Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
Schiffsrumpf, bestehend aus einem ersten Rumpfteil und einem
unterhalb des ersten Rumpteiles angebrachten zweiten
Rumpfteil, das sich zumindest im wesentlichen über die
volle Länge des ersten Rumpfteiles erstreckt und das als
ein extrem schlanker Schwimmerkörper entworfen wurde.
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Ein Schiffsrumpf dieser Art ist vom DE- 41 25 187 A1 her
bekannt. Der hierin beschriebene Schiffsrumpf weist viele
krumme Flächen auf und ist notwendigerweise mit Hilfe einer
kostspieligen Form aus Epoxidharz oder ähnlichem Werkstoff
gefertigt.
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Der Schiffsrumpf gemäß der Erfindung ist dagegen auf
praktisch jeder Werft auf einfache Weise zu bauen, und eine
kostspielige Form wird nicht verlangt, und ist dadurch
gekennzeichnet, daß sowohl das erste Rumpfteil als auch das
zweite Rumpfteil zumindest im wesentlichen als
Knickspantrümpfe mit zusammengefügten Knickspantrahmen-Komponenten
entworfen wurden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß das erste Rumpfteil auf dem zweiten
Rumpfteil angeordnet ist, und zwar so, daß sich die vordere
Hälfte des ersten Rumpfteiles unter Betriebsbedingungen
über dem Wasserspiegel und die hintere Hälfte des ersten
Rumpteiles zumindest teilweise unter dem Wasserspiegel
befindet. Der Vorteil ist, daß eine unabwendbar von dem
ersten Rumpfteil hervorgerufene Bugwelle unter dem
Schiffsrumpf entsteht, wodurch ein aufwärtsgerichteter
Druck nahe der Mitte des Schiffsrumpfes bewerkstelligt
wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Rumpfteil unter
Betriebsbedingungen für 70% bis 90% des Auftriebs sorgt.
Diese Werte verursachen im Rumpf keine
Resonanzerscheinungen, wodurch der durch Wellen hervorgerufene
Strömungswiderstand niedrig bleibt, während das zweite
Rumpfteil dem Rumpf eine ausreichende Querstabilität
verleiht.
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Tests mit einem Modell in einem Maßstab von 1 zu 10 haben
gezeigt, daß den Strömungswiderstand verursachende
Resonanzerscheinungen nicht auftreten, sogar bei erheblich
höheren Geschwindigkeiten als die schiffsgebundene,
kritische Rumpffahrt. Es wurde festgestellt, daß innerhalb
eines Meßbereiches von null bis viermal die
schiffsgebundene kritische Rumpffahrt, der durch Wellen
hervorgerufene Strömungswiderstand zunimmt, die
Unterbrechung in der abfallenden Kurve des durch Wellen
hervorgerufenen Strömungswiderstands als eine Funktion der
Geschwindigkeit jedoch nicht auftritt. Deshalb ist das
Fahren mit Geschwindigkeiten weit über die schiffsgebundene
kritische Rumpffahrt praktisch nicht mit einer übermäßigen
Zunahme des Kraftstoffverbrauchs verbunden.
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Um auch bei einer anderen Belastung zu erreichen, daß die
erste Bugwelle des ersten Rumpfteiles und die zweite
Bugwelle des zweiten Rumpfteiles einander zumindest im
wesentlichen neutralisieren, kann das zweite Rumpfteil mit
zumindest einem Ballasttank versehen werden.
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Was den Schiffsrumpf gemäß der Erfindung betrifft, kann
gesagt werden, daß es sich um eine Synthese des sogenannten
superschlanken Verdrängers mit einem Breiten-Längen-
Verhältnis von beispielsweise 6,5% und des klassischen
Schiffsrumpfes handelt, von dem der Knickspantrumpf zum
Beispiel ein Breiten-Längen-Verhältnis von 30% aufweist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Schiffsrumpfs
gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sich
das Breiten-Längen-Verhältnis des ersten Rumpfteiles auf
27%-38%, und daß sich das Breiten-Längen-Verhältnis des
zweiten Rumpfteiles auf 6%-9% beläuft.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung wurde das zweite Rumpfteil so entworfen, daß es
sich nach unten hin verbreitert. Hierdurch ist es
einfacher, den Motor, den Kraftstofftank, den Frischwassertank
sowie die Ballasttanks unterzubringen und der Rumpf läßt
sich in einer stabilen Lage auf einer Sandbank auf Grund
setzten, während der durch Wellen hervorgerufene
Strömungswiderstand nicht übermäßig zunimmt.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher
erläutert, von denen
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Fig. 1 eine Seitenansicht des Schiffsrumpfs in Fahrt
zeigt;
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Fig. 2 eine Draufsicht des Schiffsrumpfs in Fahrt zeigt;
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Fig. 3 in einer graphischen Darstellung die benötigte
Motorleistung für einen 10 m langen Schiffsrumpf
gemäß der Erfindung zeigt;
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Fig. 4 einen vereinfachten Spantriß des Schiffsrumpfes
zeigt;
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Fig. 5 in einer graphischen Darstellung den
selbstaufrichtenden Moment des Schiffsrumpfes gemäß der
Erfindung zeigt;
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Fig. 6 in einer graphischen Darstellung das
Stufenverhalten für eine Rotation rund um die Längenachse
des Schiffsrumpfes gemäß der Erfindung zeigt.
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Für jedes Schiff gilt eine bestimmte Geschwindigkeit, bei
der der Kraftstoffverbrauch drastisch zunimmt. Diese
Geschwindigkeit, die sogenannte schiffsgebundene kritische
Rumpffahrt verhält sich proportional zu der Wurzel aus der
Länge des Schiffes. Dieses Phänomen hängt mit dem Entstehen
der Bug- und Heckwelle bei einem Schiff in Fahrt zusammen,
die sich gegenseitig verstärken, sobald die kritische
Rumpffahrt erreicht ist. Um dieses Phänomen zu umgehen,
gibt es zwei bekannte Methoden. Die erste Methode findet
beispielsweise bei einem Katamaran Anwendung. Hierbei
handelt es sich um einen außerordentlich schlanken
Verdränger mit einem Breiten-Längenverhältnis von
beispielsweise 6,5%. Von einem derartigen Verdränger ist
bekannt, daß praktisch keine Bug- und keine Heckwelle
auftreten, und daß das den Strömungswiderstand
verursachende Resonanzphänomen nicht auftritt. Die zweite
Methode betrifft ein planierendes Fahrzeug, bei dem
folglich keine Bugwelle hervorgerufen wird.
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Beide Methoden sind mit bestimmten Nachteilen verbunden.
Ein superschlanker Verdränger eignet sich weniger für
Anwendungen, bei denen das Schiff mit einer Kajüte
ausgestattet sein muß, wie zum Beispiel bei einer
Vergnügungsjacht oder einem Küstenschnellboot. Für ein planierendes
Fahrzeug wird dagegen eine entsprechend höhere
Motorleistung verlangt, was einen entsprechend höheren
Kraftstoffverbrauch und einen geringeren Aktionsradius sowie
einen äußerst beschränkten Komfort für die
Schiffspassagiere mit sich bringt, im besonderen wenn man dem
Seegang zufolge auf die Wasserverdrängungsfahrt
zurückgreifen muß.
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Aufgabe des Schiffes gemäß der Erfindung, von dem in Fig.
1 die Seitenansicht des Rumpfes in Fahrt gezeigt wird, ist
es, dieses Problem auf erfinderische Weise zu lösen, indem
ein erstes Rumpteil 1, faktisch ein herkömmlicher
Schiffs
rumpf, obenauf einem zweiten Rumpteil 2, faktisch einem
superschlanken Verdränger, angeordnet wird. Für die
Rollstabilität ist es dann notwendig, daß sich das erste
Rumpfteil 1 zumindest teilweise unter Wasser befindet. Dies
bringt mit sich, daß eine Bugwelle hervorgerufen wird, und
zwar dort wo das erste Rumpfteil 1 die Wasserlinie
schneidet. Gemäß der Erfindung wird dieser Punkt ungefähr
auf halbem Wege des Schiffsrumpfes gewählt, in Fig. 1 nahe
des Schwerpunktes 3 des Schiffes. Die Vorderseite des
ersten Rumpfteiles 1 befindet sich also über dem
Wasserspiegel und die Rückseite zumindest teilweise unter dem
Wasserspiegel. Die Schnittlinie 4 des ersten Rumpfteiles
mit dem Wasserspiegel wurden ebenfalls angegeben.
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Fig. 2 zeigt eine Draufsicht des Schiffsrumpfes gemäß der
Erfindung mit dem ersten Rumpfteil 1, dem zweiten Rumpfteil
2, Schwerpunkt 3 und der Schnittlinie 4 des ersten
Rumpfteiles 1 und dem Wasserspiegel.
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Tests mit einem Modell in einem Maßstab von 1 zu 10 haben
erwartungsgemäß gezeigt, daß sowohl das erste Rumpfteil 1
als auch das zweite Rumpfteil 2 eine Bugwelle hervorrufen.
Wird nun für das Breiten-Längen-Verhältnis des ersten
Rumpfteiles 27%-38% und für das Breiten-Längen-Verhältnis
des zweiten Rumpfteiles 6%-9% gewählt, und läßt man die
Bugwelle des ersten Rumpfteiles auf halbem Wege des
Schiffsrumpfes entstehen, dann zeigt sich, daß sich beide
Bugwellen während der Fahrt mit kritischer Rumpffahrt in
Gegenphase befinden und wird auch bei höheren
Geschwindigkeiten ein plötzlicher Anstieg des Wellenwiderstandes nicht
wahrgenommen. Eine heuristische Erklärung für diesen
günstigen Effekt ist, daß einerseits die bereits erwähnte
Hochschaukelung nicht stattfindet, und andererseits das
Schiff nicht gegen seine eigene Bugwelle anzufahren
braucht, sondern die auf halbem Wege gebildete Bugwelle
einen nahe des Schwerpunktes angreifenden,
aufwärtsgerichteten Druck bewerkstelligt.
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Mit Hilfe des maßstabsgerechten Modells wurde der
Widerstand des Schiffsrumpfes als Funktion der Geschwindigkeit
gemessen. Der so gemessene Widerstand ist der
Gesamtwiderstand, nämlich die Summe des Wellenwiderstandes und
des Flüssigkeitsreibungswiderstands. Danach wurde der
Flüssigkeitsreibungswiderstand mit Hilfe der nassen
Oberfläche des maßstabsgerechten Modells und der im Fachgebiet
bekannten ITTC-Formel unter Anwendung der für das
maßstabsgerechte Modell berechneten Reynoldsschen Zahl berechnet.
Der damit ermittelte Wellenwiderstand läßt sich dann mit
der im Fachgebiet bekannten Methode in einen Schiffsrumpf
mit einer Länge von 10 m maßstäblich vergrößern. Danach
wurde der Gesamtwiderstand für einen 10 m langen
Schiffsrumpf berechnet, indem der mit Hilfe der nun gültigen
Reynoldssche Zahl berechnete Flüssigkeitsreibungswiderstand
des 10 m langen Schiffsrumpfes hinzugezählt wurde. Der so
berechnete Gesamtwiderstand wurde in Fig. 3 in einer
graphischen Darstellung eingezeichnet, zusammen mit einer
graphischen Darstellung 5 eines vergleichbaren, modernen
Verdrängers und einer graphischen Darstellung 5' eines
planierenden, im Fachgebiet bekannten Rumpfes mit einer
Deep-Vee-Form. Anzumerken sei, daß sich die Kurven für den
Deep-Vee-Rumpf und für den Schiffsrumpf gemäß der Erfindung
bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 24 Knoten
schließlich schneiden. Namentlich für das Geschwindigkeitsgebiet
von einem bis drei Mal die Rumpffahrt ist die vorliegende
Erfindung deshalb von Bedeutung.
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Einen vereinfachten Spantenriß einer Ausführungsform des
Schiffsrumpfes zeigt Fig. 4, wobei sowohl das erste
Rumpfteil 1 als auch das zweite Rumpfteil 2 gemäß der
klassischen Knickspant-Technologie ausgeführt wurden. Der
Spantenabstand beträgt 40 cm und es wurden die Spanten 0,
6, 15, 18, 21 und 24 gezeichnet. Das zweite Rumpteil 2
verbreitert sich nach unten hin. Hierdurch ist es
einfacher, den Motor, den Kraftstofftank, den Frischwassertank
sowie die Ballasttanks in dem zweiten Rumpfteil 2
unterzubringen und der Rumpf läßt sich in einer stabilen Lage
auf einer Sandbank auf Grund setzten. Was den durch Wellen
hervorgerufenen Strömungswiderstand betrifft, wirkt sich
die zunehmende Breite nicht nachteilig aus, weil dabei nur
das Breiten-Längen-Verhältnis nahe des Wasserspiegels von
Bedeutung ist. Weiterhin fällt auf, daß jedes Spant aus
zwei zusammengefügten Knickspanten besteht. Hierdurch läßt
sich ein Schiffsrumpf gemäß der Erfindung praktisch auf
jeder Werft auf einfache Weise bauen. Auch ist der
Investitionsaufwand niedrig, da keine teuren Mallen
benötigt werden, wie zum Beispiel bei der Produktion von in
Polyester ausgeführten Schiffsrümpfen.
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In Fig. 4 ist ebenfalls zu sehen, daß sich das erste
Rumpfteil 1 nach hinten verbreitert, wobei das Achterschiff
dem Schiffsrumpf die notwendige Querstabilität verleihen
soll. Bei kleinen Rollwinkeln stammt die Querstabilität
faktisch vom Achterschiff allein, weil sich das Vorschiff
über dem Wasserspiegel befindet und somit keinen
selbstaufrichtenden Moment des zweiten Rumpfteiles bewirken kann
und weil der selbstaufrichtende Moment des zweiten
Rumpfteiles in diesem Fall keine Rolle spielt.
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Der selbstaufrichtende Moment M des Schiffsrumpfes gemäß
der Erfindung wurde in Fig. 5 als Funktion des Rollwinkels
dargestellt. Hierbei bewirkt das erste Rumpfteil 1 den
selbstaufrichtenden Moment für kleine Winkel und bewirkt
das zweite Rumpfteil 2 einen großen selbstaufrichtenden
Moment für große Rollwinkel, wenn dieses relativ schwere
Teil in die horizontale Lage kommt. Zusätzlich wurde für
einen vergleichbaren Knickspantrumpf der selbstaufrichtende
Moment mittels einer gestrichelten Kurvenlinie angegeben.
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Aus Fig. 5 geht ebenfalls hervor, daß die günstig gewählte
Form bei zunehmendem Rollwinkel in einem monoton
zunehmenden selbstaufrichtenden Moment resultiert, mit einem
flexiblen, stabilen und "non-laboursome"-Verhalten im
Vergleich zum Knickspantrumpf. Weiterhin stellt sich
heraus, daß die zum erfindungsgemäßen Schiffsrumpf
gehörende Oberfläche der graphischen Darstellung größer als
die zum Knickspantrumpf gehörende Oberfläche der
graphischen Darstellung ist. Dies bedeutet, daß der im
Fachgebiet bekannte Stabilitätsumfang ausgezeichnete ist.
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Der Komfort an Bord eines Schiffes wird in hohem Maße durch
das Stufenverhalten für eine Rotation rund um die
Längenachse eines Schiffes bestimmt. Fig. 6 zeigt das
Stufenverhalten eines Schiffsrumpfes gemäß der Erfindung für
einen Rollwinkel von 6º. Das Stufenverhalten ist
ausgezeichnet, was dem großen Widerstand des zweiten
Rumpfteiles 2 für Rollbewegungen zu verdanken ist. Darüber
hinaus bietet das zweite Rumpfteil 2 eine sehr gute
Richtungsstabilität, was ausreichend ist, um eine etwaige
Neigung zum Querschlagen auszugleichen.
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Ein weiterer Vorteil des Schiffsrumpfes ist, daß der
Antriebswirkungsgrad relativ hoch ist, weil der im
Fachgebiet bekannte Belastungsbeiwert dank der relativ
niedrigen gewünschten Leistung gering ist und den Entwurf
einer Schiffsschraube mit großem Durchmesser erlaubt.
Außerdem ist mit dem erfindungsgemäßen Entwurf eine
günstige Wasseranströmung der Schiffsschraube
gewährleistet. Da die im Fachgebiet bekannte Leistungskurve für
den Schiffsrumpf praktisch denselben Verlauf hat wie die im
Fachgebiet bekannte "prop law"-Kurve für die
Schiffsschraube, ist ein Wirkungsgrad von 70% bis 75% der
Schiffsschraube realisierbar. Neben einem hohen Wirkungsgrad wird
eine auf diese Weise angetriebene Schiffsschraube außerdem
den Komfort für die Personen an Bord wegen des niedrigen
Geräuschpegels weiterhin vergrößern.