DE69200417T2 - Rumpfstruktur für Mehrrumpfschiffe. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Rumpfkonstruktion für ein Mehrrumpfschiff.
• Zwar haben übliche Mehrrumpfschiffe vom Katamarantyp mehrere wohlbekannte wesentliche Vorteile; ein störender Schwachpunkt besteht jedoch darin, daß Schiffe dieser Art, wenn sie in Fahrt sind, sich in einer Weise vertikal bewegen, die von Passagieren als unangenehm empfunden wird und ungünstige, vertikal wirkende Beschleunigungskräfte an Frachtgut erzeugt, das mittels solcher Schiffe transportiert wird. Demzufolge hat die Entwicklung von Mehrrumpfschiffen zu einem Rumpf geführt, der an der Wasserlinie einen schmalen Querschnitt besitzt, so daß durch Wellen, die am Rumpf wirken, eine kleine Hubkraft erzeugt wird. Gleichzeitig sind diejenigen Teile des Rumpfes, die unterhalb der Wasseroberfläche gelegen sind, mit den Rumpfteilen, die oberhalb der genannten Oberfläche gelegen sind, über schmale Verbindungen verbunden. Dies wirft im Hinblick auf die für den Antrieb des Schiffes erforderliche Einrichtung Probleme auf und hat auch einen höheren Leistungsbedarf zur Folge. Wasserstrahlantrieb ist im Falle von Hochgeschwindigkeitsschiffen günstig, beispielsweise von Schiffen, die für Geschwindigkeiten bis zu 40 Knoten gebaut sind, obgleich Wasserstrahl-Antriebseinheiten natürlich ausschließlich dazu geeignet sind, an der Wasserlinie des betrachteten Schiffes eingebaut zu werden. Schiffe vom Katamarantyp, die eine schmale Rumpftaille an der Wasserlinie (SWATH=Small Water Area Twin Hull) haben, werden daher in der Praxis durch einen Propellerantrieb angetrieben. Ein Schraubenpropeller führt jedoch zu einer Beschränkung der Geschwindigkeit, mit der das Schiff durch das Wasser bewegt werden kann, da der Propeller erodiert oder kavitiert, wenn er hohen Belastungen ausgesetzt wird. Außerdem muß der Propeller über ein kompliziertes und teueres Getriebe von einem Antriebsmotor angetrieben werden, der in einem Rumpfaufbau angebracht ist. Alternativ kann die Maschine in einem Teil des Rumpfes angeordnet sein, der unterhalb der Wasserlinie liegt, jedoch würde dies Probleme hinsichtlich Einbau und Wartung der Maschine aufwerfen und ebenso hinsichtlich der Luftzufuhr, der Abfuhr von Abgasen und dergleichen, insbesondere, wenn das in Betracht stehende Schiff für Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 40 Knoten gedacht ist, wo Gasturbinen eine realistische Alternative darstellen. SWATH-Schiffe haben natürlich eine geringe Laststabilität, da der Teil des Rumpfes, der sich über die Wasserlinie nach oben erstreckt, eine verhältnismäßig kleine Querschnittsfläche besitzt. Demzufolge ist es erforderlich, den Auftrieb oder Schwimmzustand von SWATH-Schiffen während der Bewegung des Schiffes durch das Wasser mit Hilfe gesonderter Einrichtungen, beispielsweise Flossen, Ballasttanks oder dergleichen, einzustellen, welche natürlich Komplikationen und eine Kostenerhöhung darstellen. Der Auftrieb oder die Schwimmstabilität des Rumpfes wird natürlich auch problematisch, wenn das Schiff entladen und beladen wird.
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rumpf mit günstiger Bauweise für Mehrrumpfschiffe zu schaffen. Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Rumpfkonstruktion zur Verfügung zu stellen, die a) eine geringe Neigung hat, sich unter Einfluß von Wellen während der Bewegung des Schiffes durch das Wasser nach oben anzuheben, b) einen hohen Wirkungsgrad besitzt und erlaubt, daß das Schiff mit hohen Geschwindigkeiten angetrieben werden kann, c) bei hohem Seegang lediglich zu einer geringen Geschwindigkeitsverringerung führt, d) einen hohen Lastwiderstand besitzt und ermöglicht, daß das Schiff mittels jeder gewünschten Kraftquelle angetrieben werden kann, einschließlich Wasserstrahl-Antriebssystemen, und e) eine große Heckstabilität besitzt, so daß das Schiff vom Heck desselben her beladen und entladen werden kann.
• Die Erfindung läßt sich vorteilhaft auf schnelle passagier- und frachttragende Katamarane anwenden, beispielsweise Schiffe mit einer Geschwindigkeit von 30-50 Knoten, einer Länge von 120 Metern, einer Breite von beispielsweise 40 Metern und einem Unterwasservolumen von bis zu 3000m³.
• Die Erfindung ist in dem nachfolgenden Anspruch 1 definiert.
• Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Die erfindungsgemäße Rumpfkonstruktion läßt sich beschreiben als einen bugseitigen Rumpfteil, der einen zwiebelförmigen Unterwasserquerschnitt besitzt, d.h. einen taillierten Teil in dem Bereich der Wasserlinie, und einen heckseitigen Rumpfteil aufweisend, der kontinuierlich in diesen übergeht und dessen örtlicher Tiefgang in Richtung auf den Bug hin abnimmt, während gleichzeitig die Breite des Rumpfes an der Wasserlinie in dieser Richtung zunimmt. Dies verleiht dem Heck des Schiffes eine Form, die für Wasserstrahlantrieb günstig ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Wasserstrahlantrieb beschränkt. Als Ergebnis der Erfindung besitzt der Rumpf eine verhältnismäßig große Breite an der Wasserlinie im heckseitigen Teil des Rumpfes, was die Möglichkeit schafft, Antriebsmaschinen und ähnliche Primärantriebe bequem in den Rumpf einbauen zu können, ohne daß irgendwelche Probleme bezüglich Luftzufuhr, Abgasabfuhr, dem Anheben und Absenken von Maschinen und dergleichen bestünden. Da der Rumpf eine verhältnismäßig große Wasserlinienbreite im Verhältnis zur Höchstbreite des Rumpfes unterhalb der Wasserlinie besitzt, insbesondere am Heck des Rumpfes, besitzt der Rumpf eine gute Stabilität, insbesondere in seinem heckseitigen Teil, wodurch das Beladen und Entladen von Frachtgut vom Heck des Schiffes her begünstigt wird.
• Die Zwiebelform des vorderen Teiles des Rumpfquerschnittes, d.h. eine verhältnismäßig schmale Rumpftaille in dem vertikalen Bereich des Rumpfes, der sich durch die Wasserlinie hindurch nach oben erstreckt, als Fortsetzung einer im großen Ganzen mehr U-förmigen Gestalt des Rumpfhecks, begrenzt die wellenbedingte Vertikalbewegung, wie sie mit üblichen Rumpfkonstruktionen von Katamaranen einhergeht, die einen im wesentlichen gleichförmigen Rumpfquerschnitt über die Länge des Rumpfes besitzen. Als Ergebnis der zwiebelartigen Form des Querschnitts des vorderen Rumpfteiles ist die durch Wellen erzwungene Hubkraft an dem vorderen Teil des Rumpfes geringer, und die Bewegung hindernde Saugkräfte treten an der unteren Außenfläche der Rumpfkonstruktion und an den nach oben weisenden nassen Oberflächen des Rumpfes auf, wenn sich der Rumpf im Wasser vertikal bewegt.
• Eine für Mehrrumpfschiffe bestimmte Rumpfkonstruktion weist üblicherweise eine im wesentlichen konstante Querschnittsform über die Länge des Rumpfes auf, wobei eine übliche Querschnittsauslegung eines Katamaranrumpfes einen im wesentlichen V-förmigen Boden besitzt, von dem sich im wesentlichen vertikale Seiten erstrecken. Die Erfindung unterscheidet sich von diesem üblichen Rumpfaufbau in wesentlichen Aspekten. Zum einen nimmt die Breite des erfindungsgemäßen Rumpfes im wesentlichen in Vorwärtsrichtung an der Wasserlinie ab, während eine im wesentlichen konstante Spantfläche unter der Wasserlinie über die Länge des Rumpfes beibehalten wird, obgleich diese Fläche natürlich an vorderem und hinterem Teil des Rumpfes abnimmt.
• Demzufolge hat der Rumpf eine verhältnismäßig große Breite an der Wasserlinie in den heckseitigen Teilen des Rumpfes, wodurch ermöglicht wird, daß der örtliche Tiefgang des Rumpfes an seinem heckseitigen Teil beschränkt ist.
• Die Erfindung bietet die folgenden Vorteile:
• Die Antriebseinrichtung des Schiffes, einschließlich Maschinen, kann bequem im Rumpf angeordnet und leicht gewartet werden, ohne daß eine Verwendung komplizierter und Leistung verbrauchender Getriebe erforderlich ist.
• Der Rumpf kann Belastungen widerstehen, insbesondere das Rumpfheck.
• Der Rumpf ist für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt, beispielsweise Geschwindigkeiten von 40 Knoten.
• Der Rumpf kann mit Wasserstrahl-Antriebseinrichtungen ausgerüstet werden, wenn dies gewünscht wird, und der Rumpf hat eine verhältnismäßig geringe Neigung zum Stampfen, während sich das Schiff durch das Wasser bewegt, was den Rumpf für Schiffe geeignet macht, die sowohl für den Transport von Passagieren als auch von Gütern vorgesehen sind.
• Ein Ziel der Erfindung ist es u.a., die beschleunigte Bewegung von Mehrrumpfschiffen auf ein Ausmaß einzugrenzen, bei dem man unter normalen Seebedingungen der Notwendigkeit enthoben ist, Fahrzeuge, wie Güterwagen und Lastkraftwagen, die durch das in Betracht stehende Schiff transportiert werden, festzuzurren. Versuche haben gezeigt, daß das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel des Rumpfes bei einer signifikanten Wellenhöhe von ungefähr 4 Metern problemlos durch das Wasser bewegt werden kann.
• Oben wurde erwähnt, daß die Rumpfkonstruktion die Anwendung von Wasserstrahl-Antriebsvorrichtungen ermöglicht und Geschwindigkeiten von ungefähr 40 Knoten bei Zweirumpfschiffen erreichen läßt, die als Träger für Fahrzeuge und Passagiere mit einem Gesamttotgewicht (Ladegewicht) von 1000 bis 2000 Tonnen und mit einer Länge von beispielsweise 120 Metern und einer Breite von beispielsweise 140 Metern vorgesehen sind, obgleich es sich versteht, daß diese Werte lediglich zur Erläuterung der technischen Wirkung gedacht sind, die durch die Rumpfkonstruktion erreicht wird, nicht jedoch den Bereich der Erfindung einschränken.
• Es versteht sich auch, daß die erfindungsgemäße Rumpfkonstruktion unter Beibehaltung der gegebenen Vorteile bei Mehrrumpfschiffen unterschiedlicher Größen anwendbar ist, mit unterschiedlicher Anzahl von Rümpfen, für niedrigere und höhere Geschwindigkeiten und für andere Schiffsantriebsverfahren.
• Die Erfindung wird nun in näheren Einzelheiten unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rumpfstruktur und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
• Fig. 1 zeigt einen Spantenriß für eine bugseitige und eine heckseitige Hälfte eines erfindungsgemäßen Rumpfes.
• Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Lage des Schwerezentrums der Rumpfspantfläche des Rumpfs über die Länge des Rumpfes zeigt.
• Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Verdrängung der bugseitigen und heckseitigen Teile des Rumpfes bei unterschiedlichen Tiefgängen zeigt.
• Fig. 1 zeigt einen Spantenriß für eine erfindungsgemäße Rumpfkonstruktion, die durch sechs ähnliche, getrennte Spanten dargestellt ist, die mit 0 bis 5 beziffert sind, beginnend vom Heckspant 0 bis zum vorderen Spant 5.
• Fig. 1 zeigt auch die Lage der KVL (Konstruktionswasserlinie entsprechend einem Normaltiefgang T) des Rumpfes. Auch ist die Grundlinie BL des Rumpfes gezeigt, die eine Bezugslinie ist, die sich horizontal erstreckt und den tiefsten Punkt des Rumpfes beinhaltet.
• Die Ordinatenachse des in Fig 2 gezeigten Diagramms bezieht sich auf den vertikalen Zentralpunkt des Spantenrisses bis zu T über BL in Prozent des Tiefganges T, während sich die Abszissenachse auf die Positionen der Spanten 0-5 bezieht. Die in Fig. 2 gezeigten Kurven beziehen sich auf eine Anzahl voneinander unterschiedlicher Tiefgänge, die in Fig. 1 angegeben sind.
• Die in Fig. 2 gezeigten Kurven sind für die Erfindung kennzeichnend, und gemäß der Erfindung erreicht der Abstand von BL zu dem Schwerpunkt der nassen Spantfläche an dem Spant an der jenigen Stelle, die 75% der Länge des Unterwasserkörpers, beginnend vom Heck, entspricht, höchstens 50% des Tiefganges bis BL. Außerdem soll der Abstand des Schwerezentrums von BL bei dem hintersten Heckspant, welcher bis zur Wasserlinie reicht, größer als 65% des Tiefganges sein, während der Abstand des Schwerezentrums von BL für den am weitesten bugseitigen Spant, der bis zur gleichen Wasserlinie reicht, kleiner als 50% des Tiefganges sein soll.
• Im Fall der heckseitigen Hälfte des Unterwasserrumpfes soll der Abstand zwischen dem volumetrischen Schwerezentrum und BL 55% des Tiefganges überschreiten und vorzugsweise 60% des Tiefganges überschreiten.
• Aus Fig. 2 ist zu ersehen, daß der Abstand zwischen dem Schwerezentrum und BL sich in Vorwärtsrichtung des Rumpfes verhältnismäßig kontinuierlich ändert, was eine allgemeine Anwendbarkeit hat, obgleich ein einschlägiger Fachmann erkennt, daß die Form des Rumpfes in einer Weise verändert werden kann, die, obgleich sie im Diagramm sichtbar abweicht, in der Praxis keine wesentliche Abkehr vom erfindungsgemäßen Konzept bedeutet.
• Die Ordinatenachse in dem in Fig. 3 gezeigten Diagramm bezieht sich auf den Tiefgang T des Rumpfes, der in Fig. 1 gezeigt ist, während sich die Abszisse auf die Verdrängung des Rumpfes bezieht. Die Kurven A und B in Fig. 3 betreffen das Heck bzw. das Vorschiff des in Fig. 1 gezeigten Rumpfes.
• Aus Fig. 3 ist zu ersehen, daß die Wellen eine verhältnismäßig kleine Hubkraft auf das Vorschiff ausüben, weil bei zunehmenden Tiefgängen eine verhältnismäßig kleine Zunahme der Verdrängung erfolgt. Entsprechend ist aus Fig. 3 zu ersehen, daß das Achterschiff des Rumpfes gegen Belastung äußerst tolerant ist, d.h. die Zunahme des Tiefganges aufgrund von Belastung ist verhältnismäßig gering. Das Achterschiff des Rumpfes ist in geringerem Maße als das Vorschiff im Hinblick auf Vertikalbewegung, die durch am Rumpf anlaufende Wellen verursacht wird, empfindlich oder reagierend. Die allgemeine Erfahrung, die bei üblichen seegehenden Schiffen gewonnen wird, besteht darin, daß Stampfbewegungen des Rumpfes um einen Drehpunkt stattfinden, der auf ungefähr einem Drittel der Rumpflänge vom Heck her gelegen ist. Der Drehpunkt für Stampfbewegungen des erfindungsgemäßen Rumpfes liegt andererseits ungefähr bei einem Viertel oder einem Fünftel der Rumpflänge vom vorderen Teil des Rumpfes.
• Wiederum auf Fig. 1 bezugnehmend ist zu ersehen, daß der örtliche Tiefgang des Rumpfes in dem Achterschiff des Rumpfes in Richtung auf das Heck abnimmt. Im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels fällt der örtliche Tiefgang am Heck des Rumpfes auf ungefähr 50% des Rumpftiefganges. Der Rumpf hat seinen höchsten örtlichen Tiefgang in dem Bereich vor seinem Längenzentrum. Es ist auch ersichtlich, daß die Breite des Rumpfes an der Wasserlinie im wesentlichen kontinuierlich vom Heck zum vorderen Teil des Rumpfes hin abnimmt.
• Es sei auch bemerkt, daß die Breite des Unterwasserkörpers des Rumpfes von der Wasserlinie nach unten zunimmt, zumindest vom Bug bis nach Mittschiffs, wodurch der Unterwasserrumpfkörper einen zwiebelförmigen Querschnitt in diesem Längenbereich besitzt.
• Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß Anderungen des Tiefganges aus dem Normaltiefgang heraus die Fläche und Form des Rumpfes an der Wasseroberfläche nur geringfügig verändern, und daß die Breite des Rumpfes in dem Bereich oberhalb der Wasserlinie so abnimmt, daß die zusätzliche Hubkraft, die auf den Rumpf durch Wellen ausgeübt wird, verhältnismäßig begrenzt ist (wie es allgemein im Falle von SWATH-Rümpfen der Fall ist), wobei die zusätzliche Hubkraft an den vorderen Teilen des erfindungsgemäßen Rumpfes geringer ist, aufgrund der geringeren Breite des Rumpfes in diesen vorderen Rumpfteilen, die oberhalb der Wasserlinie liegen.
• Da der erfindungsgemäße Rumpf eine betonte Zwiebelform lediglich am vorderen Teil seines Unterwasserkörpers besitzt, sind die nach oben weisenden Oberflächen des Verdrängungskörpers in den vorderen Teilen des Unterwasserkörpers verhältnismäßig groß, wodurch die Abwärtsbewegung des Rumpfes während der Stampfbewegung in dem vorderen Teil des Rumpfes stark eingeschränkt wird. Die oben beispielsweise beschriebene Rumpfkonstruktion bezieht sich auf einen Rumpf für ein Doppelrumpfschiff, das für einen Antrieb mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 40 Knoten gedacht ist, wobei besagter Rumpf einen Tiefgang von etwa 4,5 m, einen Unterwasserteil mit einer Breite von ungefähr 5 m und eine Länge von ungefähr 120 m besitzt.
• Die beispielhafte Ausführungsform der Rumpfkonstruktion ist für die Erfindung typisch, und eine Person normalen Fachwissens in dieser Technik sollte keine Schwierigkeit haben, die Erfindung bei Rümpfen anderer Größen und unter anderen Bedingungen auszuführen.
• Die Grundlinie BL ist parallel zur Rumpfwasserlinie und erstreckt sich durch den tiefsten Punkt des eigentlichen Rumpfes selbst, d.h. ausschließlich von Kielen. Der Tiefgang ist hierbei der Abstand zwischen der Grundlinie und der Wasserlinie. Mit örtlichem Tiefgang ist der tiefste Punkt des eigentlichen Rumpfes selbst an einer gegebenen Stelle längs der Länge des Rumpfes gemeint.

Claims (10)

1. Rumpf für seegehende Mehrrumpfschiffe, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Abstand zwischen der Grundlinie des Rumpfes und dem volumetrischen Schwerpunkt des bis zu einer Wasserlinie, die einem normalerweise auftretenden Rumpftiefgang entspricht, reichenden Unterwasserkörpers des Rumpfes mehr als 55 % desjenigen Tiefganges des Rumpfes beträgt, der zwischen der Grundlinie und der Wasserlinie im Falle der heckseitigen, zwischen Heck und Mittschiffs des Rumpfes gelegenen Hälfte des Rumpfes definiert ist, daß der genannte vertikale Abstand weniger als 55 % des Tiefganges der vorderen Hälfte des Rumpfes beträgt, die zwischen Vorschiff des Rumpfes und Mitschiffs gelegen ist, daß der Abstand zwischen der Grundlinie und dem Schwerpunkt der Spantfläche, die durch die Wasserlinie an einer Stelle begrenzt ist, die 75 % der Gesamtlänge des Unterwasserkörpers des Rumpfes, vom Heck des Rumpfes her gerechnet, entspricht, weniger als 55 % des Tiefganges beträgt und daß die Breite des Rumpfes an der Wasserlinie im Achterschiff des Rumpfes wesentlich größer ist als im Vorschiff des genannten Rumpfes.

2. Rumpf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Abstand zwischen der Grundlinie und dem Schwerpunkt der unter der Wasserlinie befindlichen Spantfläche an einer Stelle, die 75 % der Gesamtlänge des Unterwasserkörpers des Rumpfes, vom Heck her gerechnet, entspricht, weniger als 50 % des Tiefganges beträgt.

3. Rumpf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Abstand zwischen der Grundlinie und dem Schwerpunkt zumindest 60 % des Tiefganges im Falle der heckseitigen Hälfte des Rumpfes und weniger als 50 % des Tiefganges im Falle der bugseitigen Hälfte des genannten Rumpfes beträgt.

4. Rumpf nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Abstand zwischen der Grundlinie und dem Schwerpunkt der bis zur Wasserlinie reichenden Spantfläche bei dem am weitesten heckseitigen Spant, welcher bis zur Wasserlinie reicht, größer als 65 % des Tiefganges ist und daß der vertikale Abstand zwischen der Grundlinie und dem Schwerpunkt des am weitesten bugseitigen Spantes, welcher bis zur gleichen Wasserlinie reicht, weniger als 50 % des Tiefganges und vorzugsweise weniger als 45 % des genannten Tiefganges beträgt.

5. Rumpf nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Abstand zwischen der Grundlinie und der Bodenlinie des genannten Unterwasserkörpers vom Mittschiffs gelegenen Teil gegen den heckseitigen Teil des genannten Rumpfes hin zunimmt.

6. Rumpf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Abstand zwischen der Grundlinie und der Bodenlinie des genannten Unterwasserkörpers gegen das Heck des Rumpfes hin bis auf mindestens 40 % des Maximaltiefganges zunimmt und daß der Anstieg der Bodenlinie in dem Mittschiffs gelegenen Bereicb des Rumpfes beginnt.

7. Rumpf nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Rumpfes an der Wasserlinie im Falle des heckseitigen Viertels des Schiffes im wesentlichen gleichbleibend ist und sich dann gegen den Bug des Schiffes hin verschmälert.

8. Rumpf nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsform des Rumpfes in der vorderen Hälfte des Rumpfes einen zwiebelförmigen Unterwasserteil und einen schmalen, eingeschnürten Teil aufweist, der sich durch die Wasserlinie hindurch erstreckt.

9. Rumpf nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Abstand zwischen der Grundlinie und dem Schwerpunkt der unterhalb der Wasserlinie gelegenen Spantfläche vom Heck zum Bug des Rumpfes hin im wesentlichen stetig abnimmt.

10. Rumpf nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Abstand zwischen der Bodenlinie des Unterwasserkörpers und der Grundlinie im vorderen Teil des Rumpfes im wesentlichen gleichbleibend ist.