DE4340028A1

DE4340028A1 - Antriftfahrt-System für windangetriebene Schiffe

Info

Publication number: DE4340028A1
Application number: DE4340028A
Authority: DE
Inventors: Ernst-W Dipl Ing Zuehlke
Original assignee: ZUEHLKE ERNST W DIPL ING FH
Current assignee: ZUEHLKE ERNST W DIPL ING FH
Priority date: 1993-11-24
Filing date: 1993-11-24
Publication date: 1995-06-01
Anticipated expiration: 2013-11-25
Also published as: DE4340028C2

Description

I. Allgemein

Schiffe, die durch Windantrieb fahren, gibt es seit etwa 5000 Jahren, als ägyptische Herrscher damit vom Nil kommend, das östliche Mittelmeer erkunde ten. Die Vorläufer waren Ruderschiffe, denen man zur Erleichterung einen Se gelantrieb beigab. Diesen Segelantrieb verbesserten später die Araber, sie ver wendeten erstmals Segel mit dreieckigem Zuschnitt, der den heutigen Schratse geln etwa entspricht. - Da das Ruderschiff eine Nachahmung der Natur gewesen sein wird, entspricht der Segelantrieb menschlichem Denkvermögen (Windantrieb).

Das heutige Segelschiff, in seiner völlig symmetrischen Rumpfbauweise, ist da her noch das alte Ruderschiff, bei dem man den Ruderantrieb durch einen ver besserten Windantrieb ersetzte. - Die später größeren Schiffe ließen sich auch nicht mehr rudern. Starre Skelettlinien (Schiff) kommen in der Natur nicht vor!

Da solche windangetriebenen Schiffe nur dann genau so optimal funktionieren, wie ein Ruderschiff, wenn der scheinbare Wind von achterlicher als querab (dwars) einfällt, muß man wegen des symmetrischen Ruderschiff-Rumpfes im Zick-Zack, von einem Bug auf den anderen, große Umwege fahren, um ein Ziel ansteuern zu können, das in der Windrichtung liegt. - Will man diese Umwege im Zick-Zack vermeiden, so bleibt nur der Ruder- oder Maschinenantrieb. Die früheren Vorstellungen, die eine Verbesserung des Segelantrieb forderten, um die gen. Umwege mit größter Geschwindigkeit zurückzulegen, liegen mehr neben der Sachlage, weil solch ein Zick-Zack-Schiff vorgegebene Seewege kaum einzuhalten vermag und man auch nicht sagen kann, um welche Zeit das Segelschiff im Bestimmungshafen eintreffen wird. Das ganze Windantriebsfahren mit solchen symmetrischen Rümpfen ist also mehr eine sportliche Angelegenheit und kommt ja deshalb heute auch nur noch in der Sportschiffahrt vor.

Die heutigen Schiffe mit Maschinenantrieb sind optimal, weil man konsequent auf einen Windantrieb verzichtete, konnte der symmetrische Rumpf optimale Form ha ben. - Aber diese Maschinenantriebsschiffe sind völlig unnötigerweise klima schädlich, schädigen die Volkswirtschaften durch das sinnlose Verpulvern der immer knapper werdenden sog. fossilen Brennstoffe und machen somit unnötige Kosten von ca. 15.000 DM je Schiff und Tag, die ein windangetriebenes Schiff nicht als unabänderlich auferlegt. Es muß sich lohnen, das zu untersuchen.

Der Fehler in dem Produkt menschlichen Denkens bei der Konstruktion eines rein symmetrischen Rumpfes mit einem Windantrieb, liegt mehr daran, daß die starre Geripplinie der Symmetrie sich nicht dem umströmenden Medium Wasser stets an zupassen vermag. - Die Anpassung ist möglich, solange der Bordwind von achter licher als dwars einfällt. Beim scheinbaren Winde von vorlicher als querab muß das Schiff in einem meßbaren Abdriftwinkel nach Lee abtreiben und verliert Hö he gegenüber der Windrichtung.

Dieser Fehler wäre aber behebbar, falls die Form des Rumpfes während der Fahrt des windangetriebenen Schiffes so verstellt werden könnte, daß beim Bordwind von vorlicher als querab eine optimale Unsymmetrie entsteht, mit einer Geripp linie, die den Schiffsrumpf "nach Luv" verschiebt.

Die während der Fahrt eingestellte Unsymmetrie vermeidet den Abdriftwinkel und es ist durch praktische Versuche bewiesen, daß solch ein Schiff in einem An stellwinkel in Richtung Luv fährt, was man mit Antriftfahrt bezeichnen darf.

Die Geripplinie des Schiffskörpers soll also beim Winde von achterlicher als dwars mit der Mittschiffslinie zusammenfallen, aber diese Geripplinie muß um ein optimales Maß nach Luv gewölbt sein, das deutlich von der Mittschiffs linie entfernt ist. - Der Drehachspunkt (Lateraldruckpunkt) wandert nach Luv. Dieser Gesichtspunkt gilt für die Konstruktion der Kiele für Segelyachten oder Segelschiffe ohne Tiefgangsbegrenzung genau so, wie für windangetriebene Fracht schiffe mit Tiefgangsbeschränkung (solche Schiffe haben immer Tiefgangsbe schränkung). Siehe kennzeichnende Zeichnung.

Der Zweck der Patentanmeldung liegt darin, das Frachtschiff mit Windan trieb gegenüber dem Maschinenantriebsfrachter konkurrenzfähig zu machen. Es müßte sich also rechnen, daß die höheren Ausgaben bis zur erfolgreichen Er probung des Antriftfahrt-Systems durch die Einsparung der Treibstoffkosten in absehbarer Zeit wieder mehr als ausgeglichen werden können.

In der Verfolgung dieses Zwecks liegt der Patentanmeldung die Vorstellung zu Grunde, daß in dem Schiffsrumpf (oder dem Segelkiel) nach dem Antriftfahrt- System, an günstigen Stellen optimale Profilflossen beweglich integriert wer den sollen, die beim Winde von vorlicher als dwars aus dem Schiffsrumpf (Kiel) der Lee-Seite in der Richtung nach Lee so ausgefahren werden, daß sie zu den anderen Teilen des Schiffsrumpfes (Kiels) = KF + AFluv einen günstigen Ab stand mit optimaler Düsenwirkung erhalten, falls sie im Wasser bleiben sollen. Die auszufahrenden Profilflossen müssen außerdem um einen geringen Wert dreh bar sein, um wirkungsvolle Anstellwinkel in AFlee einstellen zu können.

II. Im einzelnen

Die vorliegende Patentanmeldung könnte man als Weiterentwicklung des für Segel yachten bewilligten Patents Nr. P 27 51 364.0 ansehen, obwohl die frühere Arbeit mit der heutigen Anmeldung eine ganz andere Themenstellung besitzt.

Diese ist, daß

1. ein Mindesttiefgang beibehalten oder ermöglicht wird, - Segelyachten, die einen Ballastkiel benötigen, erhalten einen solchen mit großer Länge und ge ringstmöglicher Spannweite. (Siehe Fig. 1, 2, Fig. 7 und Anlage).
2. der Schiffsrumpf, bzw. der Ballastkiel von Segelyachten in optimaler Weise mit Hilfe ausfahrbarer und drehbarer Profilflossen so verstellt werden kann, daß seine Geripplinie um ein erforderliches Maß zu der Seite gewölbt werden kann, die dem Winddruck ausgesetzt ist, - falls der Bordwind von vorlicher als dwars einfällt.
3. zur Unterstützung der Antriftfahrt auf Gegen- oder Stützruder, mit den un vermeidbar hohen Widerständen, zugunsten der Steuerung des Schiffskörpers durch richtig eingestellte Profilflossen, verzichtet werden soll.
Dabei wird vorausgesetzt, daß der induzierte Widerstand an den Profilflossen weitaus geringer eingestellt zu werden vermag, als der bekannte Ruderwider stand mit erheblichem Fahrtverlust.

Der prinzipielle Inhalt der Erfindung des Antriftfahrt-Systems wird in der kenn zeichnenden Zeichnung und in Fig. 1 dargestellt.

Das Grundprinzip ist also immer, daß eine symmetrische Kernform (KF) und eine unsymmetrische (asymmetrische) Flosse (AF Luv) eine zusammengesetzte Einheit bilden, falls der Bordwind von vorlicher als dwars einfällt.

Die durchgebuchtete (gewölbte) Geripplinie (G) befindet sich stets auf der Seite, die dem Winddruck ausgesetzt ist (LUV).

Falls der Bordwind von achterlicher als dwars einfällt, ist die asymmetrische Flosse auf der anderen Seite (AF Lee) natürlich mit KF und AF Luv zu einer symmetrischen Schiffsrumpfeinheit zusammengefügt.

Im anderen Falle, bei vorlichen Winden, ist die Flosse AF Lee prinzipiell ent behrlich und könnte aus dem Wasser herausgehievt werden. - Dieser praktische Fall wird in Fig. 1 + 4a erläutert und sollte bei Schiffen jeder Größe anzuwenden sein. - Es kann dabei mit dem Vorteil eines geringeren Reibungswiderstandes ge rechnet werden. Bei Segelyachten sollten die AFlee-Flossen in Kästen im Rumpf inneren (wo sie nicht stören) untergebracht werden. Solche Flossen und Kästen lassen sich preisgünstig in Strangpreßprofilen in Al Si5 Mn-Legierung her stellen.

Bei ausreichendem Innovationsvermögen der Schiffswerft sollten die Flossen AFLee aber im Wasser mitgeführt und im Abstande dw (Düsenwirkung) in Richtung nach Lee verschwenkt werden. Die Flossen AF-Lee sollen so drehbar im Abstande dw zusammengefügt werden, daß zwischen den glatten und festen Flächen von KF und AFLee eine starke Düsenwirkung erzeugt werden kann, die die Geschwindigkeit des Wassers innerhalb der Düse beträchtlich erhöht und die Wirksamkeit der hydrodyn. Seitenkraft (L) steigert.

Die zur Antriftfahrt erforderliche hydrodynamische Seitenkraft kann also auf zweierlei Weise gewonnen werden. - Einmal, indem man AFlee aus dem Wasser hebt und den asymmetrischen Körper KF + AFLuv durchs Wasser führt, oder zweitens und wirkungsvoller, indem man der Liftkraft von KF + AFLuv noch die Liftkraft aus der Düsenwirkung und AFLee hinzufügt, falls man AF Lee im Wasser beläßt.

Diese hydrodyn. Seitenkräfte wirken im Abstande (R) als Drehmomentquerkräfte auf den Gesamtdrehachspunkt (D) und bewirken das zur Antriftfahrt benötigte Drehmo ment (MD).

Die Schiffsseiten LUV und LEE werden durch die nach Luv gerichtete Kraft MD nicht vertauscht, da der vom Windantrieb ausgehende seitliche Druck in Richtung LEE erhalten bleibt. - Die Kraft MD muß also so groß sein, daß sie wirkungs voller ist, als die Windkraft, die das Schiff in Fahrt hält. - Dabei kommt es natürlich darauf an, daß die Drehmomentquerkräfte wievor so günstig gerichtet sind, daß der Vektor MD eine stets optimale Kraft herbeiführt. Es versteht sich von selbst, daß ähnlich dem Flügel eines Flugzeugs, die LUV-(Saug)-Seite des Schiffes, die man mit der Flügeloberseite des Flugzeugs vergleichen darf, so glatt wie möglich ausgeführt sein muß. - Auch innerhalb der Düse sollten glatte und strömungsgünstige Wände entstehen.

Eine ähnliche Wirkung einer Drehmomentkraft nach LUV, die die Abdrift ausschal tet und eine Segelyacht "Höhe gutmachen" läßt, kann man erhalten, falls man einen Festmittelkiel mit einer sog. Kielklappe herstellt und optimal zu benut zen versteht. Solche Anordnungen sind erprobt und als wirkungsvoll bekannt. Auch bei solcher Kielklappe kommt es darauf an, daß die Luvseite des Segelkiels eine möglichst glatte Oberfläche hat. - Ein Kielklappengebilde ist natürlich mit den Konstruktionen der Patentanmeldung nicht vergleichbar.

Es ist beweisbar, daß die Vortriebskraft geeigneter Windantriebe (Segel oder Flettner-Rotoren) viel größer ist, als der Gesamtwiderstand des Schiffes unter Hinzunahme der induzierten Widerstände der sog. Liftkräfte.

Fig. 2, 3, 7 und die Anlage stellen den Aggregataufbau von Segelyachten. Dazu gehört auch Fig. 4a = Aufholung von AFLee aus dem Wasser, die außer an Deck, auch in sog. Schwertkästen vorgenommen werden kann.

Fig. 5, 6, und 8 zeigen den Aggregataufbau von Frachtschiffen, Kreuzfahrtschiffen oder großen Segelyachten. - Die Fotos der Anlage sollen eine Information sein.

Bezugszeichenliste

A F = Asymmetrische Flosse (A F luv oder A F lee)
K F = Kernform, auch Schiffsrumpf
S W = Bordwind
F L = Verbindungsflügel, bei mehreren Aggregaten
G = Geripplinie des zusammengesetzten Profils
L = Hydrodyn. Seitenkraft
Q = Drehmoment-Querkraft
S = Schwerpunkt d. angeströmten Profils (SG, SF)
D = Lateraldruckpunkt als Drehachspunkt für M
R = Entfernung D - S
M = Moment von Q, MD = Vektor aller M
d w = Düsenwirkung zwischen AF und KF
ατ= Richtung der Antriftfahrt (Weg nach LUV)
α = Regulärer Anstellwinkel ohne Antriftfahrt

Claims

1. Antriftfahrt-System für windangetriebene Schiffe aus einem Mittelteil (K F) und zwei gleich großen asymmetrischen Flossen-Körpern, die pa rallel zur Schiffslängsachse aufgehängt sind und maschinell in ihre Stellungen ausgefahren werden, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der asymmetrischen Flossen-Körper (AF_Luv + AF_Lee) eine eigene Verstelleinrich tung zugeordnet ist, so daß die Flossen-Körper wievor unabhängig von einander verstellbar sind.

2. Antriftfahrt-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder asymmetrische Flossenkörper in einer genau mit seiner Außenseite über einstimmenden Einbuchtung in dem Mittelteil (K F) eingefügt zu werden vermag, so daß alle eingefügten asymmetrischen Flossenkörper (A F) und der Mittelteil (K F) entweder einen hydrodynamisch optimal geform ten Schiffsrumpf jeglicher Größe , - oder aber einen ebenso optimal ge formten Mittelkiel bilden.

3. Antriftfahrt-System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder asym. Flossenkörper (A F) mit Hilfe seiner eigenen Verstelleinrichtung aus der zugehörenden Einbuchtung im Mittelteil (K F) bis zum Abstande d w ausgefahren werden oder über eine Keilwelle verschwenkt werden kann.

4. Antriftfahrt-System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder ausgefahrene oder verschwenkte asym. Flossenkörper (A F) beiderseits 10° der Parallele zur Schiffslängsachse gedreht zu werden vermag, um einen günstigen Anstellwinkel zum anströmenden Wasser zu erreichen und außerdem, um eine glatte Außenhaut des Schiffes zu bilden, besonders auf der LUV-Seite des Schiffes.

5. Antriftfahrt-System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die im Regelfall auf der LEE-Schiffsseite auszufahrenden asym. Flossenkörper (AF), womit die Antriftfahrt hervorgerufen wird, auch vereinzelt auf der gegen überliegenden LUV-Seite ausgefahren werden könnten, falls die Steuerung des Schiffes so wesentlich widerstandsärmer erfolgen soll.

6. Antriftfahrt-System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aggre gat für Schiffe ohne Tiefgangsbeschränkung, das sich als Mittelkiel un ter dem Schiffsrumpf in der Mittschiffsebene befindet, auch dazu benutzt werden kann, ein solches windangetriebenes Schiff auch auf abschüssigem Untergrund trockenfallen zu lassen oder an Land aufzupallen.

7. Antriftfahrt-System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß außer Verstelleinrichtung (auch Verschwenkung) der asym. Flossenkörper (AF) gem. Anspruch 3, auch die Herausliftung aller oder einzelner (A F) in Frage kommen kann, und zwar auf der Lee-Schiffsseite, wenn die Antrift fahrt allein erreicht werden soll. - Die aus dem Wasser herausgelifteten asym. Flossenkörper (AF) sollen abgeknickt auf das Schiffsdeck gelegt werden.

8. Antriftfahrt-System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Wasser gelifteten asym. Flossenkörper (AF) sog. Auftriebsmulden in der Kernform (K F) (auch Schiffsrumpf) freilegen sollen, die wahl weise zusammen mit den im Wasser ausgefahrenen oder verschwenkten asym. Flossenkörpern zum Einsatz kommen könnten, indem die auf der LEE-Schiffs seite auszufahrenden mittleren asym. Flossenkörper (AF) die Antriftsegel fahrt ermöglichen und die an den Schiffsenden befindlichen asym. Flossen körper nicht im Wasser ausgefahren (verschwenkt) werden, sondern aus dem Wasser herausgeliftet und auf das Schiffsdeck abgeknickt werden, um zu gleicher Zeit das Schiff "widerstandsarm" zu steuern.