DE102008016147A1 - Verfahren und Einrichtung zur Verbesserung der Hydrodynamik bei Schiffen mit Bug - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Verbessern der Hydrodynamik bei Schiffen mit herkömmlichen Schiffskörpern mit im Querschnitt etwa V- oder U-förmigem Rumpf und sich stark verjüngendem Bugteil, dadurch gekennzeichnet, dass
a) am Schiffsrumpf außen eine zusätzliche Rumpfverkleidung befestigt wird,
b) die zusätzliche Rumpfverkleidung einen etwa rechteckförmigen Schacht darstellt, der an der Bugseite offen ist und eine U-förmige Begrenzung hat,
c) durch den Schacht über einen geschlossenen Einlaufkanal das vor dem Bug anstehende Wasser in die Rumpfverkleidung eingeführt und durch eine Ansaugvorrichtung, z. B. eine Turbinenanordnung angesaugt, das aus der Turbine austretende Wasser über Rohrleitungen aus der Rumpfverkleidung entgegen der Fahrtrichtung des Schiffes abgegeben und die Vorwärtsbewegung und Steuerung des Schiffes dadurch unterstützt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Bedingt durch die Pfeilform des Bugteils eines herkömmlichen Schiffrumpfes und die Erweiterung des Rumpfes in Fahrtrichtung wird ein erheblicher Teil der Antriebsenergie benötigt, um das Schiff im Wasser voranzutreiben und die Wassermassen zu verdrängen bzw. zu teilen. In der Praxis wird dabei die Bugnase in ihrer Funktion der Bugnase z. B. des Pottwals nachgebaut.
• Der hohe Energieverbrauch herkömmlicher großer Schiffe und die extrem angestiegenen Brennstoffkosten für den Antrieb des Schiffes führen dazu, andere Bauformen zu entwickeln und aufzuzeigen, mit denen Antriebsenergie eingespart werden kann.
• Aufgabe der Erfindung ist, die Hydrodynamik bei Schiffskörpern und insbesondere die bei Bewegung der Schiffe im Wasser auftretenden hohen Reibungsverluste zwischen dem Schiffsrumpf und dem das Schiff tragenden Wasser zu reduzieren und damit den Energieverbrauch zum Fortbewegen des Schiffes zu senken.
• Gemäß der Erfindung wird dies mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 und der Unteransprüche erreicht.
• Dabei wird zur Einsparung von Energie eine Bauform des Schiffsbuges vorgeschlagen, die in Anlehnung an die Funktion des Mauls eines Walhais ausgebildet ist, bei der der Bug des Schiffes eine große Einlauföffnung aufweist, durch die die Wassermassen am Schiffsbug weitestgehend ungehindert von Ansaugvorrichtungen, z. B. Turbinen, im Schiffsinneren angesaugt und seitlich und nach hinten austretend wieder in das umgebende Wasser abgeleitet werden, wobei die Rückstoßenergie durch das von den Turbinen abgegebene Wasser als Jetantrieb für die Vorwärtsbewegung des Schiffes wie auch zur Verbesserung der Lenkfähigkeit des Schiffes eingesetzt wird.
• Grundsätzlich erhält nach der Erfindung der Rumpf eines herkömmlichen Schiffes auf seiner Außenfläche eine schachtartige Rumpfverkleidung, die im Querschnitt etwa Rechteckform hat und die an der Bugseite offen ist, so dass zwischen dem im Wasser befindlichen Teil des Schiffsrumpfes und der Außenseite und Bodenseite des Schachtes ein geschlossener Einlaufkanal für das in den Schacht einströmende Wasser gebildet wird. Die Oberseite des Schachtes ist vom Einlauf bis zum Auslauf des Schachtes verjüngt ausgebildet. Am Auslauf des Schachtes ist eine Ansaugvorrichtung, z. B. eine Turbinenanordnung vorgesehen, die das in den Schacht eintretende Wasser ansaugt und z. B. als Jetantrieb arbeitet, wenn sie von der Maschinenanlage des Schiffes aus angetrieben wird. Das die Turbinen durchströmende Wasser wird am Ausgang der Turbinen aus dem Schacht über Rohrleitungen innerhalb der Rumpfverkleidung aufgenommen und etwa parallel zur Längsachse des Schiffes Richtung Heck geführt und an den Seitenwänden des Rumpfes aus den Rohrleitungen in das das Schiff umgebende, frei strömende Wasser entgegengesetzt zur Fahrtrichtung abgegeben, wodurch die Rückstossenergie als Jetantrieb für den Antrieb des Schiffes sowie auch für die Steuerung und Lenkung des Schiffes genutzt werden kann. Die Turbinenanordnung besteht aus mindestens einer in der Rumpfverkleidung angeordneten Turbine unmittelbar über der Bodenfläche der Rumpfverkleidung, so dass das durch den Schacht einströmende Wasser vollständig in und durch das Turbinengehäuse geführt werden kann. Anstelle einer einzelnen Turbine können zwei oder mehr Turbinen nebeneinander in linken und rechten Kammern der Rumpfverkleidung angeordnet sein. Zusätzlich können weitere Turbinen übereinander etagenartig vorgesehen sein, wenn der das Wasser einführende Schacht entsprechend in Etagen unterteilt ist, wie dies bei großen Schiffen der Fall sein kann.
• Die Rumpfverkleidung ist mit dem Schiffsrumpf durch eine Schweißkonstruktion verbunden, so dass die im Querschnitt rechteckförmig oder U-förmig ausgebildete Schachtverkleidung eine stabile Konstruktion darstellt, die beim Durchpflügen des Wassers eine minimale Auftrefffläche bzw. eine minimalen Widerstand bildet. Die Erfindung betrifft dabei sowohl das Umrüsten bereits in Betrieb befindlicher Schiffe, bei denen die Rumpfverkleidung nachträglich angebracht wird, als auch den Einsatz in neu gebauten Schiffen, bei denen bereits bei der Konzipierung des Schiffes die Rumpfform des Schiffes gemäss der Erfindung, die Konstruktion des Schiffskörpers, die optimale Auslegung z. B. der Laderäume usw. berücksichtigt wird.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Vorteil einer Rumpfverkleidung nach der Erfindung mit einem Luftkissensystem auf der Unterseite der Rumpfverkleidung und der Wasserfläche, auf der das Schiff aufliegt, kombiniert und der Kontakt zwischen Stahl und Wasser weitgehend aufgehoben werden, wobei eine dünne Luftschicht zwischen Stahl und Wasser einen besonderen Gleiteffekt des Schiffbodens ergibt. Zum Aufbau eines solchen Luftkissens sind nach abwärts stehende Stahlschürzen, insbesondere als Verlängerungen der Seitenwände der Rumpfverkleidung vorgesehen, die ein Luftpolster begrenzen, starre Schürzen für den Luftkissenaufbau bilden und ein Entweichen der Luft verhindern. Um ein solches Luftkissen aufzubauen, ist im Schiffsrumpf eine Kompressoranordnung vorgesehen, die von der Maschinenanlage des Schiffes aus gespeist wird. Die Luftkissenfläche am Boden der Rumpfverkleidung kann durch Stahlschürzen bzw. Stahlstege wahlweise in eine Mehrzahl von Luftkammern unterteilt werden, wobei in der Mitte des Schiffsbodens ein stabilisierender Stahlsteg zur Verhinderung des Schwankens des Schiffes auf dem Luftkissen vorgesehen werden kann.
• Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
• 1 eine Vorderansicht des Schiffes mit Rumpfverkleidung in schematischer Darstellung,
• 2 eine Aufsicht auf den Bugabschnitt des Schiffes mit Rumpfverkleidung,
• 3 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt von Bug und Heck, jeweils in schematischer Darstellung.
• Ein Schiffsrumpf 1 mit Kiel 2 weist eine Außenrumpfverkleidung 3 auf, die als rechteckförmiger Schacht mit dem Schiffsrumpf 1 starr verbunden ist. Die Seitenflächen der Rumpfverkleidung aus Stahl sind mit 5, 5' bezeichnet und sind bei 6 mit dem Schiffsrumpf verschweißt. Die Rumpfverkleidung 3 ist nach unten durch einen ebenen Boden 7 geschlossen. Der schachtförmige Einlaufkanal 8 ist am Einlauf bei 9 offen und weist eine geschlossene, sich vom Einlauf 9 nach innen und unten erstreckende Deckwand 10 auf, die geneigt angeordnet ist und das zuströmende Wasser zur Turbinenanordnung 12 führt. Mit 13 ist die Mittenachse des Schiffskörpers 1 bezeichnet. Die Turbinenanordnung 12 im unteren Bereich der Rumpfverkleidung nimmt das einströmende Wasser 11 auf, das von den angetriebenen Turbinenrädern angesaugt wird. Die einzelnen Turbinen sind von einem Gehäuse 14 umgeben, das beispielsweise in Verlängerung der Deckwand 10 des Einlaufkanals 8 zur Wasserseite offen ist. Vom Inneren des Turbinengehäuses 14 führen Wasserableit- bzw. -strahlrohre 15 aus den Seitenwänden 4 und 5 nach außen und hinten und geben das angesaugte Wasser durch Jetantrieb nach außen als Rückstossenergie an das umgebende Wasser ab, so dass damit der Schiffsantrieb unterstützt und gleichzeitig eine Lenkhilfe geschaffen wird.
• Zur Unterstützung der Maßnahmen für die Verbesserung der Hydrodynamik an Schiffen wird unterhalb des Schiffsbodens bzw. des Rumpfverkleidungsbodens mit Hilfe eines im Schiff angeordneten Kompressors ein Luftkissen aufgebaut, das zwischen dem Stahlboden und der vom Schiffboden bedeckten Wasserfläche erzeugt wird und das den Kontakt zwischen Schiff und Wasser unterbindet. Auf diese Weise wird der Gleiteffekt zwischen Schiff und Wasser entscheidend verbessert, da zur Vorwärtsbewegung das Schiff mit minimaler Reibung auf dem Luftpolster ruhend bewegt werden kann. Das Luftkissen wird durch eine Kompressoranordnung 16 erzeugt und durch von der Rumpfverkleidung nach abwärts stehende Stahlstege aufrecht erhalten, wobei das Luftkissen aus mehreren Luftkissenkammern bestehen kann, die durch Stahlschürzen begrenzt sind und ein Entweichen der Luft verhindern. Heckseitig wird dabei eine Stahlschürze in Form einer Wulst vorgesehen, die quer zur Fahrtrichtung verläuft und am Heck das Austreten des Luftkissens verhindert. Bugseitig ist die Begrenzung des Luftkissen durch einen Übergang vom Verdichterschacht zum Luftkissen begrenzt, wobei das Turbinengehäuse in diese Begrenzung einbezogen werden kann. Eine schematische Darstellung dieser Luftkissenausgestaltung ist in 3 angedeutet. Vom Kompressor 16 wird über eine oder mehrere Druckluftleitungen 17 Luft hohen Druckes in den Luftkissenbereich 18 eingespeist.
• Dieser Luftkissenbereich ist durch Stahlschürzen 19 begrenzt, die in den Boden der Rumpfverkleidung 3 integriert sind.

1

Schiffskörper (Bugabschnitt)

2

Kiel des Schiffes

3

Rumpfverkleidung

4

rechteckförmiger Schacht

5, 5'

Seitenflächen der Rumpfverkleidung

6

Schiffsdeck

7

Boden der Rumpfverkleidung

8

Einlaufkanal

9

Einlauföffnung

10

Deckwand

11

einströmendes Wasser

12

Turbinenanordnung

13

Turbinen

14

Turbinengehäuse

15

Wasserstrahlrohre

16

Kompressor

17

Druckluftleitungen

18

Luftkissenbereich

19

Stahlschürzen

MA

Schiffs-Mittenachse

Claims (12)

1. Verfahren zum Verbessern der Hydrodynamik bei Schiffen mit herkömmlichen Schiffskörpern mit im Querschnitt etwa V- oder U-förmigem Rumpf und sich stark verjüngendem Bugteil, dadurch gekennzeichnet, dass a) am Schiffsrumpf außen eine zusätzliche Rumpfverkleidung befestigt wird, b) die zusätzliche Rumpfverkleidung einen etwa rechteckförmigen Schacht darstellt, der an der Bugseite offen ist und eine U-förmige Begrenzung hat, c) durch den Schacht über einen geschlossenen Einlaufkanal das vor dem Bug anstehende Wasser in die Rumpfverkleidung eingeführt und durch eine Ansaugvorrichtung, z. B. eine Turbinenanordnung angesaugt, das aus der Turbine austretende Wasser über Rohrleitungen aus der Rumpfverkleidung entgegen der Fahrtrichtung des Schiffes abgegeben und die Vorwärtsbewegung und Steuerung des Schiffes dadurch unterstützt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar unterhalb der Rumpfverkleidung ein nach unten offener Hohlraum zur Aufnahme eines Luftkissens zwischen Unterseite der Rumpfverkleidung und der darunter befindlichen Wasserfläche ausgebildet wird, und dass das Luftkissen durch an der Rumpfverkleidung befestigte Stahlschürzen und die darunter befindliche Wasserfläche aufrechterhalten wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftkissen durch eine im Schiffsrumpf angeordnete Kompressoranordnung erzeugt wird, die die Kompressorluft über Luftleitungen in die Luftkammern einführt, die auf der Unterseite der Rumpfverkleidung angeordnet sind.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der das Luftkissen aufnehmende Raum unterhalb des Bodens der Luftverkleidung durch ein Schürzensystem unterteilt ist, und dass in der Kammermitte eine in Längsrichtung des Schiffes angeordnete stabilisierende Schürzenwand ausgebildet ist.
5. Einrichtung zur Verbesserung der Hydrodynamik bei Schiffen mit herkömmlichen Schiffskörpern, mit im Querschnitt V- oder U-förmigem Rumpf und sich stark verjüngenden Bugteil, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Schiffsrumpf einen zusätzlichen Außenrumpf bzw. eine Rumpfverkleidung aufweist, der bzw. die als am Bug offener Schacht mit etwa rechteckförmigem Querschnitt an der Wassereintrittsseite ausgebildet ist, b) der Schacht einen geschlossenen Wassereinlaufkanal in Form eines Ansaugkanals darstellt, c) der Ansaugkanal an der Austrittsseite in den Einlass einer in Bodennähe des Schachtes installierten Turbinenanordnung übergeht, die sich quer über die Breite des Schachtes erstreckt, d) am Turbinenausgang Leitungen zur Führung der Wasserstrahlen aus der Turbinenanordnung vorgesehen sind, die die Wasserstrahlen seitlich und entgegen der Fahrtrichtung aus dem Schacht zur Erzielung einer Rückstoßkraft für den Vortrieb des Schiffes richten.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schacht einen sich zur Turbinenanordnung verjüngenden Querschnitt aufweist.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schacht einen nach abwärts und nach innen zur Turbinenanordnung gerichteten Verlauf hat.
8. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar unterhalb des Außenrumpfes ein Luftkissen mit Hilfe einer im Schiff angeordneten Kompressoranordnung erzeugt wird, und dass das Schiff auf dem Luftkissen in der Schwebe gehalten wird, wodurch das Schiff weitgehend ohne Reibungsverluste zwischen Schiffsboden und Wasserniveau angetrieben wird.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Kompressoranordnung erzeugte Luftkissen unterhalb des Bodens des Außenrumpfes in Kammern geringer Höhe begrenzt ist, und dass die Kammern durch vom Boden des Außenrumpfes nach abwärts gerichtete Schürzen, vorzugsweise aus Stahl, seitlich und mittig begrenzt sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkissenkammern über Luftleitungen mit der Kompressoranordnung verbunden sind.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkissenkammern am bugseitigen und heckseitigen Ende durch Stahlschürzenwände begrenzt sind.
12. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenanordnung aus etagenweise übereinander angeordneten Turbinen besteht, und dass der Ansaugschacht ebenfalls etagenartig unterteilt ist, sodass jeder Turbine ein Ansaugteilschacht zugeordnet ist.