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Dokumentenidentifikation DE19614500A1 16.10.1997
Titel Überkritischer Verdränger-Bootskörper
Anmelder Weber, Eckhart, 90403 Nürnberg, DE
Erfinder Obermoser, Karl, 90592 Lindelburg, DE
DE-Anmeldedatum 12.04.1996
DE-Aktenzeichen 19614500
Offenlegungstag 16.10.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.10.1997
IPC-Hauptklasse B63B 1/04
IPC-Nebenklasse B63B 3/28   B63H 19/00   
Zusammenfassung Es gibt einen überkritischen, allwettertauglichen Verdränger-Bootskörper, der auch bei hohem Seegang mühelos ohne erkennbaren Übergang mehrfache Rumpfgeschwindigkeit erzielt, ohne in den Gleitzustand zu verfallen. Der Bootskörper ist dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Schnitte quer durch die Rumpf-Ellipsen sind, deren kleine und große Halbachsen vertikal bzw. horizontal liegen und ihre Längen vom Maximalwert (T, B) bis Null vom Bug zum Heck bzw. vom Heck zum Bug über eine halbe Periode sinusförmig ändern, so daß die ideale Form des Bootskörpers also durch die Gleichung
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exakt beschrieben ist, wenn L die Länge des Bootskörpers, T der Tiefgang am Bug und B die halbe Breite am Heck ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung richtet sich auf einen schnellen, allwettertauglichen Bootskörper mit geringstmöglicher Antriebsleistung.

Bekannte Bootskörper sind entweder reine Verdränger, - diese sind möglicherweise seegangstauglich aber langsam und können nur unterhalb ihrer Rumpfgeschwindigkeit fahren -, oder als anderes Extrem ausgesprochene Gleiter, - diese können aber nur bei ruhiger See schnell fahren. Bekannt sind auch verschiedene Übergangsformen zwischen Verdrängern und Gleitern. Für all diese Boote gilt vereinfacht gesagt als Vergleich untereinander: je stärker sie gleiten desto geringer kann ihre spezifische Antriebsleistung sein und desto größer ihre Möglichkeit, schnell zu fahren, wenn auch nur bei ruhiger See. Die Rümpfe aller bekannten Schiffe haben empirisch gestaltete Formen, die dann möglicher Weise in langwierigen Schleppversuchen auf die gewünschten Eigenschaften hin optimiert sein können. Die Form kann nachträglich nur durch einzelne Koordinatenpunkte definiert werden.

Der erfindungsgemäße Bootskörper zeichnet sich dadurch aus, daß sämtliche Schnitte quer durch den Rumpf Ellipsen sind, deren kleine und große Halbachsen vertikal bzw. horizontal liegen und ihre Längen vom Maximalwert (T, B) bis Null vom Bug zum Heck bzw. vom Heck zum Bug über eine halbe Periode sinusförmig ändern, so daß die ideale Form des Bootskörpers also durch die Gleichung

z²/[B²cos²(πx/2L)] + y²/[T²sin²(πx/2L)] = 1

exakt beschrieben ist, wenn L die Länge des Bootskörpers, T der Tiefgang am Bug und B die halbe Breite am Heck ist. Damit gehorcht die Form des erfindungsgemäßen Bootskörpers einem mathematischen Gleichungssystem, in dem Länge, Breite und Tiefgang frei wählbar sind, ohne seine erfindungsgemäßen Eigenschaften, Schnelligkeit und Seegangstauglichkeit zu beeinträchtigen. Wenn Länge, Breite und Tiefgang festgelegt werden, ist auch die Sollverdrängung Δ durch die einfache Gleichung

Δ = L·B·T/2 (L, B, T, wie oben),

sowie die Oberfläche des Bootskörpers durch das Gleichungssystem festgelegt.

Die erfindungsgemäße mathematische Gleichung beschreibt einen stromlinienförmigen, eigenwilligen Bootskörper, der mühelos ohne erkennbaren Übergang mehrfache Rumpfgeschwindigkeit erreicht, ohne in den Gleitzustand zu verfallen. Der Bootskörper hat einen sehr geringen Formwiderstand, er erzeugt keine Bugwelle üblicher Art, diese liegt vielmehr glatt am Bootskörper an und ermöglicht die Verdrängereigenschaft. Der erfindungsgemäße Schiffsrumpf kann auch bei schwerem Seegang mit höchster Geschwindigkeit fahren.

Die Wasserlinie liegt in der Regel bei y=0. Die untere, im allgemeinen im Wasser liegende Hälfte des Bootskörpers (y<0) hat in der bevorzugten Ausführungsform kleinere vertikale Ellipsenhalbmesser als die obere Hälfte. Für y>0 wird also ein größeres T eingesetzt als für die untere Hälfte. Sinnvolle Verhältnisse von T oben zu T unten sind etwa 2 : 1.

Abhängig von, der Geschwindigkeit wird auch ein mehr oder weniger großer Teil des Bootskörpers von der am Rumpf anliegenden Bugwelle überspült. Je nach Schiffsart und Auslegung kann daher nur der im Wasser liegende Teil und der überspülte Teil der erfindungsgemäßen Gleichung gehorchen und der restliche Decksaufbau in üblicher Weise gestaltet sein.

Ein Bootskörper der der Idealform nur angenähert ist, erzeugt auch schon einen Teil der erfindungsgemäßen Eigenschaften.

Die Form des Bootskörpers bringt es mit sich, daß sie, wenn sie zu Pendelbewegungen um ihre Längs- oder Querachse angeregt wird einen Vortrieb erzeugt.

Das flach in die Wasserlinie auslaufende Heck und die Eigenschaft des Bootskörpers, daß kurze Rümpfe relativ "bauchiger" sind als lange, ermöglichen die Anordnung eines erfindungsgemäßen Bootskörpers als Beiboot beinahe formschlüssig im Heck eines erfindungsgemäßen Bootskörpers, so daß beide Bootskörper in der Wasserlinie liegen.

Die Form des Deckausschnitts wird erfindungsgemäß in Seitenansicht durch die Gleichung

y = 0,5·T·sin(πx/L)

und in Draufsicht durch die Gleichung

z = 0,5·B·sin(πx/L)

festgelegt.

Anschließend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein dreidimensionales Koordinatensystem mit Nullpunkt in der Mitte des Hecks des erfindungsgemäßen Bootskörpers mit ellipsenförmigen Spannten.

Fig. 2a-d dreidimensionale Computerdarstellungen eines erfindungsgemäßen Bootskörpers aus vier verschiedenen Blickrichtungen.

Fig. 3a-f sechs über die Bootslänge verteilte Spannten eines erfindungsgemäßen Bootskörpers.

Fig. 4 sechs (übereinander gezeichnete) vertikale Längsschnitte eines erfindungsgemäßen Bootskörpers.

Fig. 5 fünf (übereinander gezeichnete) horizontale, unter der Wasserlinie liegende Längsschnitte eines erfindungsgemäßen Bootskörpers.

Fig. 6a-d dreidimensionale schematischen Darstellungen als Beispiele von erfindungsgemäßen Bootskörpern, bei denen der Decksaufbau teilweise in üblicher Weise gestaltet ist.

Fig. 7 grafische Darstellung des prinzipiellen Verhaltens von notwendiger Antriebsleistung zu erzielbarer Geschwindigkeit (Froudesche Zahl) eines erfindungsgemäßen Bootskörpers im Vergleich zu bekannten Verdrängern und Gleitern.

Fig. 8 schematische dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen Bootskörpers als ca. 17 m langes Motorschnellboot.

Fig. 9a+b schematische Darstellung in Draufsicht und Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bootskörpers als Rettungskreuzer mit Beiboot.

Bekannte Verdränger-Bootskörper sind alle unterkritisch, d. h. sie können auch mit noch so starkem Antrieb nur maximal die sog. Rumpfgeschwindigkeit oder kritische Geschwindigkeit erreichen, die identisch ist mit der Wasserwelle, welche das Boot vor sich herschiebt und sich für Tiefwasser nach der Gleichung

v = √(gL/2π)

berechnen läßt, wobei g die Erdbeschleunigung und L die Länge des Bootes ist, weil diese Wasserwelle den sog. Wellenwiderstand verursacht, der nahe der Rumpfgeschwindigkeit stark ansteigt und für den Bootskörper eine unüberwindliche Barriere darstellt.

Bekannt sind andererseits Bootskörper, die bei entsprechender Geschwindigkeit aus dem Wasser aufsteigen und gleiten. Sie können schneller als Rumpfgeschwindigkeit fahren.

Die Rumpfgeschwindigkeit entspricht etwa der Froudeschen Zahl Fn = 0,4. Die Froudesche Zahl ist definiert als Verhältnis der Schiffsgeschwindigkeit v zur um den Faktor √(2π) gekürzten Wellengeschwindigkeit: v/2π = √(gL):

Fn = v/√(gL)

Sie definiert das Froudesche Ähnlichkeitsgesetz und dient im Schiffbau als Vergleichsmöglichkeit des Verhaltens verschiedener Schiffsgrößen und Formen. Der Gleitzustand eines Bootes kann schon bei kleinen Froudeschen Zahlen (Fn ∼ 0,3) einsetzen ( z. B. V-Spant, Knick-Spant). Schiffbauer behaupten (Stand der Technik) daß bei Froudeschen Zahlen Fn ≤ 1 der Gleitzustand unvermeidbar ist, daß also jedes Boot, das schneller als Fn = 1 fährt gleitet, so z. B. auch Marineschnellboote mit Fn = 1,1. Der Gleitzustand kommt dadurch zustande, daß die hydrodynamische Sogwirkung, die einen Verdränger mit steigender Geschwindigkeit immer stärker unter Wasser zieht, dadurch überwunden wird, daß das unter dem Rumpf durchströmende Wasser nach unten beschleunigt wird und dadurch den Rumpf anhebt.

Dieser Effekt bewirkt zum einen eine erhebliche Reduzierung der benetzten Fläche und damit des Reibungswiderstandes, zum andern eine drastische Einschränkung der Seefähigkeit, da das nicht mehr im Wasser, sondern auf dem Wasser liegende Boot auf unruhiger See zum Springen und zum harten Einsetzen neigt. Durch die damit verbundenen harten Schläge wird nicht nur der Rumpf sondern auch die Besatzung stark belastet.

Der erfindungsgemäße Bootskörper erreicht ohne erkennbaren Übergang mehrfache Rumpfgeschwindigkeit und Froudesche Zahlen größer 1 ohne in den Gleitzustand zu verfallen und muß daher als "überkritischer Verdränger" bezeichnet werden. Bei ihm wird das vom Bug zusammengedrückte und nach oben ausweichende Wasser nicht zur Seite weggeschleudert, wie beim Gleiter, sondern es streicht an den oberhalb der Wasserlinie einfallenden Bordwänden entlang und wird von diesen wieder nach unten umgelenkt. Dadurch entsteht ein nach oben gerichteter Sog, der dem Sog an der Rumpfunterseite entgegen wirkt und der das Boot bei beliebig hohen Geschwindigkeiten im Verdrängungszustand in der neutralen Sollwasserlinie hält.

Die Verdrängereigenschaften des erfindungsgemäßen Bootskörpers erkennt man daran, daß er nicht die für Gleiter typischen Eigenschaften zeigt: bei steigender Geschwindigkeit, auch bei Geschwindigkeiten im Bereich Froudescher Zahlen Fn > 1 nicht vertrimmt er nicht, der Bug steigt nicht aus dem Wasser und die benetzte Oberfläche nimmt nicht ab, die Widerstandskurve knickt nicht wie für Gleiter typisch ab, es gibt keine "Spritzer" und der Rumpf neigt sich bei Kurvenfahrt nicht zur Kurveninnenseite.

Die ideale Form des Bootskörpers ist durch die Gleichung

z²/[B²cos²(πx/2L)] + y²/[T²sin²(πx/2L)] = 1

exakt beschrieben, wenn in der Mitte des Hecks ein Koordinatensystem errichtet wird, dessen x-Achse in Bootlängsrichtung, dessen y-Achse vertikal und dessen z-Achse horizontal quer zur Bootslängsrichtung zeigen (Fig. 1), wobei L die Länge des Bootes ist, T der Tiefgang am Bug bzw. die maximale Amplitude der unteren oder oberen Sinuslinie für

z = 0, also

y = ± T·sin(πx/2L),

und B die halbe Breite des Bootskörpers am Heck ist, bzw. die maximale Amplitude der seitlichen Sinuslinien für

y = 0, also

z = ± B·cos(πx/2L).

Alle Querschnitte in y,z-Ebene durch den Bootskörper (Spannten) sind Ellipsen 1, deren kleine und große Halbachsen vertikal bzw. horizontal liegen und ihre Längen vom Maximalwert (T, B) bis Null vom Heck zum Bug bzw. vom Bug zum Heck sinusförmig über eine halbe Periode ändern. Die Wasserlinie liegt in der Regel in der Höhe y=0.

Die dreidimensionale Gleichung beschreibt einen stromlinienförmigen Bootskörper (Fig. 2a-d) mit einer über die gesamte Schiffshöhe senkrecht stehenden Geraden 2 als Buglinie, die auch die höchste Erstreckung des Bootskörpers ist und einer über die gesamte Schiffsbreite waagrecht in der Wasserlinie liegenden Geraden 3 als Hecklinie die auch die breiteste Erstreckung des Bootskörpers ist. Der Bootskörper hat im horizontalen Schnitt (x,z-Ebene), (Fig. 5) in Höhe der Wasserlinie die größte Querschnittsfläche und ist unter Wasser und über Wasser in Querrichtung elliptisch und in Längsrichtung sinusförmig gekrümmt.

Wenn die unter Wasser liegende Hälfte des Bootskörpers kleinere Ellipsenhalbmesser hat, als die über Wasser liegende Hälfte (Fig. 3a-f), erzeugt die Seite des Hecks, die bei Kurvenfahrt unter Wasser taucht einen dynamischen Auftrieb, da die Oberseite des Hecks stärker gekrümmt ist als die Unterseite und ein Schnitt parallel zur x,y-Ebene eine Art Tragflächenprofil aufweist (Fig. 4). Der Bootskörper stabilisiert sich bei Kurvenfahrt, er bevorzugt die horizontale Lage.

Wenn der Bootskörper z. B. bei Seegang mit dem Vorderteil weiter als bis zur Wasserlinie y=0 eintaucht, widersetzt er sich nicht wie andere Bootskörper durch Verdrängen von entsprechend viel Wasser dem Eintauchen, weil seine Bordwände über der Wasserlinie nach innen fallen. Der Bootskörper vermeidet dadurch harte Schläge und Widerstand gegen die Wellen, taucht aber tiefer ins Wasser ein als bekannte Schiffe und benötigt den hohen Bug und das geschlossene Vorschiff um bei Seegang und bei schneller Fahrt durch Überspülung durch die anliegende Bugwelle nicht voll Wasser zu schlagen. Dennoch ist es möglich, nur den unter Wasser liegenden Teil und den überspülten Teil in der erfindungsgemäßen Weise zu gestalten. Der restliche Decksaufbau kann in üblicher Weise ausgeführt sein. Schematisch und beispielhaft zeigen dies die Fig. 6 a-d.

Vergleicht man die benötigte Antriebsleistung von bekannten optimierten Schiffsrümpfen mit denen des erfindungsgemäßen Bootskörpers gleicher Verdrängung und Länge, so sieht man, daß der erfindungsgemäße Bootskörper bis über Fn = 1 Vorteile haben kann (Fig. 7). Die abknickende Kurve 4 zeigt das typische Verhalten eines starken Gleiters, Kurve 5 das Beispiel eines Deep Vee - Gleiters und Kurve 6 einen bekannten Verdränger, der halt nicht schneller als Fn = 0,4 fahren kann. Kurve 7 zeigt den erfindungsgemäßen Bootskörper. Die Kurve steigt langsam aber stetig an. Es zeigt sich auch beim Überschreiten der "Schallmauer" der Rumpfgeschwindigkeit kein Buckel: der Bootskörper muß keine selbsterzeugte Bugwelle überfahren. Erst jenseits Fn = 1 steigt die Antriebsleistung wegen der sich vergrößernden benetzten Oberfläche stark an, die Seegangsfähigkeit bleibt aber erhalten.

Der erfindungsgemäße Bootskörper eignet sich besonders als schnelle Segeljacht, auch als Katamaran. Reizvoll sind auch ultraschnelle Motorboote zum Beispiel für Polizei, Küstenwache und Marine, wobei die ideale Form auch über Wasser vollständig erhalten bleiben kann, wenn der Einstieg und das Deck mit aufklappbaren Glasflügeltüren 8 abgedeckt sind, die der Bootsform angepaßt sind (Fig. 8). Größere Bootskörper könnten z. B. als Rettungskreuzer so gebaut werden daß sie das obligatorische Beiboot 9 in der Mitte des Hecks mitführen, wobei das Beiboot immer einsatzbereit im Wasser bleiben kann (Fig. 9). Die Form der Flügeltüren und damit die Begrenzung des Decks ist harmonischerweise in der Seitenansicht durch die Gleichung

y = 0,5·T·sin(πx/L)

und in Draufsicht durch die Gleichung

z = 0,5·B·sin(πx/L)

festgelegt.

Der Bootsrumpf eignet sich auch idealerweise als modernes sog. Superschiff als Konkurrenz für Flugzeuge als Passagierschiff oder Frachter mit 100 Km/h und schneller.

Der erfindungsgemäße Bootskörper ist als schneller seegangsfähiger Verdränger konzipiert. Die Seegangsfähigkeit läßt sich noch erhöhen wenn die Massen nicht, wie üblich um die Stampfachse konzentriert werden, sondern möglichst auf Bug und Heck verteilt sind. Dennoch kann der Bootskörper auch hervorragend gleiten, wenn er soll: Stellt man die Schraubenachse flacher, etwa parallel zur Wasserlinie, taucht je nach Schraubenwinkelstellung das Vorschiff mehr oder weniger aus und der Bootskörper gleitet auf seinem breiten Heck.


Anspruch[de]
  1. 1. Bootskörper, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Schnitte quer durch den Rumpf Ellipsen sind, deren kleine und große Halbachsen vertikal bzw. horizontal liegen und ihre Längen vom Maximalwert (T, B) bis Null vom Bug zum Heck bzw. vom Heck zum Bug über eine halbe Periode sinusförmig ändern, so daß die ideale Form des Bootskörpers also durch die Gleichung

    z²/[B²cos²(πx/2L)] + y²/[T²sin²(πx/2L)] = 1

    exakt beschrieben ist, wenn L die Länge des Bootskörpers, T der Tiefgang am Bug und B die halbe Breite am Heck ist.
  2. 2. Bootskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere, im allgemeinen im Wasser liegende Hälfte kleinere vertikale Ellipsenhalbmesser hat, als die obere Hälfte.
  3. 3. Bootskörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur der im Wasser liegende Teil und der von der anliegenden Bugwelle überspülte Teil obiger Gleichung gehorcht und der übrige Teil in üblicher Weise gestaltet ist.
  4. 4. Bootskörper nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er der Idealform nur angenähert ist.
  5. 5. Antriebsprinzip für einen Bootskörper nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bootskörper in schaukelnde Bewegung um seine Längs- oder Querachse versetzt wird um einen Vortrieb zu erzeugen.
  6. 6. Bootskörper nach Anspruch 1 und 2 mit Bootskörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine im Heck der anderen als Beiboot angeordnet ist, wobei das Beiboot auch in der Wasserlinie liegt.
  7. 7. Bootskörper nach Anspruch 1, 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Deckausschnitts in Seitenansicht durch die Gleichung

    y = 0,5·T·sin(πx/L)

    und in Draufsicht durch die Gleichung

    z = 0,5·B·sin(πx/L)

    festgelegt ist.






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