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Vorrichtung zur Verringerung des Reibungswiderstandes von Schiffen
mit einem unter dem Boden angeordneten Luftkissen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Veringerung des Reibungswiderstandes von Schiffen mit einem unter dem Boden
angeordneten Luftkissen, das in mehrere annähernd gleich große Sektionen unterteilt
ist, die je für sich mit Luft gespeist werden.
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Bei den bisher bekannten Vorrichtungen dieser Art wird zu jeder einzelnen
Sektion ständig Luft zugeführt, und die Luftzuführung wird derart gesteuert, daß
in die Luftzuführungswege Drosselungen eingeschaltet sind, die bei einer plötzlichen
Abnahme des hydrodynamischen Gegendruckes eine Querschnittsverkleinerung in Folge
der entstehenden großen Luftgeschwindigkeiten bewerkstelligen. Man ist also davon
ausgegangen, daß die Luftkissendicke in den Zonen mit niedrigem Druck ausreichend
groß ist, während umgekehrt die Luftkissendicke in den Zonen mit hohem Druck ständig
zu klein ist.
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Es hat sich inzwischen bei Versuchen herausgestellt, daß die Druckschwankungen
unter dem Boden eines im Seegang fahrenden Schiffes so schnell sind, daß die augenblickliche
Luftkissenform nicht immer der augenblicklichen Druckverteilung entspricht. Dies
bewirkt, daß es nicht möglich ist, ein nahezu komplettes Luftkissen, d. h. ein sich
über die volle Breite und Länge des Bodens erstreckendes Luftkissen zu erreichen.
Außerdem wird bei dieser bekannten Steuerung der Luftzufuhr eine große Menge relativ
hochkomprimierter Luft nutzlos verschwendet.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt eine Steuerung der Luftzufuhr,
bei der ein nahezu komplettes Luftkissen hergestellt und jede Verschwendung von
Druckluft vermieden werden kann.
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Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung erreicht, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß in der Mitte jeder Sektion ein Fühler zur Registrierung
der Dicke des Luftkissens vorhanden ist, der die Luftzuführungsmittel für die Sektion
derart steuert, daß Luft zu der Sektion gefördert wird, wenn die Luftkissendicke
in der Sektion einen vorbestimmten Wert unterschreitet.
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Es wird also nur dann Luft zugeführt, wenn die Luftkissendicke in
der Sektion die Minimaldicke unterschreitet, während die Luftzufuhr in allen anderen
Fällen geschlossen ist. Auf diese Weise wird eine Verschwendung von Druckluft völlig
vermieden. Es leuchtet auch ein, daß mit dieser Steuerung der Luftzufuhr zu den
einzelnen Sektionen eventuellen »nassen Flecken« in dem Luftkissen effektiv entgegengewirkt
wird, so daß ein nahezu komplettes Luftkissen erreicht werden kann.
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Ein in der oben beschriebenen Weise nur mittels Luftzufuhr gebildetes
und zwischen Seitenkielen eingeschlossenes Luftkissen hat meistens eine sehr wellige
Form, wobei die Luftkissendicke stellenweise den Minimalwert beträchtlich überschreitet.
Ein solches sperriges Luftkissen bewirkt aber wieder eine kleine Erhöhung des mittels
eines flachen Luftkissens herabgesetzten Widerstandes des Schiffes. Um diesem Nachteil
entgegenwirken zu können, werden gemäß der Erfindung die obenerwähnten oder zusätzliche
Fühler je für sich dazu eingerichtet, Luftabführungsmittel für jede zugehörige Sektion
derart zu steuern, daß Luft von der betreffenden Sektion abgeführt wird, wenn die
Luftkissendicke in derselben einen vorbestimmten Wert überschreitet. Auf diese Weise
wird das Luftkissen automatisch sozusagen »planiert«, so daß der Schiffswiderstand
am geringsten wird.
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Das Fühlerelement zum Messen der Dicke des Luftkissens und zur Betätigung
der Luftzuführungs- und Luftabführungsmittel muß einfach und betriebssicher sein
und kann zu diesem Zweck erfindungsgemäß aus einem das Luftkissen durchdringenden
und ins Wasser herabreichenden Elektrodenpaar bestehen, das in einen von einer Stromquelle
gespeisten elektrischen Stromkreis eingeschaltet ist, der in Abhängigkeit von der
Stromstärke einen elektromagnetischen Mechanismus zur automatischen Betätigung des
Regulators eines Gebläsemotors bzw. eines Sperrelementes betätigt. Der
elektromagnetische
Mechanismus muß den gesamten Regulierungsbereich, d. h. den gesamten Bereich von
der größten positiven zur größten negativen Geschwindigkeit des Gebläses (Druck
bzw. Sog) oder den gesamten Regulierungsbereich des Sperrelementes betätigen können.
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Es ist ferner möglich, die Nullstellung des Fühlers einzustellen.
Dies läßt sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß in den elektrischen Stromkreis
oder in einen zu diesen gehörenden Verstärkerstromkreis ein veränderlicher Widerstand
eingeschaltet ist. Bei einem gegebenen Wasserstand, d. h. einem bestimmten Widerstand
im Wasser zwischen den Elektroden läßt sich die Stellung des Gebläseregulators bzw.
der Sperrelemente durch Änderung des variablen Widerstandes justieren, bis die Nullstellung
erreicht ist.
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Nachstehend werden an Hand der schematischen Zeichnung einige Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßerVorrichtungen sowie einige Einzelheiten von Luftkissenanlagen beschrieben.
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Fig. 1 zeigt den Boden eines Luftkissenschiffes, von unten gesehen,
Fig. 2 eine andere Anordnung, ebenfalls von unten gesehen.
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Fig. 3 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt nach der Linie 111-11I
in Fig. 2, Fig. -1 einen senkrechten Längenschnitt durch den Boden eines Luftkissenschifffes
und Fig.5 schematisch ein Fühlerelement für die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform.
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Das in Fig.l gezeigte Schiff hat einen ebenen Boden 1, der im Bereich
des parallelen mittleren Teils mit einem, durch ein Kurzlangstrich-Diagonalkreuz
2 veranschaulichten Luftkissen versehen ist. Die Luftkissenfläche ist in zwölf quadratische
Sektionen unterteilt, von denen eine durch ein Diagonalkreuz 3 mit Kurzlangstrichlinien
gekennzeichnet ist. An der vorderen und achteren Kante jeder Sektion ist im Schiffsloden
1 ein in Querschiff richtung verlaufender Schlitz 4 vorgesehen. Außerdem findet
sich an der Steuerbordkante und Backbordkante jeder Sektion im Schiffsboden i je
ein Schlitz 5. Um eine Schwächung der Bodenplatten durch die in Querschiffsrichtung
verlaufenden Schlitze 4 zu vermeiden, können über diesen Schlitzen in der Schiffslängsrichtung
verlaufende Flacheisen 6 angeordnet sein, die beiderseits des Schlitzes 4 mit der
Bodenplatte verschweißt sind.
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In jeder Sektion wird die Luftgeschwindigkeit in der Schiffslängsrichtung
und in der Querschiffsrichtung derart eingestellt, daß die Grenzflächen zwischen
dem Wasser und der Luft nach Möglichkeit parallel zu dem über dem Sektionsbereich
liegenden Schiffsboden liegen.
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Das in Fig.2 gezeigte Luftkissenschiff hat einen ebenen Schiffsboden
7 mit einer ausgedehnten Luftkissenfläche, die durch ein Diagonalkreuz 8 (Kurzlangstrichlinien)
dargestellt ist. Im Schiffsboden münden über der Fläche des Luftkissens gleichmäßig
verteilte Rohre 9. In jedem Rohr 9 ist ein regulierbares und reversibles Schraubengebläse
10 (Fig. 3) montiert, das von einem Motor 11 getrieben wird, der mittels eines nachstehend
näher beschriebenem Fühlers 12 gesteuert wird. Das Fühlerelement 12 ist durch elektrische
Leitungen 13 mit dem Motor 11 verbunden.
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Jedes der Rohre ist oben luftdicht mit einem Luftreservoir verbunden,
das aus drei in Schiffslängsrichtung liegenden Rohren 14 und einer beliebigen Anzahl
von in Querschiffsrichtung liegenden Rohren 15 besteht. An dieses Luftreservoir
ist eine Kompressorleitung 16 mit einem Sperrventil 17 angeschlossen. Das Luftkissen
selbst wird an den Seiten durch Seitenkiele 18 und vorn sowie hinten durch einen
Absatz 19 im Schiffsboden 7 begrenzt. Die Absätze 19 haben die in Fig.4 gezeigte
Form, so daß sie dem Wasser keinen zu großen Druckwiderstand bieten. Es muß nämlich
damit gerechnet werden, daß die Wasseroberfläche bei ihren vermutlich unvermeidbaren
kleinen Schwankungen an der vorderen und hinteren Kante des Luftkissens an den Absätzen
19 entlang auf und ab schwingt.
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Fig. 5 zeigt ein Schema der Automatik zur Steuerung eines der in Fig.
3 dargestellten Motoren 11. Im Schiffsboden 7 sind zwei isolierende Stopfen 20 versenkt
angeordnet. Jeder Stopfen hat eine in das Wasser unter dem Luftkissen hinabreichende
Elektrode 21. Ein von einer Stromquelle 29 gespeister elektrischer Stromkreis geht
durch die Elektroden 21 durch das zwischen diesen befindliche Wasser und durch einen
Verstärker und Ausgleicher 22. Der vom Verstärker und Ausgleicher 22 abgenommene
Strom wird durch einen veränderlichen Widerstand 23 und durch eine Spule 24 geleitet,
die imstande ist, einen Eisenkern 25 anzuziehen, dessen unteres Ende mit einer Zugfeder
26 verbunden ist. Ein Hebel 27 ist zwischen zwei seitlichen Zapfen am unteren Ende
des Eisenkerns 25 hindurchgeführt und an einer mit dein Regulator des Gebläsemotors
verbundenen Achse 28 befestigt. Mittels des Regulators läßt sich der Motor innerhalb
des Bereiches zwischen der größten positiven und der größten negativen Geschwindigkeit
regulieren. Bei der gezeigten Stellung FS des Hebels 27 saugt das Gebläse mit voller
Kraft aus dem Luftkissen, was einem niedrigen Wasserstand, d. h. einer großen Luftkissendicke,
entspricht. Bei steigendem Wasserstand, d.li. bei abnehmender Luftkissendicke, erreicht
der Hebel 27 über die Stellung O, bei der die Motorgeschwindigkeit gleich Null ist,
die Stellung FT, bei der das Gebläse mit voller Kraft Luft in das Luftkissen
drückt, was einer minimalen Luftkissendicke oder einer Luftkissendicke gleich Null
entspricht.
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Die Elektroden 21 werden nicht senkrecht unter der Mündung des Rohres
9 angeordnet, da die Wasserfläche in diesem Bereich von der Geschwindigkeit des
Luftstromes beeinflußt wird, sondern befinden sich etwas seitlich des Rohres 9 (vgl.
Fig. 3).
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Der Füllungsgrad des Luftkissens wird von einem an die Kompressorleitung
16 angeschlossenen Kompressor bestimmt, der aus dem Freien Luft ansaugt und diese
in das Luftkissen drückt oder bei entgegengesetzter Umlaufrichtung Luft aus dem
Luftkissen ins Freie abführt. Dieser Kompressor wird von Fühlerelektroden gesteuert,
die den in Fig. 5 gezeigten Elektroden ähnlich sind. Der Kompressor ist somit imstande,
eine konstante Luftkissendicke oder genauer eine konstante mittlere Luftkissendicke
aufrechtzuerhalten. Falls die Luftkissendicke in dem in Fig. 5 dargestellten Punkt
des Luftkissens der erwähnten mittleren Dicke entspricht, befindet sich der Hebel
27 in der Stellung O, wobei das Gebläse ausgeschaltet ist.
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Die in Fig. 2. 3 und 5 dargestellten Mittel zum Stabilisieren des
Luftkissens tragen auch zur Korrektion der Fahrt des Schiffes durch das Wasser bei,
da die Luft eine der Geschwindigkeit des Schiffes entsprechende Geschwindigkeit
in Richtung nach achtern haben muß, so daß die Luft nicht durch die Reibung mit
dein Wasser im achteren Teil des Luftkissens zusammengestaut wird. Diese in der
gesamten Länge des Luftkissens konstante Geschwindigkeit wird der Luft jedoch nur
mittels der vorderen und achteren Gebläse erteilt, weshalb am vorderen und am achteren
Ende
des Luftkissens stärkere Gebläse oder eine größere Anzahl von
Gebläsen vorgesehen sein müssen als in den übrigen L uftkissenbereichen, wie dies
aus Fig. 2 ersichtlich ist.
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jedes Rohr 9 kann zusammen mit dem Gebläse 10, dem Motor 11, dem Fühler
12 und den Leitungen 13 als eine gesonderte, auswechselbare Einheit erstellt werden.
An Stelle des aus einem Netzwerk von Rohren 14, 15 bestehenden Luftreservoirs kann
ein aus zwei mit kurzem gegenseitigem Abstand waagerecht angeordneten Platten bestehendes
Luftreservoir verwendet werden. Das Volumen des Luftreservoirs darf jedoch nicht
zu groß sein, um zu vermeiden, daß die Grenzfläche zwischen der Luft im Luftkissen
und dem Wasser bei Änderungen des Wasserdrucks ein zu großes Stück gehoben oder
gesenkt wird. Die Motoren 11 können eventuell oberhalb des Luftreservoirs angeordnet
und durch eine längere Welle mit dem Gebläse verbunden sein, so daß eine Beschädigung
der Motoren durch Wasser ausgeschlossen ist.
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Falls die Druckänderungen so schnell erfolgen, so daß sich die Gebläse
nicht schnell genug beschleunigen, abbremsen oder umschalten lassen, kann eine andere
Ausführungsform verwendet werden, bei der das Luftkissen durch über die Luftkissenfläche
gleichmäßig verteilte Öffnungen oder Rohre teils mit einem luftdicht abgeschlossenen
Luftreservoir mit höherem Druck als dem Druck im Luftkissen, teils mit einem luftdicht
abgeschlossenen Luftreservoir mit niedrigerem Druck als dem Druck im Luftkissen
in Verbindung steht, wobei in jeder Öffnung oder jedem Rohr ein Sperrelement vorgesehen
ist, welches von einem Fühler zum Registrieren der Luftkissendicke an der betreffenden
Öffnung derart gesteuert wird, d'aß beim Unterschreiten einer vorbestimmten Luftkissendicke
vom Hochdruckreservoir Luft zum Luftkissen und beim überschreiten einer vorbestimmten
Luftkissendicke Luft vom Luftkissen zum Niederdruckreservoir gefördert wird. Diese
Vorrichtung reagiert schneller auf die Druckänderungen, da keine umzuschaltenden,
zu beschleunigenden oder abzubremsenden Gebläse vorhanden sind. Es kann ein Gebläse
vorgesehen sein, das ständig aus dem Niederdruckreservoir ansaugt und ins Hochdruckreservoir
drückt.