VAARGEDRAG EN VAAREIGENSCHAPPEN VAN DEPLACEMENTS MOTORJACHTEN.
Prof . ir. J. Gerritsma Rapport nr.745-P
Lezing gehouden tijdens de opening van de HISWA tentoonstelling op 13 maart 1978 te Amsterdam.
Deift University of Technology
Ship Hydromechanics Laboratory Mekelweg 2
2628 CD Deift The Netherlands Phone 015 - 78 68 82
Vaargedrag en vaareigenschappen van deplacements motor jachten
Het onderwerp "vaargedrag en vaareigenschappen" is zeer uit-gebreid en daarom worden hier maar drie aspecten besproken:
le de sneiheid die een motorboat kan bereiken. 2e de stabiliteit en het gedrag in golven. 3e de stuureigenschappen.
1. Sneiheid
De sneiheid die een motorjacht kan bereiken hangt af van de weerstand die het jacht ondervindt. De verschillende compo-nenten van de weerstand zijn samengevat in Figuur 1.
Galfweerstand is een gevolg van de oppervlakte verstoring die een varende boat veroorzaakt. Bij de zgn. rompsnelheid
(zie later) is dat ruwweg 50 % van de totale weerstand. Fig.2. Daarnaast is er de wrijvingsweerstand, (William Froude, eerste sleeptank 1873, Zuid Engeland) die veroorzaakt wordt door
de visceuze eigenschappen van het water dat langs de huid van de boot stroomt (vergelijk stroap). Figuur 3.
Doordat water visceus is laat de straming bij te grate kromming van het rompoppervlak los en antstaan wervels en werveiweerstand. Daordat de straming het oppervlak in het achterschip dan niet kan valgen antstaat 66k drukweerstand omdat nu de "duwende" werking van de amstraming van het achterschip ten dele wegvalt.
2
De rornpsnelheid is de snelheid waarbij de lengte van de
golven die het jacht zeif opwekt gelijk is aan de waterlijn-lengte van het jacht. Figuur 4.
Nu is de sneiheid C waarrnee een golf zich voortplant:
C = 1.25
fT
waarin: A - golf lengte in meters
C - golfsnelheid in rn/s
De rompsnelheid VR is:
VR = l.2511
waarin: L - waterlijnlengte in meters VR sneiheid van het jacht in rn/s
In "nautische" eenheden:
VR = 2.43
fT
L in meters VR in knopen
Boven de rompsnelheid neemt het aandeel van de golfweerstand en dus 66k de totale weerstand en het benodigde motorvermogen
(R * V/nt) zéér sterk toe, zodat het varen bij die sneiheden onvoordelig is. Figuur 5.
Op golf- en restweerstand moet nog een proeftocht - of dienst-toeslag gegeven worden.
De windweerstand als gevolg van de eigen vaartwind is voor deplacementsschepen over 't algemeen gering. Bij snelle
planerende vaartuigen is dat wél een belangrijke weerstands
component. Héél g1obaa1:0.5 V2 per m2 frontaal opperviak.
Stuurweerstand, als gevoig van gebruik van het roer om een bepaalde koers te kunnen varen is gering voor koersstabiele schepen. Koers onstabiele schepen, die moeilijk te sturen zijn, volgen een slingerende baan met veel roeruitsiagen, en daar kan de weerstandsverhoging gemakkelijk 10 % bedragen.
Huidruwheid, bijvoorbeeld door aangroeiing, kan de weerstand, sterk verhogen (bijvoorbeeld 25 %) omdat de wrijvingsweerstand veel groter wordt; vandaar de voortdurende zorg om het onder-waterschip glad te houden.
Golven
Tenslotte is op golvend water de weerstandstoename door golven zeer belangrijk.
De grootte daarvan hangt bij een bepaalde sneiheid af van de verhouding golflengte/scheepslengte en van de golfhoogte.
In regelmatige golven (deining) kan die extra weerstand wel 100 % tot 200 % bedragen. Bijvoorbeeld bij het varen tegen de golven in, als de golf lengte 1 tot 1,5 x de scheepslengte is, en als daarbij "resonantie" optreedt. Figuur 6.
Resonantie treedt op als de eigen stampperiode gelijk is aan de ontmoetingsperiode van de golven.
De eigen stampperiode is in viak water met een stophorloge te meten door de boot in zijn eigen "tempo" aan de voorsteven op en neer te bewegen.
De ontmoetingsperiode (66k met stophorloge te meten) is het tijdsverloop tussen het passeren tussen twee opeenvolgende golftoppen. De ontmoetingsperiode hangt af van de sneiheid
Als de golflengte groat is ten apzichte van de scheepslengte dan volgt de boot de golfcontour en is de extra weerstand door die golven gering. Als de golven kleiner zijn dan de halve scheepslengte dan stampt de boot vrijwel niet en oak dan is die extra weerstand klein.
Op een andere koers van het jacht t.a.v. de golfrichting is de zaak wat gecompliceerder, maar in't algemeen is de weer-standstoename door golven die voorlijker dan dwars inkomen het grootst en is het stampen daarbij de voarnaamste oorzaak. Bet snelheidsverlies in zeegang kan zeer aanzienlijk zijn
zoals in de figuur in aangegeven. In 't algemeen zijn golven in de natuur niet regelmatig (of beter enkelvoudig) en is het golfbeeld opgebouwd uit vele componenten met verschillende golflengten die samen in j
algemeen een onregelmatig beeld vormen. Gemiddeld is de weerstandstoename daarom wel minder dan bij een enkelvoudig golf systeem, met vergelijkbare golf-hoogte, maar golven blijven een zeer belangrijke factor. Het is bekend dat bij een opéénvolging van twee of drie zeegolven, die net de juiste lengte hebben, en waarvan de antmoetings-periode overeenkomt met de eigen stampperiode de boot vrijwel kunnen stoppen. Door verandering van koers en/of snelheid kunnen dergelijke resanantie verschijnselen soms vermeden
warden.
Beperkte waterdiepte
Een heel belangrijke weerstandstoename kan optreden bij het varen in andiepwater. Dat is voor motorjachten, die op de binnenwateren in ons land varen, van groat belang. Figuur 7. De vaarsnelheid V en de waterdiepte h bepalen samen de zage-naamde kritische snelheid VKR
TFi,
dat is de maximum snelheiddie een golf bij een waterdiepte van h meter kan bereiken. Als de sneiheid van de boot die sneiheid nadert dan neemt
de weerstand zeer sterk toe en wel zóveel dat een deplacements-schip daar zeif niet overheen komt. Een planerende boot kan dat wel en bij hoge snelheden kan de weerstand van zo'n boot zelfs kleiner zijn dan in vlak water.
Ook de trim van de boot verandert aanzienlijk in de buurt van de kritische sneiheid: de boot trimt sterk achterover en zinkt achter in. Men noemt dit "squat".
In de praktijk moet men met een motorkruisertje niet sneller varen dan 80 % van de kritische sneiheid; in nautische eenheden V (kn) <5 /h(m). Voorbeeld h = 2 m Vmax 7 knopen = 13 km/uur. Bij hogere sneiheid treedt sterke golfvorming op (
oever-erosie, hinder voor anderen) en wordt brandstof verspilt: het zeer veel groter vermogen dat dan nodig is resulteert
nauwe-lijks in een hogere sneiheid.
Het golfbeeld bij het varen op ondiep water is interessant en er is analogie met verschijnselen die zich voordoen bij het vliegen in de buurt van de geluidssnelheid. Figuur 8. Op diep water (sneiheid relatief klein t.o.v. de kritische sneiheid) is de openingshoek van het divergente golf systeem
19½ graad. Dat geldt zowel voor een eend als voor een super-tanker. Naarmate de bootsnelheid de kritische sneiheid nadert wordt die openingshoek groter en is 90 graden als de
boot-snelheid gelijk zou zijn aan de kritische sneiheid.
Daar-boven neemt de hoek weer af en dat kan zich dus in de praktijk alleen voordoen bij planerende boten.
Er wordt vaak de vraag gesteld of door verandering van de rompvorm de "squat" bij het varen op ondiep water vermindert kan warden, bijvoorbeeld door het achterschip te verbreden. De invloed daarvan is gering; het is beter am de sneiheid te beperken tot 80 % van de kritische sneiheid 66k in verband met het brandstofverbruik.
2. Stabiliteit en slingereigenschappen
Een veel gehoorde klacht over de typisch Nederlandse motor-jachten voor de binnenwateren betreft, de slinger-eigenschappen, als bijv. op het IJsselmeer of de Zeeuwse stramen in golven
wardt gevaren. In 't algemeen vertanen deze matorjachten tamelijke heftige slingereigenschappen en dat wijt men over
't algemeen (ten onrechte) aan te weinig "stabiliteit". In verband daarmee lets over stabiliteit en slingereigenschappen.
Het type matorjacht waarover wij spreken heeft een grate aanvangsstabillteit: ze zijn zwaar en hebben een grate aan-vangsstabiliteit. Dat wil averigens niet zeggen dat de sta-biliteit bij zeer grate hellingshoeken voldoende is: grate aanvangsstablliteit is geen waarborg vaor veiligheid tegen kenteren. Een grate aanvangsstabiliteit is oorzaak van een kleine slingerperiode T : het jacht is "stijf" en is "wreed"
ten aanzien van de slingerbeweging. Een schip in zeegang be-weegt prettig als de aanvangsstabiliteit niet te groat is,
zodat de versnellingen, die een gevaig zijn van het slingeren, binnen bepaalde grenzen blijven. Eisen t.a.v. breedte en diep-gang zijn de oarzaak dat de traditionele motarkruiser vaar de binnenwateren aver 't algemeen stijf en wreed is. Figuur 9.
7
In dit verband nog jets over dat slingereningolven. Net als
bij het stampen geldt dat in 't algemeen maximaal slingeren optreedt als de eigen slingerperiode gelijk is aan de ont-moetingsperiode van de golven. Figuur 10.
In dwarsgolven zal voor dit soort schepen resonantie optreden als de golfperiode ligt tussen 2½ en 4 seconden. (golflengten
8 - 20 meter). Dat zijn golven die in Zeeland en het IJsselmeer vaak voorkomen. Een jacht slingert niet als de golflengte zeer
klein t.o.v. de breedte en in heel lange golven wordt de golf-countour gevolgd.
Men kan door het toepassen van stabilisatie middelen de ampli-tude van de slingerhoeken aanzienlijk reduceren, daarentegen is de eigen slingerperiode zeer weinig te beinvloeden.
Kimkielen zijn vrijwel onmiddellijk na de invoering van de mechanische voortstuwing toegepast. Het is een passief middel dat de demping van de slingergeweging vergroot en daarmee de hellingshoeken reduceert.
Op jachten met een grote breedte/diepgang verhouding en
scherpe kimmen(knikspant) zijn ze niet erg zinvol. Dat is wél het geval bij rondspantjachten met een kleinere breedte/diep-gang verhouding en een kleinere aanvangsstabiliteit.
De passieve anti slingertank is een dwarsscheeps geplaatste tank met gedeeltelijke watervulling, zodanig dat de elgen
periode van de dwarsscheepse waterbeweging in de tank ongeveer gelijk is aan de eigen periode van de slingerbeweging van het jacht. Dat blijkt een redelijke demping te kunnen geven. Fig.11. Een reductie van de slingeramplituden van 30 - 60 % is haalbaar bij resonantie en een tankvulling van 2 - 5 % van het deplacement.
Actieve slingerdemping wordt bereikt met anti-slingervinnen, waarvan de instelhoek met behulp van informatie over de
slingersnelheid (afkomstig van een zgn. hoeksnelheids-gyroscoop) een dempend moment op het jacht uitoefend.
De vinnen worden meestal door hydraulische componenten bewogen. De slingerhoeken kunnen door een dergelijk systeem zeer drastisch gereduceerd worden, bijvoorbeeld met 90 % Figuur 12.
Een ander actief systeem maakt gebruik van een dwarsscheeps-verplaatsbare massa waarvan de plaats ook in dit geval door het signaal van een hoeksnelheids gyroscoop bepaald wordt. Met een massa van 2 % van het deplacement zijn uitstekende resultaten geboekt (30 % a 40 %) reductie). Figuur 13
De sleeptank Deift heeft een dergelijk systeem ontworpen voor een viet van de Rijkswaterstaat die diepte metingen uitvoert in de zeegaten. Het aantal werkbare dagen is door de slinger-stabilisatie aanzienlijk toegenomen.
Een interessant geval is de toepassing van het zgn. Magnus effect. Een aangestroomde roterende cylinder levert een lift-kracht die (per definitie) loodrecht staat op de aanstroom-richting. Als zodanig werkt een roterende cylinder als een
profiel dat onder een invalshoek wordt aangestroomd. Men kan zo'n cylinder dus op dezelfde plaats als een stabilisatievin toepassen. De draaiingsrichting van de cylinder steeds wisselt met de slingering van het schip. Figuur 14.
Waarom zo'n cylinder? De diameter is betrekkelijk klein (bijv. 1/6 van de koorde van een yin), de doorsnede is cirkelvormig en de cylinder is dus vrij gemakkelijk intrekbaar te maken. Het roteren en de wisselende draairichitng zijn blijkbaar geen moeilijke opgaven bij toepassing van hydraulische componenten.
9
Praktijk proeven hebben aangetoond dat het systeem werkt; het wordt geinstalleerd op een groat motorjacht.
Deplacements motarjachten hebben een brede spiegel, zodat
oak een actief slingerstabilisatiesysteem met twee horizontale cylinders t.p.v. de spiegel met succes apereert. De bakboards-en stuurbaardscylinder hebbbakboards-en steeds ebakboards-en tegbakboards-enstelde draai-richting am een dempend moment te kunnen apwekken, een en ander weer geregeld met behulp van een gyroscopische hoek-snelheidsmeter. (systeem Koop Nautic).
Dit systeem heeft op zee zijn praktische bruikbaarheid bewezen.
3. Stuureigenschappen
Er blijken vaak klachten te bestaan aver de stuureigenschappen van deplacements matorjachten, in 't bijzander ten aanzien van het varen van een bepaalde koers. Als voortdurend met het
roer gecorrigeerd moet warden, 66k in vlak water, dan is er
gebrek aan rechtelijn stabiliteit. Dat is een angewenste
eigenschap, die gecanstateerd kan warden met de zgn. spiraal-proef. Met die praef wordt het verband tussen roerhoek en de daarmee bereikte hoeksnelheid bepaald zowel met raer aver BB als aver SB. Figuur 15.
Als in de buurt van roerhoek nul de gemeten hoeksnelheden een sprang vertonen dan is de rechte lijn stabiliteit negatief en dan is voor een klein schip een angewenste eigenschap. Het komt voar bij jachten met een kleine lengte/breedte verhouding ge-combineerd met een vol achterschip, zodat het roer niet goed wardt aangestroamd. Vergrating van het raer en een verbeterd roerprofiel kan soms helpen, maar in ernstige gevallen moet het scheg apperviak achter aanzienlijk vergraat warden.
10
-Een heel effectieve oplossing die bij kieine voile rondspant-kotters effectief bleek is het aanbrengen van twee vaste vinnen met relatief grote aspectverhouding en een symmetrisch
stroom-iijnvormig profiel. Een dergeiijke maatregei bleek succesvol bij een viet van de Rijkswaterstaat die voordien zéér slecht op koers te houden was. De draaieigenschappen van de viet werden niet aangetast door deze ingreep. Figuur 16.
weerstand
-golf weerstand
toeslag
weerstand
-- weerstand door golven
- huidruwheid
Figuur 1.wrijvingsweerstand
- wervelweerstand
visceuzeweerstand
-- drukweerstand
- windweerstand
- stuurweerstand
0 C) C) C) E C) C) .4J rj 4-1 r-4
0
U, C)0
Es
C)4JN
N cI U r1 C)Qr
0
U, J "-40
'rl cILAMINAIR STROMING 100% L
INVLOED VISCOSITEIT
Figuur 3. LOSLATINCSROMP SNELHE ID
GOLFLENGTE A GOLFSNELHEID C WATERLIJNLENGTE L V SCHEEPSSNELHEID C = 1.2513 VR = 1.25fl (m/s))
ROMPSNELHEID: VR = 2.43/1 (KNOPEN) Figuur 4.So
70
5.O30
cZO
-100
15
-LWL
1O.4O
LA/Mr
-3.7o4i
7_sz115VP)
V
11rn
4W
7.8
kN
Vo<) AP(f.w)
C
7
8
42.
.9 I I I/
V
6
7
8
.9
V
- kNOPEN
vMoGEN-_SNELiEIID
oToR.-3ACHT
Figuur 5.j
I
WEEk S
T'V'IDS TOEN/WE
IN
REG-EL MAT/CE
&OLV4/1
L3U
RETiJtMcNT/E VAN
HYTN-1PE'Y
REOHAwri
TREEDI OP ALS JE
/GEN
HPPR1ODL
ELUk /.S AAN
2E ONrHOEr/,vGc
cR/uZJE.
Figuur 6
I
-
17
-/
I
/
VDVKk
V
i NL HElD
/NVLC
ÔND/EP 1VA7R cP /fEJ VER&'WD
A-10-Oi' VERJfl'H
5//EL HE/D.
kQi 775C/c 5HL/-iE/ D
4ja
V, 4
4flI,
IN ",&/A U 7-::' 5CN £wJtW'
Vk,(44j='//AT
I/v
V,4 t/ ZE- vAA R D E
Am 1OUDEf>/.'
18
-iø1Ir
J2/VER&Et/TE GOLVEN7QAP VEP.SALE
Figuur 8.
&OLFEELD E3J VILLENDE
5 N EL H EDEN
0 P ot D I EP Wt6rTE
19
-AAMVANS
5TM(LITEIT
STILL1TE1TSMOMENT
PGHsnck
\JOOR
?(LE1N
c
.RN.c
EJGENSL!NG
PERIODE
C)
VOORPELD :
QOT
GM: 5T.)FCWRED)5CH'P
kckr SL/NEkTLW
P_GEJICI4r .SC41P
P4 LMETETfl.LJM
f-4COGT
Figuur 9.O.8
S&2C)
20-/
GO L FLENGTL
_____ rI
cxD&JLF PER/ODE
_____
5L/rVGEfQJ1
IN DWAR5GO1VêH
/QSONANr/
A
:$L/NG1Q PER Ic DPR/OD
MN: HAuHAL
5L/N&EHOWN
Fiquur 10.
21
-PA&,iV
ANT sL(RrANk.
Figuur 11.
I
L
5TA5/L/,4r/F
AIcWENr
AL
VAPJA8fLE
Iti5
LJ4oEiFiguur 12.
4
