DE1928869C - Verfahren und Einrichtung zur Her absetzung des Reibungswiderstandes von Wasserfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herabsetzung des Reibungswiderstandes eines Wasserfahrzeuges, wonach durch öffnungen in der benetzten Außenhaut ein den Widerstand herabsetzendes Additiv am Bug der Grenzschichtströmung zugegeben und am Heck aus der Grenzschichiströmung zumindest teilweise wieder entnommen wird.

Es ist bekannt, daß der Reibungswiderstand von Rohren, Platten und Körpern bei Wasserdurchströmung bzw. bei der Bewegung im Wasser erheblich vermindert werden kann, wenn dem Wasser gewisse Additive beigegeben werden. Als Beispiel.; für derartige Additive, die sich für diesen Zweck als besonders geeignet erwiesen haben, sind Polyäthylenoxyd, Polyacrylamid und Folyvinyipyrolidon aber auch Hydroxyäthylzellulosc und Natrium-Karboxymethylzellulose und andere zu nennen. Es ist weiterhin bekannt, daß diese Zusatzstoffe lediglich in der längs des umströmten Körpers sich ausbildenden Grenzschicht notwendig sind.

So ist schon eine Anordnung zur Herabsetzung des Reibungswiderstandes eines Schiffes bekanntgeworden (USA.-Patentschrift 3 289 623), bei der im Bugbereich des Schiffes Additive durch Auslaßöffnungen ausgestoßen werden, die sich dann längs des Schiffsrumpfes in unkontrollierter Weise verteilen. Bei dieser bekannten Anordnung wird im Heckbereich des Schiffes die Grenzschicht mit dem darin enthaltenen Additiv abgesaugt und zwecks Rückgewinnung des Additivs über eine Filter- oder andere Trennanlage geleitet.

*" Bei einem anderen bekannten Verfahren (deutsche Auslegeschrift 1283 694) wird versucht, die die Außenhaut des Wasserfahrzeugs umgebende Grenzschichtströmung in laminarem Zustand zu halten und ein Umschlagen in den turbulenten Zustand zu ver-

hindern. Zu "diesem Zweck soll das Additiv bewußt nur an denjenigen Stellen zugeführt werden, an denen die Laminarsiromung in eine Turbulenzströmung umzuschlagen sucht.

Auch eine andere schon bekanntgewordene Einrichtung (belgische Patentschrift 647 962) verfolgt den Zweck, die Bewegung eines Körpers im Wasser auch dort laminar zu halten, wo sie normalerweise turbulent wäre. Dazu soll aber hier zwischen der Körperoberfläche und dem Wasser eine Schicht viskoser

jo Flüssigkeit vorhanden sein, die beispielsweise durch eine den Schiffskörper umgebende feste, poröse Außenhaut durchsickert. Die Ausbildung einer solchen durchlässigen Außenhaut, die im Abstand von dem eigentlichen Schiffskörper angeordnet wird, ist

auch aus einer anderen Anordnung (USA.-Patentschrift 3 213 819) bekannt. Dort wird aber zur Reibungsverminderung keine Addiiivzugabe, sondern Iediaüch eine Grenzschichtabsaugung vorgenommen, um eine laminare Grenzschichtströmung aufrechtzuerhalten.

Es ist auch eine Einrichtung zur Verringerung des Reibungswiderstandes für ci.i Schiff bekannt (deutsche Patentschrift 67 003), dessen Außenhaut eine perforierte äußere Hülle, aus der Öl austritt, und eine tragende innere Hülle aufweist. Auch die Herstellung von Kapillar-Membranen ist an sich bekannt, wobei die örtliche Änderung eier Durchlässigkeit mit verhältnismäßig einiachen Mitteln zu erreichen ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herabsetzung des Reibungswiderstandes eines Wasserfahrzeuges durch Zuführung von Additiven in die Grenzschichtströmung der benetzten Außenhaut zu schaffen, bei dem die verbrauchte Additivmenge bei Erzielung eines günstigen Reibungswiderstandes möglichst niedrig ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß an jeder Stelle der benetzten Außenhaut soviel Additiv zugegeben oder entnom-

5^ men wird, daß dort eine Additivkonzentration erhalten bleibt, die einen günstigen Reibungswiderstand ergibt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sieht vor, daß die öffnungen zur Zugabe bzw. Entnahme des Additivs in der äußeren Hülle solche Abstände und Querschnitte aufweisen, daß eine konstante Additivkonzentration an jeder Stelle erreicht wird, d. h. die der Außenhaut zugeführte Additivmenge sich mit dem Grenzschichtmassenstrom längs der Außenhaut des Fahrzeuges ändert. Die Erfindung versucht im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen nicht, die Grenzschichtströmung irr. laminaren Zustand zu halten. Sie geht vielmehr von der Erkenntnis aus, daß der Widerstand eines im Wasser bewegten oder vom Wasser angeströmten Körpers bei einer bestimmten Additiv-Konzentration in der Grenzschicht besonders klein wird. Die Höhe dieser optimalen Werte der Additiv-Kon-

tentration können jedoch sehr unterschiedlich sein und hängen wesentlich von der Art des verwendeten Additivs ab.

Eine optimale Additiv-Konzentration in der gesamten Grenzschichtströmung und damit ein aünstiü- $ter Widerstandswert des ganzen Körpers kann aber wegen des sich entlang der Körperaußenhaut ändernden Grenz. Lhichtmassenstromes nur dann erzielt werden, wenn in der Grenzschichtströmune durch eine Ständige örtliche Additiv-Zugabe bzw." -Abführung die Additiv-Konzentration auf dem optimalen Wert Konstant gehalten wird. Die örtliche Additiveinaabe entlang der Außenhaut muß dazu also in dergleichen Weise erfolgen, wie sich der Grenzschichtmasscnstrom längs des Körpers ändert.

Di: dadurch begründete Notwendigkeit einer bereichsweisen Steuerung der Additiv eingabe führt dazu, daß in bestimmten Körperbereichen Additive zugegeben werden, in anderen Bereichen eine Eingabe unterbleibt und in wieder anderen Ad iitise abzusaugen sind. Unabhängig davon erlaubt eine Absaugung der Grenzschicht in einem bestimmten Bereich des Wasserfahrzeuges eine teilweise Rückgewinnung der Additiv-Lösung und vermindert außerdem in an sich bekannter Weise zusätzlich den Widerstand des Kör pers.

Die für einen guten Widerstandswert einzuhaltenden optimalen Additiv-Konzentrationen lassen sich nun an Hand von Modellversuchen ermitteln, ebenso wie das Verhalten des Grenzschichtmassenstromes entlang der Außenhaut eines Schiffskörpers. Aus diesen Werten wird dann die an jeder Stelle der Außenhaut jeweils zuzusetzende Additivmenge bestimmt und danach die Durchlässigkeit der Außenhaut (Dichte und Größe der Öffnungen je Längeneinheit) gewählt. In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Außenhaut aus Lochblenden oder Kapillar-Membranen besteht, die in an sich bekannter Weise im Abstand zu einer dichten Körperhülle des Fahrzeuges angeordnet sind.

Um die zur Förderung der Additive notwendigen Energien einzusparen, können gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung an sich bekannte Entnahmeöffnungen im Körper des Fahrzeuges zur Entnahme von Wasser aus der Umgebung vorgesehen sein, die mit einem Behälter zwecks Mischung der Additivlösung verbunden sind, und es kann die Förderung der Addit'vlösung durch die Offnungen in der Außenhaut unter Ausnutzung des dynamischen Druckgefälles zwischen den Öffnungen erfolgen. 5,.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

F i g. I eine Teilansicht eines Schiffskörpers mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig, 2 ein Ausschnitt der Außenhaut im Bugbereich des Schiffskörpers und

F i g. 3 einen vergrößerten Ausschnitt der äußeren Hülle der Außenhaut.

In Fig. 1 ist in einer schematischen Ansicht der Teil eines Schiffskörpers 5 dargestellt, dessen innere Hülle 6 eine im Abstand angeordnete, für Additive bzw. Additiv-Lösungen durchlässige äußere Hülle 7 aufweist. Die längs der Außenhaut des Schiffskörpers 5 sich ausbildende Grenzschicht 11 ist nur beispielhaft in drei verschiedene Bereiche 1,2 und 3 aufgeteilt, wobei im Bereich 1 der Grenzschichtmassenstrom zunehmen, im Bereich 2 konstant bleiben und im Bereich 3 abnehmen möge. Damit nun gemäß der Erfindung eine über den gesamten Bereich der Grenzschichtströmung konstante optimale Additiv-Konzentration erhalten bleibt wird demzufolge im Bereich 1 der Grenzschicht laufend Additiv zugeführt und im Bereich 3 Additiv, allerdings zusammen mit Grenzschichtwasser, abgesaugt, während im Bereich! w;-der eine Zu- noch eine Abführung des Additives erfolgt.

Die Zuführung der Additive im Bereich 1 der Grenzschicht 11 geschieht dabei in der Weise, daß über eine Entnahmeleitung 13 im Bug des Schiffskörpers Wasser aus dem Staudruckbereich entnommen wird, dem in einem Behälter 12 Additiv zugefügt wird, und daß diese Additiv-Lösung über Zuleitungen 10 in Hohlräume 9 zwischen der inneren Hülle 6 und der äußeren Hülle 7 unter Ausnutzung des an dem Schiffskörpers infolge der Umströmung entstehenden dynamischen Druckgefäß selbsttätig gefördert wird, von wo sie schließlich in die G/enzschicht 11 austritt. Die Durchlässigkeit der äußeren Hülle 7. die durch die Größe der Öffnungen und ihren gegenseitigen Abstand veränderbar ist. ist dabei örtlich entsprechend uer Zunahme des Grenzschichtmassenstromes gewählt, bü daß die Additiv-Konzentration in der Grenzschicht in optimaler Höhe konstant gehalten wird.

In einem mittleren Bereich 17 des Schiffskörpers 5. der dem Bereich 2 der Grenzschicht 11 entspricht, weist die Außenhaut keine Öffnungen zur Additiv-Förderung auf. da in diesem Bereich der Grenzschichtmassenstrom konstant bleibt und folglich auch keine Änderung der Additiv-Konzentration auftreten kann, so daß auch eine Zu- oder AKührung von Additiven nicht erforderlich ist.

Erst im heckseitigen Bereich des Schiffskörpers 5 ist wieder die durchlässige äußere Hüi.o7 im Abstand zu der festen inneren Hülle 6 angeordnet. Dieser Teil entspricht dem Bereich 3 der Grenzschicht 11. in dem verzögerte Strömung herrscht und der Grenzschichtmassenstrom abnimmt. Hier soll gemäß der Erfindung die Grenzschicht teilweise abgesaugt werden, um auf diese Weise auch hier die Additiv-Konzentration konstant zu halten. Dazu wird in einer Kammer 15, beispielsweise mit Hilfe einer hier nicht dargestellten Pumpe, ein Unterdruck erzeugt, durch den das Grenzschichtvolumen durch die durchlässige äußere Hülle 7 und die Leitungen 14 gesaugt wird. Mit 16 soll eine Filter- oder Trennanlage angedeutet sein, die das Additiv aus dem Wasser-Additiv-Gemisch ausscheidet, das dann dem Behälter 12 zur erneuten Wiederverwendung zugeleitet werden kann. Auf diese Weise, d. h. durch Rückgewinnung zumindest eines Teils der ausgestoßenen Additivmenge, wird eine rentable Lösung für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herabsetzung ds Reibungswiderstandes von Wasserfahrzeugen möglich.

Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß dann, wenn auf die Additiv-Rückgewinnung verzichtet werden kann, auch von der im Bereich 3 vorgesehenen Grenzschichtabsaugung überhaupt abgesehen werden kann, zumal der sich am heckseitigen Teil des Schiffskörpers ergibende Reibungswiderstand ohnehin wesentlich kleiner als der sich in den Bereichen 1 und 2 ergebende Widerstand ist. Eine nicht genaue Einhaltung der optimalen Additiv-Konzentration in dem Bereich 3 würde also keinen erwähnenswerten Nachteil bringen.

In der F i g. 2 ist ein Ausschnitt aus dem Bugbe-

reich des Schiffskörpers 5 dargestellt. Daraus ist zu erkennen, daß der Zwischenraum zwischen der festen inneren Hülle 6 und der beispielsweise aus Lochblenden oder Kapillar-Membranen mit der örtlich erforderlichen Durchlässigkeit gefertigten äußeren Hülle 7 durch Versteifungen 8 in mehrere, untereinander verbundene Hohlräume 9 aufgeteilt ist. In diese Hohlräume 9 wird das vorgemischte Additiv durch eine entsprechende Anzahl von Zuleitungen 10 zugeführt. Die Durchlässigkeit der äußeren Hülle 7 ist dabei variicrt, daß durch den Austritt der Additivlösung in der Grenzschicht längs des Schiffskörpers überall eine konstante Additiv-Konzentration von optimaler Höhe eingestellt wird.

Die F i g. 3 schließlich zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der durchlässigen äußeren Hülle 7, die aus Kapillar-Membranen besteht. Die Durchlässigkeit dieser Kapillar-Membranen kann dadurch verändert werden, daß entweder die Durchmesser d ihrer Kapillare 21 oder deren Abstände oder aber beide Größen verändert werden.

Die notwendige mechanische Festigkeit dieser Kapillar-Membranen kann durch Armierungen 20 bewirkt werden, die in die Membranen hineingepreßt werden oder in die die Membranen bei ihrer Herstellung hineinwachsen. Der Abstand der einzelnen Stege dieser Armierungen, die z. B. aus einem Draht-, Glasoder Kunstsloffgefleclit bestehen, ist groß gegenüber den Abständen der einzelnen Kapillaren 21, so daß durch das zufällige Verschließen einzelner Kapillaren 21 die Versorgung der Grenzschicht 11 mit der erforderlichen Additivmenge nicht beeinträchtigt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 928 S69 Patentansprüche:

1. Verfahren zu^r Herabsetzung des Reibungswiderstandes eines Wasserfahrzeuges, wonach durch öffnungen in der benetzten Außenhaut ein den Widerstand herabsetzendes Additiv am Bug der Grenzschichtströmung zugegeben und am Heck aus der enzschichtströmung zumindest teilweise wieder entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Stelle der benetzten Außenhaut soviel Additiv zugegeben oder entnommen wird, daß dort eine Additivkonzentration erhalten bleibt, die einen günstigen Reibungswiderstand ergibt.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens n;ieh Anspruch 1. mit einer dichten, tragenden inneren Hülle, die im benetzten Teil der Außenhaut des Wasserfahrzeuges angeordnet ist, und einer darüberliegenden, mit öffnungen versehenen äußeren Hülle, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände (a) und Querschnitte (rf) der öffnungen so bemessen sind, daß die Additivzugabe oder -entnahme eine konstante Additivkonzentration an jeder Stelle gewährleistet.

3. Einrichtung nach Anspruch ?., dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülle (7) aus Lochblenden oder Kapiü^rmembranen besteht.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülle (7) an sich bekannte Entnahineürfnungcn (13) aufweist, die zur Aufnahme von Wasser Jienen. welches zu einem Behälter (12) zur Mischung mit dem Additiv unter Ausnutzung des dynamischen Druckgefälles geleitet wird.