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Die Erfindung betrifft eine Querstrahlruderanlage, insbesondere Bugstrahlruder, gemäß des Oberbegriffs des Anspruches 1 für Wasserfahrzeuge sowie ein Verfahren zur Regelung einer Querstrahlruderanlage gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 7.
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Um das Manövrieren eines Wasserfahrzeuges, insbesondere eines Schiffes, insbesondere bei langsamer Fahrt zu erleichtern, ist es bekannt, Querstrahlruderanlagen vorzusehen. Bei Querstrahlruderanlagen ist in der Regel in einem querschiffs im Bug und/oder Heck angebrachten Kanal (sogenannter Querschubkanal) ein Propeller angeordnet und drückt das angesaugte Wasser, ähnlich wie eine Axialpumpe arbeitend, je nach der gewählten Drehrichtung nach Steuer- oder Backbord.
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Beim Betrieb von Querstrahlrudern entstehen meist unangenehme Geräusche, die besonders unter Wohn- und Aufenthaltsräumen auf Schiffen sehr belästigend wirken. Diese Geräusche entstehen durch das Arbeiten der Getriebezähne und durch Wassergeräusche, die vom Propeller kommen. Auch können die Propeller Druckimpulse in der Passierfrequenz der Propellerblätter, insbesondere bedingt durch Zonen inhomogener Anströmung des Propellers, erzeugen, die sich dann als Körperschall durch weite Bereiche des Schiffes ausbreiten können. Ferner entsteht bei den meist hochbelasteten Propellern Kavitation, das heißt Hohlraumbildungen durch Unterdruck. Insbesondere durch schnelldrehende Propeller kann der Wasserdruck an der Saugseite des Propellers soweit absinken, dass Blasen auftreten, die sehr schnell wieder kollabieren. Wenn diese Dampfbläschen implodieren, entstehen hammerartige Schläge, die sich über die Kanalwand in das Schiffsinnere als Körperschall, sowie durchs Wasser als Wasserschall verbreiten und sich unangenehm bemerkbar machen. In den Wohnräumen beziehungsweise Aufenthaltsräumen eines Schiffes ist das Raumgeräusch für die Besatzung und Fahrgäste zum Teil unerträglich.
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Im Stand der Technik gibt es zahlreiche Vorschläge zur Schalldämmung von Querstrahlruderanlagen für Schiffe.
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Aus der
DE 28 03 336 A1 geht eine Anordnung zur Schalldämmung von Querstrahl-Steueranlagen für Schiffe hervor, bei der ein den Propeller aufnehmendes Querrohr unter Ausbildung eines ringförmigen Zwischenraumes in einem Tunnelrohr angeordnet ist, wobei das Querrohr im Schiffskörper quer zu dessen Längsachse liegt. Das Querrohr besteht im Bereich des Propellers aus einem Düsenring, der über Gummimetallelemente mit dem Tunnelrohr verbunden ist. Der Zwischenraum ist mit einem Absorptionsstoff ausgefüllt.
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Zur Schalldämmung von Querstrahlruderanlagen ist es durch die
WO 84/ 03 078 A1 ferner bekannt, in einem mit Wasser gefüllten Zwischenraum zwischen einem inneren Tunnelrohr und einem äußeren Tunnelrohr eine Vielzahl von zylinderförmigen, mit Gas gefüllten Kissen vorzusehen oder alternativ permanent Luft in den mit Wasser gefüllten Zwischenraum einzublasen.
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In der
WO 2003/ 047 966 A2 wird eine Querstrahlruderanlage beschrieben, bei welcher auf dem Tunnelrohr ein dieses teilweise beziehungsweise halbrund umschließendes kastenförmiges Gehäuse angeordnet ist, dessen von der Außenwandfläche des Tunnelrohres und der Innenwandfläche des Gehäuses begrenzter Zwischenraumraum zur Minderung des Körperschalls mit einem Dämmmaterial, z. B. mit einer Sandfüllung, befüllt ist.
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Auch in den Druckschriften
DE 87 11 216U1 ,
DE 94 12 386 U1 und
DE 11 77 966 A werden Querstrahlruderanlagen beschrieben, wobei auf einem Tunnelrohr ein dieses zumindest bereichsweise umschließendes Gehäuse angeordnet ist.
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Die
DE 602 20 051T2 betrifft eine Montageanordnung für eine in einem Kanal eines Schiffsrumpfs angeordnete Propellervorrichtung. Dabei ist vorgesehen, dass eine Propellereinrichtung, die in einem Kanal eines Schiffsrumpfs angeordnet ist, ein rohrförmiges Gehäuse und einen Propeller aufweist. Der Propeller ist im Gehäuse drehbar angebracht, wobei das Gehäuse mit der Drehachse des Propellers und der Längsachse des Kanals koaxial mit Abstand in dem Kanal derart angeordnet ist, dass zwischen dem Gehäuse und dem Kanal ein Ringraum gebildet ist, wobei federnd nachgiebige Luftbehälter zur elastischen vibrationsdämpfenden Anbringung des Gehäuses in dem Kanal angebracht sind. Auch ist eine Regulierungseinrichtung mit einer Druckluftquelle und steuerbaren Ventilen vorgesehen, wobei über die steuerbaren Ventile die Druckluftquelle mit den jeweiligen Luftbehältern verbunden ist.
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In der
GB 2 155 880 A wird eine Regeleinrichtung zur Regelung der Gaszuführmenge im Bereich eines Propellers beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schalldämmung bei einer Querstrahlruderanlage für Wasserfahrzeuge derart weiter zu verbessern, dass die Schalldämmung aktiv in Abhängigkeit von äußeren Einflussfaktoren angepasst werden kann. Diese Aufgabe wird mit einer Querstrahlruderanlage gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren zur Regelung einer Querstrahlruderanlage gemäß Anspruch 7 gelöst.
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Um eine optimierte Geräuschdämmung zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß eine Querstrahlruderanlage für Wasserfahrzeuge, insbesondere Schiffe, vorgesehen, welche einen inneren Kanal, in welchem ein Propeller angeordnet ist, und einen den inneren Kanal aufnehmenden äußeren Kanal aufweist, wobei der innere Kanal über elastische Elemente (Lagerelemente) an dem äußeren Kanal elastisch gelagert ist und wobei der innere Kanal und der äußere Kanal derart zueinander angeordnet sind, dass zwischen einer Außenwand des inneren Kanals und einer Innenwand des äußeren Kanals zumindest bereichsweise ein äußerer Zwischenraum angeordnet ist.
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Derartige Lagerelemente sind vorzugsweise im unteren und/oder oberen Bereich des inneren Kanals und des äußeren Kanals über deren Länge verteilt angeordnet.
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Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Querstrahlruderanlage einen Resonanzerzeuger zur Regelung einer Schwingung des inneren Kanals innerhalb des äußeren Kanals auf, wobei der Resonanzerzeuger durch ein Regelungssystem angesteuert wird.
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Bevorzugterweise ist hierzu der Resonanzerzeuger im Bereich der elastischen Lagerung angeordnet. Die elastische Lagerung des inneren Kanals im äußeren Kanal dient generell bereits der Geräuschdämmung. Der resultierende Geräuschpegel ist allerdings stark abhängig von der Frequenz und der Amplitude der Schwingung des inneren Kanals innerhalb des äußeren Kanals. Deshalb ist vorgesehen, dass die Schwingung bevorzugt im Bereich der elastischen Lagerelemente aktiv durch das Vorsehen eines oder mehrerer Resonanzerzeuger geregelt und eingestellt werden kann.
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Hierfür kann durch das Regelungssystem der oder die Resonanzerzeuger zur Regelung einer Schwingung des inneren Kanals innerhalb des äußeren Kanals in Abhängigkeit von ermittelten Parametern, beispielsweise des Volumenstroms des Wassers im inneren Kanal, eines Geräuschpegels an einer vordefinierten Stelle der Querstrahlruderanlage oder des Wasserfahrzeuges oder der resultierenden Schwingung des inneren Kanals innerhalb des äußeren Kanals, eingestellt werden.
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Innerhalb des inneren Kanals ist ein Propeller, vorzugsweise mittig, angeordnet. Der Propeller ist bevorzugt derart ausgebildet, dass er in beide Richtungen drehbar ist, sowie unterschiedliche Drehzahlen, oder bei einer Drehrichtung verschiedene Anstellwinkel des Propellers aufweist. Grundsätzlich könnten auch mehrere Propeller innerhalb des inneren Kanals angeordnet sein.
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Der innere Kanal mit dem im inneren angeordneten Propeller ist dabei bevorzugt als Querschubkanal ausgebildet. Das heißt, dass dieser innere Kanal bei normalem Betrieb des Wasserfahrzeugs vollständig mit Wasser ausgefüllt ist und mittels des Propellers Wasser innerhalb des inneren Kanals angesaugt wird und ähnlich wie bei einer Axialpumpe je nach gewünschter Drehrichtung nach Steuer- oder Backbord gedrückt wird.
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Das Querstrahlruder kann dabei als Bugstrahlruder oder Heckstrahlruder ausgebildet sein. Es können auch Bug- und Heckstrahlruder vorgesehen sein. Der innere Kanal der Querstrahlruderanlage ist querschiffs, das heißt, quer zum Schiffskörper und zur eigentlichen Fahrtrichtung beziehungsweise quer zur Längsachse des Schiffes angeordnet. Ferner ist der innere Kanal derart im Schiffskörper angeordnet, dass sich dieser im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig, unterhalb der Wasserlinie befindet. Der innere Kanal kann dabei grundsätzlich jede geeignete Form aufweisen. Bevorzugterweise ist der Kanal mit einem kreisrunden Querschnitt und zylinderförmig beziehungsweise tunnelförmig ausgebildet.
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Des Weiteren ist bevorzugterweise der Resonanzerzeuger als Schwingungsaktuator zur Erhöhung der Schwingung und/oder als Schwingungsdämpfer zur Dämpfung der Schwingung ausgebildet.
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Dabei ist besonders bevorzugterweise ein Resonanzerzeuger vorgesehen, welcher sowohl die Schwingung erhöhen sowie auch die Schwingung dämpfen kann. Alternativerweise sind separate Resonanzerzeuger zur Erhöhung der Schwingung und zur Dämpfung der Schwingung vorgesehen. Des Weiteren ist bevorzugt, dass mindestens ein Resonanzerzeuger im Bereich jeder elastischen Lagerung des inneren Kanals innerhalb des äußeren Kanals angeordnet ist.
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Die Querstrahlruderanlage weist ferner bevorzugterweise ein Mittel zur Ermittlung der Schwingung des inneren Kanals innerhalb des äußeren Kanals auf.
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Dadurch kann der Schalleintrag ins Wasserfahrzeug, insbesondere ins Schiff, ermittelt werden oder es kann die Vibration in der elastischen Lagerung ermittelt werden. Der ermittelte Wert für den resultierenden Schalleintrag ins Wasserfahrzeug oder die Vibration in der elastischen Lagerung kann in einer zweiten Regelungsstufe für eine aktive Regelung als Eingangsparameter zur Korrektur beziehungsweise Anpassung der Ansteuerung des Resonanzerzeugers dienen.
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Des Weiteren ist bevorzugt, dass das Mittel zur Ermittlung der Schwingung des inneren Kanals innerhalb des äußeren Kanals ein Schwingungssensor ist.
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Besonders bevorzugterweise sind mehrere Mittel zur Ermittlung der Schwingung des inneren Kanals innerhalb des äußeren Kanals vorgesehen. Beispielsweise können mehrere Schwingungssensoren an unterschiedlichen und voneinander beabstandeten Orten im Bereich des äußeren Kanals oder in anderen Bereichen der Querstrahlruderanlage und/oder des Wasserfahrzeuges angeordnet sein. Aufgrund der beabstandeten Anordnung mehrerer Schwingungssensoren ist es möglich, die Ausbreitung des Schalls ins Wasserfahrzeug genauer zu bestimmen und die hierbei ermittelten Werte als Parameter für die Korrektur und Anpassung der Ansteuerung der Resonanzerzeuger für eine adaptive Regelung zu verwenden.
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Bevorzugt weist das Regelungssystem eine aktive und/oder adaptive Regelung auf.
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Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zur Regelung einer Schwingung eines inneren Kanals innerhalb eines äußeren Kanals einer Querstrahlruderanlage vorgesehen. Das Regelungsverfahren weist dabei die folgenden Schritte auf:
- a) Ermitteln einer Schwingungsstärke des inneren Kanals innerhalb des äußeren Kanals und/oder eines Geräuschpegels,
- b) Erhöhen oder Dämpfen der Schwingungsstärke mittels eines Resonanzerzeugers basierend auf der in Schritt a) ermittelten Schwingungsstärke und/oder des ermittelten Geräuschpegels.
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Unter der zu ermittelten Schwingungsstärke sind sowohl die Amplitude der Schwingung sowie auch die Frequenz zu verstehen. Die Amplitude, sowie auch die Frequenz der Schwingung des inneren Kanals innerhalb des äußeren Kanals, dienen demnach als Parameter für die aktive Regelung.
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Nach erstmaligem Ermitteln einer Schwingungsstärke und Ansteuern des Resonanzerzeugers kann in einer weiteren Stufe die resultierende Schwingungsstärke und/oder der resultierende Geräuschpegel nochmals ermittelt und die Schwingungsstärke korrigiert und angepasst werden. Hierdurch wird nicht nur eine aktive, sondern auch eine adaptive Regelung bereitgestellt.
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Unter aktiver Regelung ist zu verstehen, dass die Schwingungsstärke aktiv in Abhängigkeit von einem Geräuschpegel und/oder einer Schwingungsstärke eingestellt und geregelt wird. Hierbei wird die einzustellende Schwingungsstärke in Abhängigkeit des in Schritt a) ermittelten Wertes aus vorgegebenen Kennwerten (beispielsweise einer Tabelle oder einer Kennlinie) ermittelt. Unter adaptiver Regelung ist eine selbstanpassende Regelung zu verstehen. Somit wird bei der adaptiven Regelung die einstellbare Größe, nämlich die Schwingungsstärke, selbstständig angepasst und geändert. Somit sind beispielsweise auch größere und kleinere Änderungen, sowie sprunghafte Anpassungen möglich.
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Beispielsweise kann in einer ersten Stufe in Schritt a) eine Schwingungsstärke gemessen werden und anschließend in Schritt b) in Abhängigkeit der gemessenen Schwingungsstärke die Schwingungsstärke mittels eines Resonanzerzeugers erhöht oder gedämpft werden. Daran anschließend kann in einer zweiten Stufe Schritt a) wiederholt werden, wobei nun der resultierende Geräuschpegel gemessen und mit einem Sollwert verglichen wird. In Abhängigkeit von diesem Vergleichsergebnis wird die Schwingungsstärke in einem weiteren Schritt b) adaptiv angepasst oder korrigiert.
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Bevorzugterweise werden die zwei Schritte a) und b) der Regelung in vorgegebenen und regelmäßigen Zeitabständen wiederholt. Somit kann über einen längeren Gesamtzeitraum der Geräuschpegel beziehungsweise der Schalleintrag ins Wasserfahrzeug, minimal gehalten werden. Selbst bei Veränderungen von äußeren Einflüssen wird dabei sichergestellt, dass die Resonanzerzeuger optimal angesteuert werden und somit die Schwingungsstärke regelmäßig auf einem optimierten Wert gehalten wird.
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Die Größe der einzelnen Korrekturschritte kann dabei in Abhängigkeit der gemessenen Parameter, beispielsweise des Geräuschpegels, variieren. Beispielsweise kann eine grobe Anpassung und Korrektur mit größeren Schritten vorgesehen sein wenn der gemessene Geräuschpegel stark von einem Sollwert abweicht. Eine Anpassung und Korrektur mit kleineren Schritten kann vorgesehen sein, wenn der gemessene Geräuschpegel einen kleineren Abstand vom Sollwert aufweist.
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Die adaptive Regelung kann dabei auf unterschiedlichen Algorithmen basieren. Beispielsweise kann der Optimierungsalgorithmus in der zweiten Regelungsstufe als stochastischer Algorithmus, oder im Sinne eines Gradientenverfahrens oder Korrelationsverfahrens, oder als anderweitiger und geeigneter Optimierungsalgorithmus ausgebildet sein.
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Das aktive und adaptive Regelungsverfahren ist somit in der Lage neue, optimierte Regelungsansätze selbstständig zu lernen und diese adaptiv zu regeln, wenn sich die äußeren Umstände, beziehungsweise die gemessenen und ermittelten Parameter, ändern. Bei diesen Parametern kann es sich beispielsweise um einen Geräuschpegel oder eine Schwingungsstärke handeln.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch einen senkrechten Querschnitt durch ein Querstrahlruder,
- 2 schematisch einen weiteren senkrechten Querschnitt durch ein Querstrahlruder,
- 3 schematisch einen weiteren senkrechten Querschnitt durch ein Querstrahlruder, und
- 4 schematisch einen Längsschnitt durch das Querstrahlruder und ein Regelungssystem.
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In 1 ist schematisch ein Querschnitt durch eine Querstrahlruderanlage 100 abgebildet. Die Querstrahlruderanlage 100 umfasst einen inneren Kanal 30. Der innere Kanal 30 nimmt den Propeller 25 auf und ist im Bereich des Propellers 25 doppelwandig ausgebildet, wobei die Innenwand 30' des inneren Kanals 30 von einem Tunnelrohr 20 und die äußere Wand von einem kastenförmigen Gehäuse 301 gebildet sind. Das Tunnelrohr 20 geht durch den gesamten Schiffskörper hindurch, wohingegen das kastenförmige Gehäuse 301 nur im mittleren Bereich, der Querstrahlruderanlage 100, in dem auch der Propeller 25 angeordnet ist, vorgesehen ist.
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Der Propeller 25 ist mit einem Antriebsmotor 26, z. B. einem Elektromotor, über ein Winkelgetriebe, welches in einem Getriebegehäuse 24 angeordnet ist, verbunden.
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Die Außenfläche des Tunnelrohrs 20 ist mit 21a bezeichnet. Die seitlichen Öffnungen des inneren Kanals 30 sind mit 120 und 121 gekennzeichnet.
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Der von der Außenfläche 21a des Tunnelrohrs 20 und von der Innenwandfläche 30a des kastenförmigen Gehäuses 301 gebildete innere Zwischenraum 31 ist mit einem Dämmmaterial, bevorzugterweise mit einer Sandfüllung 35, ausgefüllt, wobei für das Dämmmaterial alle solche Materialien zum Einsatz kommen können, die in etwa gleiche schallmindernde Eigenschaften aufweisen, wobei anstelle von Sand auch entsprechend geeignete Kunststoffe eingesetzt werden können.
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Der innere Kanal 30 ist in einem äußeren Kanal 32 angeordnet. Der äußere Kanal 32 kann sich über die gesamte Länge des inneren Kanals 30 erstrecken, jedoch auch so lang bemessen sein, dass Bereiche benachbart zu den seitlichen Öffnungen 120, 121 des inneren Kanals 30 von dem äußeren Kanal 32 ausgespart werden. Das bedeutet, dass der äußere Kanal 32 sich nicht über die gesamte Länge des inneren Kanals 30 erstrecken muss.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das mit der Sandfüllung 35 versehene kastenförmige Gehäuse 301 bis unterhalb des Tunnelrohres 20 geführt, sodass das Tunnelrohr 20 im inneren Zwischenraum 31 des doppelwandigen Bereichs des inneren Kanals 30 angeordnet ist. Die Sandfüllung 35 umgibt somit gänzlich das Tunnelrohr 20 in diesem Bereich und liegt wie ein fester Ring um das Tunnelrohr 20.
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Der innere Kanal 30, umfassend das Tunnelrohr 20 und das kastenförmige Gehäuse 301 einschließlich der Sandfüllung 35, sowie das Getriebegehäuse 24 und der Propeller 25 sind über federnd-elastische Elemente 39, wie z. B. über Elemente aus Gummi oder anderen geeigneten Materialien, in dem äußeren Kanal 32 elastisch gelagert. Der äußere Kanal 32 ist Teil der Schiffsstruktur. Im Bereich des kastenförmigen Gehäuses 301 ist der äußere Kanal 32 in Bezug auf seine Form an die Form des kastenförmigen Gehäuses 301 angepasst, sodass ein im Wesentlichen gleichbleibender äußerer Zwischenraum 33 zwischen der Innenwand 32' des äußeren Kanals 32 und der Außenwand 301' des inneren Kanals 30, beziehungsweise des kastenförmigen Gehäuses 301 entsteht. Der äußere Kanal 32 kann über die gesamte Länge der Querstrahlruderanlage 100 und somit über die gesamte Breite des Wasserfahrzeugs in diesem Bereich vorgesehen sein oder auch nur bereichsweise.
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Im inneren Kanal 30 ist eine Vielzahl von ersten Gaszuführmitteln 60a, insbesondere Luftdüsen, zur Lufteinblasung in den Innenraum des inneren Kanals 30 angeordnet. Diese ersten Gaszuführmittel 60a stehen über einen Ringkanal 61 in Verbindung, dem über eine Gasquelle 65, insbesondere Drucklufterzeugungsvorrichtung, Luft zugeführt wird.
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Die ersten Gaszuführmittel 60a sind ringförmig in der Wand des Tunnelrohres 20 angeordnet. Dabei sind die ersten Gaszuführmittel 60a beidseitig des Propellers 25 und beabstandet zum Propeller 25 angeordnet. Somit ist auf jeder der beiden Seiten des Propellers 25, beabstandet zum Propeller 25 in der Wand des Tunnelrohres 20 ein Ringkanal 61 mit jeweils mehreren ersten Gaszuführmitteln 60a angeordnet. Die ersten Gaszuführmittel 60a sind über ein Gaszuleitungssystem 111 mit der Gasquelle 65 verbunden. Das Gaszuleitungssystem 111 kann dabei aus mehreren Leitungen beziehungsweise Rohren, bestehen. Ferner weist das Gaszuleitungssystem 111 zusätzlich Ventile und ein Regelungssystem 130 auf. Definitionsgemäß sind die ersten Gaszuführmittel 60a sowie auch die Gasquelle 65 dem Gaszuleitungssystem 111 zugeordnet.
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Im äußeren Zwischenraum 33 zwischen dem inneren Kanal 30 und dem äußeren Kanal 32 ist ein als Kunststoffmatte 80 ausgebildetes mattenförmiges Element vorgesehen. Die Kunststoffmatte 80 umfasst ein geschlossenzelliges Kunststoffmaterial, indem eine Vielzahl von Luftbläschen eingeschlossen ist. Die Kunststoffmatte 80 liegt flächig an der Außenwandseite 301' des inneren Kanals 30 an und ist an diesem mittels Klebung befestigt. Die Kunststoffmatte 80 verläuft umlaufend beziehungsweise über den gesamten Umfang beziehungsweise die gesamte Länge des Zwischenraumes 33. Die Kunststoffmatte 80 ist durchgehend und einstückig ausgebildet.
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Das doppelwandige Gehäuse des inneren Kanals 30, sowie der mit der Sandfüllung 35 ausgefüllte innere Zwischenraum 31, sowie das Vorsehen eines äußeren Zwischenraums 33 zwischen innerem Kanal 30 und äußerem Kanal 32 dienen bereits zur Geräuschdämmung der Querstrahlruderanlage 100. In Abhängigkeit von der Drehzahl des Propellers 25 kann durch den Propeller 25 der Wasserdruck an der Saugseite des Propellers 25 soweit absinken, dass Kavitationsblasen auftreten, die sehr schnell wieder kollabieren. Dabei entstehen hammerartige Schläge, die sich über den inneren Kanal 30 und den äußeren Kanal 32 in das Schiffsinnere als Körperschall, sowie durchs Wasser als Wasserschall verbreiten. Durch die Zuführung von Gas in den inneren Kanal 30 durch die ersten Gaszuführmittel 60a kann eine derartige Blattkavitation 90 im Bereich der Propellerblattspitzen und somit die damit einhergehenden Kavitationsgeräusche weiter reduziert werden. Da die ersten Gaszuführmittel 60a beidseitig des Propellers 25 an der inneren Wand 30' des inneren Kanals 30 angeordnet sind, kann die Lufteinblasung in den inneren Kanal 30 immer in Anströmrichtung kurz vor dem Propeller 25 erfolgen. Somit wird jeweils auf der Anströmseite des Propellers 25 Luft durch die ersten Gaszuführmittel 60a in den inneren Kanal 30 zugeführt.
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Das Zuführen von Luft in den inneren Kanal 30 ist bereits durch den Stand der Technik bekannt. Da eine derartige Gaszuführung allerdings lediglich ein- und ausschaltbar ausgebildet ist und die Gaszuführmenge nicht aktiv geregelt werden kann, ist die Gaszuführmenge in den inneren Kanal 30 in der Regel konstant, beziehungsweise kann sich allenfalls indirekt aufgrund eines veränderten Druckes im inneren Kanal leicht verändern. Beispielsweise kann bei steigernder Propellerdrehzahl der Unterdruck auf der Anströmseite im inneren Kanal 30 ansteigen, was in diesen Bereichen eine leichte Erhöhung des eingeblasenen Luftvolumens zur Folge hat. Durch eine derartige indirekte Regelung ist eine optimierte Zuführmenge des Gases in den inneren Kanal 30 nicht unter allen Bedingungen gegeben.
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In den 1 bis 3 ist jeweils dieselbe schematische Ansicht eines Querschnitts einer Querstrahlruderanlage 100 gezeigt. Ferner ist gezeigt, wie sich die Blattkavitation 90 in Abhängigkeit von der Leistung des Propellers 25 ändern kann. Unter Ausdehnung der Blattkavitation 90 ist die Ausdehnung des Bereichs in dem am Propellerblatt in Abhängigkeit von der jeweiligen Propellerleistung Blattkavitation 90 auftreten kann zu verstehen.
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In 1 ist die Ausdehnung der Blattkavitation 90 auf der Propelleransaugseite bei 50 % Leistung des Propellers 25 gezeigt.
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Dagegen ist in 2 die Ausdehnung der Blattkavitation 90 auf der Propelleransaugseite bei 70 % gezeigt.
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3 zeigt die Ausdehnung der Blattkavitation 90 auf der Propelleransaugseite bei 100 % Leistung des Propellers 25.
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Um eine optimale Gaszuführmenge zu ermitteln und in den inneren Kanal 30 zuzuführen, weist das Gaszuleitungssystem 111 ein Regelungssystem 130 mit einer aktiven Regelung auf.
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In 4 ist ein Längsschnitt durch die Querstrahlruderanlage 100 gezeigt. Ferner ist in 4 das Gaszuleitungssystem 111 bestehend aus mehreren Rohren, einer Gasquelle 65, ersten Gaszuführmittel 60a, zweiten Gaszuführmitteln 60b, dritten Gaszuführmittel 60c, zahlreiche Mittel 40, 41, 42, 43, 43a, 44, 44a zur Einstellung der Gaszuführmenge, Ventile 46, 46a, 47, 47a, 48 und einem Regelungssystem 130 gezeigt.
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Das Regelungssystem 130 mit der aktiven Regelung dient dazu, optimale Gaszuführmengen zur Zuführung des Gases in den inneren Kanal 30 durch die ersten Gaszuführmittel 60a und die zweiten Gaszuführmittel 60b, sowie eine optimale Gaszuführmenge für die Zuführung von Gas durch die dritten Gaszuführmittel 60c in den äußeren Zwischenraum zwischen innerem Kanal 30 und äußerem Kanal 32 zu ermitteln und einzustellen. Die ersten Gaszuführmittel 60a sind, wie bereits zu 1 beschrieben, beidseitig des Propellers 25 im inneren Kanal 30 über einen Ringkanal 61 an der Innenwand 30' des inneren Kanals angebracht. Die ersten Gaszuführmittel 60a dienen somit der Zuführung von Gas in den inneren Kanal 30 im Bereich der Propellerblattspitzen.
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Die zweiten Gaszuführmittel 60b sind ebenfalls beidseitig des Propellers 25 zur Zuführung von Gas in den inneren Kanal 30 innerhalb des inneren Kanals 30 angeordnet. Dabei sind die zweiten Gaszuführmittel 60b in Längsrichtung des inneren Kanals 30 beabstandet zu den ersten Gaszuführmitteln 60a, sowie mit einem größeren Abstand zum Propeller 25 angeordnet. Dabei sind die zweiten Gaszuführmittel 60b im Bereich der ersten Öffnung 120 des inneren Kanals und im Bereich der zweiten Öffnung 121 des inneren Kanals angeordnet. In dem Bereich der beiden Öffnungen 120, 121 sind ebenfalls Gitter angeordnet. Diese Gitter dienen in erster Linie dazu, den Eintritt von Abfall in den inneren Kanal 30 zu vermeiden. An diesen Gittern können die zweiten Gaszuführmittel 60b angeordnet sein. Dadurch ist es möglich, die zweiten Gaszuführmittel 60b im Gegensatz zu den ersten Gaszuführmitteln 60a in einem Abstand zur Innenwand 30' des inneren Kanals 30 anzuordnen. Das heißt, dass die zweiten Gaszuführmittel 60b in radialer Richtung einen unterschiedlichen Abstand zur Innenwand 30' des inneren Kanals 30 aufweisen können. Somit kann eine Zuführung der Luft in den inneren Kanal nicht nur im Bereich der Propellerblattspitzen durch die ersten Gaszuführmittel 60a, sondern auch im Bereich der Propellerblattmitten durch die zweiten Gaszuführmittel 60b stattfinden.
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Die dritten Gaszuführmittel 60c sind im Bereich der Innenwand 32' des äußeren Kanals 32 angeordnet und dienen der Zuführung von Luft in den äußeren Zwischenraum 33 zwischen dem inneren Kanal 30 und dem äußeren Kanal 32.
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Sämtliche Gaszuführmittel 60a, 60b, 60c sind über Leitungen beziehungsweise Rohre des Gaszuleitungssystems 111 mit der Gasquelle 65 verbunden. Das Gaszuleitungssystem 111 weist dabei einzelne Abzweigungen beziehungsweise Zuleitungen, für einzelne Gruppen von Gaszuführmitteln 60a, 60b, 60c auf. Somit ist beispielsweise jeweils ein separater Zuleitungsstrang zur Zuführung der Luft für die backbordseitig angeordneten ersten Gaszuführmittel 60a, sowie auch für die backbordseitig angeordneten zweiten Gaszuführmittel 60b, sowie auch für die steuerbordseitig angeordneten ersten Gaszuführmittel 60a, sowie auch für die steuerbordseitig angeordneten zweiten Gaszuführmittel 60b und für die dritten Gaszuführmittel 60c vorgesehen. Die beiden Zuleitungsstränge für die backbord- und steuerbordseitig angeordneten ersten Gaszuführmittel münden in einen gemeinsamen Zuleitungsstrang für die ersten Gaszuführmittel 60a. Die beiden backbord- und steuerbordseitig angeordneten Zuführungsstränge für die zweiten Gaszuführmittel 60b münden in einen gemeinsamen Zuführungsstrang für die zweiten Gaszuführmittel 60b. Schließlich münden alle gemeinsamen Zuführungsstränge in einen einzigen Zuführungsstrang, welcher mit der Gasquelle 65 verbunden ist.
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Sowohl in den separaten Gaszuführungssträngen, sowie auch in den gemeinsamen Gaszuführungssträngen sind Mittel 40, 41, 42, 43, 43a, 44, 44a zur Einstellung der jeweiligen Gaszuführmenge angeordnet. Dabei handelt es sich um Durchflussmengenventile, mittels derer die genaue Gaszuführmenge eingestellt werden kann. Im Gegensatz zu einfachen Rückschlag- oder Sperrventilen kann mittels eines solchen Durchflussmengenventils in mehreren Stufen oder stufenlos die genaue Gaszuführmenge eingestellt werden.
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Durch das Regelungssystem 130 wird die gewünschte Gaszuführmenge in den inneren Kanal 30 durch die ersten Gaszuführmittel 60a über einen dem ersten Mittel 40 zur Einstellung der Gaszuführmenge zugeordneten ersten Aktuator 50 eingestellt. Nach Abzweigung des gemeinsamen Zuführungsstranges für die Gaszuführung zu den ersten Gaszuführmitteln 60a ist in dem jeweiligen Strang für die steuerbordseitige und backbordseitige Gaszuführung durch die ersten Gaszuführmittel 60a jeweils ein weiteres Mittel 43, 43a zur Einstellung der Gaszuführmenge und ein jeweils dem Mittel 43, 43a zugeordneter Aktuator 53, 53a angeordnet. Dies ermöglicht eine genaue Ansteuerung und Einstellung der Gaszuführmengen in den inneren Kanal 30 durch die ersten Gaszuführmittel 60a.
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Zur Einstellung der Gaszuführmenge in den inneren Kanal 30 durch die zweiten Gaszuführmittel 60b sind ebenfalls separate Mittel 41, 44, 44a zur Einstellung der Gaszuführmengen vorgesehen. Diesen Mitteln 44, 44a, 41 ist ebenfalls jeweils ein Aktuator 51, 54, 54a angeordnet, welcher durch das Regelungssystem 130 angesteuert werden kann.
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Zur Einstellung der Gaszuführmenge in den äußeren Zwischenraum 33, zwischen dem inneren Kanal 30 und äußeren Kanal 32 ist ein drittes Mittel 42 zur Einstellung der Gaszuführmenge mit einem zugeordneten dritten Aktuator 52 vorgesehen.
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Zusätzlich zu den Mitteln 40, 41, 42, 43, 43a, 44, 44a zur Einstellung der Gaszuführmengen sind in den einzelnen Zuleitungssträngen ferner Sperrventile 46, 46a, 47, 47a, 48 vorgesehen. Diese Sperrventile 46, 46a, 47, 47a, 48 dienen zum Öffnen und Schließen der Zuleitungsstränge beziehungsweise des Ein- und Ausschaltens der Gaszuführung für einzelne Stränge.
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Zur Ermittlung der einzelnen optimalen Gaszuführmengen für die unterschiedlichen Gaszuführmittel 60a, 60b und 60c dienen unterschiedliche Parameter. Dabei handelt es sich insbesondere um den Volumenstrom im inneren Kanal 30, den Volumenstrom im Gaszuleitungssystem 111, den Druck im Gaszuleitungssystem 111, die Temperatur im Gaszuleitungssystem 111, die Propellerdrehzahl, die Propellerdrehrichtung sowie den Geräuschpegel. Zur Ermittlung des Volumenstroms im inneren Kanal 30 ist ein erstes Mittel 131 zur Ermittlung des Volumenstroms vorgesehen. Hierbei handelt es sich um ein Softwaremodul oder Hardwaremodul zur Schätzung oder Berechnung des Volumenstroms des Wassers im inneren Kanal auf Basis der vom Propeller 25 aufgenommenen Leistung und/oder der Propellerdrehzahl. Des Weiteren sind zur Ermittlung der unterschiedlichen Volumenströme in den verschiedenen Strängen des Gaszuleitungssystems 111 ein zweites Mittel 132, 133, 134 zur Ermittlung des Volumenstroms im Gaszuleitungssystem 111 angeordnet. Des Weiteren ist zur Ermittlung des Drucks in den verschiedenen Strängen des Gaszuleitungssystems 111 jeweils ein Mittel 136, 136a, 136b, 136c zur Ermittlung des Drucks im Gaszuleitungssystem 111 angeordnet. Zur Ermittlung der Temperatur im Gaszuleitungssystem 111 ist ein erstes Mittel 135 zur Ermittlung der Temperatur im Gaszuleitungssystem 111 angeordnet. Des Weiteren sind ein Mittel 137 zur Messung oder Ermittlung der Propellerdrehzahl, ein Mittel 138 zur Messung oder Ermittlung der Propellerdrehrichtung und ein Mittel 139 zur Messung oder Ermittlung eines Geräuschpegels vorgesehen.
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Die Ausgänge der vorgenannten Sensoren und Mittel zur Ermittlung oder Messung einzelner Parameter werden dem Algorithmus der aktiven Regelung zugeführt und dienen der Ermittlung einer optimierten Gaszuführmenge für jeden einzelnen Bereich, z. B. für die Gaszuführung durch die ersten Gaszuführmittel 60a, für die Gaszuführung durch die zweiten Gaszuführmittel 60b, sowie für die Gaszuführung durch die dritten Gaszuführmittel 60c.
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Durch die Möglichkeit, die Gaszuführmenge in jedem einzelnen Bereich individuell und unabhängig voneinander optimal ermitteln und regeln zu können, ist eine aktive Regelung für die Gaszuführmenge und somit für die Reduzierung des Geräuschpegels bereitgestellt. Um diese Regelung weiter zu verbessern, ist ferner eine adaptive Regelung implementiert. Hierzu weist der Regelungsalgorithmus mindestens zwei Stufen auf. In einer ersten Stufe werden die unterschiedlichen und vorgenannten Parameter ermittelt und hieraus basierend auf einer vorab abgespeicherten Tabelle oder Kennlinie optimierte Gaszuführmengen ermittelt. Am Ende dieses ersten Regelungsschritts werden die ermittelten Gaszuführmengen für die einzelnen Bereiche über die Steuerungsventile eingestellt. In einer zweiten Regelungsstufe werden die beschriebenen und vorgenannten Parameter, insbesondere der Geräuschpegel erneut ermittelt. Im Anschluss daran wird die Gaszuführmenge für einzelne Bereiche erhöht oder verringert. Im Anschluss daran werden die einzelnen Parameter, insbesondere wieder der Geräuschpegel, nochmals ermittelt und die beiden zuletzt ermittelten Geräuschpegel miteinander verglichen. In Abhängigkeit davon, ob sich der Geräuschpegel erhöht oder verringert hat, werden dann die Gaszuführmengen für die einzelnen Bereiche weiter erhöht oder verringert. Dieser zweite Regelungsschritt mit der kontinuierlichen Messung und dem kontinuierlichen Vergleich der ermittelten Geräuschpegel wird in vordefinierten Zeitabständen regelmäßig wiederholt. Somit kann sichergestellt werden, dass eine optimale Auswahl der Gaszuführmengen für jeden einzelnen Bereich regelmäßig ermittelt und korrigiert wird. Für diese adaptive Regelung ist es ferner vorgesehen, dass die in der zweiten Regelungsstufe regelmäßig ermittelten korrigierten Gaszuführmengen für die einzelnen Bereiche in einem separaten Speicherbereich in einer Rechnereinheit des Regelungssystems 130 zur späteren Verwendung abgespeichert werden. Somit handelt es sich bei der adaptiven Regelung auch um eine selbstlernende Regelung.
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Durch die Aufhängung des inneren Kanals 30 innerhalb des äußeren Kanals 32 mittels elastischer Elemente 39 wird ebenfalls die Geräuschübertragung reduziert. Zur weiteren Verbesserung sind im Bereich der elastischen Elemente 39, beziehungsweise der Aufhängung des inneren Kanals 30 im äußeren Kanal 32, Resonanzerzeuger 59 zur Regelung und Einstellung einer gewünschten Schwingung vorgesehen. Durch den Resonanzerzeuger 59 kann die Schwingung des inneren Kanals 30 innerhalb des äußeren Kanals 32 erhöht oder gedämpft werden. Die für die Ermittlung einer optimalen Schwingung notwendigen Parameter werden durch Mittel 141 zur Ermittlung der Schwingung des inneren Kanals 30 innerhalb des äußeren Kanals 32, sowie auch durch Mittel 139 zur Messung oder Ermittlung eines Geräuschpegels ermittelt und vom Regelungssystem 130 verarbeitet. Durch die Mittel 141 zur Ermittlung der Schwingung des inneren Kanals 30 innerhalb des äußeren Kanals 32 kann im Bereich der elastischen Elemente 39, beziehungsweise der Aufhängung des inneren Kanals 30 innerhalb des äußeren Kanals 32, die aktuelle Schwingungsstärke, das heißt, die Amplitude der aktuellen Schwingung sowie die Frequenz der aktuellen Schwingung, ermittelt werden. Durch das Mittel 139 zur Messung oder Ermittlung eines Geräuschpegels kann der aktuelle und tatsächliche Geräuschpegel in unterschiedlichen Bereichen am Schiffskörper ermittelt werden. Basierend auf diesen beiden ermittelten Parametern kann durch einen aktiven und bevorzugterweise adaptiven Regelungsmechanismus durch das Regelungssystem 130 eine optimale Schwingung ermittelt werden, damit der Geräuschpegel möglichst minimal gehalten werden kann. Hierbei sind, wie bei dem Regelungsverfahren für die Ermittlung und Einstellung der Gaszuführmengen, mindestens zwei Verfahrensschritte für eine adaptive Regelung vorgesehen. Dabei wird die einzustellende Schwingung im ersten Regelungsschritt basierend auf den ermittelten Parametern und einer vorab abgespeicherten Tabelle oder Kennlinie ermittelt. Im zweiten Regelungsschritt wird die Schwingung in Abhängigkeit von neu ermittelten Parametern kontinuierlich korrigiert und angepasst.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Querstrahlruderanlage
- 20
- Tunnelrohr
- 21a
- Außenfläche des Tunnelrohrs
- 24
- Getriebegehäuse
- 25
- Propeller
- 26
- Antriebsmotor für den Propeller
- 30
- innerer Kanal
- 30'
- Innenwand des inneren Kanals
- 30a
- Innenwandfläche des kastenförmigen Gehäuses des inneren Kanals
- 31
- innerer Zwischenraum
- 32
- äußerer Kanal
- 32'
- Innenwand des äußeren Kanals
- 33
- äußerer Zwischenraum
- 35
- Sandfüllung
- 39
- elastische Elemente
- 40
- erstes Mittel zur Einstellung der Gaszuführmenge
- 41
- zweites Mittel zur Einstellung der Gaszuführmenge
- 42
- drittes Mittel zur Einstellung der Gaszuführmenge
- 43
- viertes Mittel zur Einstellung der Gaszuführmenge
- 43a
- fünftes Mittel zur Einstellung der Gaszuführmenge
- 44
- sechstes Mittel zur Einstellung der Gaszuführmenge
- 44a
- siebtes Mittel zur Einstellung der Gaszuführmenge
- 46
- erstes Sperrventil
- 46a
- zweites Sperrventil
- 47
- drittes Sperrventil
- 47a
- viertes Sperrventil
- 48
- fünftes Sperrventil
- 50
- erster Aktuator
- 51
- zweiter Aktuator
- 52
- dritter Aktuator
- 53
- vierter Aktuator
- 53a
- fünfter Aktuator
- 54
- sechster Aktuator
- 54a
- siebter Aktuator
- 59
- Resonanzerzeuger
- 60a
- erstes Gaszuführmittel
- 60b
- zweites Gaszuführmittel
- 60c
- drittes Gaszuführmittel
- 61
- Ringkanal
- 65
- Gasquelle
- 80
- Kunststoffmatte
- 90
- Blattkavitation
- 111
- Gaszuleitungssystem
- 120
- erste Öffnung des inneren Kanals
- 121
- zweite Öffnung des inneren Kanals
- 130
- Regelungssystem
- 131
- erstes Mittel zur Ermittlung des Volumenstroms
- 132
- zweites Mittel zur Ermittlung des Volumenstroms
- 133
- drittes Mittel zur Ermittlung des Volumenstroms
- 134
- viertes Mittel zur Ermittlung des Volumenstroms
- 135
- erstes Mittel zur Ermittlung der Temperatur
- 136
- erstes Mittel zur Ermittlung des Drucks
- 136a
- zweites Mittel zur Ermittlung des Drucks
- 136b
- drittes Mittel zur Ermittlung des Drucks
- 136c
- viertes Mittel zur Ermittlung des Drucks
- 137
- Mittel zur Messung oder Ermittlung der Propellerdrehzahl
- 138
- Mittel zur Messung oder Ermittlung der Propellerdrehrichtung
- 139
- Mittel zur Messung oder Ermittlung eines Geräuschpegels
- 141
- Mittel zur Ermittlung der Schwingung des inneren Kanals innerhalb des äußeren Kanals
- 301
- kastenförmiges Gehäuse
- 301'
- Außenwand des inneren Kanals
