LABORATORIUM VOOR SCHEEPSHYDROMECHANICA ZEEGANGSGEDPAG VAN GEAVANCEERDE SCHEPEN. J.A.Keuning Rapport no.617 rnei 1984
Lez-i1ng voor de "Zeegangsdag" op 1 maart 1984.
Georganiseerd door de sectie voor scheepstechniel<
van het Xoninklij7< Instituut van Ingenieurs.
Deift University of Technology
Ship Hydromechanics Laboratory Mekelweg 2
2628 CD DELFT
The Netherlands Phone 015 -786882
Zeegangsgedrag geavanceerde schepen.
1. Inleiding.
Om over het zeegangsgedrag van geavanceerde schepen te kunnen spreken moet eerst duidelijk gemaakt worden wat onder geavanceerde vaartuigen wordt verstaan.
De inhoud van dit begrip is in de loop van de jaren ver-anderd.
Vroeger werd onder een geavanceerd schip uitsluitend ver-staan een schip dat op een of andere manier in staat was een zeer hoge sneiheid te halen. Hoe hoger de snelheid hoe "geavanceerder" bet schip.
Dit leidde tot specifieke concepten zoals b.v. in successie bet planerende schip, de draagvleugel boot met surface
pier-cing foils en het lucht-kussen vaartuig.
Het accent lag hierbij vooral op het verminderen van de golf-weerstand door de romp van bet schip gedeeltelijk of geheel boven bet water te tillen. De hiervoor gevonden methoden leid-den tot concepten welke wél hoge snelbeleid-den konden bebalen, maar die in golven (zeegang) niet werkbaar bleken te zijn: heftige bewegingen en grote versnellingen leidden er toe dat de hoge ontwerp snelheid niet vol te bouden was in golven van enige grootte.
Door de stijgende belangstelling voor sne]le kleine schepen juist op zee ontstond de behoefte aan een ander type ge-avanceerd vaartuig: een hoge ontwerp snelbeid moest ook in
zeegang volgehouden kunnen worden, waarbij de bewegingen
geminimaliseerd zijn, zodat alle "operaties" uitvoerbaar blij-yen. Dit resulteerde in andere concepten zoals de draagvleu-gelboot met fully submerged draagvleugels en meer recentelijk het Small Waterplane Area Twin Hull Ship (SWATH)
Hierbij is niet alleen getracht de golfmakende weerstand te verminderen maar tevens de invloed van de verstoringen van het water oppervlak (de zeegolven) op het schip te
minima-liseren.
I
In bet hierna volgende zal een korte beschrijving wordenwaarbij in algemene zin ingegaan zal warden op de gedragingen in zeegang, voor zover bekend, en zal een vergelijk tussen de verschillende typen gemaakt warden.
Tenslotte zal voor een aantal geavanceerde scheepstypen inge-gaan warden ap anderzaek op het gebied van gedrag in zeegang dat in Nederland gedaan wardt en de magelijkheden am aan het zeegangsgedrag het een en ander te verbeteren.
2. Type Indeling.
Geavanceerde vaartuigen warden in typen onderverdeeld ap basis van de methade waarap het gewicht van het schip ge-dragen wardt: de lift apwekking. In principe zijn hier die verschillende methoden voor aan te geven, namelijk hydrosta-tisch (deplacement) , hydradynamisch (draagvleugels)en aera-statisch (luchtkussen) . Deze indeling dekt niet alle vaar-tuigen welke de laatste tijd in antwikkeling zijn genamen, daar hierbij aak een graat aantal zagenaamde hybriede con-cepten zit, welke hun lift antlenen aan een carnbinatie van methoden.
In bijna alle gevallen betreft het schepen met een deplace-ment ander de 600 ton, uitgezanderd de SWATH schepen.
In het hierna valgende wardt een karte beschrijving gegeven van de verschillende typen.
1. Deplacement schip.
Haewel ap het eerste gezicht weinig geavanceerd wordt dit type toch genoemd aangezien er een antwikkeling is naar een qua afmetingen, rampvarm en vaartstuwing geaptimaliseerdschip, vaar wat betreft de weerstand en het gedrag in golven, zadanig dat dit in zekere zin geavanceerd genaemd zau kunnen warden. De lift van dit type is vrijwel geheel hydrastatisch. Prak-tische grenzen aan het gewicht zijn er eigenlijk niet.
De sneiheid bedraagt maximaal Fn = 0.35 a 0.40 en wardt begrensd doar de galfweerstandstaename baven die sneiheden.
De bauw en het gebruik vereisen een betrekkelijk eenvaudige technalagie. De gemiddelde weerstand bedraagt ongeveer
I
Semi Planerend.
3
Hiertoe wordt gerekend de catetjorie snelle deplacement schepen. Het gewicht wordt hier gedragen deels door
hydrostatische krachten deels door hydrodynamische lift. Deze laatste ontstaat door de druk van het water ten ge-volge van de relatief hoge voorwaartse snelheid op het speciaal gevormde onderwaterschip vooral in het achterste 2/3 deel, zie fig. 1 Dit gedeelte wordt meestal viak uit-gevoerd met een uitgesproken kim maar wèl rond. In de prak-tijk worden veel semi-planerende schepen ook als knikspant uitgevoerd vanwege de mogelijke besparing op de bouwkosten. Uit weerstands overwegingen is dat)in het lage sneiheids-gebied)vaak niet gunstig.
Sneiheden worden flu uitgedrukt met behuip van het
volume-trisch Froude getal, Fn daar de waterlijnlengte
tengevolge van trim en inzinkig van het schip niet meer vastligt. Het snelheidsgebied van deze schepen ligt tussen Fn = 1.0 en Fn = 2.5
Het gewicht heeft een overheersende invloed op de weerstand. Lichte constructies in hoogwaardiger materialen en voort-stuwingsinstallaties met een verminderd specifiek gewicht per kw vermogen hebben deze typen schepen mogelijk gemaakt. Het gewicht is in de praktijk beperkt tot 500-600 ton, hoe-wel fregatten ook tot deze categorie gerekend zouden moeten worden met een deplacement van 3000-4000 ton.
De weerstand is sterk afhankelijk van het gewicht en de ge-kozen sneiheid maar bedraagt bijvoorbeeld voor een 1000 tons schip bij 30 knoop (Fn7= 1.6) circa 6% tot 8% van het gewicht.
Planerende schepen.
Dit is het snelheidsgebied waarin het scheepsgewicht groten-deels of geheel gedragen wordt door de hydrodynamische lift uitgeoefend op het bodemvlak van de romp. Fig.2
Deze romp wordt speciaal ontworpen orn de liftproductie te optimaliseren, dat wil zeggen scherpe kimmen en spiegel) vlakke vertikalen achter en eeri goede planvorm van het ge-projecteerde knikvlak. Vorm en uitvoering van het bodemvlak zijn onderwerp van veel studie en de belangrijke parameters
S
zoals b.v. L/B verhouding, deadrise en oppervlakte verdeling over de lengte van het schip komen dan ook in een grote ver-scheidenheid voor.
Voor wat de haalbare snelheid
betreft is dit een tamelijk geavan-ceerd type met algemeen toegankelijke tec'nnologische
hulp-middelen uitvoerbaar.
De weerstand wordt in hoge mate bepaald door het totaal ge-wicht en de ligging van het zwaartepunt in lengte. Voor het
behalen van de snelneid zijn een lichte constructie en voort-stuwingsinstallatie essentieel. De weerstand ligt in de range van 10% tot 15% van het gewicht.
Praktische beperking van het gewicht ligt momenteel rond de 200
ton.
4. SWATH-schip.
Een betrekkelijk nieuw concept op het gebied van geavanceerde schepen is het Small Water plane Area Twin Hull schip. Dit is een deplacement schip waarvan het gewicht gedragen. wordt door twee diep ondergedompelde cilinders welke door middel
van 2 dunne struts, die door het wateroppervlak steken, een hoog boven het water gelegen brugdekconstructie dragen. Het
con-cept wordt daarom ook wel aangeduid als Semi Submerged
Cata-maran, zie Fig.3 . Dit concept is in hoofdzaak
ontworpen met het oogmerk het gedrag in zeegang te verbeteren, door het volume der waterverplaatsing ver onder de wateropperviak-te wateropperviak-te houden en het wawateropperviak-ter doorsnijdend opperviak zo klein mogelijk te nemen als dat o.a. uit stabiliteit overwegingen toelaatbaar is, om de door de zeegolven opgewekte krachten op de rompen te minimaliseren. Tevens liggen de eigen perio-den zeerlaageni,er buiten de periode range van het golfspec-trum. De weerstand van een Swath schip is door het grote
nat opperviak van de beide rompen zeker niet lager dan van een con-ventionele vergelijkbare monohull. Door het kleine waterlijn oppervlak is het schip zeer gevoelig voor deplacements
variaties en kritisch ten aanzien van zowel dwarsscheepse als langsscheepse stabiliteit. Het schip heeft een tamelijk grote diepgang en breedte, wat de bereikbaarheid van havens niet vergroot.
I
5
Swath schepen worden en zijn gebouwd in de range van 200 ton tot 4000 ton met sneiheden van 15 tot 35 knoop.
Voortstuwing geschiedt door middel van twee schroeven achter de rompen. De weerstand bedraagt voor hoge ontwerpsnelheden circa 10% van het gewicht.
Voor de langsscheese stabiliteit onder snelheid is het schip afhankelijk van vinnen welke actief geregeld dienen te worden om hydrodynamische instabiliteit te compenseren.
Het concept is technologisch tamelijk gecomDliceerd en ver-eist nog veel research.
5. ACV en SES.
Het Air Cushion Vehicle en het Surface Effect Ship ver-krijgen de lift om hun gewicht te dragen van een tussen de romp en het wateroppervlakte opgewekt
luchtkussen met overdruk. Bij de ACV wordt dit luchtkussen vast gehouden
tussen rubberen skirts al dan niet op gedeeld in verschillen-de compartimenten)welke het geheel omgeven, bij verschillen-de SES zijn de skirts aan de zijkant vervangen door twee dunne rompen welke door het wateroppervlak steken en zijn slechts de
boeg- en hek-seal skirts van rubber. Deze water doorsnijdende rompen zijn bedoeld om het drukverlies ten gevolge van ont-snappende lucht te verminderen. De ACV is, uitgevoerd met luchtschroeven, geheel amphibisch;de SES, meestal uitgerust met waterschroeven, is dat niet. Zie figuur4en5.
De haalbare snelheden van de luchtkussen vaartuigen zijn de hoogste van alle geavanceerde schepen, namelijk circa
70 - 90 knoop. De weerstand bedraagt circa 10 - 15% van het gewicht van het vaartuig. Bij grote lucht verliezen langs de skirts is veel extra vermogen noodzakelijk voor de fans. Het manoeuvreren met een ACV op volle snelheid is moeilijk gezien de geringe laterale weerstand en de resulterende grote sideslip. Een bijkomend probleem van luchtkussen vaartuigen is de overlast ten gevolge van lawaai van fans en/of lucht-schroeven. De slijtage van de rubber skirts is groot en is verantwoordelijk voor een groot percentage van de
6. Draagvleugelschepen.
Bij draagvleugelschepen wordt het gewicht van het schip boven een gegeven sneiheid, de take-off sneiheid, gedra-gen door een aantal onderwater werkende vleugels, de hydro-foils. Het volume van de romp wordt boven water getild
waar-door de golfweerstand effectief geëlimineerd wordt. De ont-wikkeling van dit type vaartuig startte zo'n 40 jaar geleden
in welke tijd voornamelijk naar hoge snelheid gezocht werd. De eerstc typen waren dan ook uitgerust met twee door het wateropperviak heen stekende V-vormige hydrofoils de zgn. surface piercing hydrofoils. Bij het toenemen van de
snel-heid is minder opperviak nodig om de gevraagde lift te leveren, waardoor het schip zich hoger verheft. Dit systeem verschafte
tevens een stabilisatie tegen verstoringen door
een gelijk optredende verandering van ondergedompeld vleugeloppervlak;
zgn. oppervlakte stabilisatie. Bij latere typen welke betere zeegangseigenschappen moesten hebben, ging men gebruik maken van diep ondergedompelde horizontale vinnen welke veel minder gevoelig zijn voor verstoringen ten gevolge van de orbitaal sneiheden in de golven en geen oopervlakte variatie kennen. Zo ontstond het Supramar concept met een ful1 submerged hydro-foil achter en een surface piercing hydrofoil vddr, zie fig.6 Dit type is nog stee inherent stabiel voor verstoringen
in
dompen, stampen en slingeren ten gevolge van oppervlakte
variatie op de voorvleugel en gekoppelcie invalshoek variaties op zowel de voor- als de achtervleugel.
Weer later ontstond het concept met uitsluitend fully sub-merged draagvleugels, zowel voor als achter. Dit systeem,met
superieur zeegangsgedragvereist een uitgebreid regelsysteem voor de stabiliteit zowel lang9-als dwarsscheeps. Een bekend voorbeeld is de commercieel goed aangeslagen Boeing Jet Foil, Fig.7 . Gewicht is voor draagvleugel boten van buitengewoon groot belang. Lichte constructies en b.v. voortstuwingsin-stallaties zijn essentieel.
De weerstand van vooral de surface piercing foil
concepten is bij lage snelheden aanzienlijk door het uitgebreide foil systeem, en bedraagt voor de ontwerpsnelheid meestal 10 tot 15% van het deplacement. Snelheden tot circa 50 knoop
zijn haalbaar, waarboven cavitatie van de draagvleugels optreedt. Er zijn ook concepten met volledig caviterende en
geventi-3
7
leerde draagvleugels welke ontwerpsnelheden hebben van circa 80 knoop maar de lift weerstand verhouding van de draagvleugels is dan gedaald tot circa 8 in plaats van b.v. 15 - 10 bij 40 knoop.
Surface piercing draagvleugel boten zijn matig gecompliceerd, hoewel ook hier de regelsystemen hun intrede gedaan hebben. De fully submerged draagvleugel boten zijn technisch gecom-pliceerd. Draagvleugel boten zijn uitstekend manoeuvreer-baar. Zij vereisen een grote waterdiepte tenzij de foils
op-trekbaar zijn.
7. Zeegangsgedrag.
Het gedrag van schepen in zeegang is een van de belangrijkste onderzoeksgebieden. Theoretische en/of empirische methoden voor het berekenen van de bewegingen in golven van geavan-ceerde schepen zijn momenteel sterk in ontwikkeling, maar het fysisch inzicht in alle verschijnselen, die daarbij een rol spelen en daarmee de betrouwbaarheid van de bewegincspre-dicties)verschillen aanzienlijk afhankelijk van het beschouwde
type.
Belangrijke aspecten bij het beoordelen van het gedrag in golven zijn de mogelijkheden van personen en apparatuur aan boord om nog naar behoren te functioneren, het voorkomen van structurele schade aan het schip, de veiligheid van schip en opvarenden en de mogelijkheid orn de ontwerp snelheid vol te houden in golven van toenemende hoogte.
Over het vermogen van mensen om naar behoren te kunnen blijven functioneren wordt tegenwoordig veel gepubliceerd, b.v.
Ref.
[i1
, maar harde criteria zijn er nog niet of nauwelijks.Het voorkomen van structurele schade is voornamelijk afhanke-lijk van by. het tijdig ingrijpen van de bemanning.
De vol te houden sneiheid in golven wordt bepaald door twee factoren: ten eerste, de toegevoegde weerstand t.g.v. de relatieve beweging van het schip en de golven)welke hoofd-zakelijk door het ontwerp bepaald wordt en de wind weerstand welke voor snelle schepen aanzienlijk kan zijn en ten 2e de vrijwillige sneiheids reductie die door de bemanning bepaald wordt met het oog op de werkbaarheid aan boord en de
veilig-heid. Dit wordt hoofdzakelijk bepaald door: de mate van eweging, versnellingsniveau's, waterovername, paaltjes pikken en
manoeuvreerbaarheid. Daar veel van deze verschijnselen een sterke afhankelijkheid van de sneiheid kennen,zijn geavan-ceerde schepen hier voor bijzonder gevoelig.
Het gedrag in golven van de verschillende genoemde geavanceerde vaartuigen wordt in belangrijke mate bepaald door de gekozen methode van liftopwekking.
Deplacement schepen, semi-planerend en planerende schepen zijn in hoge mate gevoelig voor verstoringen van het vrije vloeistof oppervlak,,waarbij vooral de vertikale versnellingen en slamklappen aanzienlijk in hevigheid toenemen bij het hoger worden van de sneiheid. Dit kan reeds bij lage golfhoogten aan-leiding geven tot het niet meer inzetbaar zijn van het vaartuig op ontwerpsnelheid. Bij zeer hoge sneiheden, b.v.
Fn,
2.5 nemen de bewegingen weer af maar de vertikale versnellingen kunnen extreem hoge waarden bereikenvan 8 tot 10 g.Semi-planerende en planerende schepen hebben derhalve een
matige tot slechte toepasbaarheid in zeegang. Aanzienlijke ver-beteringen zijn echter wel mogelijk waarover later meer.
Het conventionele deplacement schip is voor lage snelheden moeilijk te evenaren. Door consequente toepassing van de
grote hoeveelheid kennis op het gebied van zeegangsgedrag van dit type schip zou nog veel aan dit concept geoptimaliseerd kunnen worden. Het zeegangsgedrag van deplacement schepen wordt gunstig belnvloed door het toenemen van de lengte. Derhalve wordt een verbetering van het zeegangsgedrag recentelijk ook wel bereikt door het zgn. Enlarged Ship concept, welk daar-door in zekere mate geavanceerd te noemen is.
Hierbij gaat men ervan uit dat de kosten van het schip slechts in geringe mate bepaald worden door de romp en dat herhalve goedkoop verbetering verkregen kan worden door alléén de romp te vergroten bij gelijkblijvende functies. Een schip met een gedeeltelijk lege romp en derhalve met een lagere payload-deplacement verhouding maar een aanzienlijk beter gedrag in golven en een mogelijk lagere weerstand door zijn grotere
lengte.
Ook luchtkussen vaartuigen zijn in hoge mate afhankelijk van het wateropperviak en derhalve gevoelig voor verstoring daar-van. De gevoeligheid vermindert sterk met het toenemen van de
0
9
Ten gevolge van de relatieve beweging van de romp ten opzichte van het water heeft vooral de ACV veel last van drukverlies in het luchtkussen. Men tracht dit probleem te ondervangen door compartimentering van het luchtkussen.
Door de druk in de verschillende compartimenten afzonderlijk te regelen wordt de mogelijkheid van een bewegingscontrole ge-introduceerd, waardoor het gedrag in zeegang verbeterd kan worden. Bij SES schepen waar het drukverlies geringer is door
de vaste zijwanden en de regelbare diepgang hiervan
wordt van deze methode tot op heden geen gebruik gemaakt.
Het SWATH concept is slechts in geringe mate afhankelijk van het wateropperviak en heeft een uitstekend zeegangsgedrag, gekenmerkt door geringe bewegingen
en lage versnellingsniveau's ook bij de ontwerp sneiheid in hoge golven. Bij achter inkomende golven kan door de lage ontmoetingsfrequentie en lange eigen perioden van het schip resonantie optreden met, vanwege de geringe dem-ping van de Swath voor vertikale bewegingen,grote amplituden. Een serie actief geregelde vinnen reduceren de bewegingen
in die situaties en zorgen tevens voor de benodigde
stabiliteit. De toegevoegde weerstand in golven van de Swath is gering verge-ken met andere typen en dit tesamen met het gunstige gedrag
in golven maakt dat de Swath een uitermate stabiel
en snel platform biedt in
zeegang. De draagvleugei boten met e'e'n of meer surface piercing foils zijn door de invloed van het
wis-selende opperviak en de invaishoek variaties t.g.v. de
orbi-taal sneiheden in de golven zeer gevoelig voor zeegang. Bij voor inkomende golven leidt dit bij het Supramar concept tot heftige en onaangename bewegingen met mogelijke slams tegen de romp afhankelijk van de vlieghoogte. Bij achter inkomende golven bestaat het gevaar voor een crash van het vaartuig,
zoals blijkt uit proefnemingen en berekeningen, Ref [8], tenzij bet schip voldoende gestabiliseerd wordt door een actieve regeling.
Recente ontwikkelingen op het gebied van de Supramar shepen geeft aan dat het zeegangsgedrag van dit type draagvleugel-boot door actieve regeling nog vergroot kan worden. De
schepen met volledig ondergedompelde vleugels zijn
in dit opzicht superieur. Zij zijn niet inherent stabiel zoals het Supramar type, maar zijn voor hun stabiliteit afhankeiijk van actief geregelde vinnen of flappen. Dit type is in staat voile sneiheid te behouden in een zeegang van 4-5 meter hoge
)
In dit opzicht worden deze fully submerged draagvleugel boten door geen enkel ander geavanceerd vaartuig geëvenaard. Ontwerp studies aan grotere draagvleugel boten dan de huidige (Boeing
Jet Foil) tonen aan dat bij draagvleugel boten van ± 2000 ton een foil borne Atlantische Oversteek op ontwerp snelheid
mogelijk zou zijn. Door de noodzaak van actief geregelde yin-nen ontstond ook de mogelijkheid om bij kleine golven het vaartuig zo goed als stil te houden in het vertikale viak, het zgn. platforming.
Bij toenemende golfhoogte, als deze de romp dreigen te raken, wordt dan overgeschakeld op het volgen van het golfprofiel,
het zgn. contouring. Zie figuur8
Voor alle draagvleugel boten met regeling geldt dat als niet meer in de "foil borne" toestand gevaren kan worden zij toch altijd nog aanzienlijk hogere snelheden kunnen voihouden in zeegang door de grote demping van de foils.
Om een indruk te geven van het vermogen om snelheid te be-houden in zeegang rekende Eames
[II1
deze uit voor schepen van verschillend concept en met drie verschillende deplacementen, te weten 200 ton, 1000 ton en 5000 ton deadweight, zie Figuur 9,10 en 11Duidelijk blijkt hieruit de superioriteit van het luchtkussen vaartuig voor wat betreft de sneiheid op vlak water, maar ook het grote snelheidsverlies ten gevolge van het varen in golven. De vol te houden sneiheid. is sterk afhankelijk van de grootte. Duidelijk is ook dat het draagvleugel schip met fully submerged vleugels de hoogste snelheid kan varen in hoge zeëen en bij het toenemen van de grootte nauwelijks nog enige sneiheid verliest tot seastate 7. Het planerende schip verliest reeds veel snel-held bij geringe golfhoogte. Het Swath concept kan beter
snel-heid behouden dan het deplacement schip.
Wat uit deze figuren niet duidelijk blijkt,is het verschil in bewegingen bij deze volgehouden snelheid in golven. In dit opzicht zijn de Swath en de draagvleugel boot superieur aan alle andere . Daar het bewegings-en versnellings-niveau vaak
maatgevend is voor het comfort van b.v. passagiers of de moge-lijkheid om een specifieke taak nog uit te voeren is het zee-gangsgedrag van deze beide corcepten relatief gezien veel beter dan alleen uit deze figuren blijkt. Om dit te illustreren is getracht om voor schepen van vergelijkbare grootte de
over 11 over
-drachtsfunctie voor dompen te geven in figuur 12 en 13
8. Onderzoek aan het zeegangsgedrag.
In Nederland wordt de laatste jaren intensief onderzoek
ge-daan op het gebied van het verbeteren van het zeegangsgedrag van geavanceerde schepen. Het zwaartepunt hierbij ligt op het gebied van de (semi) planerende en SWATH schepen.
SWATH.
In vergelijk met het buitenland is het onderzoek op het ge-bied van Swath schepen hier laat op gang gekomen. De USA had op dit gebied al een belangrijke voorsprong toen hier in Nederland op initiatief van de KM door net NLk(, TNO, NSP en THD aan het onderzoek op het gebied van Swath schepen werd begonnen. In het kader van het zeegangsonderzoek is een uitgebreid model-proef uitgevoerd ter verificatie van een tweetal door de USA ter beschikking gestelde bewegingen berekeningsprogramma's. Het model was voorzien van vaste vinnen en was vrij om te dompen en stampen. Uit deze proeven bleek het potentieel van het Swath concept als superieur seakeeping concept. In kopgolven vertoonde de domp overdrachtsfunctie uitsluitend bij de laagst onderzochte snelheid een geringe opslingering. Vergelijk de figuren 14 A
De responsie is over het gehele doorlopen golf lengte gebied
zeer gematigd. Zij neemt met lagere sneiheid toe, ten gevolge van verminderde vinwerking. Voor het stampen in deze situatie geldt dat in nog grotere mate. Daar was van enige opslingering echter geen sprake. Zie figuur
14B
. Vergeleken met verge-lijkbare monohulls ligt de respons duidelijk lager.Het tegen de golf in varen wordt voor wat betreft de te
ont-moeten golfhoogte slechts beperkt door de hoogte van de box boven het water: de box clearance.
Bij achterin komende golven was het onderzochte Swath model be-paald slechter. Door de resonantie verschijnselen ten gevolge van de lage eigen perioden van de slecht gedempte Swath traden bij alle snelheden grote responsies op. Dit geldt zowel voor
de pitch als de heave beweging, zie figuren 15 ,A .
Door een ongunstige fase relatie tussen beide bewegingen en de golf neigde de Swath er naar zijn neus in de golven te duwen
)
wat onvermijdelijk in een crash resulteerde. Dit alles met niet geregelde vinnen.
Uit een later uitgevoerde computer simulatie voor het model in dezelfde omstandigheden maar flu met geregelde
viflnen bleek dat deze problemen geheel en al te elimineren waren door een juiste regeling van de vinnen. Zoals blijkt uit de overdracht functie getekend in figuur 16 met en zonder regeling. Ref C 6J . Het blijkt mogelijk de res-ponsie aanzienlijk te beperken.
Uit latere berekeningen bleek oak dat door een geschiktere keuze van de romp parameters, vooral de afstand tussen water-lijn zwaartepunt en drukkingspunt (LCB - LCF) als wel de
langs metacentrum hoogte GML de inherente stabiliteit aan-zienlijk verbeterd kon warden,
Oak de positie en afmetingen van de vinnen zijn onderwerp van veel studie. Uit berekening en meting blijkt dat de yin-nennietuitsluitend voor demping en controle zorgen, maar dat oak de exciterende kracht van de golven sterk toeneemt met vergroting van het yin opperviak zonder meer. Derhalve zal door zorgvuldige berekening het optimum voor controle ten koste van zo gering mogelijke exciterende kracht gekozen moeten warden.
Computerprogramma's voor het berekenen van de respons van een met actief geregelde vinnen uitgeruste SWATH zijn
momen-teel in studie en zullen zeker bijdragen tat de ontwikkeling van de SWATH in de nabije toekomst als veel belovend geavan-ceerd concept voor verschillende toepassingen.
Semi Planerend - Planerende Schepen.
Semi Planerende en Planerende schepen zijn in Nederland zowel voor de bouwers als voor de gebruikers bijzonder geschikt ge-bleken. Zij zijn met betrekkelijk eenvoudige technologie te bouwen en zij bieden de gebruiker het goedkoopste snelle con-cept van de hele range typen zoals genoemd.
Geavanceerd in de recente context zijn zij echter zonder meer niet. Dat werd duidelijk taen men de behoefte aan het gebruik op open zee voor b.v. patrouille, vervoer en
passagiers-transport trachtte te dekken met de gebruikelijke typen (semi) planerende schepen. Het behalen van een sneiheid van 25 tot 30 knopen op viak water levert niet al te veel
pro-)
13
-blemen op, rnaar het behouden van deze sneiheid op golvend water is een groot probleem. Planerende schepen zijn af-hankelijk van het vrije vloeistof oppervlak voor het ge-neren van de benodigde lift, voor verstoring hiervan zijn deze schepen zeer gevoelig. De sneiheid in zeegang wordt voornamelijk beperkt door de stootbelastingen die optreden als de bodern van het schip het water raakt. Het onderzoek naar geschikte scheepsvorrnen zal zich voornamelijk hierop richten. Daarnaast zijn er echter nog een aantal problemen zoals: de koersstabiliteit bij achterinkomende golven, het slingeren bij lage sneiheden, de weerstand en voortstuwing en het buizen.
De invloed van de vlaktilling van het planerende viak, de deadrise, op het zeegangsgedrag is reeds lang bekend. Zo deed J.J. van den Bosch, E11J in 1970 reeds onderzoek aan twee modellen met een verschillende deadrise. Een was de moeder vorm van de Clement Senes 62 met een deadrise van
12 graden de tweede was een daaruit ontwikkeld identiek model maar dan met een deadrise van 25 graden. Zie figuur 17
Met deze modellen voerde hij bewegingsmetingen uit in zowel regelmatige als onregelmatige golven met snelheden tussen de FnV= 0.6 en Fn7 = 3.2. Daarbij werden de dompbeweging, de stampbeweging en de vertikale versnellingen op 0.4 L en 0.1 L gemeten. Hij concludeerde dat een vergroting van de deadrise een aanzienlijke verbetering van de zeegangseigen-schappen te zien gaf. Zoals blijkt ult figuur 18 / waarin de gemeten vertikale versnellingen staan uitgezet als
functie van de snelheid voor een drietal golflengten,nemen de versnellingen met maximaal een factor 5 af. Dit komt deels door de directe invloed van de deadrise in de"imoact-zone"en deels indirect doordat de boot met 250 deadrise een geringere trim heeft. Dit beTnvloedt de vertikale versnel-lingen aanzienlijk, een effect dat nog wel eens over het hoofd gezien wil worden.
De vergroting van de deadrise veroorzaakte ook een 10-15% toename van de weerstand. Om de invloed van de vergrote deadrise op de weerstand meer systematisch te onderzoeken voerden Keuning en Gerritsma, Ref.
E3 J
een seriesys-tematische modelonderzoekingen uit, naar analogie van Clement en Blount, Ref. [2 J . Door dezelfde modellen te nemen als Clement's Senes 62 maar flu met 250 deadrise,
ont-)
stond een unieke verzameling gegevens. Zie figuur 19 voorhet vergelijk van het moeder model van beide schepen en figuur 20 voor de 5 gebruikte modellen.
De voor hun invloed op weerstand onderzochte parameters waren de lengte breedte verhouding, de belastingsgraad en de lengteligging van het zwaartepunt. De invloed van de vergroting van de deadrise op de weerstand bleek voor die rompvormen die voor het gebruik in zeegang het meest ge-schikt zijn, dat wil zeggen grote L/B verhouding, betrek-kelijk gering te zijn: over het algemeen minder dan 5%. De trimhoek was over het algemeen jets kleiner. Zie figuur 21 Door combinatie van de Clement Serie en de Serie van
Keuning en Gerritsma is een computer programma ontwikkeld waarmee voor knikspant schepen met een redelijke
nauwkeurig-heid de weerstand voorspelci kan worden als functie van L/B,
LCG, , deadrise en
Ten behoeve van verificatie en ontwerp heeft het Laboratorium voor Scheepshydromechanica ook een aantal proeven gedaan
aan boord van planerencle schepen in zeegang waarbij golven en versnellingen gemeten werden. Op grond van deze proeven zijn een aantal suggesties gedaan ten behoeve van de ont-wikkeling van een zeegaand patrouilleschip voor de
Rijkspo-litie te water. Zowel als uit de metingen als uit de prak-tijk blijkt een aanzienlijke verbetering van het gedrag o
zee verkregen te zijn ten koste van slechts 4% verlies aan weerstand. De vertikale versnellingen zijn ten opzichte van
Shet
oorspronkelijke ontwerp met circa 40% afgenomen en eenvol te houden ontwerpsnelheid van 18 knopen in een signi-ficante golfhoogte van H,, = 2.0 meter bleek voor deze
23 meter lange boot haalbaar, zie Figuur 22 - De
koers-stabiliteit bij achterinkomende golven bleek ruim voldoende te zijn voor de toevoeging van twee vaste vinnen op het achterschip.
Zoals reeds opgemerkt bij de keuze van de deadrise en de L/B heeft de trim een grote invloed op de versnellingen. Naar aanleiding hiervan zijn recentelijk door Wang, Ref.E9] in het Laboratorium voor Scheepshydromechanica proeven ge-daan met een model van een planerende motorboot, het
)
moedermodel van de serie van Keuning en Gerritsma, voorzienvan een actieve regeling op twee achter de spiegel
)
15
-flappen op de juiste manier te regelen, warden de bewe-gingen van het schip gedempt. In het bijzander geldt dit voar de stampbeweging.
Uit zowel de berekening als de meting blijkt een aanzienlijke reductie te volgen uit de actieve regeling van de flappen, voaral in de stampbeweging. Zie figuur23
De daaruit valgende reductie van de vertikale versnellingen bleek in de range van 20 tat 30% te liggen.
Dit lijkt derhalve een veel belovend cancept waaraan in de toekomst nag het nodige systematisch anderzaek verricht zal gaan warden.
Een zeer beiangrijk facet van het zeegangsgedrag is de werkbaarheid aan board. Over het algemeen moeten aan board een aantal taken verricht warden, moeten passagiers met enig comfort verplaatst warden en moet de veiligheid van de op-varenden gewaarborgd zijn. Dit stelt aver het algemeen
stringentere criteria aan toelaatbare bewegingen en versnel-lingen dan bijvoorbeeld canstructieve prablemen.
Veel criteria op het viak van de afnemende efficiency van mensen t.g.v. bewegingen, de degredation, is niet bekend, maar dat de grenzen niet zo haag liggen is wel bekend.
De meeste snelheidsreductie is vrijwillig omdat mensen aan board nietmeer kunnen werken of bang warden.
Uit de berekeningen, en de reeds eerder genoemde metingen aan board van planerende schepen op zee bevestigden dit, blijkt dat de vertikale versnelling in het midden van het schip een factor 2 lager liggen dan op b.v. 0.1 L van voren. Hieruit volgt dat als de werkruimte van een patrouille schip in plaats van ver naar voren zoals nu regelmatig ge-beurd naar b.v. het midden of iets daarachter verplaatst zau warden, de vertikale versnelling op de plek waar de mensen verblijven met ongeveer 30% verlaagd zouden warden. Zie figuur 24 . Het comfort, de sneiheid in zeegang en de
werkbaarheid van het schip zouden hierdoor aanzienlijk ver-groat warden.
Qua orde grootte is deze reductie vergelijkbaar met een aanzienlijke vergroting van by. de deadrise. Kortom schip A is een veel beter schip in zeegang dan schip B en deze verbetering is betrekkelijk eenvoudig te bewerk-stelligen
)
)
Momenteel richt het onderzoek voor planerende schepen zich naast de bewegingen in golven tevens op de koers-stabiliteit in achter inkomende golven middels een op
te zetten systematisch onderzoek en de dwarsscheepse stabi-liteit zowel in golven als op viak water.
9. Conclusie.
Concluderend zou gezegd mogen worden dat reeds veel onder-zoek gedaan is aan het zeegangsgedrag van geavanceerde schepen, ook in Nederland.
Het accent zal in de toekomst komen te liggen op verbe-tering van de eenvoudige (semi) planerende schepen en het ontwikkelen van de veel geavanceerdere Swath concepten welke laatste grote mogelijkheden bieden.
Daarnaast lijkt alleen de draagvleugelboot goede mogelijk-heden te bieden als geavanceerd schip in zeegang, de andere concepten zullen voornamelijk op viak water gebruikt blijven worden.
)
Referenties.
Marwood, W.J. en D. Bailey,
Design data for high speed displacement hulls of round bilge form,
NPL Ship Report no. 99, febr. 1969.
2 Clement, E.P. en L.D. Blount,
Resistance Test of a Systematic Series of Planing Hull Forms,
SNAME, 1963.
3 Keuning, J.A. en J. Gerritsma,
Resistance Tests of a Series of Planing Hull Forms with 25 degrees deadrise angle,
Report 550, march 1982,
Ship Hydromechanics Laboratory, Delft University of Technology.
4 Eames, M.C.,
Advances in Naval Architecture for Future Surface Warships,
RINA, 1980.
5 Keuning, J.A.,
Forced oscillation tests and motion measurements with a SWATH ship,
Report 533, december 1981,
Ships Hydromechanics Laboratory, Delft University of Technology.
6 Smits, H.,
Swath met actief regelbare vinnen in achterinkomende golven,
Ingenieurswerk.
7 Status of hydrodynamic technology as related to model tests of high speed marine vehicles,
of a hydrofoil boat in waves,
I.S.P., Volume 26, okt. 1979, no. 302.
9 Wang Long-Wen,
Pitch and heave characteristics of high speed planing boats, Report 597, sept. 1983,
Lab. voor Scheepshydromechanica, TH Deift.
10 Verkerk, F.,
Planrende schepen in golven, Ingenieurswerk, juni 1983, Lab. voor Scheepshydromechanica, TH Delft.
11 Van den Bosch, J.J.,
Test with two planing Boat Models in Waves, Report 266, febr. 1970,
Lab. voor Scheepshydromechanica, TH Delft
12 Zarnick, E.E.,
A non-linear mathematical model of motions of a planing boat in regular waves,
DTNSRDC, report 78 032.
13 Savitsky D. and J.L. Gove,
A re-evaluation of the planing hull form,
AIAA, 1979.
14 Mantle, P.J.,
Advanced concepts for Sea Control Society of Automotive Engineers,
Nov. 1977, 770966.
15 Lee, C.M. and R.M. Curphey,
Prediction of motion stability and wave load of Swath ships, SNAME 1977 Annual Meeting.
)
16 Lee, C.M. and M. Martin,Determination of Size of Stabilizing Fins for Swath ships,
DTNSRDC, Report
4495, 1974.
17 Martin, M.,
Theoretical Predicitions of High Speed planing boats in Waves, DTNSRDC report
76-0069.
18 Reason J T en Brand J J Motion sickness Academic Press 79. 19 Allen G RProposed limits for exposure to whole body vertical vibration
0.1 to 1.0 Hz.
AGARD Conference Proceedings no 145 on Vibrations and combined
4I0
10
¶4l11l11l!
PROJ. N°412
STRUT
WATERLINE
HULL
CROSS-STRUCTURE
Fig. 3
Het Small Waterplane
Area Twin Hull
ship.
Fl NS
REAR CONES
STABILITY BAGS
REAR BAGS
Fig. 4
Luchtkussen vaartuig. (ACV)
KEEL
OUTER SKIRT
LANDING PADS
CUSHION BEAM
STERN SEAL
Fig. 5
Surface Effect Ship.
RUDDER OR VENTRAL FIN CUSHION LENGTH BOW SEAL LIFT FAN
Fig. 6
Draagvleugelboot met volledig ondergedompelde vleugel
achter en een V--vormige door het wateropperviak stekende
vleugel voor.
-PLATFORMING.
CONTOURING.
ic
Fig. 8 Verschillende bewegings regelingen voor draagvleugelboten afhankelijk van de golf
90 80 70 (I) 60 o 50 Ui Ui 100 40 30 20 'CO 90 80 70 Cl) 60 200 VEHICLES ACV+ SES (24 HOURS) HYDROFOIL (2 HOURS) PLAN ING SH1P (4 HOURS) SWATH DISPLACEMENT SHIP (24 HOURS) SEA STATE 12iJ3114 5 6 0 I 2 3 4 5 6 7
SIGNIFIGANT WAVE HEIGHT METRES
Fig. 9 Vol te houden sneiheid in zeegang bij een gewicht van 200 ton. Uit ref. [4
3 I00 90 80 70 60 50 40 30 20 I0 1 I AC'J + SES (24 HOURS) 5000 f. VEHICLES AGV 4-SES (24 HOURS) SWATH DISPLACEMENT SHIP (24 HOURS) SEA STATE 1000 t. VEHICLES PLANING SHIP 1 2 LLL1 '
Lj
I _ I HYDROFOIL -0 I 2 3 4 5 6 7SIGNIFICANT WAVE HEIGHT METRES
Fig. 10 Vol te houden snelheid in zeegang bij een ge-wicht van 1000 ton.
Uit ref.L4 ci Ui5 Ui 0 C,) HYDROFOIL 40 U) 30 SWATH DISPLACEMENT 20 SHIP I0 SEA_STATE I 2 1 3 TT rT5 1 6 [7 0 I 2 3 4 5 6
SIGNIFICANT WAVE HEIGHT METRES
Fig. 11 Vol te houden sneiheid in
:zee-gang bij een gewicht van 5000 ton. Uit Ref. {4
)
boot van vergelijkbare grootte.
I.O;OHU1L (?:'O FE) S1ATU (220 FT)
-SIGN)F!CANT WAVE hE)GHT I.4 FEET
SEA STATE 5 j- SEA STATE 6
Fig. 13 Vergelijking van het effect van de voorwaartse sneiheid op de vertikale verplaatsing vOór van een monohull en een Swath schip.
1.5 1.0 0.5
0
I
to
0
O.5 1.0Fig. 14 Responsfuncties van een Swath in kopgolven als functie van de sneiheid. Ref.
0.
CA-y
i k/A T Hko
6o
VF#1 Ac-7 /mKo,4prG. 4 0.e' 4 -0
10
20
100
0 C. 5 I<Op CAL/f/1 1.0Fig. 15 Responsfuncties van een Swath in achter inkomende golven als functie van de sneiheid. Ref [5]
Tg-j ,HTE.'Z /fr1KC$1ei.E 4oi.YE"
20
i4a
w
0
Fig. 16 Invloed van actief geregelde vinnen op de door responsie van een SWATH bij schterinkomende golven. Ref E6
1.2
0.8
0.4
0
f3MOD.S;5
MOD.
a
MOD.85
(both
models)
/
degr.
132U
U
M 00.
:4I
Fig. 17
Model met 12
en 25 graden deadrise. Ref.
[ii]
O.2L
CENTER CF A
3f
10
5
0
12
3
Fri
3
Fig. 18
Vertikale veisnellingen voor als functie
van de
sn1hi 9
I rr
1mrf-i ncrcl Tn
- Pf
ri i!
L/2r
25
0 X/L1.2
ri
/\
0/
42/
A.I
I)percent
10
percent
3U
2O
10
UO2
MOD.84
En =2.7
V
40
L/2a 1,314.4
6 8
ILIL
14
TM
OD 85
Fflv 2.7
L/21113=14h
p
e___
0 2
4
6 8 101214 Ia 1820
>20
af
rn/sec2
161820>20
a rn/sc2
100
frq. distr.
00
prccnt
20
80
Cumuaeve
frq.ds'tr.
60 p¢
40
20
Fig. 18b Cumulatje frequentie vercieIingen vertikale ver-snellingen voor in onregelmatige golven. Ref. [11]
Fig. 19 Model vergelijk Clement Blount 12
graden deadrise en Keuning-Gerritsma met 25 graden deadrise. Ref.
Model 186
Fig. 20 Onderzochte modellen in 25 graden dead-rise serie. Ref
LfJINtI SCM4 h20 Model 190 h23 Model 189 Lifl.tMLqp 123 Model 188 LI.tN'L4N l2O Model 187
_jI-r
17
)
-s- Ap/i%= 7.0
Ap/%= 5.5
*AP/V'4
5..5. 12.5 25° 12.5 Lp/Bpx = 7.0 Ref ]speed cofficint for deadrise angles 12.5 and 25°
Fig. 21 Resistance/weight ratio and angle of attack versus
g 2 Tm5,6S Tm=6,6S model 219 model 199
-Fig. 22 Vertikale versnellingen voor op 0.1 L als functie van de sneiheid voor twee planerende schepen met verschillende
deadrise 1 0 22 16 18 20 V knopen
_7 '
37
Fig. 23a Invloed actief geregelde trimf lap op bewegingen in koDaolven van olanerend SCh1n
pf Tifli
000
-2
'4=-0--- do mp e n
1
K2.
2.o
Fig. 23b
Invloed actief geregelde trirnf lap
op bewegingen in
k ( flCTC) 1 '7 fl T r' r' 1 c. fl Ct
9
z
a
stampen
dornpen 0 K 2.3M
1k'lpIlpppI-.- =U)
A
FREQUENTIE
Fig. 24 Invloed van de plaats van de opbouw op de werkbaarheid aan boord van planerende schepen.
!["Ein Königseid über eine Hypothek = UPZ II No 217", Ulrich Wilcken, "Münch. Beitr. zur Papyrusforschung und ant. Rechtsgeschichte", I, 1944 : [recenzja]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)