DE102016012368A1

DE102016012368A1 - Vorrichtung zur Minimierung des Reibungwiderstandes bei Wasserfahrzeugen

Info

Publication number: DE102016012368A1
Application number: DE102016012368.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-10-15
Filing date: 2016-10-15
Publication date: 2018-04-19
Also published as: WO2018069044A1

Abstract

Vorrichtung zur Minimierung des Reibungswiderstandes bei Wasserfahrzeugen durch Erzeugung einer stabilen Schicht von Wirbeln mit der Wirkungsweise eines Wälzlagers zwischen dem sich bewegenden Verdrängungskörper eines Wasserfahrzeugs und dem vorbeiströmenden Wasser.Erzielt wird dieses durch einen am Verdrängungskörper angebrachten Wirbelerzeuger mit einer Hohlkehle in der durch das vorbeiströmende Wasser ein Unterdruck entsteht, durch den die Wirbelbildung ausgelöst und kontinuierlich fortgesetzt wird.Um zu verhindern, dass die Wirbelbildung bei sich erhöhender Geschwindigkeit des Verdrängungskörpers chaotisch wird und eine bremsende Wirkung erhält, wird der Unterdruck in der Hohlkehle begrenzt. Dies wird entweder passiv durch dynamische Luftansaugung von der Wasseroberfläche oder aktiv durch Einbringung von Luft oder Gas im Bereich der Hohlkehle realisiert.

Description

Die hier beschriebene Vorrichtung erzeugt, wie in Bild 1 (Teilquerschnittsvergrößerung) aufgezeigt wird, eine stabile Schicht von Wirbeln um den Verdrängungskörper a eines Wasserfahrzeugs, dass sich in Richtung c bewegt, wodurch das umgebende Wasser die relative Bewegungsrichtung d hat. Der Wirbelerzeuger b ist am Bug eines Wasserfahrzeuges angebracht und besitzt eine Hohlkehle f mit einer nach außen gerichteten Strömungsabrisskante.
Durch die am Wirbelerzeuger angebrachte Hohlkehle f entsteht durch das vorbeiströmende Wasser ein Unterdruck, durch den die beabsichtigte Wirbelbildung verursacht wird. Die Drehrichtung der erzeugten Wirbel ist am Verdrängungskörper a in Fahrtrichtung c und beim vorbeiströmenden Wasser in der relativen Richtung d, so dass ein Effekt erzeugt wird, der dem eines Wälzlagers gleicht.
Bei steigender Geschwindigkeit des Verdrängungskörpers a steigt auch der Unterdruck in der Hohlkehle f des Wirbelerzeugers b. Wird der Unterdruck zu hoch, ändert sich ab einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit die Wirbelbildung. Die Wirbel bilden sich nicht mehr wie oben beschrieben, sondern werden chaotisch gebildet. Dadurch ändert sich die Wirkungsweise dahingehend, dass die chaotisch gebildeten Wirbel eine bremsende Wirkung verursachen.
Um dieses zu verhindern, ist es erforderlich, den Unterdruck in der Hohlkehle f, unabhängig von der Geschwindigkeit des Verdrängungskörpers a zur relativen Geschwindigkeit d des vorbeiströmenden Wassers, konstant zu halten. Das wird erreicht, in dem in der Hohlkehle f eine Luft- oder Gaszufuhr realisiert wird, mit der sich der Unterdruck dynamisch begrenzen lässt. In Bild 2 (Seitenansicht) wird aufgezeigt, wie dieses bei einfachen Kielrümpfen umsetzbar ist. Der Wirbelerzeuger b mit der Hohlkehle f ist so montiert, dass er bis über die Wasserlinie reicht. Bei steigendem Unterdruck in der Hohlkehle f wird eine entsprechende Luftmenge von der Oberfläche in der Hohlkehle angesaugt, so dass der Unterdruck in der Hohlkehle nicht höher wird als der Strömungswiderstand der angesaugten Luft. Hierdurch entsteht eine dynamische Unterdruckregelung, die verhindert, das die Verwirbelung chaotisch wird.
Die angesaugte Luft wird bei der Wirbelbildung in Form von kleinen Bläschen in die gebildeten Wirbel abgegeben, so dass eine zusätzliche Reibungsminimierung stattfindet. Der Vorgang der Luftansaugung und Abgabe in Form von Bläschen wiederholt sich kontinuierlich. Die vom Wirbelerzeuger in die Wirbel eingebrachten Luftbläschen steigen neben und hinter dem Verdrängungskörper deutlich sichtbar an die Oberfläche des Wassers. Der volle Reibungsminimierungseffekt ist erreicht, wenn die Luftbläschen hinter dem Verdrängungskörper an die Wasseroberfläche steigen. Durch Erhöhung der Fortbewegungsgeschwindigkeit, verstärkt sich auch der Reibungsminimierungseffekt. Bei optimaler Umsetzung der Vorrichtung kann der Reibungswiderstand um mehr als 90% verringert werden.
Positive Nebeneffekte:

• Je nach Größe des Wasserfahrzeuges keine oder nur geringe Bildung von Bugwellen.
• Geringeres Schlingern bei Fahrt mit der o. g. Vorrichtung.
• Bei windgetriebenen Wasserfahrzeugen geringeres Kränken (Neigen) da die Windenergie fast ausschliesslich in Vortrieb umgesetzt wird.
• Deutlich höhere Fortbewegungsgeschwindigkeiten möglich als bei anderen Methoden (Stufenrümpfe, Tragflächenboote. u. ä.).
• Bei motorisierten Wasserfahrzeugen trotz hoher Fortbewegungsgeschwindigkeit geringer Treibstoff, bzw. Energieverbrauch.
• Ausfahrbare Wirbelerzeuger können durch volles Ausfahren und Blockierung der Luft- bzw. Gaszufuhr als Wirbelbremse verwendet werden.

Negative Nebeneffekte:

• Bei windgetriebenen Wasserfahrzeugen ist die Nutzung von Spinakern oder ähnlichen unstabilisierten Segeltypen nicht mehr möglich weil durch die o. g. Vorrichtung bei Rückenwindfahrt Windgeschwindigkeit erreicht wird und unstabilisierte Segeltypen dann zusammenfallen.
• Steuerungs- und Antriebsvorrichtungen, wie z. B. Ruder oder Schrauben, die sich im Bereich der erzeugten Wirbelschleppe befinden, funktionieren nicht da keine lineare Strömung mehr anliegt. Antriebs oder Steuerungsvorrichtungen müssten daher entweder absenkbar sein oder außerhalb der Wirbelschicht am Schiffskörper angebracht werden.
• Bei Mehrrumpfwasserfahrzeugen entsteht bei Einfahrt in flacher werdende Wasserbereiche durch die Überschneidung der Wirbelschleppen eine Tsunami ähnliche Wellenbildung.
• Bei größeren Schiffen könnten über Bord gefallene Besatzungsmitglieder in den Wirbeln an der Rumpfaußenseite ertrinken.
• Bei größeren Schiffen ist es durch die Wirbelbildung an den Rumpfaußenseiten nicht mehr möglich, während der Fahrt mit kleineren Schiffen längsseits zu gehen. Im Hinblick auf die aktuelle Situation bei der Hochseepiraterie ist dies jedoch ein positiver Nebeneffekt, da es den Piraten nicht mehr möglich wäre, nahe genug an einen fahrenden Containerfrachter heranzukommen um ihn zu entern.

Aus den o. g. negativen Nebeneffekten wäre es bei größeren Schiffen ratsam, die Wirbelerzeuger ein- und ausfahrbar zu gestalten!
Einsatzmöglichkeiten der hier beschriebenen Vorrichtung:

• Bei hierfür optimierten oder geeigneten Verdrängungskörpern ist eine spezielle Anpassung der Vorrichtung nicht erforderlich, die Funktionsweise ist wie in Bild 1 und Bild 2 aufgezeigt.
• Bei herkömmlichen Kielrümpfen lässt sich die Vorrichtung ein- und ausfahrbar, am bzw. im Bug montieren. Falls der Seitenansichtswinkel zur Wasseroberfläche nicht flach genug sein sollte um den Unterdruck in der Hohlkehle des Wirbelerzeugers durch passive Luftansaugung durch die Hohlkehle konstant zu halten, wären entweder im Schiffsrumpf angebrachte Luftschlote mit Verbindung zur Hohlkehle oder die aktive Einbringung von Luft oder Gas über eine Pumpe und Düsen oder Öffnungen in der Hohlkehle sinnvoll.
• Bei Wasserfahrzeugen mit flachem Rumpfboden (z. B. Surfbretter) kann die Vorrichtung horizontal unter dem Rumpf montiert werden. Um die Luftzufuhr zur Konstanthaltung des Unterdruckes in der Hohlkehle zu gewährleisten, sind kleine Öffnungen oder Düsen mit senkrechten Luftkanälen oder Schloten durch den Rumpf des Verdrängungskörpers ausreichend.
• Bei Unterwasserfahrzeugen wäre eine aktive Luftzufuhr über Öffnungen oder Düsen in der Hohlkehle und Gas- oder Luftdruckbehälter, bzw. Pumpen erforderlich.
• Bei sehr großen oder langen Schiffsrümpfen, bei denen die am Bug erzeugte Wirbelschleppe nicht bis zum Rumpfende reicht, ist es möglich, die Wirbelerzeuger mehrfach am Rumpf anzubringen. Aus o. g. Gründen sollten diese ein- ausfahrbar gestaltet werden

Bezugszeichenliste

a =: Verdrängungskörper eines Wasserfahrzeuges
b =: Vorrichtung zur Wirbelerzeugung (Wirbelerzeuger)
c =: Bewegungsrichtung des Verdrängungskörpers
d =: Relative Bewegungsrichtung des umgebenden Wassers
e =: Vom Wirbelerzeuger erzeugte Wirbelschicht mit Luftbläschen
f =: Hohlkehle des Wirbelerzeugers mit durch die Verwirbelung entstehenden Unterdruck im Wasser eingebrachte Luft. Je nach Geschwindigkeitsbereich des Wasserfahrzeuges und gewünschtem Effekteintritt sind mehrere Hohlkehlenprofile möglich. Z. B.:
oder
oder auch
↙↗ =: Rotationsrichtung der erzeugten Wirbel
=: Luftbläschen

Claims

Vorrichtung zur Minimierung des Reibungswiderstandes bei Wasserfahrzeugen durch Erzeugung einer stabilen Schicht von Wirbeln mit der Wirkungsweise eines Wälzlagers zwischen dem sich bewegenden Verdrängungskörper eines Wasserfahrzeugs und dem vorbeiströmenden Wasser, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 1) ein am Verdrängungskörper angebrachter Wirbelerzeuger mit einer Hohlkehle in der durch das vorbeiströmende Wasser ein Unterdruck entsteht, durch den die Wirbelbildung ausgelöst und kontinuierlich fortgesetzt wird, 2) eine passive Unterdruckbegrenzung in der Hohlkehle durch dynamische Luftansaugung von der Wasseroberfläche, die verhindert, dass die Wirbelbildung bei sich erhöhender Geschwindigkeit des Verdrängungskörpers chaotisch wird und dadurch eine bremsende Wirkung erhält, 3) eine aktive Unterdruckbegrenzung durch Einbringung von Luft oder Gas im Bereich der Hohlkehle, die verhindert, dass die Wirbelbildung bei sich erhöhender Geschwindigkeit des Verdrängungskörpers chaotisch wird und dadurch eine bremsende Wirkung erhält, 4) Nutzung des Wirbelerzeugers als Wirbelbremse durch Abriegelung der Luft- oder Gaszufuhr, 5) Nutzung eines ein- und ausfahrbar gestalteten Wirbelerzeugers als Wirbelbremse durch übermäßiges Ausfahren zur Erzeugung von Wirbeln mit bremsender Wirkung.