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Sonderdruck aus
Jahrbuch der Seh lirbautechniselien Gesellschaft 73.Band 1979
Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Printed in Germany
Nicht im Handel
Nachdruck ohne Genehmigung der Schiffbautechnischen Gesellschaft, Hamburg, nicht gestattet
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Technische HO;LSChCO
Entwicklungen der B innen schiffsformgebung
unter Berücksichtigu ng der Anforderungen im Flachwasserseegang
Von Schiffstechnik-Ing. W. Nussbaum, Versuchsanstalt fur Binnenschiffbau e.V., Duisburg
I Einleitung
Der Bundesminister für Forschung und Technologie hat in den Jahren 1973 und 1974 unter der Federführung des Forschungszentrums des Deutschen Schiffbaus eine Studie zum Thema ,,Techno-logische Entwicklungslirtien der Transportsysteme zu Wasser" erstellen lassen. Im Rahmen dieser umfangreichen Studie wurden Themen und Gliederungen für wichtige künftige Forschungsvorhaben
erarbeitet. Im vorliegenden Fall wurde daraus als eine der vordringlichen Aufgaben abgeleitet die
Entwicklung der Formgebung und des Antriebs von flachgehenden Schiffen hoher Tragfähigkeit zur Verbesserung ihrer Einsatzmöglichkeiten in Fahrtgebieten mit leichtem und mittlerem Seegang. Ein-geschlossen ist der umfangreiche Problemkreis der Versorgungs- und Transporttechnik ini Zusammen-hang mit der Exploration und der Rohstoffgewinnung in küstennahen Seegebieten.
Schon seit vielen Jahren kommen dafür Schiffe im Ubergangsverkehr Binnengewässer/See zum Einsatz, um den kostensteigernden Umschlag in den Mündungshäfen der Flüsse zu vermeiden. Waren dies bisher Küstenrnotorschiffe mit Seeschiffs-Formgebung und relativ kleiner Tragfähigkeit, so sol]te nun der umgekehrte Weg eingeschlagen werden, nämlich aus den Erkenntnissen der
Flachwasser-Hydrodynamik heraus seetaugliche Schiffe zu entwickeln, die allein oder im Verband mit einem
Leichter fahren.
Unterstützt wurde diese Aufgabenstellung durch zahlreiche Anfragen und Beratungswünsche aus
dem Ausland (besonders aus afrikanischen und südamerikanischen Ländern) bezüglich der Entwicklung
von Transportsystemen,wobei in allerRegel auch Fragen des Verhaltens der Fahrzeuge in Flachwasser-Seegang eingeschlossen waren. Im Inland sind jedoch besonders schwerwiegend die negativen
Auswir-kungen von unterschiedlichen nationalen Gesetzen auf deutsche Binnenreedereien, Industrie. und
andere Handelsunternehmungen, die dazu führen, daß Produkte aus benachbarten Ländern mit Bin-nenschiffen regelmäßig in die Mündungsbereiche der norddeutschen Flüsse transportiert werden, wäh-rend dies deutschen Reedereien mit vergleichbaren Schiffen nicht gestattet ist [1].
2 Hauptabmessungen und Formgebung
Es waren zwei Schiffstypen zu entwerfen,nämlich Motorgüterschiffe und unbemannte Leichter,je-weils in zwei Größen: Der kleinere Leichter sollte in seinen Abmessungen etwa dem lyp EUROPA lia entsprechen, beim Entwurf der größeren Ausführung wurde Rücksicht genommen auf zu erwartende Entwicklungen in der Binnenschiffahrt für die nähere Zukunft. Somit ist die Möglichkeit gegeben, uneingeschränkt auf nicht staugeregeiten Birmnenschiffahrtsstraßen zu fahren, weitgehend aber auch Schleusen im Europamaß zu passieren. Außerdem können die Leichter in einem Verband aus bis zu
vier oder sechs Einheiten .ini Binnenland durch ein normales Stromschubboot befördert werden.
AusMitteilungen der VBD [2]und aus Veröffentlichungen über russische Binnenschiffe [3] wurden Vorschiffsformen ausgewählt, die von vornherein für mäßigen Seegang geeigneter erschienen als die
EUROPA-Leichterform [4] mit ihrer flachen Gillung. (Anzumerken ist hier, daß auch mit diesen
Leichtem schon erfolgreich Fahrten mit Verbänden aus vier Einheiten bei Windsrärken von 7 bis 8
stattgefunden haben [1]; selbstverständlich jedoch sind die nicht für einen derartige.n Einsatzfall kon-zipierten Entwürfe nicht optimal und auch für Glattwasserfahrt unter den heute gegebenen
O I' /2 34 MIS r 80,0 m r 11,1. m r 3,0 m r 252139 m3 r 0,925 r 2,0 m r 164036 m3 r 0,912
Abb. 1. Leichter SEE I mit Keilopantbug
Spt. - Enti, r 4,0 m 0(- Modell 6
li
17'/i 18 l8'// 19 191/i 20 MSrQ4
JasIs Heck M951 I 94 FI'-_.
4 6'"'
-"---;---J/Z _-____ 9/2 . 7 16 17 19 lO '/2 20 ç /15Heck M 951 L3 TJQm ßn:k QLr._H 0 V !, 'iIs
Abb. 2. Leichter SEE I mit Ellipsenbug
Bug M 969 OK- Mo,jU 181/2 19 ill/i 'Q o (Q C Lno r 80,0 m B = 11,4 ni Ti r 3,0 ni
'i
:2668,95 m3 = 0,903 MS 12 r 2,0 m t t,, 3i V2 r 1595,69 ,Ti 62 r 0,882 r, r) B r, i. 'Q T:3,Çj r, 2 BaQis r ---n '7= i6 17 17'(j Spt. - Enti, r 6,0 ni 17 17112 18'!? 1 20346 Binnenschiffsformgebung unter Berticksichtigung der Anforderungen im Flachwasserseegang
Zwei Vorschiffsformen wurden also den hier gewunschten Anforderungen und Abmessungen gemäß entworfen, sie werden weiterhin als ,,Keilspant"- (Abb. 1) und als ,,Ellipsenbug" (Abb. 2 und 3) ge-kennzeichnet. Der schon früher untersuchte reine Ellipsoidbug [2] wurde hier zugunsten einer Bau-erleichterung vereinfacht, es ist jedoch ersichtlich, daß die Neubau- und Reparaturkosten höher sein werden als bei dem aus der EUROPA-Form abgeleiteten Keilspantbug. Die Tabelle i gibt einen Größen-vergleich der konventionellen mit den hier projektierten Leichterformen. (Die Kennzeichnung SEE I
und SEE II bezieht sich nicht auf die Form, sondern nur auf die Größe des jeweiligen Transport-systems.)
Tabelle 1. Größenvergleich der Leichter
EUROPAII SEE! Länge [ml 76,50 80,00 80,00 Breite [m) 11,40 11,40 11,40 Tiefgang [mi 3,00 3,00 3.00 Verdrängung 1m31 2,335 2460 2520 Blockkoeffizient 0,892 0,903 0,925 EUROPA Il SEE H Ellipsenbug Länge [ml 76,50 100,00 Breite [ml 11,40 15,00 Tiefgang [ml 3,50 3,50 Verdrängung [m31 2750 4750 Blockkoeffizient 0,901 0,905
Die entsprechenden Motorschiffe erhalten mit den Leichtem identische Bugformen. Die
Hinter-schiffe sind für Zwei- und Drei-Schraubenbetrieb ausgelegt, durch die Eintunnelungen ergeben sich Propellerdurchrnesser, die bei SEE I als sinnvollem Grenzwert die Installation von etwa 1500 kW erlauben (Abb. 4 und 5), bei dem durch drei Propeller angetriebenen Entwurf SEE II (Abb. 6 und 7) sind maximal 2300 kW möglich. Um die bei einem Drei-Schrauber besonders hohe Nachstromziffer am Ort des Mitteipropeilers auszunutzen, wurde dieser mit einer Düse versehen. Das Heck ist zu der von den Typschiffen des Zentralvereins her bekannten Kanuform eingezogen, um bei diesem relativ breiten Schiff Ablösungs- und Wirbelverluste,wie sie bei einem Spiegetheck mit Sicherheit in beträcht-licher Größenordnung auftreten würden, weitgehend zu reduzieren.
Die Tabelle 2 gibt wieder einen Vergleich der Hauptabmessungen beider Entwürfe zu denen eines vorhandenen großen Binnen-Motorgüterschiffes, das für Neubauten der letzten Jahre als repräsentativ angesehen werden kann.
Abb. 3. Ellipsenbug
Knk
-
Sth0r Heck M 968 NSMotorgüterschiff, 2
-SchrQuber, Ellipsenbug
Spt.Entf.51 O-20 r 1,0 mLütige SPI. 20-i'
r 66,0 ni Lür r 110,0 m B r 11,6 m T1 = 3,0 m 3304,77 m3 S1 = 0,879 T1 2,0 m = 2112,31 m3 s2 = 0,869
Abb. 4. Motorschjff SEE I
0K - hadc(( Bug M 949 Spt. - Entf. s0. l -= 4,0 ro 19 '/2 Tr NS
'=1
97'S i. -Ç-. UK-Sch0rz -r 10 12 16 1$ 17 7/2 16 18'/2 19 17 17/2 19 191/2 20 4 Io 12348 Binncnschiffsformgehung unter Beriicksichtigung der Anforderungen im Flachwasserseegang
Abb. 5. Hinterschiff SEE I
Tabelle 2. Grö0envergleich der Motorschiffe
3 Ergebnisse der Modellversuche in Glattwasser
Nach diesen Entwürfen wurden Modelle lin Maßstab 1:18 angefertigt. Hauptsächlich wurden zu-nächst Widerstands- und Propulsionsmessungeri ausgeführt unter Variation der Wassertiefe mit
korre-spondierenden Werten zwischen 3,5 in und 18 m und des Tiefgangs mit entsprechend 2 m, 2,5 m und
3 inbei SEE lund 2,5 mund 3,5 m bei SEE 11.
Einige Vorversuche, ausgeführt ini kleinen Schiepptank der VBD, ließen erkennen, daß das Verhal-ten in mäßigem Seegang gut sein würde. In gleicher Weise wurden die Erwartungen hinsichtlich der Kursstetigkeit beim Schleppen eines Leichters an einer 100 m langen Trosse erflullt.
Die Widerstandsmessungen zeigen einen um 12 % geringeren Schleppleistungsbedarf des Einzel-leichters mit Ellipsenbug gegenüber der Keilspantausführung. Allerdings geht dieser Unterschied zu-rück, wenn zwei Leichter nebeneinander befördert werden sollen; durch das zwischen den
Leichter-vorschiffen zwangsläufig entstehende Keilstück geht hier der Vorteil der besseren Linienführung
verloren. Wird jedoch ein Zwihingsverband durch ein Schubboot angetrieben, ist zweckmäßigerweise (zumindest für die Bergfahrt) die ein spurig-zweigliedrige Formation zu wählen.
Auch bei den Propulsionsmessungen mit dein Motorschiff SEE I ergab sich eine Einsparung an
Antriebsleistung durch den Ellipsenbug um 1 2 %. Darüber hinaus konnte eine weitere Verminderung
des Leistungshedarfs erreicht werden, nachdem Ablösungserscheinungen an der hinteren Schulter durch Korrektur der Linienführung beseitigt wurden.
Der Vergleich mit dem bereits erwähnten herkömmlichen Groß-Motorgüterschiff (Abb. 12) spricht wohl für sich selbst, die Tendenz für größere Wassertiefen geht sogar zu einer noch stärkeren Verbesse-rung. Die Unterschiede werden allerdings kleiner, wenn die hier gegebenen Absolutwerte durch Ein-führung eines Transporigütegrades, ausgedrückt in t . km/kW . h, objektiviert werden. Unter Einbe-ziehung der Versuchsergebnisse des größeren Systems zeigen sich immer noch Leistungssteigerungen von 6 % film den Entwurf SEE I und von 13 % fUr SEE II, bezogen auf das konventionelle Schiff. Einschränkend muß jedoch gesagt werden, daß diese \Verte über die Verdrängung und nicht über die Ladungsmenge errechnet wurden, da GewiTchtsrechnungen fili die Neuentwürfe noch nicht vorliegen. So wird sich das Bild wegen der durch Führt auf Seewasserstraßen bedingten Unterschiede zugunsten des herkömmlichen Schiffes verschieben, aber auch bei vorsichtigerAbschätzung wird die Bilanz selbst für die kleineren Einheiten SEE I positiv bleiben.
Groß-MGS SEE I Länge 1ml 107.80 110,00 Breite (mj 11,33 11,40 Tiefgang [Tn] 3,00 3,00 Verdrängung [m3] 3933 5910 Blockkoeffizient 0,920 0,868
SpL - En7f. SpI. O - 2 r 13.36 m
Motorgüterschff, 3
-Schrauber, Ellipsenbug
Abb. 6. Motorschiff SEE!!
g M 969 Spt. - Entf. SpI. IO - 20 r 5,0 In
/
Iz 35s Tz?ffL 3T Heck M965;
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Lange SpI. 2 - u. 7165 rn Lür r 130,0 m B 15,0 In s 3,5 rs 'o'1 z 5907,05 In3 z 0,868 T? z 2,5 111 4086,97 m3 6? r 0,867 te '/2 8 3f '78 11 17'fp 18 181/2 79 791/i 20 19/2 17 19 78 18/a 20 915 OK- Modell350 Binnenschiffsformgehung unter Berücksichtigung der Anforderungen im Flachwasscrseegang
Widerstandsversuche
PE SEE I Keils0antbug
IkWI T 3,0 m h 5.0 m
900.. Leichter- For mcticrien
800 70G.. 5e'. 600 300.. 200 100_. O 11 12 13 14 15 16 17 V 1km/nl
Abb. 9. Leichter: Vergleich der Formationen Abb. 7. Hnterschjff SEE I
700.. 600 Sot.. 400.. 300 200 100.. O 10 PD kW] 1200 1100.. -..Keilspontbug Etlipsenbug
A
11 12 13 14 15 16 V km/hiAbb. 8. Leichter: Vergleich der Bugformen
PropuLsonsver suche SEE I
T r3fl
hrS.0 m Motorgüterschiff 17 1000 900_ Kel/spant bug ERipsenbug 700.. 600 500.... 400 300.. 10 11 12 13 14 15 16 V [km/h] 17 18Abb. 10. Motorschiff: Vergleich der B ugforrnen
h = 50m WiderstQndsversuche SEE I T r 3.0 m Leichter - Formofionen PE [k W) 900 800
Po
,w1 1200..
Binncnschiffsformgebúng unter Berücksichtigung der Anforderungen im Flachwasserseegang 351
Propu1sinnsvrsuche SEE I T 20m h5.0m E 10 psenbug Formation, Motorgütersthiff Ledfer
/
Augcrngj/P
geändects 1finterscrif 13 14 15 V km/hlAbb. 11. Motorschiff: Einfluß der Hinterschiffsform
900.. 800 700.. 600 500.. 400
/
300//
200 4 ZusammenfassungEs wurden zwei Transportsysteme entwickelt, die trotz der Anpassung von Seitenhöhe, Bugform und Anordnung der Antdebsorgane für die Fahrt in kleinem bis mittlerem Seegang mit den bis jetzt eingeffihrten reinen Binnenschiffen konkurrieren können. Der Verkehr auf Binnenwasserstraßen ist integriert in bestehende Systeme möglich, die Fahrt über See kann, je nach den Erfordernissen, im Schub- oder Schleppverband durchgeführt werden.
Für die hier als optimal erkannte Vorschiffsform, den Ellipserbug, müssen allerdings folgende Ein-schränkungen gemacht werden:
- Die Baukosten werden wegen der immer noch relativ komplizierten Form unverhältnismäßig hoch sein.
Die konstruktive Ausbildung der benötigten Schubplattforrn bereitet Schwierigkeiten, da durch derartige Bauteile das ansonsten ausgezeichnete Seeverhalten nicht beeinträchtigt werden darf. Bei der weiteren Durchfiihrung des Forschungsvorhabens wurde und wird also die Aufgabe darin gesehen, eine Vorschiffsform zu finden, die die konstruktiven und hydrodynamischen Vorteile der bisher untersuchten Varianten miteinander verbindet.
Schrifttum
I H e b eier, H.: Binnenschiffahrt in Mündungs- und Küstengehieten Europas. (Internationale Entwicklungen und ihre Auswirkungen auf den norddeutschen Küsten.raum.) Hansa 113 (1976) Nr. 5.
2 S ehm i dt - St i e b i t z, H.: Untersuchung von Ellipsoidformen zwecks Widerstandsverniinderung von Flach-wasserschiffen. Forschungsbericht Nr. 1590 des Landes Nordrhein-Westfalen.
3 Hartung, F.:
Die technische Entwicklung der Binnenschiffahrt in Rußland. Veröffentlichung desBundes-veTkehrsministeriums, 1960.
4 Standardisierung und Normierung von Schuhleichtern. Stellungnahme Nr. 17 der nautisch-technischen Kommis-sion der Arbeitsgemeinschaft der Rheinschiffahrt e. V., 1970.
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I 1 12 13 T 3,0m/
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. T 2,0 m Ellipsenhug, SEEI- Groß- Moterschiff
17 16 19 14 15 16 V [km/h]Abb. 12. Vergleich mit einem herkömmlichen Groß-Motorschiff 16 17 10 11 12
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1300.. P 1200_ 1kW] 1l00 1000 Er.pulsonsversuche h 5.0m 1100 1000 900, 800 700 600 500. 400 300. 700352 Binncnschiffsformeebung unter Berücksichtigung der A nfordcrungen im Flachwasserseegang
Development of Form of Inland Waterway Vessels, Taking into Account the Requirements
in a Shallow Water Seaway
Summary
In the years 1973 and 1974 a study on "Lines of Technological Development of Waterway Transport Systems" was prepared for the Federal Minister of Research and Technology under the direction of the "Forschungszentrum des Deutschen Schiffbaus". Within the scope of this extensive study a number of themes and subject groups for important future research projects were compiled. The present subject of development of form and powering of shallow going vessels of higher deadweight to improve their field of operation in areas with light to moderate seaway was extracted therefrom as one of the urgent tasks. This includes the wide range of problems of supply and trans-port in connection with exploration and acquisition of raw materials in off-shore sea areas.
Two transport systems were designed, which in spite of adjustment of height of deck, bow from and arrangement of propelling plants for operation in light to moderate sea can compete with the purely inland ships hitherto in operation. An integration into existing systems of traffic on inland waterways is feasible and operation in sea areas
