Jutut

Moottoriveneiden runkomuodot: Runko on veneen selkäranka

Runko määrittää pitkälti moottoriveneen ominaisuudet. Kehitys on kulkenut uppoumarungoista puoliliukuvan kautta liukuviin runkoihin. Niillä kaikilla on ominaisuutensa, joita arvostetaan tai pyritään parantamaan.

19.01.2019

KirjoittajaTuomo Kanerva

KuvaajaJuha Virtanen, Ari Inkinen, piirrokset Maria Tiido, 123rt

Veneen runko on parhaimmillaankin onnistunut kompromissi. Monet ominaisuudet ovat toisiaan pois sulkevia ja tasapainoilu niiden välillä on valintojen tekemistä. Ratkaisujen vaikutusten tunteminen helpottaa omaan käyttöön soveltuvan veneen valinnassa.

Runkotyypit voidaan jakaa kolmeen ryhmään: uppoumarunkoisiin, puoliliukuviin ja liukuviin. Uppoumarunkoinen vene on tyypillisesti hidas, liukuvarunkoinen nopea ja puoliliukuva jotain niiden väliltä. Jaottelu nopeuden mukaan on kuitenkin vain periaatteellinen, sillä uppoumarunkoisen veneen suurin taloudellinen nopeus – runkonopeus – riippuu vesilinjan pituudesta.

Uppoumarunkoisen laivan matkanopeus voi olla yli 20 solmua.

Tarkemmin rungon kategoria voidaan määrittää Frouden luvun avulla. Frouden luku kuvaa rungon kulkuvastusta ja se määräytyy rungon nopeuden suhteesta vesilinjan pituuteen. Frouden luvun ollessa alle 0,4 vene on uppoumarunkoinen, välillä 0,5–1 puoliliukuva ja liukuva luvun ollessa yli 1.

Uppoumarunkoisen veneen runkoa kannatteleva noste syntyy rungon syrjäyttämästä vesimäärästä eli uppoumasta, eikä se ole juuri riippuvainen veneen nopeudesta. Liukuvarunkoista venettä kannatteleva voima syntyy runkoon osuvan veden virtauksen suunnan muutoksesta. Noste on verrannollinen virtauksen nopeuden toiseen potenssiin, eli veneen nopeuteen veden suhteen. Hitaissa nopeuksissa myös liukuvarunkoinen vene on uppoumatilassa.

UPPOUMARUNKO

Tyypillisiä uppoumarunkoisia veneitä ovat purjeveneet, soutuveneet ja hitaat moottoriveneet. Runkonopeutta kulkiessaan vene muodostaa veteen seisovan aallon, jonka pohja on keskellä vesilinjaa ja harjat keulan ja perän kohdalla. Runkonopeus voidaan laskea oheisesta kaavasta. Runkonopeuden kaavan Frouden luvuksi on annettu 0,43.

Runkonopeus ei ole absoluuttinen arvo, jonka ylittäminen on mahdotonta. Se on kokeellisesti määritetty suurimmaksi nopeudeksi, jonka ylittyessä tehontarve kasvaa jyrkästi. Se on kuitenkin hyvä arvio uppoumarunkoisen veneen suurimmasta nopeusalueesta.

Koska runkonopeus kasvaa vesilinjan pituuden kasvaessa, on purje- ja joissain moottoriveneissä siirrytty käyttämään pystyä keulaa perinteisen viiston keulan sijaan. Tällöin vesilinja kasvaa suhteessa veneen kokonaispituuteen ja saavutetaan suurempi runkonopeus.

Uppoumarunkoisen veneen ylittäessä runkonopeutensa, keula-aalto kasvaa peräaaltoa suuremmaksi kun vene alkaa nousta ylös muodostamastaan kuopasta. Raskailla veneillä kuoppa on niin syvä ja keula-aalto niin korkea, ettei vene pääse nousemaan sieltä, vaikka tehoa lisättäisiin huomattavasti. Sen sijaan kevyillä veneillä, esimerkisi purjejollilla, keula-aalto on niin matala, että veneen on mahdollista ylittää runkonopeus ja nousta keula-aallon yli jo kohtuullisella teholla. Surffissa peräaalto kasvaa ja keula-aalto pienenee, mikä alentaa kynnystä kuopasta nousemiseen.

Uppoumarunkoisen veneen pohjanmuoto on yleensä pyöreä sekä pituus- että leveyssuunnassa. Veden virtaus seuraa tällöin pohjaa sulavasti ilman pyörteilyä. Pyörteily aiheuttaa veneeseen kulkuvastusta, joka lisää tehon tarvetta ja polttoaineen kulutusta.

Hitailla nopeuksilla myös liukuvan veneen runko toimii uppoumatilassa. Pystysuoran perän takia vesi ei kuitenkaan irtoa yhtä sulavasti kuin uppoumarunkoisella veneellä ja siksi liukuvarunkoisen veneen perään muodostuu pyörteilyä. Se aiheuttaa liukuvarunkoisissa veneissä uppoumanopeuksilla usein havaittavan vaeltelun puolelta toiselle.

Uppoumatilassa liukuvan rungon noste on uppoumasta johtuvaa staattis-ta nostetta. Nopeuden kasvaessa runkoon alkaa vaikuttaa lisäksi liikkeestä johtuva dynaaminen noste.

LIUKUVA RUNKO

Ensimmäiset liukuvat rungot rakennettiin 1800- ja 1900-lukujen taitteessa. Kevyillä purjeveneillä saavutettiin noin kaksinkertainen runkonopeus ja moottoritekniikan kehittyessä myös moottoriveneisiin saatiin riittävän kevyt ja tehokas moottori nostamaan vene liukuun. Liukuvassa rungossa veneen pohja on pituussuunnassa suora tai lähes suora ja palteet ovat teräväkulmaiset.

Liukunopeudessa veneen pohja toimii siivekkeenä, joka muuttaa veden virtauksen suuntaa. Vaakasuora virtaus osuu pohjaan ja kääntyy veneen pohjan suuntaiseksi. Virtauksen suunnanmuutoksesta syntyvä voima kannattelee venettä. Suunnanmuutoksesta aiheutuvan voiman voi kokeilla laittamalla käden veteen liikkuvassa soutuveneessä. Kämmenen ollessa virtauksen suuntaisesti, siihen kohdistuu vain pieni voima. Kääntelemällä kämmentä voi tuntea voiman kasvavan ja vähenevän.

Dynaamisen nosteen suuruus riippuu virtauksen nopeudesta, suunnanmuutoksen suuruudesta ja pohjan pinta-alasta. Mitä suuremmalla nopeudella ja mitä enemmän virtaus muuttaa suuntaansa sekä mitä suuremmalle pinta-alalle se vaikuttaa, sitä suurempi on dynaaminen noste.

Veneen pohjan ja virtauksen välisestä kulmasta käytetään veneilyssä nimitystä trimmi, fysiikassa nimitys on kohtauskulma. Sen kasvattaminen lisää nostetta, mutta myös kulkuvastusta. Kohtauskulmasta johtuvan dynaamisen vastuksen lisäksi veden kitka aiheuttaa veneelle kulkuvastusta.

Veden kitka on verrannollinen rungon märkäpintaan ja veneen nopeuden toiseen potenssiin. Kitka aiheuttaa vastusta sekä uppouma- että liukuville rungoille, mutta toisen potenssin takia sen vaikutus on merkittävämpi nopeilla veneillä.

V-KULMALLA PEHMEYTTÄ

Yleisimmin liukuvissa veneissä käytetään v-mallista runkoa. Monet v-rungot näyttävät hyvin samankaltaisilta, mutta niissä on useita muuttujia, joiden avulla voidaan vaikuttaa merkittävästi rungon ominaisuuksiin. V-kulma on merkittävin yksittäinen muuttuja, ja se mainitaan usein koeajon yhteydessä. V-kulma tarkoittaa pohjan ja vaakatason välistä kulmaa.

V-kulman jyrkentäminen pienentää virtauksen muodostamaa dynaamista nostetta, sillä jyrkkä v-pohja muuttaa virtauksen suuntaa vähemmän kuin loiva. Nosteen pienentyessä vene kulkee syvemmällä, mikä kasvattaa rungon märkäpintaa.

V-runkoisen veneen pohjakulma on yleensä veneen perässä loivempi kuin keulassa, mikä parantaa perän nostetta. Veneet ovat usein peräpainoisia, sillä moottori, akku, tankki ja suuri osa istumapaikoista sijaitsevat veneen peräosassa. Keula on usein huomattavasti perää kevyempi, joten se ei tarvitse yhtä suurta nostetta.

V-rungon dynaamista nostetta voidaan parantaa nousulistoilla. Ne toimivat pieninä tasapohjina, jotka lisäävät nostetta kääntämällä veden virtausta. Nousulistojen tehoon vaikutetaan leveyttä ja kulmaa muuttamalla. Positiiviset nousulistat on kallistettu yläviistoon ja negatiiviset alaviistoon. Negatiiviset nousulistat kääntävät virtausta tehokkaammin ja lisäävät siten nostetta positiivisia enemmän.

Nousulistojen sijoittelulla voidaan myös vaikuttaa nosteen paikkaan. Nousulistat jotka ulottuvat keulasta perään parantavat nostetta koko rungon matkalla. Ennen perää loppuvat nousulistat parantavat keulan nostetta ja kantavuutta, mutta eivät perän.

Nousulistoja on yleensä kaksi tai kolme paria, joskus enemmänkin. Märkäpinta-alan pienentämiseksi veneen halutaan nousevan mahdollisimman ylös vedestä. Ei kuitenkaan liian ylös, sillä veneestä saattaa tulla epävakaa. Lähelle palteita sijoitetut nousulistat antavat nostetta hitaissa nopeuksissa, mutta nopeuden kasvaessa ne usein nousevat vedestä.

Aallot aiheuttavat hetkellisesti sekä staattista että dynaamista nostetta. Staattinen noste muodostuu veneen sukeltaessa aaltoon ja syrjäyttäen suuren määrän vettä. Dynaaminen noste aiheutuu aallon ja rungon välisen kohtauskulman kasvusta.

Aallon aiheuttama hetkellinen noste tuntuu veneessä tärähdyksenä, jonka voimakkuus riippuu rungon ja etenkin keulan tuottaman nosteen suuruudesta. Tasapohjainen vene ottaa aallon voiman vastaan täysmääräisenä, v-runkoon aallon impulssi aiheuttaa pienemmän voiman. Mitä jyrkempi rungon v-kulma on, sitä pienempi voima runkoon kohdistuu. Nousulistat lisäävät aaltojen aiheuttamaa impulssia.

POHJAPORTAALLA VAUHTIA

V-kulman jyrkentäminen parantaa veneen kulkua aallokossa, mutta lisää samalla vastusta ja polttoaineen kulutusta. Varsinkin nopeilla veneillä yhtälö on huono. Vauhdin kasvaessa aaltoiskujen voima kasvaa, mutta v-kulman jyrkentämisen lisäämä vastus hidastaa nopeutta. Ongelmaa on ratkottu tekemällä runkoon poikittaisia portaita.

Ensimmäiset porraspohjaiset veneet rakennettiin 1900-luvun alkupuolella, mutta laajempaan suosioon ne ovat nousseet vasta 1990-luvulla. Portaan tarkoitus on ohjata ilmaa pohjan ja veden väliin. Ilman viskositeetti, eli kyky vastustaa muodonmuutosta, ja tiheys ovat pienempiä kuin veden, joten ilmanvastus on veden vastusta pienempi. Porraspohjasta käytetäänkin myös nimitystä ilmavoideltu pohja.

Ilma ohjataan rungon ja veden väliin veneen laidalta, portaan reunasta. Portaiden sivuaukot ovat usein melko suuret ja reilusti vedenpinnan yläpuolella, jotta ilma pääsee virtaamaan esteettömästi. Mikäli ilma-aukko joutuu veden alle, estää se ilman pääsyn voitelemaan porrasta, ja rungon kitka kasvaa toispuoleisesti. Tämän seurauksena vene saattaa tehdä äkkikäännöksen.
Ilma voidaan myös ohjata pohjan ja veden väliin kölin kohdalta. Beneteaun patentoidussa Airstep-rungossa on kölin kohdalla kaksi ilma-aukkoa. Niihin ilma johdetaan putkia pitkin kannella olevista ilmanottoaukoista.

Porraspohjapohja on jaettu kahteen tai useampaan osaan. Jokaisen portaan kohdalla runko nousee hieman, mutta kölilinja pysyy yleensä muuttumattomana. Porraspohjalla saavutettu hyöty kasvaa nopeuden kasvaessa, minkä takia ne ovat yleisiä erityisesti kilpaveneissä. Polttoaineen kulutuksen alentamiseksi porraspohjia on alettu käyttää myös tavallisissa moottoriveneissä, kuten Axopar 28:ssa (Vene 11/2014).

Porraspohjan yleistymistä hidastaa sen kalleus. Portaat myös tuovat haasteita rungon suunnittelulle ja valmistukselle. Huonosti suunniteltu porraspohja voi aiheuttaa myös vaaratilanteita.

PUOLILIUKUVA RUNKO

Puoliliukuvalle veneelle ei ole yksiselitteistä määritelmää ja niiden runkomuodot poikkeavat huomattavastikin toisistaan. Puoliliukuva vene on uppouma- ja liukuva rungon välimuoto, ja kun uppoumarungoista siirryttiin kohti liukuvia runkoja, ensimmäiset uppoumanopeuden ylittäneet rungot olivat juuri puoliliukuvia. Ne kulkivat edelleen ”veden läpi”, mutta suuren moottoritehon ja melko tasaisen pohjan ansiosta ne nousivat osittain veden pinnalle ja ylittivät runkonopeutensa. Puoliliukuvan veneen nosteesta suurin osa tulee edelleen veden staattisesta nosteesta, mutta myös dynaamisen nosteen osuus on merkitsevä.

Jotkut puoliliukuvat veneet muistuttavat huomattavasti uppoumarunkoisia, kun taas toiset voisivat suuremmalla moottoriteholla olla liukuvia. Esimerkiksi Flying Albatross 871 (Vene 3/2009) on muodoiltaan hyvin lähellä uppoumarunkoista, sen sijaan Utö 31 (Vene 5/2009) ei juuri liukuvasta rungosta eroa.

Yleisesti puoliliukuva runko on yhdistelmä uppouma- ja liukuvaa runkoa. Puoliliukuvan veneen pohjan poikkileikkaus on usein pyöreä kuten uppoumarunkoisilla veneillä, mutta pohjan palteet ovat terävät kuten liukuvissa veneissä. Pohja on liukuvien veneiden tavoin pituussuunnassa suora tai lähes suora.

Puoliliukuvissa veneissä on usein pitkä köli parantamassa suuntavakavuutta uppoumanopeuksilla. Hitaan ajon ominaisuuksia parannetaan myös nousevalla pohjalinjalla tai pyöreällä perällä. Ne parantavat veden virtausta ja vähentävät pyörteilyä, samalla kuitenkin heikennetään rungon ominaisuuksia suuremmissa nopeuksissa.

Puoliliukuva vene ei ole yhtä taloudellinen uppoumanopeudella kuin uppoumarunkoinen vene. Puoliliukuvien kulutusetu on olla liukuvarunkoisia taloudellisempi hieman uppoumanopeuden yläpuolella.

Juttu on julkaistu aikaisemmin Vene-lehden numerossa 1/2015.

X