DE2423562A1 - Wasserfahrzeug mit drehbaren schwimmkoerpern - Google Patents

Description

Dr. Max Schneider Dr. Alfred Eitel wpwng. Ernst Czowalla Si» Peter Matschkur d

85 Nürnberg 6, den 10· ^M»i 1974 Königstraße 1 (Museumsbrücke) 2423562 Femsprech-Sammel-Nr. 20 39 31

Parkhaus Katharlnenhof Parkhaus AdlarstraBe

diess. Fr. 26 288/Ko/My

Herrn Maroel JUSTHTIEF. 20 bis, rue Jouvenet. FR- 75016 Paris

"Wasserfahrzeug mit drehbaren Schwimmkörpern"

Die Erfindung betrifft ein Wasserfahrzeug, das wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete drehbare Schwimmkörper aufweist, die im wesentlichen zylindrische Form haben und mindestens zwei, vom vorderen und rückwärtigen Ende ausgehende und um einen fiktiven oder wirklichen Kern herumlaufende Schraubenwindungen aufweisen, die zusammen zwei Nuten bilden.

Zylindrische drehbare Schwimmkörper sind schon bekannt, wurden aber bisher nur für Amphibienfahrzeuge benutzt. IIie Geschwindigkeit im Wasser ist außerordentlich gering im Verhältnis zu ihrem Gewicht und ihrer Leistung bezüglich der geringen Ganghöhe.

Die diesem geringen Wirkungsgrad zugrundeliegende Ursache war dem Fachmann bisher unbekannt. Tatsächlich waren diese Schwimmer nicht wirklich schraubenförmig ausgebildet. Die zylindrischen

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Körper dieser Schwimmer hatten mehr oder weniger die hydrodynamische Form stationärer Schwimmer und einen außerordentlich grossen Tiefgang. Das was um den Schwimmer herum schraubenförmig ist, erweckt den Eindruck, daß der Schwimmer seihst schraubenförmig ausgebildet sei.

Gemäß der Erfindung sind alle ins Wasser eintauchenden, nicht parallel zur Achse des drehbaren Schwimmkörpers verlaufenden Oberflächen gänzlich schraubenförmig ausgebildet. Damit ist der Gegenstand der Erfindung selbst den besten herkömmlichen Schrauben überlegen, deren Steigung um die Achse nicht die gleiche ist wie am größten Radius. Daraus ergeben sich eine Gegenwirkung und ein Wirkungsgrad der Schrauben, der sswischen 50 und 60$ schwankt. Die Schwimmschraube gemäß der Erfindung stützt das eigentliche Wasserfahrzeug, das oberhalb des Wassers ist. Der liefgang der Kielschraube im Betrieb bei voller Ladung geht nicht über ein Viertel des Durchmessers hinaus. Daraus folgt erstens eine gr#sse Tragfähigkeit und zweitens kein Schraubenwiderstand.

Die gänzlich schraubenförmige Ausbildung der drehbaren Schwimmkörper hat den Vorteil, daß große Geschwindigkeiten erzielt werden können aufgrund der Tatsache, daß die kinetische Energie selbstätig vom Bug zum Heck fließt mit der gleichen Geschwindigkeit wie die der Wasserverdrängung. So gibt es weder Vorderstevenwellen der dynamischen Wasserverdrängungnoch Kielwasserwellen (Saugwirkung). Diese gänzlich schraubenförmige Ausbildung der drehfearen Schwimmkörper gemäß der Erfindung wird dadurch erreicht,

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daß am Heck wie am Bug die spiralförmige Abwicklung der Schraubenwindungen oder -stege am vollen Durchmesser des Schwimmers beginnt und endet. Die Ausgangsfläche der Stege ist eine vertikale Ebene am Bug wie am Heck, die senkrecht zur Hauptlängsachse des Schwimmers verläuft.

Bei den bekannten drehbaren Schwimmern erstreckt sich die Abwicklung der Schraubenwindungen, also der Nuten, die weiter unten zur Debatte stehen werden, nicht auf einer vertikalen Ebene, sondern auf einer mehr oder weniger geneigten schrägen Ebene, je nach der G-ang-höhe. Die schraubenförmige Abwicklung erfolgt deshalb gleichzeitig mit der spiralförmigen. Daraus folgt am Bug eine bedeutende Zunahme des Volumens von vorn nach hinten, welche die schraubenförmige Ausbildung nicht gänzlich korrigiert, während es am Heck umgekehrt ist.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines drehbaren Schwimmkörpers gemäß der Erfindung;
Pig. 2 eine Vorderansicht des Schwimmkörpers nach Pig. 1 mit

zwei Ausführungsformen der Abwicklung; Mg. 3 eine Rückansicht des Schwimmkörpers nach Pig. 1; Pig. 4 einen Teilschnitt eines der schraubenförmigen Nuten zwischen den Stegen im vergrößerten Maßstab;

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Fig. 5 in Seitenansicht eine zweite Ausführungsform des drehbaren Schwimmkörpers, die außerdem vorspringende Umfangswindungen aufweist;

Fig. 6 stark vergrößert einen Teilschnitt eines Antriebsschraubenflügels des drehbaren Schwimmkörpers und

Fig. 7 ein mit drehbaren Schwimmkörpern gemäß der Erfindung ausgestattetes Wasserfahrzeug.

Die kennzeichnenden Merkmale des gemäß der Erfindung gänzlich schraubenförmig ausgebildeten drehbaren Schwimmkörpers sind folgende: Die spiralförmige Abwicklung der Schraubenwindungen oder Gewindegänge des Schwimmkörpers beginnt und endet am vollen Durchmesser D des Schwimmers. Letzteres wird nach der spiralförmigen Abwicklung erreicht, die sich über die vertikale Fläche und über eine Mindestlänge von 165° erstreckt.

Die Ausgangsfläche der Schraubenwindungen am Bug und am Heck ist eine senkrecht zur Haupt längs achse" χ - χ des Schwimmers gerichtete vertikale Ebene. Es können mindestens zwei, aber auch zehn und selbst zwölf Schraubenwindungen vorgesehen sein, je nach der Tonnage, für welche die Schwimmkörper bestimmt sind. Wenn die Spiralwindung den größten Radius der Abwicklung erreicht, wird eine Nut 1 um den fiktiven oder reellen zentralen Kern gebildet, dessen maximaler Durchmesser d etwa gleich einem Drittel des Durchmessers D des Schwimmers ist und dem maximalen 'Radius R des Schwimmers. Wenn beispielsweise der Durchmesser D eines Schwimmers zwei Meter beträgt, liegt der Durchmesser d des zen-

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tralen Kernes, von dem die Windungen ausgehen, zwischen 55 und 60 cm. Daraus ergibt sich, daß im letzteren lall (60 cm) das Niveau oder die Ladewasserlinie (ein Yiertel des Durchmessers, nämlich 50 cm) 20cm unter dem Kern liegen wird und daß die Gangtiefe etwa 70 cm "beträgt. Tatsächlich ist unter Berücksichtigung der Dicke und der Form der Rundung die Tiefe geringer, wenn der maximale Durchmesser erreicht wird.

Geht man davon aus, daß die Nut schraubenförmig wird nach der Definition einer herkömmlichen Schraube, stellt sie eine um einen Drehzylinder aufgewickelte Gerade dar. Der Winkel A, den diese Gerade mit einer horizontalen Linie (der Achse x-x) bildet, bestimmt die Ganghöhe. Die Breite der Nut oder der Nuten ist stets gleichbleibend bis zum Schluß am"Heck des Schwimmers und liegt immer auf dem größten Durchmesser. Folglich gibt es keinen Schraubenwiderstand (Antagonismus) und das ums oweniger ,als die Schwimmkörper im Stillstand niemals einen Wasser tief gang haben, der grosser als ein Yiertel des Durchmessers D ist. Dagegen nimmt die Tiefe der Nut oder der Nuten fortschreitend und über eine sehr große Länge,ab. Der zentrale Kern 2 könnte am Heck etwas größer sein als am Bug, wie in den Figuren dargestellt ist. Wenn beispielsweise der Kern einen Durchmesser von 55 bis 60 cm hat, wird das Heck einen Durchmesser von 70 bis 75 cm ».haben, um bei gewissen speziellen Ausführungsformen einen Durchibrueh am Heck zu vermeiden. Die Anzahl der Nuten oder Spiralwindungen ist am Heck die gleiche wie am Bug.

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Der Boden 1a der Nuten (Fig. 4) ist stark abgerundet, um eventuell auftretende Wirbelwiderstände (Turbulenzen) zu vermeiden, während die Seitenfläche 1 Td der Wut nach, unten und zum Heck zu gerichtet ist gemäß der spiralförmigen Trasse und stark gewölbt bei der eigendrehenden Ausführungsform, während die andere Seitenfläche 1c, auf welche das Wasser einwirkt, um den Schwimmer zu drehen, eine annähernd oder genau plane Oberfläche hat, an die sieh eine leichte Rundung an der Außenwand anschließt.

Am Heck sollte die Hanke der Nut von der Peripherie her zum Mittelpunkt hin so stark wie möglich gewölbt sein. Die Nut läuft von vorn nach hinten. Die Außenseite 1c der Flanke endet auf dem maximalen Radius. Sie beginnt übrigens auch auf diesem Radius oder dem vollen Durchmesser. Die Seitenfläche 1b der Nut endet auf dem mittleren hinteren Radius (siehe die Rückansicht in fig. 3). Die Nut setzt sich an der gesamten spiralförmigen Abwicklung (mindestens 165°) fort und der Scheitelpunkt der beiden 'Planken der Nuten liegt immer auf dem größten Radius.

Die Breite der Nuten sowie die der sie trennenden zylindrischen Stege ist umgekehrt proportional zu ihrer Anzahl, aber die Ganghöhe bleibt die gleiche. Beispielsweise kann man bei der gleichen Ganghöhe zweier Schraubenwindungen, zwei Nuten und zwei schraubenförmige Stege haben, oder vier Stege für vier Schraubenwindungen. Die Stege und Nuten sind halb so breit, die Nuten weniger tief. Demzufolge ändert sich die Form der Nuten nicht.

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Bei der selbstdrehenden Ausführungsform sind die Schwimmer keine Antriebsschrauben, der Bug weicht dem Wasser aus, das in den Hüten strömt, deren schraubenförmige Oberflächen verjüngt ausgebildet sind, wie das bei herkömmlichen Schaufelblättern der Pail ist. Die Schwimmkörper drehen sich unter dem Druck des Wassers über die Seitenfläche 1 c der Nuten.

Die nichtangetriebenen Räder eines !Fahrzeuges drehen sich etwa mit der selben Geschwindigkeit wie die angetriebenen Räder, vorausgesetzt, daß der Durchmesser der gleiche ist. Dabei stützt sich die tangentiale Oberfläche der Räder auf dem Boden ab, oder auf den Schienen, wenn es sich um Eisenbahnwagen handelt, und die Reibungskraft ist sehr groß. Bei gänzlich schraubenförmigen Schwimmkörpern ist das aus zwei Gründen anders:

a) Wasser ist eine Flüssigkeit und so groß der Druck auch sein mag, gleitet sie auf der vorderen Seitenfläche der Nuten und daraus ergibt sich, daß die Drehgeschwindigkeit des Schwimmkörpers nicht automatisch übereinstimmen kann mit der Portbewegungsgeschwindigkeit des schwimmenden !Fahrzeugs,

b) beim Rotieren treten an den Oberflächen Reibungswiderstände auf, die im wesentlichen von der Art der Oberfläche abhängen. Sehr gute, d.h. gut polierte Oberflächen haben einen geringen Widerstand. Er beträgt dann höchstens 10$ des herkömmlichen Gesamtwiterstandes (Druckwiderstände gegen den Vordersteven ebenso wie die durch die dynamische Wasserverschiebung und die Saugwirkung am Heck hervorgerufenen Widerstände), Sichtbares Zeichen dieser Widerstände am Bug ist die "Vorder-

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. stevenwelle" und am Heck das "Kielwasser". Beim schraubenförmigen Schwimmkörper gibt es diese Widerstände nicht. Dagegen sind bei rauhen Oberflächen die Eeibungswiderstände wesentlich größer. Deshalb sollte die Oberfläche der Schwimmkörper so glatt wie möglich sein, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. In jedem Fall bremsen die besagten Eeibungswiderstände, auch die tangentialen, die Rotation. Daraus folgt, daß sich die Schwimmkörper ganz und gar nicht so schnell drehen, wie es nötig ist und daß die schraubenförmigen Oberflächen nicht den Druck des Wassers vermindern wie nötig. Es ergibt sich in diesem Fall ein Widerstand, der geringer als der eines Vorderstevens, aber nicht vernach&sigbar ist.

Um diesen Widerstand, der in gleicher Weise am Heck auftritt, auszuschalten, ist eine diesen Widerstand ausgleichende Kompensationskraft vorgesehen. Diese Kraft, deren Stärke wesentlich schwächer ist als der Antriebswiderstand, reicht aus, um eine Drehung der Schwimmkörper entsprechend der Fahrgeschwindigkeit sicherzustellen. Der Antrieb erfolgt durch eine oder mehrere herkömmliche Schrauben, durch Luftschrauben, durch Strahlturbinen oder durch hydraulische Rückstoßturbοtriebwerke, die wie die Schrauben am Heck zwischen den Schwimmkörpern angeordnet sind. Bei kleinen Schiffen bis zu etwa 3t kann ein einzelner Motor die Antriebsschraube 3 in Bewegung setzen und liefert über ein übersetzungsgetriebe 4, das über den Schwimmern angebracht ist, die Kompensationskraft (das Fahrzeug ist in Fig. 7 dargestellt, wo die Schwimmkörper vier Schraubenwindungen haben). Nichtsdesto-

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weniger wäre es von Vorteil, zwei Motore zu haben, einen mit "beispielsweise 70 PS für die Antriebsschraube und den anderen mit 30 PS für die Kompensationskraft, die Gesamtleistung betrüge 100 PS, aber man hätte eine 1,8-fache Geschwindigkeit,wie sich aus zahlreichen Versuchen im Labor und im Wasser ergibt.

Die selbstdrehende Ausführungsform hat den Vorteil, daß eine sehr große Schraubenganghöhe möglich ist (bis zum 3,75/4-,8-fachen des Durchmessers). Sie wird in gleicher Weise und zwangsläufig bei Segelschiffen angewandt, die durch Wind angetrieben werden. Die Kompensationskraft kann, durch einen kleinen Hilfsmotor, wie ihn die meisten dieser Schiffe haben, oder durch einen über den Achsen der Schwimmkörper angeordneten Windmotor erzeugt werden.

Zusammenfassend ist die Kompensationskraft unerläßlich, um das Höchstmaß der mit der Erfindung erzielbaren Vorteile zu erreichen. Die Kraftübertragung auf die Schwimmer wie auf die Schrauben wird entsprechend der Ganghöhe der jeweiligen Schwimmer und Schrauben bei letzteren 10 bis 15$ höher sein aufgrund des bekannten Schlupfes, obgleich es weniger wichtig ist, als bei herkömmlichen !Fahrzeugen, deren Kiel sehr stark bremst.

Bei der angetriebenen Ausführungsform konnte man anhand zahlreicher Experimente feststellen, daß die Ausschaltung des Widerstandes die Erhöhung der Geschwindigkeit bei gleicher Leistung zuläßt, aber man muß sich auch darüber klar sein, daß es schwierig ist, die Erfordernisse der großen Geschwindigkeit mit einem star-

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ken Antrieb in Übereinstimmung zu bringen. Dieser unbestrittene und mit Beweisen belegte Tatbestand zeigt, daß das Problem der Langsamkeit der Wasserfahrzeuge nicht eine Frage des Antriebes, sondern der Ausschaltung der hauptsächlichen Widerstände ist. Bei Schiffen, deren Geschwindigkeit nicht wesentlich und eventuell sogar abträglich ist, die im Gegensatz dazu eine große Antriebskraft erfordern, wie Schubschiffe, Schleppschiffe, Hafenfahrzeuge, Wasserbusse auf den Flüssen und kleinen Seen, Fähren und Amphibienfahrzeuge, die einerseits oftmals Anhalten und andererseits eine große Anlaufkraft haben müssen, sind für die eigendrehende Ausführungsform ganz andere Schwimmkörper erforderlich, 3^e nach Verwendungszweck (siehe Figuren 5 und 6).

Die gänzlich schraubenförmige Ausbildung aller nicht parallel zur Längsachse gerichteten, vom Wasser benetzten Oberflächen bleibt unverändert. Es sind die Dimensionsverhältnisse, die unterschiedlich sind, samt der Zuordnung besonders guter Antriebselemente.

Die Ganghöhe ist sehr viel kürzer, mindestens wenig geringer als der Durchmesser und maximal gleich dem 1,9-fachen des Durchmessers. Die Antriebsflügel 5 um den Schwimmkörper herum sind 1/10 des Durchmessers D hoch, sie nehmen ihren Anfang am größten Durchmesser und enden auch dort. In keinem Fall haben die Flügel ihren zentralen Kern am Bug oder enden am Heck. Wenn es sich um Amphibienfahrzeuge handelt, sind die Flügel für den Umlauf auf dem Erdboden verstärkt ausgebildet. Diese Maschinen haben die geringste Ganghöhe.

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Bei relativ langsamen Fahrzeugen kann die Wasserverdrängung etwas über 1/4 des Durchmessers hinausgehen oder im Stillstand zwischen 1/4 und 1/3 liegen, 1/3 darf nicht erreicht werden heim Betrieb mit voller Ladung. Es gibt ebenso viele Hügel, als Schraubenwindungen vorgesehen sind. Diese spiralförmigen Flügel treten an die Stelle der Nuten, die nach etwa einer halben Umdrehung der schraubenförmigen Abwicklung ihren Anfang nehmen. Sie verschwinden an der Stelle, wo die eine rasche Abwicklung aufweisenden letzten Nuten am Heck wiederkehren.

Bei relativ schnellen Fahrzeugen tragen bei der selbsttreibenden Ausführungsform die Schwimmkörper keine Antriebsflügel 5. Die Ganghöhe ist selbstverständlich kleiner, aber die Nuten sind kontinuialich wie bei der eigendrehenden Ausführungsform. Die am stärksten geneigten Flanken der Nuten sind gegen den Bug zu und nicht in Richtung auf das Heck geneigt. Außerdem kann man in diesem Fall vorteilhaft einen Zusatzantrieb mit wesentlich schwächerer Leistung als dem, der die Schwimmkörper versorgt, vorsehen, beispielsweise durch einen kleinen Hilfsmotor, der eine herkömmliche Schraube antreibt.

Es sei darauf hingewiesen, daß man höchstens zwei Schwimmkörper nebeneinander (parallel) anbringen kann. Andererseits kann man vier Schwimmkörper haben, d.h. zwei an jeder Seite, einer hinter dem anderen, und das Getriebe auf der Achse, die sie verbindet. Die Länge der Schwimmkörper ist im allgemeinen nicht größer als das 6 bis 7-fache ihres Durchmessers bei beiden Aus-

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führungsformen.

Die so ausgebildeten Schwimmkörper sind hohl und aus verschiedenen Ausgangsmaterialien, aber nach bekannten Verfahren hergestellt. Beispielsweise können sie aus einem durch Wärme verformbaren plastischem Material bestehen, wenn sie für kleine Fahrzeuge bestimmt sind. Bei den wichtigeren fahrzeugen können die Schwimmkörper aus Leichtmetall, aus Stahl oder ähnlichem für große !Donnagen bestehen und für in geringer Anzahl und mit kleinen Abmessungen hergestellte Jahrzeuge kann man auch leichte Kunststoffschäume, wie Polyurethan oder de« als Klegecell bezeichneten PVC-Kunststoff verwenden.

Die Vorteile gehen klar aus der Beschreibung hervor, insbesondere sei hervorgehoben:

die Erhöhung der !Tragfähigkeit ohne Vergrößerung des Volumens vom Bug zum Heck durch Abwicklung von Spiralen auf einer vertikalen Ebene am Bug,

die Kompensationskraft, die es erlaubt, sehr hohe Geschwindigkeit mit einer großen Ganghöhe zu erreichen, was u.a. für Wassertreträder mit Segel von Interesse ist, bei denen der Pedalantrieb zur Aufbringung der Kompensationskraft dient, die Heckform, welche die Saugwirkung des Wassers unterdrückt und die durch eine erhebliche Bremswirkung hervorgerufenen Widerstände gegen die Umdrehung.

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   11.Aiasserfahrzeug mit wenigstens zwei parallel zueinander angeordneten drehbaren Schwimmkörpern im wesentlichen zylindrischer Form, die mindestens zwei vom vorderen und vom rückwärtigen Ende ausgehende und um einen fiktiven oder reellen Kern herumlaufende Schraubenwindungen aufweisen, die zusammen zwei Nuten bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmige Abwicklung der Schraubenwindungen am vorderen Ende beginnt und am rückwärtigen Seil endet, etwa am Außendurchmesser der Schwimmkörper in einer genau senkrecht zur Hauptlängsachse (x-x) des Schwimmkörpers verlaufenden Efcene, in der die spiralförmige Abwicklung dieser Schraubenwindungen vom zentralen Kern (2) aus erfolgt.
2. 2. Wasserfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß . die Nuten (1) an jedem Punkt ihrer Länge am vorderen wie am hinteren Ende gleich breit sind.
3. 3. Wasserfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Tiefe der Nuten (1) über ihre Gesamtlänge vom vorderen und hinteren Ende aus fortschreitend verringert bis

   ν sie den vollen Durchmesser des Schwimmkörpers erreicht.
4. 4. Wasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Kern (2) hinten größer ist als vorn aufgrund der verringerten, hinten etwa ein Drittel ge-

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   ringeren ÖJief e der Nuten (1).
5. 5. Wasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit herkömmlichen Antriebsmitteln, wie Schiffsschrauben, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erzeugung einer auf die Schwimmkörper wirkenden Kompensationskraft geringer Stärke vorgesehen sind, die einen absoluten Bezug zwischen der Rotationsgeschwindigkeit der Schwimmkörper und der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs sicherstellen.
6. 6. Wasserfahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ganghöhe der Schraubenwindungen maximal das 3,75 bis 4,8-fache des Schwimmkörper-Durchmessers beträgt.
7. 7. Wasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Antrieb mindestens teilweise durch die über einen Motor in Drehung versetzten Schwimmkörper erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die minimale Ganghöhe der Schraubenwindungen etwas kleiner als der Schwimmkörper-Durchmesser ist und die maximale Ganghöhe höchstens dem 1,9-fachen dieses Durchmessers entspricht.
8. 8. Wasserfahrzeug nach Anspruch 7» bei dem die Schwimmkörper mit schraubenförmigen Antriebsflügeln versehen sind, deren Anzahl gleich der der Spiralwindungen ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Flügel (5) am Außendurchmesser des Schwimmkörpers ihren Anfang nehmen und enden, hinter den Nuten am vorderen Ende und vor den Nuten am hinteren Ende, die sich

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   in diesem Pall nur über eine halbe Umdrehung der schraubenförmigen Abwicklung erstrecken.

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