CN101992852A - 水上交通工具的水翼 - Google Patents

Abstract

提供了用于一种水上交通工具，特别是船舶的带有尾缘(20)的水翼(100)，特别是舵，其中在流动方向上，在所述水翼后面形成漩涡和/或卡门涡街的负面影响得以降低，在所述尾缘(20)处设置突出体(30)用以减少漩涡的形成。

Description

水上交通工具的水翼

技术领域

本发明涉及一种用于水上交通工具，特别是船舶的带有尾缘的水翼，特别是舵。

背景技术

在当前语境中，水翼是水上交通工具中使用和/或安装的装置，其产生流体力学领域中的浮力。水翼的例子有水翼船上的舵、脊骨、水翼滑橇(Tragflügelkufen)、水上交通工具的稳定鳍或其它鳍形体。依照本发明的水翼尤其适合用作舵，其中用于上述体之一，或用于另外的水翼类型体也是很可能的。

已知技术中的水翼通常具有设置在流动方向或沿水上交通工具行驶方向排列的前缘以及与所述前缘相对的尾缘。水翼的侧面或侧壁设置在前缘和尾缘之间。水翼的上端部通常与水上交通工具的船体稳固连接，也就是说，在作为舵的情况下，它能够旋转，反之，相对的底端通常设计为自由端。但是，在作为舵的情况下，也能够设置在底端，(例如，在作为舵的情况下，设置在尾柱底端)，这也是已知技术。

当用于水上交通工具上时，水绕水翼体从前缘流向尾缘。依靠水流的雷诺数、流动或流速和水翼或水翼尾缘的几何形状，沿流动方向在水翼后部会产生漩涡分离，也就是说，在尾缘，其频率由斯德鲁哈尔数(Strouhal-Zahl)表示其特征。漩涡通常产生在液体绕其流动的水翼体两侧，旋转的方向彼此相反。它们之间的流动方向为指向液体绕其流动的水翼体，与外部流动方向相反。旋转方向相反的漩涡尾迹形式的漩涡系统，其形成于液体绕其流动的水翼体上以及被驱散开并最终由流动消散，也被认为是所谓的卡门涡街(Karman vortex street)。这种现象尤其出现在水翼为舵的情况下，因为这些遇到了船舶螺旋桨的相对快速的流动。此外，尤其具有相对宽的尾缘的舵趋向于产生卡门涡街。这些尤其是带有鱼尾状外形或先令

(Schilling

)外形的舵，其中沿流动方向观察时，舵叶的端部朝向尤其为楔形榫头形式的尾缘展宽。在该类型的几何形状中，斯德鲁哈尔数和单个漩涡的分离频率尤其高，由此，卡门涡街就会产生或以特别与众不同的形式出现。

图4示出了现有技术中水翼200的情况下卡门涡街的形成。图4中的水翼200是鱼尾状舵，其中该横截面的外形朝着尾缘201进一步加宽。为了清晰起见，仅示出了水翼200的端部。尾缘201在侧面202a、202b的两个端部区域2021a、2021b之间为凹形。(螺旋桨)水流图形通过大量的箭头表示。可以看到，水流实际上以层的形式沿着侧面202a、202b运行。当水流流过侧面202a、202b的端部区域2021a、2021b时，漩涡210在尾缘201的上部以及其下部与水流分离。在尾缘201的上部区域，即侧面端点2021a的正后方形成逆时针方向旋转的漩涡210a。在流动方向的斜下方又出现一个以相反方向，即顺时针方向旋转的漩涡210b；漩涡210b形成在下侧面202b上和/或在其正后方。在下游又出现一个逆时针方向旋转并慢慢消散的漩涡210c，漩涡210c也发源于上侧面202a。漩涡210a，210b，210c一起形成了所谓的卡门涡街的漩涡系统。在漩涡区，也就是说，在漩涡之间，其压力与卡门涡街周围水流的压力相比显然降低。

由于形成卡门涡街，一方面，水翼的工作效率在降低，也就是说，在舵的情况下，舵力降低。水翼的阻力，也就是舵阻力，也增大。另一方面，舵的侧向力变小，水翼上可能产生振动。如果漩涡的分离频率与水翼体的自然频率大致相等，后者即是特殊的情况。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种水翼，其中水翼后面流动方向上形成漩涡，也就是说卡门涡街，的负面影响减小。

该目的通过具有权利要求1特征的水翼实现。

本发明的中心思想是在尾缘上设置一个突出体，由此减少漩涡形成。当前上下文中的突出体是实际上从水翼尾缘突出，也就是伸出的任意结构体。由于在横截面视图中，尾缘通常大致横跨水翼的纵向方向，突出体一般，至少近似地，向下游方向突出。这意味着至少一个突出体大致在水翼纵向上和/或与水翼连接的船舶的纵向上从尾缘突出。

尾缘通常是线性、凹面、凸起，或一些其它设计结构的水翼终结表面。因此，尾缘区域通常设计为平坦的，且通常不呈尖角等。进一步，尾缘通常设计成从上部到底部和/或从一侧到另一侧是连续的，从而形成一个单一的、连续的区域。现在，突出体从该表面突出，将引起漩涡分离的可能性不断减小。通过该方法，卡门涡街产生的可能性会降低。至少一个突出体的有效性取决于各种因素，例如突出体的数目、几何结构以及准确的设置。

在至少一个突出体的情况下，我们因此处理本质上不属于尾缘表面，但是设置在后者上并且从后者突出的体。因此在该意义上，突出体不是从尾缘表面上轻微地突出，例如，突出的尾缘面或类似物，而是本质上独立的体，但是便利地稳固连接到尾缘，也就是说连接到尾缘表面。由于这个原因，该至少一个突出体不是从水翼模制而成的，也没有在水翼上形成凹痕或凹陷。因此，该突出体可以由例如金属制造，尤其由钢制造，并可以通过焊接或其它合适的连接方式和/或方法与尾缘连接。通过从尾缘表面突出的体，尤其可以避免形成水翼两侧逆时针旋转的漩涡，而该漩涡是形成卡门涡街的必备条件。进一步优选地，至少一个突出体设计为刚性的，非韧性的，即无弹性的体。这样确保水翼的流动行为，尤其关于漩涡的产生，维持不变。

通过设置至少一个突出体，降低了水翼上产生卡门涡街的可能性，通过该方式，增大水翼阻力，也同样提高了燃料效率。此外，降低了震动对水翼和/或水上交通工具的船体的损坏的危险。因为该至少一个突出体设置在尾缘上，这也不会减小水翼有效地流动表面区域，并且因为它位于流动表面区域的外侧而不在主流区域内，不会由于水流分离而引发气穴现象。因此，由于流体的设置，通过相对小量的结构费用，无需流体力学领域中实际水翼的横截面的任何弱化，就能实现降低尾缘区域中形成漩涡的有益效果。通过依据本发明的该至少一个突出体，漩涡形成过程被削弱或阻止，由此出现如流动方向上水翼后面所示的非常稳定或层流的模式。该至少一个突出体尤其专门设置在尾缘而不是水翼的其它区域。

关于尾缘的宽度，该至少一个突出体有利地设置成使它不遮盖整个宽度。关于尾缘宽度，它仅仅从子区有利地突出。这确保实现妨碍涡流流动。如果该至少一个突出体遮盖了尾缘的整个宽度，在流体力学领域中该突出体作为尾缘的纯粹的外延，并且不需要的逆时针旋转的漩涡能从该突出体的两侧分离。

从属权利要求说明了本发明的优选实施方式。

为了实现尽可能地减少漩涡的形成，本发明优选实施方式中所做的设置为至少一个突出体延伸超过尾缘的长度至少50％，优选为至少75％，并且在特别优选的实施方式中实际上超过尾缘的整个长度。在当前上下文中，术语“尾缘长度”可以理解为尾缘区域中水翼上下端之间的距离。尾缘通常掠过水翼的整个高度。因此，有利地，该至少一个突出体掠过尾缘尽可能大的区域，因此相对于水翼的高度，尽可能地降低，即削弱漩涡形成。如果该至少一个突出体从尾缘的一端延展到另一端，这是特别有利的，因为这保证消弱了在水翼的整个高度上形成漩涡。这里，有利地，该至少一个突出体能由单一体组成，其长度与尾缘长度相对应，并且与尾缘连接，但是，一般地，该至少一个突出体也可能由多个子体组成。

从横截面上看，该至少一个突出体原则上可以设计为任意形式。但是，在水翼的横截面视图中，该至少一个突出体本质上平行于水翼的中心线或沿着该中心线延展，这通常是有利的。在该横截面视图中，该至少一个突出体在横截面上优选为线性。相应的检验显示通过这种该至少一个突出体的排列，显著有利地削弱了漩涡的形成，也就是说，实现了显著有利的流动形式。特别地，当该至少一个突出体沿着中心线设置时，实现了规则地削弱在水翼两侧形成漩涡。如果设置多个突出体，所有的突出体优选设计为平行于中心线延展。但是，单个突出体偏离该排列也是可能的。尤其地，这在曲线形尾缘的情况下是可取的，也就是说，其中一个是凹面的或凸起的设计。在该具体实施方式中，横截面视图中的该至少一个突出体的流动路线与尾缘和其自由端之间的该至少一个突出体的外形相关。

进一步优选为该至少一个突出体基本平行于水翼的纵轴。此处，该纵轴是从水翼上端到水翼下端延伸的轴。在水翼为舵的情况下，纵轴通常也可以是舵的旋转轴。该至少一个突出体也能够基本上平行于尾缘的外部边缘延伸。此处，尾缘的外部边缘通常也平行于水翼的纵轴排列。以这种方式，规则的流动形式随之产生。特别优选为，该至少一个突出体平行于纵轴并且遮盖水翼的整个长度。以这种方式，尤其规则的流动形式随之产生。

本发明进一步优选的实施方式中，该至少一个突出体基本上垂直地突出，也就是说，与尾缘表面正交。此处，直角在尾缘和沿水翼宽度的轴(水平轴)之间形成。如果尾缘表面是平面，在多个突出体的情况下，该多个突出体相应彼此平行设置。以这种方式，水翼后面流动方向上流动的规律性进一步提高。在尾缘为弧形，即非直线的情况下，该至少一个突出体可以与该至少一个突出体邻接的尾缘的截面垂直地设置。

该突出体的宽度，也就是说，尾缘及其自由端之间的距离，优选与尾缘宽度的至少一半相对应。试验已经显示该至少一个突出体以这种方式尺寸化，就能实现有关漩涡形成降低的特别好的效果。

如果设置至少两个突出体，将该两个突出体彼此间隔开设置和/或彼此平行运行时有利的。由于该至少两个突出体的间隔分离设置，漩涡形成进一步被阻止，因为现在彼此独立突出的两个物体正在阻挡涡流。该两个突出体的平行设置相继提高了流动图形的规律性。

进一步优选实施方式中，适用以下公式：突出体数目＝2n+1，其中，n是包括0的自然数，特别优选为n＝2，也就是说，突出体的数目是5。进一步地，在横截面视图中，其中一个突出体基本上居中地设置在尾缘上，偶数个数的突出体设置在居中设置的突出体的每一侧上。特别优选为对称设置，其中横截面视图中水翼的中心线形成了对称线。单个突出体有利地彼此间隔分离和/或彼此平行偏移地设置。检验已经显示出，这种平滑且尤其对称的分布，尤其是5个突出体的设计，对于降低漩涡的形成实现了特别好的效果。该实施方式中，进一步优选为，居中设置的突出体具有最大的宽度，也就是说，尾缘及其自由端之间最大的距离。任意地，等尺寸的两个突出体也能够设置在中心区域。此外，另外的突出体的宽度能够自内朝向外部逐渐减少，所以向外最远处设置的突出体宽度最小。此处，该设计是有利的对称突起，也就是说，在每种情况下镜像设置的成对的突出体具有相同的宽度。通过该方式，对涡流的不断阻挡从外到内得以实现。

如果设置多个突出体，各个突出体之间的距离可以原则上设计为相同或不同。哪种设置在流体力学领域中最有利取决于个别情况的详情，尤其取决于尾缘的几何结构和宽度，流动速度，突出体的准确设计等等。

特别优选地，该至少一个突出体以平板形式设计为尾缘上的肋突出，和/或具有矩形横截面。该肋有利地包括平板，例如钢板或类似物，其一端面与尾缘连接。如果该平板设计成微长，尤其掠过尾缘长度的大部分或全部，该肋或平板优选设置为通过纵向端面与尾缘连接。通过这种设计，带状形式的肋设计随之产生。如果设置多个肋，将它们彼此平行并且平行于水翼的纵轴设置是有利的。替代平板的形式，该肋也可以对自由端区域做微小的倒圆角，或使其自由端逐渐变细等类似方式。该肋优选设计成连续的和/或该至少一个突出体的矩形横截面相对于整个突出体是连续的。

特别有利地，该至少一个突出体为设计成为鱼尾状舵或先令(Schilling

)舵的水翼而设置，其中横截面视图上的外形的宽度从在尾缘方向上与尾缘相对设置的前缘延展，远达形成了水翼外形最宽处的中间区域，从中间区域到形成了水翼外形最窄处的后部成宽度逐渐减小的锥形，并且从后部到尾缘，尤其为燕尾楔形形式的，再次展宽，此处的尾缘优选为线性的，凸起的或凹形的设计。由于与其它水翼外形相比下尾缘的相对宽度，漩涡形成尤其频繁地出现在上述的水翼轮廓上。在这方面，该至少一个突出体的设置对这种轮廓是尤其有利的。

进一步，该至少一个突出体优选形成一个整体。这意味着该至少一个突出体不包括通孔、凹陷等等。还有，该至少一个突出体优选为具有连续的横截面。

附图说明

下面通过各种具体实施例和附图更加详细地阐述本发明。在示意图中：

图1示出了带有尾缘和突出体的水翼的透视图；

图1A示出了图1中水翼尾缘上端部的细节视图；

图2A-2E示出了带有不同设计的尾缘和不同设置或设计的突出体的水翼的端部平面图；

图3示出了带有从尾缘突出的突出体的水翼端部区域的且流动路线已标出的平面图；以及

图4示出了现有技术中的流动路线已标出的水翼的端部区域。

附图标记列表

100 水翼

10  前缘

11  侧面

12  上端

13  下端

14  端板

15  端部区域

16  后部区域

17  中心线

20  尾缘

21  外部边缘

200 水翼(现有技术)

201 尾缘

202a、202b   侧面

2021a、2021b 侧面端点

210 漩涡

30  突出体

40  漩涡

具体实施方式

下面描述的本发明的各种实施方式中，相同的部件设置相同的参考标记。

图1示出了水翼100的透视图。在该情形中，水翼100由鱼尾状外形或先令(Schilling

)外形的舵形成。该舵包括前缘10和尾缘20。侧面11在前缘10和尾缘20之间延伸。端板14在每一种情形中设置在水翼100的上端12以及下端13。因为本水翼100采用了由带鱼尾状外形的舵的形式，舵的端部15从形成舵的最窄处的后部区域16加宽到尾缘20。在尾缘20处设置了共5个设计成板形肋的突出体30，其在每种情形中从上端12延伸到下端13并彼此平行设置。

从图1A的细节视图中能够看到，中心肋30a具有最大的宽度。每种情形中，中心肋30a的任一侧还设置有有两个肋30b、30c，其中这些肋的宽度向外减小。板形肋30a、30b、30c通过其纵向端面与尾缘20连接，尾缘20是线性设计的，也就是说，具有平面。还有，肋30a、30b、30c的横向端面与端板14邻接，并同样地与其连接。外部肋30c具有最小的宽度，相对于尾缘20的外部边缘21只是轻轻地植入其内部。板形肋30a、30b、30c基本上在每种情形中都垂直地从尾缘表面突出，并平行尾缘20的外部边缘21延伸。

图2A示出了图1中水翼的端部15的平面图。能够看出中心肋30a具有最大的宽度b1以及外部肋30c具有最小的宽度b3，而设置在肋30a和30c之间的肋30b具有中间的宽度b2。进一步，肋30c和30b之间的距离(a2)与肋30b和30a之间的距离(a1)不同，距离a1大于a2。宽度和距离的精确的尺寸在每种情形中能够与涉及尾缘和肋骨30的特殊几何结构的最佳的漩涡降低效果相匹配。肋30a沿中心线17延伸，而肋30b和30c平行于中心线17。中心线17也成为了肋设置的对称轴。

图2B至2E示出了依据本发明的水翼100的端部15结构的进一步示例。因此，图2B中设置有中心肋30a，其沿中心线17设置。另外，还设置有两个肋30c，每一个设置在外部位置并设计为相等的宽度。肋30c关于中心线17对称设置。图2B的三肋设计中，平面图或横截面视图中的尾缘20是凹面式设计。图2C中尾缘20相反的是线性设计，也就是说尾缘20形成了一个平面。进一步地，只设置了单一的肋30a，其沿着中心线17设置。图2D中平面图或横截面视图中的尾缘20是凹形设计，与图2B方式相似。同样地，设置了一个中心肋30a，其沿着中心线17延伸，还有两个设置在较外部的肋30c。与图2B不同，在图2B中，全部的三个肋骨平行排列，如同图2A中，两个较外部肋30c不与中心线17平行设置，也就是说不平行于中心肋30a，而是朝向后者以一个角度运行。尤其，它们从外到内地沿远离尾缘的方向延伸。图2E中设置了同样的5个肋，其中，该处平面图或横截面视图中的尾缘20是凸出状偏移设计。再次具有最大宽度的中心肋30a沿中心线17延伸。两个较外部肋30c具有最小的宽度。分别设置在中心线右方和左方的肋30b、30c彼此相对于中心线17对称设置。与图2A中的描述相反，肋30b和30c不平行于中心线17，即肋30a设置，而是分别以一个大约90°的角度从尾缘20的凸起形突出，因此，从尾缘到肋骨30a、30b、30c的自由端看，形成了一种肋向外呈扇形展开的设置。图2A中所示的所有肋30a、30b、30c均设置为平板形。

图3示出了依据本发明的水翼100的端部15的平面图。在平面图或横截面视图中，尾缘20为线性设计。从尾缘20突出的5个肋30a、30b、30c大致依据图2A中的排列设置和设计，与图2A不同，在图3所示的图示中，肋30c和30b之间的距离大于肋30b和30a之间的距离。流动路线通过描绘的多个箭头体现。因此，依据本发明的水翼设计，在在水翼100下游侧壁11的区域中形成为大致层状流。上部肋30b和中心肋30a之间形成了逆时针方向旋转的漩涡40。此外由于肋30a、30b、30c所引起的阻挡作用，能够认识到漩涡形成如何不出现在单独的肋之间的中间部分。在流动方向上，在漩涡40后面短距离处形成在水翼100的整个宽度上层状流。进一步，只形成单一漩涡40，因此通过相反方向的成对的漩涡形成的卡门涡街的形成受到抑制。

Claims (14)

1.带有尾缘(20)的水翼(100)，特别是舵，用于水上交通工具，特别是船舶，其特征在于，

在尾缘(20)处设置至少一个突出体(30)以减少漩涡的形成。

2.根据权利要求1所述的水翼，其特征在于，

所述至少一个突出体(30)延伸超过所述尾缘(20)长度的至少50％，优选为至少75％，特别优选大致为所述尾缘(20)的整个长度。

3.根据权利要求1或2所述的水翼，其特征在于，

在所述水翼(100)的横截面视图中，所述至少一个突出体(30)大致平行于所述水翼(100)的中心线(17)或沿着所述中心线(17)延伸。

4.根据前述权利要求中任一项所述的水翼，其特征在于，

所述至少一个突出体(30)大致平行于所述水翼(100)的纵轴延伸。

5.根据前述权利要求中任一项所述的水翼，其特征在于，

所述至少一个突出体(30)大致垂直于所述尾缘(20)的表面而突出。

6.根据前述权利要求中任一项所述的水翼，其特征在于，

所述突出体(30)的宽度对应于所述尾缘(20)至少一半的宽度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的水翼，其特征在于，

设置至少两个突出体(30)，其中所述突出体(30)彼此间隔地和/或彼此并行地设置。

8.根据前述权利要求中任一项所述的水翼，其特征在于，

所述突出体(30)的数目是2n+1，尤其为5个，在横截面视图中，一个突出体(30a)大致居中设置在所述尾缘(20)上，偶数个突出体(30b、30c)设置在居中设置的突出体(30a)的每一侧，尤其为对称地设置。

9.根据权利要求8所述的水翼，其特征在于，

所述居中设置的突出体(30a)具有最大的宽度，且如果需要，其它突出体(30b、30c)的宽度向外逐渐减少。

10.根据前述权利要求中任一项所述的水翼，其特征在于，

设置若干突出体(30)，其中单个突出体(30)之间的距离相同或不同。

11.根据前述权利要求中任一项所述的水翼，其特征在于，

所述至少一个突出体(30)设计为平板形和/或自所述尾缘(20)突出的肋。

12.根据前述权利要求中任一项所述的水翼，其特征在于，

在横截面视图中，水翼(100)的外形在朝向所述尾缘(20)的方向上从与所述尾缘(20)相对设置的前缘(10)展宽到形成水翼外形最宽处的中间区域，从所述中间区域到形成水翼外形最窄处的后部区域(16)逐渐变窄，并且从所述后部区域(16)到所述尾缘(20)，尤其是燕尾榫形式的，再次展宽。

13.根据权利要求12所述的水翼，其特征在于，

所述尾缘(20)直线、凸出或凹形延伸。

14.水上交通工具，尤其是船舶，其特征在于，

它具有根据前述权利要求中任一项所述的水翼(100)。

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