Zöllner, Joachim

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Article, Published VersionZöllner, JoachimSchiffbauliche Maßnahmen zur Reduzierung derSohlbeanspruchungMitteilungsblatt der Bundesanstalt für WasserbauVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/102686Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Zöllner, Joachim (2000): Schiffbauliche Maßnahmen zur Reduzierung derSohlbeanspruchung. In: Mitteilungsblatt der Bundesanstalt für Wasserbau 82. Karlsruhe:Bundesanstalt für Wasserbau. S. 23-25.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. 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Darin heißt es: „Wenn man die Entwicklungder Binnenschiffahrt ..... betrachtet und feststellt, in wel-chem Maße die Größe der Antriebsleistungen und dieSchiffsabmessungen seither zugenommen haben, dannmuss man berücksichtigen, dass diese Entwicklungnicht allein durch die technischen Fortschritte im Schiffs-und Maschinenbau und durch die wirtschaftliche Ent-wicklung des Transportwesens ermöglicht wurde, son-dern dass erst der Ausbau der Wasserstraßen eineSchiffahrt mit den heute gebräuchlichen Schiffstypen er-möglicht hat“.Die damaligen Schiffstypen waren in Klassen eingeteilt:Klasse I PenicheL x B x T = 38,5 m x 5,0 m x 2,2 mZuladung 300 tKlasse II KempenaarL x B x T = 50,0 m x 6,6 m x 2,5 mZuladung 600 tKlasse III Dortmund-Ems-Kanal-KahnL x B x T = 67,0 m x 8,2 m x 2,5 mZuladung 1000 tKlasse IV Rhein-Herne-Kanal-KahnL x B x T = 80,0 m x 9,5 m x 2,5 mZuladung 1350 tKlasse IV RheinkahnL x B x T = 95,0 m x 11,5 m x 2,7 mZuladung 2000 tDer ladungsspezifische Widerstand (Widerstand proLadungstonne) stellte sich im Verhältnis zum Rheinkahnwie folgt dar:Es ist zu erkennen, dass das größere Schiff einen klei-neren ladungsspezifischen Widerstand aufweist.Bis zur heutigen Zeit haben sich die Schiffe nochmalsvergrößert. Das wird auch durch die Betrachtung derim Mittel pro deutschem Schiff in Deutschland beför-derten Ladungstonnen verdeutlicht (aus „Binnenschif-fahrt in Zahlen 1998“, BdB und BdS).2 Wechselwirkung Schiff -WasserstraßeAuf Grund des Wasserstraßenausbaus wurde die Bin-nenschifffahrt in die Lage versetzt, mit größeren Schif-fen schneller zu fahren als vor den Ausbaumaßnahmen.Die Stabilisierung der Wassertiefen z. B. schuf eineGrundlage, um die Schiffe länger, d. h. an mehr Tagenim Jahr, zu betreiben. Ein weiterer Faktor war die Um-schlagbeschleunigung, die auch heute ein aktuelles The-ma ist. Schlussendlich haben auch schiffbauliche Maß-nahmen zur Steigerung der Effizienz des Schifftrans-ports beigetragen.Bis auf die Umschlagbeschleunigung üben die oben ge-nannten Maßnahmen einen Einfluss auf die Wechsel-wirkung zwischen Schiff und Wasserstraße aus. Die Ver-drängungsströmung um ein Schiff wächst mit der Ver-größerung der Hauptabmessungen und mit der Annä-herung des Schiffsbodens an die Flusssohle.In der Ansicht von oben stellt sich die Schiffsumströmungso dar, dass im Bugbereich ein Stau beobachtet wird,im Bereich des parallelen Mittelschiffs Übergeschwin-digkeiten herrschen und am Achterschiff der Heckstausowie Strömungsablösung wirken.3 Welche schiffbaulichenMaßnahmen gibt es?Die Einflüsse auf die Flusssohle werden reduziert, wennder Verlauf der Schiffsumströmung vergleichmäßigtwird. Das heißt, es sollten schmale Schiffsenden undweiche Übergänge zum Hauptspant gewählt werden.Dieses ist gleichzeitig verbunden mit einer Verbesse-rung des Leistungs-Geschwindigkeitsverhaltens (Pro-pulsionsverhalten).3.1 BugbereichIm Jahr 1937 wurde bei dem Motorschiff „Rhenus 92“der Antrieb mit zwei Bugschrauben, die in Kortdüsenliefen, realisiert. Ziel war, die Bugwellenhöhe (Bugstau)Schiffbauliche Maßnahmen zur Reduzierung derSohlbeanspruchungDIPL.-ING. JOACHIM ZÖLLNER, VERSUCHSANSTALT FÜR BINNENSCHIFFBAUTyp L/B Widerstand/Ladungstonne [%]RheinkahnRhein-Herne-Kanal-KahnDortmund-Ems-Kanal-KahnKempenaarPeniche8,258,408,207,607,70100105120215360JahrLadungsmengepro JahrMio [ t ]Ladungsmengepro Schiff und Jahr[ t ]Transportleistungpro Schiff und JahrMio [tkm]19601970198019901996103,4137,4126,4102,792,813434203103099634348297863,65,28,810,79,424 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt für Wasserbau Nr. 82 (2000)Zöllner:  Schiffbauliche Maßnahmen zur Reduzierung der Sohlbeanspruchungzu reduzieren, was auch erreicht wurde. Nachteilig waroffensichtlich das Schadenspotenzial durch Treibgut,denn diese Entwicklung wurde nicht weitergeführt.Schlanke Bugformen wurden in den 50er-Jahren häufiggebaut. In den 60er- und 70er-Jahren wurden zuneh-mend völligere Bugformen eingesetzt, da diese einegrößere Tragfähigkeit ermöglichten. Beispielhaft seiendie Pontonbugformen wie beim Schubleichter zu erwäh-nen. Nach den Ölkrisen der 70er-Jahre wurde in den80er-Jahren die Bugform wieder in der üblichen Steven-form ausgeführt.Bugwülste wurden zu Ende der 80er-Jahre hinsichtlichihres widerstandsmindernden Einflusses bei Binnen-schiffen im Modellversuch überprüft. Es gab dabei auchpositive Ergebnisse, jedoch bei enggefassten Wasser-tiefen-Tiefgangsrelationen. Grundsätzlich hilft der Bug-wulst nur bei konstanten Wassertiefen, Tiefgängen undGeschwindigkeiten. Die genannten Variablen ändernsich in der Binnenschifffahrt jedoch dauernd.Fazit:Schlanke Bugformen weisen eine harmonische Schiffs-umströmung auf. Nachteilig ist die geringere Verdrän-gung und Tragfähigkeit. Die von fast allen neuen Schif-fen geforderte Containertauglichkeit führt zu einem La-deraum, der in Abhängigkeit der Container-Stauung weitin den Bug hineinreicht. Nur unter Verzicht der beidenunteren äußeren Containerstellplätze im Vorschiff kanneine schlanke Bugform realisiert werden.Formveränderungen im Vorschiff können zwar wirksamsein, sind aber stets unter dem Blickwinkel unterschied-lichen Schiffseinsatzes - alleinfahrend oder mit vorge-setzten Leichtern - zu sehen. Dabei gilt generell, dassein für die Alleinfahrt gut ausgebildeter Bug erheblicheNachteile beim Schieben eines Leichters infolge beson-ders hoher Übergangswiderstände mit sich bringt.3.2 HinterschiffDer Einfluss der Hinterschiffslänge auf die Schiffsum-strömung ist noch wichtiger als der des Vorschiffs. DerPropeller muss genügend Wasser zugeführt bekommen,um einen günstigen Wirkungsgrad zu erzielen.Unter Flachwasserbedingungen wird diese Wasserzu-fuhr durch kleine Restquerschnitte unter dem Schiffzusätzlich erschwert, so dass das Wasser zum größtenTeil seitlich zuströmen muss.Weiterhin muss sichergestellt sein, dass keine Luft inden Propellerzustrom gelangt, da sonst der Schub dras-tisch abnimmt. Deshalb sind Flachwasserschiffe fastdurchweg getunnelt, um mit den seitlich angeordnetenTunnelschürzen den Lufteinbruch zu verhindern. DieGröße des Propellerdurchmessers und die Höhe derseitlichen Schürzen sind abhängig von dem kleinstenzu fahrenden Tiefgang. Dieser wiederum ist abhängigvom Einsatzgebiet.Auf dem Rhein z.B. liegt der kleinste Tiefgang bei un-gefähr 1,6 m und die Propellerdurchmesser der Güter-schiffe liegen in einer Größenordnung von ca. 1,3 m bis1,9 m.Die für gute Propulsionseigenschaften erforderliche Tun-nellänge vor dem Propeller ist so zu wählen, dassschlanke weiche Schiffslinien entstehen. Beim Ein-schrauber beträgt diese Länge ca. 1,85 Schiffsbreiten.Hinter dem Propeller muss noch genügend Platz für dieRuderanlage bereitgestellt werden.Bedeutende Erfolge bezüglich Senkung des Energie-bedarfs wurden erzielt durch Forschung und Entwick-lung im Bereich der Propellerummantelung durch Dü-sen. Im Prinzip sind Düsen durch die Erfindung vonLudwig Kort seit den 20er-Jahren bekannt und wurdenin verschiedenen Abwandlungen auch genutzt. DerDurchbruch zu breiter Anwendung in Verbindung mithochbelasteten Binnenschiffspropellern gelang jedocherst unter dem Druck der Verknappung und/oder exor-bitanten Verteuerung des Dieselkraftstoffes während derÖlkrisen.Durch neu entwickelte Profilformen und verminderte An-fälligkeit gegen Einsaugen und Durchsatz von Fremd-körpern konnten gleichermaßen hydrodynamische Fort-schritte erzielt und praxisgerechte Ausführungen bereit-gestellt werden. Energieeinsparungen von 15 % bis25 % durch Düsen im Vergleich zum düsenlosen Pro-peller mit gleichem Durchmesser je nach den herrschen-den Randbedingungen von Schiff und Fahrwasser sindeindeutig nachweisbar.In der Praxis besonders erfolgreich erwies sich dieseEnergiesparmöglichkeit dadurch, dass auch die nach-trägliche Ausrüstung vorhandener Schiffe mit Düsentechnisch möglich und in den meisten Fällen auch wirt-schaftlich sinnvoll ist.Überschreitet die Schubanforderung die Maximalbelas-tung des Propellers, muss ein Mehrschraubenschiffgewählt werden.4 SchubschifffahrtBei der seit 1957 eingeführten Schubschifffahrt sieht dieBilanz nicht ganz so positiv aus. Zunächst ist der Wider-stand je Tonne Ladung eines Verbandes aus zwei odermehr Fahrzeugreihen nebeneinander ohnehin deutlichgrößer als der eines Motorgüterschiffes, das mit glei-cher Geschwindigkeit fährt. Hinzu kommt der Einflusseiner zwangsläufig ungünstigeren Formgebung desLeichterverbandes im Vergleich zum Schiff. Schließlichwirken sich Verbesserungen am Schubboot nur teilwei-se aus, da ein Leichterverband mit wechselnden Tief-Mitteilungsblatt der Bundesanstalt für Wasserbau Nr. 82 (2000) 25Zöllner:  Schiffbauliche Maßnahmen zur Reduzierung der Sohlbeanspruchunggängen vor dem Boot mit nahezu konstantem Tiefgangangeordnet ist. So muss ein Schubverband, als Einheitbetrachtet, ständig Veränderungen seiner „Hinterschiffs-form“ hinnehmen. Dennoch sind die Vorteile von Schiffs-verbänden in den Punkten Personalbedarf, Konzentra-tion der Ladungsmengen und Ausnutzung des investier-ten Kapitals so groß, dass dieses Transportsystem beider regelmäßigen Beförderung großer Ladungsmengenzwischen festen Endpunkten allen anderen Systemenweit überlegen ist.Die letzten Entwicklungen bei Streckenschubbootenführten zum Fortfall der Flankenruder. Diese Neubau-ten konnten auf diese für Rückwärtsmanövrieren undbeim Stoppen bisher notwendigen Ruder verzichten, daihre Hinterschiffsform das Steuern rückwärts mit denHauptpropellern erleichtert und weil die Boote im Vor-schiff über ein Querstrahlsteuer verfügen.Für die normale Streckenfahrt bedeutet der Verzicht aufdie Flankenruder eine Leistungseinsparung von minde-stens 6 % bis 8 %.5 MotorschiffsverbändeObgleich Vergrößerungen des L/B über 10 hinaus aufbegrenzter Wassertiefe und auf flachem Wasser nurnoch kleiner werdende Vorteile im spezifischen Wider-stand bringen, lohnt das Vorsetzen eines Schubleich-ters und damit ein Sprung im totalen Längen-Breiten-Verhältnis von 10 auf ca. 16,5 hydrodynamisch durch-aus noch.Solche sogenannten „einspurigen“ Verbände erweisensich auch bei der klassischen Schubschifffahrt mitSchubboot und Leichtern als außerordentlich energie-sparend.Die hohen Übergangswiderstände an der Koppelstellekönnen durch konstruktive Maßnahmen reduziert wer-den. Es gibt zum Beispiel die Möglichkeit, den Bug desschiebenden Fahrzeugs so zu gestalten, dass er alsKastenbug das gespiegelte Gegenstück zum Schub-leichterheck darstellt. Hierbei ist die Alleinfahrt des be-ladenen Einzelfahrers auf Grund des großen Widerstan-des des Kastenbuges wirtschaftlich nicht vertretbar.Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Stevenbugdes Motorschiffes beizubehalten und das Schubleichter-heck passgenau als Gegenstück auszubilden. Das hatden Nachteil, dass der so veränderte Schubleichter nichtmehr universell, sondern nur mit dem entsprechendenBug im Schubbetrieb eingesetzt werden kann.Mit einer flexiblen Auffüllung der Koppelstelle ist es mög-lich, die Wirbelbildung zu vermindern, ohne den Ein-satz des schiebenden Motorschiffes oder des Schub-leichters einzuschränken, d.h. der universelle Einsatzbleibt möglich.6 PropulsionssystemeNeben dem klassischen Propeller gibt es mehrere an-dere Propulsionssysteme. Als erstes sei der Ruder-propeller genannt, der von mehreren Herstellern ange-boten wird. Der Ruderpropeller ist ein sogenannter Z-Antrieb. Mit diesem Antrieb ist es möglich, den Propel-ler in jede Richtung rundum zu schwenken. Damit wirddas Hauptruder ersetzt und der Ruderwiderstand ent-fällt. Die Konstruktion des Unterwasserteils mit dermechanischen Übertragung ist jedoch so groß, dass derGesamtwirkungsgrad wieder etwas abfällt.In der jüngsten Vergangenheit wurden mehrere Z-An-triebe mit zwei Propellern hintereinander angeordnetentwickelt. Es gibt dabei gegenläufige und gleichlau-fende Propeller. Sie haben den Effekt, dass die Schub-belastung auf mehr Propellerfläche verteilt wird.Ein weiteres Antriebsorgan ist der Flügelrad- oderZykloidalpropeller, der ähnlich wie der Ruderpropellersteuerfähig ist und bei hohen Manövrieranforderungengewählt wird.Eine weitere Alternative ist das Schaufelrad, das be-sonders gut bei extremem Flachwasser wirkt.

Schiffbauliche Maßnahmen zur Reduzierung der Sohlbeanspruchung

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