Bauchiger Bogen - Bulbous bow

Ein "Widder" Wulstbug wölbt sich von unten nach oben und hat einen "Knöchel", wenn die Oberseite höher ist als die Verbindung mit dem Rumpf - die Durchgangstunnel an der Seite sind Bugstrahlruder .

Ein Wulstbug ist eine hervorstehende Wölbung am Bug (oder an der Vorderseite) eines Schiffes knapp unter der Wasserlinie . Die Glühbirne verändert die Art und Weise, wie das Wasser um den Rumpf strömt , verringert den Widerstand und erhöht so Geschwindigkeit, Reichweite, Kraftstoffeffizienz und Stabilität. Große Schiffe mit Wulstbug haben im Allgemeinen eine um zwölf bis fünfzehn Prozent bessere Treibstoffeffizienz als ähnliche Schiffe ohne sie. Ein Wulstbug erhöht auch den Auftrieb des vorderen Teils und reduziert damit das Nicken des Schiffes in geringem Maße.

Schiffe mit hoher kinetischer Energie , die proportional zur Masse und zum Quadrat der Geschwindigkeit ist, profitieren von einem Wulstbug, der auf ihre Betriebsgeschwindigkeit ausgelegt ist; dazu gehören Schiffe mit hoher Masse (zB Supertanker ) oder hoher Dienstgeschwindigkeit (zB Fahrgastschiffe und Frachtschiffe ). Schiffe mit geringerer Masse (weniger als 4.000 dwt ) und solche, die mit geringeren Geschwindigkeiten (weniger als 12 kn ) fahren, haben aufgrund der in diesen Fällen auftretenden Wirbel einen geringeren Nutzen von Wulstbug; Beispiele sind Schlepper, Motorboote, Segelschiffe und kleine Yachten.

Wulstbogen haben sich als am effektivsten erwiesen, wenn sie auf Schiffen verwendet werden, die die folgenden Bedingungen erfüllen:

  • Die Wasserlinienlänge ist länger als etwa 15 Meter (49 ft).
  • Das Lampendesign ist für die Betriebsgeschwindigkeit des Schiffes optimiert.

Zugrundeliegendes Prinzip

Der kombinierte Einfluss einer unterirdischen Glühbirne und eines konventionellen Bogens auf die Wellenbildung, wobei die von der Glühbirne erzeugte Welle die durch den herkömmlichen Bogen erzeugte aufhebt
  1. Bogenprofil mit Glühbirne
  2. Bogenprofil ohne Glühbirne
  3. Welle erzeugt von Glühbirne
  4. Welle erzeugt durch herkömmlichen Bogen
  5. Wasserlinie und Region der abgebrochenen Wellen

Die Wirkung des Wulstbogens lässt sich mit dem Konzept der destruktiven Interferenz von Wellen erklären :

Ein konventionell geformter Bug verursacht eine Bugwelle . Eine Zwiebel allein zwingt das Wasser nach oben und darüber zu fließen und eine Mulde zu bilden. Wenn also eine Wulst an der richtigen Position zu einem herkömmlichen Bug hinzugefügt wird, fällt die Wulstmulde mit dem Scheitel der Bugwelle zusammen, und die beiden heben sich auf, wodurch der Nachlauf des Schiffes reduziert wird . Während das Induzieren eines anderen Wellenstroms dem Schiff Energie entzieht, ändert das Auslöschen des zweiten Wellenstroms am Bug die Druckverteilung entlang des Rumpfes, wodurch der Wellenwiderstand verringert wird. Die Wirkung der Druckverteilung auf eine Fläche wird als Formwirkung bezeichnet .

Ein scharfer Bug auf einer herkömmlichen Rumpfform würde Wellen und einen geringen Widerstand wie ein Wulstbug erzeugen, aber von der Seite kommende Wellen würden ihn härter treffen. Der stumpfe Wulstbug erzeugt auch in einem großen Bereich vorne einen höheren Druck, wodurch die Bugwelle früher beginnt.

Das Hinzufügen einer Glühbirne zum Schiffsrumpf erhöht dessen gesamte benetzte Fläche. Mit zunehmender benetzter Fläche nimmt auch der Widerstand zu. Bei höheren Geschwindigkeiten und größeren Schiffen ist die Bugwelle die größte Kraft, die die Vorwärtsbewegung des Schiffes durch das Wasser behindert. Bei einem Schiff, das klein ist oder einen Großteil seiner Zeit bei niedriger Geschwindigkeit verbringt, wird die Erhöhung des Widerstands nicht durch den Vorteil der Dämpfung der Bugwellenerzeugung ausgeglichen. Da die Wellengegeneffekte nur im höheren Geschwindigkeitsbereich des Schiffes von Bedeutung sind, sind Wulstbuge nicht energieeffizient, wenn das Schiff außerhalb dieser Bereiche fährt, insbesondere bei niedrigeren Geschwindigkeiten.

Der Wulstbogen kann entsprechend der gestalteten Wechselwirkung zwischen der Bugwelle und der Gegenwelle des Wulstes unterschiedlich ausgestaltet sein. Zu den Designparametern gehören a) Krümmung nach oben (eine "Ram"-Glühbirne) gegenüber einer geraden Vorwärtsbewegung (eine "eingelassene" Glühbirne), b) die Position der Glühbirne in Bezug auf die Wasserlinie und c) das Glühbirnenvolumen. Wulstbögen verringern auch die Nickbewegung eines Schiffes , wenn sie mit Ballast versehen sind, indem sie die Masse in einem Abstand vom Längsschwerpunkt des Schiffes erhöhen.

Entwicklung

Auf der linken Seite ist der Wulstbug der USS Lexington zu sehen, während das Schiff 1925 im Bau war.

Schlepptests von Kriegsschiffen hatten gezeigt, dass eine Unterwasser-Widderform vor 1900 den Widerstand durch das Wasser verringerte. Das Konzept des bauchigen Bugs wird David W. Taylor zugeschrieben , einem Marinearchitekten, der während der Ersten Welt als Chefkonstrukteur der United States Navy diente War und der das Konzept (bekannt als bauchiger Vorfuß) in seinem Entwurf der USS  Delaware verwendete , die 1910 in Dienst gestellt wurde. Das Bugdesign erfreute sich zunächst keiner breiten Akzeptanz, obwohl es in den Schlachtkreuzern der Lexington- Klasse mit großem Erfolg eingesetzt wurde nachdem die beiden Schiffe dieser Klasse, die den Washingtoner Flottenvertrag überlebten, zu Flugzeugträgern umgebaut wurden . Dieser Mangel an Akzeptanz änderte sich in den 1920er Jahren, als Deutschland Bremen und Europa auf den Markt brachte . Sie wurden als Deutschlands Nordatlantik-Windhunde bezeichnet, zwei große kommerzielle Ozeandampfer , die um den transatlantischen Passagierverkehr konkurrierten. Beide Schiffe gewannen 1929 das begehrte Blaue Band , Bremen mit einer Überfahrtsgeschwindigkeit von 27,9 Knoten (51,7 km/h); Europa übertraf sie 1930 mit einer Überfahrtsgeschwindigkeit von 27,91 Knoten.

Das Design wurde an anderer Stelle integriert, wie in den in den USA gebauten Passagierschiffen der SS Malolo , SS President Hoover und SS President Coolidge , die in den späten 1920er und frühen 1930er Jahren auf den Markt kamen. Dennoch wurde die Idee von vielen Schiffbauern und Eignern als experimentell angesehen.

Im Jahr 1935 wurde der französische Superliner Normandie von Vladimir Yurkevich entworfen , der einen bauchigen Vorderfuß mit massiver Größe und einer neu gestalteten Rumpfform kombinierte. Sie konnte Geschwindigkeiten von über 30 Knoten (56 km/h) erreichen. Normandie war für viele Dinge berühmt, darunter für ihren sauberen Einstieg ins Wasser und die deutlich reduzierte Bugwelle. Der große Rivale der Normandie , das britische Linienschiff Queen Mary , erreichte mit der traditionellen Vorbau- und Rumpfkonstruktion vergleichbare Geschwindigkeiten. Ein entscheidender Unterschied bestand jedoch darin, dass die Normandie diese Geschwindigkeiten mit rund dreißig Prozent weniger Motorleistung als Queen Mary und einem entsprechend geringeren Kraftstoffverbrauch erreichte.

Auch bauchige Bogendesigns wurden von der kaiserlichen japanischen Marine entwickelt und verwendet . Ein bescheidener Wulstbug wurde in einer Reihe ihrer Schiffskonstruktionen verwendet, darunter der leichte Kreuzer Ōyodo und die Träger Shōkaku und Taihō . Eine weitaus radikalere Konstruktionslösung für den Wulstbug wurde in ihre enorm großen Schlachtschiffe der Yamato- Klasse integriert , darunter Yamato , Musashi und der Flugzeugträger Shinano .

Der moderne Wulstbogen wurde in den 1950er und 1960er Jahren unabhängig von der japanischen Marineforschung von Dr. Takao Inui an der Universität Tokio entwickelt . Inui stützte seine Forschung auf frühere Erkenntnisse von Wissenschaftlern, die gemacht wurden, nachdem Taylor entdeckt hatte, dass Schiffe mit einem bauchigen Vorfuß einen wesentlich geringeren Widerstand aufwiesen als vorhergesagt. Das Konzept des bauchigen Bogens wurde zuerst von Thomas Havelock, Cyril Wigley und Georg Weinblum endgültig untersucht, einschließlich Wigleys 1936er Arbeit "The Theory of the Bulbous Bow and its Practical Application", in der die Fragen der Wellenerzeugung und -dämpfung untersucht wurden. Inuis erste wissenschaftliche Arbeiten über die Wirkung des Wulstbugs auf den Wellenwiderstand wurden in einem 1960 von der University of Michigan veröffentlichten Bericht zusammengefasst . Seine Arbeit erregte mit seiner von der Society of Naval . veröffentlichten Arbeit "Wavemaking Resistance of Ships" große Aufmerksamkeit Architekten und Schiffsingenieure im Jahr 1962. Es wurde schließlich festgestellt, dass der Luftwiderstand um etwa fünf Prozent reduziert werden konnte. Experimente und Verfeinerungen verbesserten langsam die Geometrie von Wulstbögen, aber sie wurden nicht weit verbreitet, bis Computermodellierungstechniken es Forschern der University of British Columbia in den 1980er Jahren ermöglichten , ihre Leistung auf ein praktisches Niveau zu steigern.

Überlegungen zum Entwurf

Bauchige Bögen verkörpern die folgenden bestimmenden Merkmale:

  • Längsform
  • Querschnitt
  • Länge der Vorwärtsprojektion
  • Position der Formachse (zB nach vorne oder nach oben)

Während der Hauptzweck solcher Glühbirnen darin besteht, die zum Fahren eines Schiffes mit seiner Betriebsgeschwindigkeit erforderliche Leistung zu reduzieren, sind ihre Seetüchtigkeitseigenschaften ebenfalls wichtig. Die Welleneigenschaften eines Schiffes bei seiner Betriebsgeschwindigkeit spiegeln sich in seiner Froude-Zahl wider . Ein Schiffskonstrukteur kann die Länge an der Wasserlinie für ein Design mit und ohne eine Glühbirne vergleichen, die erforderlich ist, um das Schiff bei seiner Betriebsgeschwindigkeit anzutreiben. Je höher die Geschwindigkeit, desto größer ist der Vorteil des Wulstbugs, die Notwendigkeit einer längeren Wasserleitung zu verringern, um den gleichen Leistungsbedarf zu erreichen. Die Glühbirnen sind am Boden normalerweise V-förmig, um das Zuschlagen bei rauer See zu minimieren.

Sonarkuppeln

Einige Kriegsschiffe spezialisiert für U-Jagd Verwendung einer speziell geformten Glühbirne als hydrodynamischen Gehäuse für ein Sonarwandler , der eine Wulstbugs ähnelt , aber die hydrodynamischen Effekte sind nur nebensächlich. Der Wandler ist ein großer Zylinder oder eine Kugel zusammengesetzt aus einem Phased - Array von akustischen Wandlern. Das gesamte Fach ist mit Wasser geflutet und das Schallfenster der Glühbirne besteht aus faserverstärktem Kunststoff oder einem anderen Material (z. B. Gummi ), das für die Übertragung und den Empfang von Unterwassergeräuschen transparent ist. Die Geberbirne platziert die Sonarausrüstung in größtmöglichem Abstand zum schiffseigenen lärmerzeugenden Antriebssystem.

Anmerkungen

Verweise