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Bugwulst für völlige Frachtschiffe Die Erfindung bezieht sich auf
einen Bugwulst für völlige Frachtschiffe, insbesondere für völlige, relativ langsame
Frachtschiffe, wie z. B. Tankschiffe und Massengutfrachter.
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Bugwülste werden bekanntlich an Schiffen zur Verringerung des Wellenwiderstandes
und damit zur besseren Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Antriebsleistung vorgesehen.
So wurden bekanntlich zu Beginn dieses Jahrhunderts Bugwülste entwickelt, d. h.
Schiffskörperformen im Bereich des Bugs oder Stevens, bei denen dieser wulstförmig
verbreitert ist. Theoretische Untersuchungen über den Bugwulst ergaben, daß der
nützliche Geschwindigkeitsbereich eines Wulstes im allgemeinen in einem Froudezahlbereich
zwischen 0,24 und 0,57 liegt. Je heftiger die Wellenerzeugung durch den Schiffskörper
selbst ist, desto größer ist auch der durch Anordnung eines Wulstes zu erwartende
Gewinn. Sind die Linien nicht extrem hohl, so ergibt sich als beste Lage für den
Wulst eine solche, in welcher der Wulstmittelpunkt am Bug liegt, so daß sich die
Wulstnase über den Schiffskörper nach vorn erstreckt. Darüber hinaus sollte ein
derartiger Wulst so niedrig wie möglich in Übereinstimmung mit den Schiffslinien
angeordnet sein. Auch sollte der Wulst in seiner Länge so kurz und in seiner Breite
so breit wie möglich in Übereinstimmung mit den Schiffslinien sein. Außerdem sollte
die vordere Wulstnase nicht zu nahe an der Wasseroberfläche liegen, die Wulstoberkante
sollte mindestens um das Maß der Wulstbreite unter der Wasseroberfläche liegen.
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Aus diesen theoretischen Überlegungen folgt, daß Wulstbüge zunächst
für Schiffe in einem Froudezahlbereich von 0,24 bis 0,57 von Vorteil sind. Dies
bedeutet relativ schnelle Schiffe mit feinen Linien und kleinen Völligkeitsgraden.
Außerdem läßt sich den theoretischen Überlegungen entnehmen, daß der Wulst möglichst
tief im Wasser liegen und seine Nase immer wesentlich unter die Wasseroberfläche
eintauchen sollte.
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Zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung werden Bugwülste zweckmäßigerweise
in zwei Klassen eingeteilt, nämlich in vorspringende und zurücktretende Bugwülste.
Vorspringende Bugwülste bilden einen Wulst oder wulstartigen Vorsprung im unteren
Teil des Schiffskörpers, der sich über das vordere Lot hinaus nach vorn erstreckt.
Die Anwendung derartiger Bugwülste beschränkte sich in der Praxis im allgemeinen
jedoch nur auf schnelle Schiffe, die mit im wesentlichen gleichem Tiefgang fahren,
insbesondere auf Passagierschiffe. Vorspringende Bugwülste wurden gelegentlich auch
bei verhältnismäßig schnellen Frachtschiffen verwendet, wobei jedoch stets auf die
nachteilige Wirkung des Wulstbuges hingewiesen wurde, die sich ergibt, falls der
Wulst in der Wasseroberfläche zu liegen kommt. So heißt es wörtlich in einer Veröffentlichung,
daß natürlich die Anwendung von Wulstbügen auf solche Fälle beschränkt sei, in denen
keine großen Unterschiede beim vorderen Tiefgang auftreten.
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Zurückspringende Bugwülste unterscheiden sich in ihrem Charakter und
haben die Form eines Wulstes bzw. einer Verdickung im vorderen unteren Teil des
Stevens hinter dem vorderen Lot. Derartige Bugwülste wurden bei Tankern, ähnlichen
Massengutfrachtern und anderen Schiffen seit Ende der dreißiger Jahre dieses Jahrhunderts
verwendet. Der herrschenden Meinung zufolge haben derartige Bugwülste einen verhältnismäßig
geringen Einfluß auf die Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit; ihr Hauptvorteil
wurde in der Schaffung kleinerer Wasserlinien-Eintrittswinkel an den vorderen Wasserlinien
und in einer Verlagerung des Verdrängungsschwerpunktes nach vorn gesehen, um einen
besseren Trimmzustand des beladenen Schiffes zu erhalten. Außerdem besteht die Möglichkeit,
die Völligkeit des Hinterschiffes entsprechend dem Volumen des Wulstbuges zu vermindern,
um dadurch den Propulsionswirkungsgrad zu verbessern. Dabei wurden Überlegungen
über den möglichen schädlichen Einfluß eines solchen Buges angestellt, wenn sich
das Schiff auf Ballasttiefgang befindet, wobei die stumpfe Kontur des Bugwulstes
gerade in die Wasseroberfläche zu liegen kam. Dabei wurde ein entweder
vertikaler
oder leicht nach hinten zurückspringender Eintrittswinkel des Stevens verwendet,
und man beobachtete keinen schädlichen Einfluß.
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Derartige zurückspringende Bugwülste, wie man sie an Tankern angebracht
hat, sind verhältnismäßig klein und haben lediglich einen Querschnitt von nur wenigen
Prozent, bezogen auf die Hauptspantfläche des Schiffs. Dabei mißt man die Wulstbugfläche
in üblicher Weise dadurch, daß man die in einem gewissen Abstand vom vorderen Lot
vorhandene Querschnittsfläche auf das vordere Lot projiziert. Es wurde bereits eine
Schiffsform mit Wulstbug beschrieben, dessen Spantfläche am vorderen Lot 10°/o der
Hauptspantfläche beträgt.
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Zusammenfassend ist dem Stand der Technik also die Lehre zu entnehmen,
vorspringende Wulstbüge nur bei schnellen Schiffen mit feinen Linien anzuordnen.
Bei völligen, relativ langsamen Schiffen war man durchwegs der Auffassung, daß sich
durch die Anordnung eines vorspringenden Bugwulstes Nachteile oder zumindest nur
unwesentliche Vorteile bezüglich einer Widerstandsverminderung erzielen lassen.
Die Auffassung, daß der vorspringende Bugwulst jedenfalls dann von Nachteil ist,
'wenn er in den Bereich der Wasseroberfläche gelangt, was bei Frachtschiffen mit
unterschiedlichem Tiefgang und auch bei Seegang in Kauf genommen werden muß, ließ
die Anwendung von vorspringenden Wulstbügen bei völligen, relativ langsamen Frachtschiffen
bisher als sinnlos, wenn nicht gar nachteilig erscheinen.
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Es muß daher als völlig unerwartete Erkenntnis gewertet werden, daß
sich trotz dieser ablehnenden Beurteilung durch die Anordnung eines vorspringenden
Bugwulstes bei völligen Frachtschiffen ganz erhebliche Vorteile bezüglich höherer
Geschwindigkeit und damit höherer Wirtschaftlichkeit, insbesondere für Frachtschiffe
auf der Ballastfahrt, ergeben.
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Der erfindungsgemäße Bugwulst für völlige Frachtschiffe zeichnet sich
dadurch aus, daß eine bekannte Bugwulstform, die über das vordere Lot nach vorn
vorspringt und etwa in der Konstruktionswasserlinie in den Schiffskörper übergeht
und deren vorderster Punkt unterhalb der tiefsten Ballastwasserlinie liegt, an Frachtschiffen
mit einem Völligkeitsgrad von mindestens 0,75, deren Ballastwasserlinien zwischen
45 und 80°/o des Konstruktionstiefganges liegen und deren Froudezahl < 0,25 ist,
vorgesehen ist.
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Die vor dem vorderen Lot und oberhalb der etwa zwischen 50- und 60%-Wasserverdrängungslinien
liegende Ballastwasserlinie vorspringende Wulstfläche beträgt dabei zweckmäßigerweise
im Längsschnitt wenigstens ein Sechstel der Gesamtfläche des Wulstes vor dem vorderen
Lot. Als eine geeignete Wulstbuglänge hat sich beispielsweise eine solche erwiesen,
die 1,5 bis 2,10% der Schiffslänge zwischen den Loten beträgt. Außerdem liegt -das
Verhältnis von Wulstlänge zwischen seinem vordersten Punkt und dem vordersten Lot
zur größten Wulstbreite am vorderen Lot zweckmäßigerweise zwischen 0,5 und 2,5,
wobei der vorderste Punkt des Bugwulstes zwischen den 30- und 40% Wasserverdrängungslinien
liegen kann.
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Der mit dem erfindungsgemäßen Bugwulst erzielbare technische Fortschritt,
d. h. die größere Wirtschaftlichkeit durch Geschwindigkeitsgewinn, Tragfähigkeitserhöhung
oder geringere Maschinenleistung ist wesentlich größer als derjenige, den man mit
den bei Frachtschiffen bisher üblichen Bugwülsten erreichen konnte. Modellversuche
und auch die ersten tatsächlich mit dem erfindungsgemäßen Bugwulst ausgestatteten
Frachtschiffe haben den großen Vorteil des erfindungsgemäßen Bugwulstes klar unter
Beweis gestellt. Tatsächlich läßt sich ein ganz erheblicher Vorteil durch den Umbau
eines mit einem üblichen Bugwulst oder ohne Bugwulst ausgestatteten Frachtschiffes
durch Anbau des erfindungsgemäßen Bugwulstes erzielen.
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Im Hinblick auf die eingangs beschriebene Empfehlung, den Wulst stets
unter Wasser anzuordnen, stellt der mit dem erfindungsgemäßen Bugwulst erzielbare
technische Fortschritt tatsächlich ein völlig unerwartetes Ergebnis dar, und zwar
nicht nur unter Berücksichtigung des zumindest teilweise über der Wasseroberfläche
liegenden Bugwulstes, sondern auch bezüglich der sehr niedrigen Froudezahlen, die
bei den Frachtschiffen erfüllt sind, für die der Bugwulst bestimmt ist. Die Ladewasserlinie
des Schiffes ist zwar durch seine Konstruktion festgelegt, die Ballastwasserlinie
kann jedoch entsprechend den Wetterbedingungen und Schiffseigenschaften verschieden
sein. Normalerweise wird man die Ballastwasserlinie so niedrig wie möglich festlegen,
um den Widerstand zu verringern und dadurch entweder Treibstoff zu sparen oder bei
gleichem Treibstoffverbrauch eine höhere Geschwindigkeit zu erzielen. Nimmt man
die Wasserlinien mit 011/o bei Kielniveau und 100% bei vollem Tiefgang (LWL) an,
so liegt bekanntlich der normale Bereich der Ballastwasserlinien für Tankschiffe
zwischen etwa 50 und 60%.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele.
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F i g. 1 a und 1 b zeigen schematische Längsschnitte durch die Vorteile
zweier mit Bugwülsten ausgestatteter Schiffe und dienen zur Erläuterung; F i g.
2 a zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung; F i g. 2 b ist ein Querschnitt durch den Wulstbug am vorderen Lot
FP gemäß F i g. 2 a; F i g. 2 c ist ein Schnitt nach der Linie B-B' in F i g. 2b;
F i g. 3 zeigt einen ähnlichen Längsschnitt wie F i g. 2 a mit drei verschiedenen
Bugwülsten; F i g. 4 zeigt einen ähnlichen Schnitt wie F i g. 2 a und dient zur
weiteren Erläuterung der Erfindung; F i g. 5 ist ein vergrößerter Längsschnitt und
zeigt einige Wasserlinienprofile; F i g. 6 ist ein Querschnittsprofil des Wulstbuges
nach F i g. 5; F i g. 7 ist eine Darstellung von Wasserlinienprofilen des Wulstbuges
in verschiedenen Höhen; F i g. 8 ist eine Zusammenstellungszeichnung verschiedener
vor dem vorderen Lot liegender Wulstquerschnitte des in F i g. 9 dargestellten Bugwulstes.
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In den F i g. 1 a und 1 b sind zwei einfache Ausführungsbeispiele
für vorspringende Bugwülste gezeigt. Diese bestehen aus einer Halbkugel mit dem
Radius r, die am Bug mittels geeigneter Übergänge angebracht ist. Derartige Bugwülste
haben ein Wasserlinienprofil, das aus dem vom Wulst gebildeten Halbkreis und zwei
parallelen oder geneigten Geraden entsprechend den Übergängen gebildet ist. Dementsprechend
erhält man bei einem senkrechten
Querschnitt durch den Wulstbug
gemäß F i g. 1 a ein rundes und bei einem Querschnitt durch den Wulstbug gemäß F
i g. 1 b ein eiförmiges Profil.
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Bei einer in den F i g. 2a, 2 b und 2e gezeigten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Wasserlinienprofile des Wulstbuges hydrodynamisch zur Erzielung
eines möglichst geringen Widerstandes konstruiert, beispielsweise in Form eines
Joukowskyprofils oder Göttingerprofils. Wie man aus F i g. 2 c erkennt, wird dabei
lediglich der vordere Profilteil für die Kontur des Wulstbuges verwendet; etwa vom
Punkt der größten Breite des theoretischen Profils erstrecken sich allmählich breiter
werdende übergänge nach hinten in den Schiffskörper hinein. In F i g. 2 a ist ein
Mitetllängsschnitt des Schiffsbuges dargestellt. Man erkennt daraus, daß der Wulstbug
sich vor das vordere Lot FP erstreckt. Seine größte Breite und Länge liegt in der
Ebene B-B' unterhalb der Ballastwasserlinie (BWL). Die Kontur des Bugwulstes geht
etwa in der Höhe der Konstruktionswasserlinie (LWL=Ladewasserlinie) in die normale
weiter und gestrichelt eingezeichnete Stevenkontur über. Dieser Bugwulst ist im
Wasserlinienprofil in seinem vorderen Teil in Form eines Joukowskyprofils geformt,
dessen größte Breite etwa in der Ebene des vorderen Lots liegt und das mittels leicht
konkaver Übergänge gemäß F i g. 2 c in den Schiffskörper übergeht. In F i g. 2 b
ist ein Querschnitt durch das vordere Lot FP dargestellt, und man erkennt, daß sich
beim Schnitt durch den Bugwulst in dieser Ebene ein tropfenförmiges, im Bereich
der Kiellinie stumpf keilförmig zulaufendes Querschnittsprofil ergibt. F i g. 2
c zeigt einen Horizontalschnitt in der Ebene B-B'. Die vertikale strichpunktierte
Linie in F i g. 2 c kennzeichnet die Lage der Ebene des vorderen Lotes. Die theoretische
Form des Joukowsky-Profils wird in F i g. 2 c im vorderen Teil vom Wulstbug eingenommen
und ist im hinteren Teil gestrichelt eingezeichnet.
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Die anderen Wasserlinienschnitte parallel zu dem in der Ebene B-B'
liegenden größten Schnitt sind etwa von ähnlicher Gestalt, obwohl sie gegen die
LWL merklich schärfer werden, wo sich die Wulstbugbreite schnell vermindert. Legt
man durch den Wulstbug, ausgehend vom vorderen Lot, weitere Querschnitte, so ergibt
sich bei Annäherung an den vordersten Punkt des Bugwulstes zunächst die bereits
in F i g. 2 b gezeigte tropfenförmige Querschnittsfläche, die immer mehr eiförmig
wird, wie man aus der vergrößerten Darstellung von F i g. 8 erkennt.
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Um einen Wulst mit bestimmtem Volumen zu schaffen, lassen sich die
verschiedensten Formen von einem stumpfen, nur wenig vorspringenden bis zu einem
langen, dünnen, weit nach vorn vorspringenden Profil verwenden. Im allgemeinen wird
die stumpfe Form bevorzugt; ferner bevorzugt man dabei Übergänge des oberen Wulstbugteiles
in den Schiffskörper, die an oder etwas unterhalb der LWL in letzteren eintreten
sollen.
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Dies ist in F i g. 3 an Hand dreier voll, gestrichelt und strichpunktiert
eingezeichneter Profile a, b und c eingezeichnet. Aus diesen Profilen erkennt
man, daß sie zunächst von der LWL konkav und anschließend über den vordersten Punkt
des Wulstbuges gegen die Kiellinie (KL) konvex verlaufen. Zweckmäßigerweise beträgt
der Winkel zwischen jeder Ballastwasserlinie und der Tangente an die Wulstoberkante
in Höhe dieser Wasserlinie im Längsschnitt mindestens 30, vorzugsweise 40°.
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Bezüglich der Größe des Wulstbuges wurde folgende Gleichung zur Festlegung
der Wulstbugdimensionen für einen geeigneten Schiffskörper empirisch ermittelt:
Dabei bedeutet b = maximale Wulstbreite in der Ebene des vorderen Lotes, l = maximale
Wulstlänge vor dem vorderen Lot, B, = Schiffsbreite 5 % hinter dem vorderen Lot
in Höhe der LWL, L, = Schiffslänge zwischen den Loten, d = maximaler Tiefgang des
Schiffes.
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Der Wert der Konstante C in dieser Gleichung kann zwischen 0,03 und
0,3 variieren. Normalerweise wird man jedoch einen Bereich zwischen 0,05 und 0,2
nicht überschreiten. Ein bevorzugter Bereich liegt zwischen 0,07 und 0,18.
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Die obige Formel gibt eine Beziehung zwischen maximaler Wulstlänge
l und maximaler Wulstbreite b.
Zur tatsächlichen Bestimmung der Abmessungen
des Wulstbuges ist es erforderlich, eine zweite Bestimmungsgleichung zu haben. Hier
empfiehlt es sich, das Verhältnis Z/b zu verwenden. Hierfür hat sich ein Bereich
von 0,5 bis 2,5 als zweckmäßig erwiesen.
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An Stelle des 1/b-Verhältnisses läßt sich das Z/LS Verhältnis zur
Festlegung der Wulstdimensionen verwenden. Für dieses Verhältnis sind Werte von
1,5 bis 2,1% verwendbar.
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Wie bereits erwähnt, soll ein wesentlicher, wenn auch kleinerer Teil
des Wulstes oberhalb der BWL und der vorderste Punkt unter der BWL liegen.
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Das oberhalb der BWL frei liegende Wulstvolumen kann beträchtlich,
je nach der Wahl der BWL und der gewählten Wulstbugprofile, variieren. Es ist bequemer
und auch ausreichend, an Stelle des Volumens die Fläche des Mittellängsschnittes
durch den Wulstbug vor dem Lot FP zu berücksichtigen.
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Dies soll im folgenden unter Bezugnahme auf F i g. 4 näher erläutert
werden. In dieser Figur sind die Verdrängungslinien im 10%-Abstand eingezeichnet.
Man erkennt, daß der vorderste Punkt des Wulstbuges in der Mitte zwischen den 30-
und 40%-Wasserlinien liegt. Nimmt man die 60o/o-Wasserlinie als BWL an, so stellt
die Fläche A etwa ein Sechstel der Gesamtfläche A+B+C dar. Dieses Flächenverhältnis
beträgt für die 50%-BWL etwa ein Drittel.
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F i g. 5 zeigt einen vergrößerten Mittellängsschnitt, in dem einige
Wasserlinienprofile eingezeichnet sind. Die eingezeichneten Wasserlinien ergeben
einen bildlichen Eindruck von der Form der in F i g. 5 eingezeichneten Wülste I
und 1I.
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F i g. 6 zeigt ein Querschnittsprofil des Bugwulstes nach F i g. 5,
in welchem die Spantprofile am und hinter dem vorderen Lot bis zum 19. Spant erkennbar
sind. Die hinter dem 19. Spant liegenden Spanten entsprechen der ursprünglichen
Schiffsform. Die hinter dem vorderen Lot FP liegenden Wulstübergänge sind aus den
Zwischenschnitten in den Stellungen 19, 191/4, 191/z und 193/4 erkennbar. Aus den
eingezeichneten
Verdrängungslinien erkennt man (vgl. insbesondere
F i g. 5), daß die vordersten Punkte beider Bugwülste etwa bei der 35%-Wasserlinie
liegen und daß ein nicht unerheblicher Teil der Mittellängsschnittfläche oberhalb
der Ballastwasserlinie und vor dem vorderen Lot liegt. Bei den F i g. 5 und 6 stellt
der gestrichelt eingezeichnete Bereich zwischen der 50- und 60%-Wasserlinie den
üblichen Ballastwasserlinienbereich dar.
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F i g. 7 ist eine Darstellung von Wasserlinienprofilen des Wulstbuges
in verschiedenen Höhen. Die ausgezogen eingezeichneten Wasserlinienprofile 1 bis
6 entsprechen den bei Draufsicht sichtbaren Wasserlinienprofilen, und die gestrichelt
eingezeichneten Profile 7 bis 9 sind die Wasserlinienprofile unterhalb des vordersten
Punktes des Wulstbuges. Die Schnittebenen entsprechen den in den F i g. 8 und 9
eingezeichneten Ebenen 1 bis 9.
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F i g. 8 ist eine Zusammenstellungszeichnung von neun verschiedenen
Querschnitten vor und hinter dem vorderen Lot FP gemäß der Schnitteinteilung von
F i g. 9. Der vorderste Querschnitt J liegt in der Ebene des vordersten Punktes,
wie man aus Fi g. 9 erkennt, so daß in F i g. 8 dieser Schnitt tatsächlich nur noch
in Form des vordersten Wulstbugpunktes J erscheint. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel
liegt der Punkt J zwischen der 30- und 40%-Wasserlinie. Insbesondere aus den F i
g. 7 bis 9 erhält man einen guten Eindruck von der Wulstbugform. Der Krümmungsradius
der Stevenkontur ist in Höhe der LWL bzw. der waagerechten Schnittebene 1 sehi klein,
wird aber bei Annäherung an den vordersten Punkt des Wulstbuges stetig größer (F
i g. 7).
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Modellversuche mit einem 48 000-DWT-Tanker unter Verwendung des in
F i g. 5 gezeigten Bugwulstes I ergaben einen Geschwindigkeitsgewinn im Ballastzustand
von etwa 0,8 Knoten in einem Geschwindigkeitsbereich zwischen 15 und 17,5 Knoten
bei einer Ballastwasserlinie von 55% und noch größere Geschwindigkeitsgewinne bei
niedrigeren Ballastwasserlinien. Gewisse Geschwindigkeitsgewinne wurden auch im
voll beladenen Zustand erreicht.
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Bei einem 36 000-DWT-Tanker-Modell betrug der Geschwindigkeitsgewinn
im Ballastzustand bei der 550:`o-Wasserlinie gleichfalls etwa 0,8 Knoten. Weitere
Modellversuche wurden mit einem 26 000-DWT-, 65 000-DWT-, 90 000-DWT- und einem
verlängerten 36 000-DWT-Schiff gemacht. Der Geschwindigkeitsgewinn bei diesen Versuchen
betrug im Mittel etwa 4,5% bei der 60%-Ballastwasserlinie. Bei Reduzierung der Ballastwasserlinie
auf 45% lag der Geschwindigkeitsgewinn sogar zwischen 6,5 und 70lo.
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Inzwischen liegen auch bereits praktische Versuchsergebnisse vor.
Auf einer Gesamtstrecke von etwa 1,5 Millionen Seemeilen konnte bei 13 mit dem erfindungsgemäßen
Wulstbug ausgestatteten Tankschiffen bei einer mittleren Reisegeschwindigkeit von
17 Knoten insgesamt ein Geschwindigkeitsgewinn von etwas mehr als 1 Knoten, bezogen
auf die Lade- und Ballastreise, erzielt werden. Dies entspricht einer mittleren
Geschwindigkeitssteigerung von 6,6%. Dabei wurde die Ballastreise im Durchschnitt
mit einer Verdrängung von etwa 50 % durchgeführt, so daß der tatsächlich erreichte
Geschwindigkeitsgewinn besser als der durch die Modellversuche zu erwartende ist.