EUROPÄISCHES SEGEL-INFORMATIONSSYSTEM
Carpe Diem, eine
unkonventionelle 30er Schäre

Eine Diplomarbeit von Klaus Röder




Eine Yacht zu zeichnen, die dem Auge gefällt (und zwar bestenfalls allen potentiellen Eignern), einen gewissen Komfort bietet und darüber hinaus auch gute Segeleigenschaften hat, ist der Traum eines jeden Konstrukteurs.

Bilder:

Die eigentliche Aufgabe des Designers ist es aber, eine neue Yacht gegenüber seinen Mitstreitern kompetetiver zu machen. Dabei darf am Charakter der Klassen nicht vorbeigezeichnet werden. Außerdem sollen die Kundenwünsche und die Ästhetik natürlich nicht vernachlässigt werden.

1.0 Geschichte der Klasse und Regelwerk

Ein internationales Regelwerk, das die Konstruktionsmerkmale aller Regatta - Boote erfassen sollte, wurde 1906 auf einem internationalen Kongreß in London diskutiert.

Man wollte, wie schon mehrmals vorher, eine universelle Formel einführen, die es erlauben würde, mit den verschiedensten Konstruktionen fair gegeneinander zu segeln.

Auch heute wird an diesem Problem verbissen gearbeitet, siehe IMS, Yardstick etc.

Ständige Konfrontationen zwischen den Nationen bewegte die Skandinavier dazu, am 14. Februar 1908 sieben neue, nationale Klassen ins Leben zu rufen. Allesamt schlank, elegant, wundervoll proportioniert, Klassiker vom ersten Tag an.Die Kleinste dieser damaligen Klassen war die 30 qm Schäre. Gerade die 30 qm Schäre konnte sich auch außerhalb Schwedens etablieren. Die meisten der 60 Neubauten, die nach 1980 registriert wurden, richten sich im Design nach Knut Reimers' Bijou. Mit diesem Bootstyp werden somit praktisch One-Design Regatten auf dem Bodensee ausgetragen.

Moderne Konstruktionen von Lars Haggren, Ian Howlett und Arvid Laurin integrieren auch neue Erkenntnisse, wie zum Beispiel Bugformen der Meterklasse.

Trotzdem sind praktisch alle aktiven Schiffe, auch die alten Konstruktionen, nahezu chancengleich bei Regatten vertreten, denn die Festlegung eines Minimalgewichts und einer maximalen Segelfläche, darüber hinaus einige grundlegende Parameter des Baubestecks, lassen dabei wenig Spielraum für den Konstrukteur.

2.0 Vermessungs- und Bauvorschriften

Die momentan gültige Regel entspricht in den Grundsätzen dem Original von 1908. In den Vermessungs- und Bauvorschriften werden bestimmte Randwerte festgelegt Diese sind zum Beispiel:

  • Verdrängung (min. 2.000 kg)
  • Freibord (min. 0,5m)
  • größte Mittelbreite (min 1,86m)
  • Kiellänge (min. 2,30m) und
  • eine maximale offene Cockpitfläche von 2,20 m

Nahezu alle diese Werte werden proportional an die ideelle Länge Li angeglichen.

Ziel ist es, allen Konstruktionen das gleiche Geschwindigkeitspotential zu ermöglichen, damit die verschiedenen Plazierungen nur vom Können der Crew abhängen.

Durch diese Randwerte bleibt gewährleistet, daß zum Beispiel nur ein schwereres, wuchtiger ausfallendes Boot eine längere Wasserlinie haben darf. ( Abb. Nr. 1 )

Weitere Kontrollpunkte werden in einem festgelegten Gitternetz innerhalb der Bootsschale ermittelt.

Auch die Proportionen der Überhänge sind beschränkt und hohle Stevenkontouren verboten. (im Gegenteil z.B. die Sonderklasse)
Die 30 qm Schärenkreuzer werden außer zur Regattasegelei auch zum Wandersegeln genutzt. Sicherheit und eingeschränkte Bequemlichkeit werden durch Mindestabmessungen von Kajüte und seitlicher Eindeckung gesichert. Der vorliegende Entwurf eines 30qm Schärenkreuzers entstand als Abschlußarbeit am Southampton Institute of Higher Education im dritten Jahr des Studiengangs Yacht & Powercraft Design. Der Studiengang der Hochschule konzentriert sich während seiner 3-jährigen Dauer auf den Yachtbau bis zu 50 m Länge.

Währen meiner Ausbildungszeit zum Bootsbauer am Starnberger See hatte ich die Möglichkeit, auf einer 30 qm Schäre zu segeln. Obwohl mir die Klasse immer sehr gut gefallen hatte, gerade die schlanke , klassische Form, sähe mein Traum 30er im Profil wohl eher aus wie ein Nationaler Kreuzer. Der Gedanke bei meiner Abschlußarbeit war, diese subjektiven äußeren Merkmale auch mit verbesserten hydrodynamischen Aspekte zu verbinden, und doch immer in der Regel zu zeichnen .

Ziel einer jeden Regatta Neukonstruktion ist ein potentiell schnelleres Schiff.

Um nicht gegen ungeschriebene Gewohnheitsrechte in der Klasse der 30er zu verstoßen, ließ ich die gesamte Konstruktion vom englischen Klassenvorstand verfolgen.

3.0 Entwicklung der Rumpfform: Um die wichtigsten Parameter dieser Klasse zu erfassen , wurde eine Datensammlung von 35 existierenden 30er Konstruktionen erstellt. Trends beiden Koeffizienten und Parametern konntenin Graphen dargestellt und mit Hilfe der Regressionsanalyse Trends ermittelt werden.

Ein Design namens "Pan" des Konstrukteurs Henry Rasmussen, sehr erfolgreich auf den Regattabahnen in Europa und Amerika nach 1924, diente als Vorbild für ein erstes Basismodell.

Die Formen des Bootes wurden mit einem 3D Computerprogramm entwickelt, das eine separate Konstruktion von Rumpf und Kiel verlangte.(Siehe Abb. 2)
( Dias von der Computer 3-D Präsentation Dia Nr. 14 und 13,9,8)

Der ausgeprägte Löffelbug meiner Konstruktion weicht stark von den traditionellen, sehr spitz zulaufenden, Bugformen ab. Die vorliegende Konstruktion ist für Binnenreviere konzipiert, daher ist ein starkes Stampfen in der Welle nicht zu befürchten und es konnte dem sanften Einstraken der Linien Vorrang gegeben werden.

Die gestreckte Form des Rumpfes führt zu einer verlängerten Konstruktionslänge (Li), die u.a. wiederum proportional die Verdrängung vergrößert. Um die Verdrängung so minimal wie möglich zu halten, wurde der Hauptspant, der wie schon erwähnt, auch von der Regel beschränkt ist, direkt an die minimalen Meßpunkte gezeichnet. Dies erklärt die Entstehung einer Trapezform. (siehe Abb. 3)

4.0 Konstruktion der Kiele

Die drei Kiele sind :

  • Ein traditioneller Kiel, der Basisdaten für die folgenden Versuche mit anderen Kielen liefern sollte, denn es sind keine veröffentlichten Meßergebnisse von vergleichbaren Booten bekannt.
  • Eine Beavertail Konstruktion, bei der der Ballast am Fuße des Kiels als flache Endplatte ausgebildet ist. ( Nach der Ähnlichkeit mit dem "Antriebsmotor" der Biber benannt.) Ein Kiel, der mit dem Scheelkiel verwandt ist aber zusätzlich den, zur Bombe ausgebildeten Ballast so tief wie möglich trägt.
  • Ein verändertes Beavertailmodell, an dem die achtere Abrißkante noch harmonischer verläuft.
Die ersten beiden Versionen haben den gleichen Lateralplan, um zu gewährleisten, daß Veränderungen bei den Meßergebnissen nur auf Unterschiede des Ballastes zurückzuführen sind.
Abbildung Nr.4 zeigt alle drei Flossenversionen im Linienriß:

5.0 Stabilität

Durch die Verlagerung des Bleiballastes wurden bei den verschiedenen Modellen unterschiedliche Gewichtsschwerpunkte ermittelt. Für den erweiterten "Beavertail" lag dieser, im Vergleich zu dem des ersten Modells, um 6 cm tiefer. Der aufrichtende Hebel wird dadurch natürlich länger und das Boot etwas steifer. Die Differenz im aufrichtenden Moment beläuft sich immerhin auf 827 Nm.

Dieses Moment von 827 Nm kann bei einem standardisierten Winddruck von 47,8 N/m und einem krängendem Hebel von 5,89m ( volle Segelfläche) in folgende Segelfläche umgerechnet werden :

827 N / (47,8N/qm)*5,89 m = 2,9 qm

Ohne Reff im Segel, kann der Vorteil der größeren Stabilität noch gesteigert werden, da Krängung und Abdriftwinkel geringer ausfallen. Durch den reduzierten Abdriftwinkel wird auch der induzierte Widerstand geringer. Die Yacht läuft höher am Wind.
Ein weiterer, positiver Effekt der Beavertail Konstruktion .

6.0 Lecksicherheit: Richtlinien des Europäischen Parlaments

Um der vorliegenden Konstruktion eine Einstufung nach den Richtlinien des Europäischen Parlaments über Sportboote zu ermöglichen, die bestimmte Sicherheitsstandards festlegt, wurde der damals aktuelle (5.) Entwurf berücksichtigt.

Das niedrige Freibord und die allzu leichte Flutbarkeit des Cockpits mit sehr niedrigem Einstieg, allesamt durch die 30 qm Regel festgelegt, lassen die Schärenkreuzer insgesamt als "unsichere" F ahrzeuge erscheinen, obwohl das Boot durch drei wasserdichte Kammern als unsinkbar gilt.

Diese Kammern befinden sich achtern, in der Vorpiek und unter den vorderen Kojen und ermöglichen einen maximalen Sicherheitsauftrieb (ohne den Anteil der Bauelemente ) von 3,9 m.

In Abbildung Nr.5 erkennt man diese Partition an den Schotten.

Selbst wenn eine dieser Auftriebskammern durch ein Leck geflutet wird, bleibt ein Restfreibord von 5 cm erhalten.

7.0 Bauweise / Materialien

Als Bauweise wird die Formverleimung über Positivblock vorgeschlagen.

Für Rumpf und Deck sind Hölzer nicht tropischen Ursprungs als Baumaterialien vorgesehen. Decksbeplankung in Oregon Pine, Aussenhaut und Inneneinrichtung in nordischer Fichte und Zeder, Totholz in Eiche, die Ringspanten werden aus Esche lameliert. Für die Bodenwrangen ist massive Eiche geplant. Falls tropische Hölzer, wie zum Beispiel Sapeli etc. Verwendung finden, fällt wegen der hohen spezifischen Dichte dieser Hölzer der Ballastanteil niedriger aus.

Alle internen Bauteile wie Schränke, Doppelboden, Bodenauflager, Kojen und Schwalbennester sind per Epoxyd - Hohlkehle mit der Schale verbunden. Sie wirken somit als strukturelle Längs- und Querverbände.

Der zweiflammige Kocher ist in einer Schubvorrichtung in der Backskiste untergebracht und ist somit vom Cockpit aus und auch innerhalb der Kajüte benutzbar.

8.0 Segelplan

Die vermessene Segelfläche wird nur an den Spieren ermittelt, Überlappungen der Vorsegel werden nicht berücksichtigt.

Bei mittleren Winden ist es nicht ungewöhnlich, mit 50 qm am Wind und ca. 120 qm vor dem Wind zu segeln.

Der Segelplan zeigt die vermessenen Segelfläche mit 30m. Um das aerodynamisch günstigste Streckungsverhältnis zu erreichen wurde die größtmögliche Masthöhe und das höchste I - Maß von 8,70 m gewählt. Segeldruckpunkt und Lateralschwerpunkt wurden nach den in der Datensammlung erhaltenen Werten positioniert. Dabei wurde eine Differenz von circa 12 % zwischen den Druckpunkten ermittelt.

Abb. 6

8.0 Die Schlepptankversuche

Die Testeinrichtungen der Southampton Institute schließen Wind- und Schlepptank ein. Letzterer, 60 m lang , wurde intensiv während 3 Tagen für dieses Projekt genutzt. Die Versuche im Schlepptank waren nötig, um die verschiedenen Kiele miteinander zu vergleichen und vor allem quantitative Aussagen zu machen.

Zu diesem Zweck wurden die Messungen am reduzierten Modells (Maßstab 1:5) nach der ITTC Korrelation skaliert.

Der Formfaktor konnte wurde mit Hilfe der Prohaska Methode ermittelt.

Um den späteren Vergleich mit anderen Ergebnissen zu ermöglichen, wurden die Daten auch im C Format ( Widerstand versus Geschwindigkeit ) veröffentlicht.

9.0 Theorie Kiele - Tragflächen

Die Tragfläche Kiel soll bei möglichst kleinem Anstellwinkel einen möglichst hohen Auftrieb erzeugen und dabei so wenig Widerstand wie möglich haben.

Die Überlegung, die hinter der Entwicklung dieser Kielformen stand, war die höhere Stabilität die zu erwartende Steigerung der effektiven Streckung (AR = Aspect ratio). Dies reduziert den induzierten

Widerstand in folgender Abhängigkeit

3.)durch die größere Effizienz der Tragfläche kann der Driftwinkel kleiner ausfallen, d.h. mehr Höhe wird erreicht.

Ganz deutlich wird die Abhängigkeit des Gesamtwiderstandes vom Reibungswiderstand bei aufrechter Lage, ohne Trim und Abdriftwinkel. Wellenwiderstand wirkt sich erst ab einer Froude Zahl von 0,15 aus.

Die beiden Beavertail Konstruktionen haben eine größere benetzte Oberfläche und somit einen höheren Reibungswiderstand. Aber auch der Formwiderstand ( Section drag ), hervorgerufen durch den fülligeren Querschnitt, fällt bei diesen Kielen größer aus.

Das nachfolgende Diagramm zeigt den Gesamtwiderstand im Verhältnis zur Froudezahl.

Siehe Abbildung 7. Da nur circa 12% eines Olympischen Dreiecks platt vorm Laken abgesegelt werden, und nur hier die Nachteile der angedeuteten Bombe bezüglich des Widerstands überwiegen, ist der Beavertail eindeutig überlegen..

Um Vor- und Nachteile abwägen zu können, wurde die gemessene Seitenkraft dem Gesamtwiderstand gegenübergestellt.

Folgende Diagramme zeigen die Seitenkraft (sideforce) im Verhältnis zum Widerstand für drei verschiedene Krängungswinkel und jeweils fünf Driftwinkel .Siehe Abb. 8.

Die Driftwinkel sind immer, unabhängig von der Krängung, von 0 bis 4 Grad gewählt worden. Die Geschwindigkeit bleibt für die jeweilige Einstellung der Krängung gleich. Die Krängungswinkel betrugen 10, 20 und 30 Grad.

Hier sind klare Trends zu erkennen, die eine Prognose auch außerhalb der Meßbereiche zulassen.

Die tatsächlich erforderliche Seitenkraft beim Segeln wurde mit Hilfe einer Datensammlung von Marchaj berechnet. Hierbei wurden Testergebnisse eines Drachenriggs aufgezeichnet. Die Effizienz des Lateralplanes, und hier im ganz Besonderen die Unterschiede der Kiele, drückt sich in der Darstellung des Quotienten Auftrieb/Widerstand bei verschiedenen Driftwinkeln aus. Die Vorteile der Beavertail Konstruktionen sind eindeutig zu erkennen. (Vergleiche Abbildung 9 ) 11.0 Schlußfolgerung: Die Ergebnisse aus den Schlepptankversuchen bestätigen die initialen Überlegungen. Die Konstruktion des Beavertail Kiels produziert bei einem Driftwinkel deutlich mehr Seitenkraft.

Dies allerdings zugunsten eines höheren viskositätsbedingten Widerstandes.

Bei kleinen Anstellwinkeln überwiegt dieser die Vorteile des Beavertails.

Das heißt, dieser Kiel lohnt sich, hydrodynamisch gesehen, nur, wenn ein Großteil der zurückzulegenden Strecke gegen den Wind gesegelt wird.

Bei der dritten Konstruktion verschiebt sich wegen der noch größeren benetzten Fläche der Break-even Punkt, an dem sich Vor- und Nachteile aufwiegen, noch weiter.

Der reduzierte Wellenwiderstand bei der dritten Option, sehr gut sichtbar auf den drei Photos (Abbildung Nr.10) aus dem Schlepptank wird vom Reibungswiderstand teilweise aufgewogen.

Als die Günstigste der drei Optionen wird der normale Beavertail Kiel gewertet.

Die Erkenntnisse der Strömungslehre und die modernen Analyseverfahren können heute genutzt werden, um auch in einer Traditionsklasse neue, kompetetive Boote auf Kiel zu legen.

Es bleibt zu hoffen, daß diese Klassen immer wieder durch neue Designs belebt werden,und somit am Leben erhalten werden.

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