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Schlingerdämpfungseinrichtung für Schiffe Trotz der außerordentlichen
Entwicklung der Seeschiffahrt werden die Faktoren, die bei der Entstehung der Schlingerbewegungen
eines Schiffes zusammenwirken, immer noch nicht zufriedenstellend beherrscht.
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Es sind freilich zahlreiche Vorschläge zur Bekämpfung des Schlingerns
der Schiffe gemacht worden. Gemäß einem Vorschlag wird das Schiff mit Wassertanks
versehen, und zwar gewöhnlich in der Nähe des Schiffsbodens auf beiden Seiten des
Schiffes. Diese Tanks sind dazu bestimmt, abwechselnd gefüllt und entleert zu werden,
um dadurch den Schwerpunkt des Schiffes seitlich zu verlagern und auf diese Weise
dem Schlingern entgegenzuwirken. Diese Lösung benötigt einen verhältnismäßig großen
Energieaufwand. Ferner ist es bekannt, mit Hilfe von Wassertanks oder durch die
Verteilung der Last im Schiffsraum die metazentrische Höhe so zu beeinflussen, daß
man die Schwingungszeit für die Schlingerbewegungen des Schiffes verlängert und
auf diese Weise eine Resonanz zwischen ihnen und den Wellenbewegungen zu vermeiden
sucht. Dieses Vorgehen ist zwar dem zuvor erwähnten Vorschlag überlegen, hat aber
zur Folge, daß sich die Gesamtstabilität des Schiffes verschlechtert. Die Bewegungen
des Schiffes sind durch die verringerte metazentrische Höhe weicher, d. h. weniger
heftig, gleichzeitig aber wird das Schiff ranker. Schon bei großem Ruderwinkel in
Fahrt erhält es eine starke Schlagseite, was sich vor allem bei größeren Fahrgastschiffen
als ein sehr lästiger Übelstand erwiesen hat.
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Es ist schon vorgeschlagen worden, die Schlingerbewegung von Schiffen
durch Erzeugung eines Gegengierens mittels des Hauptruders oder eines Hilfsruders
zu dämpfen. Auch diese Vorschläge führen allein nicht zum Erfolg.
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Es ist schließlich ein von dem Erfinder entwickelter Schiffsrumpf
bekannt, der im Hinblick auf einfachere Herstellung und herabgesetzten Reibungswiderstand
im Wasser im Querschnitt in der Form eines V ausgebildet ist und von nach außen
konvexen Kreisbögen gebildete Schiffsseiten aufweist, deren gemeinsame Schnittlinie,
von der Seite gesehen, einen Kreisbogen vom Bug zum Heck bildet, während jedoch
das Achterschiff mit einem sich abwärts erstreckenden Kielteil nebst Ruder versehen
ist.
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Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer verbesserten Einrichtung
an Schiffen, in erster Linie Seeschiffen, die auch bei hohem Seegang deren Fahrt
mit geringen Schlingerbewegungen oder ganz ohne Schlingerbewegungen ermöglicht.
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Der Haupterfindungsgedanke ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schlingerdämpfungsanlage
eine Kombination folgender an sich bekannter Elemente darstellt, die aus einem Schiffsrumpf,
dessen Spanten wenigstens im Bereich der Schwimmlinie nach unten einfallend bzw.
nach oben ausfallend verlaufen, und aus Ballasttanks im Boden des Schiffsrumpfes
und aus einem Steuerorgan mit einer Betätigung für das Steuerorgan im Takt der von
außen auf den Schiffskörper einwirkenden Schlingerbewegungen bestehen. Die Steuervorrichtung
braucht nur kleine Kräfte auszuüben und wirkt nur in einem sehr kleinen Maße auf
die Geschwindigkeit des Schiffes bremsend.
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Die Erfindung mit weiteren Einzelheiten wird nachstehend unter Bezugnahme
auf in den Zeichnungen beispielsweise gezeigte Ausführungsformen und Kurventafeln
genauer beschrieben, und im Zusammenhang hiermit werden die die Erfindung kennzeichnenden
Eigenschaften näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines gemäß der Erfindung ausgeführten
Schiffes; Fig.2 ist ein Querschnitt durch den Schiffsrumpf nach der Linie II-II
der Fig. 1; Fig.3 zeigt den Schiffsrumpf wie in der Fig.2, aber in Schräglage zur
Wasseroberfläche; mit strichpunktierten Linien ist in der Fig. 3 außerdem ein Schnitt
nach der Linie III-III der Fig. 1 angedeutet; Fig. 4 ist ein Querschnitt durch das
Schiff entsprechend dem der Fig. 2, aber in größerem Maßstab; Fig. 5 zeigt eine
Einzelheit der Fig. 4 in vergrößertem Maßstab;
Fig. 6 zeigt ein
Ventil in größerem Maßstab; Fig.7 ist ein Längsschnitt durch einen Teil des Vorschiffes
mit einem zur Erfindung gehörigen Bugruder mit Betätigungsorganen; Fig. 8 ist ein
Querschnitt durch einen Schiffsrumpf gemäß einer abgewandelten Ausführungsform;
Fig. 9 ist ein Querschnitt durch einen Schiffsrumpf herkömmlicher Bauart; Fig. 10
bis 12 zeigen Kurventafeln.
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Der in den Fig. 1 bis 4 gezeigte Schiffsrumpf ist an sich bekannt.
Der Rumpf hat im Querschnitt im wesentlichen die Form eines V, dessen Schenkel 10
Kreisbögen mit einem Halbmesser r sind. Das Schiff kann hierbei mit Spanten, die
sämtlich denselben Krümmungshalbmesser haben, ausgeführt sein. In der Längsrichtung
bildet der Rumpf einen Teil eines Rotationskörpers, dessen Achse mittschiffs oberhalb
des Schiffes liegt, wie durch den Halbmesser R angedeutet ist.
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Wenn ein Schiff dieser oder ähnlicher Bauart um seine Längsachse schwingt,
wie in der Fig. 3 dargestellt, so wird die Wasserlinienfläche 14 des Rumpfes in
Richtung der Schwingung größer und auf der entgegengesetzten Seite kleiner. Dieselbe
Wirkung wird mit einer Rumpfform nach der Fig. 8 erreicht, wo die Seitenteile 16
in der Richtung nach unten konvergieren. In der vertikalen Richtung brauchen diese
Teile nur eine solche Erstreckung aufzuweisen, wie sie vorkommenden Schlingerwinkeln
entspricht. Die gestrichelte Linie 18 deutet die Lage der Wasserlinie bei einer
bestimmten Schlagseite des Schiffes an. Auch in diesem Fall ist die Wasserlinienfläche
in Krängungsrichtung größer im Vergleich zu der auf der gegenüberliegenden Seite.
Bei dem herkömmlichen Schiffsrumpf mit seinen planparallelen Schiffsseiten 20 ändert
sich das Verhältnis der beiden Flächen beiderseits der Mittschiffsebene 12 zueinander
weniger stark, wie aus der Fig. 9 ersichtlich ist. Wenn sich andererseits die Belastung
des Schiffes vermindert, nimmt seine Breite in der Wasserlinie bei der Ausführung
nach Fig. 2, 3 und 8 ab, nicht aber bei der in Fig. 9 veranschaulichten Ausführung.
Die Vorteile der gemäß der Erfindung benutzten Rumpfform sollen nunmehr eine nähere
Erklärung erhalten.
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Das Vorschiff 22 des Rumpfes hat neben dem stumpfen. Winkel, mit dem
die Schiffsseiten 10 einander am Kiel schneiden, einen nach vorn abnehmenden Tiefgang,
d. h. nach vorn abnehmende Querschnittsflächen unterhalb der Wasserlinie. Die dargestellte
Vorschiffsform kann ungefähr mittschiffs anfangen. Das Achterschiff kann zwar dieselbe
Form haben wie das Vorschiff, ist aber mit einem sich nach hinten zum Ruder 26 erstreckenden
Totholz 24 versehen.
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Im Vorschiff 22 ist ein von einem durch den Schiffsboden 29 geführten
Schaft 30 getragenes Ruder 28 angeordnet. Der Schaft 30 ist über eine Kraftübertragungsvorrichtung
31 mit einem Gyrometer 32 verbunden, dessen Drehwelle querschiffs gerichtet ist.
Dieser Gyrosmeter arbeitet so, daß er bei einer Schlingerbewegung des Schiffes z.
B. nach Steuerbord, d. h. nach rechts in der Zeichnungsebene, das Ruder selbsttätig
so. legt, daß das Schiff seinen Kurs in dieselbe Richtung ändert. Ein solcher Gyrometer
kann in beliebiger, an sich bekannter Weise ausgeführt sein und demgemäß das Ruder
über einen zwischengeschalteten Servomotor betätigen.
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Ferner ist das Schiff mit Bodentanks 34 und 36 ausgerüstet, die über
verhältnismäßig große Öffnungen 38 in offener Verbindung mit dem Meerwasser stehen.
Von der oberen Begrenzungswand 40 der Tanks gehen am oberen Ende mit Ventilen 44
versehene Leitungen 42 aus. Wenn die Ventile 44 geöffnet werden, strömt durch sie
Luft aus den Bodentanks aus und an ihrer Stelle Wasser durch die Öffnungen 38 in
die Tanks ein. Die Ventilteller können an einem Arm eines Winkelhebels um eine Welle
46 (Fig. 6) drehbar sein, während der andere Arm 48 ein Gewicht 50 trägt. Durch
diese Vorrichtung werden die Ventile selbsttätig wirksam, wenn das Schiff z. B.
scharf giert, indem das Ventil, das bei der Krängung des Schiffes gehoben wird,
die Verbindung mit der freien Atmosphäre öffnet und damit eine wenigstens teilweise
Füllung des zugehörigen Tanks mit Wasser verursacht.: Die Beeinflussung der Ventile
erfolgt hierbei durch die Krängungsbewegung des Schiffes, zugleich aber auch durch
die Zentrifugalkraft.
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Die Tanks 34 und 36 können ferner über eine Leitung 52 miteinander
verbunden sein. In die Leitung sind ein Kompressor 54 und Ventile 56 eingeschaltet.
Mit Hilfe des Kompressors 54 kann Luft in den einen der Tanks oder beide gleichzeitig
eingepumpt werden, wodurch eine entsprechende Wassermenge aus den Tanks herausgedrückt
wird. Ferner kann durch die Leitung 52 Luft von dem einen Tank in den anderen übergeführt
werden, wobei die Wassermenge in ersterem zu-, in letzterem abnimmt.
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Wenn eine Welle eine Neigung um die Längsachse des Schiffes nach der
einen Richtung hin einleitet, bewirkt das Vorderruder 28 eine unmittelbare Kursänderung
in dieselbe Richtung. Sie hat die Aufhebung der Schlingerbewegung in einem frühen
Stadium zur Folge. Wenn dem Schiff dann im nächsten Augenblick von den Wellen eine
Neigung in entgegengesetzter Richtung aufgezwungen wird, spricht das Vorderruder
erneut an und leitet eine der vorigen entgegengesetzte Kursänderung ein, so daß
das Gleichgewicht wiederhergestellt wird. Das Schiff wird also sehr schwache, jeder
Welle begegnende Kursänderungen ausführen, die ständig die Schlingerbewegung neutralisieren,
so daß sie sehr unbedeutend und für die Fahrgäste kaum wahrnehmbar wird.
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Die für diese ständig leichten Abweichungen des Schiffes von seinem
Hauptkurs erforderliche Fähigkeit des Schiffes, sehr leichten Ruderausschlägen zu
gehorchen, ist in hohem Grade durch die oben schon beschriebene besondere Schiffsform
bedingt.
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Die folgende Tafel gibt die Wellenperioden bei verschieden langen
Meereswellen wieder:
| Wellen- Wellenperiode |
| Wellenlänge geschwindigkeit |
| in Knoten in Sekunden |
| 50'= 15,25 m 9,5 3,1 |
| 100'= 30,5 m 13,4 4,4 |
| 200'= 61 m 19,0 6,2 |
| 400' =122 m 26,8 8,8 |
| 600'= 183 m 32,8 10,8 |
| 800' = 244 m 37,9 12,5 |
| 1000'= 305 m 42,8 14,0 |
| 2000' = 610 m 60,0 19,8 |
Das Schiff soll also innerhalb der vorstehend angegebenen Wellenperioden auf die
vom Ruder 28 erteilten Impulse ansprechen.
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Ein Schiff der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Form ist nach herkömmlichen
Begriffen nicht steif, wenn bei einer Verdrängung von z. B. 2000 t seine metazentrische
Höhe zwischen 0,14 und 0,3 m liegt. Bei Verminderung
der Verdrängung
wächst die Rankheit des Schiffes. Das Fassungsvermögen der Tanks 34 und 36 ist so
gewählt, daß das Schiff, wenn diese Tanks zu einem Teil von Wasser entleert sind,
eine metazentrische Höhe hat, die sich 0 nähert oder vorteilhaft sogar negativ sein
kann. Im letzteren Fall gerät das Schiff in eine labile Gleichgewichtslage, wobei
es sich, falls es stilliegt, schwach nach der einen oder anderen Seite überlegt.
Dies ist bereits bei einigen wenigen Zentimetern negativer metazentrischer Höhe
der Fall. Auf diese Weise erhält das Schiff innerhalb eines Krängungsbereiches von
einigen Graden eine durch die Bodentanks regelbare Gleichgewichtslage, die sich
von der üblichen Stabilität bis zu einer indifferenten Gleichgewichtslage verändern
läßt. Letztere ist durch äußerst geringe Kräfte beeinflußbar, z. B. durch ein Moment
von einigen 100 kg/m bei einem Schiff mit einer Verdrängung von 2000 t. Hierbei
wird die Gleichgewichtslage auch von kleinen Kräften, wie z. B. der seitlichen Verlagerung
des Schwerpunktes des Schiffes, bereits merklich beeinflußt, die entsteht, wenn
sich Fahrgäste von der einen Reling zur anderen hinüber begeben.
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Wenn man sich ein Fahrzeug vorstellt, das als ein auf dem Wasser schwimmender
Zylinder geformt ist, sind alle Reaktionskräfte aus dem Zusammenspiel des Fahrzeuges
mit dem Seegang durch die Rotationsachse der Spule gerichtet. Ein solches Fahrzeug
würde also bei einer metazentrischen Höhe von 0 von den Angriffen der Wellen auf
die Fahrzeugseiten völlig unbeeinflußt bleiben und daher von der es umgebenden See
gänzlich ungestört fahren, soweit Winkelbewegungen um seine Längsachse in Betracht
kommen.
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Der nach Kreisbögen geformte Rumpf gemäß Fig.1 bis 3 nähert sich in
dieser Hinsicht den Eigenschaften des Zylinders. Je geringer die Abweichung der
Schiffsform von der Zylinderform ist, um so kleiner kann die metazentrische Höhe
des Schiffes gewählt werden, ohne daß das Schiff allzuviel von dem dynamischen Kräftespiel
gestört wird.
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Die Fig. 10 zeigt Kurven für die statische Stabilität eines Schiffes
der Bauart nach Fig. 1 bis 3 und: der herkömmlichen Ausführung. Diese Kurven ebenso
wie die folgenden Figuren sind für ein Schiff mit einer Verdrängung von 2000 t berechnet.
Die Abszisse in der Fig. 10 gibt den Krängungswinkel p des Schiffes und die Ordinate
den aufrichtenden Hebelarm GZ in Zentimetern an. Die Kurve 58 bezieht sich auf einen
Schiffsrumpf nach Fig. 1 bis 3 mit einer metazentrischen Höhe von 30 cm und die
Kurve 60 auf ein solches Schiff mit einer metazentrischen Höhe von 0. Der herkömmliche
Rumpf mit einer metazentrischen Höhe von 14,4 cm wird durch die Kurve 62 und mit
einer metazentrischen Höhe von 0 durch die Kurve 64 dargestellt. Es geht aus den
Kurven hervor, daß ein Rumpf gemäß Fig. 1 bis 3 mit der metazentrischen Höhe 0 vom
Gesichtspunkt der statischen Stabilität dem herkömmlichen Rumpf mit einer metazentrischen
Höhe von 14,4 cm gleichwertig ist. Der gemäß der Erfindung zur Anwendung kommende
Schiffstyp erlaubt also für denselben Stabilitätsumfang eine kleinere metazentrische
Höhe der Anfangsstabilität als der herkömmliche Rumpf.
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Die Fig. 11 bezieht sich auf die dynamische Stabilität, die für den
Schiffsrumpf gemäß Fig. 1 bis 3 mit der metazentrischen Höhe 0 der Kurve 60 und
für den herkömmlichen Rumpf mit der metazentrischen Höhe 14,4 cm der Kurve 62 folgt.
Die Abszisse gibt auch in diesem Fall den Krängungswinkel a an, die Ordinate dagegen
den sogenannten dynamischen Hebelarm e. Aus der Fig. 11 geht hervor, daß die Arbeitsmenge,
die bei einer Krängung aufgespeichert wird und gleich e mal der Verdrängung ist,
bei dem Rumpf gemäß Fig. 1 bis 3 kleiner ist als bei dem herkömmlichen Rumpf. Dies
bedeutet, daß eine wesentlich kleinere Kraft erforderlich ist, um das Schiff nach
Einleitung einer Krängungsbewegung wieder aufzurichten als beim herkömmlichen Schiffsrumpf.
Dieser Unterschied zwischen den beiden Schiffsrumpftypen ist, wie aus der Figur
ersichtlich, besonders auffällig bei Krängungswinkeln unter 5°. Die Arbeitsmenge,.
die dem Schiff zugeführt werden muß, um einer Schlingerbewegung entgegenzuarbeiten,
beträgt für kleine Krängungswinkel bei der Kurve 60 nur einen Bruchteil der aus
der Kurve 62 abzulesenden Menge.
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Bei größeren Krängungswinkeln, wie 30° und darüber, wo die Gefahr
des Kenterns vorliegt, ist die Stabilität bei dem gemäß Fig. 1 bis 3 ausgeführten
Schiffsrumpf ebenso. gut wie bei dem herkömmlichen Schiffsrumpf, wie aus den beiden
soeben besprochenen Kurventafeln hervorgeht. Mit der nach unten konvergierenden
Form des Querschnittes des Schiffsrumpfes wird somit im Anschluß an die vorstehenden
Ausführungen verstanden, daß der Rumpf Stabilitätskurven der in diesen Figuren dargestellten
Art ergibt.
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Aus den vorstehenden Erläuterungen geht eindeutig hervor, daß die
gemäß Fig. 1 bis 3 zur Anwendung kommende Schiffsform in hohem Grade geeignet ist,
Schlingerbewegungen des Schiffes mit Hilfe des Vorderruders 28 zu beseitigen. Die
Kraft, die erforderlich ist, um die von der Welle eingeleitete Krängung aufzuheben,
wird klein und kann daher unschwer mit Hilfe des Ruders geliefert werden. So widersinnig
es auch klingen mag, muß man das Schiff unsteif machen, um einen stabilen, von den
Wellen unbeeinflußbaren Gang zu erhalten. Die metazentrische Höhe kann sogar negativ
sein, d. h. der Schwerpunkt über dem Metazentrum liegen. Dann bewegt sich das Schiff
in derselben Weise vorwärts wie ein Fahrrad, wo das Vorderrad dem Ruder 28 entspricht
und die Stützpunkte unter den Schwerpunkt verlegt sind. Bei einer auf den Radfahrer
wirkenden seitlichen Belastung, z. B. einen Windstoß, der das Fahrrad nach rechts
zu neigen bestrebt ist, führt der Radfahrer von selbst das Vorderrad ein wenig in
dieselbe Richtung und stellt auf diese Weise sofort das Gleichgewicht wieder her.
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Um mittels seitlicher Ruderausschläge das Schlingern des Schiffes
zu beherrschen, ist die zuvor beschriebene Form des Vorschiffs gleichfalls von Bedeutung.
Der vorn weggeschnittene Lateralplan erleichtert schnelle Veränderungen des Schiffskurses,
um die aufrechte Lage des Schiffes und sein Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, und
weicht hierdurch vorteilhaft von dem herkömmlichen, annähernd rechteckigen Lateralplan
ab.
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Ein weiterer Faktor von Bedeutung für das Verhalten des Schiffes im
Seegang ist die Schwingungszeit des Schiffes. Wie einleitungsweise erwähnt wurde,
nimmt die Schwingungszeit mit abnehmender metazentrischer Höhe zu und ist außerdem
bei einem kleineren Krängungswinkel länger als bei einem größeren, da die metazentrische
Höhe mit zunehmendem Krängungswinkel wächst. In dieser Hinsicht ist der Schiffsrumpf
gemäß Fig. 1 bis 3 ebenfalls dem herkömmlichen überlegen, wie aus Fig. 12 hervorgeht,
wo die Abszisse den Krängungswinkel p und die Ordinate die Schwingungszeit T in
Sekunden angibt. Die Kurve 66 bezieht sich auf einen Kreisbogenrumpf
mit
einer metazentrischen Höhe 0 und die Kurve 68 auf den herkömmlichen Rumpf mit der
metazentrischen Höhe 14,4 cm. Die Schwingungszeit nimmt gemäß der Kurve 66 mit wachsendem
Krängungswinkel sehr stark ab. Der Rumpf nach Fig. 1 bis 3 hat also keine Neigung,
mit der Schwingungszeit der Wellen, die ja gleichbleibend ist oder sich jedenfalls
nur langsam verändert, in Resonanz zu kommen.
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Da es üblich ist, daß das Ruder eines Schiffes mit Hinblick auf den
Kurs des Schiffes durch einen Kompaß über einen Servomotor einreguliert wird, bewirkt
gemäß der Erfindung der Kompaß eine derartige Winkelgeschwindigkeit des Ruders 26,
daß es in langsamerem, zweckmäßig mehrfach langsamerem Takt zwischen zwei Endwinkellagen
arbeitet als das kreiselgesteuerte Ruder 28 des Vorschiffes, und zwar um zu verhindern,
daß die schnelle unmittelbare Beeinflussung, die durch Schlingerbewegungen des Schiffes
ausgelöst wird, sich mit den Bewegungen des Ruders am Achterschiff vermischen und
mit ihnen in Phase gerät. Das Vorderruder ist also ein schnell arbeitendes Balancierorgan
am Schiff, das in der Regel kleine Kräfte zum Erzeugen sehr kleiner Winkelbewegungen
nach beiden Richtungen ausübt, während das Ruder am Achterschiff wie üblich zum
Steuern des Schiffes auf dem gewünschten Kurs dient.
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Die Kompaßsteuerung des Ruders 28 kann abgeschaltet werden, so daß
es statt dessen von Hand gelegt wird.
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Die Wassertanks 34 und 36 haben nicht zur Aufgabe, direkt dem Schlingern
des Schiffes entgegenzuarbeiten, vielmehr liegt ihre Hauptaufgabe darin, den Schwerpunkt
des Schiffes zu heben oder zu senken. Die Tanks können allerdings auch bei einseitiger
Belastung des Schiffes zur Anwendung kommen, wie sie durch starken Wind verursacht
wird, oder dadurch, daß die Fahrgäste sich auf der einen Seite des Schiffes ansammeln.
In diesem Falle wird die Schwerpunktverlagerung durch eine entsprechende Veränderung
des Inhalts der betreffenden Tanks hervorgebracht.
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Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen
begrenzt, sondern im weitesten Sinne innerhalb des Rahmens des ihr zugrunde liegenden
Leitgedankens abwandelbar. So kann das Ruder 28 durch andere auf Schräglagen des
Schiffes ansprechende Organe, z. B. ein Pendel, betätigt werden. Die Tanks können
an verschiedenen Stellen im Schiff vorgesehen sein und auch an Deck. Die Änderung
der metazentrischen Höhe kann auch durch Gewichtsverschiebung im Schiff erfolgen.