DE1506189C - Vorschiff fur relativ langsame, sehr völlige Schiffe mit einem senkrech ten und am Übergang zum Kiel angerundet verlaufenden Vorsteven - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Vorschiff für relativ langsame, sehr völlige Schiffe mit einem senkrechten und am Übergang zum Kiel abgerundet verlaufenden Vorsteven.

Derartige Schiffe sind beispielsweise aus »Saunders Hydrodynamics in Ship Design, Volume 1«, S. 395, Fig. 26 D, bekannt. Bei derartigen relativ langsamen, sehr völligen Schiffen handelt es sich in der Regel um Tanker, Massengut- oder Erzfrachter usw. mit einem Blockkoeffizienten über etwa 0,75 und einer Froudezahl unter 0,2. Solche Schiffe werden in der Regel nur in vollbeladenem Zustand oder im Ballastzustand eingesetzt, jedoch selten in einem teilweise belasteten Zustand.

Im allgemeinen wurden Verbesserungen am Schiffsrumpf von Schiffen mit einem Blockkoeffizienten von mehr als etwa 0,75 lediglich im Hinblick auf ihren Vollastzustand und kaum unter Berücksichtigung des Ballastzustandes erreicht. Dabei wurde lediglich in Betracht gezogen, ob der für den Ladezustand gestaltete Schiffskörper wenigstens bis zu einem gewissen Grad im Ballastzustand ausreichend ist. Da jedoch bei Schiffen mit großem Völligkeitsgrad, wie Tankern, Massengutfrachtern od. dgl., der Ballastzustand ebenso wichtig wie der Vollastzustand ist, sollten Schiffe der eingangs erwähnten Art einen Schiffskörper aufweisen, der sowohl im Ballast- als auch im Ladezustand günstige Widerstandsbedingungen aufweist.

Es gibt im Schiffsbau verschiedene Möglichkeiten, durch entsprechende Gestaltung des Schiffskörpers den Wellenwiderstand zu verringern und damit einen besseren Propulsionswirkungsgrad zu erreichen. So ist es schon seit längerem bekannt, sogenannte Wulstbüge zu verwenden (vgl. »Ship Building an Shipping Record«, 1964, S. 746 und 675, sowie »Schiff und Hafen«, H. 1, 1965, 17. Jahrgang, S. 18 bis 21).

Bei Verwendung eines Wulstbuges ist im allgemeinen die Haupthülle des Schiffes vergleichsweise einfach gestaltet, wodurch vornehmlich am Bug und am Heck Wellen erzeugt werden. Die Wülste sind entweder am Bug oder am Heck angeordnet, um auf diese Weise Wellen zu erzeugen, die zu den Wellen phasenverschoben sind, jedoch etwa die gleiche Amplitude aufweisen. Durch die hierbei entstehende Interferenz zwischen den beiden Wellensystemen wird der Wellenwiderstand reduziert. Es hat sich nun gezeigt, daß bislang der Wulstbug entweder hur für den vollbeladenen Zustand oder für den Ballastzustand des Schiffes konstruiert wurde. Wird der Wulst dem vollbeladenen Zustand angepaßt, so wird er so groß, daß sich seine Nase im Ballastzustand nahe der Wasseroberfläche legt. Daraus ergibt sich eine Vergrößerung des Widerstandes mit einer Reduzierung der Geschwindigkeit. Wird der Bugwulst hingegen für den Ballastzustand konstruiert, dann kann die Geschwindigkeit im vollbeladenen Zustand nicht nennenswert erhöht werden.

Mit den bisherigen fest am Schiffsrumpf angebauten Bugwulsten ist es daher nur gelungen, den Propulsionswirkungsgrad eines Schiffes entweder im Vollast- oder nur im Ballasttiefgang merklich zu verbessern, nicht aber für beide Fälle.

Es gehört auch zum Stand der Technik, das Vorschiff eines völligen Schiffes so auszubilden, daß sowohl im Ballastzustahd als auch im Lastzustand ein günstiger Propulsionswirkungsgrad erreicht wird. Ein solches Vorschiff besitzt gemäß der britischen Patentschrift 980437 einen höhenverstellbaren "Bugwulst, der auf die Verhältnisse beim Lasttiefgang eingestellt werden kann.

Wie im Schiffbau allgemein bekannt, setzt sich der Strömungswiderstand des Schiffskörpers aus seinem Wellenwiderstand und dem Zähigkeitswiderstand zusammen. Bei gewöhnlichen Frachtern hängt der Wellenwiderstand von der gegenseitigen Interferenz der größtenteils am Bug, der vorderen Schulter, der hinteren Schulter und am Heck erzeugten Wellensysteme ab. Die Froudezahl gilt als Maßstab der relativen Geschwindigkeit eines Schiffes und wird unter Berücksichtigung des Wellenwiderstandes bestimmt. Der Grund hierfür ist, daß die Froudezahl physikalisch bedeutungsvoll für den Grad der Interferenz der erzeugten Wellensysteme an den obenerwähnten Stellen ist. Außerdem ist bei Schiffen mit sehr großem Völligkeitsgrad oder Schiffen mit niedriger Dienstgeschwindigkeit, einer Froudezahl von 0,2 oder weniger und einem Blockkoeffizienten von 0,75 und mehr die Höhe des Wellenwiderstandes bisher als Funktion der Froudezahl betrachtet und bei den Schiffsentwürfen berücksichtigt worden.

Es wurde nun festgestellt, daß sich bei entsprechender Gestaltung des Schiffskörpers eines mit geringer Dienstgeschwindigkeit fahrenden Schiffes mit sehr großem Völligkeitsgrad der Wellenwiderstand nahezu allein am Schiffsbug erzeugt wird und für das Mittelschiff und' Heck vernachlässigt werden kann. Demzufolge kann auch die Interferenz zwischen den Wellenwiderständen vernachlässigt werden. Formund Schleppversuche haben das erwiesen. Der Wellenwiderstand hängt also im wesentlichen nur von der Form des Vorschiffs ab.

Um demnach einen Schiffskörper mit kleinem Wellenwiderstand herzustellen, ist es zunächst erforderlich, ein Vorschiff mit einem geringen Wellenwiderstand herzustellen. Im Hinblick auf die gewünschte Verdrängung und Länge können dann in Übereinstimmung mit dem Vorschiff ein zylindrischer Schiffsteil, und ein; Heckteil angefügt !werden, worauf dann eine völlige Kontrolle des Schiffskörpers durchgeführt wird. Diese Konstruktionsprinzipien werden in der nachfolgenden Beschreibung als Schiffskörper-Teil-Prinzip bezeichnet. Bei der Konstruktion einer Schiffshülle entsprechend dem Schiffskörper-Teil-

Prinzip iind lediglich die folgenden drei Daten erforderlich, um eine optimale Schiffskörperform einschließlich des besten Verhältnisses der Hauptteile zu erhalten:

a) die technischen Daten eines Vorschiffes mit einem sich für gegebene Geschwindigkeit, Breite und Volumen ergebenden minimalen Wellenwiderstand,

. b) technische Daten über ein Hinterschiff oder Heckteil mit gutem Wirkungsgrad, bei dem der Zähigkeitswiderstand und die Eigenantriebsfaktoren berücksichtigt sind,.. . : ; .-.

c) technische Daten über die Berechnung des Zähigkeitswiderstandes einer bestimmten oder geplanten Schiffskörperform.

Demnach erfordert die Konstruktion eines Schiffskörpers entsprechend dem Schiffskörper-Teil-Prinzip weniger technische Daten aus systematischen Versuchsreihen im Hinblick auf die bestmögliche Schiffskörperform als bei den herkömmlichen Konstruktionsverfahren, bei denen der Wellenwiderstand als abhängig von der gegenseitigen Interferenz der vornehmlich am Bug, der vorderen Schulter, der hinteren Schulter und am Heck auftretenden Wellensysteme angenommen wurde.

Die vorstehend erläuterten Konstruktionsprinzipien wurden dazu benutzt, um Konstruktionsdaten über ein Vorschiff zu erhalten, das einen besseren Propulsionswirkungsgrad sowohl im Lastzustand als auch im Ballastzustand besitzt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht somit darin, ein Vorschiff für relativ langsame, sehr völlige Schiffe mit einem senkrechten und am Übergang zum Kiel abgerundet verlaufenden Vorsteven zu schaffen, das einen maximalen Propulsionswirkungsgrad sowohl im Vollast- als auch im Ballastzustand besitzt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß der senkrechte Vorsteven nur vom Kiel bis zu einer Stelle, die auf einer Wasserlinie des 0,4- bis 0,6fachen Ladetiefganges liegt, senkrecht verläuft, daß der Vorsteven die Ladewasserlinie an einer Stelle schneidet, die um eine Entfernung von 2 bis 5% der Länge zwischen den Loten hinter der Schnittstelle des senkrechten Vorstevens mit der Ladewasserlinie liegt, und daß der Vorsteven zwischen den Stellen erst in einer leicht konvex und dann in einer leicht konkav gekrümmten Kurve verläuft.

Wesentlich für die Erfindung ist es, daß sie nicht auf einen an sich bekannten, an den Schiffskörper angesetzten Bugwulst zurückgreift, sondern das Problem durch eine besondere Ausgestaltung des Vorschiffes löst. Während bei einer Fahrt eines mit einem Bugwulst versehenen Schiffes in rauher See infolge der Bewegungen des Schiffes die Nase des Wulstes austaucht und somit zu einer Erhöhung des Widerstandes führen kann, ist bei dem erfindungsgemäßen Vorschiff an dem unteren Vorschiffabschnitt eine Nase überhaupt nicht vorhanden. Bei Ballastfahrt hegt der untere senkrechte Vorschiffabschnitt etwa zu gleichen Teilen oberhalb und unterhalb der Ballastwasserlinie. Eine Vergrößerung des Wellenwiderstandes ist somit nicht möglich.

Die durch die Erfindung erzielbaren Vorzüge kommen insbesondere dann voll zum Tragen, wenn es sich um ein Vorschiff handelt, bei dem die Höhe des Schnittpunktes der Ballastwasserlinie mit dem Teil des unteren Vorschiffabschnittes 30 bis 50*/» der Höhe des Schnittpunktes der Ladewasserlinie mit dem Teil des oberen Vorschiffabschnittes beträgt und ein mit dem erfindungsgemäßen Vorschiff ausgerüstetes Schiff einen Blockkoeffizienten von mindestens 0,7 und eine Froudezahl bei vollbeladenem Zustand von unter 0,2 aufweist.

Durch Versuche wurde bestätigt, daß der Propulsionswiderstand eines Schiffskörpers mit einem erfindungsgemäßen Vorschiff durchschnittlich 10% geringer ist als der bei den herkömmlichen Konstruktionsverfahren, wobei die Vergleichskörper die gleiche Ballasttonnage aufwiesen und für die gleiche Dienst-J 5 geschwindigkeit ausgelegt waren. Der Propulsionswirkungsgrad im vollbeladenen Zustand wurde mehr verbessert als der im Ballastzustand. Bei normaler Leistung der Hauptantriebsmaschine ist die Geschwindigkeit im Ballastzustand im allgemeinen um ao 1,0 bis 1,2 Knoten größer als die Geschwindigkeit im Lastzustand. Bei einem Schiffskörper mit einem erfindungsgemäßen Vorschiff, bei dem der Propulsionswirkungsgrad im vollbeladenen Zustand wesentlich verbessert war, lag der Geschwindigkeitsunterschied der beiden Ladungszustände bei 0 bis 0,6 Knoten.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen des näheren erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die teilweise Seitenansicht eines Vorschiffs nach der Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen Vorschiff,

F i g. 2 eine Draufsicht auf die Wasserlinie der in F i g. 1 dargestellten Vorschiffe im vollbeladenen Zustand und im Ballastzustand,

Fig. 3 ein Diagramm der Vergleichskurven des Propulsionswirkungsgrades eines Schiffskörpers nach der Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen Schiffskörper,

F i g. 4 eine schematische Draufsicht auf einen Schiffskörper,

F i g. 5 ein die Abhängigkeit zwischen Geschwindigkeit und Wellenwiderstand am Beispiel eines Tankers veranschaulichendes Diagramm und
Fig. 6 die grafische Darstellung von Versuchsergebnissen, die bei Anwendung der vorliegenden Erfindung ermittelt wurden.

Der in F i g. 4 dargestellte Schiffskörper besteht aus drei Teilen, und zwar einem zylindrischen Mittelschiff 01, dessen Querschnittsform im wesentlichen konstant ist, einem Vorschiff 02 und einem Hinterschiff 03. Die Übergänge vom zylindrischen Mittelschiff 01 zum Vorschiff und zum Hinterschiff stellen die sogenannte vordere Schulter 04 und hintere Schulter 05 dar. Bisher wurde der Wellenwiderstand als abhängig von der gegenseitigen Interferenz der Wellensysteme betrachtet, die hauptsächlich am Bug 06, an der vorderen Schulter 04, an der hinteren Schulter 05 und am Heck 07 auftreten.
Es wurde jedoch im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß der wesentliche Wellenwiderstand nur am Vorschiff 02 auftritt, während er am Hinterschiff 03 ebenso wie entlang dem zylindrischen Mittelschiff 01 und damit auch die Interferenz dieser Wellenwiderstände vernachlässigt werden kann. Diese Tatsachen wurden durch Versuchsergebnisse bestätigt. Als Beispiel ist in F i g. 5 das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit und dem Wellenwiderstand

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eines 67 000-tdw.-Tankers dargestellt. Dabei sind vier gemäße Vorschiff auf einem herkömmlichen Schiffsverschiedene Meßreihen eingezeichnet, die die Er- körper 3 beruht, jedoch derjenige Teil des Vorgebnisse von Widerstandsversuchen an vier Groß- Stevens, der oberhalb der Wasserlinie 4 im vollmodell-Schiffen wiedergeben, die sich sämtlich hin- beladenen Zustand liegt, um einen Betrag D zurücksichtlich ihres Hinterschiffs voneinander unterschei- 5 genommen ist. Im vorliegenden Falle beträgt der den, jedoch alle ein ähnliches Vorschiff besitzen. Abstand D = 2 bis 5 % der Länge zwischen den Wie sich deutlich aus F i g. 5 ergibt, sind die Meß- Loten L_pp, wobei die Höhe h vom Schiffsboden zum werte für den Wellenwiderstand der Schiffskörper Punkt C das 0,4- bis 0,6fache des Tiefgangs H im einander im wesentlichen gleich. Daraus ergibt sich, vollbeladenen Zustand beträgt. Die für die Wahl vordaß der Wellenwiderstand der Schiffskörper im 10 stehender Werte maßgebenden Gesichtspunkte werwesentlichen nur von deren Vorschiff abhängt. In den nachfolgend des näheren erklärt.
Fig. 6 sind die Versuchsergebnisse wiedergegeben, Durch die unterschiedlichen Längen der im vollauf denen die vorliegende Erfindung beruht. Bei beladenen Zustand und Ballastzustand wirksamen diesem Diagramm ist auf der Abszisse der Völlig- Vorschifformen ergibt sich eine Vorstevenkontur mit keitsgrad des Vorschiffs dimensionslos aufgetragen, _l5 einem oberen Vorschiffabschnitt und einem unteren während auf der Ordinate die Länge d aufgetragen Vorschiff abschnitt. Bei Versuchen mit großen Modellist, die gleich der Längendifferenz ist, wenn das Vor- schiffen mit einem erfindungsgemäßen Vorschiff schiff im Ballastzustand langer ist als das Vorschiff ergab sich keine Interferenz zwischen den oberen und im vollbeladenen Zustand, so daß die Geschwindig- unteren Vorschiffabschnitten, vielmehr erhielt man keit im Ballastzustand bei normaler Leistung der 20 ausgezeichnete Werte für den vollbeladenen Zustand Hauptantriebsmaschine 1,0 Knoten höher ist als die und den Ballastzustand.

Geschwindigkeit im vollbeladenen Zustand. Dabei Im Diagramm der F i g. 3 ist die Wellenleistung

wurde angenommen, daß das Verhältnis m der Ver- über der Geschwindigkeit aufgetragen. Dieses

drängung im Ballastzustand zur Verdrängung im Diagramm zeigt den Propulsionswirkungsgrad im

vollbeladenen Zustand gleich 0,5 ist. Die Beziehung 25 vollbeladenen Zustand und im Ballastzustand, wobei

zwischen diesen Variablen wird an Hand einer Kurve der Wirkungsgrad eines Schiffskörpers mit erfin-

in Abhängigkeit von der Froudezahl F_nBF verdeut- dungsgemäßem Vorschiff dem eines herkömmlich

licht, die in bezug auf die Breite des Schiffes als gestalteten Schiffskörpers gegenübergestellt ist. Die

Parameter ausgedrückt ist. Wenn beispielsweise voll ausgezogenen Kurven Kl entsprechen einem

F_nBF = 0,46 ist, was einem üblichen Wert bei den 30 nach der Erfindung gestalteten Vorschiff, bei dem

gewöhnlichen Großtankern entspricht, und der D = 4%, bezogen auf L_pp, beträgt. Die gestrichelte

Völligkeitsgrad des Vorschiffs X_e* = 0,43 ist, dann Kurve K 2 und die strichpunktierte Kurve K 3 ent-

muß das Vorschiff im Ballastzustand so weit nach sprechen herkömmlichen Schiffskörperformen. Im

vorn herausragen, daß es um 2,7% Länge zwischen vollbeladenen Zustand ist der Propulsionswirkungs-

den Loten L_pp länger ist als die Länge im vollbelade- 35 grad des Schiffskörpers mit erfindungsgemäßem Vor-

nen Zustand. schiff beträchtlich höher als derjenige des der

In Fig. 1 ist das erfindungsgemäß gestaltete Vor- Kurve K2 entsprechenden herkömmlichen Schiffsschiff 1 eines Schiffs in voll ausgezogenen Linien körpers, entspricht aber etwa der Leistung des der dargestellt. Durch die strichlierte Linie und die Kurve K 3 entsprechenden herkömmlichen Schiffsstrichpunktierte Linie sind Vorschiffe 2 und 3 her- 40 körpers. Dasselbe gilt auch für den Ballastzustand, kömmlicher Schiffskörper angedeutet. wobei die Kurven 1 und 3 zusammenfallen.

In Fig. 2 entspricht die voll ausgezogene Linie la Daraus ergibt sich, daß der Propulsionswirkungs-

der Wasserlinie eines erfindungsgemäßen Schiffs- grad eines Schiffskörpers mit erfindungsgemäßem

körpers entsprechend der Wasserlinie 4 im voll- Vorschiff 1 sehr viel besser ist als derjenige des in

beladenen Zustand in Fig. 1. Die voll ausgezogene 45 herkömmlicher Weise gestalteten Schiffskörpers mit

Linie 1 b entspricht der Wasserlinie eines erfindungs- Vorschiff 2, der dieselbe Länge L_pp zwischen den

gemäßen Vorschiffs entsprechend der Ballastwasser- Loten besitzt, und daß er im wesentlichen gleich

linie 5 eines Schiffskörpers mit achterlastigem desjenigen des herkömmlichen Schiffskörpers mit

Trimm. Die strichlierte Linie 2b der Fig. 2 ent- Vorschiff 3 mit einer Länge von L₀₁, + D zwischen

spricht der Wasserlinie eines herkömmlichen Vor- 50 den Loten entspricht. Somit können bei Anwendung

schiffs 2 gemäß F ig. 1 entsprechend der Ballast- der Erfindung das Gewicht des Schiffskörpers und

Wasserlinie 5. Die strichpunktierte Linie 3 a der seine Konstruktionskosten erheblich verringert wer-

Fig. 2 entspricht der Wasserlinie eines herkömm- den.

liehen Vorschiffs 3 nach Fig. 1 entsprechend der Die Gründe für die obenerwähnte bestimmte BeWasserlinie 4 im vollbeladenen Zustand. 55 ziehung zwischen der Höhe h und dem Tiefgang H

Wie sich aus Fig. 1 ergibt, fällt bei einem erfin- im vollbeladenen Zustand ergeben sich aus folgendungsgemäß gestalteten Vorschiff der untere Teil des dem: Bei einem Schiffskörper der obenerwähnten Art Vorstevens, der durch die durch die Punkte C und E beträgt der durchschnittliche Tiefgang im Ballastverlaufende Kurve gekennzeichnet ist, mit der strich- zustand etwa 50% des Tiefgangs im vollbeladenen punktierten Linie des Vorschiffs 3 zusammen. Ein 60 Zustand. Er schwankt im Vorschiff von 30 bis 50 %, oberer Teil des Vorderstevens, der durch die durch weil solche Schiffe im allgemeinen mit vorderlastigem die Punkte F und A verlaufende Linie gekennzeichnet Trimm fahren. Außerdem steigt bei Vorwärtsist, fällt mit der strichlierten Linie des Vorschiffs 2 bewegung des Schiffs das Wasser am Schiffsbug zusammen. Ein Zwischenteil des erfindungsgemäßen etwas an. Unter Berücksichtigung dieser Tatsachen Vorstevens besteht aus zwei leicht gekrümmten 65 wurde der Wert h um 10 % des Lasttiefgangs größer Kurven, die vom Punkte zum PunktB bzw. vom als der Vordertiefgang im Ballastzustand festgelegt, Punkt B zum Punkt C verlaufen. bei 40 bis 60% des Tiefgangs im vollbeladenen

Aus vorstehendem ergibt sich, daß das erfindungs- Zustand.

Der Grund dafür, daß der Wert£> mit 2 bis 5% des Abstandes zwischen den Loten gewählt wurde, ergibt sich aus folgendem: Wenn der Abstand D kleiner ist als 2%, dann ist die angestrebte Wirkung der vorliegenden Erfindung kaum bemerkbar; ebenso wird, wenn D größer ist als 5°/o, der Auftrieb des getauchten Schiffskörperteils vergrößert. Demzufolge müssen die Schiffskörperteile im Bereich des Punktes A verstärkt werden, um dem verstärkten Auftrieb zu widerstehen. Daraus ergibt sich, daß eine Verringerung des Schiffskörpergewichts oder eine Materialersparnis nicht erreicht werden kann und die Kosten für das Schiff ansteigen. Darüber hinaus gilt, daß, je größer der horizontale Abstand vom Punkte zum Punkte (^ Abstand D) ist, desto geringer auch die Einsatzfähigkeit des Schiffes wird, weil Schwierigkeiten beim Manövrieren und Docken des Schiffes auftreten.

Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde angenommen, daß der Vorsteven, wie in Fig. 1 dargestellt, vom Punkt C senkrecht nach unten verläuft. Dieser Abschnitt kann jedoch auch ίο die Form einer gegenüber der Vertikalen um einen kleinen Winkel geneigten Geraden oder einer schwach gekrümmten Kurve annehmen, deren Radius sehr groß ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209 547/93

Claims (1)

1. Patentansp ruch:

   Vorschiff für relativ langsame, sehr völlige Schiffe mit einem senkrechten und am Übergang zum Kiel abgerundet verlaufenden Vorsteven, dadurch gekennzeichnet, daß der senkrechte Vorsteven (3) nur vom Kiel bis zu einer Stelle (C), die auf einer Wasserlinie des 0,4- bis 0,6fachen Ladetiefganges (H) liegt, senkrecht verläuft, daß der Vorsteven die Ladewasserlinie (4) an einer Stelle (A) schneidet, die um eine Entfernung (d) von 2 bis 5% der Länge zwischen den Loten hinter der Schnittstelle des senkrechten Vorstevens (3) mit der Ladewasserlinie (4) liegt, und daß der Vorsteven zwischen den Stellen (A) und (C) erst in einer leicht konvex (C-B) und dann in einer leicht konkav (B-A) gekrümmten Kurve verläuft.