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Stand der Technik
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Neben den zweidimensionalen Segeln zum Antrieb von Fahrzeugen zu Wasser und zu Land sind auch dreidimensionale Flügel (sogenannte Wingsails) für deren Antrieb bekannt. Im Gegensatz zu Segel welche aus zweidimensionalen, einlagigen Materialien/Tuchen hergestellt werden, weisen Flügelsegel der gleichen Größe wie einlagige Segel eine weitaus höhere Effizienz aus. So wird bei Flügelsegeln im Gegensatz zu einlagigen Segeln eine bis zu dreißig prozentige Erhöhung der Vortriebskraft erreicht. Gleichzeitig wird dabei die Kraft der Kränkung/Neigung des Segels nach Lee (dem Wind abgekehrte Seite) erheblich verringert. (Siehe Omerwingsail, Flügel/Segel-Vergleich). Die Wanten welche dem Mast seitlichen Halt geben können so schwächer/einfacher dimensioniert, oder sogar ganz entfallen.
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Segelschiffe des Americas Cup 2013 oder Schiffe von Omer Sail und Onesails sind dafür Beispiele. Diese Segel werden durch feste Verstrebungen in den Profilen oder in den Segelflächen der Lee/Luvseite in ihrer dreidimensionale Form gehalten. Auch wird die profilartig ausgeführte Form des Baumes (11) zur Profilbildung genutzt. Nachteil: hohes Gewicht, Segel nicht oder schwierig transportierbar, aufwendige Herstellung.
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Auch ist ein staudruckloses Flügelsegel bekannt (Raptor), welches mit Hilfe aufgepumpter (luftgefüllter) Profilteile arbeitet. Nachteil: Befüllen der einzelnen Profilteile notwendig, aufwendige Herstellung.
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Weitere Anwender nutzen die Flügeltechnik mit Hilfe zweier parallel aufeinander liegenden gleich großer Segelflächen. Die Profilform wird durch die Wölbung/Dicke des Mastes, oder die Dicke des Mastes vergrößernder Teile gebildet . Innenliegeende Profile kann es geben oder nicht. Es gibt weder Lufteintrittsöffnungen noch wird kein Staudruck im Segel gebildet. Nachteil: keine optimale Profilform aufwendige Herstellung, Gewicht. (
EP 0155012 A1 , Patent
US4064821 ).
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Es sind Staudruckflügelsegel bekannt welche an der Vorliekseite (7) vollkommen geöffnet sind (im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Beschreibung) Diese Öffnung wird durch eine mechanische Konstruktion offen gehalten. Ein Klappensystem steuert den Luftstrom nach Lage des Segels in den geöffneten Flügel (bei der Wende oder Halse). Nachteil: aufwendige/anfällige Konstruktion, Gewicht.
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Beschreibung
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Die Erfindung beschreibt ein aus schlaffem Material wie z. B Segeltuch hergestelltes Staudruckflügelsegel in der beschriebenen Anwendung als „Hauptsegel hinter dem Mast” mit Lufteintrittsöffnungen (4/5) sowie innerhalb des Flügels liegendem Klappen (6) zur Luftzufuhrsteuerung (vgl. 1 bis 4). Bis auf diese Lufteintrittsöffnungen ist das Segel rundherum geschlossen. Der Mast (10) kann sich innerhalb oder vor dem Flügelsegel befinden (vgl. 10). Das Staudruckflügelsegel kann zum Antrieb von Fahrzeugen zu Wasser und zu Land dienen, aber auch zum Antrieb weiterer Objekte. Die Profilform des Flügelsegels wird durch die Ausführung der Profileinzelteile (3a–3i) bestimmt (vgl. 1).
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Das Flügelsegel ist durch seine beiden Seitenteile (1 und 2) sowie ein Profilteil (3a) rundherum geschlossen. Das unterste Profilteil (3a) bildet gleichzeitig das Unterliek (3a; vgl. 1). Diese einzelnen Profilteile (3a–3i) werden aus vollkommen flexiblem, schlaffem Tuch hergestellt. Rippenartig verteilen sie sich über die gesamte Länge entlang des Vorlieks (7) bis zum Achterliek (8) des Flügels, und unterteilen so das Flügelsegel in mehrere Zellen (vgl. 1). Vorzugsweise sind die Profile (3a–3i) mit Durchbrüchen (14; 5) versehen, so dass sich der Luftdruck im Flügelsegel schnell und gleichmäßig verteilen kann. Außerdem ist es so nicht zwingend notwendig jedes Profil einzeln mit einer Lufteintrittsöffnung zu versehen da sich der Innendruck über die Durchbrüche gleichmäßig im Inneren des Staudruckflügels verteilt
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Die Anzahl der Profile und dadurch gebildeten Zellen ist je Ausführung des Flügelsegels (z. B. Größe) variabel.
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Das Flügelsegel arbeitet nach dem Staudruckprinzip. Die Tragflächenform wird durch den im Inneren des Flügelsegels herrschenden Luftstaudrucks, sowie dem Schnitt der einzelnen Profilteile (3a–3i) gebildet.
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Dieser Staudruck wird durch Luftstrom in die Lufteintrittsöffnungen (4a–4i/5a–5i) rechts und links der Vorliekseite (7) des Flügelsegels erreicht (vgl. 1–4). Diese Lufteintrittsöffnungen (4a–4i/5a–5i) befinden sich auf beiden Seiten des Flügelsegels im Luftstrombereich des größtmöglichen Staudrucks, jeweils rechts und links längs der Vorliek's (7; 1–4). Die Form der Lufteintrittsöffnungen (4a–4i/5a–5i) ist unerheblich, in der erfindungsgemäßen Ausführung rund.
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Bis auf diese Lufteintrittsöffnungen sind die umschließenden Teile des Flügelsegels vollkommen geschlossen. Dadurch wird ein größtmöglicher Staudruck erreicht welcher eine Optimale Profilform garantiert und somit für einen größtmöglichen Vortrieb sorgt.
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Entlang des Vorlieks (7) sitzen einzelne Klappen (6a–6i; 1–4). Diese Klappen werden jeweils zwischen die Profilteile (3a–3i), also innerhalb einer Zelle beweglich vernäht, verarbeitet. Die Klappe ist so groß bemessen, dass sie bei Anliegen an eine der beiden Segelinnenseiten (je nach Lage des Flügelsegels abhängig vom Luftstrom a oder b), die jeweilige Lufteintrittsöffnung (4a–4i/5a–5i) vollkommen und sicher verschließt (vgl. 3). Die Klappen (6) sind fexiblel und leicht biegsam.
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Um das sichere Verschließen der Lufteintrittsöffnungen sicher zu stellen, können die Lufteintrittsöffnungen (4a–4i/5a–5i)mit luftdurchlässigem Gaze (15) dauerhaft belegt werden (vgl. 4).
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Bei entsprechendem Luftstrom durch wahlweise eine der beiden Lufteintrittsöffnungen Reihe 4a–4i oder Reihe 5a–5i wird das Verschließen der vom Luftstrom geöffneten Lufteintrittsöffnungsreihe gegenüberliegenden Lufteintrittsöffnungsreihe selbstständig verschlossen (vgl. 3 und 4). Diese geschieht nach bekannten aerodynamischen Grundsätzen.
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Entlang des Vorlieks wird das Flügelsegel, ähnlich eines herkömmlichen Segels durch z. B. Keder am Mast befestigt und durch spannen des Vorlieks fest am Mast gehalten . Am hinteren Ende des Achterlieks (16; 1) wird das Flügelsegel am Baumende gespannt. Das Flügelsegel wird so wie herkömmliche Segel zwischen Mast und Baum gespannt. Das Flügelsegel kann wahlweise durch einen Keder am Unterliek (3a) direkt am Baum geführt werden, oder sitzt frei nur mit jeweils einer Befestigung am Mastfuß (17) und Baumende (vgl. 1).
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Zum Reffen des Flügelsegels können sich längs im Bereich des Vorlieks (7) zwischen Flügel und Mast (10) in einem Streifen (15) Ösen (16) befinden, welche zur Befestigung der Reffleinen dienen (vgl. 7).
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Im hinteren Bereich des Flügelssegels entlang des Achterlieks (8), kann zur Verbesserung der Aerodynamik eine zweidimensionale Segelfläche (13) oder aber auch ein weiterer dreidimensionaler Flügel befestigt sein. In der Aerodynamik werden sie als sogenannte Flaps bezeichnet siehe (vgl. 5)
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Ein luftdurchlässiges Material (15) kann Mast (10) und Vorliek (7) des Flügelsegels verbinden (vgl. 7)
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Zur Verbesserung der aerodynamischen Form der Profile im Vorliekbereich (7) können feste Profilformteile (19) am Profi befestigt sein (vgl. 8).
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Unter gegebener Luftanstömung des Flügelsegels kann eine veränderte Lage der Eintrittsöffnungen (weiter nach hinten) den erforderlichen Staudruck im Flügelsegel besser gewährleisten. Dadurch wird es notwendig jeweils einzelne Klappen (6) für die Öffnungsreihen 4 und 5 einzusetzen (vgl. 10).
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Das erfindungsgemäße Flügelsegel kann auf Fahrzeugen zu Wasser und zu Land welche mit Hauptsegel und einem Vorsegel ausgestattet sind auch als Vorsegel verwendet werden (vgl. 9). Durch die einfache Klappenkonstruktion ist das erfindungsgemäße Flügelsegel einfacher herzustellen als die unter Stand der Technik beschriebenen Flügelsegel. Mit der Verwendung des erfindungsgemäßen Staudruckflügelsegels verringert sich die durch Wind hervorgerufene seitliche wirkenden Kraft, so dass die dem Mast haltenden Verspannungen schwächer dimensioniert werden können, oder gar ganz entfallen können. Bleiben diese seitlichen Verspannungen des Mastes in unveränderter Dimension wie bei herkömmlichen zweidimensionalen Segeln, kann dazu im Vergleich eine wesentlich größere Segelfläche am anzutreibenden Objekt montiert sein.
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Beschreibung der Fig. 1–Fig. 9
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Die 1 zeigt den Flügel bestehend aus den beiden Seitenteilen (1) und (2), Profile (3a–3i), Lufteintrittsöffnungen (4a–4i; 5a–5i), Klappen (6a–6i) in perspektivischer Seitenansicht von schräg oben. Es sind das Vorderliek (7), Achterliek (8) und Unterliek (ist Gleichzeitig auch Profil 3a) dargestellt. Mast (10) in angeschnittener Darstellung und Baum (11) sind dargestellt.
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Die 2 zeigt einen Flügelausschnitt im Bereich der Lufteintrittsöffnungen (4c und 5c) zwischen den beiden Profilen 3c und 3d in seitlicher, perspektivischer Ansicht von schräg oben. Zur besseren räumlichen Darstellung wird der Materialverlauf (12) des Flügelteils 1 teilweise dargestellt. Die Klappe 6c wird in der Darstellung nicht von Luft angeströmt und ist in variabler Stellung. Die Klappen (6a–6i) sind beweglich (wie ein Scharnier wirkend) mit dem Vorliek (7) verbunden/vernäht. Es sind die beiden Flügelseitenteile (1 und 2) sowie das Vorliek (7) dargestellt.
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Die 3 zeigt den Schnitt 1-1 im Bereich der Lufteintrittsöffnung (4c und 5c). Die Klappe (6c) verschließt je nach Luftstrom a oder Luftstrom b durch die Lufteintrittsöffnung 4c oder 4d die jeweils gegenüberliegende Lufteintrittsöffnung. 3c Profilteil 1 und 2 Flügelseitenteile Die Pfeile zeigen die jeweilige Luftstromrichtung a oder b.
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Die 4 zeigt einen Flügelausschnitt im Bereich der Lufteintrittsöffnungen (4c und 5c) zwischen den beiden Profilen 3c und 3d in seitlicher, perspektivischer Ansicht von schräg oben. Es wird dabei die Lage der Klappe (6c) nach Wenden des Flügelsegels wie z. B. nach Wende oder Halse dargestellt. Die Klappe (6c) verschließt je nach Luftstrom a oder Luftstrom b durch die Lufteintrittsöffnung 4c oder 5c selbst tätigend die jeweils gegenüberliegende Lufteintrittsöffnung. Außerdem ist schraffiert dargestellt wie ein luftdurchlässiges Material wie Gaze (22) die Lufteintrittsöffnungen (4c oder 5c) bedecken kann. Die Pfeile zeigen die jeweilige Luftstromrichtung a oder b.
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Die 5 zeigt das erfindungsgemäßen Flügelsegel in perspektivischer Seitenansicht von schräg oben. Zur Verbesserung der Aerodynamik kann sich entlang des Achterlieks des Flügelsegels (8a) ein bewegliches befestigtes Segel (13), befindet welches sich je nach Luftstomrichtung a oder b zur einen oder anderen Seite wölbt (13a oder 13b). Die Pfeile zeigen die jeweilige Luftstromrichtung. Durchbrüche in den Profilen (14). Alternativ kann das zweite Segel nach dem gleichen erfindungsgemäßen Flügelsegel ausgeführt sein. Achterliek (8b) des beweglich befestigten Segels (13)
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Die 6 zeigt die Ausführung des Flügelssegels Schnitt Längs der Line 1-1 wobei das Klappensystem bereits im Mast (10) integriert ist. Mit Hilfe von z. B. Kederschienen (21) werden die beiden Flügelseiten 1 und 2 am Mast (10) befestigt.
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Die 7 zeigt einen Flügel-Mastausschnitt. Zwischen Mast (10) und Flügelsegel sitzt ein Abstandsstreifen (15) in welchem zum Reffen des Flügelsegels geeigneten Abständen Ösen (16) eingebracht werden.
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Die 8 zeigt einen Flügelausschnitt im Bereich der Profile 3c–3e. Im vorderen Bereich der jeweiligen Profile (3c–3e) befinden sich feste Profilformteile (20c–120e) welche zur besseren Ausbildung eines optimierten aerodynamischen Profils im vorderen Bereich dienen. Diese Profilformteile sind über die Vorlieklänge (7) an den Profilen verteilt. 1 und 2 Flügelseitenteile. Zur besseren Übersicht sind die Klappen sowie die Lufteintrittsöffnungen nicht dargestellt.
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Die 9 zeigt die backbordseitige Ansicht des erfindungsgemäßen Flügelsegel als Beispiel zum Antrieb eines Wasserfahrzeuges mit der Verwendung auch als Vorsegel (18). Es wird anstatt der Befestigung des Vorlieks (7) am Mast (10) am Vorstag (19) des Fahrzeuges befestigt
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Die 10 zeigt den Schnitt 1-1 im Bereich der Lufteintrittsöffnung (4c und 5c). Der Mast (10) kann wie gezeigt wahlweise vor dem Flügelsegel, oder aber innerhalb des Flügelsegels sitzen. Zwei voneinander getrennte Klappen (6c1 oder 6c2) verschließen nach Luftstrom a oder Luftstrom b durch die Lufteintrittsöffnung 4c oder 5c die jeweils gegenüberliegende Lufteintrittsöffnung. 3c Profilteil.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0155012 A1 [0004]
- US 4064821 [0004]
