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Verfahren zur Herabsetzung des Reibungswiderstandes bei Wasserfahrzeugen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herabsetzung des Reibungswiderstandes bei
Wasserfahrzeugen, bei dem durch Öffnungen in der Außenwandung des Fahrzeugs ein
den Widerstand herabsetzendes und sich im Wasser entlang der Wandung ausbreitendes
Additiv ausgestoßen wird.
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Für die überwindung des Reibungswiderstandes eines Wasserfahrzeuges
wird eine relativ große Energie benötigt. Es sind daher Versuche angestellt worden,
diesen Reibungswiderstand zu vermindern, um mit weniger leistungsstarken Antriebsaggregaten
auszukommen bzw. um höhere Geschwindigkeiten zu erreichen. So hat man den unterhalb
der Wasserlinie befindlichen Teil eines Schiffsrumpfes mit schuppenartig übereinandergreifenden
Platten verkleidet und von der Innenseite dieser Schuppenwand ein Schmiermittel
durch die überlappungsfugen der einzelnen Platten austreten lassen, um die Schuppenwand
mit einer Gleitschicht zu überziehen, welche ein leichteres Gleiten des Schiffes
durch das Wasser ermöglichen soll. Abgesehen von dem sehr großen technischen Aufwand
macht die rauhe Oberfläche der Schuppenwand im Vergleich zur glatten Fläche einer
normalen Schiffswandung einen großen Teil des angestrebten Erfolges wieder zunichte.
Außerdem werden zum Einhüllen des Schiffsrumpfes mit der Gleitschicht so erhebliche
Schmierstoffmengen benötigt, daß eine praktische Ausführung dieses Vorschlags allein
aus wirtschaftlichen Gründen illusorisch ist, zumal die Gleitschicht vom Salzwasser
sehr schnell abgewaschen würde und daher laufend ergänzt werden müßte. Ein weiterer
starker Nachteil besteht in der ölverseuchung des Wassers, durch welche das infolge
der zunehmenden Technisierung der Schiffahrt ohnehin schon stark beeinträchtigte
biologische Gleichgewicht noch mehr gestört würde.
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Ein weiterer Versuch, den Strömungswiderstand eines Schiffes herabzusetzen,
besteht in der Anordnung von nach hinten gerichteten Düsen am Boden des Schiffes,
durch welche Wasserstrahlen und Preßluft austreten. Hierdurch soll das Schiff praktisch
durch eine Schaumschicht oder Luftschicht vom Wasser getrennt werden, die einen
geringeren Reibungswiderstand bietet. Der technische Aufwand ebenso wie der Energieaufwand
hierfür ist jedoch ganz beträchtlich, so daß auch diese Versuche in der Praxis keine
Bedeutung erlangt haben.
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Man hat weiterhin reibungswiderstandsmindernde Additive am Schiffsbug
in das Wasser eingespritzt, welche sich dann längs des Schiffsrumpfes irgendwie
verteilen und ihre Wirkung entfalten sollten. Wenn eine nennenswerte Wirkung erreicht
werden soll, ist jedoch auch hierbei der Verbrauch der Additive so groß, daß wirtschaftliche
Gründe gegen dieses Verfahren sprechen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zu schaffen,
welches mit einem minimalen Verbrauch an Additiven eine so große Verringerung des
Reibungswiderstands im Wasser ermöglicht, daß insgesamt ein wirtschaftlicher Erfolg
erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß am Bug eine
Additivschicht ausgestoßen wird, die vor dem dem Fahrzeug eigenen Umschlagpunkt
der Grenzschicht von Laminar- in Turbulenzströmung durch einen in an sich bekannter
Weise hinter dem Bug entlang der Bordwand ausgestoßenen Wasserstrahl von der Fahrzeugwand
abgelenkt wird.
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Hierbei liegt der Erfindung derGedanke zugrunde, daß man die Turbulenz
an ihren Entstehungspunkten unterbinden muß und daß hierzu an diesen Entstehungspunkten
nur relativ geringe Additivinengen erforderlich sind. Das Additiv wird daher in
den erforderlichen geringen Mengen bewußt nur diesen Stellen zugeleitet, an denen
die Laminarströmung in eine Turbulenzströmung umzuschlagen sucht und die
sich
im Modellversuch für jede Schiffsforin ermitteln lassen. Die bei den bisherigen
Verfahren unnötigerweise an Stellen, an welchen sie keine Wirkung entfalten, vergeudeten
Additivinengen werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingespart.
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Das an die Stellen der Umschlagpunkte von Laminar- in Turbulenzströmungen
eingebrachte Additiv verhindert die Ausbildung jeglicher turbulenter Grenzschichten.
Der die Ablenkung des Additivs bewirkende Wasserstrahl bildet ferner eine laminare
Grenzschicht längs der Fahrzeugseite aus, welche in Verbindung mit dem Additiv den
Reibungswiderstand längs der Fahrzeugseiten beträchtlich herabsetzt. Durch die vom-Wasserstrahl
erzeugte laminare Grenzschicht wird ebenfalls die erforderliche Additivinenge beträchtlich
herabgesetzt, da unmittelbar neben dem Schiff, wo sich die laminare Grenzschicht
ausgebildet hat, kein *Additiv mehr benötigt. wird.
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Als Additiv eignet sich insbesondere ein wasserlösliches, fließfähiges,
stark polares und lineares Polymer hohen Molekulargewichts. Es kann bereits mit
Wasser verdünnt aus der Schiffswandung ausgestoßen werden, wobei das Verdünnungswasser
beispielsweise am Bug des Schiffes aufgenommen und durch eine Zugabestelle für das
Additiv geleitet werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich nicht nur bei üblichen Schiffen
anwenden, sondern eignet sich auch für Tragflügelschiffe, deren Rumpf sich während
der Fahrt aus dem Wasser heraushebt. Das Additiv wird dann zur Verringerung des
Reibungswiderstandes der Tragflügel im Wasser. in die längs der Tragflügeloberfläche
fließende Strömung ausgestoßen. Zweckmäßigerweise wird hier der das Ad-
ditiv
ablenkende Wasserstrahl am vorderen Ende des Tragflügels aufgenom - men,
durch den Tragflügel ge.-leitet und am oberen Rand des Tragflügels wieder ausgestoßen.
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Diejenigen Stellen des Schiffsrumpfes, an denen das Additiv und die
ablenkenden Wasserstrahlen ausgestoßen werden, _lassen sich im Modellversuch ermitteln.
Bei Schiffsrümpfen üblicher Bauformen liegt die Ausstoßstelle für das Additiv normalerweise
am Bug des Schiffes. Bei Schwimmkörpem anderer Gestalt, beispielsweise Unterwassertorpedos,
liegen die Ausstoßstellen beispielsweise nicht am Bug, sondem weiter hinten. Wichtig
ist jedoch in allen Fällen, daß die Ausstoßstellen des Additivs - in Fahrtrichtung
gesehen - sich vor den Entstehungszentren von Turbulenzerscheinungen befinden.
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Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit den Darstellungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Es zeigt F i g. 1 eine schematische Teildarstellung eines Schiffskörpers,
bei dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet ist, F i g. 2 eine Alternative
für die Einbringung des Additivs in das Wasser und F i g. 3 ein Anwendungsbeispiel
der Erfindung bei einem Tragflügelschiff.
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,ten Bei dem in Fig. 1 im Teilquerschnitt gezeig Schiff ist
das erfindungsgemäße Verfahren zur Herabsetzung des Widerstandes angewendet. Eine
geeignete Verteileröffnung 2 oder eine sonstige Mündung ist nahe des Bugs des Schiffes
1 angeordnet. Die widerstandsmindernden Additive werden in einem geeigneten
Tank oder einem anderen Behälter gespeichert oder vorbereitet, welcher mit der
Öff-
nung 2 in Verbindung steht, und im Behälter 4 mit Wasser vorgemischt.
Das mit dem Wasser gemischte Additiv wird durch die öffnung 2 ausgespritzt und fließt
längs der Seitenwand 5 des Fahrzeugs 1, bis es die Stelle
6 erreicht. An der Stehe 6 wird durch eine Öffnung 8 Wasser
oder eine andere geeignete Flüssigkeit ausgespritzt, welches den Strom
3 des Additivs von der Fahrzeugseite derart weglenkt, daß das Additiv durch
die kritischen Punkte strömt, wo die Ausbildung von Turbulenz beginnen würde, und
diese einhüllt. Die Stelle 6 ist in ihrer Lage von der Form des Rumpfes abhängig
und durch die Eingabe des Additivs wird die Ausbildung jeglicher kritischer Störungen
und damit die Ausbildung von Turbulenz verhindert. Durch das Einspritzen des Wassers
an dieser Stelle wird der Strom der Additive derart abgelenkt, daß der Strom laminar
durch die kritischen Punkte fließt, an denen sich Turbulenz ausbilden würde: eine
turbulente Grenzschicht wird dadurch vermieden.
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Das durch die öffnung 8 ausgeworfene Wasser füllt den Raum
9 zwischen der Schiffsfläche 10 und dem Strom 3 aus und bildet
eine laminare Schicht, die einen verhältnismäßig geringen Reibungswiderstand an
der Schiffsoberfläche verursacht. Die schmale Schicht des Additivs erfüllt bei
3 den gleichen Zweck mit dem gleichen Wirkungsgrad, als wenn das gesamte
Gebiet 9 zuzüglich des Gebietes 3,
in dem das Additiv jetzt fließt,
mit Additiv gefüllt würde. Die Einspritzung des Wassers durch die öffnung
8 führt zur Ausbildung einer Grenzschicht bei 9, die, da sie laminar
ist und in geeigneter Weise den Strom der Additive 3 unter Eliminierung der
kritischen Störungen ablenkt, den Reibungswiderstand an den Oberflächen
10 des Schiffes 1 wesentlich verringert. Ohne die gemäß der Erfindung
vorgesehene Einspritzung des Wassers bei 8 müßte der Strom der Additive an
der Stelle 6 wesentlich dicker sein und würde weiterhin in seiner Dicke noch
zunehmen, um sowohl das Gebiet 3 als auch das Gebiet 9 zwecks Vermeidung
von Turbulenzstörungen auszufüllen. Infolge einer Durchmischung und Verdünnung der
Additive unter der Wirkung von Turbulenzstörungen würde die Wirkung der Additive
so stark verringert, daß der Reibungswiderstand noch sehr groß wäre. Durch geeignete
Anordnung des Wassereinlasses 8 zwecks Einhüllung der kritischen Punkte und
durch Schaffung einer laminaren Grenzschicht wird eine Turbulenz um das Schiff verhindert,
und zwar mit nur einer minimalen Menge an Additiven.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die widerstandsmindemden
Additive derart abgelenkt werden, daß sie bei kleinstmöglicher Menge die größtmögliche
0 Widerstandsminderung erbringen. Fer -ner ist es möglich, geringe Schwankungen
bei der Eingabe der Additive zu korrigieren, da der Wasserstrahl bei 8 den
Strom der Additive unter optimaler Herabsetzung des Widerstandes ausrichtet. Es
kann ferner vorteilhaft sein, weitere Wassereinspritzungen längs der übrigen Flächen
10 des Schiffes 1
vorzusehen, um erforderlichenfalls die mit Additiven
versehene Grenzschicht weiter abzulenken.
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Die zu verwendenden Additive sind im Handel erhältlich und besitzen
folgende Eigenschaften: Sie sind viskoelastische, wasserlösliche Polymere, die stark
polar sind, im allgemeinen ein hohes Molekulargewicht
aufweisen,
eine starke Fähigkeit zur Wasserstoffbrückenbildung besitzen und linear sind,
d. h., ihre Länge ist groß gegenüber ihrem Durchmesser und sie besitzen nur
sehr geringe Verzweigungen. Die Viskoelastizität (Fließverhalten) und die Wasserlöslichkeit
sind wesentlich zur Erzielung einer geeigneten Additivlösung und zur schnellen Beeinflussung
der Wasserschichten im Sinne einer beträchtlichen Herabsetzung des Widerstandes.
Die Länge des Moleküls, die sich in seiner Linearität und hohen Polarität ausdrückt,
scheint die Ausbildung eines linearen Stromes der Additive und die Vermeidung von
Turbulenz und turbulenzverursachenden Störungen zu unterstützen. Einige Beispiele
für Additive, die sich als besonders geeignet erwiesen haben und diese Anforderungen
erfüllen, sind Guar Gum (Guaran), Locust Bean Gum (aus der Frucht des Johannisbeerbaumes
gewonnenes Gummi), Karageen oder isländisches Moos, Karaya-Gummi, Hydroxyäthylzellulose,
Natrium-Karboxymethylzellulose, Polyäthylenoxyd, Polyacrylamid und Polyvinylpyrolidon.
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F i g. 2 zeigt eine Einrichtung, mittels der das Additiv mit
Wasser gemischt wird, ohne daß das Additiv vor seinem gebrauchsfertigen Zustand
vorgemischt werden muß. Bei diesem Verfahren ist eine Zuleitung 19 nahe des
Bugs 20 des Schiffes 1 vorgesehen, durch die Wasser in den Mischabschnitt22
geleitet wird, welches dort mit dem Additiv vermischt wird. Die Additive liegen
entweder im Mischabschnitt 22 vor oder werden über eine geeignete Pumpe oder eine
andere Einspritzeinrichtung von einem besonderen Vorratsbehälter zugeführt. Die
gemischten und dann gelösten Additive werden dann durch die öffnungen 24 derart
ausgestoßen, daß sie eine laminare Grenzströmungsschicht längs der Oberfläche
25 des Schiffes 1 bilden. Dies wird hauptsächlich durch die Gestaltung
der Auslaßöffnung 26 erreicht, die den Strom nur mit einem kleinen Winkel
gegenüber der Seite 25 des Schiffes austreten läßt. Die die Leitung 24 verlassende
Additivmischung fließt folglich sanft, glatt und laminar in eine Grenzschicht längs
des Schiffes 25. Der Strom kann durch eine geeignete Vorrichtung, z. B. eine
im Mischabschnitt 22 angeordnete Pumpe, durch das Rohr 24 Z, Gedrückt werden. Falls
die Geschwindigkeit des Schiffes groß ist, kann auch das Wasser durch die Leitung
19 zufließen, durch den Mischabschnitt hindurchtreten, das Additiv in Lösung
bringen und durch die Auslaßöffnung 26 abfließen, wobei diese Strömung durch
die Vorwärtsbewegung des Schiffes bewirkt wird. Das Additiv wird durch einen geeigneten
Wasserstrahl, wie in F i g. 1 im Zusammenhang mit dem Wasserstrahl bei
8 beschrieben, derart abgelenkt, daß die Turbulenz wie bei F i
g. 1 eliminiert wird.
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F i g. 3 zeigt einen Tragflügel eines Tragflächenschiffes.
Der Tragflügel ist der Teil eines Tragflächenschiffes, der unter Wasser liegt und
das Anheben des Schiffes bewirkt, wenn es das Wasser verläßt und sich auf die Streben
stellt. Das widerstandsmindemde Additiv befindet sich in einem geeigneten umschlossenen
Raum 32, der nahe dem vorderen Ende der Vorderkante 35 des Tragflügels
30 angeordnet ist. Das Additiv kann, wie bereits beschrieben, vorgemischt
sein oder durch Einführen von Wasser wie in F i g. 2 gemischt werden.
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Das Wasser wird durch die öffnung 36 am Boden oder der Vorderkante
35 des Tragflügels 30 eingeführt. Das Wasser fließt dann durch eine
Leitung 37,
tritt aus an der Stelle 38 und fließt über die Oberkante
39 des Tragflügels 30. Durch die Ablenkung des mit dem Additiv versetzten
Stromes an der Stelle 38 durch das durch die Leitung 37 geführte Wasser
wird dieser Strom derart gerichtet, daß er laminar durch die kritischen Störungspunkte
fließt, hierbei diese elinüniert und den Reibungswiderstand stark herabsetzt, der
durch die Turbulenz am Tragflügel verursacht wird. Durch die Einspritzung des Wassers
an der Stelle 38 wird eine laminare Grenzschicht bei 40 unterhalb des mit
Additiven versetzten Stromes 42 ausgebildet, welche zusammen mit diesem jegliche
Turbulenz weitgehend unterdrückt, die sonst zu einer Verdünnung des Additivs und
zu einem Anstieg des Widerstandes am Tragflügel führen würde. Nahe der Ausspritzstelle
38 der Leitung 37 kann ein Reservoir 44 vorgesehen werden, in welchem
das Wasser innerhalb des Tragflügels zurückgehalten wird, um einen gleichförmigeren
Fluß an der Stelle 38 zu erzielen. Durch das Reservoir 44 wird unabhängig
von der Wasserinenge oder von der Gleichmäßigkeit, mit der das Wasser bei
36 eintritt, ein konstanter Wasserstrom an der Stelle 38 erhalten.
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Alternativ kann auch eine Abzweigung 46 an der Leitung 37 vorgesehen
werden, durch die der mit Additiv versetzte Strom an der Stelle 48 weiter abgelenkt
und durch die verbleibenden kritischen Punkte geführt wird, wo sich Turbulenz bilden
könnte. Dies wird in der gleichen Weise durchgeführt wie an der Stelle
38 und erbringt das gleiche Ergebnis hinsichtlich der Unterdrückung solcher
Turbulenzen, die einen weiteren Widerstand am Tragflügel verursachen würden. Wie
zuvor kann ein Reservoir 47 vorgesehen werden, um den Strom erforderlichenfalls
zu stabilisieren. Weitere Leitungen können längs der übrigen Oberfläche
39 des Tragflügels 30
vorgesehen werden, um erforderlichenfalls an
allen Stellen die Ausbildung von Turbulenz zu vermeiden. Folglich erbringt eine
dünne Strömungsschicht des Additivs das gleiche Ergebnis, als wenn die gesamten
Gebiete 40 und 50 unterhalb des Stromes 42 und oberhalb der Fläche
39 des Tragflügels 30 mit Additiv gefüllt würden. Darüber hinaus wird
hierdurch die für die Herabsetzung des Widerstandes richtige Verteilung des Additivs
exakter gesteuert.