EP0648668A1

EP0648668A1 - Schnelles Schiff, insbesondere Faehrschiff

Info

Publication number: EP0648668A1
Application number: EP93810728A
Authority: EP
Inventors: Ernst Mohr
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-10-18
Filing date: 1993-10-18
Publication date: 1995-04-19

Abstract

Das schnelle Fährschiff setzt sich zusammen aus einem über eine Stütze (4) verbundenen Auftriebkörper (3) mit einem Antrieb (7), wobei der Auftriebkörper (3) mit verschwenkbaren oder mit Ruderklappen ausgestatteten Tragflügeln (5) und einem Leitwerk (6) versehen ist, und weist zwei Seitenrümpfe (9, 10; 9a, 10a) mit sich nach unten verjüngendem Profil auf und besitzt eine kleine Wasserlinienfläche (8)d er Stütze (4). In einer bevorzugten Ausführung können die Seitenrümpfe (9a, 10a) abgesenkt werden. Diese Schiffsart ist vor allem für Schiffe von über 500 t Gesamtgewicht gedacht, wobei der Auftriebkörper eine gute Gleitzahl und die schlanke Stütze einen geringen Wellenwiderstand bewirken, während die Tragflügel zusammen mit dem Leitwerk für zusätzlichen Auftrieb und vertikale Stabilität sorgen und die sich nach unten verjüngenden Seitenrümpfe das sog. slamming verhindern. Somit ergibt sich ein schnelles Schiff mit ruhiger Fahrt auch bei hohem Wellengang. <IMAGE> <IMAGE>

Description

Die Entwicklung von schnellen Schiffen ist nicht nur für militärische und ähnliche Anwendungen interessant, sondern immer mehr Gegenstand von einer grossen Anzahl von Studien über Fährschiffe. Bei der Entwicklung von schnellen Schiffen ist zu beachten, dass durch die Erhöhung der Geschwindigkeit die Bewegungen des Schiffes schon durch mittlere Wellen von ca. 2 m Höhe stark beeinflusst werden. Dies ist insbesondere bei Fährschiffen, d.h. bei Passagierschiffen, von grosser Bedeutung, da starke Schaukelbewegungen sehr unangenehm sind und zu Seekrankheit führen.
Es haben sich im Laufe der Jahre in der Schiffahrt eine Anzahl von verschiedenen Schiffstypen herausgebildet, die je nach Grösse und Gewicht unterschiedliche Rumpfformen, Antriebe, Steuerungen oder Wassertragflächen aufweisen.
Bei kleineren Schiffen bis etwa 250 t Gesamtgewicht haben sich Tragflügelboote bewährt, wobei dort vor allem solche mit voll eingetauchten Tragflügeln in Frage kommen. Diese Bootsarten sind weniger bis sehr wenig vom Wellengang abhängig. Es kann jedoch leicht ausgerechnet werden, dass beim Versuch, grössere Schiffe nur mit Tragflügel, ohne andere Auftriebkörper, auszustatten, die Tragflügel derartige Dimensionen erreichen müssen, dass deren Herstellung zu aufwendig wird. Deshalb gibt es derartige Schiffe auch nicht, denn sie würden ausserdem eine unverhältnismässig hohe Antriebsleistung erfordern.
Eine weitere Kategorie von Schiffen sind die sogenannten SWATH-Schiffe, wobei SWATH ein Akronym für Small Waterplane Area Twin Hull bedeutet, d.h. kleine Wasserlinien-Fläche mit Zwillingsrumpf, wobei die "Waterplane Area" d.h. der Querschnitt der Stützen, die das Ueberwasserschiff mit den Auftriebkörpern verbindet, gering ist. Der Welleneinfluss ist zwar nach wie vor vorhanden, jedoch resultiert ein geringerer Wellenwiderstand, da die hauptsächliche Wasserverdrängung mehrere Meter unter der Wasseroberfläche stattfindet. Ausserdem bewirkt dieser Schiffsaufbau eine kleinere Schaukelbewegung. Als Nachteil ist anzusehen, dass zwei Auftriebkörper bei gleichem Gesamtvolumen eine grössere Oberfläche aufweisen als ein einziger gleichvolumiger Auftriebkörper, wodurch ein grösserer Reibungswiderstand resultiert.
Eine weitere Kategorie von Schiffen sind die Katamarane, die Doppelrumpfschiffe, die bei grosser Breite ruhiger liegen als ein Einrumpfschiff, wobei der Schiffsauftrieb hier durch Verdrängung erfolgt. Bei ruhigeren Gewässern haben die Katamarane zwar Vorteile, doch bleibt die Schaukelbewegung sehr störend, wenn das Schiff schräg zu den Wellenfronten fährt. Es wurden auch schon Tragflügel unter Katamarane angebracht, wodurch das Eintauchen auf die Wasseroberfläche sanfter erfolgt. Diese Tragflächen-Katamarane, auch bekannt unter dem Namen Foilcat, haben demnach in mancher Hinsicht bessere Eigenschaftennals Monohulls, Monorumpfschiffe, mit tragflügeln, z. B. der auf dem Markt erhältliche BOEING JETFOIL.
Wie bereits vorgehend erwähnt, sind reinen Tragflügelbooten bei etwa 200-250 t Grenzen gesetzt. Bei gröseren Schiffsgewichten sind die Verdrängungskörper besser als Tragflügel, die einen niedrigeren Wasserwiderstand als sehr grosse Tragflügel aufweisen, siehe die Figuren 8 und 9, wobei die Gleitzahl ε ein Mass für die Schiffsgüte in dieser Hinsicht ist.
Es ist von diesem bekannten Stand der Technik ausgehend Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Schiff mit einem Gesamtgewicht von über 250t anzugeben, das durch seine Formgebung einerseits eine bei schnellen Schiffen übliche Geschwindigkeit von 30 bis 50 Knoten ( $1 kn = 1 sm/h = 1,852 km/h$
) ermöglicht und andererseits eine ruhige, durch Wellengang wenig beeinflusste Fahrt gestattet. Diese Aufgabe wird durch die Kombination von Merkmalen gemäss Patentanspruch 1 gelöst.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch in Seiteneinsicht ein erfindungsgemässes Schiff,
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf das Schiff gemäss Fig. 1,
die Fig. 3-7 sind fünf verschiedene Schnitte in Fig. 1,
Fig. 8 zeigt ein Diagramm mit der Abhängigkeit der Gleitzahl ε vom Schiffsgewicht G und von der Geschwindigkeit und
Fig. 9 zeigt in einem weiteren Diagramm die Abhängigkeit der Gleitzahl ε vom Schiffsgewicht und von der Transportleistungszahl C, das Mass der hydrodynamischen Güte des Schiffes.

Aus den Fig. 1 - 7 ist ersichtlich, dass das schematisch dargestellte, erfindungsgemässe Schiff 1 eine Kombination von mehreren Elementen verschiedener Schiffskategorien darstellt. So zeigen alle Schnitte gemäss den Fig. 3 - 7, dass die Doppelrumpfausführung, ein einziger Verdrängungskörper aus der an sich bekannten Zwillingsrumpf = Twin Hull-Ausführung sowie vollständig eingetauchte Tragflügel aus den sogenannten Tragflügel = Hydrofoil-Ausführungen ausgewählt wurde. Diese Kombination, wie noch weiter unten näher ausgeführt wird, ermöglicht den Bau eines Schiffes von über 250 t Gesamtgewicht, das bei hoher Geschwindigkeit bis zu 50 Knoten eine ruhige Fahrt ermöglicht, auch bei grösseren Wellen.
In der Seitenansicht gemäss Fig. 1 erkennt man das ganze Schiff 1 mit dem Ueberwasserschiff 2 und dem torpedoförmigen Auftriebkörper 3, der mit dem Ueberwasserschiff durch eine geformte Stütze 4 verbunden ist. Statt einer einziegen Stütze können mehrere Stützen, auch unterschiedlicher Querschnitte vorhanden sein. Das Ueberwasserschiff 2 enthält den hier nicht erfindungswesentlichen Aufbau mit den Passagierräumen, Steuereinheiten usw. die an sich bekannt sein können. Der Auftriebkörper 3 weist zwei Tragflügel 5 auf, die auf Englisch Hydrofoils genannt werden, die in Normal- oder Flugfahrt einen zusätzlichen Auftrieb bringen und zusammen mit einem vorderen oderen hinteren Leitwerk 6 der Stabilisierung in vertikaler Richtung dienen, und am Heck einen Schraubenantrieb 7.
In den Figure 1, 3-7 sind ausserdem die beiden Wasserlinien eingezeichnet, wobei WLR für die Wasserlinie für das ruhende Schiff oder bei geringer Fahrt und WLF für die Wasserlinie bei der Flugfahrt des Schiffes, bei der das Ueberwasserschiff vollständig aus dem Wasser ragt, stehen.
In Fig. 2 ist schraffiert die Wasserlinienfläche 8, die sogenannte Small Waterplane Area, dargestellt, die der Querschnittsfläche der Stütze 4 entspricht.
Im Schnitt der Fig. 3 - 7 erkennt man die beiden Seitenrümpfe 9 und 10, die entweder fest mit dem Ueberwasserschiff verbunden sind oder, siehe Fig. 5, als Schwimmkörper 9a und 10b absenkbar sind, falls das Schiff mit einer niedrigen Geschwindigkeit fährt oder sich im Hafen befindet. Hierdurch wird der Tiefgang des Schiffes bei geringer Fahrt oder in Ruhe herabgesetzt und der Hafentiefe angepasst. Diese Schwimmkörper werden dann bei höherer Geschwindigkeit hochgezogen und sind für den Auftrieb nicht mehr notwendig, da dann die Tragflügel ihre volle Wirksamkeit entfalten. Es ist auch möglich, nur einen Teil der Seitenrümpfe abzusenken. Das Profil der Seitenrümpfe 9 und 10, bzw. 9a und 10a entspricht weitgehend demjenigen eines Wassertragflächen-Katamarans wie z. B. eines Foilcat, d.h. eines sogenannten Wellenschneider-Katamarans. Diese Form der Seitenrümpfe bewirkt ein ruhiges Eintauchen des Schiffskörpers im Falle von hohem Wellengang und vermeidet vollständig das sogenannte slamming, das dann bei gewöhnlichen Katamaranen, bzw. Trimaranen mit unten abgerundeten oder flachen Seitenrümpfen oder Mittelrümpfen bei Trimaranausführungen vorkommt. Die im wesentlichen dreieckige, sich verjüngende Form der Seitenrümpfe 9 und 10 begünstigt das Durchschneiden der Wellen und verhindert somit ein Abbremsen des Schiffes beim Eintauchen.
In Fig. 3 erkennt man das Leitwerk 6 bei der Spitze des Auftriebkörpers 3 , das ebenso wie die Hauptflügel 5 auf an sich bekannte Weise verstellt und gesteuert werden kann, um das Schiff in vertikaler Richtung auf einer bestimmten Höhe über der Wasserfläche zu halten. Das Leitwerk 6 könnte auch am Heckteil angebracht sein. Die Verstellung der Flügel oder der daran angebrachten Ruderklappen erfolgt aufgrund der Abtastung der Höhe des Schiffes über der Wasseroberfläche. Beim Schnitt gemäss Fig. 5 weisen sowohl der Auftriebkörper 3 als auch die Stütze 4 ihre jeweilige maximale Querschnittsfläche auf. Nicht dargestellt ist beispielsweise in Fig. 5 ein Schnitt durch die Antriebseinheit, beispielsweise mit Dieselmotoren. Die Fig. 6 und 7 stellen die beiden anderen Querschnitte gemäss den Linien VI-VI bzw. VII-VII in Fig. 1 dar.
Das Schiff gemäss dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1-7 kann beispielsweise folgende Werte aufweisen:
Länge des Schiffes 50 m
Breite des Schiffes 15 m
Höhe des gesamten Schiffes 18 m
Hauptflügelfläche 60 m²
Gesamtmasse des Schiffes 900 t
Auftrieb des Verdrängungskörper 700 t (ca. 80% des Schiffsgewichtes)
Auftrieb der Flügel 200 t
Tiefgang im Hafen 5 m
Tiefgang bei Flugfahrt 8 m
Motorleistung 20'000 PS (14'800 kW)
maximale Geschwindigkeit um 40 Knoten (74 km/h).
Transportleistungszahl C = 290
Modellrechnungen haben ergeben, dass dieses Schiff sowohl in Längs- als auch in Querrichtung auch bei starkem Seegang die Horizontallage beibehält und somit das Rollen sowie das Stampfen dieses Schiffes wirksam verhindert wird.
In Fig. 8 ist eine Tabelle dargestellt, aus der hervorgeht, dass bei hohen Schiffsgewichten das erfindungsgemässe Schiff den an sich wenig Seegang-empfindlichen Tragflügelbooten überlegen ist. Die Gleitzahl ε ist definiert als $ε = A/W$
, wobei A der Auftrieb ist, der proportional L³ ist, mit L = Länge des Verdrängungskörpers, während der Widerstand W proportional L² ist. Somit steigt die Gleitzahl ε bei ähnlichen Körpern, die ausserdem über den Widerstand von der Geschwindigkeit abhängig ist, mit steigender Grösse des Schiffes, bzw. seines Verdrängungsvolumens.
Bei den Tragflügelbooten ist ε = konstant, ähnlich wie bei Flugzeugen, und weist in der Regel einen Wert um 8 bis maximal 10 auf, wie dies im Diagramm von Fig. 8 eingezeichnet ist. Bei Gewichten über 500 t sind diese Schiffe nicht mehr rationell ausführbar. Daraus ergibt sich, dass im beabsichtigten Fährschiffbetrieb bei einer Geschwindigkeit um 40 Knoten bereits ab 250 t Schiffsgewicht ein erfindungsgemässes Boot Tragflügelbooten überlegen ist und insbesondere bei Gewichten über 500 t.
Im Diagramm von Fig. 9 ist die Gleitzahl ε in Abhängigkeit vom Gewicht G aufgetragen. Ausserdem ist die Transportleistungszahl C (Admiralitätszahl) angegeben, die wiederum vom Schiffsgewicht abhängig ist. Die Transportleistungszahl C ist ein Mass für die hydrodynamische Güte des Schiffes, wobei bei einem guten Schiff diese Zahl über 200 ist. Genauer gesagt ist ${C = V}^{2/3} · v³ / N$
, wobei die Verdrängung V in Tonnen, die Geschwindigkeit v in Knoten und die Antriebsleistung N in PS angegeben werden. Bei der Tabelle gemäss Fig. 9 ergibt sich eine Transportleistungszahl C von ca. 280 bei einer Geschwindigkeit von 47 Knoten, wobei sich eine Ueberlegenheit eines erfindungsgemässen Bootes deutlich über 500 t Schiffsgewicht ergibt. Bei Gewichten bis ca. 250 t sind dagegen Tragflügelboote, z.B. Foilcats in dieser Beziehung besser und erreichen Werte bis C = 500.
Die Berechnungen ergeben somit überraschend, dass sich eine hohe Gleitzahl ε durch die Verwendung eines relativ grossen Auftriebkörpers erzielen lässt, wobei die Verdrängung des Auftriebkörper vorzugsweise ca. 80% beträgt. Dabei kann das Schiff durch die Verwendung von Tragflügeln und Leitwerkflügeln gut stabilisiert werden und durch die Verwendung einer geeigneten Stütze oder von mehreren Stützen und vor allem durch die Verwendung von Seitenrümpfen des wellenschneidenden Typs wird auch bei hohem Seegang eine ruhige Fahrt ermöglicht, wodurch die Seekrankheit, insbesondere bei längeren Fahrten, weitgehendst vermieden werden kann.

Claims

Schnelles Schiff, insbesondere Fährschiff mit einer kleinen Wasserlinienfläche (8), mit
- einem über mindestens eine Stütze (4) verbundenen Auftriebkörper (3) mit einem Antrieb (7),

- wobei der Auftriebkörper (3) mit verschwenkbaren oder mit Ruderklappen ausgestatteten Tragflügeln (5) und einem Leitwerk (6) versehen ist, und

- zwei Seitenrümpfen (9, 10; 9a, 10a) mit sich nach unten verjüngendem Profil.
Schiff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Seitenrümpfe (9a, 10a) absenkbar ausgebildet sind.
Schiff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sein Gesamtgewicht über 250 t, vorzugsweise über 500 t ist.