkens overflateareal, noe som øker overflatefriksjonen og reduserer skrogets effektivitet. Reduksjonen i effektivitet kan oppveie den økning i maskinytelse som ga opphav til vibrasjonsproblemet.

Hensikten med oppfinnelsen er å redusere skrogvibrasjon ved

å skaffe et jevnere kjølvannsfelt over propellkretsen uten å redusere skrogets effektivitet. Denne hensikt er ifølge den foreliggende oppfinnelse oppnådd ved at der er anordnet kanaler som er felt inn i det generelle omriss av skipet, og som tjener til å lede "vann inn i det øvre parti av propellkretsen, istedenfor at der dannes kanaler ved tilføyelsen av finner.

Der er således ifølge den foreliggende oppfinnelse skaffet en skipshekk-konstruksjon som erkarakterisert vedat en åpen kanal er felt inn i hver side av skroget, idet kanalen ved sin fremre ende går over i skroget og ved sin bakre ende ender foran det øvre område av propellkretsen og den nedre side av kanalene er tildannet av et nedhengende parti av skroget som rommer propellakselen, samtidig som overkanten av hver kanal slutter seg til partiet av skroget over kanalen langs en gillingsprofil og den øvre side av kanalen er innrettet til å lede kjølvannet slik at det strømmer hovedsakelig; horisontalt inn i det øvre område av propellkretsen. Ved å bruke kanaler som er felt inn i sidene av skroget, økes ikke overflatearealet av hekken vesentlig sammenlignet med et tilsvarende skrog uten kanaler, slik at effektiviteten av skroget ikke reduseres og til og med kan økes på grunn av den forbedrede strømning. Prøving i tank av en skipsmodell har vist at der bør være en markert forbedring i effektiviteten både forvet skrog i full målestokk på

430 000 tonn dødvekt og for mindre, brede skrogformer som har en enkelt propell og er utformet i henhold til den foreliggende oppfinnelse .

Ved en foretrukken form av den foreliggende oppfinnelse strekker de nedre sider av akterpartiene av kanalene seg hovedsakelig vertikalt, og det parti av skroget som befinner seg mellom disse partier av kanalene, smalner jevnt av i bredde mot hekken. Fortrinnsvis danner de øvre sider av kanalene ved sine forender en vinkel med horisontalen svarende til strømningsvinkelen for det stigende kjølvann ved skipets marsjfart. Den øvre side av kanalen har en mot hekken avtagende helningsvinkel og er hovedsakelig horisontal ved akterenden. Fortrinnsvis nærmer de øvre sider av kanalene éeg en del av en rotasjonsflate rundt propellaksen. Fordel-aktig er gillingsprofilen utformet slik at den har et parabolsk utseende, sett fra akterstevnen.

I vanlige skip er hekkprofilen avrundet bakover i én bue over propellen og deretter buet oppover for å danne den aktre avslutning på skipet. Denne buede form er nødvendig for å skaffe den store klaring mellom propellen og det parti -av skroget som ligger over propellen, som er nødvendig for å moderere virkningene på skroget fra de trykkvariasjoner i vannet som eksiteres av propellen, og

for å passe sammen med det kjølvannmønster som frembringes av resten av skipet. Den buede form er vanligvis tildannet i ett stykke som et hekkramme-støpestykke. For et skip på 400 000 tonn dødvekt kan hekkrammen være 15,25 m høy og veie ca. 600 tonn. Den er meget dyr å fremstille, og når den ankommer på skipsbyggeplassen, viser det seg ofte at den er vridd slik at ytterligere stykker må sveises på for å korrigere formen.

Ifølge en foretrukken utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen forløper hekkens profil vertikalt fra kjølen og strekker seg deretter hovedsakelig horisontalt langs undersiden av det overhengende akterparti av skroget, slik at dette aktjerparti slutter seg hovedsakelig rettvinklet til akterenden av det nedhengende parti av skroget. Denne skrogform er gjort mulig av den jevne kjølvanns-fordeling over propellkretsen, noe som muliggjør at klaringen mellom propellen og undersiden av det overhengende akterparti av skroget kan reduseres uten at der fås uakseptabel skrogvibrasjon, og av den samlede strømningsendring rundt skroghekken, særlig det forhold at vannet strømmer hovedsakelig horisontalt inn i propellkretsen. Den foretrukne skrogform gjør det mulig å konstruere skroget uten det store hekkramme-støpestykke i vanlige skrog. Isteden kan skroget bygges opp av plater, ribber og langskipsspanter, eventuelt inn- befattet små støpestykker for å skaffe styrke der hvor det overhengende akterparti slutter seg til det nedhengende parti som rommer propellakselen.

Det er vel kjent at der kan oppnås en forbedret fremdriftseffektivitet ved reduksjon av akselens omdreiningstall og økning av propellens diameter. I de fleste handelsskip med én propell er diameteren på propellen begrenset av det rom som er tilgjengelig for propellen i uttagningen. Visse klaringer mellom propellbladene, skroget og roret kreves av klassifikasjonsselskapene. Disse klaringer er fastsatt av selskapene utifrå mangeårig erfaring og er i første rekke angitt for å redusere risikoen for vibrasjoner bevirket av propellen.

Ved å forbedre kjølvannmønstrene for énpropell-skip som har stor fullstendighetsgrad, og som dette problem ofte er meget alvorlig for, muliggjør den foreliggende oppfinnelse at der kan monteres propeller med store diametre med små skrogklaringer uten risiko for vibrasjonsproblemer. Mens normale turtall på ca. 80 omdr./min be-nyttes i vanlige skip, kan der oppnås skip som er innrettet til å arbeide med normale turtall på 60 omdri/min.

Sluttelig.tillater hekk-konstruksjonen ifølge den foreliggende oppfinnelse en forenkling av rorkonstruksjonen. Samtidig med kjøl-vannsmønsteret over propellkretsen bedres også kjølvannsmønsteret i det område hvor roret befinner seg. Dette tillater bruk av et mindre og derfor lettere ror til oppnåelse av den samme virkning som' med et meget større, tyngre ror på et vanlig skip. Senkningen av undersiden av det overhengende akterparti av skroget sammenlignet med et vanlig skip gjør det mulig å bruke et spadeformet ror, fordi der foreligger en større skrogdybde som kan gi plass til rorstammen og rorstammen ikke strekker seg langt nedenfor undersiden av den overhengende del, slik at bøyepåkjenningene på rorstammen er små.

En utførélsesform av den foreliggende oppfinnelse vil nå

bli beskrevet under henvisning til tegningen.

Fig. 1 er et isometrisk riss av en hekk-konstruksjon ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 er et sideriss av hekk-konstruksjonen på fig. 1 med hekkprofilen av et vanlig skip vist stiplet.

Fig. 3 og 4 viser profillinjer av hekk-konstruksjonen på

fig. 1 og 2.

Fig. 5 er et polardiagråm over fordelingen av kjølvanns-hastigheten ved propellkretsen hos et skip med vanlig skrogkonstruksjon. Fig. 6 viser fordelingen av kjølvannshastigheten for et vanlig skrog langs en bue med en radius på 0,75 R, hvor R er propellkretsens radius. Fig. 7 er et polardiagråm over fordelingen av kjølvanns-hastigheten ved propellkretsen hos et skip med en skrogkonstruksjon som vist på fig. 1-4. Fig. 8 viser fordelingen av kjølvannshastigheten for et skrog ifølge fig. 1-4 langs en bue med radius 0,75 R, hvor R er propellkretsens radius. Fig. 9 viser virkningene av en økning av diameteren på propellen

Det skrog 10 som er vist på figurene 1-4, tilhører et bredt

tankskip på 430 000 tonn dødvekt.

På fig. 2 og 3 er høyden av skipet fra kjølen vist på skalaen på siden. Tallene representerer høyden i meter. Linjene på fig. 4 viser profilen av horisontale snitt gjennom skroget ved nivåene 1,22 m, 5,5 m, 7,95 m, 10,4 m, 12,8 m, 15,3 m, 22,6 m og. 30,2 iri. Fig. 3 viser profilen av vertikale tverrsnitt av skroget. Plaseringen av hvert snitt langs skroget er vist ved et tall som representerer avstanden fra den aktre perpendikulær som en del av skipets lengde, idet avstanden mellom den aktre perpendikulær og den fremre perpendikulær er 10 enheter. Beliggenheten av snittene helt akterut er vist på fig. 4.

Som det kan ses på fig. 3, har midtseksjonen av skipet, representert ved kurvene 4-7, en hovedsakelig rektangulær profil. Mot akterenden av skipet blir profilene av tverrsnittene mer avrundet og den totale bredde av skipet blir mindre. Begynnende ved stedet for tverrsnittet.1%, er en kanal-11 felt inn i hver side i det generelle omriss av skroget. Hver kanal går ved sin forende 12 over i det generelle omriss av skroget og blir dypere mot akterstevnen. Den øvre side av kanalen slutter seg.til resten av skroget langs en gillingsprofil 13 som er hovedsakelig parabolsk, sett fra akterstevnen. De øvre sider 14 av kanalene 11 danner ved sine forender en vinkel med horisontalen hovedsakelig svarende til strøm- ningsretningen av det oppadstigende kjølvann på dette sted. De øvre sider 14 har en progressivt mot hekken avtagende helningsvinkel og er hovedsakelig horisontale på stedet for tverrsnittet 1/4. De øvre sider 14 av det aktre parti av kanalene 11 har tiinærmet form av en del av en omdreiningsflate rundt aksen for propellen 15.

De nedre sider 16 av kanalene 11 dannes av et nedhengende skfnogparti 17 som rommer propellakselen 18. Ved det aktre parti av kanalene strekker de nedre sider 16 seg hovedsakelig vertikalt, og mellom disse partier av kanalen har skrogpartiet 17 jevnt avtagende bredde mot hekken. Det aktre parti av det nedhengende parti av skroget har således utseende av en vertikal kile.' Undersiden av det nedhengende parti er avrundet som vist ved 19.

Det nedhengende parti 17 ender i en vertikal linje ved akterenden ved tverrsnittet 1/4. Det øvre parti av skroget fortsetter aktenfor tverrsnittet 1/4 for å danne et overhengende parti 20 av skroget. Undersiden 21 av det overhengende parti strekker seg hovedsakelig horisontalt akterover fra det spant som er anbragt ved snittet 1/4, slik at den slutter seg hovedsakelig rettvinklet til spantet. Undersiden 21 er buet på tvers om en akse som hovedsakelig faller sammen med propellaksen. Sidene av skroget fortsetter å smalne av mot hekken i området for det overhengende akterparti 20 som vist ved tverrsnittene A og B. Akterenden 22 er flat og vertikal dg er meget smal sammenlignet med den totale bredde av skipet.

Propellkretsen er vist ved 23 på fig. 3. Bak propellkretsen er der montert et ror 24. Roret 24 er et balansert spadeformet ror, dvs. det bare er opplagret ved hjelp av rorstammen. Fig. 2 viser også stiplet profilen av hekken hos et skip av vanlig konstruksjon. Profilen strekker seg i en kurve mot hekken i en bue over propellen ved 25 og er bøyet oppover ved 26 for å danne akterenden på skipet. Ved 25 gir kurven stor klaring mellom propellen og det,overhengende parti av skroget for å moderere virkningene på skroget av trykkvariasjonene i vannet som forårsakes av propellen. Ved 25 svarer kurven også til skipets oppoverstrømmende kjølvann. Det er ikke tilfredsstillende å bruke et spadeformet ror med en vanlig hekk-konstruksjon som vist på fig. 2. Det øvre parti av roret ville befinne seg i vann med høy kjølvanns-hastighet og derfor ha liten effekt på skipets styring. Det ville derfor være nødvendig å lage det spadeformede ror meget stort, og dybden av det overhengende parti av skroget er utilstrekkelig tii å motstå vekten og bøye^-kreftene fra et slikt stort ror.

Fig. 5 og 6 viser kjølvannsfordelingen over propellkretsen

for et skip med vanlig hekk-konstruksjon, f.eks. den som er vist stiplet på fig1. 2. På fig. 5 representerer konturene kjølvanns-hastigheten som en brøkdel av skipets hastighet. I det øvre område av propellkretsen er der en høy konsentrasjon av høy kjølvanns-hastighet. Når propellbladene roterer, utsettes de for belastningsendringer på grunn av endringer i kjølvannshastigheten. Fig. 6

viser kjølvanns-fordelingen langs en bue med en radius på 0,75 R, hvor R er propellkretsens radius. Den mest følsomme sone med hensyn til variasjoner i kjølvannshastighet er sonen mellom 0 og 4 5° på

hver side av den øvre dødpunktstilling. Under forutsetning av at den gjennomsnittlige kjølvannshastighet er 0,4, vil sjokkvirkningen på bladene i forhold til den gjennomsnittlige påkjenning variere fra

2 2

0 '-a til °* \, dvs. fra 4 feil 1,56 ved 45°'s omdreining av bladene, 0,4^ 0,4^

idet sjokk-krefténe er proporsjonale med V 2. Denne belastningsvaria-sjon bevirker at de roterende blader frembringer trykkpulsasjoner i vannet, og disse pulsasjoner eksiterer skrogvibrasjon. Andre virkninger av ujevn fordeling av kjølvannshastighet er redusert propell-effektivitet, alvorlig erosjon av propellbladene ved kavitasjon, store eksentriske propellbelastninger som medfører at propellen ligger an mot toppen av hekklageret, banking av propellakselen i lagrene, noe som kan bevirke at glideforingen av hvitt metall brytes istykkér, ødeleggelse av oljepakningene og økede dynamiske bøyepåkjenninger på propellakselen/noe som kan forårsake tretthetsbrudd ved kanten av kilesporet i propellakselen.

Skrogkonstruksjonen ifølge oppfinnelsen slik den er beskrevet under henvisning til fig. 1-4 skaffer en jevnere fordeling av kjøl-vannet over propellkretsen som vist på fig. 7 og 8. De øvre sider 14 av kanalene 11 fanger opp det oppoverstrømmende kjølvann og leder det inn i de,t øvre område av propellkretsen. Ved forendene skråner de øvre sider av kanalene slik at de er hovedsakelig parallelle med det oppoverstrømmende kjølvann ved skipets marsjfart. På denne måte bevirker kanalene minimal forstyrrelse av vannstrømmen rundt hekken.

De øvre sider av kanalene 11 skråner gradvis mindre akterover, slik at det vann som samles i kanalene, ledes horisontalt inn i propellkretsen. Som vist på fig. 7 og 8 er variasjonene i kjølvannshastig-heten over propellkretsen vesentlig redusert sammenlignet med et vanlig skip. Sjokkvirkningen over et rotasjonsområde for bladene på

o 2 5 2 0

45 er fra -r-| til , dvs. fra 1,56 til 1,25. Sammenlignet med lo lo

det vanlige tilfelle er forbedringsforholdet på mellom j—456 = 2'56 1 56 ogy'25 = 1'25, noe som betyr at det maksimale sjokk er redusert med en faktor på 2,56. Virkningen av dette er at den totale skrog-motstand, nivået av den propelleksiterte skrogvibrasjon og støy, og erosjonen av propellen ved kavitasjon reduseres, og at der fås en mer stabil drift av propellakselen i hekklagrene, sastidig som ten-densen til løftirig og banking i lagrene reduseres eller endog eli-mineres .

Det forbedrede kjølvannsmønster muliggjør at klaringen mellom skroget og propellen kan reduseres på grunn av reduksjonen av de trykkvariasjoner som gir opphav til skrogvibrasjon. Dette på sin side gjør det mulig å anvende propeller med større diametre enn hva som er vanlig for skip av denne størrelse. De større propeller kan arbeide ved lavere omdreiningstall enn vanlige propeller, og skipets effektivitet blir således ytterligere forbedret.

For å bedømme den mulige økning i fremdriftseffektivitet som kan oppnås ved økt propelldiameter, har der vært utført en under-søkelse med tre typiske tarikskipsformer på henholdsvis 50 000,

200 000 og 400 000 tonn dødvekt. For å skaffe et ensartet sammen-ligningsgrunnlag ble der for beregning av skrogytelsen brukt en standardserie. av skrogformer med de virkelige skipsdimensjoner. Et ensartet propelldiagram ble brukt for å beregne ytelsen av optimale propeller for hvert skrog ved spesifiserte diametre. Utgangsdia-metrene var diametrene av de propeller som allerede var bygget for hvert skip, og disse diametre ble øket i trinn inntil de var ca. 35% større enn den respektive utgangsdiameter. Dette ble ansett som den maksimalt mulige økning med konstruksjonen ifølge den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 9 viser resultatene av disse beregninger i form av prosentvis forbedring i nødvendig fremdriftskråft for én gitt skips-hastighet som funksjon av prosentandelen av det optimale utgangsturtall ved høyeste marsjfart (maximum continuous rating). Det vil ses at en økning av diameteren på 35% svarer til en reduksjon av turtallet på ca. 40% og en innsparing i kraft på ca. 11% i forhold til utgangspunktet. Disse forhold var de samme for hvert skip og anses derfor å gjelde for tankskipsformer generelt fra.50 000 til

400 000 tonn død-vekt med et utgangsturtall på 80-125.

Slike kraftbesparelser vil gi betydelige økonomiske fordeler, men der må tas i betraktning visse praktiske konsekvenser som vil redusere de totale økonomiske gevinster. Disse er at den økede propelldiameter øker vekten og kostnaden av propellen, at det redu-serte omdreiningstall kan kreve spesielle reduksjonsgir med mulig øket vekt og kostnader, og at akselmomentet vil øke, noe som krever øket akseldiameter.

Endringen i strømmen rundt skipshekken og særlig det vann som horisontalt strømmer inn i propellkretsen, gjør det mulig å konstruere det overhengende akterparti 20 av skipet som vist på fig. 2. Den økte dybde av det overhengende parti 20 lav skroget gir større støtte for det spadeformede ror, og senkningen av undersiden av det overhengende parti sammenlignet med vanlige skrog gjør det mulig å anbringe det spadeformede ror i vannet der hvor det er mest effek-tivt. Sluttelig vil forbedringen av kjølvannsmønsteret ved propellkretsen også bedre kjølvannsmønsteret i området hvor roret virker, slik at der kan brukes et mindre ror.

Den horisontale underside av det overhengende parti av skroget gjør konstruksjonen av.skroget enklere. For å skaffe den buede profil hos et vanlig skip har det vært nødvendig å tildanne skroget rundt et hekkramme-støpastykke som er meget dyrt å produsere (1.7 mill.kr. for et tankskip på 250 000 tonn dødvekt). Det rek-tangulære profil på hekk-konstruksjonen ifølge oppfinnelsen tillater skroget å formes ,fra plater, ribber og langskipsspanter med et lite støpestykke til å armere det hjørne 27 hvor det overhengende parti møter akterenden av det nedhengende parti 17. Således kan der oppnås en betydelig reduksjon av skrogets fremstillingskostnader. Reduksjonen av de krefter som virker på propellakselen, gjør det også mulig å fremstille hekken som en lett konstruksjon, og derved oppnås en ytterligere reduksjon av skrogkostnadene.

Claims (9)

1. Skipshekk-konstruksjon, karakterisert ved at der i hver side av skroget er felt inn en åpen kanal som ved sin fremre ende går over i skroget og ved sin bakre ende slutter foran det øvre område av propellkretsen, idet den nedre side av kanalene er dannet av et nedhengende parti av skroget som rommer propellakselen, samtidig som overkanten av hver kanal slutter seg til skrogpartiet over kanalen langs en gillingsprofil og den øvre side av kanalen er innrettet til å lede kjølvannet slik at det strømmer hovedsakelig horisontalt inn i det øvre område av propellkretsen.

2. Konstruksjon som angitt i krav 1, karakterisert ved at de nedre sider av akterpartiene av kanalene strekker seg hovedsakelig vertikalt, og at det parti av skroget som befinner seg mellom disse partier av kanalene, smalner jevnt av i bredde mot hekken.

3. Konstruksjon som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at de øvre sider av kanalene ved sine forender danner en vinkel med horisontalen svarende til strømningsvinkelen for det oppoverstrømmende kjølvann ved skipets marsjfart.

4. Konstruksjon som angitt i krav 3, karakterisert ved at den øvre side av kanalen har en mot hekken avtagende helningsvinkel og er hovedsakelig horisontal ved akterenden.

5. Konstruksjon som angitt i et av kravene 1-4, karakterisert ved at de øvre sider av kanalene nærmer seg en del av en rotasjonsflate rundt propellaksen.

6. Konstruksjon som angitt i et av kravene 1-5, karakterisert ved at gillingsprofilen er utformet slik at den har et parabolsk utseende, sett fra hekken.

7. Konstruksjon som angitt i et av kravene 1-6, karakterisert ved at hekkens profil forløper vertikalt fra kjølenb g deretter strekker seg hovedsakelig horisontalt langs undersiden av det overhengende akterparti av skroget, slik at dette akterparti slutter seg hovedsakelig rettvinklet til akterenden av det nedhengende parti av skroget.

8. Konstruksjon som angitt i krav 7, karakterisert ved at hekkpartiet av skroget er bygget av plater, ribber og langskipsspanter.-

9. ^ Konstruksjon som angitt i et av de foregående krav, k a r a k terisertved at skipets propell er innrettet til å rotere med en normal hastighet på ca. 60 omdr./min.