DE3333803A1

DE3333803A1 - System zur verringerung des vortriebwiderstandes von wasserfahrzeugen

Info

Publication number: DE3333803A1
Application number: DE19833333803
Authority: DE
Inventors: Manuel Madrid Munoz Saiz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-09-24
Filing date: 1983-09-19
Publication date: 1984-03-29
Also published as: GB2128154A; SE8304978L; SE8304978D0; FR2533528A1; GB8325550D0; JPS5977993A

Description

System zur Verringerung des Vortriebwiderstandes von Wasserfahrzeugen

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Verringerung oder Beseitigung des Vortriebwiderstandes oder Stirnwiderstandes von Wasserfahrzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wasserfahrzeuge zu schaffen, die sich mit höheren Geschwindigkeiten bei größerem Wirkungsgrad und einer entsprechenden Energieeinsparung bewegen, und zwar aufgrund der Beseitigung oder Verringerung des Vortrieb- oder Stirnwiderstandes, der der Bewegung des Wasserfahrzeuges durch das Wasser hindurch entgegenwirkt, wobei dieser Widerstand durch Reibung, die Bildung von Wellen, die Viskosität und dergleichen hervorgerufen wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße System weist äußere Elemente auf, die gegenüber dem Wasserfahrzeug beweglich sind und die mit der Struktur des Wasserfahrzeuges verbunden sind. Diese äußeren Elemente weisen ausreichende Auftriebsoder Schwimmeigenschaften auf, damit sie ihrerseits das Gewicht des Wasserfahrzeuges im Wasser tragen, so daß ein vollständiger oder fast vollständiger Fortfall der eingetauchten Oberfläche des Rumpfes ermöglicht wird, der traditionell als Auftriebsoberfläche für ein Wasserfahrzeug verwendet wird.

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Die beweglichen äußeren Elemente sind durch drehbare Schwimmer oder durch Schwimmer gebildet, die entlang eines geschlossenen und vorzugsweise kreisförmigen Weges beweglich sind. Der Grundgedanke der Erfindung besteht in dem Ersatz der üblichen tragenden Rumpfoberfläche eines Wasserfahrzeuges durch ein bewegliches Schwimm- oder Auftriebssystem, das die Form eines Rades, einer Turbine, eines Propellers und dergleichen aufweisen kann.

Dieses bewegliche Auftriebssystem kann zusätzlich zum Tragen des gesamten Wasserfahrzeuges gleichzeitig als Antriebssystem dienen. Wenn das Auftriebs- oder Schwimmsystem nicht selbst das Antriebssystem bildet, so dreht es sich nicht. Das Wasserfahrzeug weist dann ein unabhängiges übliches Vortriebsystem auf.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Systems führt dazu, daß ein Wasserfahrzeug zu einem Landfahrzeug äquivalent wird. Das erfindungsgemäße System ersetzt die Reibungswirkung des Rumpfes auf das Wasser durch eine angenäherte Rollwirkung, die durch die beweglichen äußeren Schwimmelemente erreicht wird.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Systems wird der Rumpf des Wasserfahrzeuges praktisch auf einen Stabilisationskiel reduziert.

Aufgrund der Vergrößerung des Wirkungsgrades, der mit dem erfindungsgemäßen System erzielt wird, können, wenn Motoren mit sehr hoher Drehzahl verwendet werden, Propeller-Vortriebsysteme verwendet werden, die von den Auftriebs- oder Schwimmereinrichtungen getrennt sind.

Diese Systeme können direkt auf die Luft einwirken, ohne daß sie große Untersetzungsgetriebe benötigen, wie dies bei bekannten Schiffen mit großer Tonnage erforderlich ist.

Bei Landfahrzeugen ergeben sich keine Verluste aufgrund des Gleitens der Räder über den Boden. Praktisch die gesamte Nutzenergie wird auf den Radantrieb des Fahrzeuges übertragen, mit Ausnahme des Falls von lockerem, sandigem oder lehmigem Boden.

Im Wasser kann die Bewegung eines Schiffes als ähnlich der Vorwärtsbewegung eines Wasserstrahls mit Hilfe eines Propellers, einer Turbine usw. betrachtet werden, wobei sich eine entsprechende Reaktion des Schiffes in der entgegengesetzten Richtung ergibt. In dem Fall, in dem keine Wassermasse vorhanden ist, auf die der Wasserstrahl wirkt und gegen das sich das Schiff vorwärtsbewegt, was der getrennten Auslegung des Schiffes und des Wasserstrahls entspricht, so ist der mechanische Impuls identisch zur Bewegungsgröße;, weil für jede Wirkung eine gleiche und entgegengesetzte Gegenwirkung vorhanden ist. Wenn .die Masse des Schiffes gleich der Masse des vorwärtsbewegten Wassers ist, so bewegen sich beide mit der gleichen Geschwindigkeit und Kraft in entgegengesetzter Richtung. Die halbe aufgebrachte Energie geht jedoch verloren und diese Hälfte geht unabhängig von dem Verhältnis zwischen dem Gewicht des Schiffes und dem Gewicht des vorwärtsbewegten Wassers verloren. Wenn zu diesem Zeitpunkt eine Wand aufgebaut wird, auf die der Wasserstrahl auftrifft, so würde die gesamte aufgebrachte Energie ausgenutzt werden, so daß doppelt soviel Energie ausgenutzt würde ,

wie mit einem freien Strahl, wenn sich keine Halterungspunkte ergeben. Wenn diese Wand durch Wasser ersetzt wird, so ergibt sich, wenn das Wasser durch den Wasserstrahl vorwärtsbewegt wird, nicht die Ausgangsleistung wie bei der Wand, doch ist die Ausgangsleistung bei freiem Fall wesentlich größer.

Bei Wasserfahrzeugen .mit Paddeln ist der Schlupf um so kleiner, je größer die Paddeln sind.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Systems beruht auf der Tatsache, daß eine erhebliche Verbesserung unter Verwendung von Einrichtungen bekannter Konstruktionen erzielt wird, wobei es möglich ist, einen klaren Vorteil und einen Nutzen für den verfolgten Zweck zu erzielen.

Ein Beispiel für eine Konstruktion wird weiter unten beschrieben, woraus sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Systems entnehmen lassen. Die Bedeutungen der im folgenden verwendeten Symbole sind:

EHP = effektive Leistung oder Vorschubleistung für eine Bewegung mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit',

IHP = Nennleistung der Antriebsmaschine

(die an den Zylindern der Antriebsmaschine gemessene Leistung),

T HP = Leistungsverluste der Antriebsmaschine und der übertragung zum Propeller,

P HP s Leistungsverluste der Antriebseinheit (Propeller),

R_fHP = zur Überwindung des Reibungswiderstandes R_f erforderliche Leistung,

R HP = zur Überwindung des durch die Bildung

von Wellen hervorgerufenen Widerstandes R erforderliche Leistung,

R HP =. zur Überwindung des auf der Viskosität beruhenden Widerstandes R_v erforderliche Leistung,

R HP = zur Überwindung des sich aus dem fron-

talen Auftreffen von Luft ergebenden Widerstandes R erforderliche Leistung,

el

R HP = zur Überwindung des auf eine Schaufel

in vertikaler Richtung wirkenden Widerstandes erforderliche Leistung.

Angenäherte Werte der verschiedenen Widerstände, die auf den Rumpf des Wasserfahrzeuges als Funktion seiner Geschwindigkeit einwirken, sind im folgenden angegeben,

Niedrige Ge	Mittlere Ge	Hohe Ge
schwindigkeit	schwindigkeit	schwindigkeit
70% R_t	45% R_t	25% R_t
23% R_t	45% R_t	' 60% R_t
5% R_t	5% R_t	' 5% R_t
2% R	5% R_t	; io% R_t

Bei Wasserfahrzeugen ist IHP = T_rHP + EHP, und weil EHP = R_fHP + R_vHP + Η_&ΗΡ ist, entspricht EHP angenähert 50% von IHP, so daß sich die folgende Beziehung ergibt:

IHP = T_rHP + P_rHP + R_fHP + R_wHP + R_vHP + R_aHP, wobei T HP und P_rHP angenähert 20 bzw. 30% von IHP entsprechen.

Durch die Beseitigung des Widerstandes (R_f + R + R) mit dem erfindungsgemäßen System ergibt sich ein um den Faktor η verringerter Gesamtwiderstand. Daher ist die erforderliche oder Nennleistung IHP/n.

Andererseits verschwindet bei Fortfall des Propellers der Vorschubausdruck: P HP, der 30% von IHP entspricht. An dessen Stelle sind jedoch die Verluste in dem neuen Vorschubsystem R HP zu setzen (durch vertikale Bewegung des Wassers). Der Wert von R HP ist jedoch auf ungefähr 10% von IHP im Fall der Verluste von tankartigen Schwimraersystemen und im Fall von Schaufeln verringert, die durch vertikales Auftreffen auf das Wasser mit einem Querschnitt minimalen Widerstandes wirken, so daß sich eine Vergrößerung des Wirkungsgrades ergibt.

Die vorstehende Gleichung reduziert sich damit bei dem erfindungsgemäßen System auf IHP = T HP +.R HP + R HP. Die zufälligen Widerstände aufgrund, von Windeinflüssen, der Seebedingungen usw. wurden hierbei nicht berücksichtigt.

Als Beispiel für die Verringerung der Nennleistung IHP sei folgendes Beispiel angenommen:

IHP = 100 PS bei einem Schiff mit mittlerer Geschwindigkeit.

Damit ergibt sich:

IHP = T HP + P HP ■
r r

100 = 20 + 30 + 22,5 + 22,5 + 2,5 + 2,5 PS.

IHP = T HP + P HP + R„HP + R HP + R HP + R HP r r ι w ν a

Bei dem erfindungsgemäßen System ist R. = R und EHP = R_oHP = 2,5 PS.

el

Wenn ein normaler Vorschub, beispielsweise ein Propeller für dieses neue System verwendet wird, so ist EHP/IHP = 50% und IHP = EHP/0,5 = 5 PS.

Hierbei ist IHP = T_rHP + P_pHP + R_aHP

5 = 1 + 1,5 + 2,5 + 2,5 PS.

Bei diesem neuen Vorschubsystem, bei dem die Propellerverluste 10% anstelle von 30% betragen, ergibt sich

Ρ_χΗΡ = 10% von 5 = 0,5, was zu folgendem Ergebnis führt:

IHP = T HP + P HP + R HP

μ ν ο

4 =1+0,5 + 2,5 PS.

Der Gesamtvortriebswiderstand einer Oberfläche in Was-

2 ser ist gleich R = 1/2 m · S · V , worin m die Masse, d die Dichte ist. Wenn 1/2 m = d/2g = K₁ geschrieben wird, so ergibt sich R = K₁ · S · V , woraus zu erkennen ist, daß diese Konstante ebenfalls durch das Profil des Schiffes beeinflußt ist, wodurch K und damit der Gesamt-

vortriebwiderstand verringert wird,

Der Vortriebwiderstand des Schiffes in Wasser ist damit R=K-S-V².

Der größte Reibungswiderstand R_f des Schiffes bei niedriger Geschwindigkeit ist gleich Rf. = K_F * d * S

1 Qor II C

V ' , worin S die benetzte Oberfläche des Rumpfes des Wasserfahrzeugs und K^ = 0,1422 für Schiffe mit einer Länge von 100 m ist und sich um 0,00003 für jede 10 m Längenvergrößerung verringert.

Der Widerstand R aufgrund der Bildung von Wellen ist

bei hohen Geschwindigkeiten am größten:

V⁴

R=K —
w w

darin ist D = Verdrängung, E = Länge.

Die Konstante K ist 0,065 bei langsamen Schiffen mit

Vollrümpfen und 0,005 für schnelle Schiffe mit sehr schlanker Form.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer

grundlegenden Ausführungsform der beweglichen äußeren Elemente für ein Wasserfahrzeug, ;

- 13 -

Figuren 2, 3, 4,
7, 8, 9 und 13

Figuren 5 und 6

perspektivische Ansichten verschiedener Ausführungsformen der beweglichen äußeren Elemente,

eine Draufsicht bzw. ein Querschnitt einer möglichen Ausführungsform auf der Grundlage der beweglichen Elemente gemäß Fig. 4..,

Figuren 10, 11
und 12

Figur 14

weitere mögliche Formen der Anwendung von beweglichen Elementen gemäß den vorangehenden Figuren,

eine Vorderansicht der beweglichen Elemente nach Fig. 13-

Das bewegliche äußere Element für ein Wasserfahrzeug kann in der grundlegendsten Form durch einen zylindrischen Schwimmer gebildet sein, der sich um seine Achse dreht, so daß die Reibungswiderstände entlang der vertikalen Achse des Wasserfahrzeugs beseitigt sind. In Fig. ist der zylindrische Schwimmer 1 mit radialen Schaufeln versehen. Obwohl die Schaufeln den Widerstand entlang der vertikalen Achse des Fahrzeuges vergrößern, verringern diese Schaufeln verglichen mit einer vollständig zylindrischen Form den Vortriebwiderstand des Schiffes und verringern den Schlupf.

In Fig. 2 sind die äußeren Elemente durch Schwimmer 3 gebildet, die die Form von Schwimmerschaufeln aufweisen. Diese Schwimmerschaufeln sind an den äußeren Enden an radialen Armen 4 befestigt, die starr an einer Mittelnabe 5 befestigt sind, um deren Achse sich die gesamte Einheit dreht. Das schwimmende Wasserfahrzeug trägt eins

oder mehrere dieser rotierenden Räder und sie sind in geeigneter Weise in parallelen Paaren auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, über die sie an der Struktur des Wasserfahrzeuges befestigt sind.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist das Rad wie im Fall der Fig. 2 durch eine Mittelnabe 5 und radiale Arme 4 gebildet, an deren .Enden schwenkbar befestigte Schwimmer 5 angeordnet sind, die sich um ihre Gelenkverbindungspunkte 7 mit den jeweiligen Armen 4 drehen können. Diese Schwimmer sind vorzugsweise mit einem Gegengewicht oder mit einem Ballast 8 versehen, um zu jedem Zeitpunkt die Idealposition zu erzielen, damit die Oberfläche der horizontalen Wirkung auf das Wasser einen maximalen Wert erreicht.

Fig. 4 zeigt einen die Form einer endlosen Schraube aufweisenden Propeller mit Auftriebseigenschaften, der vollständig in Wasser eingetaucht ist und sich um seine Achse dreht. Dieser Propeller erstreckt sich an seinen Endteilen 9 zu einer Halterung an der Struktur des Wasserfahrzeuges. Wie dies aus den Fig. 5 und 6 zu erkennen ist, können zwei parallele Propeller vorgesehen sein, die in entsprechenden Gehäusen angeordnet sind, die ihrerseits an den Enden 9 der Wellen der Propeller befestigt sind.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 sind die beweglichen Elemente durch zwei große Schwimmer 10 mit parallelen Achsen gebildet, die über Arme 11 miteinander verbunden sind. Die Schwimmer 10 wirken als Walzen und können mit radialen Schaufeln 12 versehen sein. Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 sind die Schwimmer durch· querverlaufende Körper oder Kästen 13 gebildet, die an einem endlosen Riemen 14 befestigt sind, der auf zylindrischen Körpern 15

angeordnet ist, deren Wellen 16 mit der Struktur des Wasserfahrzeugs verbunden sind.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 ist eine Reihe von Schwimmern 17 an einem endlosen Riemen 18 befestigt, der auf zylindrischen Körpern oder Trommeln 19 angeordnet ist, mit deren Wellen 20 die Struktur des Wasserfahrzeugs wie im vorhergehenden Fall verbunden ist. Die Schwimmer 17 weisen eine Sägezahnform bezüglich des endlosen Riemens 18 auf, um eine maximale Wirkung zu erzielen, wenn sie sich im Wasser bewegen.

Fig. 10 zeigt schematisch ein Wasserfahrzeug 21, an dem

eine Ausführungsform der äußeren Einrichtungen angeordnet

ist, insbesondere die Ausführungsform nach den Fig. 8 oder 9.

In Fig. 11 ist eine Anordnung 22 ähnlich einem Wasserfahrzeug gezeigt, die auf schwimmenden beweglichen Elementen mit einer Konstruktion befestigt ist, die ähnlich der in Fig. 2 gezeigten ist.

Fig. 12 zeigt ein Wasserfahrzeug, das auf Schwimmerelementen der in den Fig. 13 und 14 gezeigten Art angeordnet ist. In diesem Fall umfassen die beweglichen Elemente Schwimmer 23 mit geeigneter Form, die innerhalb von zwei Ringen 24 mit unterschiedlichen jeweiligen Drehachsen befestigt sind. Mit diesem System wird eine geeignete Einführung und Betätigung der Schwimmer 23 während ihrer Bewegung durch das Wasser erzielt. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß die Schwimmer nach Art eines Paddels in allen Fällen bei einer Drehung vertikal wirken, weil sie mit den beiden Ringen mit verschiedenen Drehachsen befestigt sind.

ν * WM

Es ist verständlich, daß in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Wasserfahrzeugs und seiner Geschwin- ■ digkeit die Anordnung und Form der Schwimmer verschieden sein kann.

Das vorstehend beschriebene System weist die folgenden Vorteile auf:

Es verringert oder beseitigt den Vortriebwiderstand. Weil es eine höhere Ausgangsleistung aufweist, ist es wirtschaftlicher.

Höhere Geschwindigkeiten sind erzielbar, weil das Wasserfahrzeug nicht so schwer ist wie ein übliches Wasserfahrzeug.

Die Sicherheit gegen ein Sinken ist erhöht. Im Fall der Verwendung eines Segels ist dieses wirkungsvoller als bei bekannten Wasserfahrzeugen. Das System ermöglicht den Transport von allen Arten von Fracht.

Der Verlust durch Rollbewegungen des Schiffes wird nicht beeinflußt.

Es kann mit einer besseren Dämpfung als übliche Wasserfahrzeuge versehen werden. · '

Das Wasserfahrzeug weist eine bessere Manövrierfähigkeit auf.

Das beschriebene System beseitigt den Vortriebwiderstand des Wasserfahrzeugs, so daß der erforderliche Schub geringer ist und der durch den Schlupf hervorgerufene Leistungsverlust verringert wird. Dies führt andererseits zu einer weiteren Verringerung des erforderlichen Schubes. ·

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Claims

Patentanwälte"*: :""::"": <?"".'' Dipl.-Ing. Curt Wallach Europäische PatenWrtreter*0"" *"* β~**"" Dipl.-lng. Günther Koch European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-lng. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d Datum: ">8· Sept. 1983 MANUEL MUNOZ SAIZ Unser Ze.chen: 17 768 " F/r System zur Verringerung des Vortriebwiderstandes von Wasserfahrzeugen Patentansprüche

1. System zur Verringerung des Vortriebwiderstandes von Wasserfahrzeugen, die einen Rumpf aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindestens ein äußeres Element mit dem Wasserfahrzeug verbunden und gegenüber dem Rumpf beweglich ist und Auftriebseigenschaften aufweist, um das Gewicht des Schiffes im Wasser zu tragen, so daß zumindestens teilweise das Eintauchen des Rumpfes des Wasserfahrzeuges in das Wasser beseitigt wird und daß das äußere Element gegenüber dem Wasserfahrzeug beweglich ist, damit sich das äußere Element durch das Wasser bewegt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Element über eine geschlossene Bahn beweglich ist, von der zumindestens ein Teil durch das Wasser verläuft.

3. System nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Bahn kreisförmig ist.

4. System nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

* M · V ti · · *

zeichnet, daß eine Anzahl von äußeren Elementen vorgesehen ist.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Element eine Vielzahl von sich nach außen erstreckenden Vorsprüngen (2;3;6;12;17;23) aufweist, die in das Wasser eintreten und sich durch das Wasser bewegen und daß die Vorsprünge so ausgerichtet sind, daß das Wasser ihrer Bewegung durch das Wasser hindurch einen Widerstand entgegensetzt.

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Element die Vorsprünge für eine Drehung der Vorsprünge um eine Achse haltert, die allgemein parallel zur Wasseroberfläche ist.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von äußeren Elementen vorgesehen ist.

8. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Element (1) eine im wesentlichen zylindrische Form und einen Umfang aufweist, an dem die Vorsprünge (2) angeordnet sind und in Radialrichtung vorspringen, wobei die Achse des äußeren Elementes (1) allgemein parallel zur Wasseroberfläche ausgerichtet ist.

9. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Wasserfahrzeug eine Achse befestigt ist, die eine Mittelnabe bildet und daß eine Vielzahl von äußeren Elementen (3,6)

vorgesehen ist, die alle um die Mittelnabe herum gehaltert sind, wobei alle äußeren Elemente (3,6) allgemein in einer gemeinsamen vertikalen Ebene angeordnet sind.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeweilige Arme (-4) vorgesehen sind, die die einzelnen äußeren Elemente (3,6) mit der Nabe verbinden, daß jedes äußere Element drehbar mit dem jeweiligen Arm an einer allgemein horizontalen Achse verbunden ist und daß ein Gegengewicht'an jedem äußeren Element angeordnet ist, um das äußere Element unabhängig von der Drehung der liabe in eine konstante Position anzutreiben.

11. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Element eine Schraubenlinienform aufweist.und ein Ende mit einem zylindrischen Ansatz entlang der Achse des äußeren Elementes aufweist und daß das äußere Element mit dem Wasserfahrzeug an der zylindrischen Verlängerung verbunden ist.

12. äystem nach Anspruch H, gekennzeichnet durch zwei Halterungswalzen (10; 15; 19), cfie hintereinander an dem Wasserfahrzeug für eine Drehung gegenüber dem Rumpf des Wasserfahrzeugs gefiltert sind, und ein endloses Band (13; 18), das über die Halterungswalzen und um diese herum läuft, wobei d>ie beweglichen äußeren Elemente an diesem endlosen Band befestigt sind und sich mit diesem bewegen.

13· System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Antriebseinrichtungen für den Antrieb

des äußeren Elementes.

14. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Element frei gegenüber dem Wasserfahrzeug beweglich ist.