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Vorrichtung zum Verringern des Wellenwiderstands eines
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Wasserfahrzeugs Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum
Verringern des Wellenwiderstands eines Wasserfahrzeugs.
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Wie besonders deutlich bei einem Hochgeschwindigkeits-Containerschiff
zu erkennen und in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, erzeugt ein Wasserfahrzeug
1 während der Fahrt im allgemeinen auseinanderlaufende Heckwellen, einschließlich
örtlicher nichtlinearer Stoßwellen, wie es durch die gestrichelte Linie 2a dargestellt
ist, hinter dem Heck und in dessen Nähe. Dadurch ergibt sich ein Wellenwiderstand,
der die Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs verringert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Verringern
des Wellenwiderstands am Heck eines Wasserfahrzeugs anzugeben, um die Geschwindigkeit
des Wasserfahrzeugs zu steigern.
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Die erfindungsgemäß Lösung ist in Anspruch 1 gekennzeichnet.
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Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der
Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1
eine Seitenansicht eines Hecks mit einem Ausführungsbeispiel, Fig. 2 eine Draufsicht
der Fig. 1, Fig. 3 den Querschnitt III-III nach Fig. 2, Fig. 4 ein Diagramm der
Ergebnisse von Untersuchungen an einem Modell-Wasserfahrzeug in einem Wasserbehälter,
Fig. 5- eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels, Fig. 6 den Horizontalschnitt
VI-VI nach Fig. 5, Fig. 7 den Querschnitt VII-VII nach Fig. 6, Fig. 8 ein Kurvendiagramm
von Wellenwiderständen, Fig. 9 bis 11 Heck-Seitenansichten bei anderen Ausführungsbeispielen,
Fig. 12 (A) und 12 (B) Seitenansichten zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der
Ausführungsbeispiele nach den Fig. 9 bis 11,
Fig. 13 eine Seitenansicht
eines weiteren Ausführungsbeispiels, Fig. 14 eine Unteransicht des Ausführungsbeispiels
nach Fig. 13, Fig. 15 ein Kurvendiagramm von Wellenwiderständen, Fig. 16 eine Seitenansicht
eines weiteren Ausführungsbeispiels und Fig. 17 (A) und 17 (B) Draufsichten auf
Wasserfahrzeuge zur Erläuterung der Definition der Breite des hinteren Endteils
eines Rumpfes an der Vollast-Wasserlinie.
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In den Fig. 1 bis 3 bezeichnen 2a den Umriß von Heckwellen, die aus
der Wasseroberfläche 2 hinter dem Wasserfahrzeug 1 in der Nähe des Endes seines
Hecks auf und um die Mittellinie des Wasserfahrzeugrumpfes herum aufsteigen, und
2b die Grenzlinien auf der rechten und linken Seite der auseinanderlaufenden Heckwellen.
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Ein Schwimmkörper 3, nachstehend "Schwimmer" genannt, in Form einer
Platte wird an Seilen 4 mitgeschleppt, um die Heckwellen 2a zu unterdrücken. Der
Schwimmer 3 wird an einer solchen Stelle gehalten, daß er das Aufsteigen der Wellen
2a am Anfangsteil der aufsteigenden Wellen wirksam verhindert, wobei die Entstehungsstelle
von der Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs, der Form des Hecks und anderen Faktoren
abhängt, gewöhnlich jedoch in unmittelbarer Nähe des Wasserfahrzeugs an seinem hinteren
Ende liegt. Der Schwimmer 3 wird genau auf dem Oberflächenbereich der Wellen nachgeschleppt,
so daß er den richtigen Bereich von der Oberseite her vollständig und etwas weiter
abdeckt.
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Aus diesem Grunde hat der Schwimmer 3 eine Länge L, die wesentlich
kleiner als die des Wasserfahrzeugs 1 ist, und eine Breite B, die ebenfalls kleiner
als die des Wasserfahrzeugs, jedoch hinreichend größer als die mittlere wirksame
Breite 2c (der Abstand zwischen der rechten und linken Grenzlinie 2b) der Wellen
2a ist. Sodann taucht der Schwimmer 3 nicht unter das Wasser, sondern gleitet stabil
auf der Wasseroberfläche, wobei vorzugsweise wenigstens sein Vorderteil wie der
eines Schlittens nach oben gebogen und seine Unterseite eben ist.
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Wenn der Schwimmer 3 richtig ausgebildet und schneller als mit einer
bestimmten Geschwindigkeit gezogen wird, wird zumindest ein wesentlicher Teil seines
Gewichts durch den dynamischen Druck des Wassers ausgeglichen bzw. aufgehoben, so
daß er nicht weit in das Wasser eintaucht. Er gleitet daher mit seiner Unterseite
auf der Wasseroberfläche, so daß er das Aufsteigen des Wassers in diesem Bereich
verhindert. Durch das Verhindern der rückwärtigen Dispersion der Heckwellen verhindert
er mithin Energieverluste, d.h.
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die Energie wird wiedergewonnen.
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Wie schon erwähnt wurde, kann die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe
durch einen Schwimmer gelöst werden, der hinreichend breit ist, eine ebene Unterseite
aufweist und auf der Wasseroberfläche gleitet, während er so gehalten und angeordnet
ist, daß seine Unterseite die unmittelbare Umgebung des vorderen Endes der Heckwellen
von oben abdecken kann. Ferner kann der Abstand zwischen dem Schwimmer und dem Wasserfahrzeug
während der Fahrt gleichlaufend mit einer Verschiebung der Aufstiegsstelle des Wassers
und in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs verändert werden,
indem die Länge der Seile 4 entsprechend angepaßt wird.
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Fig. 4 verdeutlicht das Ausmaß der Verringerung des Heckwellenwiderstands
und die Steigerung der Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs, wie sich zum Teil aus
Versuchen mit einem Modell in einem Wasserbehälter ergab. Bei dem Modellfahrzeug
handelte es sich um ein Container-Wasserfahrzeug mit einer Länge von 190 m zwischen
senkrechten Linien, einer Breite von 27 m und einem Tiefgang von 7 m. Die Kurven
Nr. 1 bis 3 zeigen den Zusammenhang zwischen der Fahrzeuggeschwindigkeit und der
erforderlichen Leistung der Hauptmaschine bei einer Länge L und Breite B des Schwimmers
von jeweils 8 m x 8 m, 12 m x 8 m und 12 m x 12 m, während die Kurve Nr. 4 diesen
Zusammenhang ohne einen derartigen Schwimmer darstellt.
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Wie Fig. 4 anhand der Kurve 3 für den Schwimmer mit den Abmessungen
von 12 x 12 m zeigt, wird die Geschwindigkeit bei einer Betriebsleistung von 23
000 w.H.P.
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um 0,4 Knoten gesteigert.
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Ferner kann die Wirkung des Schwimmers hinsichtlich der Verringerung
des Heckwellenwiderstands entweder durch Verwendung eines leichten Materials und
Mechanismus oder durch Begrenzung der Zunahme des Reibungswiderstands des Schwimmers
im Wasser, der durch das Wasserfahrzeug mitgeschleppt oder an diesem aufgehängt
wird, erreicht werden, indem dafür gesorgt wird, daß der Mechanismus oder Aufbau
das zusätzliche Gewicht des Schwimmers verringert und er außerdem so geformt wird,
daß der Reibungswiderstand auf ein Minimum verringert wird.
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Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel hat das Wasserfahrzeug einen Rumpf,
der eine Vollast-Wasserlinie definiert und einen hinteren Teil aufweist, so daß
die Vollast-Wasserlinie einen am weitesten hinten liegenden Punkt hat, wobei mindestens
ein Wellenbildner
an dem hinteren Teil des Rumpfes vorgesehen und
sich über den hintersten Punkt der Vollast-Wasserlinie hinaus erstreckt und zumindest
teilweise unterhalb der Vollast-Wasserlinie liegt, so daß er Wellen erzeugt, die
zu den durch den hinteren Teil des Rumpfes erzeugten Wellen gegenphasig sind und
sich diesen überlagern, so daß die resultierenden Wellen am hinteren Teil des Wasserfahrzeugs
verringert sind.
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Vorzugsweise erstreckt sich der Wellenbildner um nicht weniger als
1 °X0 der Rumpflänge über den hintersten Punkt der Vollast-Wasserlinie hinaus. Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Ausführung kann der Wellenbildner ein Glied
mit einem stromlinienförmigen Horizontalschnitt aufweisen. Die Länge dieses Gliedes
kann 1 % oder mehr und vorzugsweise etwa 3 °%O der Rumpflänge betragen. Die Breite
des Gliedes kann in Abhängigkeit von der Form und der Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs
gewählt sein, beträgt jedoch vorzugsweise etwa 1 % der Rumpflänge. Stattdessen kann
der Wellenbildner auch die Form einer flachen oder ebenen Platte oder eines Drehkörpers
mit einer sich in Längsrichtung erstreckenden Drehachse aufweisen.
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Der Wellenbildner oder das Wellenbildungsglied kann mit dem Heckteil
des Rumpfes hinter der Schiffsschraube und in der Nähe der Wasserlinie verbunden
sein, so daß er sich von dieser nach hinten erstreckt. Das Glied kann aus irgendeinem
geeigneten Material hergestellt sein, z.3. aus Blech mit hinreichender Festigkeit.
Die Anzahl der Wellenbildungsglieder ist nicht beschränkt. Wenn nur ein Glied vorgesehen
ist, sollte es längs der sich in Längsrichtung des Rumpfes erstekkenden Rumpfmittellinie
angeordnet sein. Wenn mehrere Glieder vorgesehen sein sollen, sollten sie in Querrichtung
nebeneinander und symmetrisch in Bezug auf die in Längsrichtung und vertikal verlaufende
Mittelebene des Rumpfes angeordnet sein. Das Wellenbildungs-
glied
ist so ausgerichtet, daß seine Längsachse mit der Längsmittellinie des Rumpfes zusammenfällt
oder parallel zu dieser verläuft. Das Glied kann am Schiffskörper oder Rumpf des
Wasserfahrzeugs angeschweißt oder durch andere geeignete Mittel befestigt oder durch
eine geeignete Halterungseinrichtung zurückziehbar daran angebracht sein.
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Insbesondere nach den Fig. 5 bis 7 ist bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel
ein Heckendbulbus oder Wellenformungsglied 14 am Heck des Wasserfahrzeugs befestigt.
Wie Fig. 5 zeigt, hat das Wasserfahrzeug einen Rumpf 11 mit einem Propeller 2 (einer
Schiffsschraube) und einem Ruder am Heckteil. Der Rumpf 11 definiert oder begrenzt
eine Vollast-Wasserlinie 15, die die hintere Kontur des Rumpfes am Punkt 16 schneidet.
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Wie die Fig. 5 und 6 zeigen, erstreckt sich der Wellenbildner 14 längs
der Mittellinie 17 des Rumpfes 11 nach hinten über den hintersten Punkt 16 um eine
Strekke a hinaus, und er hat eine maximale Breite oder Dicke b. Das Glied 14 erstreckt
sich von der Wasser linie 15 aus um eine Strecke c nach oben und um eine Strecke
d nach unten. Vorzugsweise beträgt die Länge a etwa 3 % der Gesamtlänge des Rumpfes
11, während die Naße b, c und d jeweils etwa a/4, a/3 und a/2 betragen. Das Glied
14 kann am hinteren Endteil des Rumpfes 11 angeschweißt sein.
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Wie Fig. 6 zeigt, hat der Wellenbildner 14 einen vorderen Endteil,
dessen beide Seitenlinien die Seitenlinie des Rumpfes 11 schneiden, ohne sich zu
diesem in einer stetigen Kurve fortzusetzen. Das Glied 14 hat einen stromlinienförmigen
Horizontalquerschnitt. Der Horizontal querschnitt in Höhe der Wasserlinie 15 hat
zwei Seitenlinien, die sich stetig krümmen und allmählich
zu ihrem
hinteren Ende zusammenlaufen.
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Wie Fig. 7 zeigt, hat der Wellenbildner 14 einen Vertikalquerschnitt,
dessen unterhalb der Wasserlinle 15 liegender Teil sich stetig und allmählich nach
unten hin verjüngt.
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Bei dieser Ausbildung erzeugt das Glied 14 Wellen, die gegenphasig
zu den vom Heckteil des Rumpfes 11 erzeugten sind und sich zu diesen überlagern,
so daß die Gesamtwellen und die auf das Wasserfahrzeug ausgeübten Zugkräfte verringert
werden.
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Fig. 8 stellt Wellenwiderstandskurven dar, die bei Schleppversuchen
und durch Messung der auf Wasserfahrzeuge ausgeübten Zugkräfte ermittelt wurden.
In Fig.
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8 ist auf der Ordinate der Beiwert Cw des Wellenwiderstands und auf
der Abszisse die Froude-Zahl Fr dargestellt, die der Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs
entspricht. Die Kurve e stellt die Zugkräfte auf ein herkömmliches Wasserfahrzeug
ohne den Wellenbildner 14 und die Kurve f die Zugkräfte auf ein Wasserfahrzeug mit
dem Wellenbildner 14 dar. Wie Fig. 8 zeigt, kann der Wellenwiderstand in einem bestimmten
Betriebsgeschwindigkeitsbereich bei einem Wasserfahrzeug mit dem Wellenbildner 14
um etwa 15 % verringert werden.
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Fig. 9 zeigt einen Schwimmer 22, der an einer Stange 23 angebracht
und mitgeschleppt wird, die mit ihrem vorderen Ende an der Unterseite des Hecks
21 angelenkt ist. Der Schwirnmer 22 hat entweder die Form eines Fisches, einer Träne
oder einer langgestreckten Kugel oder eines anderen stetig gekrümmten Körpers. Die
Stange 23 kann an dem Rumpf lösbar befestigt sein.
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Fig. 10 (a) zeigt einen anderen Schwimmer 22, der am hinteren Ende
einer Stange 24, die vom Heck nach
hinten ragt, aufgehängt ist.
Die Stange 24 kann ausgefahren oder eingezogen, angehoben oder abgesenkt werden.
Fig. 10 (B) zeigt eine schwenkbar gelagerte Stange 24'. Der Schwimmer 22 kann angehoben
und auf dem Deck des Wasserfahrzeugs untergebracht werden.
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Fig. 11 zeigt einen weiteren Schwimmer 22, der durch das Heck 21 an
einem Seil 25 nachgeschleppt wird, das verlängert oder verkürzt werden kann, um
den Schwimmer an der optimalen Stelle zu halten. Der Schwimmer besteht vorzugsweise
aus flexiblem Material, das aufgeweitet und zusammengezogen werden kann. Der Schwimmer
kann durch einen Kran oder ein anderes Mittel an Bord gehievt werden.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 9 bis 11 erzeugt der Schwimmer
zwangsläufig Wellen, die weitgehend gegenphasig zu den vom Heck des Wasserfahrzeugs
während der Fahrt erzeugten Wellen sind, wobei der Schwimmer in einem weitgehend
eingetauchten oder teilweise eingetauchten Zustand gehalten wird. Dadurch werden
die durch den Schwimmer erzeugten Wellen den vom Heck des Wasserfahrzeugs erzeugten
Wellen überlagert und der sich mit dem Tiefgang und der Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs
ändernde Wellenwiderstand verringert.
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Dieser Effekt ist in den Fig. 12 (A) und 12 (B) veranschaulicht. Der
Schwimmer22 ist so bemessen, daß er teilweise eingtaucht ist und die Heckwelle 26
und die durch den Schwimmer erzeugte Welle 28 einander entgegenwirken, um eine ebene
Wasserfläche zu bilden.
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Der Abstand zwischen dem Schwimmer 22 und dem Heck 21 wird in Abhängigkeit
von der Fahrzeuggeschwindigkeit eingestellt. Da der Schwimmer nicht am Rumpf befestigt
ist, kann sich seine Höhenlage dem Tiefgang des Rumpfes anpassen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel in der Form einer Platte oder eines
Vorsprungs ist am hintersten Teil des Schiffes angebracht und zumindest auf seiner
Unterseite eben. Diese Vorrichtung ist besonders geeignet, wenn die Heckwellen in
dem sich in Linien in seitlicher Richtung erweiternden Bereich auftreten und das
Heck ein besonders breites Ende in Höhe der Vollast-Wasserlinie aufweist.
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Versuche in einem Wasserbehälter haben die Wirksamkeit dieser Vorrichtung
bestätigt. Die Fig. 13 und 14 stellen eine grobe Skizze des Versuchsmodells dar,
bei dem ein zusätzlicher Körper A so angebracht war, daß seine Unterseite unterhalb
der Vollast-Wasserlinie horizontal lag. Zwischen der Unterseite des zusätzlichen
Körpers und der Unterseite des Hecks bestand ein Abstand von 5 m. Ohne diesen zusätzlichen
Körper entstehen viele Wellen und Wirbel unmittelbar hinter dem Heck, die einen
Strudel bilden. Durch die Anbringung des zusätzlichen Körpes mit den Wellen und
Wirbelströmen entsprechenden Abmessungen in dem Bereich, in dem diese Wellen und
Wirbelströme erzeugt werden, so daß seine Unterseite unterhalb der Wasseroberfläche
liegt, wird der Erzeugung der Wellen und Wirbelströme entgegengewirkt. Diese Untersuchungen
hatten zusammengefaßt folgende Ergebnisse: Die Hauptabmessungen des Modellschiffes
waren L x B x d = 148 m x 21,2 m x 6,5 m. Eine ebene Platte in der Größe von 5 m
x 8 m war so angebracht, daß ihre Unterseite etwa 0,5 m unterhalb der Vollast-Wasserlinie
lag. Bei der Nenngeschwindigkeit des Schiffes von 23,3 Knoten (Froude-Zahl: 0,309),
gemessen mit dem zusätzlich angebrachten Körper, ergaben sich im Vergleich zu dem
Fall ohne diesen zusätzlichen Körper folgende Werte:
k Cw Cwp Cts
ohne zusätzlichen Körper 0,33 2, r9O 1,10 2,572 mit zusätzlichem Körper 0,28 1,65
0,98 2,342 Die prozentuale Verbesserung durch den zusätzlichen Körper im Vergleich
zum dem Fall ohne zusätzlichen Körper beträgt dann: 1. Gleichrichtung der Wasserströmung
am Heck k = -15 % 2. Wellen, die einen linearen Widerstand bewirken Cwp = -11 O,o/
3. Örtliche nicht-lineare Wellen, die einen Widerstand bewirken Cw = -35 % 4. Gesamtwiderstand
Cts = -9 % (siehe Fig. 15) Diese Untersuchungen haben gezeigt, daß die Breite des
zusätzlichen Körpers 50 bis 10 Vo der Breite B des Hecks am hinteren Ende der Vollast-Wasserlinie
und die Länge 1 bis 3 % der Rumpflcnge (zwischen senkrechten Linien des Rumpfes)
betragen sollte. Der zusätzliche Körper sollte ohne Abstand vom Heck an der Außenseite
der Rumpfwand angebracht sein, auf der Unterseite eben, zumindest angenähert horizontal
eben, sein und mit der Unterseite einige Hundert Millimeter unterhalb der Wasseroberfläche
liegen. Wenn der zusätzliche Körper wesentlich tiefer liegt, hat er offenbar nicht
die Wirkung, daß die Heckwellen und Wirbelströme verringert werden.
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Fig. 16 stellt. ein Ausführungsbeispiel (ial^, bei dem arn hinteren
Teil 31 des Rumpfes Stangen oder Arme 34 vorstehend befestigt sind, so daß der zusätzliche
Körper A am unteren Ende einer Stange 35 gehalten und auf- und abbewegbar ist, um
den Tiefgang der Unterseite des zusätzlichen Körpers einzustellen. Wenn der zusätzliche
Körper so angebracht ist, daß er auf die Längsseite des Außenhecks herumgeschwenkt
werden kann,. kann er auf dieser Längsseite aufbewahrt werden, wenn er nicht benutzt
wird.
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Die Fig. 17 (A) und 17 (B) zeigen zwei typische Formen des Hecks in
Höhe der Vollast-Wasserlinie, die die Breite B des hinteren Endes des Schiffes als
Bezugsgröße für die Breite des zusätzlichen Körpers definiert.
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Dieses Ausführungsbeispiel wird auf der Außenseite der Außenwand des
Hecks auf der mittellinie des Rumpfes installiert und hat eine weitgehend ebene
Unterseite. Die Unterseite hat eine Breite von etwa 50 bis 100 % der i>reite
B des hinteren Endteils des Rumpfes und eine Länge von etwa 1 bis 3 % der Rumpflänge
(zwischen senkrechten Linien gemessen). Die Vorrichtung verringer-t den Widerstand
des Rumpfes und wird einige 100 mm unterhalb der Vollast-Wasserlinie angeordnet.