DE3010431A1

DE3010431A1 - Einrichtung zur verringerung des oberflaechenreibungswiderstandes bei stroemungskoerpern

Info

Publication number: DE3010431A1
Application number: DE19803010431
Authority: DE
Inventors: Johann B. Dr.-Ing. 8000 München Endres
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-03-19
Filing date: 1980-03-19
Publication date: 1981-09-24

Description

Einrichtung zur Verringerung des Oberflächenreibungswiderstandes
bei Strömungskörpern Die Erhöhung der Fahrtgeschwindigkeit bei eingetauchten Schiff s-und Strömungskörpern durch Reduzierung des Widerstandes ist an einer Grenze angelangt, die mit konventionellen Verfahren nicht überschrit ten werden kann und eines der schwierigsten Probleme in der Schiffstechnik darstellt. Der Grund liegt darin, daß bei Erhöhung der Geschwindigkeit der Widerstand wächst, und die Antriebsleistung mit der dritten Potenz der Geschwindigkeitserhöhung zunimmt. Eine Reduzierung der Antriebsleistung ist nur durch Verringerung des durch die Oberflächenreibung verursachten Widerstandes möglich, da die Oberflächenreibung den hauptteil des Gesamtwiderstandes bildet. zeigt koventionellen Mitteln ist der Reibungswiderstand nicht zu beeinflussen.
Nachdem bekannt geworden ist, daß Fische die i?ä.higkeit iJesitzens den Oberflächenwiderstand durch Beschleunigung oder Abstoßung der Grenzschicht zu beeinflussen, und insbesondere bei Delphinen Geschwindigkeiten von 80 km/h und mehr festgestellt wurden, die mit den konventionellen Berechnungsverfahren nicht zu erklären sind, wurden Sinrichtungen verschiedenster Art vorgeschlagen , um den Oberflächenreib ungswiderstand bei Strömungskörpern und Wasserfahrzeugen durch Abstoßung der Grenzschicht zu reduzieren.
In der Patentschrift 959 347 wird ein Verfahren bescJirieben,bei welchem untertäudruck stehendes flüssiges oder gasförmiges Medium an die Flachen niederen Druckes zur Beschleunigung oder Ablösung der Grenzschicht geleitet wird. Die Patentschrift 1 o83 664 beschreibt ein Verfahren, bei welchem ein federnder Überzug auf die Oberflache des umströmten körpers mit einer bestimmten Energieabsorbsion ind einem bestimmten Elastizitätsmodul aufgebracht ist. in der Patentschrift 1 956 760 wird ein elektrisches Verfahren beschrieben, bei welchem für die Wandung des umströmten körpers ein elektrokinetischaktives Material verwendet wird. Diese Vorschläge haben wegen des großen und komplizierten Bauaufwandes nicht zum Erfolg geführt.
Nachfolgend wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches geeignet erscheint, den Widerstand bei StröIiungskörpern und insbesondere bei Wasserfahrzeugen durch Verringerung der Oberflächenreibung zu reduzieren. Das Verfahren besteht darin, daß die an den Wandungen des eingetauchten Schiffskörpern haftende Grenzschicht abgestoßen wird undzwar durch Einleitung von Druckgas zwischen Schiffswand und Grenzschicht, wodurch eine stabile Gasfront gebildet wird, die eine direkte Berührung von Schiffswand und Flüssigkeit verhindert bzw. reduzierte Damit wird die Oberflächenreibung und der Widerstand des Strömungskörpers verringert Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand eines Strömungskörpers als Doppelwand unter Bildung eines mit Druckgas gefüllten Zwischenraumes ausgeführt ist, und die äußere Wandung der Doppelwand düsenartige Bohrungen Schlitze oder Ausflußxanule besitzt, durch welche das Druckgas ausströmt, die Grenzschicht zur Ablösung bringt und eine stabile Gasfront zwischen Außenwand und Grenzschicht aufbaut.
In den Zeichnungen sind Beispiele der Erfindung dargestellt. Die Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt, es sind lediglich die zum Verständnis des Erfindungegedankens erforderlichen technischen Merkmale gezeigt.
Fig. 1 zeigt die Doppelwand mit düsenartigen Bohrungen in der Außenwand Fig. 2 zeigt die Doppelwand mit einer porösen Außenwand Fig..3 zeigt die Doppelwand mit Ausströmschlitzen in der Außenwand Fig. 4 zeigt einen Vertikalschnitt durch die Doppelwand In Fig. 1 wird Druckgas durch das ;;uführungsrohr 1 in den von der inneren Schiff swand 2 und der äußeren Schiffswand 3 gebildeten iwischeinraum 4 und durch die in der äußeren Schiffswand 4 angeordneten düsenartigen Bohrungen 5 in das Fahrwasser geleitet. Das beim Anfahren im Zwischenraum 4 befindliche Wasser wird n1itgefördert. Das durch die Düsen ausströmende Druckgas stößt auf die den Oberflächenreibungswiderstand verursachende GXenzschicht 6 und bringt diese zur Beschleunigung und Ablösung.
In Fig 2 wird Druckgas durch das Zuführungsrohr 7 in den durch die innere Schiffswand 8 und die äußere Schiffswand 9 gebildeten Zwischenraum 10 und durch die aus porösem Material bestehende äußere Schiffswand 1o auf die Grenzschicht 11 geleitet, welche beschleunigt und abgelöst wird.
In Fig. 3 wird Druckgas durch das Zuführungsrohr 12 in den durch die innere Schiffswand 13 und die äußere Schiffswand 14 gebildeten Zwischenraum 15 und durch durch die Schlitze 16 in die Grenzschicht 1f, welche beschleunigt und abgelöst wird.
In Fig 4 zeigt die Bchiffsdoppelwand mit unterteilten Zwischenräumen.
Durch die Zuführungsrohre 17 wird Druckgas in die von der inneren Schiff jwand 18 und der außeren Schiffswand 19 gebildeten und von Trend wänden 20 voneinander getrennten Zwischenräumen 24 und durch düsenartige Bohrungen 22 in deräußeren Schiffswand 19 auf die Grenzschicht 23 geleitet, welche beschleunigt und abgelöst wird.
Eine optimale Abstoßung der Grenzschicht bei Schiffen mit großem Tiefgang ist abhängig von der gleichmäßigen Ausströmungdes Druckgases aus den Düsen. L)ie gleichmäßige Gasauaströmung aus den Düsen ist abh..ngig vom süsenuruckverhältnis insbesondere vom Gegendruck der Garen2 schicht, welcher sich mit dem Tiefgang des Strömungskörpers ändert und die Gasausströmgeschwindigkeit und das Ausströmvolumen bestimmt.
Da das Druckgas aen Weg des geringsten Widerstandes nimmt, verlagert sich die Hauptauaströmung des Druckgases bei konstanten Düsenquerschnitten an die Wasseroberfläche, wo der Druck in der Grenzschicht ein Minimumerreicht, und das Düsendruckverhältnis und damit die Ausströmgeschwindigkeit und das Ausströmvolumen einem Maximum zustreben.
ur Erreichung einer gleichmäßigen Gasausströmung aus den düsen in die Grenzschicht bei veränderlichen Jüsendruckverhältnissen und Ausströmgesohwindigkeiten werden die Düsenquerschnitte zur Sicherstellunl gleicher Ausströmvolumen den veranderlichen Düsendruckverhältnissen angepaßt d.h vergrößerte Düsenquerschnitte mit abnehmenden Düsen druckverhältnissen und größerem Tiefgang. Damit wird eine optimale Wirkungsweise der Grenzschichtabstoßung gewährleistet. Aus Festigkeit; gründen ist die Anordnung von horizontalen Trennwä-nden erforderlich, wodurch eine Abgrenzung der Jüsenreihen gleichen Ouerschnitts vone.inander erfolgt. Damit wird gleichzeitig die gleichmäßige Gasausströmund aus den Düsen zusätzlich gesichert.
Der besondere Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß die erforderliche Energie zur Ablösung der Grenzsciiicht in der Abgas energie der Schiffsmaschinen zur Verfügung steht, und daß also keine zusätzliche Leistung zum Aufbau der Gasfront zwischen Schiffsaußenwand und Grenzschicht erSorr!erlich ist. Die zum Aufbau und zur Stabilisierung der Gasfront erforderlichen thermodynamischen Werte von Druck und Volumen liegen unterhalb der Werte von Brennkraftmaschinen insbesondere von Gasturbinen.
Das Verfahren findet vorzugsweise bei Strömungskörpern mit parallelen Außenwänden Anwendung, bei denen die Grenzschichtablösung keine negative Beeinflussung des Profilwiderstandes bewirken kann.
Anstelle des Abgases kann Stauwasser aus der Staudruckzone den Strömungskörpers. in-die Zwischenräume zwischen Schiffsinnenwand und Außenwand und durch die Düsen in die Grenzschicht geleitet werden, wodurch diese beschleunigt und abgelöst wird. Durch Mischung mit Abgas kann das in den Zwischenraum eingeströmte Stauwasser zur Verdampfung gebracht worden, sodaß ein Gemisch aus Dampf und Abgas aus den Düsen in die Grenzschicht strömt und diese beschleunigt bzw. qblöst.
kieses Verfahren hat den Vorteil, daß außer dem Oberflächenreibungswiderstand zusätzlich auch der Profilwiderstand des Strömungskörpers verringert wird. In diesem Fall muß die Abgasenergie auf die Stauwasserenergie eingestellt werden, damit eine stabile Gasfront zwischen Schiff swand und Grenzschicht entsteht.
,ur Sichorung der Leitungskanäle und Rohre für Abgas und Staumedien sind diese zeit zweckentsprechenden Vorrichtungen gegen rücklaufende Strömungen ausgerüdtet.
Als Antriebsmaschine für einen Strömungskörper mit Gas-Trennschicht zwischen Außenwand und Grenzschicht kommt vorzugsweise eine Gasturbine infrage, deren Abgaswerte, Druck und Volumen den Werten der abgelösten Grenzschicht weitgehend entsprechen, wobwi der niedrige Wirkungsgrad der Gasturbine durch die Ausnutzung der Abgasenergie zum Aufbau der Gas-Trennschicht und der damit verbundenen Verringerung der Oberflächenreibung und der Antriebsleistung ganz erheblich verbessert werdeh kann.

Claims

P a t e n t a n 11 s p r ;. c w e Anspruch 1 Einrichtung zur Verringerung es Oberfl.chenreibungswiderstandes dadurch gekennzeichnet, daß curie Grenzschicht eines eingetauchten Strömungskörpers durch eiii asf örlilige s oder f3 üßiges medium beschleunigt oder abgelöst wird.

Anspruch 2 Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den eingetauchten Wanuungen eines Strömungskörpers unu seiner Grenzscllicht eine stabile Druckgasschicht entsteht.

Anspruch 3 Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand eines Strömungskörpers als Doppelwand unter Bildung eines mit Jruckgas gefiillten Zwischenraumes ausgebildet ist, und Qie äußere Wand mit düsenartigen Bohrungen oder Schlitzen versehen ist, durch welche das Druckgas in die Grenzschicht ausströmt unu diese beschleunigt und zur Ablösung bringt.

Anspruch 4 Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand eines Strömungskörpers als Doppelwand unter Bildung eines mit druckgas gefüllten z;wischenraumes ausgebildet ist, und die äußere Wand als poröse iand ausgebildet ist, durch welche das Druckgas in die Grenzschicht ausströmt und diese beschleunigt und zur Ablösung bringt.

Anspruch 5 Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß unter Staudruck stehenues Ströniungsmedium aus der Staudruckzone des Strömungskörpers in den Zwischenraum zwischen der inneren und äußeren Wand des Strömungskörpers und durch Bohrungen, bzw. Schlitze oder poröse Wandungen in die Grenzschicht desStrömungskörpers und diese beschleunigt und zur Ablösung bringt.

Anspruch 6 Einrichtung nach Anspruch 1 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß unter Staudruck stehendes Strömungsmedium aus der Staudruckzone und Abgas von der Antriebsmaschine in den Zwischenraum zwischen der inneren und äußeren Wand des Strömungskörpers und durch Bohrungen, Schlitze oder poröse Wandungen als Jampf-Gas-Gemisch in die Grenzschicht es Strömungskörpers geleitet und diese beschleunigt und zur Ablösung bringt.

snspruch 7 Einrichtung nach Anspruch 1 - 6 dadurch gekennzeichnet, daß die in den Zwischenraum führenden Abgas- und Staudruckkanäle mit zweckentsprechenden Steuereinrichtungen z.B. Rück -schlagventile, Klappen etc. gegen rückläufige Strömungen gesi -chert sind0 Anspruch 8 Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Zwisciienraum zwischen äußerer und innerer Wand des Strömungskörpers in vertikal unter-teilte Einzelraume aufgegliedert ist, die durch Rohrleitungen mit Druckgas gefüllt werden, welches durch iSohrungen, Schlitze bzw. zweckentsprechende Öffnungen in der Außenwand in die Grenzschicht des Strömungskörpers ausströmt und diese beschleunigt bzw. zur Ablösung bringt.