Entwicklung und Erprobung einer Rumpfform für extrem hohe Froude-Zahlen
Robin Kloske, Technische Universität Hamburg
Die Grundidee der Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Rumpfform für ein Renntretboot, welches auf der International Waterbike Regatta (IWR) antreten soll. Betrachtet man die maximal zulässige Länge gemäß IWR-Regularien von 6 m und den relevanten Geschwindigkeitsbereich von 3,5 m/s bis 7,0 m/s ergibt sich für den Entwurf ein Froude-Zahl-Bereich von 0,456 bis 0,912. Im Allgemeinen werden Froude-Zahlen (Fn) größer 0,5 als „hoch“ klassifiziert und die Schiffe, welche diese Froude-Zahlen erreichen, als „schnell“ bezeichnet. Die Widerstandsvorhersage für solch schnelle Schiffe im Entwurfsstadium ist schwierig. Es treten einige Effekte wie z.B. dynamischer Trimm verstärkt auf und machen daher zum Erzielen belastbarer Widerstandsprognosen einen hohen Rechenaufwand und spezialisierte Methoden nötig. Modellversuche liefern zufriedenstellende Ergebnisse, sind jedoch stets mit hohem Kosten- sowie Zeitaufwand verbunden, zu welchem die Modellherstellung einen wesentlichen Teil beiträgt. Besonders die Untersuchung verschiedener Rumpfvarianten ist nicht wirtschaftlich. So wird heutzutage meist lediglich ein finales Design untersucht, welches auf Basis von teuren Simulationen, Rechnungen bei kleineren Froude-Zahlen oder empirischen Ansätzen ausgewählt wird.
In den letzten Jahren hat die Technologie des 3D-Drucks an Wichtigkeit in industriellen Anwendungen wie beispielsweise dem „rapid prototyping“ gewonnen. Aufgrund von sinkenden Kosten und steigender Produktionsqualität wird das Verfahren interessant für die Produktion von Schiffsmodellen, da immense Kosteneinsparungen gegenüber der konventionellen Modellherstellung im Versuchswesen möglich sind. Die Untersuchung verschiedener Rumpfvarianten in einem wirtschaftlichen Kostenrahmen wird denkbar. Im Rahmen der Arbeit soll also das 3D-Druck Verfahren erstmalig zur Herstellung eines gesamten Modells angewendet werden.
Der Maßstabsfaktor wird bei Einhaltung der Froude’schen Ähnlichkeit auf λ = 3 festgelegt, wodurch sich die Modelllänge zu 2 m ergibt. Für den Druck wird das Modell in vier Sektionen mit je 50 cm Länge aufgeteilt, welche anschließend verklebt und geschliffen werden.
Verbindungselemente und Einrichtungen zur Befestigung am Schleppwagen werden direkt ins digitale Schiffsmodell eingearbeitet und mitgedruckt.
Für die Rumpfentwicklung steht als Ausgangsversion das Ergebnis eines Forschungsvorhabens zur Verfügung, in welchem eine RoRo-Fähre mit einer Länge von 205 m zwischen den Loten und einer Dienstgeschwindigkeit von 50 kn (entspricht Fn = 0,574) entwickelt und erprobt wurde. Mit Hilfe von Transformationen wird die Ausgangsform auf die Hauptabmessungen des Tretbootrumpfes gebracht. Anhand von CFD-Rechnungen bei Fn = 0,456, welche in diesem Fall die höchstmögliche Froude-Zahl mit dem verwendeten CFD-Potentialtheorie-Löser darstellt, wird anschließend die Form auf die Verringerung der Wellenhöhen sowie die Homogenisierung der Druckverteilung optimiert.
Für die Modellversuche wird neben der neuen Rumpfform auch ein bestehendes Boot der Hamburger Tretbootflotte als Vergleichsboot im Modell 3D-gedruckt. Für dieses Boot liegen zudem Großausführungsversuche vor, anhand derer die Modellversuche validiert werden können. Für beide Rumpfvarianten werden zusätzlich optionale Sprayrails sowie für die neue Rumpfform verschiedene Staukeile gefertigt. Eine erste Versuchsreihe wird im kleinen Tank der Hamburgischen Schiffbau-Versuchsanstalt (HSVA) durchgeführt, wobei zunächst das Modell des bestehenden Bootes untersucht wird. Die zweite Versuchsreihe wird im großen Tank der HSVA durchgeführt, bei welcher die beiden Rumpfformen mitsamt optionalen Anhängen untersucht und verglichen werden.
Der Vergleich zu den Großausführungsversuchen liefert die Validierung der Ergebnisse und der neuen Rumpfform kann ein gegenüber dem aktuell fahrenden Boot um bis zu 7,55 % verringerter Widerstand in der Sprint-Durchschnittsgeschwindigkeit von 5,2 m/s nachgewiesen werden. Die Anhänge erweisen sich bei den untersuchten Rümpfen im interessanten Geschwindigkeitsbereich als den Widerstand erhöhend.
