AT504311B1 - Bootskörper für schnelle wasserfahrzeuge - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT504 311 B1 2009-10-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Bootskörper gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Bootskörper haben eine Form, die bei bestimmten Geschwindigkeiten möglichst kleinen Leistungsbedarf für ihren Vortrieb haben. Man unterscheidet so genannte Verdränger, das sind Boote, die ihren Auftrieb aus der Verdrängung beziehen, Halbgleiter, das sind Boote, die schon einen geringen Teil Ihres Auftriebs aus dynamischen Kräften beziehen und Gleitern, die ihren Auftrieb zu einem großen Teil aus dynamischen Kräften beziehen. Eine kritische Geschwindigkeit liegt bei v[knoten] = 2,43 L[meter] [0003] Dies ist die so genannte Rumpfgeschwindigkeit oberhalb der der Widerstand, insbesondere infolge starker Wellenbildung mit zunehmender Geschwindigkeit, schnell ansteigt. Um über diese Geschwindigkeit hinweg zu kommen, muss ein Schiff zwangsläufig gleiten, wenn der Widerstand nicht über die Maßen ansteigen soll. Dies wird erleichtert durch einen hinter der Mitte liegenden Verdrängungsschwerpunkt und eine spezielle Formgebung, die das Fahren im Gleitzustand begünstigt, aber das Fahren unterhalb der Geschwindigkeit in der Regel ungünstig beeinflusst. Zusätzlich muss zum Erreichen der Gleitgeschwindigkeit ein Widerstandsmaximum überwunden werden, das zu einer hohen Belastung des Antriebs führt und häufig zusätzliche Einrichtungen erfordert. Der Grund für das Maximum ist ein starkes Vertrimmen des Bootes, das quasi seine eigene Bugwelle hinauffahren muss, während das Heck in das darauffolgende Wellental sinkt. Dem kann man begegnen durch Einbau von steuerbaren Trimmklappen, die das Heck anheben und den Trimm reduzieren.

[0004] In Fig. 1 ist der Verlauf der Antriebleistung auf der vertikalen Achse (1) gegen die Geschwindigkeit auf der horizontalen Achse (2) dargestellt. Die konventionelle Rumpfform (3) erfordert bei gleicher Verdrängung außer bei sehr hohen Geschwindigkeiten eine höhere Antriebsleistung als die hier beschriebene Form (4). Der Übergang von Verdrängerfahrt im Geschwindigkeitsbereich (5) überden halbgleitenden Zustand (6) in den Gleitzustand (7) erfolgt für die erfindungsgemäße Form (4) deutlich früher.

[0005] Fig. 2 zeigt die klassische Schiffsform und die erfindungsgemäße Form in Längs- und Querschnitten. Die klassische Form für Gleitfahrzeuge weist im Bodenbereich in allen Längsschnitten (8a, 8b) einen flachen Verlauf auf, der vom Heck zum Bug ansteigt, wobei der Schnitt auf der Mittellängsachse (8a) am tiefsten liegt und am weitesten nach vorne reicht. Die resultierende Form im Querschnitt hat ein V-förmiges Unterwasserschiff (9a, 9b), dessen V-Winkel zur Horizontalen, die so genannte Aufkimmung, nach hinten abnimmt und in einen konstanten Wert mündet (9b). Der Übergang in die Seiten ist scharfkantig (so genannter Knickspanter) Diese Form ist allgemein akzeptiert. Sie lässt sich leicht hersteilen, und hat in allen Geschwindigkeitsbereichen gutmütige Seegangseigenschaften und in der Regel auch ein gutes Manövrierverhalten.

[0006] Die Form trimmt stark beim Überwinden des Widerstandsmaximums. Boote die im Grenzbereich um die Rumpfgeschwindigkeit herum eingesetzt werden, haben häufig auch U-förmige Spanten und einen gerundeten Übergang in die Seitenwände (So genannter Rundspanter) [0007] Schiffe mit V-Form haben gelegentlich auch eine stetig nach hinten abnehmende Aufkimmung, die auch bis auf Null zurückgehen kann. Diese Schiffe trimmen deutlich weniger als die oben erwähnten Formen, aber sie sind nicht so universell einsetzbar und haben bei sehr hohen Geschwindigkeiten ein ungünstigeres Seegangsverhalten.

[0008] Der hier beschriebene Bootskörper vermeidet die Nachteile der bekannten Formen unter Verzicht auf Eignung für den sehr hohen Geschwindigkeitsbereich. Die günstigeren Eigenschaften werden durch im folgenden beschriebene Merkmale sichergestellt, die überwiegend nur in Kombination miteinander wirksam sind. 1/7 österreichisches Patentamt AT 504311 B1 2009-10-15 [0009] Fig. 2 zeigt die gegenüber der konventionellen Form geänderten Merkmale der erfin-dungsgemäßen Form. Der Längsschnitt auf Mitte Schiff (10a) ist gegenüber den weiter außen liegenden Schnitten (10b) im hinteren Bereich konkav gewölbt und liegt dort deutlich höher. Die resultierende Form ist im vorderen Bereich im Querschnitt ebenfalls nach außen gewölbt (11a). Im hinteren Bereich ist sie konkav nach oben gewölbt (11b). Auch in Ruhelage des erfindungsgemäßen Rumpfes ergibt sich damit eine insgesamt nach oben gewölbte Fläche, deren höchster Punkt höher liegt als alle Punkte der Umgebung.

[0010] Fig. 3 beschreibt den Wirkungsmechanismus der Rumpfform. Die konventionelle Form wie auch die erfindungsgemäße werden vorne durch die Bugwelle angehoben (12). Bei der konventionellen Form gibt es keine Kraft; die dieser Tendenz entgegenwirkt, außer der, die durch die starke Anstellung des Schiffkörpers hervorgerufen wird. Bei der erfindungsgemäßen Form wird die Strömung durch die konvexe Form des vorderen Schiffsteils (19) beschleunigt und erzeugt einen Sog (13). Der hintere, konkav geformte Teil (18) bewirkt hingegen eine Abbremsung der Strömung und eine Umlenkung von der Wasseroberfläche (15) weg und damit einen Druck nach oben (16). Als Ganzes bewirken diese Kräfte ein paralleles Anheben des Rumpfes mit geringem Widerstandmaximum beim Übergang in den Gleitzustand, wohingegen konventionelle Formen, wie oben beschrieben übergangsweise stark vertrimmen, mit infolgedessen viel ausgeprägterem Maximum.

[0011] Diese Eigenschaft kann noch durch die konkave Formgebung des Bodens in Querrichtung, Fig. 2 11b, verstärkt werden, der dadurch die Strömung stärker nach hinten umlenkt, als dies bei Booten mit Aufkimmung geschieht. Dies bewirkt neben dem schon erwähnten stärkeren Auftrieb des Hecks noch einen frühen Abriss am Spiegel, der zusätzlich den Widerstand beim Übergang zu höheren Geschwindigkeiten reduziert.

[0012] Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Rumpfes ist an einen stetigen also knick-oder stufenfreien Verlauf der Längsschnitte und einen hinter der Mitte liegenden Verdrängungsschwerpunkt gebunden.

[0013] Dadurch bedingt werden allerdings die Geschwindigkeitskomponenten quer zum Schiff kleiner. Eine hohe Geschwindigkeit in Querrichtung ist trotz ihrer ungünstigen Eigenschaften auf dem Widerstand insofern günstig, weil sie einen früheren Strömungsabriss am Boden bewirkt, der frühzeitig zu trockenen Schiffsseiten führt und damit die benetze Oberfläche reduziert, die die Größe des Widerstandes in Gleitfahrt bestimmt. Der hier beschriebene Rumpf hat zur Verbesserung des Strömungsabrisses eine umlaufende, direkt in die Form integrierte Spritzleiste. Fig. 4 zeigt diese Leiste (20) für einen Querschnitt etwa in Mitte Schiff, die bis zum Spiegel reicht und möglichst scharfkantig in die Schiffseiten mündet. Beides bewirkt vergleichsweise frühen Strömungsabriss und trockene Seiten. Zusätzlich bewirkt die Spritzleiste wie bei konventionellen Formen eine Ablenkung des Spritzers, der mit zunehmender Geschwindigkeit und austauchendem Rumpf nach hinten wandert, sodass das Schiff oberhalb der Spritzleiste trocken bleibt und der dynamische Auftrieb erhöht wird.

[0014] Ähnliche Prinzipien werden in WO 81/03647 beschrieben. Hier wird eine Form vorgeschlagen, deren Unterseite eine Tragflügelform haben soll, wobei die Nase - der Punkt wo Unterseite und gedachte Oberseite des zugrunde liegenden Profils Zusammentreffen - und die Hinterkante eines Profilschnittes in der Ruhewasserlinie liegen sollen. Der Boden darf Knicke und beliebige Formen in Breitenrichtung haben und prinzipiell nicht nur für Gleitboote sondern auch für Verdrängerschiffe geeignet sein.

[0015] DE 687 340 C zeigt ein Boot gebildet aus einem Verdrängungskörper vorne, der die dahinter liegende Gleitfläche günstig beeinflussen soll mit weit vorne liegendem Schwerpunkt, einer Stufe und einer bereichsweise in Längsrichtung konkaven Form, die aber hinten unter anderem hinsichtlich der Lage des höchsten Punktes nicht spezifiziert ist. Da der Verdrängungsschwerpunkt im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Form vor der Mitte liegt, wird damit kein Gleitzustand erreicht.

[0016] GB 871 446 A ist ein Stufengleitboot mit Seitenkielen in Hinterschiff. Die zwischen den 2/7 österreichisches Patentamt AT 504311 B1 2009-10-15

Seitenkielen liegende Fläche ist eben ausgeführt. Auch hier verhindern die Stufe und der relativ weit vorne liegende Verdrängungsschwerpunkt eine Wirkung entsprechend der erfindungsgemäßen Form.

[0017] FR 2 502 104 A1 zeigt ein Boot mit einem konkav nach oben gewölbten Schiffsboden auf Mitte Schiff, der allerdings vorne und hinten einen konvexen Schiffsteil aufweist. Die Erfindung zielt einzig und allein auf eine Verminderung des Widerstandes durch Verringerung der vom Wasser benetzten Oberfläche mit einem unterstellten Ansteigen des Rumpfes bei hohen Geschwindigkeiten. Die Vorstellung ist, dass das Heck, die Schiffsseiten und der nach oben gekrümmte Mittelteil des Rumpfes quasi trocken fallen und damit die besagte Verminderung der benetzten Oberfläche eintritt. Da der konkave, mittlere Teil dann weitgehend aus dem Wasser gehoben sein soll, kann er sich am dynamischen Auftrieb offenbar nicht beteiligen. Im Gegensatz dazu ist der hintere Schiffsteil der erfindungsgemäßen Form ausschließlich zum Erzeugen des Auftriebs zur Widerstandsreduzierung vorgesehen [0018] In der vorliegenden Erfindung ist die Form so gewählt, dass der Spiegel in der Ruhelage immer leicht getaucht ist und die Längsschnitte leicht gegen die Wasserlinie nach unten geneigt sind Fig. 3 (17).

[0019] Damit ist die erfindungsgemäße Form hervorragend für Gleiter und Halbgleiter geeignet, jedoch im Gegensatz zu den oben aufgeführten Patenten nicht für Verdränger. Auch für sehr schnelle Gleiter ist sie ungeeignet, weil die konkave Form im Achterschiff einer Reduzierung der benetzten Oberfläche durch Trimmvergrößerung entgegensteht.

[0020] Die integrierte Spritzleiste in Kombination mit dem nach hinten flacher werdenden Boden bewirkt außerdem eine hohe Fahrstabilität bei allen Geschwindigkeiten, eine Eigenschaft, deren Sicherstellung bei konventionellen Rümpfen zusätzliche Spritzleisten im Boden erfordern, die aber wiederum den Widerstand erhöhen.

[0021] Da der Rumpf im hinteren Teil keine Aufkimmung hat, sind sein Tiefgang und die Spiegeltauchung gering. Die ist bei kleiner Fahrt günstig, weil dann die benetzte Fläche des Spiegels gering ist und den Widerstand in Verdrängerfahrt weniger beeinflusst.

[0022] Um das Entwurfsprinzip dieser Rumpfform wirksam umzusetzen, ist ein relativ flacher Bodenverlauf im Vorschiffsbereich mit möglicherweise ungünstigem Einfluss auf das Seegangsverhalten, das sich in diesem Fall als hohe vertikale Beschleunigung bemerkbar machen würde, vorzusehen. Für die Seegangseigenschaften der Form ist die aus dem Gestaltungsprinzip herrührende U-Spantform günstig, die den Effekt eines stärkeren Spantausfalls kompensiert, da sie bei zunehmender Tauchung, beispielsweise in eine Welle hinein, zu einer geringeren Auftriebszunahme führt, als eine V-Spantform.

[0023] Die Form führt im Vergleich zu einer konventionellen Form zur Verlagerung des Unterwasserauftriebsschwerpunktes nach hinten. Dies ist günstig, weil die meisten Schiffsentwürfe, speziell im Marineschiffsbereich, aufgrund ihrer Gewichtsverteilung eher hecklastig sind. Gleichzeitig steigt das Raumangebot an, was wiederum günstig für Marineschiffe und Yachten ist.

[0024] Um die oben beschriebenen Eigenschaften sicherzustellen, muss das Unterwasserschiff relativ flach sein. Bis zu je einem Viertel der maximalen Breite von Mitte Schiff und bis 10 Prozent vom vorderen Ende der Wasserlinie darf der Winkel der Längsschnitte 10° nicht überschreiten. Der Wendpunkt der Bodenlinien im Längsschnitt muss im Bereich 20 bis 30% der Ruhewasserlinie vom Spiegel entfernt liegen. Die Stichhöhe des hinteren, konkaven Teils der Rumpfunterseite zwischen maximalen Tiefgang vorne und den Spiegelaußenkante darf an keiner Stelle 30% des statischen Tiefgangs überschreiten. Das gilt nicht für örtliche Tunnelungen beispielsweise zur Unterbringung eines Propellers oder eines sonstigen Propulsionsorgans.

[0025] Auf Basis von Modellversuchen in Schiffbauversuchsanstalten und Vergleich mit konventionellen Formen ergeben sich im Mittel 30% Leistungseinsparungen in der Halbgleiter und Gleitphase bei gleichzeitig verbesserten Seegangseigenschaften. 3/7

Claims (7)

1. österreichisches Patentamt AT504 311 B1 2009-10-15 Patentansprüche 1. Ein Bootskörper für schnelle Wasserfahrzeuge, wie Gleitboote, Motorboote und Schiffe, die für höhere Geschwindigkeiten als Rumpfgeschwindigkeit ausgelegt sind, dessen im Stillstand vollständig vom Wasser benetzter Boden in Längsschnitten parallel zur Mittschiffebene mehrfach gekrümmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wölbung im vorderen Teil durchgehend konvex, im hinteren Teil durchgehend konkav ausgebildet ist, wobei der Wendepunkt der durchgehend straakenden Linie sich zwischen 20% und 30% der Wasserlinienlänge bei Fahrt Null vor dem Spiegel befindet, der höchste Punkt des Bodens vor dem Spiegel liegt und die hydrodynamisch wirksame Fläche ohne Stufen und Knicke ausgeführt ist, wobei Ausformungen für die Unterbringung von Antriebsorgane und Manövriereinrichtungen als nicht wirksame Flächen zu betrachten sind.
2. 2. Bootskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsschnitte in Breitenrichtung in Querrichtung so gegeneinander versetzt sind, dass sich in allen Bereichen des Schiffbodens stetig gekrümmte Flächen ergeben.
3. 3. Bootskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsschnitte in Breitenrichtung so gegeneinander versetzt sind, dass sich im konvexen Teil des Bootsrumpfes eine U-Spantform ergibt und die Spantform am Spiegel in Breitenrichtung konkav ist.
4. 4. Bootskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des in Tiefgangsrichtung tiefsten Punkt des vorderen, konvexen Rumpfteils und des höchsten Punktes im konkaven Schiffsteil weniger als 30 % des Tiefgangs bei einem Trimm von 0° beträgt.
5. 5. Bootskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die formbeschreibenden Merkmale in Anspruch 1 bis 3 aufgespannte vorne konvexe und hinten konkave Fläche außen durch eine integrierte Spritzleiste begrenzt ist.
6. 6. Bootskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bootskörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 durch eine scharfe Kante begrenzt ist, die den Übergang in die Seitenwände des Bootskörpers markiert.
7. 7. Bootskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel im Stillstand voll getaucht ist und mindestens ein Längsschnitt vom Spiegel nach vorne ansteigt. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 4/7