DE60029759T2

DE60029759T2 - Aussenhautformen für gleitende oder halbgleitende wasserfahrzeuge

Info

Publication number: DE60029759T2
Application number: DE60029759T
Authority: DE
Inventors: James Ian Blackburn DUNCAN
Original assignee: Futuretech Technologies Ltd
Current assignee: Futuretech Technologies Ltd
Priority date: 1999-03-09
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: CN1152805C; WO2000053486A2; AU751121B2; KR20020001751A; ES2270809T3; CN1343170A; EP1159188B1; RU2239579C2; EP1159188A2; KR100772133B1; JP2002539018A; US6684806B1; DE60029759D1; GB9905426D0; CA2365400A1; AU2932400A; ATE334870T1; WO2000053486A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Außenhautformen bzw. Schiffsrümpfe für Wasserfahrzeuge und genauer gesagt auf Längsaußenhautabschnitte und das Design dafür. Längsaußenhautabschnitte für gleitende Wasserfahrzeugen der existierenden Art bieten einen relativ niedrigen Auftriebsbeiwert ebenso wie bescheidene Auftrieb/Widerstand-Verhältnisse. Die vorliegende Erfindung beschreibt alternative Längsschnitte, die höhere Auftriebsbeiwerte haben, während auch wesentlich höhere Auftrieb/Widerstand-Verhältnisse erzielt werden.
Es wird ersichtlich werden, dass sich der Ausdruck „Längsschnitt", wie er vorstehend und nachfolgend in Bezug auf eine Außenhautform bzw. einen Schiffsrumpf verwendet wird, ebenso wie er im Stand der Technik verstanden wird, auf den Schnitt der Außenhautform, ausgerichtet zu der Längsachse der Außenhautform, bezieht und das Profil der Unterseite der Außenhautform enthält.
Die Druckverteilung entlang eines typischen Längsaußenhautformschnitts nach dem Stand der Technik ist in 1 dargestellt. Der Druckkoeffizient PC erreicht eine Einheitlichkeit an dem Stagnationspunkt 1 der Vorderkante, der schnell abfällt und sich asymptotisch Null an der Hinterkante 2 annähert. Die Mitte des Auftriebs liegt an einem Punkt ungefähr 30% entlang der Sehne (d.h. die benetzte Länge) der Außenhautform. In der Praxis fällt der Druckkoeffizient PC für typische Längsschnitte von Außenhautformen der bekannten Art schneller ab, als dies dargestellt ist. (Dieses Phänomen bewegt auch die Mitte des Auftriebs nach vorne). Dies erfolgt aufgrund des niedrigen Seitenverhältnisses und der V-Anfangsform von gleitenden Außenhautformen für bekannte Wasserfahrzeuge nach dem Stand der Technik.
Wasserfahrzeuge sind bekannt, die eine oder mehrere Klappen oder „Trimmklappen" an der hinteren Kante des Längsrumpfschnitts einsetzen. Solche Klappen sind allgemein unter einem relativ kleinen Winkel zu der Horizontalen geneigt, wie dies zum Beispiel in der US 5,806,455 , der US 5,215,029 und der EP-A-0 071 763 dargestellt ist. Die Druckverteilung für einen typischen Längsrumpfschnitt, der eine solche Klappe an der hinteren Kante einsetzt, ist in 2 dargestellt. In diesem Fall wird eine zweite Druckspitze vor der hinteren Kante bei 3 erzielt. Dies hat den Effekt, dass der Druck entlang nahezu des gesamten Schnitts erhöht wird, was wesentlich den Auftrieb erhöht und die Mitte des Auftriebs nach hinten um ungefähr 48% der Rumpftiefe (Hull Chord) bewegt. Allerdings besitzen Klappen dieses Typs normalerweise keine geeignete Wasserlinie (d.h. die Länge des benetzten Bereichs der Klappe), und wenn der Druck normal auf die Oberfläche der Klappe einwirkt (weg von einem kleinen Reibungselement, das entlang der Oberfläche der Klappe wirkt), wird die Erhöhung im Auftrieb auf Kosten einer wesentlichen Erhöhung des Widerstands erreicht, wenn der Klappenwinkel (d.h. der Winkel der Klappe relativ zu der Horizontalen) nennenswert ist. Zusätzlich erstrecken sich die meisten Klappen an der hinteren Kante dieses Typs nicht über die gesamte Breite der Außenhautform und dies führt zu sehr hohen Spitzenverlusten und einer ungleichmäßigen Druckverteilung über die Außenhautform. Demzufolge ist die Verwendung solcher Klappen teuer erkauft, um die Lage und die Leistung des Wasserfahrzeugs zu korrigieren, die ansonsten nur schwer auszubalancieren sein würden.
Ein weiteres Problem, das häufig bei gleitenden Schiffsrümpfen der bekannten Art vorgefunden wird, ist die Längsinstabilität bei hoher Geschwindigkeit, wobei ein Grund dafür der Effekt des Bugs ist, der in ersichtlicher Weise in eine sich annähernde Welle hinein „gesaugt" wird. Dieser letztere Effekt verursacht einen wesentlichen Widerstand, da sich der Bug nur dann anheben kann, wenn eine ausreichende Verdrängungsanhebung erzeugt worden ist oder wenn die Welle passiert wurde. Demzufolge stellt 3 einen gleitenden Rumpfabschnitt nach dem Stand der Technik dar, bei dem der vordere Abschnitt aufgrund eines Eintauchens über den Design- bzw. Kostruktions-Wert hinaus abgerundet ist. Die entsprechende Druckverteilung (Druckkoeffizient), Pc gegenüber Tiefe) entlang des Schnitts ist in 4 dargestellt. Nach Erreichen eines Einheitswerts an dem Stagnationspunkt 1 fällt der Druckkoeffizient Pc schnell ab, wird bei 10% der Tiefe negativ und wird nur wieder positiv bei 35% entlang der Tiefe bzw. Wasserlinie. Diese Situation verschlechtert sich mit einer erhöhten Krümmung, so dass das Kippmoment negativ werden kann, was zu einer negativen Anhebung führt, wenn sich der Steven anhebt. Aufgrund des negativen Anhebens über den gekrümmten Abschnitt beträgt das Auftrieb/Widerstand-Verhältnis des Schnitts, der dargestellt ist, nur ungefähr 1/5 des Werts für denselben Schnitt an seiner Konstruktionshöhe, die in 1 dargestellt ist.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen oder mehrere der vorstehenden Nachteile zu vermeiden oder zu minimieren.
Die Wo 99/55577, die effektiv einen Stand der Technik nur gemäß Art. 54(3) EPÜ ist, offenbart eine Außenhautform, die eine niedrigere Oberfläche, die nach oben in den Steven der Außenhautform übergeht, und eine Klappeneinrichtung, die an dem Steven befestigt ist, besitzt.
Die WO 96/20106 offenbart eine Außenhautform für ein gleitendes oder halbgleitendes Wasserfahrzeug, wobei die Außenhautform eine Unterfläche und einen steil nach unten abfallenden Hinterkantenteil hat.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine solche Außenhautform dadurch gekennzeichnet, dass die Unterfläche an einem Punkt in den abfallenden Hinterkantenteil übergeht, an dem der Hinterkantenteil in Richtung nach unten von der Außenhautform absteht.
Der Hinterkantenteil kann integral in der Außenhautform gebildet sein. Vorzugsweise ist der Hinterkantenteil in der Form einer Klappeneinrichtung vorgesehen, die im Wesentlichen nach unten von der Außenhautform vorsteht. Die Klappeneinrichtung ist vorzugsweise unter weniger als 45 Grad zu der normalen der Konstruktionswasserlinie gewinkelt und kann im Wesentlichen normal zu der Konstruktionswasserlinie liegen. Die Klappeneinrichtung erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Breite des Bogenträgers der Außenhautform. Der Winkel der Klappeneinrichtung ist vorzugsweise festgelegt, kann allerdings alternativ variabel gebildet und ausgelegt werden.
Die Klappeneinrichtung steht vorzugsweise über die Ebene eines unmittelbar an die Klappeneinrichtung angrenzenden Teils der Unterseite der Außenhautform um eine Länge oder „Tiefe" vor, die ein kleiner Bruchteil der Länge der Außenhautform ist, typischerweise um weniger als 1 % der vollständigen Länge der Außenhautform. Die Tiefe der Klappeneinrichtung kann in vorteilhafter Weise durch Gleiten der Klappeneinrichtung nach oben oder nach unten entlang einer geneigten Achse, auf der die Klappeneinrichtung gleitfähig befestigt ist, variiert werden. Mechanische, elektrische und/oder hydraulische Einrichtungen können zum Kontrollieren dieser Bewegung der Klappeneinrichtung vorgesehen sein.
Die Außenhautform kann einen Nasenbereich haben, der eine vordere Fläche besitzt, die sich nach hinten und nach unten von einer Nase der Außenhautform zu dem Hinterkantenteil erstreckt, wobei die vordere Fläche leicht so abgeschrägt ist, dass, in dem Längsschnitt der Außenhautform, der Winkel der vorderen Fläche relativ zu der Wasserlinie, in Benutzung der Außenhautform, progressiv entlang der Länge des Nasenbereichs reduziert ist. Der leicht schräg verlaufende Nasenbereich geht vorzugsweise glatt in einen hinteren Abschnitt der Unterseite der Außenhautform über, die normalerweise eingetaucht ist, wenn sich das Wasserfahrzeug unter seiner ausgelegten Betriebsgeschwindigkeit bewegt. Dieser hintere Bereich der Unterseite des Hinterkantenteils ist vorzugsweise auch abgeschrägt, so dass der Neigungswinkel der Unterseite relativ zu der Konstruktionswasserlinie, an dem Punkt, wo die Unterseite die vordere Fläche des Nasenbereichs trifft (an der Konstruktionswasserlinie), in dem Längsschnitt der Außenhautform, sehr klein ist, vorzugsweise geringer als 2 Grad, und kann 1 Grad oder geringer sein.
Die abgeschrägte Fläche der normalerweise eingetauchten Unterseite kann weich in den im Wesentlichen aufsteigenden Teil der Unterseite übergehen. Dieser aufsteigende Hinterkantenteil der Unterseite kann zu der vorgesehenen Wasserlinie, in Benutzung der Außenhautform, unter einem positiven oder negativen Winkel, in Abhängigkeit von dem Typ des Wasserfahrzeugs, bei dem die Außenhautform eingesetzt ist, und der vorgesehenen Geschwindigkeit und den Lastbedingungen der Außenhautform, geneigt sein.
Es wird ersichtlich werden, dass sich der Ausdruck „Wasserlinie", wie er hier verwendet wird, auf den ebenen Schnitt der ungestörten Wasseroberfläche mit der Außenhautform bezieht. Die statische Wasserlinie ist die Position der Wasserlinie relativ zu der Außenhautform, wenn sich die Außenhautform in Ruhe befindet. Die Gleitwasserlinie ist der Bereich der Wasserlinie relativ zu der Außenhautform bei einem Abheben. Die „Design-Wasserlinie" ist die Position der Wasserlinie relativ zu der Außenhautform unter Design-Bedingungen (d.h. wenn die Außenhautform bei der vorgesehenen Geschwindigkeit fährt).
Es wird weiterhin ersichtlich werden, dass sich „Abheben" auf den Zeitpunkt bezieht, zu dem das Wasserfahrzeug, das die Außenhautform einsetzt, seine minimale Gleitgeschwindigkeit erreicht.
Der aufsteigende Hinterkantenteil der eingetauchten Unterseite der Außenhautform befindet sich vorzugsweise unmittelbar vor dem steil nach unten abfallenden Hinterkantenteil der Außenhautform.
Der Längsschnitt der Außenhautform, die Länge oder „Tiefe" („Chord") des eingetauchten Abschnitts der Länge der Außenhautform, ist, in Benutzung der Außenhautform unter vorgesehenen Bedingungen, vorzugsweise geringer als ein Zehntel der gesamten Länge der Außenhautform.
Wie bereits beschrieben ist, erfordern herkömmliche Gleitabschnitte, dass das Wasserfahrzeug einen positiven Antriebswinkel bietet, um ein Abheben hervorzurufen. Ein Vorteil von Außenhautformen entsprechend der Erfindung ist derjenige, dass sie bei einem Anstellwinkel von Null unter der Konstruktionsgeschwindigkeit arbeiten können und so angeordnet werden können, um eine geringe oder keine Stellungsänderung über den Geschwindigkeitsbereich des Wasserfahrzeugs zu zeigen.
Zusätzlich bieten die Außenhautformen der Erfindung verbesserte Auftriebskoeffizienten und ein zweidimensionales Auftrieb/Widerstand-Verhältnis. Der erhöhte Auftriebskoeffizient führt zu einem verringerten Oberflächenbereich, der in Kontakt mit dem Wasser steht, der sich, für Außenhautformen mit einem gleichen Beam zu einer Verringerung in der durchschnittlichen Tiefe der sich anhebenden Oberfläche und folglich zu einer Erhöhung in der Froude-Zahl (Vs/√(g × L)) überträgt, wobei Vs die Bootsgeschwindigkeit durch das Wasser ist, L die lokale Tiefe ist und g die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft ist. Dies verringert sowohl den Widerstand durch Spritzwasser als auch den durch Wellen hervorgerufenen Widerstand. Demzufolge bieten Außenhautformen gemäß der vorliegenden Erfindung wesentliche Energieeinsparungen verglichen mit herkömmlichen Außenhautformen eines identischen Gewichts und einer identischen Größe, während sowohl eine gestörte Strömung als auch Spritzen wesentlich verringert werden. Die Verringerung der Erzeugung eines Spritzens der Außenhautform dieser Erfindung macht das Befestigen von Spritzschienen und anderen Vorrichtungen, die dazu ausgelegt sind, das Anheben durch Ablenken der Spritzfläche nach außen zu erhöhen, unnötig.
Ein weiterer Vorteil, der durch den erhöhten Auftriebskoeffizienten erzielt wird, ist derjenige, dass das Wasserfahrzeug in der Lage ist, unter wesentlich verringerten Geschwindigkeiten zu gleiten, während das höhere Auftrieb/Widerstand-Verhältnis weiterhin die Leistung verringert, die erforderlich ist, die Gleitgeschwindigkeit zu erreichen. Für ein mittels Propeller angetriebenes Wasserfahrzeug erzeugt die erhöhte Geschwindigkeit unter der Außenhautform aufgrund eines Propulsor-Gleitens eine wesentliche Erhöhung im Auftrieb. Dieser Effekt ist noch markanter als bei herkömmlichen Außenhautformen aufgrund der stark verringerten Wasserlinie bzw. Tiefe und der erhöhten Druckverteilung über die hinteren Abschnitte. Auch ist, aufgrund des höheren Auftriebskoeffizienten und der entsprechend niedrigeren Gleitgeschwindigkeiten, das Propulsor-Gleiten größer. Dies erhöht die lokale Geschwindigkeit relativ zu dem Wasserfahrzeug, so dass der dynamische Druck auch erhöht wird. Der zusätzliche Auftrieb, der erzeugt ist, kann die Leistung, die erforderlich ist, um die Gleitgeschwindigkeit zu erreichen, um 30% oder mehr verringern.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand nur eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 zeigt eine graphische Darstellung eines Druckkoeffizienten Pc gegenüber der Tiefe in % für einen typischen Schnitt einer Längs-Außenhautform nach dem Stand der Technik;
2 zeigt eine graphische Darstellung eines Druckkoeffizienten Pc gegenüber der Tiefe in % für einen typischen Schnitt einer Längsaußenhautform nach dem Stand der Technik, wobei eine Hinterkantenklappe an der Außenhautform befestigt ist;
3 zeigt eine graphische Darstellung des Eintauchens einer Außenhautform gegenüber der Tiefe in % für einen Schnitt einer gleitenden Längsaußenhautform bei einer Lage außerhalb des Designs:
4 zeigt eine graphische Darstellung eines Druckkoeffizienten Pc gegenüber der Tiefe in % für dieselbe Außenhautform wie 3;
5 zeigt einen Längsschnitt einer Außenhautform gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
6 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines hinteren Bereichs des Außenhautformschnitts der 5;
7 zeigt eine hintere, perspektivische Ansicht einer Außenhautform gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
8 zeigt eine graphische Darstellung eines Druckkoeffizienten Pc gegenüber der Tiefe in % für einen Längsschnitt einer Außenhautform gemäß der Erfindung, die für Reisebedingungen optimiert worden sind; und
9 zeigt eine graphische Darstellung eines Druckkoeffizienten Pc gegenüber der Tiefe in % für einen Längsschnitt einer Außenhautform gemäß der Erfindung, die für Abhebe-Bedingungen optimiert worden ist.
Ein typischer Längsschnitt 4 einer Außenhautform gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 5 dargestellt. Es sollte angemerkt werden, dass diese nicht im Maßstab vorliegt, da die vertikale Achse in 5 tatsächlich zur Deutlichkeit vergrößert worden ist.
Der Längsschnitt 4 der Außenhautform besitzt eine vordere Fläche 5, die sich nach unten von der Nase des Längsschnitts zu der Hinterkante des Längsschnitts hin erstreckt. Diese Fläche ist allgemein leicht angeschrägt, um so einen kleinen Neigungswinkel α₁ an dem Punkt 9 zu haben, an dem sie die statische Wasserlinie 6 schneidet. Eine weitere, allgemein leicht abgeschrägte Fläche 10, die tangential zu der Fläche 5 an einem Punkt 9 fortlaufend ist, schneidet die Wasserlinie 7, an der die Außenhautform ihre anhaltende Gleitgeschwindigkeit am Punkt 11 erreicht. Der Tangentenwinkel α₂ der Fläche 10 relativ zu der GleitWasserlinie 7 ist vorzugsweise so klein wie möglich, mit den anderen Beschränkungen übereinstimmend.
Eine vergrößerte Ansicht des hinteren Teils des Längsschnitts 4 der Außenhautform ist in 6 dargestellt. Eine im Wesentlichen leicht abgeschrägte Fläche 12, die tangential zu der Fläche 10 an dem Punkt 11 fortlaufend ist, trifft die vorgesehene Wasserlinie an dem Punkt 13. Der Neigungswinkel α₃ an dem Punkt 13 ist vorzugsweise so ausgelegt, um sehr klein zu sein, und kann 1 Grad oder geringer sein. Unter der vorgesehenen Geschwindigkeit fährt das Wasserfahrzeug auf der Fläche 14, die tangential zu der Fläche 12 an dem Punkt 13 fortlaufend ist. Diese Fläche ist bevorzugt leicht abgeschrägt und endet vorzugsweise in einer nach unten abfallenden hinteren Kante an dem Punkt 15. Der Tangentenwinkel α_TE des nach oben ansteigenden Bereichs der Fläche 14 zu der Konstruktionswasserlinie 8 kann von leicht negativ (nach unten abfallend) bis zu 10 Grad oder noch positiver (nach oben ansteigend), in Abhängigkeit von dem Typ eines Wasserfahrzeugs und der vorgesehenen Geschwindigkeit und den Lastzuständen, reichen. Normalerweise wird der Wert von α_TE in dem Bereich von –1 Grad bis + 1 Grad liegen.
An der nach oben ansteigenden Hinterkante 15 endet die Außenhautform durch eine steil nach unten abfallende Klappe 18, die unmittelbar bei 16 endet. Die Tiefe C_F der Klappe 18 (d.h. die benetzte Länge der Klappe ist die Länge der Klappe, die über die nach oben ansteigende Hinterkante 15 hinaus vorsteht) ist ein kleiner Prozentsatz der Länge L des Schnitts 4 der Außenhautform. Für die meisten Hochgeschwindigkeits-Wasserfahrzeuge wird dieser Prozentsatz geringer als 1 % sein, kann allerdings in einem speziellen Fall von gleitenden oder halbgleitenden, schwereren Wasserfahrzeugen, die hier nachfolgend beschrieben sind, höher sein. Die Klappe 18 ist vorzugsweise so variabel, dass, durch Einstellen der Position der Klappe positiv oder negativ in der Richtung des Pfeils A, die Tiefe C_F variiert wird. Ein kleiner Übergang wird an dem Punkt 15 zwischen der Fläche 14 und der Klappe 18 angewandt. Der Winkel β der Klappe relativ zu der Normalen zu der Konstruktionswasserlinie 8 kann positiv oder negativ sein und wird vorzugsweise geringer als 45° sein.
Die Länge, oder Tiefe, des eingetauchten Abschnitts des Längsschnitts (d.h. die benetzte Länge) ist, während sie statisch ist, als C₁ dargestellt. Die Tiefe unter der Geschwindigkeit, unter der das Wasserfahrzeug beginnt zu gleiten (d.h. abzuheben), ist als C₂ dargestellt. Das Verhältnis einer Tiefe C₂ zu der Länge L des Wasserfahrzeugs ist wesentlich verglichen mit Außenhautformen nach dem Stand der Technik aufgrund des erhöhten Auftriebskoeffizienten verringert, wobei der Effekt davon derjenige ist, eine Reibung, Spritzwasser und einen Wellenwiderstand zu verringern. Für Hochgeschwindigkeits-Wasserfahrzeuge wird die vorgesehene Tiefe C₃ (d.h. die Tiefe bei der vorgesehenen Geschwindigkeit) sehr niedrig sein und normalerweise geringer als 10% der Länge L des Wasserfahrzeugs sein. Die Signifikanz eines niedrigen Werts von C₃ ist das Erhöhen der Froude-Zahl, wie dies hier zuvor beschrieben ist.
Eine Variante, die für schwerere, gleitende oder halbgleitende Wasserfahrzeuge geeignet ist, ist in 7 dargestellt, die einen Längsschnitt 4 einer Außenhautform darstellt, bei der α_TE ein viel größerer, positiver Winkel ist als es in den 3 und 4 dargestellt ist, so dass der Punkt 15 oberhalb der vorgesehenen Wasserlinie 8 liegt. In diesem Fall wird die Klappen-Tiefe C_F auch größer sein. Randleisten 20 können in vorteilhafter Weise auch auf den Seiten 21 des Außenhautschnitts 4 angebracht werden, um einen Druckverlust zu verringern. Schnitte dieses Typs können mit einem Auftriebskoeffizienten über 0,4 und einem Auftrieb/Widerstand-Verhältnis von über 40 ausgelegt werden.
In den 3, 4 und 5 sind die Wasserlinien 6, 7, 8 als gerade Linien zur Vereinfachung dargestellt und beziehen sich auf ungestörte Wasserlinien unter einem bestimmten Abstand von dem Wasserfahrzeug.
Der Ausdruck „leicht abgeschrägt", wie er zuvor verwendet ist, ist dazu vorgesehen, vermitteln, dass entlang im Wesentlichen des gesamten Schnitts abgeschrägt ist, wobei die Krümmung an irgendeinem Punkt so minimiert ist, dass der Druckkoeffizient Pc nicht negativ unter irgendeinem normalen Zustand wird. Der niedrige Wert des Verhältnisses der vorgesehenen Tiefe C₃ über die Länge L bedeutet, dass, durch Anwenden eines niedrigen Krümmungswerts, ausgedrückt als δa/δc, wobei α der Wert des Tangentenwinkels zu der Wasserlinie an irgendeinem Punkt entlang irgendeiner der Flächen 5, 10, 12, 14 ist und C die entsprechende Tiefe ist, wie die 1 zeigt, ausreichend hohe Werte der Bughöhe H und des Bugwinkels α_n erreicht werden.
Es wird ersichtlich werden, dass die Ausdrücke „Druckkoeffizient", „Auftriebskoeffizient" und „Widerstandskoeffizient" wie üblich verwendet werden und ausreichend verstandene Ausdrücke im Stand der Technik sind, die Standard-Definitionen in dem allgemeinen Ingenieurwesen wie folgt haben:
Der Druck, erzeugt an der Fläche der Außenhautform, wirkt normal zu der lokalen Fläche der Außenhautform. Der Druckkoeffizient Pc ist gleich zu dem Druck, der auf eine Fläche einer Einheitsfläche, dividiert durch den dynamischen Druck, wirkt, wobei: dynamischer Druck = [Wasserdichte × (Va²/2)], wobei Va die lokale Wasser-Geschwindigkeit relativ zu dem Wasserfahrzeug ist;
der Auftriebskoeffizient ist der vertikale Auftrieb, der durch eine Fläche, dividiert durch (der ebene Flächenbereich der Fläche, projiziert auf die Wasserlinie × der dynamische Druck) erzeugt ist, und ist gleich zu dem Integral von [(Druckkoeffizient × Kosinus des lokalen Winkels der Außenhautform zu der Horizontalen) – (Reibungskoeffizient × Sinus des lokalen Winkels der Außenhautform zu der Horizontalen)] über den Flächenbereich; und
der Widerstandskoeffizient ist der horizontale Widerstand, der durch eine Fläche, dividiert durch (der Flächenbereich der Oberfläche × dem dynamischen Kopf) erzeugt ist, und ist gleich zu dem Integral von [(Druckkoeffizient × Sinus des lokalen Winkels der Außenhautform zu der Horizontalen) – (Reibungskoeffizient × Kosinus des lokalen Winkels der Außenhautform zu der Horizontalen)] über den Oberflächenbereich,
wobei der lokale Winkel der Außenhautform zu der Horizontalen positiv ist, wenn die Tangente der Fläche der Außenhautform nach unten in der Richtung nach hinten weist, und
wobei der Reibungskoeffizient die Widerstandskraft aufgrund einer Oberflächenreibung, erzeugt durch eine Fläche eines Einheitsflächenbereichs, dividiert durch den dynamischen Druck, ist.
Das Auftrieb/Widerstand-Verhältnis ist als das Verhältnis definiert von: Auftriebskoeffizient/Widerstandskoeffizient.
Die Arbeitsweise der Außenhautform, die den verbesserten Längsschnitt, der vorstehend beschrieben ist, besitzt, wird unter Bezugnahme auf die Druckkoeffizienten- Verteilung, dargestellt in 8 und 9, ersichtlich werden, wobei 8 Ergebnisse eines Längsschnitts einer Außenhautform gemäß dieser vorliegenden Erfindung zeigt, die für Reisefahrbedingungen optimiert worden ist, unter Vorgabe eines Auftriebskoeffizienten von 0,15 und eines Auftrieb/Widerstand-Verhältnisses von 25:1. Die Klappen-Tiefe C_F für diesen Fall beträgt 0,5% der vorgesehenen Tiefe C₃. Wie für Schnitte nach dem Stand der Technik erreicht der Druckkoeffizient einen Einheits-Wert an dem vorderen Stagnationspunkt 1. Die Fläche an diesem Punkt 13 befindet sich unter einer verringerten Neigung verglichen mit einem Schnitt nach dem Stand der Technik, dargestellt in 1, der vertikal wirkende Bestandteil (oder Auftrieb) wird nur unwesentlich erhöht, während der nach hinten wirkende Teil (Widerstand) verringert wird. Unmittelbar nach diesem Stagnationspunkt 1 fällt der Druckkoeffizient Pc unwesentlich schneller als für den Schnitt nach dem Stand der Technik aufgrund der nach oben gerichteten Biegung der Fläche 14 ab, so dass der Auftrieb, der durch diesen Abschnitt erzeugt ist, nur unwesentlich verringert wird. Allerdings verringert ein Verringern der negativen Schräge dieses Abschnitts weiterhin den Widerstands-Anteil. Unter Fortschreiten entlang der Tiefe bzw. Wasserlinie beginnt der Druckkoeffizient Pc damit, sich aufgrund des zunehmenden Einflusses der sich nach unten erstreckenden Hinterkantenklappe 18 zu erhöhen, während der Druckkoeffizient für den Schnitt nach dem Stand der Technik fortfährt abzufallen. Gleichzeitig flacht die Fläche der Außenhautform ab und beginnt vorzugsweise damit, sich so anzuheben, dass der Druck, der auf die Fläche einwirkt, nicht nur einen wesentlichen Auftrieb relativ zu dem Schnitt nach dem Stand der Technik erzeugt, sondern auch einen Kraftanteil erzeugt, der tatsächlich das Wasserfahrzeug nach vorne drückt. An dem Biegungspunkt 23 nähert sich der Druckkoeffizient wieder der Einheit an (der präzise Wert hängt von der Unmittelbarkeit der Ablenkung ab). Es wird ersichtlich werden, dass diese Fläche einen wesentliche Widerstand dahingehend erzeugt, dass praktisch die Gesamtheit des (hohen) Drucks, der erzeugt ist, einen Widerstandsanteil aufgrund der vertikal nach unten gerichteten Verlängerung der Fläche bildet. Diese Widerstandskraft muss gegenüber dem erhöhten Auftrieb, der erzeugt ist, und der nach vorne gerichteten Kraftkomponenten, die durch den hinteren Teil der Fläche 14 erzeugt ist, ausbalanciert werden. Es wird durch einen Vergleich der Bereiche unter der Kurve der 8 mit demjenigen der 1 ersichtlich werden, dass der Bereich unter der Kurve, entsprechend zu dem Auftrieb, der erzeugt ist, ungefähr um das Dreifache erhöht worden ist. Das Auftrieb/Widerstand-Verhältnis ist ungefähr verdoppelt worden.
9 stellt Ergebnisse für den Längsschnitt einer Außenhautform gemäß der vorliegenden Erfindung dar, die für Gleitzustände optimiert worden ist, unter Vorgabe eines Auftriebskoeffizienten von 0,25 und eines Auftrieb/Widerstand-Verhältnisses von 15:1. Die Klappen-Tiefe C_F für diesen Fall ist auf 2,0% der Gleit-Tiefe T₂ erhöht. Die erhöhte Klappen-Tiefe als ein Prozentsatz der Schnitt-Tiefe verbreitert den Peak 23 in dem Druckkoeffizienten nahe der Hinterkante der Außenhautform und hebt wesentlich den Wert des Druckkoeffizienten über die gesamte Tiefe der Außenhautform an. Es wird durch Vergleichen der Bereiche unter der Kurve der 9 mit denjenigen der 2 ersichtlich werden, dass der Bereich unter der Kurve, entsprechend zu dem Auftrieb, der erzeugt ist, ungefähr um das Dreifache erhöht worden ist. Das Auftrieb/Widerstand-Verhältnis ist im Wesentlichen dasselbe geblieben. Während in diesem Fall der mit Klappe versehene Abschnitt nach dem Stand der Technik die Mitte des Auftriebs nach hinten um ungefähr 16% der Tiefe mit dem Anwenden der Klappen bewegt ist, bewegt sich die Mitte des Drucks des neuen Schnitts nach vorne um 7% der Tiefe bzw. Wasserlinie. Diese verringerte Verschiebung ist ein wesentlicher Vorteil, um den Trimm des Wasserfahrzeugs beizubehalten.
Die Auftriebskoeffizienten und Auftrieb/Widerstand-Verhältnisse, die hier vorstehend angegeben sind, beziehen sich auf Daten eines zweidimensionalen Schnitts (für den Längsschnitt von Außenhautformen bzw. Bootsrümpfen). Die dreifache Erhöhung in dem Auftriebskoeffizienten des Schnitts bedeutet, dass die vorgesehene Tiefe C₃ um denselben Faktor für eine Außenhautform desselben Gewichts und mit demselben Beam (Balken) verringert ist. Die Froude-Zahl wird um √(3) erhöht werden. Die verringerten Spitzenverluste, die aus dem erhöhten Breiten/Tiefen-Verhältnis der Gleitfläche zusammen mit der Verringerung der Spritz- und Wellenbildungsverluste aufgrund der erhöhten Froude-Zahl resultieren, besitzen einen Nebenwirkungseffekt, so dass in der Praxis die neuen, verbesserten Schnitte eine Erhöhung in dem Auftriebskoeffizienten und eine Erhöhung in dem Auftrieb/Widerstand-Verhältnis um einen Faktor von ungefähr 5 zeigen, wenn eine dreidimensionale Außenhautform angewandt wird. Der Effekt der nach vorne weisenden Spritzplatte, wobei der kleine Neigungswinkel α₃ mit dem hohen Breiten-Tiefen-Verhältnis der Auftriebsfläche gekoppelt ist, bedeutet, dass der Hauptteil der Spritzplatte an dem Bug nach vorne vorsteht, im Gegensatz dazu, dass er zur Seite hin abgelenkt ist, wie in dem Fall von Außenhautformen nach dem Stand der Technik. Dieser Effekt bewirkt, dass die Außenhautform über die gebildete Spritzplatte „läuft", die Luftblasen mitreißt, was weiterhin die Außenhautreibung verringert.
Es wird ersichtlich werden, dass, um den maximalen Vorteil zu erreichen, Außenhautformen, die neue Schnitte einer Außenhautform verwenden, optimal mit einer variablen Klappe ausgestattet sein sollten. Bei Geschwindigkeiten unterhalb eines Gleitens sollte die Klappe idealerweise so zurückgezogen sein, um einen Widerstand zu minimieren, während dann, um das Wasserfahrzeug auf das Gleiten anzuheben, die Klappe so verlängert sein sollte, um ein hohes Anheben zu erzielen. Unter Reisegeschwindigkeit sollte die Klappe teilweise zurückgezogen sein, um einen minimalen Widerstand zu erzielen, und unter Geschwindigkeiten oberhalb des vorgesehenen Punktes sollten die Klappen weiter zurückgezogen werden, um die eingetauchte Tiefe nahe an deren vorgesehenem Wert zu haften.
Es wird für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet der Hochgeschwindigkeits-Strömung mit freien Oberflächen-Effekten ersichtlich werden, dass die präzisen Anhebungs- und Widerstands-Charakteristiken genau berechnet und optimiert werden können und dass kleine Änderungen in Bezug auf die Querschnittsformen vorgenommen werden können, um eine Strömung um tatsächliche, dreidimensionale Außenhautformen herum zu optimieren, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

Außenhautform (4) für ein gleitendes oder halbgleitendes Wasserfahrzeug, wobei die Außenhautform eine Unterfläche (14) und einen steil nach unten abfallenden Hinterkantenteil (18) hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterfläche (14) an einem Punkt (15) in den abfallenden Hinterkantenteil übergeht, an dem der Hinterkantenteil in Richtung nach unten von der Außenhautform absteht.
Außenhautform nach Anspruch 1, wobei der Hinterkantenteil (18) integral in der Außenhautform gebildet ist.
Außenhautform nach Anspruch 1, wobei der Hinterkantenteil in Form einer Klappeinrichtung (18) bereitgestellt ist.
Außenhautform nach Anspruch 3, wobei die Klappeinrchtung (18) weniger als 45 Grad zu der Normalen der Konstruktionswasserlnie gewinkelt ist.
Außenhautform nach Anspruch 3, wobei die Klappeinrichtung im Wesentlichen normal zu der Konstruktionswasserlinie ist.
Außenhautform nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei sich die Klappeinrichtung (18) über die gesamte Breite des Bogenträgers der Außenhautform erstreckt.
Außenhautform nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Winkel (β) der Klappeinrichtung feststehend ist.
Außenhautform nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Winkel (β) der Klappeinrichtung variabel ist.
Außenhautform nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die Klappeinrichtung (18) über die Ebene eines unmittelbar an die Klappeinrichtung angrenzenden Teils (15) der Unterseite der Außenhautform um eine Tiefe (C_F), die weniger als 1 % der Gesamtlänge (L) der Außenhautform (4) ist, hervorsteht.
Außenhautform nach Anspruch 9, wobei die Tiefe (C_F) der Klappeinrichtung (18) durch Gleiten der Klappeinrichtung in Richtung nach unten oder nach oben entlang einer geneigten Achse, auf der die Klappeinrchtung gleitfähig befestigt ist, variiert werden kann.