DE102005052118A1

DE102005052118A1 - Schiffskörper

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Publication number: DE102005052118A1
Application number: DE102005052118A
Authority: DE
Inventors: Mathias Schmitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2007-05-31
Also published as: WO2007048389A1

Abstract

Als Nachteil am Stand der Technik wird empfunden, daß es keine langen, schlanken und stromlinienförmigen Rümpfe gibt, welche nach dem Gleitprinzip fahren. Gleitrümpfe sind bis ca. 20 Meter lang, höchstens 30 bis 40 Meter. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung liegt darin begründet, einen Schiffs- und Bootsrumpf vorzustellen, welcher nach dem Gleitprinzip fährt und auch ein großes Längen/Breitenverhältnis aufweisen kann. Insbesondere liegt die Aufgabe darin, große Schiffsrümpfe, länger als 20 Meter, bis hin zu mehreren Hundert Metern Länge vorzustellen, die das Gleitprinzip nutzen. Auch soll keine zusätzliche Motorisierung benötigt werden, wie bei Gleitbooten allgemein üblich. DOLLAR A Die Aufgabe wird mittels eines Schiffsrumpfes beliebiger Größe dadurch gelöst, DOLLAR A - dass der Schiffsboden eine wellenförmige, längs des Schiffsrumpfes verlaufende Struktur aufweist, DOLLAR A - dass die Tiefe (u) der Wellenstruktur an die Fahrgeschwindigkeit des Schiffes angepasst ist, DOLLAR A - und dass durch eine Durchlassöffnung im vorderen Rumpfbereich Luft unter den Schiffsboden einströmt. DOLLAR A Ein Schiff schwimmt nach dem archimedischem Prinzip. Bei Fahrt durchs Wasser kommt ein Unterdruck durch die Bewegung des Schiffrumpfes im Verhältnis zum Wasser hinzu. DOLLAR A Das Schwimmen eines fahrenden Schiffes besteht aus Verdrängung bis zu einer Wassertiefe t¶s¶ entsprechend dem Druck p¶s¶ und einem dynamischen Teil, quadratisch abhängig von der Geschwindigkeit.

Description

Bekannt sind Boote, die in schneller Fahrt, in sogenannter Gleitfahrt fahren. Dabei hebt sich der Bootsrumpf aus dem Wasser und gleitet meist im Heckbereich über das Wasser. Es gibt mehrere Deutungen dieses Phänomens. Die Bootsform soll das Gleiten bewirken. Daher sind moderne Gleitboote und Jachten verhältnismäßig breit zur Länge, mit einem flachen Boden insbesondere im Heckbereich versehen, und weisen ein sogenanntes Abrißheck auf. Dieses Heck läuft keineswegs stromlinienförmig aus, sondern endet mit einem Heckspiegel, an dem sich die Heckwelle im Wasser ausbildet. Zur Verstärkung der Heckwelle können Trimmklappen angeordnet werden. Gleitboote sind stark genug motorisiert, den Bootsrumpf durch Fahrantrieb aus dem Wasser zu heben.

Bekannt ist ferner, daß nur leichte Boote ins Gleiten kommen. Schwere Schiffe, sogenannte Verdränger, verdrängen das Wasser mit dem Bug und fahren nach dem Widerstandsprinzip. Bei Verdrängerjachten weiß man, daß bei schnellen Geschwindigkeiten starker Wellengang und Wellensog erzeugt wird. Die Geschwindigkeit ist abhängig von der Rumpflänge gemäß der Formel:

CWL: – Konstruktionswasserlinie, Rumpflänge im Wasserbereich, das bedeutet ungefähr der Abstand zwischen Bug und Heck am Eintauchpunkt des Bootes an der Wasseroberfläche. Eine Verdrängerjacht kann breit und kurz wie ein Gleitboot sein oder schmal im Verhältnis zur Länge.

Als Nachteil am Stand der Technik wird empfunden, daß es keine langen, schlanken und stromlinienförmigen Rümpfe gibt, welche nach dem Gleitprinzip fahren. Gleitrümpfe sind bis ca. 20 Meter lang, höchstens 30 bis 40 Meter.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin begründet, einen Schiffs- und Bootsrumpf vorzustellen, welcher nach dem Gleitprinzip fährt und auch ein großes Längen/Breitenverhältnis aufweisen kann. Insbesondere liegt die Aufgabe darin, große Schiffsrümpfe, länger als 20 Meter, bis hin zu mehreren Hundert Metern Länge vorzustellen, die das Gleitprinzip nutzen. Auch soll keine zusätzliche Motorisierung benötigt werden, wie bei Gleitbooten allgemein üblich.

(1) Die Aufgabe wird mittels eines Schiffsrumpfes beliebiger Größe dadurch gelöst,
– daß der Schiffsboden eine wellenförmige, längs des Schiffsrumpfes verlaufende Struktur aufweist,
– daß die Profiltiefe (u) der wellenförmige Struktur an die Fahrgeschwindigkeit des Schiffes angepasst ist,
– und daß durch eine Durchlassöffnung im vorderen Rumpfbereich Luft unter den Schiffsboden einströmt.

Ein Schiff schwimmt nach dem archimedischem Prinzip. Das Gewicht ist gleich dem verdrängten Wasser. An der Rumpftiefe t₀ wirkt ein Wasserdruck p0 = t0·g·romit

g: – Gravitationskonstante 9,807 Meter/Sekunde²,
ro: – Wasserdichte, ca. 1.000 kg/Meter³

Bei Fahrt durchs Wasser kommt ein Unterdruck durch die Bewegung des Schiffsrumpfes im Verhältnis zum Wasser hinzu. Gemäß der Gleichung von Daniel Bernoulli gilt: ps + ½·ro·Geschwindigkeit2 = konstant = p0

Das Schwimmen eines fahrenden Schiffes besteht aus Verdrängung bis zu einer Wassertiefe t_s entsprechend dem Druck p_s und einem dynamischen Teil, quadratisch abhängig von der Geschwindigkeit: td = ½·Geschwindigkeit2/g

Die Idee der Erfindung ist nun, daß ein Boot ins Gleiten kommt, sobald die Tiefe t_d größer ist wie der Tiefgang (t) des Bootes oder Schiffes. Für ein Rennboot oder Runabout in Gleitfahrt wird das Bootsgewicht vom dynamischen Druck p_d getragen, der auf die im Wasser eingetauchte Heckfläche wirkt, der Rest des Bootskörpers wird aus dem Wasser gehoben. Bei einem Schiffsrumpf gemäß Anspruch 1 wird Luft durch die Einlassöffnungen angesaugt und am Schiffsboden abgegeben. Die Luft strömt am Heck wieder aus. Das Profiltiefe (u) der Wellenstruktur ist entsprechend der Bernoullitiefe der Schiffsgeschwindigkeit angepasst.

(2) Schiffsrumpf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlassöffnung für die Luft aus Rohren (R) besteht, welche mit dem unteren, offenen Ende jeweils im oberen Bereich der wellenförmigen Struktur enden und mit dem anderen Ende die Luft oberhalb der Wasseroberfläche ansaugen.
(3) Schiffsrumpf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenförmige Struktur im vorderen Rumpfbereich, am Ende des Bugs, einen ungefähr quer (senkrecht) zur Längsrichtung des Schiffsrumpfes angeordneten Luftkanal (L) aufweist. Kastenförmige Fracht-Tank- und auch Passagierschiffe besitzen einen Bug, an der sich die Bugwelle ausbildet. Stets kann beobachtet werden, das am Ende des Bugs (1) das Wellental (B) der Bugwelle liegt. Die Wellenhöhe wird von dem dynamischen Druck des fahrenden Schiffes bestimmt und entspricht der geschwindigkeitsabhängigen Bernoullitiefe. Ist der Luftkanal (L) im Bereich des Wellentales (B) angeordnet, so dient dieser als Duchlassöffnung und Luft kann aus dem Wellental (B) in die Bodenstruktur einströmen.
(4) Schiffsrumpf gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftkanal (L) ein Bugstrahlruder aufweist.
(5) Schiffsrumpf gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Rohre (R) mit dem unteren, offenen Ende in den Luftkanal (L) oder den Bugstrahlruderkanal (L) münden und mit dem anderen Ende oberhalb der Wasseroberfläche enden und Luft ansaugen.
(6) Schiffsrumpf gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefgang (t) größer ist als die Profiltiefe (u) und daß die Differenz aus dem Tiefgang (t) und der Profiltiefe (u) kleiner ist als 1/12 der Buglänge (l).

Die Bugwelle (B) hat eine Wellenhöhe von höchstens 1/12 der Wellenlänge (l) und reicht bis an die oberen (3) Enden der Wellenstruktur. Luft strömt ein.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, daß leere Fracht- und Tankschiffe mit wellenförmigem Schiffsboden durchs Wasser gleiten und beladen als Verdränger fahren.

Beispiele

Die 1 bis 4 zeigen in der Vorderansicht auf Schiffsrümpfe mit unterschiedlichen längsverlaufenden, wellenförmigen Strukturen. 1 zeigte eine wellen- oder sinusförmige Struktur, 2 eine gezackte, 3 eine aus Halbrohren gebildete Form und 4 stellt einen im Bereich der Wasserlinie (W) oder darunter zweigeteilten Rumpf dar. Die Strukturierung des Schiffsbodens reicht bis an die Wasserlinie (W), wie in 2 und 3 gezeigt. Bei Fahrt durchs Wasser entsteht am Schiffsboden ein Unterdruck gemäß dem Analogon der Strömungstechnik (Gesetz von Brenoulli). Dieser Effekt wird bei kleinen Booten wie z.B. Jollen zum Lenzen genutzt. Am Heck sind Lenzklappen angeordnet, welche bei liegenden Boot unterhalb der Wasserlinie liegen. Bei Fahrt können die Lenzklappen geöffnet werden und saugen Wasser aus dem Rumpf. In der folgenden Tabelle ist der dynamische Druck p_d und die dazugehörige Tiefe t_d nach Bernoulli dargestellt, so wie auch in 11 gezeigt:

Entsprechend der Schiffs- oder Bootsgeschwindigkeit sollte die Profiltiefe (u) der Wellenstruktur entsprechend obiger Tabelle der Tiefe nach Bernoulli angepaßt sein.

In 5 ist schematisch ein Frachtschiff mit zackigem Unterboden dargestellt, welcher in einem perspektifischen Aufriss (P) gezeigt wird. Das obere Ende, die oberen Zacken (3) der Bodenstruktur bestimmen die Profiltiefe(u) der Wellenstruktur. Zwischen dem Bug (1) und dem eigentlichen Schiffsrumpf (2) ist der Kanal (L) in 5 für das Bugstrahlruder angeordnet, der als Luftkanal dient. Am Ende des Bugs (1) und am Anfang des Schiffsrumpf (2) liegt das Wellental (B) der Bugwelle, welche bei einem unbeladenem, leerem Schiff den Bugstrahlkanal (L) freispült. Die Wellenstruktur des Rumpfbodens beginnt in dem quer zur Fahrtrichtung verlaufendem Luftkanal (L). Die Luft kann aus dem Wellental seitlich in den Luftkanal (L) einströmen, in die Wellen- oder Rillenstruktur des Schiffsrumpf strömen und am Heck des Schiffes wieder austreten. Auch kann ein Rohr (R) Luft als Durchlass vom Deck zum Luftkanal (L) leiten.

Die in 5 dargestellte Rumpfgestaltung ist auch für Passagierschiffe geeignet, allerdings mit einem Verlust an Tragfähigkeit durch die Wellenstruktur. Das fahrende Schiff schwimmt auf einem Luftpolster, hebt sich mit zunehmender Geschwindigkeit aus dem Wasser (W) und gleitet auf den unteren Teilbereichen der Wellenstruktur, wie in 1 dargestellt. Das Luftpolster übt einen Druck auf die Wasserfläche unterhalb des Rumpfes auf. Die Grundfläche der eingetauchten Wellen multipliziert mit dem Bernoullidruck trägt das Schiff. Im Gegensatz dazu tauchen die Wellen bei einem still liegendem Schiff wie in 2 voll in das Wasser ein, die Wellenstruktur liegt unterhalb der Wasserlinie (W) und das Schiff schwimmt nach dem archimedischem Prinzip.

6 zeigt die Wasserwelle (W) an einem Schiffsrumpf. Das Wellental (B) entsteht bei Fahrt am Ende des Bugs (1) und am Anfang des Rumpfes (2), wo keine Aufweitung des Bugs mehr erfolgt. Mit zunehmender, schneller werdender Fahrt wird das Wellental (B) tiefer, die Wellenhöhe entspricht der Bernoullitiefe. Die Tiefe der Bugwelle, also die Wellenhöhe der Bugwelle ist kleiner als 1/6 der Buglänge, bevor ein Wellenkamm auf dem Wellenberg hinter der Bugwelle entsteht. Der Durchlass, gebildet aus dem Bugstrahlruderkanal (L), wird umspült und Luft kann seitlich einströmen. Zusätzlich ist ein Rohr (R) vom Deck zu dem Bugstrahlkanal (L) angeordnet und leitet Luft auch bei Seegang unter den Rumpfboden mit der Wellenstruktur mit der Profiltiefe(u).

Das gleiche wie 6 zeigt 7 an einem pontonförmigem Rumpf, einem Schubleichter mit der schrägen Vorderseite (4) des Bugs (1). In 8 reicht die schräge Vorderseite (4) bis an das untere Ende der Wellenstruktur. In 9 endet die schräge Vorderseite (4) zwischen unterem und oberen (3) Ende der Wellenstruktur und verursacht einen geringeren Widerstand. Am unteren Ende der Vorderseite (4) entstehen Wirbel, welche Luft aus dem Rohr (R) ansaugen. Das Rohr (R) kann auch längs der Vorderseite angeordnet sein oder eine doppelwandige, schrägen Vorderseite (4) dient der Luftzufuhr.

In 10 ist die Lage des Wellentales (B) der Bugwelle für einen herkömmlichen, spitz zulaufenden Rumpf (a) und für den Rumpf eines traditionellen Plattbodenschiffes (b) oder einer Peniche in Draufsicht dargestellt. Ferner zeigt 6 die Lage des Wellentales (B) der Bugwelle an dem Schrägbug eines Leichters (c) oder Ponton in Seitenansicht. Die Buglänge verursacht das Wellental und ist halb so lange wie die Konstruktionwasserlinie kleiner Boote. In folgender Tabelle ist die halbe Buglänge in Abhängigkeit der Schiffsgeschwindigkeit in km/h und Konten aufgeführt, so wie in 12 auch graphisch dargestellt:

13 zeigt einen Schiffsrumpf mit Bugwelle, in deren Wellental (B) der Luftdurchlass (L) ausgespült ist. Luft strömt ein. Der Schiffsrumpf mit einem strukturierten Boden der Profiltiefe (u) weist einen Bug (1) mit einer Buglänge (1) auf, welche 12 mal größer ist die Differenz aus dem Tiefgang (t) und der Profiltiefe (u). Die Bugwelle (B) reicht bis an die oberen (3) Enden der Wellenstruktur. Luft strömt ein, mit zunehmender Geschwindigkeit wird das Luftpolster unter dem Rumpf dicker.

Beobachtungen haben ergeben, daß Wasserwellen ab einer Wellenlänge kleiner dem 12-fachen der Wellenhöhe brechen. Das Verhältnis aus halber Rumpflänge (CWL) zu Bernoullitiefe beträgt ca. 6,5 +/– 0,2, die durch das Schiff erzeugte Wellenlänge beträgt ca. das 12-fache der Wellenhöhe. Ist der Tiefgang (t) größer als die Wellenhöhe oder Bernoullitiefe so entsteht ein weiß schäumender Wellenkamm auf dem Wellenberg hinter dem Wellental (B). Der Fahrwiderstand nimmt zu.

Beiblatt

1 Vorderansicht auf Schiffsrumpf mit wellen- oder sinusförmiger Bodenform

2 Vorderansicht auf Schiffsrumpf mit gezackter Bodenform

3 Vorderansicht auf Schiffsrumpf mit Boden aus Halbrohren

4 Vorderansicht auf Schiffsrumpf mit zweigeteiltem Rumpf

5 perspektivische Schiffsansicht

6 Schiffsrumpf mit Wasserwelle in Seitenansicht

7 pontonförmiger Rumpf mit Wasserwelle in Seitenansicht

8 Vorderansicht pontonförmiger Rumpf

9 Vorderansicht pontonförmiger Rumpf

10 drei verschiedene Schiffsrümpfe in Draufsicht

11 Diagramm „Bernoulli-Tiefe"

12 Diagramm Rumpflänge (1/2 CWL)

13 Schiffsrumpf in Seitenansicht

1: Bug
2: kastenförmiger Teil des Rumpfes
3: oberes Ende Wellenstruktur
4: Vorderseite Schrägbug
B: Wellental der Bugwelle
L: Luftkanal oder Bugstrahlruderkanal
R: Rohr
P: perspektifischer Aufriss
W: Wasserlinie/-Oberfläche
l: Buglänge
u: Profiltiefe
t: Tiefgang Schiffsrumpf

Claims

Die Aufgabe wird mittels eines Schiffsrumpfes beliebiger Größe dadurch gelöst, – daß der Schiffsboden eine wellenförmige, längs des Schiffsrumpfes verlaufende Struktur aufweist, – daß die Profiltiefe (u) der wellenförmige Struktur an die Fahrgeschwindigkeit des Schiffes angepasst ist, – und daß durch eine Durchlassöffnung im vorderen Rumpfbereich Luft unter den Schiffsboden einströmt.
Schiffsrumpf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlassöffnung für die Luft aus Rohren (R) besteht, welche mit dem unteren, offenen Ende jeweils im oberen Bereich der wellenförmigen Struktur enden und mit dem anderen Ende die Luft oberhalb der Wasseroberfläche ansaugen.
Schiffsrumpf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenförmige Struktur im vorderen Rumpfbereich, am Ende des Bugs, einen ungefähr quer (senkrecht) zur Längsrichtung des Schiffsrumpfes angeordneten Luftkanal (L) aufweist.
Schiffsrumpf gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftkanal (L) ein Bugstrahlruder aufweist.
Schiffsrumpf gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Rohre (R) mit dem unteren, offenen Ende in den Luftkanal (L) oder den Bugstrahlruderkanal (L) mündet und mit dem anderen Ende oberhalb der Wasseroberfläche endet und Luft ansaugt.
Schiffsrumpf gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefgang (t) größer ist als die Profiltiefe (u) und daß die Differenz aus dem Tiefgang (t) und der Profiltiefe (u) kleiner ist als 1/12 der Buglänge (l).