DE19546305A1 - Schnelles Zweirumpf-Binnen-Schiff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Zweirumpfschiff, das mit hoher Geschwindigkeit auf flachem Wasser mit bestimmter durchschnittlicher Wassertiefe ohne Wellenwiderstand fahren kann. Hier wird ein unbekannter Mechanismus einer günstigen Interferenz der Schiffswellen in flachem Wasser, sowie eine dafür entwickelte Theorie verwendet (Chen & Sharma "Superconductivity of shallow channels for ships at supercritical speeds" in Manuskript). Die Interferenz ist bei Modellversuchen und bei numerischen Berechnungen wesentlich deutlicher als bei anderen Schiffswellenproblemen in tiefem Wasser.

Grundsätzlich wird bei der Erzeugung von Wellen Energie verbraucht, was sich letztlich in Form des Wellenwiderstandes bemerkbar macht und als Vortriebsenergie verloren geht. Bei schnellen Binnenschiffen ist Wellenwiderstand noch größer. Er kann über 50% vom gesamten Widerstand erreichen. In flachem Wasser ist die Tieffroudezahl für den Wellenwiderstand entscheidend. Die Tieffroudezahl wird definiert durch F_nh = U/, wobei U die Schiffsgeschwindigkeit, g die Gravitationskonstante und h die Wassertiefe ist. F_nh=1, d. h. U = , ist die sogenannte kritische Geschwindigkeit. F_nh<1 bzw. <1, d. h. U< bzw. U< heißt unterkritisch bzw. überkritisch. Eine Übersicht über den Wellenwiderstand des normalen Schiffes ist von Graff "Untersuchungen über die Ausbildung des Wellenwiderstandes im Bereich der Stauwellengeschwindigkeit in flachem, seitlich beschränktem Fahrwasser", Schiffstechnik 1962, Bd. 9, S. 110-122, gegeben. Im unterkritischen Fall bildet das Schiff ein kelvinisches Wellensystem. Im Gegensatz dazu bildet es im überkritischen Fall eine völlig anderes Wellensystem, das Ähnlichkeiten mit schrägen Stoßschallwellen, die von 2-D Tragflächen mit Überschallgeschwindigkeit erzeugt werden, aufweist. Daher gibt es charakteristische Linien und Lösungen. Die Erfindung behandelt den Katamaran in überkritischem Geschwindigkeitsbereich.

Man hat festgestellt, daß bei konventionellen Katamaranen mit symmetrischen Rümpfen bei einer optimalen überkritischen Geschwindigkeit die günstige Interferenz schon deutlich auftritt, dies ist jedoch noch nicht weithin bekannt. Dabei trifft ein Wellenberg des Bugs des einen Rumpfes ein Wellental des Hecks des anderen Rumpfes, sie kompensieren sich teilweise. Wie von Chen & Sharma berichtet, erreicht die Reduktion des Wellenwiderstands verglichen mit dem Einrumpfschiff bei Modellversuchen und numerischen Berechnungen schon 30%. Theoretisch kann die Reduktion des Wellenwiderstands dieses Katamarans nicht über 50% betragen. Daraus entwickelte sich eine bemerkenswerte Idee in diesem Patent, daß der Katamaran keinen Wellenwiderstand haben muß, d. h. daß durch geeignete Wahl der Querschnittflächen und durch passende Krümmung der Schwimmkörper, eine hundertprozentige Reduktion möglich ist.

Der Mechanismus ist durch Fig. 1 gezeigt, daß der Wellenberg des einen Vorderkörpers und das Wellental des anderen Hinterkörpers sich vollständig kompensieren. Der Erfinder hat schon die Theorie dafür entwickelt, aber er betont hier nicht die Theorie, sondern, den Gegenstand des Schiffs als ihres Resultat.

Wie in Fig. 1 dargestellt und in Anspruch 2 beansprucht ist, wird jeder Schwimmkörper durch folgende Formel gekrümmt:

wobei Θ(x) der Tangentialwinkel der Mittellängsebene des Schwimmkörpers zur Fahrrichtung , S(x) die Verteilung der dimensionlosen Querschnittsfläche, C(x) der dimensionlose transversale Versperrungskoeffizient und ϕ|_y=0+, hC(x) und hϕ, respektive. x ist auch mit h dimensionlos gemacht. Die Verteilung der Querschnittflächen (Anspruch 4) ist vorgeschrieben durch

S(x) = S_a(x) - S_a(l/2),

wobei

und

Dazu angehöriges Potential an der Innenseite des Schwimmkörpers bekommt man durch die Theorie:

F_nh, A und x₁ sind frei zu wählen für Entwurf eines Schiffs. F_nh, A (0<A<(F-1)/4F_nh) und x₁ sind entscheidend für die Schiffsgeschwindigkeit, die Schiffsverdrängungsvolumen und die Schiffslänge (l ≈ 5x₁), respektive. S_a(x) dehnt sich theoretisch bis ins Unendliche aus. In der Praxis kann man jedoch mit vielen Verfahren einen endlich langen Schwimmkörper erzeugen. Hier ist ein Konstant S_a(l/2) von S_a(x) abgezogen, damit S(l/2)=S(-l/2)=0. Wenn Spantlinie jedes Querschnittes gegeben ist, ist damit die Wasserlinie auch schon bestimmt.

Auch der Versperrungskoeffizient kann durch Potentialtheorie approximativ angegeben werden, siehe Taylor 1973 "The blockage coeffizient for flow about an arbitrary body immersed in a channel" J. Ship Res. 17, 97-105:

wobei b(x) dimensionlose Halbbreite, c(x)=1-d(x) dimensionloser Bodenabstand des Kiels und d(x) dimensionloser lokale Tiefgang ist. Aber dieser theoretische Wert wird besonders im hinteren Teil des Rumpfes vom tatsächlichen Wert abweichen, da sich dort die Strömung schon vom Rumpf abgelöst hat. Um die Aufgabe zu erleichtern und um den Versperrungskoeffizient zu vergrößern bzw. den gekrümmten Winkel zu reduzieren, ist Anspruch 3 notwendig (Fig. 2). Man kann also zunächst einen geeigneten Versperrungskoeffizient angeben. Dieser Wert kann durch Regulierung der Fläche des vertikalen Flügels erreicht werden. Die tatsächliche Flügelfläche kann in Modellversuchen empirisch ermittelt werden. Die Maßnahme ist insbesondere wichtig wenn Tiefgang/Tiefe 0.6, da in diesem Fall der ursprüngliche Versperrungskoeffizient des Rumpfes ohne Flügel relativ klein ist und damit der Tangentialwinkel der gekrümmten Mittellängsebene zu groß ist.

Physikalische und praktische Bedeutungen dieser Maßnahmen sind folgende: Ansprüche 2 und 3 bewirken, daß das Schiff keine oder fast keine Wellen an der Außenseite erzeugt. Aus Anspruch 4 ergibt sich, daß zwischen den beiden Schwimmkörpern die Wellen vom Vorderteil des einen Rumpfes von den Wellen des Hinterteils des anderen Rumpfes aufgehoben werden. Damit hat das Schiff keinen bzw. fast keinen Wellenwiderstand, also ist der Gesamtwiderstand maximal minimiert. Folglich benötigt es in einem bestimmten Geschwindigkeitbereich für höhere Geschwindigkeiten sogar weniger Motorleistung als für geringere Geschwindigkeiten. Außerdem hat es auch noch eine umweltschützende Wirkung, da auch am Flußufer keine Wellen auftreten. Deshalb ist es offensichtlich, daß das Zweirumpfschiff gegenüber anderen Binnenschiffen im großen Vorteil liegt.

Die Ansprüche 2, 3 und 4 miteinander verbunden garantieren, daß Anspruch 1 erreicht werden kann. Also ist Anspruch 1 ein Resultat der Ansprüche 2 bis 4. Auf der anderen Seite können Ansprüche 2 und 3 getrennt von Anspruch 4 verwendet werden, wenn man ein vorhandenes Modell eines Katamarans praktisch verbessern möchte. D. h. wenn die Querschnittsfläche der Schwimmkörper, die Wasserlinie, usw. erhalten bleiben und nur die Rümpfe geeignet gekrümmt und vertikale Flügel am Kiel angebracht werden, kann sich der Wellenwiderstand offenbar schon um über 50% reduzieren.

Möchte man Schiffe in nicht genügend flachem Wasser den Wellenwiderstand völlig eliminieren, müßte der Abtriftwinkel relativ groß und der Schwimmkörper stark gekrümmt sein. Dann löst sich die Strömung noch stärker vom Schwimmkörper ab, wodurch sich der Reibungswiderstand vergrößert und der Gesamtwiderstand nicht minimiert wird. Die Strategie zur Anwendung des Patents in diesem Fall muß daher folgende sein: der Wellenwiderstand wird nicht vollständig, sondern nur soweit verringert, daß der Reibungswiderstand unverändert bleibt. Experimente (Chen & Sharma 1994 "Nonlinear theory of asymmetric motion of a slender ship in a shallow channel", Proc. 20th Symposium on Naval Hydrodynamics, Santa Barbara) zeigten, daß der Reibungswiderstand tatsächlich konstant bleibt, wenn der Abtriftwinkel kleiner als vier Grad beträgt.

Ein Ausführungsbeispiel ist hier durchgeführt. Die durchschnittliche Wassertiefe h beträgt 5 m, die entworfene Tieffroudezahl ist 2, d. h. die Schiffsgeschwindigkeit U beträgt 50,4 km/h. Die Hauptdimension des Katamarans sind: Schiffslänge 60 m, Tiefgang 3 m, Breite 5,698 m, Mittelquerschnittfläche 15,658 Quadratmeter, Verdrängungsvolumen 2×464,2 Kubikmeter und Abstand zwischen den beiden Rümpfen 15,8 m. Die Parameter seien daher gewählt mit F_nh=2, x₁=2,5 und A=0,25. Spantlinien sind durch eine Exponentialfunktion angegeben

y = ±b(x) (1-exp{-f(x)[z+d(x)]}),

wobei b(x) die Halbbreite, z=-d(x) das Kiellinie, und f(x)=20 sech(0.3x) eine Parameterfunktion ist. Wenn A (0<A<(F-1)/4F_nh=0.375) sich ändert, als andere Parameter F_nh und x₁ sowie Wassertiefe h, Schiffslänge L und Tiefgang T in Konstanten verbleiben, folglich ändern die Schiffsbreite B, Mittelquerschnittfläche S_m, Verdrängungsvolumen eines Schwimmkörpers V, Abstand zwischen den beiden Rümpfen W, C_p=V|(S_mL) und C_B=V|(BTL) sich, wie gezeigt in folgender Tabelle.

Tabelle 1

Fig. 3 zeigt (a) die gesamte geometrische Anordnung des Katamarans, die gekrümmte Mittelängsebene und die Wasserlinie, sowie (b) das Kielprofil, (c) die Verteilung der dimensionlosen Querschnittfläche, (d) die Spantlinien und (e) der angegebene Versperrungskoeffizient. Der Versperrungskoeffizient des vorderen Schwimmkörpers ist genau genug. Der des hinteren Teils des Schwimmkörpers muß noch durch Regulierung der Fläche des vertikalen Flügels erreicht werden. Die Fläche kann nur durch Modellversuche ermittelt werden. Obwohl S(x) symmetrisch zur Mittelquerschnittsebene ist, kann b(x) noch asymmetrisch sein, weil insbesondere im Hinterteil, für die Montage des Propellers und des Ruders, d(x) asymmetrisch gewählt ist. Fig. 4 zeigt in diesem Fall ein räumliches Bild des gekrümmten Schwimmkörpers und des ursprünglichen geraden Schwimmkörpers.

Claims (4)

1. Das Zweirumpfschiff (Katamaran) wird insbesondere für bestimmte geringe Wassertiefen und eine dazu passende hohe Geschwindigkeit (überkritische Geschwindigkeit) entworfen. Dieser Schiff hat fast keinen Wellenwiderstand, so daß sein gesamter Widerstand maximal minimiert wird. Damit benötigt es in einem bestimmten Geschwindigkeitbereich für höhere Geschwindigkeiten sogar weniger Motorleistung als für geringe Geschwindigkeiten. Die Wellen existieren nur lokal zwischen den zwei Rümpfen. An den Außenseiten sowie hinter dem Schiff treten fast keine Wellen auf.

2. Das Zweirumpfschiff ist dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellängsebene eines Schwimmkörpers nach einer angegebenen Regel gekrümmt ist. Die asymmetrischen Rümpfe sind zur gemeinsamen Mittelängsebene spiegelsymmetrisch.

3. Zusätzlich zu Anspruch 2 wird in der Mittellängsebene der Schwimmkörper direkt am Kiel ein zur Krümmung passender vertikaler Flügel angebracht. Damit erreicht man geeignete transversale Versperrungseffekte, so daß an der Außenseite keine oder fast keine Wellen auftreten.

4. Querschnittfläche jedes Schwimmkörpers entlang seiner eigenen Längsachse ist nach einer mathematischen Formel vorgeschrieben, die Spantlinien der Querschnitte, bzw. die Wasserlinienform, bleiben frei wählbar. Zwischen den beiden Schwimmkörpern werden die Wellen vom Vorderteil des einen Rumpfes vom Hinterteil des anderen Rumpfes aufgehoben.