DE564648C - Schiffsform - Google Patents

Description

Eine wichtige Aufgabe der Schiffbautechiiik besteht darin, das Schiff mit möglichst kleinem Widerstand zu entwerfen. Zahlreiche hierauf abzielende Verbesserungen an Schiffsformen sind bekannt, unter anderen hohle oder S-schlagförmige Wasserlinien mit im Bereiche der Konstruktionswasserlinie eingezogenen Vorschiffsspanten, auch neuerdings sich verbreiternde bulbförmige Vorderschiffe

to usw. Bisher werden die im Einzelfall günstigsten Formen durch Schleppversuche ermittelt; es fehlte an einer praktischen Regel, nach der derartige Schiffsformen von vornherein so entworfen werden konnten, daß ohne Vornahme kostspieliger Versuche die erwartete Wirkung in jedem Fall, d. h. bei jeder Schiffslänge und Konstruktionsgeschwindigkeit, eintrat. Insbesondere war es für die hohle Wasserlinie nicht genau bestimmt, an welcher Stelle die Einziehung für verschiedene Geschwindigkeiten stattfinden sollte. Deshalb geschah es oft, daß solche Wasserlinien und Spanten statt der erwarteten Widerstandsverminderung eine Vergrößerung des Schiffswiderstandes hervorriefen,- so daß man schließlich z. B. die S-schlagförmigen Wasserlinien ganz verlassen hat.

Die Auffindung eines Gesetzes ermöglicht es nun, die S-schlagförmige oder hohle Wasserlinie des Vorderschiffes mit stets gleichbleibender Sicherheit zwecks Widerstandsverminderung anzuwenden.

Bekanntlich setzt sich der Widerstand der Fortbewegung von Schiffen aus zwei Faktoren zusammen, nämlich aus dem Reibungswiderstand und dem Formwiderstand. Ersterer ist, abgesehen von der Geschwindigkeit, im wesentlichen durch die Größe der benetzten Oberfläche und deren Zustand bedingt. Der Formwiderstand wird erfindungsgemäß durch die Wahl einer bestimmten Schiffsform mit im Bereich der Konstruktionswasserlinie eingezogenen Vorschiffsspanten verringert, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß das Maximum der Einziehung der Längsrichtung nach in einer Entfernung von 1 -7= — 1J — vom vorderen Lot liegt, wobei V die Schiffsgeschwindigkeit in Knoten und L die Schiffslänge in Meter bedeutet.

Zahlreiche Modellschleppversuche ' haben erwiesen, daß von Schiffen gleicher Verdrängung und Abmessung dasjenige stets kleineren Widerstand zur Fortbewegung erleidet, welches an der formelmäßig bestimmten Stelle eine Einziehung der Spanten im Bereiche der Konstruktionswasserlinie am Vorderschiff aufweist.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.

Abb. ι stellt die Risse verschiedener Schiffsspanten der gewöhnlichen Bauarten wie auch derjenigen gemäß der Erfindung dar und

Abb. 2 die Spantenskala sowohl für eine gewöhnliche Schiffsform als auch für eine solche gemäß der Erfindung. In dieser Abbildung ist in gleicher Weise der Linienriß

eines Schiffes schematisch angedeutet mit dem Profil der Wellen, die sich bei gewöhnlicher Schiffsform (X) bzw. bei jener gemäß der Erfindung (Y) bilden.

Abb. 3 ist ein horizontaler Halbschnitt in der Höhe der Wasserlinie durch eine gewöhnliche Schiffsform und durch jene gemäß der Erfindung.

In sämtlichen Abbildungen beziehen sich ίο die schwachen Linien auf die gewöhnliche Schiffsform und die starken, sowohl voll ausgezogenen als auch gestrichelten Linien auf jene gemäß der Erfindung.

Das mechanische Ähnlichkeitsgesetz, das auch für Schiffe anwendbar ist, besagt, daß sich die Geschwindigkeiten geometrisch ähnlicher Körper wie die Quadratwurzeln der linearen Dimension verhalten. Um die Geschwindigkeiten von Schiffen zu vergleichen, bedient man sich gewöhnlich der Verhältniszahl —=, wobei V die Geschwindigkeit in

Knoten und L die Länge des Schiffes in Meter bezeichnet.

Schleppversuche und die auch in der tatsächlichen Schiffahrtspraxis gewonnenen Beobachtungen haben gezeigt, daß die Form, Höhe und Ausbildung des Systems der vom Bug divergierenden und durch das in Fahrt befindliche Schiff erzeugten Bugwellen zufolge des direkten Widerstandes außerordentlich vom Riß des Vorderschiffes abhängig sind.

Eine theoretische Erklärung für die Wider-Standsverringerung bei Anwendung einer Einziehung im Vorschiff nach der Erfindung läßt sich in folgender Weise geben:

Bei einem verhältnismäßig kleinen Koeffi-

V
zienten -=, von beispielsweise dem Wert I,

YL

entsteht fast keine Bugwelle, weil die Wasserfäden die Möglichkeit haben, die Schiffsform zu umströmen, und weder Wellen noch Wirbel bilden. Wenn dagegen die Geschwindigkeit zunimmt, stößt der Bug sozusagen eine Wassermasse vor sich her (die in den beiden nachstehend erläuterten Abb. 4 und 5 durch die schraffierte FlächeJi dargestellt wird).

Es wird nun bei vorliegender Erfindung davon ausgegangen, daß der Angriffspunkt des Formwiderstandes auf jeder Schiffsseite in einem Punkte C liegt (s. Abb. 4), der sich entsprechend dem Anwachsen der Geschwindigkeit immer mehr gegen die Mitte des Schiffes in der Längsrichtung verschiebt.

Wenn angenommen wird, daß für —= — 1 der

Angriffspunkt des Formwiderstandes am

Vorsteven, für —= = 3 auf halber Schiffs-YL

länge liegt, ergibt sich der Abstand X dieses Punktes, gemessen in Meter vom Bug des

Schiffes, für beliebige —= Werte zu T L

]/L

Vor dem Punkte C, welcher durch die Abszisse X bestimmt wird, sind die durch die Wassermasse auf die Schiffsfianken ausgeübten dynamischen Drucke beträchtlich, während sie hinter dem Punkte C rasch auf unbedeutende Werte fallen.

In Abb. 5 stellt die Linie A die halbe Wasserlinie eines Schiffes der üblichen Form dar. Die Linie B stellt die halbe Wasserlinie einer Schiffsform gemäß der Erfindung dar. An einem Punkt der variablen Abszisse x, der vor dem Punkt X liegt, und für dieselbe Größe der Resultierenden P der senkrecht zu einem Flächenelement der Schiffsflanke in diesem Punkte gerichteten Drucke (Po = Py) geht hervor, daß die Komponente dieses Druckes in der Fahrtrichtung für die Schiffsform B wesentlich kleiner ist als diejenige für die Schiffsform^:

^Kr <-^Ko ■

Die zur Fahrtrichtung senkrechten Korn- go ponenten Q heben sich wegen der Symmetrie der Wasserlinien paarweise auf.

Das Umgekehrte tritt ein für einen Punkt der variablen Abszisse.ν hinter dem PunktX, für den

R'_V>K

ist. Dies ist jedoch ohne Bedeutung, da, wie gesagt, die absolute Größe der dynamischen Drucke sehr gering ist, so daß die Summe der Horizontalkomponenten R vor dem Punkte .ΛΓ bei weitem die unwesentliche Vergrößerung der Summe der Horizontalkomponenten/? hinter dem Punkte X überwiegt.

Hieraus geht mit aller Deutlichkeit der Vorteil hervor, der aus der Verkleinerung des Angriffswinkels des Schiffes vor dem Punkt X gemäß der Erfindung resultiert:

<P<a.

Andererseits bildet die durch das Schiff gemäß der Abb. 4 vor sich her geschobene Wassermasse M eine Art von Puffer vor dem Schiff und erzeugt eine Abweichung in der natürlichen Bildung der divergierenden Bugwelle^ indem sie ihre Ausdehnung, ihre Höhe und ihren natürlichen Öffnungswinkel Ui₁ vergrößert, der bei einer Wasserlinienform B ge mäß der Erfindung nicht vergrößert wird, sondern der nur bei der üblichen Form .4 auf einen Wertd/, anwächst (Abb. 4, links).

In vorstehendem ist nur die Arbeitshypothese wiedergegeben, aus der die Schiffsform nach der Erfindung entwickelt worden ist. Die angestellten Schleppversuche haben in jedem Fall ergeben, daß eine Widerstandsverminderung dann eintritt, wenn die Einziehung nach der Erfindung geformt ist.

Es sollen nunmehr die Abbildungen im einzelnen näher erläutert werden.

ίο In Abb. ι sind rechts die verschiedenen Spanten des Vorschiffes und links diejenigen des Hinterschiffes dargestellt. Wie oben erwähnt, stellen die schwachen Linien i, 2, 3 usw. die Spanten dar,' die in der bisherigen Weise entworfen sind; die starken Linien, und zwar die voll ausgezogenen. A, B, C usw., sowie die gestrichelten, a, b, c usw., stellen zwei Varianten der Bauart nach der Erfindung dar; die schraffierten Teile lassen den

?" Unterschied erkennen, der zwischen den entsprechenden Spantenrissen besteht.

Bei den gewöhnlichen Bauarten sind meist die Spanten am Vorschiff in Höhe der Wasserlinie auswärts geneigt, wie dies in Abb. 1 an den Spanten 1 und 2 ersichtlich ist.

Wie nun leicht verständlich ist, übt während der Fortbewegung des Schilfes das Spant I, wenn es sich in Bewegung befindet, auf das Wasser nicht nur verschiedene waagerecht gerichtete Einzelkräfte aus, deren Resultierende in Richtung der Achse des Schiffes verläuft, sondern es entsteht außerdem auf der ganzen Länge des oberen eingetauchten Teiles des Spants eine senkrecht gerichtete Kraft in der Krümmung des Spants, sozusagen an jedem seiner Punkte, wodurch das Spant ι das Bestreben hat, das Wasser unterhalb des waagerechten Risses, wenn es an dem fraglichen Punkt vorbeikommt, zurückzustoßen, falls das Spant an diesem Punkte zur Senkrechten geneigt ist. Diese Kraft ist es, die die Höhe der Bugwelle vermehrt, die eine Folge des Formwiderstandes ist.

Indem man nun die verschiedenen Spanten des Schiffes, insbesondere die am Vorschiff derart anordnet, daß die in dem unterhalb der Wasserlinie gelegenen Teil merklich senkrecht gerichtet sind, wie dies bei den Spanten A, B, C der Abb. 1 der Fall ist, vermindert man in sehr merklichem Grade den Formwiderstand.

Gibt man sogar diesen Spanten eine deutlich konkave Form, wie in Abb. 1 gestrichelt dargestellt, so erreicht man, daß die Höhe der Bugwelle noch mehr abfällt; die konkave Gestaltung verschlingt sie gewissermaßen. Der Krümmungsmittelpunkt wandert bis an die Wasseroberfläche nach oben gehend und in Längsrichtung bis zum Teil des Schiffes, wo die Welle die Neigung hat zu fallen und ein Wellental zu bilden.

In Abb. 2 ist ein Längsschnitt eines Schiffsrumpf es dargestellt; in dieser Abbildung sind, wie in Abb. i, die Höhen der Bugwellen λ' und Y eingezeichnet, die in den beiden betrachteten Fällen entstehen und die eine Folgeerscheinung des direkten Widerstandes sind. Man erkennt, daß diese Höhe sehr merklich vermindert wird bei einer Schiffsform gemäß der Erfindung.

In Abb. 2 ist ebenfalls die Spantenskala der beiden entsprechenden Schiffe eingetragen, d. h. die Kurven, welche über der Abszisse gleich der Länge des Schiffes so gezeichnet werden, daß ihre Ordinaten den Flächeninhalt der Spanten an den betreffenden Stellen angeben und ihre Flächen die Verdrängungen darstellen. Die Betrachtung dieser Spantenskala zeigt, daß ein Schiffsrumpf gemäß der Erfindung viel geringere Spantenflächen an den äußeren Teilen und viel größere Spantenflächen an dem mittleren Teil als sonst üblich hat. Die größte Entziehung an Spantenflächen in dem durch die obige Formel bestimmten Abstandet tritt dadurch in Erscheinung, daß an der betreffenden Stelle der kleinste Krümmungshalbmesser für die Spantenskala besteht.

In der Abb. 3, die schematisch den horizontalen Halbschnitt in Höhe der Wasserlinie für eine gewöhnliche Schiffsform und jene gemäß der Erfindung darstellt, sind die verschiedenen Lagen der Angriffspunkte des Formwiderstandes, durch die Formel

— bestimmt, auf der Ab-

szisse aufgetragen. Für den Wert 77== = 1 befindet sich der Angriffspunkt am vorderen

Lot und für den Wert r~= ~ 3 in der Schiffs-

\ L.
mitte.

Nimmt man nun an, daß man ein Schiff bauen will mit einer gegebenen Wasserverdrängung sowie mit gegebener Länge und Geschwindigkeit, so ergibt die obige Formel die Stelle, wo für ein solches Schiff der Angriffspunkt für den Formwiderstand liegt. So wird z. B. für ein Schiff von 225 m Länge und 24 Knoten Geschwindigkeit

X= -4= Ä* —

wobei 24

I/225

225

33,75

I/225

ist.

Der Vorgang beim Entwerfen besteht gemäß der Erfindung darin, daß man an dieser Stelle dem Schiffsrumpf eine so scharf geschnittene Form gibt, als dies mit Rück-

sieht auf die innere Einrichtung möglich ist. Diese Verminderung der Breite des Vorschiffes an dieser Stelle wird ausgeglichen durch eine Verbreiterung an anderen Stellen, derart, daß die gleiche Wasserverdrängung beibehalten wird.

Um ζ. B. das obenerwähnte Schiff mit dem

γ
Koeffizienten -— = i,6 zu bauen, ist es nötig,

ίο daß der Rumpf an dem entsprechenden Punkt des Schaubildes der Abb. 3 so eingezogen als möglich ist, was gestattet, die ganze Gestalt des Rumpfes zu entwerfen unter Berücksichtigung der übrigen Bedingungen. Man erhält so z. B. den in starker Linie dargestellten Riß, während der gewöhnliche Riß in schwach ausgezogener Linie veranschaulicht ist.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schiffsform mit im Bereich der Konstruktionswasserlinie eingezogenen Vorschiffsspanten, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum der Einziehung der Längsrichtung nach in einer Entfernung

   ij vom vorderen Lot liegt, ²^

   von

   I ^V χ\

   ι —. j. ι

   \VL J

   wobei V die Schiffsgeschwindigkeit in Knoten und L die Schiffslänge in Meter bedeutet.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen