Ein beitrag zum entwurf aus hydrodynamischer sicht

1. Einleitung, Entwicklung im

Wawle( 4exAnIrderungen

Fahrgastschiffe im erweiterten Sinne sind alle schwimmenden Fahrzeuge, die

Personen befördern. Weltweit zu den

älte-sten Beförderungsmitteln zählend waren

sie stets für den Benutzer wichtig. für den Steuermann eine große Verantwortung.

Im engeren modernen Sinne des ..Schif fes für den Passagier sind Fahrgastschiffe eine besonders attraktive Variante für

Frei-zeit und Reise, ihr Entwurf eine

faszinie-rende Aufgabe für den Ingenieur.

Die Schwierigkeit dieser Aufgabe

-wenn auch nicht ihr Umfang - ist bei

mo-dernen Fahrgastschiffen für Binnengewäs-ser mindestens ebenso groß wie bei Hoch-seeschiffen.

Geringer Tiefgang, umweltschonender, wirtschaftlicher Einsatz, hohe Manövrier-fähigkeit, beste Raumnutzung, Schwin-gungsbekämpfung stellen immer höhere

Anforderungen an den Entwurf von flach-wassertauglichen Binnenfahrgastschiffen.

Erst seit wenigen Jahrzehnten gibt es große Bínnenfahrgastschiffe mit

Hotelbe-trieb, die - für mehrtägige oder sogar

mehrwöchige Reiseaufenthalte von 200

Fahrgästen und mehr vorgesehen und

ent-worfen - in Ausrüstung und Einrichtung

mit Hochseefahrgastschiffen, z. B. Kreuz-fahrtschiffen. durchaus zu vergleichen

sind.

Diese, hei uns unter der Bezeichnung

Kabinenschiffe bekanntgewordenen Bin-nenfahrzeuge unterscheiden sich - auch in

Formgebung und Antrieb - sehr deutlich von den sogenannten Tagesausflugschif-feu, die keine Ubernachtungsmöglichkeit

für den Fahrgast bieten.

Selbstverständlich können

Kabinen-schiffe ebenso wie TagesKabinen-schiffe auch im

Zielverkehr, als Zubringer, bzw. im

Fähr-verkehr über große und kleine Distanzen eingesetzt werden. Als solche standen sie

schon gegen Ende des 19. Jahrhunderts vor allem auf dem nordamerikanischen Konti-nent hinsichtlich der technischen Einrich-tung und ihrer teils luxuriösen AusstatEinrich-tung

den seegehenden Passagierschiffen kaum nach.

In einem Punkt ergab sich von Anfang an ein Nachteil für das Binnenfahrgastschiff: von den Hauptabmessungen war der

Tief-gang in aller Regel durch den Einsatz auf flachen Gewässern stark eingeschränkt. * Leiter der Versuchsanstalt für

Binnenschiff-bau e.V.. Duisburg

Prof Dr. -Ing. H. H. Heuser'

Dies gilt nicht so sehr für die Streckenfahrt. Sind. wie vorherrschend, An- und Ablege-möglichkeiten nur im Seichtwasserbereich gegeben, so bestimmt dies den zulässigen

Tiefgang. Das Faktum der

Tiefgangsbe-schränkung zwingt dazu, entweder: die Fahrgastzahl selbst oder die

Wasser-verdrängung je Fahrgastplatz klein zu halten. um bei vorgegebenen

Höchst-grenzen von Länge und Breite eine wi-derstandsgünstige Form . insbesondere einen geringen Blockkoeffizienten neh-men zu können, oder

den Blockkoeffizienten und damit die

verfügbare

Verdrängung größer zu

wählen und eine geringere Geschwin-digkeit bzw. einen höheren

Leistungs-bedarf hinzunehmen, oder

durch Weiterentwicklung von Formge-bung und Antrieb und durch Verbesse-rung ihrer Wechselwirkungen zu versu-chen. die Nachteile der höheren

Was-serverdrängung weitgehend oder

voll-ständig auszugleichen.

Die erste Lösung wurde bis etwa zur

Mit-te des 20. Jahrhunderts bevorzugt. Sie

brachte entweder nur kleine

zulässige

Fahrgastzahlen oder ein nur geringes Platz-angebot je Fahrgast bei mäßigem Komfort an Einrichtung und Ausstattung.

Die zweite Variante war im allgemeinen

nur dann zu realisieren, wenn die

Ge-schwindigkeit keine oder eine

untergeord-nete Rolle spielte, da eine höhere installier-te Leistung das Schiffsgewicht vergrößerinstallier-te, die Betriebskosten in die Höhe trieb und im Regelfall doch nicht zur Erfüllung der Ge-schwindigkeitsforderung führte. Letzteres

vor allem dann, wenn auf sehr flachem Wasser gefahren wurde, bei dem es nicht

außergewöhnlich ist, daß der Leistungsbe-darf mit der 5. bis 8. Potenz der

Geschwin-digkeitssteigerung zunimmt.

Die dritte Möglichkeit als besonders

ökonomische, aber auch aufwendige

Lö-sung konnte erst mit der Einführung syste-matischer Forschungs- und Entwicklungs-arbeit erfolgreich genutzt werden.

So ergab sich in den 50er Jahren dieses Jahrhunderts ein starker Impuls für

Wei-terentwicklungen dieser Art und zwar in

er-ster Linie aus dem gleich mehrfach

ge-wichtsmehrenden Trend zu höherem Kom-fort, größerem Platzangebot und gehobe-ner bis luxuriöser Restauration bei

gleich-zeitig noch steigenden Anforderungen an

Wirtschaftlichkeit und Sicherheit. (Lit. [11)

Vor allem die letztere Forderung erwies sich als ebenso berechtigt wie

kostentrei-bend.

Hochleistungs-Ruderanlagen oder kom-binierte Antriebs- und Steuerorgane

erga-TECHNISCHE LJNIVERSITEIT Laooratonum voor

Schiffstechnik

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Foringebung und Vortrieb von Binnenfahrgastschiffen

Ein Beitrag zum Entwurf aus hydrodynamischer Sicht

hen eine bisher nicht erreichbare

Manö-vrierfähigkeit. Größere Schiffe mit Längen

von mehr als 50 m, zumal wenn häufiges

An- und Ablegen oder mehrfache

Schleu-senpassagen zum Einsatzalltag gehören, werden darüberhinaus in zunehmendem Maße mit Schuberzeugern am Vorschiff. sogenannten Bugstrahlsteuern,

ausgerü-stet, die eine weiteres, relativ teures, aber effektives Plus an Sicherheit und

Reak-tionsschnelligkeit bringen.

2. Randbedingungen bestimmen

den Entwurf

Stets sind es die - meist einschränken-den - Randbedingungen, die einschränken-den Entwurf

von Formgebung und Vortrieb der Schiffe bestimmen.

Bei Fahrgastschiffen auf B

innenwasser-straßen betrifft dies im wesentlichen:

Tiefe, Breite und Krümmungsradien

des Fahrwassers, Stürzweiten und lichte Höhen von Brücken, evtl. Schleusenab-messungen.

Anforderungen bezügl.

Geschwindig-keit einerseits und geringer Wellenhil-dung andererseits.

Während die Absolutwerte der Haupt-abmessungen maßgeblich von

Einsatz-zweck. Fahrgastkapazität und

Einsatzge-blet bestimmt werden, sind die

Formpara-meter und die eigentliche Formgebung

nach der geforderten Geschwindigkeit bei

möglichst geringer Störwirkung des vom

Schiff erzeugten Wellensystems zu wählen. Auf begrenzter Wassertiefe und vor allem auf Flachwasser ist die Froude'sche Tiefen-zahl

F1

V

\/g

h

der entscheidende Faktor für Größe und

Energieeinheit des Wellensystems und da-mit für den Wellenwiderstand und den Lei-stungsbedarf.

Dies gilt in besonderem Maße für die schlanken und relativ schnellen

Fahrgast-schiffe mit kleinen Tiefgängen. bei denen

der Einfluß der Wassertiefe auf die

Ver-drängungsströmung vergleichsweise gering

Ist.

Bei der F11-Bestimmung sind - abhängig von Völligkeit und Schwerpunktlage -

um-so mehr die lokalen Wassertiefen zu

be-rücksichtigen.

je geringer der Abstand

Schiffsboden - Fahrwassersohle, die soge-nannte Flottwasserhöhe, ist.

In diesen Fällen entsteht eine starke

Ver-änderung der Druckverteilung um den

Schiffsrumpf, die Ubergeschwindigkeiten nehmen zu und die für die lokale

Wasser-tiefe maßgebliche Absenkungsmulde ist

stärker ausgeprägt.

HA UPTA N T R E BSVA R IAN T EN

A] NororrLpropeLLer; Ruderpropelter

] ZYKLOIDALPROPELLER (VSP)

Abb. i

Wie bei jedem Binnenschiffsentwurf

spielt die Wahl der Vortriebsorgane eine

Schlüsselrolle für die Rumpfformgebung. (Abb. 1).

Neben dem konventionellen

Schraubenpropeller auf schiffsfester Welle haben sich Ruderpropeller und

Zykloidal-propeller eingeführt und bewährt. In

Ein-zelfällen kommt es noch heute zur Verwen-dung von Schaufelrädern.

Die Wechselwirkungen zwischen Rumpfform. Vortriebsorganen und Fahr-wasserbegrenzungen sind derzeit in allen Einzelheiten nur qualitativ zu erfassen.

Der Forderung nach geringem Schiffstief-gang kommen Schaufelrad und

Zykloidal-propeller (Voith-Schneider-Propeller (VSP)) besonders entgegen. Sie erreichen

eine große eingetauchte Fläche durch die

Rechteckform ihres wirksamen Quer-schnitts. wobei die Breite dieses Rechtecks wesentlich größer als seine Höhe ist.

Dementsprechend kann die

spezifische

Leistungsbelastung mit ihrem starken Ein-fluß auf den Wirkungsgrad erheblich

ver-mindert werden, falls Zykloidalpropeller Verwendung finden. Dadurch sinkt indi-rekt auch der Sogeinfluß auf das Hinter-schiff, so daß der Zusatzwiderstand des Schiffes durch den arbeitenden Propeller deutlich geringer ist. Von daher wäre der Zykloidalpropeller bei nicht getunnelten

Hinterschiffen zu bevorzugen. Leider

brin-NQRMALPROPELLER - ZYKLOIDALPROPELLER NP VSP Vergwrh LEISTUN000026RF. P Zwwiproperrwr - Fwhrgowtwlhiff Lw1 - Y rSo& 0, 0.620 21 PIO IkWr 600 500 600 000.. PO A0 rkW F r 200 ...300 100 NORMALPROPELLER - ZYKLOIBALPROPELLER NP VSP Vwgr&1h LEI500NOSBE040F, P1 ZwepopwLle- Eohgo,twhi6f Lw1 Y 283& C, 0,600 T w 110m; h 50m PROP.- STRAI3LFLACHEN, Ao NP ASP R vsP 250

/

NP

_-

ii

100

/

idalpropeller nicht gleichgesetzt werden. Am Schiff wirken sich zusätzlich die sy-stembedingt unterschiedlichen

Druckver-teilungen im Ansaugbereich auf die effekti-ven Sogziffern aus. Im Rahmen einer

spe-ziellen Entwicklungsaufgabe

der VBD

(Lit. [2]) wurden identische Rumpfformen

von mittelgroßen Fahrgastschiffen

nach-einander

mit 2 Normalpropellern; Mittenabstand

e = 0,4 .

BWL

-

mit 2 Voith-Schneider-Propellern;

Mit-tenabstand e = 0,5.BWL

ausgerüstet und in Propulsionsversuchen

untersucht (siehe Abschnitt 4).

Die Vergleiche der Antriebsleistungen

für gleiche Geschwindigkeit und der zuge-hörigen Leistungsbelastun gen PD/Ac)

(Abbn. 2 und 3) zeigen. daß identische An-triebsleistungen nur dann zu gleichen

Fahr-geschwindigkeiten führen, wenn die

Lei-stungsbelastung der VSP deutlich niedriger als die der Normalpropeller ist.

Vortriebstechnisch interessant wird der

Zykloidalpropeller dann, wenn (Flügellän-ge = Normalpropellerdurchmesser voraus-gesetzt) der Flügelkreisdurchmesser deut-lich größer ist als die Flügellänge. Es bleibt festzuhalten, daß unter den modernen Vor-triebsarten für flachgehende Fahrgastschif-fe der Voith-Schneider-Propeller in jedem Fall in der Vorprojektphase als Alternative

zu betrachten ist. Dies gilt sogar dann.

TBIJ

seit 1954

Whlschattlichkeit und Sicherheit durch Modellversuche und Messungen

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bwIZfB - Zeitschrift für Binnenschiffahrt und Wasserstraßen - Nr. i - Februar 1990 27

6 19 20

V kfllhl

Abb. 2

gen sein hohes Gewicht und die gegebene

bzw. notwendige Konzentration von

Pro-peller, Getriebe und motorischem Antrieb auf kleinem Raum häufig Probleme

bezüg-lich der Anpassung von Gewichts- und

Ver-drängungsschwerpunkt. sofern es sich um Vortriebsorgane unter dem Heck des Schif-fes handelt. Hinzu kommt, daß bei

gerin-gen Schiffsbreiten der Vorteil der großen wirksamen Fläche dadurch zurückgeht,

daß auch die Strahlflächenbreite stärkeren Beschränkungen unterliegt.

Bei Mehrschraubenschiffen muß die ge-genseitige Beeinflussung der

Ansaugberei-che - vor allem bei kombinierten

Vor-triebs-Steuerorganen - durch einen

Mm-destabstand der Propellermitten

voneinan-der. e, weitestgehend vermieden werden.

Dies gelingt bei nicht durchgezogenem

To-thoiz nur dann hinreichend, wenn beim Normalpropeller e/D 2,5. bei

VSP-An-trieg e/00 2,0 eingehalten wird. Geht man bei nicht getunnelten

Hinter-schiffen von gleichem Tiefgang aus, so kann die wirksame Fläche eines Voith-Schneider-Propellers ohne weiteres das Doppelte der Fläche eines

Schraubenpro-pellers für das gleiche Schiff erreichen. An dieser Stelle muß betont werden, daß der Propellerwirkungsgrad keineswegs

linear mit der wirksamen Strahliläche

zu-nimmt. Inbesondere können die Abhängig-keiten bei Schraubenpropeller und

Zyklo-18 20 21 V 81,06] Abb. 3 rkWI 500_ 400.. 300_ 200 100

wenn die Schraubenpropeller eingetunnelt werden können und sich damit das Verhält-nis der wirksamen Fläche zu ihren Gunsten verändert.

Selbstverständlich stellen auch Ruder-propeller eine echte Alternative im

Vor-projekt dar. Ihr Bauprinzip macht den

Schraubenpropeller zu einem

Vortriebsor-gan mit beliebig variabler Schubrichtung und in dieser Hinsicht dem Zykloidalpro-peller vergleichbar. Dabei bleibt der

Vor-teil des Schraubenpropeller in Gewicht und

Preis großenteils erhalten. Bezüglich des

Gütegrades der Propulsion haben sich Ru-derpropeller der Kombination aus

Normal-propeller + Antriebswellen +

Wellenbök-ken gleichwertig erwiesen.

Auch beim Ruderpropeller muß im

Regel-fall, wie beim VSP, allerdings eine Ge-wichtskonzentration im Propellerbereich

hingenommen werden, die bei heckgetrie-benen Fahrgastschiffen Probleme des

Trimmausgleichs bringen kann.

vs [km 1h] 32 31 o, 130 o, .0 29 28 28

/

/

/

/

/

/

/

/

/...Kreuzerheck Spieqeiheck 7 8 9 10

LANGEN BREITEN - Verhüttnis L / B

Abb. 4

Das Schaufelrad als Hauptantrieb am

Heck oder an den Schiffsseiten kann seinen Vorteil der Einfachheit und des guten

Wir-kungsgrades nur dann zur Geltung bringen.

wen n

die Drehzahl der Hauptmaschine sehr

niedrig ist.

- die Schaufeln so gesteuert werden,daß

eine weitgehende Anpassung an die

Eintritts- und Durchgangsbedingungen bei einer Radumdrehung gewährleistet ist (stoßfreier Eintritt).

Ersteres war bei

Dampfmaschinenan-trieb ideal gegeben und läßt sich heute nur

mit hochuntersetzenden, schweren

Stirn-radgetrieben oder mit relativ aufwendigen

diesel-elektrischen bzw. diesel-hydrauli-schen Antrieben realisieren.

Letzteres setzt zumindest die herkömm-liche Kulissensteuerung voraus, die jedoch den Vorteil der Einfachheit des

Vortriebs-organs Schaufelrad einschränkt. Hinzu kommen als deutliche Nachteile gegenüber den anderen Propulsionsorganen der

unge-wöhnlich große Platzbedarf der Schaufelrä-der und die aus ihrer exponierten Anord-nung resultierende

Havarie-Empfindlich-keit.

Von gelegentlichen Ausnahmen aus

nostalgischen Motiven heraus abgesehen

i

1.60, OWL

oder wenn es sich um das Befahren extrem

flachen Wassers mit relativ großen

Fahr-zeugen handelt, spielt das Schaufelrad als Hauptantrieb für Binnenfahrgastschiffe heute keine wesentliche Rolle mehr.

3. Das Schiff für nicht begrenzte

Wassertiefen (Tiefe Binnenseen)

Wäre die Notwendigkeit, Anlegestellen

an seichten Ufern anzulaufen, nicht fast überall gegeben. könnten Fahrgastschiffe für derartige Einsatzgebiete weitgehend wie entsprechende Seeschiffe entworfen

werden.

Abb. 6 FLUSSFAHRG

Modeitserie FORMOPTIMIERI BeispieL M 202 Lw

LIS

Dies gilt um so mehr, als auf den Binnen-seen (Beispiele: Bodensee, Schweizer und

Oberitalienische Seen) regelrechter See-gang auftreten kann. Bei länger

anhalten-dem, heftigem Wind oder bei plötzlich

auf-tretendem Gewittersturm sind

Wellenhö-hen von 1.5 bis 2m durchaus möglich.

Lei-der zwingen die ufernahen Wassertiefen

bei den Anlegestellen zu drastischen

Tief-gangsbeschränkungen. so daß die aus der

Fahrt im Seegang resultierenden Forderun-gen mit TiefgänForderun-gen von 1,3(1 m bis 1,60 m erzielt werden müssen. Neben den

zahlrei-chen alten und älteren Schiffen mit

Rad-vortrieb (meist Seitenräder) und mit

Nor-malpropellervortrieb kommen seit

neue-rem Ruderpropeller zum Einsatz.

Die Tendenz geht bei fast allen Fahrgast-schiffreedereien zum mittelgroßen. gut ausgestatteten Schiff mit hohem

Sicher-heitsstandard und geringstmöglichen Per-sonalbedarf bei großzügigem Platzangebot und guter Restauration. Geschwindigkeits-anforderungen stehten nicht an erster Stel-le, doch zwingen enge Fahrplanzeiten (oft für Bahn-. Bus- oder Bergbahnanschlüsse

nötig) zu entsprechender Motorisierung

mit hinreichenden Reserven.

Eine häufig wiederkehrende Frage ist die nach der hydrodynamisch optimalen

Heck-form. Das weit überwiegend bzw. hei Neu-bauten fast ausschließlich verwendete Spie-gelheck steht hier im Vergleich zum soge-nannten Kreuzerheck.

Das Spiegelheck bringt den dringend

be-nötigten Platz auf dem Achterdeck und

schützt die Propeller wirksam gegen

Luft-einbruch beim Stoppen bzw.

Rückwärts-manövrieren.

Hydrodynamisch beurteilt entsteht ge-genüber dem Kreuzerheck ein Zusatzwi-derstand. der bei größeren Eintauchtiefen

beträchtlich sein kann.

Die genaue Zuordnung der

Wider-standsdifferenzen zu den verschiedenen

Ursachen. (druckfeldhedingte

Unterschie-de im Fahrttrimm, Wellenausbildung am

Hinterschiff und reiner ,.Spiegelheckwider-stand) ist schwierig und für Seeschiffe auf Tiefwasser bisher erstmalig von

Groethus-Spork (Lit. [3]) durchgeführt worden. Da für den praktischen Vergleich bei sonst ähnlichen Schiffsformen nur der resultie-rende Unterschied im Leistungsbedarf

in-teressiert, kann die Gegenüberstellung von Helm (Lit. [4]) einen ersten Anhalt geben.

Bei Binnenfahrgastschiffen wird eine

Abhängigkeit der Heckformauswirkung vom LIB festgestellt. (Abb. 4). Das

ange-führte Ergebnis

- geringer Spiegelheckvorteil bei L/B 7,5

- Spiegelhecknachteil oberhalb L/B = 7,5. stark zunehmend

gilt

streng nur für einen untersuchten

Blockkoeffizienten und für einen

BIT-Wert.

Vor allem ist das Resultat auf Tiefwasser (tiefe Binnenseen) begrenzt. Für Flachwas-ser liegen einschlägige Vergleichsresultate bis heute nicht vor.

Es dürfte jedoch feststehen, daß auf

al-len Wassertiefen Verdrängungsschiffe mit Kreuzerheck wesentlich weniger

empfind-lich in Bezug auf

Leistungsbedarfsunter-JNG, VBO-Bericht 237

bw/ZEB - Zeitschrift für Binnenschiffahrt und Wasserstraßen -Nr. i - Februar 1990

MS

Abb. 5: Neubauten FahrgastschitTe für den Vierwaldtstätter See. Antrieb durch 2 XSchottel.Ruderpropeller

schiede durch Tiefgangsänderungen sind

als Spiegelheckschiffe.

Ein Neubau 1990 für den Vierwaldstätter See wird den modernen Ruderpropelleran-trieb für optimale Manövrierfähigkeit und einen sehr kleinen Spiegel erhalten, der

ei-nem tiefgangs- bzw. eintauchneutralen

Verhalten nahekommt. Abb. 5 enthält die

prinzipielle Spantenrißskizze.

Die Entwicklung von zwei typischen

Kennwerten für Fahrgastschiffe auf tiefen Binnenseen kann anhand von drei Schiffen

der SGV (Schiffahrtsgesellschaft

Vierwald-stätter See) verfolgt werden.

PR/V = installierte Motorleistung in je m' Verdrängung

V/z = Wasserverdrängung in m3/

Fahrgast (z = zugelassene

Fahrgastzahl)

Für den hier in Rede stehenden Bereich der Hauptabniessungen

ergeben sich diese Kennwerte wie folgt:

V=Verdrängungsvolumen ohne Fahrgäste Während der Leistungsbedarf je m3 als rein hydrodynamische Größe beim radgetriebe-nen Schiff ,,Gotthard", das den geringsten Tiefgang und mit 8,40 das weitaus

günstig-ste Längen-Breiten-Verhältnis aufweist, (,Neubau": 6.5) besonders niedrig liegt, ist der wesentlich höhere fahrgast-spezifische

Wert V/z des .Neubaus", eindeutiges An-zeichen für den gehobenen Komfort und das größere Platzangebot der modernen

Fahrgastschiffkonzeption.

Bei der Zahlenbewertung sollte

aller-dings berücksichtigt werden, daß das reine

Schiffsgewicht aus Gründen verschärfter

Sicherheitsvorschriften auch

bei einem

evtl. Nachbau der älteren Schiffe heute

durchweg höher ausfallen würde.

4. Das Schiff für begrenzte

Wasser-tiefen und für Flachwasser

Bei unveränderten Anforderungen ge-genüber den Fahrzeugen für Tiefwasser-Seen liegt die Problematik dieser Schiffe

naturgemäß nicht auf dem Gebiet der See-gangstauglichkeit, sondern im Bereich der Flachwassereinflüsse und damit u. a. auch der Verkehrssicherheit.

Sie zwingen den entwerfenden Ingenieur

- zu optimaler Wahl der

Antriebsleistun-gen bei zwangsläufig stark reduzierten Geschwindigkeitsforderungen in

An-passung an die Wassertiefen.

- zur Wahl von Vortriebs- und Steueror-ganen mit hohem Wirkungsgrad bzw.

Einrichtungen, die dem Schiff eine

be-sonders gute Manövrierfähigkeit mit

kurzen Reaktionszeiten verleihen.

Wir haben es hei dieser Kategorie mit dem Gros der Flußfahrgastschiffe zu tun.

wie sie auf den Binnenwasserstraßen - ins-besondere den großen Strömen - weltweit

im Einsatz sind. Sie unterliegen in der Ein-schränkung ihrer Geschwindigkeit und ih-rer Manövrierfähigkeit

dem Eintluß der Wassertiefe auf ihren Wellenwiderstand,

dem Einfluß von Wassertiefe und -brei-te auf den Druckfeldaufbau um den ge-tauchten Rumpf und die Auswirkungen

auf den Gesamtwiderstand

(Verdrän-gungsströmung).

Beide Einflüsse sind physikalisch unter-schiedlicher Natur. Es kommt jedoch stets zu einer Uberlagerung, sodaß eine saubere Trennung nicht möglich ist.

Allgemein ist festzuhalten, daß für die

Größe der Auswirkungen der

Fahrwasser-beschränkung auf den Wellenwiderstand

die Froude' Tie fenzahl

V

Fh-

_Vgh

und somit die Relativgeschwindigkeit zum Wasser und die Tiefe des Fahrwassers maß-geblich sind.

Bei der Auswirkung der Verdrängungs-strömung auf den Gesamtwiderstand sind demgegenüber u. a.

die Rumpfvölligkeit, CB.

- der Rest-Wasserquerschnitt nach Ab-zug des eingetauchten

Schiffsquer-schnitts, AK - AM,

von herausragender Bedeutung.

Beim Wasserquerschnitt verliert die Breite des Fahrwassers ihren Einfluß wei-testgehend, wenn das Verhältnis von Fahr-wasserbreite zu Schiffsbreite den Wert 15 überschreitet. Während dies für sehr große Hauptspantvölligkeiten CM > 0,98 gilt,

kann die Grenze bei den i. a. wesentlich

ge-ringeren CM-Werten von

Flußfahrgast-schiffen noch deutlich niedriger liegen.

So bleibt auf den meisten

Einsatz-strecken im Binnenland die Wassertiefe auch für den Einfluß der

Verdrängungs-Strömung der entscheidende Wert. Als dimensionsloser Parameter zur Kenn-zeichnung dieses Einflusses haben sich das

Wassertiefen- Tie

fgangs-Verhältnis h/T

bzw. das

Wasserhöhenverhältnis

h - T

h

eingeführt. Ihre Verwendung ist jedoch nur mit Einschränkung zulässig. Zweifel-los ist der Einfluß der Verdrängungsströ-mung auf das gleiche Schiff nicht iden-tisch. wenn z. B.

h=7,Om; T=3,50m h/T=2,0

h=3,Om: T=1,50m h/T=2.0

sind. Hier spielt die Dicke des

Wasserpol-sters unter dem Schiffsboden als Absolut-wert eine Rolle. Es ist daher unabdingbar. soweit wie möglich Variationen von Zähler

und Nenner der genannten Quotienten zu

bewerten.

Werden das Wasserhöhenverhältnis oder das Wassertiefen-Tiefgangs-Verhält-nis zur Bewertung benutzt, so sollten

sich die Anderungen von Zähler oder

Nenner in engen Grenzen halten,

nur ähnliche Rumpiformen mit

gerin-gen Abweichungerin-gen bei den

Formpara-metern, insbesondere der

Hauptspant-völligkeit, verglichen werden.

Abb. 7 LIB-OPTIMA fiir ein

80-m -Zweisohrau ben schiff

1 2 450 kW I L/B 11 10 9 8 5 7,5 10 [ml Wassertiefo h

Lit. [41 gibt eine sehr gute Übersicht zum Wassertiefeneinfluß auf die günstigste Wahl wichtiger Parameter.

Abb. 6 zeigt den Basis-Spantenriß einer

zugehörigen Serie von Flußfahrgastschif-fen der 80-m-Klasse. Bei Fixierung von

Länge und Wasserverdrängung wurden die Widerstandsleistungen und die

Wellerilei-stungen an den Propellern bei systemati-scher Anderung von Breite, Blockkoeffi-zient und Lage des Verdrängungsschwer-punkts gemessen. Die zu den

verschiede-nen Wassertiefen gehörigen

Geschwindig-keitswerte bei vorgegebener

Antriebslei-stung führen auf Parameter-Optima als

Funktion der Wassertiefe. Abbn. 7. 8, 9

zeigen die zusammengefaßten Resultate. Wegen der starken Beeinflussung des

dy-namischen Trimms eines

Flachwasser-schiffs durch die Anordnung der

Vortriebs-organe - und aus Gründen der

Schwer-punktiage - wurden in der VBD schon

C8 Abb. 8 065 0.60 C8-OPTIMA 80-rn -Zweischrcu 12 ' 450 fur ein kW I benschi 0.85 050

Name Jahr der zugelassene P8/V V/z

lndienst-stellung Fahrgast-zahl z (kW/m) (m3/FG) .,Gotthard" Endzustand 1914 600 1,60 0,30 .,Rigi" 1955 600 2,60 0.27

Neubau"

1990 300 2.30 0.75 44,0

<

L1) < 49,0 m 5,8

<

B < 7,Om 1,10 T <

1,5m

bw/ZfB - Zeitschrift für Binnenschiffahrt und Wasserstraßen - Nr. I - Februar 1990 29

0 2 4 6 8 10 12

2

Abb. 9

OPTIMA der SCHWERPUNKTLAOE

fOr ein 80 -m-Zweisctiraubenschiff I 2» 450 kW 4 5 6 7 8 Wassertiefe h 9 101ml

1957/58 Entwicklungsarbeiten mit seitlich

angeordneten Zykloidalpropellern (VSP)

für ein großes Rhein-Fahrgastschiff durch-geführt. Die VSP befinden sich in

Anbau-körpern gem. Ahhn. 10 und 11. Sie

er-brachten bei Dienstgeschwindigkeit einen

deutlich geringeren steuerlastigen

Fahrt-trimm und entsprechende

Leistungseinspa-rungen im Vergleich zum traditionellen

Heckantrieb.

Abb. 12 zeigt die Ergebnisse bei nahezu gleichen Hauptabmessungen und ähnlicher Rumpfformgebung des Schiffskörpers. Am

dargestellten Beispiel sind insbesondere wichtig:

die relativ hohe Grenzgeschwindigkeit

(Fflh = 0,82)

die Koinzidenz der Uberschneidungs-punkte von Propellerdrehleistung und

Trimm.

Die VBD hat 1968 die Ergebnisse einer

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Abb. lo

umfangreichen Entwicklungsstudie über

kleine und mittelgroße Fahrgastschiffe für den Einsatz auf begrenzter Wassertiefe und auf Flachwasser veröffentlicht. (Lit. [2])

Für Schiffe von 20 bis 60m Länge, wie sie vor allem auf Nebenflüssen und Kanälen, aber auch auf dem Rhein eingesetzt wer-den, sind typische Spantenrisse und

Pro-pulsionsorgane untersucht worden.

Abb. 13 zeigt als Beispiel das 40-m-Schiff

mit dem Blockkoeffizienten C8 = 0,5. Bei

Festwerten von Tiefgang und

Verdrän-gungsschwerpunktlage wurden Länge und Blockkoeffizient systematisch variiert,

woraus entsprechende Unterschiede in Wasserverdrängung, LIB und BIT

resul-tieren.

Abweichend vom gezeigten Spantenriß

sind aus heutiger Sicht folgende Empfeh-lungen zu geben:

Abb. 11

stärkeres Einziehen des Spiegels auf das

Maß

Spiegelbreite

Sch iffs breite

Dabei sollte die im Hinblick auf Propel-lerabstand und Decksflächenbedarf mm-destmögliche untere Spiegeibreite

ange-strebt werden.

Der Übergang von Unterkante Spiegel in die Schiffsseiten sollte in Fortführung der Kimm nicht eckig sondern mit einem möglichst großen Radius erfolgen. Dies

kann - zusammen mit Pkt. i - bis zu

Yachtspiegelkonstruktionen führen.

Eine Spiegeltauchung in Ruhelage ist

nur bei heckgetriebenen Schiffen und

aus-schließlich zur Vermeidung von

Luftsau-gen der Propeller beim Stoppen bzw.

Rückwärtsmanövrieren notwendig.

0,85

Abb 13: Modellserie Einkörper-Fahrgastschiffe. VBD-Modell-Nr. 485

L1

40 m CB = 0,50 m

Da die getauchte Spiegeifläche im inter-essanten Geschwindigkeitsbereich (F,, <

0,4) direkt oder indirekt betnicht!iche Widerstandserhöhungen und Mehrbe-darf an Vortriebsleistung verursachen kann. (s. Abschnitt 3) sollte ihre Größe

minimiert sein. Bei Flußfahrgastschiffen hat sich eine Tauchtiefe von wenigen cm

unter der Unie des kleinstmöglichen

Einsatztiefgangs am Heck als

hinrei-chend erwiesen.

Ansonsten können die entwickelten Span tformen - insbesondere auch die Auf-kimmungswinkel - weiterhin als Entwurfs-leitlinie für hydrodynamisch gute Flußfahr-gastschiffe dienen.

Als Antriehsvarianten wurden

Normalpropeller und als Stichpunktvergleiche -Ruderpropeller und

Voith-Schneider-Pro-pellet untersucht und teilweise bewertet

(s. Abschnitt 2). hrS,0 m kw) fli= 1300 -20 20 51km/h) 0200 1)00 1000 900 800 700 -600 500 400

Abb. 12: Binnenfahrgastschiffe

mit 2

X

VSP-Antneb

5. Das Schiff fur extrem flaches und

für allseitig begrenztes Fahrwasser

Herausragendes Beispiel dafür in der

Bundesrepublik Deutschland ist die Fahr-gastschiffahrt auf der Weser. Bei

Wasser-tiefen von 1,0 bis 1,5 m muß der Einsatz

noch möglich sein.

Bei der Planung neuer Fahrzeuge für die Oberweser-Dampfschiffahrts-Gesellschaft Anfang bis Mitte der 70er Jahre wurde erst-mals das Prinzip des Seitenantriebs mit Ru-derpropellern erfolgreich verwirklicht.

Da-mit konnten dessen Vorteile hinsichtlich Fahrtirimm und Leistungsbedarf genutzt

werden. Abb. 14 enthält den

schemati-schen Spantenriß eines solchen Schiffes.

Abb. 15 zeigt ein Schiff dieses Typs (FMS

Antrieb durch seitlich ungeordnete Ruderpropeher

LwL = 50m; Bspt.= 8,80 m ; (540m)

o i i

Abb. 14: FahrgastschifT für extremes Flachwasser ,,Holzminden') - jedoch mit

abweichen-den Vorschiffslinien - in der Fahrplanfahrt auf der Weser.

Interessantes Detail: Es gelang anläßlich der Probefahrt mit einem derartigen reinen

Verdrängungsfahrzeug, das Widerstands-maximum im Bereich der Stauwellenge-schwindigkeit zu überschreiten und

über-kritische Flachwassergeschwindigkeiten zu erreichen.

Generell ist festzustellen, daß für größere Fahrgastschiffe

Lw1>40m,V> 100m1

BWL> 5,0 m

T 1,0 m

- sofern sie unter extremen

Flachwasser-bedingungen eingesetzt werden - die

Aus-führung mit Seitenantrieb anstelle von

1-leckantrieb in Erwägung gezogen werden sollte.

Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin,

daß die Hinterschiffe ohne

Spiegeltau-chung, d. h. zum Beispiel mit auf der

Was-serlinie des Maximaltiefgangs aufliegen-dem und dann relativ breit ausführbarem

1

lit) _{ì) )Eoj0i}

Dreiecksspiegel, gebaut werden können. Gegenüber heckgetriebenen Schiffen ist

der Einsatz lediglich durch die größere Breite eingeschränkt. So können allseitig begrenztes Fahrwasser, unter Umständen

auch Schleusen, die Verwendung seitenge-triebener Schiffe ausschließen. Häufig

er-geben sich bei heckgetriebenen

Fahrzeu-gen statische Trimmprobleme.

Sie können beim Seitenantrieb durch

Anordnung der besonders schwergewichti-gen Einbauteile, wie Motoren und Getrie-be, in Schiffsmitte weitgehend vermieden werden.

Für Fahrgastschiffe mit sehr kleinen

Ab-messungen (L < 25 m, B <5,0 m, < 50 m1) kommt im allgemeinen nur der

Heck-antrieb infrage. Lit. (5) gibt Hinweise zu Rumpfformgebung und Vortriebsdetails. Schiffe dieser Größe sind auf extremem Flachwasser etwa ab einer spezifischen

Propellerdrehleistung von _D'

> 7,0 in

der Lage, überkritisch zu fahren. Wegen

der möglichen Störungen anderer Fahrzeu-ge und ggfs. der Gefahr von

Uferbeschädi-bw/ZfB - Zeitschriftfür Binnenschiffahrt und Wasserstraßen - Nr.1 Februar 1990 31

Abb. 15: Fahrgastschiff ,,Holzminden"

gungen beim Überschreiten des Wider-standsmaximums - Ausbildung der Quer-welle - wird bisher von der Möglichkeit überkritischer Fahrt allerdings kaum

Ge-brauch gemacht.

Die Entwicklung besonders schlanker Rumpfformen mit spezieller Linienfüh-rung im Hinterschiffsbereich könnte die

Schwierigkeiten reduzieren und ein - auch

wirtschaftlich begründetes - Interesse am

Einsatz solcher Kleinschiffe hervorrufen.

Beispiel: Fahrgastschiff Längei.d.WL 18,0 in

Breitei.d.WL

4,4 m

Tiefgang 0,75 m Verdrängungsvolumen 24.0 m3

Fahrt auf Wassertiefen bis zu h = 6,0 m.

Fall I Propellerdrehleistung 2 X loo kW Fall2 Propellerdrehleistung 2 X 150 kW Erreichbare Endgeschwindigkeiten:

Voraussetzung für das sichere Erreichen des überkritischen Bereichs ist die Verwen-dung von Verstelipropellern, damit die

vol-le Antriebsvol-leistung auch bei den relativ

niedrigen Ubergangsgeschwindigkeiten im

Bereich der Widerstandsmaxima schon verfügbar ist. Durch Erhöhung der Lei-stung um 2 x 50 kW wird ein Geschwindig-keitsgewinn - je nach Wassertiefe -

zwi-schen 6,5 und 11,5 km/h erzielt.

6. Zukunftsorientierte Entwicklungen

Bei der erstmaligen systematischen

Mo-delluntersuchung von Katamaranen als

schnelle Fahrgastschiffe auf flachem Was-ser (Lit. [6]) ergaben sich zwei interessante Erkenntnisse:

- das Uberschreiten der kritischen

Ge-schwindigkeit ist mit deutlich

geringe-rer Querwellenbildung und somit

we-sentlich kleineren Störeffekten

verbun-32 LM . 45,9f, 5- 9,5O,,, T. 1.3O, BEK5 BKAT CB KATi = CB EKS Wassertiefe h = 5,0 m

Leistungsbedarf zum Überschreiten der kritischen Geschwindigkeit Endgeschwindigkeit (überkritisch)

mitP=2x60OkW

Vmas HAUPTTPANT-QUERSCHNIII LWL 34,1 m T

1,lm

V lO2mC 6,65 in 11,66 m 0,409

den als beim Einkörperschiff. wenn

Formgebung und Rumpfabstand zweckgerecht ausgelegt sind,

die erreichbaren überkritischen

Endge-schwindigkeiten liegen erheblich über

den von Einkörperschiffen

gleicher Wasserverdrängung.

Entscheidend ist auch beim Katamaran, daß die volle Vortriebsleistung bereits bei

den relativ niedrigen Geschwindigkeiten

im kritischen Flachwasserbereich zur Ver-fügung steht. So ist auch hier die Verwen-dung von Verstellpropellern eine wichtige Voraussetzung.

LAngChrAIt dur,h HITTELKORPUR i I

Abb. 17: Semikatamaran

Beispiel:

Gegenüberstellung: Einkörperschiff (EKS) - Katamaran (KAT)

Die Einzelkörper des Katamarans sind leicht asymmetrisch zu ihrer

Mittellängs-achse ausgeführt:

e/LWL = 0,004 (Abb. 16)

Im Rahmen der bisherigen

Untersu-chungen von Fahrgastkatamaranen auf fla-chem Wasser konnte eine Optimierung

we-der für die Gesamtabmessungen und den

Antrieb noch für die Formgebung der Ein-zelrümpfe vorgenommen werden.

Verbes-serungen - vor allem hinsichtlich

Wellen-bildung im Ubergangsbereich zu

überkriti-schen Geschwindigkeiten - sind möglich

und wahrscheinlich.

EKS und KAT

Einzelrumpf B1 = 3,33 m Abstand der Rurnpfmittelachsen

h = 2,5 B1

bw/ZfB - Zeitschrift für Binnenschiffahrt und Wasserstraßen -Nr. I -Februar 1990

j

F45 WC 7

e

-VL7 FY15

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vs '/ cwL

-

tUoiilJ

-,.p_

-1,20 23,0 1,862 29,5 2,390 2,40 24,5 1,403 30,5 1,746 3,60 19,0 0,888 30,5 1,426 4,80 21,5 0,870 30,5 1,235 6,00 23,0 0,832 30,5 1,104 Fall (1) Fall (2) Fahrwasser- V V tiefe h (in) km/h

Fh

km/h

F5

4

MS VC 7

AUF SIC H t. lUSO

EKS KAT

(kW) 2 x 560 2 X 600

(km/h) 33,5 40,0

M 635 VORSCHhrF M 635 HINTERSCHÍFF

Abb. 18: Links das Hinterschiff, rechts das Vorschiff '.on unten gesehen

Der Verfasser hat in den letzten Jahren den Entwurf eines Fahrgastschifftyps für

den Einsatz auf mäßig bis stark begrenzter

Wassertiefe vorangetrieben und dazu die

Bezeichnung Semikatamaran eingeführt Es handelt sich um ein Schiff für die

un-terkritische Flachwasserfahrt, das durch zwei schlanke Seitenrümpfe und ein

ge-tauchtes Verhindungsstück (Mittelkörper) gekennzeichnet ist. Abb. 17 zeigt eine

Prin-zipskizze.

Die Entwicklung entstand als Antwort

auf mehrere Forderungen potentieller

An-wender. die weder mit konventionellen Einkörperschiffen noch mit echten Kata-maranen im gewünschten Ausmaß erfüllt

werden konnten.

Im einzelnen Ist die Neuentwicklung Se-mikatamaran wie folgt zu bewerten:

A. Gegenüber 1-Rumpf-Schiff mit

glei-chen Hauptabmessungen, also entspre-chend größerer Wasserverdrängung. Vorteile

I. deutlich geringere Wellenbildung

an Vor- und Hinterschiff. insbesondere auf Flachwasser,

2. geringerer Wellenwiderstand,

3. kleinerer Gesamtwiderstand und Leistungsbedarf bei gleicher Wasser-tiefe und Geschwindigkeit, zumal die benetzte Oberfläche nur wenig größer ist.

4. Möglichkeit der Anpassung an

die erforderliche

Wasserverdrän-gung,

die gewünschte Lage des

Auftriebs-schwerpunktes der Länge nach durch geeignete Auslegung des

Mittelkör-pers. und zwar seiner:

- Länge,

- Eintauchtiefe,

Neigung gegen die Horizontale,

- Gesamtanordnung

5. Gleichmäßigerer Propellerzustrom,

insbesondere bei relativ großen Schiffs-breiten; dadurch höhere Wirkungsgra-de, weniger Schwingungsanregung.

6. Wesentlich bessere Kursstetigkeit durch die tiefertauchenden schmalen

Außenrümpfe.

7. Bauart transportfreundlich, wichtig wenn Werft nicht im Einsatzbereich des Schiffes liegt.

Nachteile

1. Kein oder nur wenig nutzbarer

Raum im Bereich des Mittelkörpers

unterhalb der Wasserlinie, 2. geringere Tragfähigkeit.

B) Gegenüber dem echten Katamaran mit

gleichen Hauptabmessungen, also

ge-ringerer Wasserverdrängung: Vorteile

i. geringere Mehreintauchung durch

Zuladung (Fahrgäste, Vorräte), so daß Zusatzwiderstände aus Tauchungsdif-ferenzen klein bleiben,

höhere Tragfähigkeit, wie zu A/4,

wesentlich geringere Fixpunkthöhe möglich (Briickendurchfahrten)

mehr Unterdecksraum,

bei gleichem Gewicht stabilere Ver-bindung zwischen den Außenrümpfen. Nachteile

I. etwas höherer Gesamtwiderstand

möglich, jedoch nicht zwingend, da

In-terferenz der Wellensysteme der

Ein-zelkörper bei echten Katamaranen,

ins-besondere unter wechselnden

Flach-wasserbedingungen, starke Wider-standszunahme verursachen kann.

2. Anströmbedingungen der Propeller ungünstiger, obgleich besser als beim

Einkörperschiff. Fazit

Ein Sernikatamaran ist als Fahrgastschiff für flache Binnengewässer besser geeignet

als jeder andere Schiffstyp, vor allem,

wenn die heute übliche Forderung nach

großer Decksbreite bei vergleichsweise

ge-ringer Gesamtlänge besteht und das

Ein-satzgebiet keine nennenswerten Einflüsse

aus Windwellen (,Seegang") erwarten

läßt.

Ein wichtiger Hinweis:

Zwischen den Vorschiffen der

Außenkör-per wird unausweichlich Luft unter den

Mittelkörper gespült.

Zur sicheren Vermeidung von

Luftein-tritt in die Propeller ist eine Stufe zwischen

Mittelkörperboden und Propelleransaug-bereich vorzusehen. Bodenfotos von fah-renden Modellen haben die Wirksamkeit dieser Maßnahme erwiesen. (Abb. 18).

Die Ausführung eines ersten konkreten Projektes ist für den Einsatz auf der Aare

(Schweiz) vorgesehen. Aus den Probefahr-ten werden ab 1991 Schlußfolgerungen für die Weiterentwicklung des Prinzips

Semi-kat möglich sein.

Zusammenfassung

Der Gesamtentwurf von

Binnen-Fahr-gastschiffen hat in der zweiten Hälfte dieses

Jahrhunderts gravierende Veränderungen

erfahren.

Neben den teils subjektiv begründeten

Entwicklungen bei Einrichtung und Ausrü-stung, speziell beim Komfort für die

Passa-giere. gab und gibt es weiterhin objektive

Fortschritte hinsichtlich Linienentwurf und

Vortrieh. Sie basieren auf theoretischer und modellexperimenteller Forschung in

den Schiffbau-Versuchsanstalten. Derzeit und künftig sind

möglichst geringe Wellenhildung, niedriger Lärm- und Vibrationspegel.

geringer Kraftstoffverbrauch und ent-sprechend niedrige Umweltbelastung

durch Abgas,

- optimale Manövrierfähigkeit. - größtmögliche nutzbare Decksflächen

die wesentlichen Entwurfsziele.

Als besonders zukunftsorientierte

Varian-ten sind Katamarane und - für Gewässer mit geringer Tiefe und kleiner Oberflä-chenbewegung (Wellengang) - der neu

entwickelte Sernikatamaran zu bewerten.

Literatur

[11 Kohlhaas, E.: Moderne Schiffstechnik für die Flußtouristik, 10. Duisburger Kolloquium Schiffstechnik/Meerestechnik Juni 1989

[21 Heuser, H. H.: Systematische Modellunter-suchung von kleinen und mittelgroßen Binnen-fahrgastschiffen. Zeitschrift für Binnenschiff-fahrt und Wasserstraßen", Heft 11/1968 [3] Groethus-Spork. H.: Einfluß der Tauehung eines Spiegelhecks auf die Antriebsleistung. Schiff und Hafen", Heft 4/1987

[41 Helm. K.: Systematische Untersuchungen über den Einfluß der Formgebung auf Wider-stand und Leistungsbedarf von

Fahrgastschif-ten in der Binnensehiffahrt....Schiff und

Ha-fen", Heft 2/1963

[5] Nussbaum, W.: Systematische Untersu-chungen schneller Kleinfahrzeuge auf extrem begrenzten Wassertiefen. ..Zeitschrift für Bin-nenschiffahrt und Wasserstraßen". Heft 2/1982 [6J Heuser. H. H.: Systematische Modellunter-suchungen von Zweirumpf-Binnensehiffen. ,,Zeitschrift für Binnenschiffahrt und Wasser-Straßen", Heft 5/1974