Wasserwiderstand durch Bewuchs - AUSGEBREMSTFoto: H. Brandt

Wasserwiderstand durch Bewuchs - AUSGEBREMST

 

5.7.2017, Lesezeit: 8 Minuten

Wir erklären,wie sich Bewuchs an Unterwasserschiff und Propeller auf die Fahrleistung von Verdrängern und Gleitern auswirkt

Für den Erwerb und Betrieb eines Sportbootes sind gegenwärtig weniger emotionale, sondern zunehmend rationale Argumente entscheidend. Dennoch soll der Eigner auch ein wenig stolz sein auf die Leistungsfähigkeit seines Bootes und an höheren Geschwindigkeiten Spaß haben.

Um dies zu gewährleisten, sollen hier die Folgen und Auswirkungen verschmutzter, mit Algenbewuchs und Muscheln besetzter Unterwasserschiffe und Propeller auf die Leistungsfähigkeit einer Motoryacht dargestellt werden. Dabei handelt es sich sowohl um die Werterhaltung des Bootes, als auch – und dies ist sicher wesentlicher – um die Belastung der Umwelt, die erhöhten Betriebskosten und die Reduzierung der Fahrtgeschwindigkeit.

Foto: H. Brandt
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Bereits vor Jahren wurde in einem Fahrbericht von BOOTE (6/2000) zum gleichen Thema erläutert:

"Die Reise über die Adria nach Rovinj endete jedoch mit einer Pleite. Die Rio, ein 100%iger Gleiter, blieb selbst bei Vollgas ein Verdränger, an Gleitfahrt war nicht im Traum zu denken."

Sicher eine Folge des unsauberen Unterwasserschiffs und Propellers.Auch für die Berufsschifffahrt ist das Thema von besonderem Interesse. Viele Forschungsvorhaben zur Widerstandsbestimmung von unterschiedlichen Farbglätten und deren möglichem Bewuchs wurden experimentell und theoretisch bearbeitet.

Foto: H. Brandt
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So existiert unter anderem in der Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam ein spezieller Versuchsstand für Reibungsmessungen, um die unterschiedlichen Widerstandsbeiwerte zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigen, dass durch Bewuchs der Gesamtwiderstand von Frachtschiffen – und das gilt ebenso für Motoryachten – um bis zu 50 % (!) zunehmen kann.

Es ist allgemein bekannt, dass die Ver­schmutzung und der Bewuchs mit Algen, Muscheln und anderen organischen und anorganischen Bestandteilen am Unter­wasserschiff von der jeweiligen Wasser­qualität abhängig sind. In Süßwasser gibt es andere Probleme als in Seewasser. Die Wassertemperatur und der Salzgehalt so­ wie industrielle Verunreinigungen oder Überdüngung der See durch die Land­wirtschaft, aber auch der Lichteinfall (Sonnenseite) sind nur einige Beispiele hierfür.

Ein besonderes Phänomen tritt zum Beispiel in den Berliner Gewässern auf: Dort muss schon nach wenigen Monaten mit einer Verkalkung der Oberflä­che von Propellern gerechnet werden, die sich negativ auf den Wirkungsgrad des Antriebs auswirkt.

Wesentlich aggressiver in Bezug auf die Leistungsreduzierung ist die raue Oberflächenbeschaffenheit von Propellern und Unterwasserschiff durch Muscheln oder Seepocken, die eine erhebliche Größe und Mächtigkeit erreichen können. Leider kann auch ein Schutzanstrich den Be­wuchs nicht völlig verhindern.

Erstaunli­cherweise sitzen Seepocken sehr fest am Propeller und bleiben auch bei höheren Drehzahlen am Metallhaften. Hier hilft nur die mechanische Reinigung von Hand.

Nicht zu Unrecht sind die Bootsstände in etlichen Marinas der USA und gewiss auch in anderen Ländern mit einem Lift ausgestattet. Unterwasserschiff und An­trieb der Motoryachten befinden sich da­ durch bei Nichtgebrauch über der Wasser­oberfläche. Häufig werden auch kleinere Motorboote nach jedem Einsatz aufge­slippt und an Land gelagert.

Reibungswiderstand

Zu den wichtigsten Widerstandsanteilen des umströmten Bootskörpers gehören Reibungswiderstand und Restwiderstand, der vor allem aus dem Wellenwiderstand besteht. Bei niedrigen Bootsgeschwindig­keiten spielt der Anteil des Wellenwider­ stands nur eine geringe Rolle.

Wir müssen uns vor allem um die Verringerung des Reibungswiderstands bemühen, dessen Umfang von der Oberflächenqualität des Unterwasserschiffes abhängig ist. Erst bei höheren Bootsgeschwindigkeiten, insbe­sondere in der Nähe der Rumpfgeschwin­digkeit, nimmt der Wellenwiderstands­ anteil überproportional zu und überragt bei Weitem den Reibungswiderstand.

Im Gleitzustand ist wiederum Letzterer für die Leistungsfähigkeit der Motoryacht von entscheidender Bedeutung.
Egal ob in Verdränger­ oder Gleitfahrt, der Reibungswiderstand wächst mit dem Quadrat der Fahrtgeschwindigkeit. Mit­hilfe eines Reibungsbeiwertes (CF), der in vielen Untersuchungen mit glatter Ober­fläche und unterschiedlichen Rauigkeits­tiefen bestimmt wurde, kann der Anteil des Reibungswiderstands anhand folgen­ der Werte berechnet werden:

► Größe der Fläche des benetzten Unter­wasserschiffs
► Bootsgeschwindigkeit
► Lauflänge der Strömung am Unterwasserschiff
► Oberflächenbeschaffenheit des Unterwasserschiffes (Tiefe der Rauigkeit, Reibbeiwert: CF)
► Kinematische Zähigkeit des Wassers

In verschiedensten Testserien wurde an unterschiedlichen Körperformen nachgewiesen, dass der Widerstandsbeiwert mit Zunahme der Rauigkeit (Bewuchs) bis auf das Doppelte und mehr anwachsen kann. Im Vorschiffsbereich wirken sich die Verunreinigungen besonders nachteilig aus. Welche Ursachen hat das?

Die Grenzschicht

An der Körperoberfläche des Unterwas- serschiffs bildet sich auf einem sehr kurzen Vorschiffsbereich zunächst eine „laminare", dann eine „turbulente Grenzschicht" aus. Diese wird umso dicker, je länger die Lauflänge ist. Die laminare Grenzschicht ist besonders dünn, die Stromlinien verlaufen unmittelbar an der Bootsoberfläche und können Unebenheiten nicht abdecken.

Ähnliches gilt für die ersten Meter der turbulenten Grenzschicht. Daher sollte gerade dieser Bereich des Unterwasserschiffs möglichst glatt sein. Die Fachwelt spricht von „hydraulisch glatten" Oberflächen. Streicht man leicht mit dem Finger über die Oberfläche und bemerkt keine Unebenheiten, so ist diese Bedingung weitgehend erfüllt.

Leistungseinbussen bei Verdrängern

Genug der Theorie! Am Beispiel eines Motorboots mit 7,90 Meter Wasserlinienlänge, welches als Verdränger unterwegs ist, soll gezeigt werden, wie sich Verunreinigungen auswirken. Für die Ermittlung der Reibungsbeiwerte und der zulässigen Rauigkeit werden 5 Knoten Rumpfgeschwindigkeit gewählt.

Unter Berücksichtigung dieser Annahmen dürfen am glatten Unterwasserschiff im Mittel Rauhigkeitstiefen von 0,03 mm (3/100 mm – und im Vorschiffsbereich noch geringer!) nicht überschritten werden. Das setzt eine sehr glatte Außenhaut voraus.

Erhöht man die zulässige Rauigkeitstiefe im Mittel auf einen Millimeter, verdoppelt sich bereits der Anteil des Reibungswiderstands. Bereits bei dieser noch relativ geringen Zunahme der Oberflächenrauigkeit muss mit einem Geschwindigkeitsverlust von etwa 0,8 Knoten gerechnet werden. Unberücksichtigt bleibt hierbei eine (wenn auch geringe) Abweichung des Restwiderstands.

Mit weit höheren Einbußen muss gerechnet werden, wenn größere Rauigkeitstiefen und Unebenheiten vorliegen. Wie bereits erläutert, gilt dies ganz besonders für den vorderen Bereich des Unterwasserschiffs. Es lohnt sich also, für eine glatte Oberfläche zu sorgen.

Reibungswiderstand bei Gleitbooten

Bei hohen Bootsgeschwindigkeiten im vollen Gleitzustand überwiegt in den meisten Fällen der Reibungswiderstand nicht unerheblich den Restwiderstand. Die Qualität der Oberfläche hat also – auch wenn der Anteil des benetzten Unterwasserschiffs geringer ist als beim Verdränger – eine herausragende Bedeutung.

Unabhängig davon sei daran erinnert, dass der Reibungswiderstand mit dem Quadrat der Bootsgeschwindigkeit wächst und bei hohen Geschwindigkeiten besonders stark ansteigt. Werden in Gleitfahrt die oben beschriebenen Rauhigkeitstiefen berücksichtigt, ergeben sich daraus weitaus höhere Fahrtverluste als beim Verdränger.

Da die benetzte Oberfläche des Unterwasserschiffs von Gleitbooten sehr unterschiedlich ist, sind allgemeingültige Angaben hierzu wenig aussagekräftig.

Ergänzend sei eine Ausnahme erwähnt. An Streben, Wellenböcken und dergleichen mit sehr kurzer Lauflänge bildet sich laminare Strömung aus; deren Ablösung beim Verlassen des Körpers verursacht einen erhöhten Widerstand. Deshalb ist in diesem Ausnahmefall eine raue Oberfläche erwünscht, die eine turbulente Grenzschicht auslöst und den Ablösungsbereich einschränkt.

Ein allgemein bekanntes Beispiel hierfür: die Oberfläche eines Golfballs, die mit Vertiefungen versehen ist. Wäre sie glatt, würde der Golfball genau wegen der hier dargestellten laminaren Ablösung der Strömung nur eine kürzere Strecke fliegen.

Oberflächenbeschaffenheit des Propeller

Alle bisher diskutierten Leistungsverluste durch Bewuchs am Unterwasserschiff gel­ten nur, sofern der Propeller nach wie vor blank ist und nicht ebenfalls durch Ver­unreinigungen beeinträchtigt wird. Leider sind die Folgen durch Verschmutzung der Propellerflügel besonders nachhaltig, da sich gleichzeitig die Schubkraft (Propeller­ wirkungsgrad) verringert.

Werden Rauig­ keiten am Unterwasserschiff und Propel­ler nicht berücksichtigt, sind gravierende Einschränkungen der Leistungsfähigkeit von Booten unvermeidlich. Untersuchungen im Kavitationstank haben gezeigt, dass schon relativ geringe Beläge am Propellerflügel einen Schubver­lust bis zu 30 % bewirken können.

Beson­ders empfindlich sind hier die Bereiche der Eintrittskanten und Saugseiten. Unter den gleichen angenommenen Vorausset­ zungen wie zuvor beschrieben führt dies bei einem Verdränger zu einer zusätzli­chen Geschwindigkeitseinbuße von 0,6 Knoten.

Somit muss bei einer Basis­ geschwindigkeit von 5 Knoten für den Bewuchs am Unterwasserschiff und Pro­peller mit einem Fahrtverlust von bis zu anderthalb Knoten gerechnet werden. Um dies auszugleichen, müssen Propellerdrehzahl und Antriebsleistung entspre­chend erhöht werden. Das wiederum ge­ schieht auf Kosten der Wirtschaftlichkeit und belastet zugleich die Umwelt stärker.

Tödlich für den Wirkungsgrad eines Propellers ist massiver Pockenbewuchs. Er kann dazu führen, dass die Schubkraft nahezu völlig zusammenbricht, weil am Flügel kein oder nur noch sehr geringer Auftrieb erzeugt wird. Jeder, der schon einmal Seetang oder Ähnliches am Pro­peller aufgefangen hat, kennt dieses Pro­blem aus eigener Erfahrung.

Um den Reibungswiderstand an Körper­oberflächen zu verringern, die bereits hy­draulisch glatt sind, werden verschiedene Maßnahmen diskutiert und erprobt. Be­kannt ist die Haifischhaut als Träger eines Wasserfilms an der Oberfläche. Die Rei­bung findet in diesem Fall zwischen dem Film und der Oberflächenströmung statt, was tatsächlich den Reibungswiderstand verringert.

Mithilfe von Folien wurde die­ ses Phänomen an Booten erzeugt. Be­währt hat sich das Verfahren jedoch nicht, da sich die mikroskopisch kleinen Poren im Gegensatz zur Haifischhaut in kür­zester Zeit zusetzten.

Bei einem weiteren Verfahren, der so­ genannten Airstep­Technologie, werden Luftanteile unter den Bootsboden gelei­tet. Auch durch diese Methode kann der Reibungsanteil verringert werden, denn die in die Grenzschicht geleiteten Luft­partikel bewirken einen geringeren Anteil an Reibungswiderstand als eine turbu­lente Grenzschicht aus massivem Wasser.

So sollen auch die neuen AIDA ­Kreuz­fahrtschiffe mit einem Belüftungsver­ fahren ausgerüstet werden. Man verspricht sich davon, dass sie wirtschaftlicher und umweltschonender eingesetzt werden können.

Schließlich befassen sich Forschung und Industrie mit der Entwicklung immer neuer Aufträge (Farben, Beschichtungen, Folien ...), die den Bewuchs verhindern, aber zugleich umweltverträglich sind und darüber hinaus den Reibungswiderstand auf ein Minimum reduzieren.