DE102019201501A1

DE102019201501A1 - Aktive Stabilisierungsvorrichtung sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102019201501A1
Application number: DE102019201501.8A
Authority: DE
Inventors: Holger Spardel
Original assignee: SKF Marine GmbH
Current assignee: SKF Marine GmbH
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2019-02-06
Publication date: 2020-08-06
Also published as: US11148768B2; US20200247510A1; CN111532389A; KR20200097214A; EP3693263B1; AU2020200754A1; JP2020128201A; JP7446837B2; EP3693263A1

Abstract

Die Erfindung betrifft zunächst eine aktive Stabilisierungsvorrichtung (10) zur vorrangigen Dämpfung von Rollbewegungen eines einen Rumpf (14) aufweisenden Wasserfahrzeugs, insbesondere eines Schiffs (12), wobei die Stabilisierungsvorrichtung (10) mindestens eine Positioniereinrichtung (18) mit einem Abtriebszapfen (20) und mit einer an dem Abtriebszapfen (20) im Bereich ihrer Wurzel (22) befestigten Stabilisierungsfläche (16) aufweist, wobei die Stabilisierungsfläche (16) eine Anströmkante (40) und eine Abströmkante (42) aufweist und die Stabilisierungsfläche (16) unter Wasser (26) angeordnet ist.Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die einen von der Positioniereinrichtung (16) vorgebbaren Anstellwinkel (γ) aufweisende Stabilisierungsfläche (16) mittels der Positioniereinrichtung (18) um eine Schwenkachse (S) zwischen einer ersten und zweiten Lage (80, 86) verschwenkbar ist und mittels der Positioniereinrichtung (18) um eine Drehachse (D) verdrehbar ist.Infolgedessen kann die Anströmkante (40) stets im Wesentlichen in Richtung der Schwenkrichtung (82, 90) der sich unter Wasser (26) bewegenden Stabilisierungsfläche (16) ausgerichtet werden, woraus eine beträchtliche Verminderung des Strömungswiderstands resultiert. Hierdurch ist ein besonders energiesparender Betrieb der Stabilisierungsvorrichtung (10) möglich.Weiterhin hat die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der aktiven Stabilisierungsvorrichtung (10) zum Gegenstand.

Description

Die Erfindung betrifft zunächst eine aktive Stabilisierungsvorrichtung zur vorrangigen Dämpfung von Rollbewegungen eines einen Rumpf aufweisenden Wasserfahrzeugs, insbesondere eines Schiffs, wobei die Stabilisierungsvorrichtung mindestens eine Positioniereinrichtung mit einem Abtriebszapfen und mit einer an dem Abtriebszapfen im Bereich ihrer Wurzel befestigten Stabilisierungsfläche aufweist, wobei die Stabilisierungsfläche eine Anströmkante und eine Abströmkante aufweist und die Stabilisierungsfläche unter Wasser angeordnet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer aktiven Stabilisierungsvorrichtung zur vorrangigen Dämpfung von Rollbewegungen eines einen Rumpf aufweisenden und sich im Wesentlichen nicht durch das Wasser fortbewegenden Wasserfahrzeugs, insbesondere eines Schiffs.
Zur Dämpfung von insbesondere unerwünschten Rollbewegungen von Wasserfahrzeugen, insbesondere größeren motorbetriebenen Schiffen, ist es bekannt, aktive Stabilisierungsvorrichtungen mit unterhalb der Wasserlinie eines Rumpfes des Wasserfahrzeugs angebrachten Flossenstabilisatoren einzusetzen.
Für den Fall, dass sich das Wasserfahrzeug mit hinreichender Geschwindigkeit durch das Wasser bewegt, ist es ausreichend einen Anstellwinkel der in eine konstante Arbeitsstellung ausgeschwenkten Stabilisierungsflossen mittels geeigneter Aktoren so zu verändern, dass die von den Flossenstabilisatoren aufgebauten hydrodynamischen Kräfte der Rollbewegung zur Dämpfung derselben entgegenwirken.
Bei einem sich nicht durch das Wasser aktiv bewegenden Wasserfahrzeug ist die Variation des Anstellwinkels der Flossenstabilisatoren nicht ausreichend, da so keine hinreichend hohen hydrodynamischen Kräfte erzeugbar sind. Vielmehr ist es in einer solchen Konstellation erforderlich, zum Beispiel die Flossenstabilisatoren mittels weiterer Aktoren mit hinreichender Geschwindigkeit mit einem allenfalls in den Endlagen der Schwenkbewegung geringfügig veränderten Anstellwinkel durch das Wasser hin- und herzuschwenken, um die zur Abschwächung der unerwünschten Rollbewegungen des Rumpfes des Wasserfahrzeugs notwendigen hydrodynamischen Kräfte aufzubauen. Eine weitere Möglichkeit besteht beispielsweise darin, den Anstellwinkel der Stabilisierungsfläche bei konstantem Schwenkwinkel mit hoher Geschwindigkeit zu variieren, um durch eine solchermaßen generierte Paddelbewegung die zur Stabilisierung des Rumpfes gegen Rollbewegungen erforderlichen mechanischen Kräfte zu generieren.
Von Nachteil ist, dass eine Anströmkante eines Strömungsprofils der Stabilisierungsflossen in einer Schwenkrichtung wie vorgesehen vom Wasser angeströmt wird, in der hierzu entgegengesetzten Schwenkrichtung jedoch die Abströmkante der Anströmung durch das Wasser ausgesetzt ist. Infolgedessen entsteht durch die periodisch in entgegengesetzte Richtungen verschwenkenden Stabilisierungsflossen ein beträchtlich erhöhter Strömungswiderstand, der die energetische Effizienz der ganzen Stabilisierungsvorrichtung beeinträchtigt.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es zunächst, die energetische Effizienz einer Stabilisierungsvorrichtung zur Dämpfung von insbesondere Rollbewegungen eines Wasserfahrzeugs, insbesondere eines Schiffes, zu erhöhen. Darüber hinaus hat die Erfindung ein optimiertes Verfahren zum Betrieb einer solchen Stabilisierungsvorrichtung zum Gegenstand.
Die eingangs genannte Aufgabe wird zunächst durch eine Stabilisierungsvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, wonach die einen von der Positioniereinrichtung vorgebbaren Anstellwinkel aufweisende Stabilisierungsfläche mittels der Positioniereinrichtung um eine Schwenkachse zwischen einer ersten und zweiten Lage verschwenkbar ist und mittels der Positioniereinrichtung um eine Drehachse verdrehbar ist. Infolgedessen kann bei aktiver Stabilisierungsvorrichtung und sich nicht durch das Wasser bewegendem Wasserfahrzeug die Stabilisierungsfläche so um die Drehachse verdreht werden, dass unabhängig von der aktuellen Bewegungsrichtung der Stabilisierungsfläche stets die Anströmkante vom Wasser angeströmt wird. Hierdurch kann der Strömungswiderstand der bei sich nicht durch das Wasser bewegendem Wasserfahrzeug periodisch hin- und herschwenkenden Stabilisierungsfläche verringert und im Ergebnis die Effizienz der Stabilisierungsvorrichtung beträchtlich erhöht werden. Das freie Ende der Stabilisierungsfläche kann hierbei beispielsweise einer Bahnkurve folgen, die näherungsweise rechteckig ist oder einer liegenden Acht bzw. dem Unendlichzeichen entspricht.
Die Stabilisierungsfläche ist mittels der Positioniereinrichtung um eine in etwa / im Wesentlichen halbe Umdrehung verdrehbar. Die Stabilisierungsfläche ist insbesondere mittels der Positioniereinrichtung derart verdrehbar, dass vorzugsweise die Anströmkante der unter Wasser befindlichen Stabilisierungsfläche stets im Wesentlichen in die jeweils aktuelle Schwenkrichtung der Stabilisierungsfläche gerichtet bleibt.
Bevorzugt ist die Stabilisierungsfläche mindestens um eine halbe Umdrehung um die Drehachse verdrehbar.
Infolgedessen kann die Stabilisierungsfläche stets so gewendet werden, dass die Anströmkante vom Wasser angeströmt wird und sich der Strömungswiderstand und damit einhergehend der Energiebedarf der Stabilisierungsvorrichtung verringert.
Im Fall einer Weiterbildung ist ein Krümmungsradius der Anströmkante zur Ausbildung einer Anströmnase größer als ein Krümmungsradius der Abströmkante bemessen.
Hierdurch ergibt sich für die Stabilisierungsfläche ein optimales hydrodynamisches Profil.
Vorzugsweise ist im Bereich des Abtriebszapfens zumindest strömungskantenseitig ein sich nicht mit drehender Anströmkörper angeordnet, der sich zumindest zwischen der ersten und zweiten Lage der Stabilisierungsfläche zumindest teilweise außerhalb des Rumpfes befindet. Durch den als Spoiler fungierenden Anströmkörper können die Strömungseigenschaften im Bereich des Abtriebszapfens optimiert werden, da die hydrodynamischen Eigenschaften im Bereich des Abtriebszapfens denen der Stabilisierungsfläche angeglichen werden.
Bei einer technisch vorteilhaften Ausgestaltung ist der Anströmkörper im Wesentlichen parallel zur Rumpflängsachse orientiert.
Infolgedessen lässt sich eine Widerstandserhöhung beim Verschwenken der Stabilisierungsfläche weitestgehend vermeiden. Darüber hinaus wird einer Erzeugung von dynamischen Auftriebskräften durch den Füllkörper entgegengewirkt.
Im Fall einer weiteren Ausgestaltung korrespondiert eine Querschnittsgeometrie des Anströmkörpers in einem Anschlussbereich im Wesentlichen mit einer rumpfnahen Querschnittsgeometrie der Stabilisierungsfläche.
Hierdurch werden turbulente Strömungen und Verwirbelungen in einem Anschlussbereich zwischen dem Anströmkörper und der vorzugsweise zugleich um ihre Drehachse rotierbaren Stabilisierungsfläche reduziert.
Bei einer günstigen Weiterbildung weist der Rumpf mindestens eine Aufnahmetasche zur bevorzugt vollständigen Aufnahme jeweils einer zugeordneten Stabilisierungsfläche auf. Infolgedessen lässt sich die mindestens eine Stabilisierungsfläche bei Nichtgebrauch der Stabilisierungsvorrichtung im Idealfall vollständig in der zugeordneten Aufnahmetasche zur Minimierung des Strömungswiderstands des Rumpfes aufnehmen.
Darüber hinaus wird die eingangs genannte Aufgabe durch ein Verfahren mit den folgenden kennzeichnenden Schritten gelöst:

a) periodisches Verschwenken der mindestens einen um einen von einer Positioniereinrichtung vorgegebenen Anstellwinkel angestellten Stabilisierungsfläche um eine Schwenkachse bis zum Erreichen einer ersten oder einer zweiten Lage, und
b) beim Umkehren einer Schwenkrichtung der Stabilisierungsfläche Verdrehen der Stabilisierungsfläche mittels der Positioniereinrichtung um eine Drehachse derart, dass vorzugsweise die Anströmkante der unter Wasser befindlichen Stabilisierungsfläche stets im Wesentlichen in die jeweils aktuelle Schwenkrichtung der Stabilisierungsfläche gerichtet bleibt.

Infolgedessen lässt sich die Effizienz der Stabilisierungsvorrichtung bei sich nicht durch das Wasser bewegendem Wasserfahrzeug beträchtlich steigern, da sich der Strömungswiderstand der Stabilisierungsfläche aufgrund der stets in Schwenkrichtung orientierten Anströmkante verringert.
Bei einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die mindestens eine Stabilisierungsfläche mittels der Positionier-einrichtung zwischen der ersten und zweiten Lage um einen Schwenk-winkel von bis zu ± 60° um die Schwenkachse verschwenkt wird.
Durch den Schwenkwinkel von ± 60° bzw. 120° bezogen auf eine mittlere Lage der Stabilisierungsfläche, bei der diese ungefähr rechtwinklig vom Rumpf des Wasserfahrzeugs bzw. des Schiffes absteht, ist eine optimale Bedämpfung von unerwünschten Rollbewegungen des Wasserfahrzeugs gewährleistet. Ein maximaler Schwenkwinkel der Stabilisierungsfläche um die Schwenkachse beträgt bis zu 160° bezogen auf eine Ruhelage der Stabilisierungsfläche innerhalb der Aufnahmetasche im Rumpf des Schiffes und eine erste, maximal heckseitig ausgeschwenkte Lage der Stabilisierungsfläche.
Nach Maßgabe einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird der Anstellwinkel der mindestens einen Stabilisierungsfläche mittels der Positioniereinrichtung in einem Bereich zwischen ±60° variiert.
Durch die Variation des Anstellwinkels der Stabilisierungsfläche um ±60° bzw. 120° kann eine weitere Effizienzsteigerung der Stabilisierungswirkung erzielt werden.
Im Fall einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird die mindestens eine Stabilisierungsfläche zum Einstellen einer Ruhelage in einem inaktiven Zustand der Stabilisierungsvorrichtung mittels der Positioniereinrichtung soweit verschwenkt, bis die Stabilisierungsfläche vorzugsweise vollständig in einer Aufnahmetasche des Rumpfes aufgenommen ist. Infolgedessen wird eine Erhöhung des Strömungswiderstands des Rumpfes des Wasserfahrzeugs bzw. des Schiffes durch die Stabilisierungsvorrichtung weitestgehend vermieden. In der Ruhelage der Stabilisierungsfläche besteht zwischen der Drehachse der Stabilisierungsfläche und der Rumpflängsachse ein Winkel von etwa 0°, das heißt diese verlaufen näherungsweise parallel zueinander. Ausgehend von der Ruhelage der Stabilisierungsfläche innerhalb der Aufnahmetasche, kann die Stabilisierungsfläche um bis etwa 160° bis zum Erreichen der ersten, maximal heckseitigen Lage mittels der Positioniereinrichtung verschwenkt werden.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von schematischen Figuren näher erläutert.
Es zeigt

1-3 eine perspektivische schematische Ansicht einer Stabilisierungsfläche einer Stabilisierungsvorrichtung in einer ersten Schwenkrichtung in jeweils drei verschiedenen Lagen, und
4-6 eine perspektivische schematische Ansicht der Stabilisierungsfläche der Stabilisierungsvorrichtung von 1 in einer zweiten, der ersten Schwenkrichtung der 1 bis 3 entgegengesetzt orientierten Schwenkrichtung in jeweils drei verschiedenen Lagen.

Die 1 bis 3 - auf die im weiteren Fortgang der Beschreibung zugleich Bezug genommen wird - zeigen eine perspektivische schematische Ansicht einer Stabilisierungsfläche einer Stabilisierungsvorrichtung in einer ersten Schwenkrichtung in jeweils drei verschiedenen Lagen.
Ein Wasserfahrzeug bzw. ein Schiff 12 weist einen konventionellen Rumpf 14 auf. In den Rumpf 14 ist zur vorrangigen Abschwächung von unerwünschten Rollbewegungen eine aktive Stabilisierungsvorrichtung 10 integriert. Die Stabilisierungsvorrichtung 10 verfügt hier beispielhaft über eine hier näherungsweise viereckige sowie flossenartige Stabilisierungsfläche 16. Die Stabilisierungsfläche 16 kann erforderlichenfalls auch eine Umfangskontur eines Vielecks mit mehr als vier Ecken aufweisen. Die Stabilisierungsfläche 16 ist mittels einer geeigneten, bevorzugt leistungsfähigen hydraulischen Positioniereinrichtung 18 mit einem Abtriebszapfen 20 um eine Schwenkachse S verschwenkbar und um eine Drehachse D verdrehbar. Die Stabilisierungsfläche 16 ist im Bereich ihrer Wurzel 22 mit dem Abtriebszapfen 20 bevorzugt geradlinig verbunden. Eine abgewinkelte Befestigung der Stabilisierungsfläche 16 an dem Abtriebszapfen 20 um zum Beispiel 15° oder mehr ist im Einzelfall auch möglich. Das Schiff 12 bewegt sich hier lediglich exemplarisch in einer bevorzugten Richtung des Pfeils 24 durch das Wasser 26. Eine Geschwindigkeit v des Schiffs 12 durch das Wasser 26 ist bei aktivierter Stabilisierungsvorrichtung 10 praktisch Null oder im Verhältnis zur normalen Reise- oder Marschgeschwindigkeit des Schiffs 12 verhältnismäßig gering, was gleichbedeutend mit einer Geschwindigkeit v von bis zu 4 Knoten ist. Der Rumpf 14 des Schiffs 12 weist entsprechend der bevorzugten Fahrtrichtung durch das Wasser 26 einen in hergebrachter Weise strömungstechnisch vorteilhaft ausgeformten Bug 28 und ein Heck 30 auf.
Der Rumpf 14 des Schiffs 12 ist im Allgemeinen spiegelsymmetrisch zu einer Rumpflängsachse 32 aufgebaut, das heißt der Rumpf 14 des Schiffs 12 verfügt vorzugsweise ergänzend zu der hier lediglich schematisch dargestellten, zum Beispiel backbordseitig angeordneten Stabilisierungsvorrichtung 10 über eine weitere, spiegelsymmetrisch zu der Stabilisierungsvorrichtung 10 aufgebaute, jedoch zeichnerisch nicht dargestellte steuerbordseitige Stabilisierungsvorrichtung. Der Begriff „steuerbordseitig“ bedeutet hierbei in Fahrtrichtung des Schiffs 12 rechts, während „backbordseitig“ in Fahrtrichtung des Schiffs 12 links definiert. Zumindest die Stabilisierungsfläche 16 der Stabilisierungsvorrichtung 10 befindet sich im normalen Betriebszustand des Schiffs 12 stets vollständig unter Wasser 26.
Die Schwenkachse S fällt hier lediglich exemplarisch mit einer Hochachse H (s. g. Gierachse) eines orthogonalen Koordinatensystems 32 des Rumpfes 14 zusammen, wobei die Hochachse H bei nicht krängendem, also waagerecht im Wasser 26 liegendem Rumpf 14 des Schiffs 12 im Wesentlichen parallel zur Gewichtskraft FG ausgerichtet ist. Abweichend hiervon kann die Schwenkachse S der Stabilisierungsfläche 16 gegebenenfalls unter einem nicht dargestellten Winkel von bis zu 45° geneigt zur Hochachse H des rechtwinkligen Koordinatensystems 32 verlaufen. Die Schwenkbewegungen der Stabilisierungsfläche 16 mittels der Positioniereinrichtung 18 erfolgen um die Schwenkachse S um einen Schwenkwinkel +β, während erforderlichenfalls auch Drehbewegungen bzw. die Veränderungen eines Anstellwinkels γ der Stabilisierungsfläche 16 um die Drehachse D ausgeführt werden.
Die Drehachse D verläuft hier beispielhaft parallel in Bezug zu einer Anströmkante 40 und einer Abströmkante 42 der Stabilisierungsfläche 16. Abweichend hiervon ist ein nicht paralleler Verlauf der Drehachse D in Relation zur Anströmkante 40 und/oder zur Abströmkante 42 der Stabilisierungsfläche 16 möglich. Zur Schaffung einer Anströmnase 44 mit einer geeigneten, strömungstechnisch optimalen Profilierung ist ein erster Krümmungsradius Ri der Anströmkante 40 signifikant größer als ein Krümmungsradius R₂ der Abströmkante 42 bemessen.
Eine Aufnahmetasche 50 im Rumpf 14 dient zur bevorzugt vollständigen Aufnahme der Stabilisierungsfläche 16 bei inaktiver Stabilisierungsvorrichtung 10. In diesem Fall befindet sich die Stabilisierungsfläche 16 in der so genannten Ruhelage, in der die Drehachse D in etwa parallel zur Rumpflängsachse 32 verläuft.
Im Bereich des Abtriebszapfens 20 ist ein sich in Bezug zur Drehachse D nicht mitdrehender strömungskantenseitiger Anströmkörper 60 bzw. Füllkörper angeordnet, der im Wesentlichen parallel zur Rumpflängsachse 32 orientiert ist. Eine der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht bezeichnete Querschnittsgeometrie des Anströmkörpers 60 entspricht in einem Anschlussbereich 62 zumindest bei einem Anstellwinkel γ von etwa 0° im Wesentlichen einer ebenfalls nicht bezeichneten Querschnittsgeometrie der Stabilisierungsfläche 16.
Eine Mittenebene 72 der Stabilisierungsfläche 16 ist durch die Anströmkante 40 sowie die Abströmkante 42 festgelegt. Zwischen der Mittenebene 72 und der Horizontalen 70 besteht hier exemplarisch der Anstellwinkel +γ.
Die Stabilisierungsfläche 16 befindet sich ausweislich von 1 in einer ersten Lage 80, das heißt die Stabilisierungsfläche 16 ist hier beispielhaft soweit wie möglich in Richtung des Hecks 30 des Rumpfes 14 um die Schwenkachse S zurück geschwenkt. Ausgehend von der ersten Lage 80 wird die Stabilisierungsfläche 16 in einer ersten, hier dem Bug 28 zugewandten Schwenkrichtung 82 mittels der Positioniereinrichtung 18 verschwenkt, bis die Stabilisierungsfläche 16 eine mittlere Lage 84 gemäß der 2 eingenommen hat und näherungsweise rechtwinklig von dem Rumpf 14 absteht. Der Anstellwinkel +γ der Stabilisierungsfläche 16 bleibt hier lediglich exemplarisch unverändert, kann erforderlichenfalls aber auch mittels der Positioniereinrichtung 18 verändert werden. Aufgrund des positiven Anstellwinkels +γ wirkt auf die verschwenkende Stabilisierungsfläche 16 eine hydrodynamische Auftriebskraft F_H1 ein, die entgegengesetzt zur Gewichtskraft FG orientiert ist. Durch die hydrodynamische Auftriebskraft F_H1 wird ein (Kipp-)Moment um die Rumpflängsachse 32 des Schiffs 12 hervorgerufen, das zur möglichst weitgehenden Kompensation der vorrangig um die Rumpflängsachse 32 erfolgenden Rollbewegungen des Schiffes 12 durch die Stabilisierungsvorrichtung 10 herangezogen wird.
Die Stabilisierungsvorrichtung 10 verfügt zu diesem Zweck über eine komplexe Sensorik zur Erfassung von Roll-, Nick- und Gierbewegungen sowie der Geschwindigkeit und weiteren schiffsrelevanten Parametern im Wasser 26 in Echtzeit auf deren Grundlage eine nicht dargestellte leistungsfähige digitale Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Stabilisierungsvorrichtung 10 die Positioniereinrichtung 16 derart ansteuert, dass insbesondere die unerwünschten Rollbewegungen des Schiffs um die Rumpflängsachse 32 möglichst effektiv reduziert werden können. Eine Höhe der hydrodynamischen Auftriebskraft F_H1 variiert hierbei mit der Schwenkgeschwindigkeit der Stabilisierungsfläche 16 bzw. der Relativgeschwindigkeit zwischen der Stabilisierungsfläche 16 und dem Wasser 26, sowie dem Anstellwinkel γ.
Die 3 stellt die Stabilisierungsfläche 16 in einer zweiten Lage 86 dar, die nach einem Weiterverschwenken der Stabilisierungsfläche 16 mittels der Positioniereinrichtung 18 um die Schwenkachse S um den Winkel +β in Richtung des Bugs 28 bzw. der ersten Schwenkrichtung 82 erreicht wird.
Erfindungsgemäß ist die Anströmkante 40 der Stabilisierungsfläche 16 unabhängig vom jeweils aktuellen Schwenk- und Anstellwinkel β, γ bevorzugt immer im Wesentlichen in Richtung des anströmenden Wassers 26 orientiert, wodurch die Positioniereinrichtung 10 besonders energieeffizient ist. Ausgehend von der zweiten Lage gemäß der 3 erreicht die Stabilisierungsfläche 16 durch Weiterbewegen in der ersten Schwenkrichtung 82 die Ruhestellung der Stabilisierungsfläche 16, in der die Stabilisierungsfläche 16 im Idealfall vollständig in dem Aufnahmeraum 50 und bündig mit dem Rumpf 14 abschließend aufgenommen ist. In der Ruhestellung kommt es somit zu keiner nennenswerten Veränderung der hydrodynamischen Eigenschaften des Rumpfes 14 und insbesondere zu keiner relevanten Erhöhung des Strömungswiderstands.
Beim Erreichen der zweiten Lage 86 erfolgt mittels der Positioniereinrichtung 18 eine Umkehr der ersten Schwenkrichtung 82 in eine zweite Schwenkrichtung 90, die entgegengesetzt zu der ersten Schwenkrichtung 82 orientiert ist, wobei die Stabilisierungsfläche 16 vorzugsweise zugleich um näherungsweise eine halbe Umdrehung bzw. um einen Drehwinkel α von 180° um die Drehachse D verdreht wird, sodass die Stabilisierungsfläche 16 die weiteren Lagen nach Maßgabe der 4 bis 6 einnimmt. Hiervon abweichende, größere oder kleinere Drehwinkel α der Stabilisierungsfläche 16 um die Drehachse D sind ebenfalls möglich. Eine freie Stirnseite 96 der Stabilisierungsfläche 16 ist hier bespielhaft mit einer parallel zur Mittenebene 72 orientierten und der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht bezeichneten Rippenstruktur mit einer Vielzahl von parallelen Rippen zur Minimierung, insbesondere zur Reduzierung von Turbulenzen und Verwirbelungen, versehen.
Die 4 bis 6 - auf die im weiteren Fortgang der Beschreibung zugleich Bezug genommen wird - illustrieren eine perspektivische Ansicht der Stabilisierungsfläche der Stabilisierungsvorrichtung in einer zweiten, der ersten Schwenkrichtung nach Maßgabe der 1 bis 3 entgegengesetzt orientierten Schwenkrichtung in jeweils drei verschiedenen Lagen. Der Rumpf 14 des Schiffs 12 bewegt sich wiederum in Richtung des weißen Pfeils 24 durch das Wasser 26. Die Stabilisierungsfläche 16 der Stabilisierungsvorrichtung 10 befindet sich in 4 noch in der zweiten Lage 86. Im Gegensatz zur Position von 3 ist die Stabilisierungsfläche 16 jedoch um ihre Drehachse D um ungefähr eine halbe Umdrehung bzw. 180° verdreht, derart dass die Anströmkante 40 beim anschließenden Weiterverschwenken der Stabilisierungsfläche 16 in der Richtung der zweiten Schwenkrichtung 90 optimal vom umgebenden Wasser 26 angeströmt wird. Dies ermöglicht eine beträchtliche Reduzierung des Energiebedarfs der Stabilisierungsvorrichtung 10.
Darüber hinaus besteht im Unterschied zu den 1 bis 3 zwischen der Horizontalen 70 und der Mittenebene 72 der Stabilisierungsfläche 16 hier ein lediglich exemplarisch annähernd konstanter Anstellwinkel -γ, wodurch eine in Richtung der Gewichtskraft FG orientierte hydrodynamische Abtriebskraft F_H2 von der Stabilisierungsfläche 16 erzeugt und zur Dämpfung von Rollbewegungen des Rumpfes 14 des Schiffs 12 um die Rumpflängsachse 32 dient. Die Höhe der hydrodynamischen Abtriebskraft F_H2 ist wiederum von der Schwenkgeschwindigkeit der Stabilisierungsfläche 16 bzw. einer hieraus resultierenden Relativgeschwindigkeit zwischen der Stabilisierungsfläche und dem Wasser 26 abhängig. Weiterhin beeinflusst eine unter Umständen von Null verschiedene Geschwindigkeit v des Rumpfes 14 des Schiffs 12 die Abtriebskraft F_H2 . In den Umkehrpunkten der Schwenkbewegung der Stabilisierungsfläche 16, das heißt in der ersten und zweiten Lage der Stabilisierungsfläche 16, in denen vorzugsweise auch die Rotation um den Drehwinkel α von 180° bzw. die halbe Umdrehung um die Drehachse D vorgesehen ist, kann die hydrodynamische Abtriebskraft F_H2 demzufolge klein werden.
Die 5 illustriert die mittlere Lage 84 der Stabilisierungsfläche 16, bei der diese wiederum im Wesentlichen rechtwinklig zum Rumpf 14 des Schiffs 12 orientiert ist. Durch das Weiterverschwenken der Stabilisierungsfläche 16 mittels der Positioniereinrichtung 18 in Richtung der zweiten Schwenkrichtung 90 erreicht die Stabilisierungsfläche 16 der Stabilisierungsvorrichtung 10 letztendlich wiederum die erste Lage 80 gemäß der 6.
Im weiteren Fortgang der Beschreibung soll das erfindungsgemäße Verfahren unter erneuter Bezugnahme auf die 1 bis 6 kurz erläutert werden.
In einem ersten Verfahrensschritt a) erfolgt das periodische Verschwenken der mindestens einen um einen von einer Positioniereinrichtung 18 vorgegebenen Anstellwinkels γ angestellten Stabilisierungsfläche 16 um die bei fehlender Krängung des Rumpfes 14 im Wesentlichen parallel zur Gewichtskraft FG bzw. der Schwerkraft gerichteten Schwenkachse S um den Schwenkwinkel von ±β bis zum Erreichen der ersten oder der zweiten Lage 80, 86. Die mittlere Lage 84 wird hierbei zyklisch durchlaufen. Bezogen auf die mittlere Lage 84 der Stabilisierungsfläche 16 kann der Schwenkwinkel β bei bis zu ±60° liegen. Ein positiver Schwenkwinkel +β definiert eine Schwenkbewegung um die Schwenkachse S im Uhrzeigersinn und ein negativer Schwenkwinkel -β eine Schwenkbewegung um die Schwenkachse S im Gegenuhrzeigersinn jeweils in Draufsicht gesehen.
Verfahrensgemäß kann eine Veränderung des Anstellwinkels γ der Stabilisierungsfläche 16 in einem Bereich von bis zu ±60° in Bezug zu der Horizontalen 70 im Zuge der oszillierenden Schwenkbewegungen um die Schwenkachse S in den beiden Schwenkrichtungen 82, 90 erfolgen.
In einem zweiten Verfahrensschritt b) erfolgt jeweils beim Wechsel von der ersten zu der zweiten Schwenkrichtung 82, 90 und umgekehrt, d. h. in den jeweiligen Umkehrpunkten der Schwenkbewegung bzw. beim Erreichen einer der beiden Lagen 80, 86 der Stabilisierungsfläche 16, ein Verdrehen der Stabilisierungsfläche 16 mittels der Positioniereinrichtung 18 um mindestens etwa eine halbe Umdrehung bzw. um den Drehwinkel α von 180° um die Drehachse D der Stabilisierungsfläche 16.
Infolgedessen wird stets die Anströmnase 44 der Anströmkante 40 vom umgebenden Wasser 26 beaufschlagt, wodurch sich der energetische Wirkungsgrad der Stabilisierungsvorrichtung 10 im aktiven Rolldämpfungsbetrieb beträchtlich erhöhen lässt.
Die vom Abtriebszapfen 20 der Positioniereinrichtung 18 weggerichtete freie Stirnseite 96 der Stabilisierungsfläche 16 vollzieht ausweislich der 1 bis 6 verfahrensgemäß im aktiven Rolldämpfungsbetrieb der Stabilisierungsvorrichtung 16 eine Bahnkurve, die annähernd einem Rechteck oder einer liegenden Ziffer Acht bzw. einem Unendlichzeichen entspricht.
Bezugszeichenliste

10: Stabilisierungsvorrichtung
12: Schiff
14: Rumpf
16: Stabilisierungsfläche
18: Positioniereinrichtung
20: Abtriebszapfen
22: Wurzel (Stabilisierungsfläche)
24: weißer Pfeil
26: Wasser
28: Bug
30: Heck
32: Rumpflängsachse
40: Anströmkante
42: Abströmkante
44: Anströmnase
50: Aufnahmetasche
60: Anströmkörper
62: Anschlussbereich
70: Horizontale
72: Mittenebene (Stabilisierungsfläche)
80: erste Lage (Stabilisierungsfläche)
82: erste Schwenkrichtung
84: mittlere Lage (Stabilisierungsfläche)
86: zweite Lage (Stabilisierungsfläche)
90: zweite Schwenkrichtung
96: freie Stirnseite (Stabilisierungsfläche)
F_H1: hydrodynamische Auftriebskraft
F_H2: hydrodynamische Abtriebskraft
F_G: Gewichtskraft
H: Hochachse
D: Drehachse
S: Schwenkachse
α: Drehwinkel (Stabilisierungsfläche)
β: Schwenkwinkel (Stabilisierungsfläche)
γ: Anstellwinkel (Stabilisierungsfläche)
R₁: erster Krümmungsradius
R₂: zweiter Krümmungsradius
v: Geschwindigkeit (Wasserfahrzeug, Schiff)

Claims

Aktive Stabilisierungsvorrichtung (10) zur vorrangigen Dämpfung von Rollbewegungen eines einen Rumpf (14) aufweisenden Wasserfahrzeugs, insbesondere eines Schiffs (12), wobei die Stabilisierungsvorrichtung (10) mindestens eine Positioniereinrichtung (18) mit einem Abtriebszapfen (20) und mit einer an dem Abtriebszapfen (20) im Bereich ihrer Wurzel (22) befestigten Stabilisierungsfläche (16) aufweist, wobei die Stabilisierungsfläche (16) eine Anströmkante (40) und eine Abströmkante (42) aufweist und die Stabilisierungsfläche (16) unter Wasser (26) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die einen von der Positioniereinrichtung (18) vorgebbaren Anstellwinkel (γ) aufweisende Stabilisierungsfläche (16) mittels der Positioniereinrichtung (18) um eine Schwenkachse (S) zwischen einer ersten und zweiten Lage (80, 86) verschwenkbar ist und mittels der Positioniereinrichtung (18) um eine Drehachse (D) verdrehbar ist.
Stabilisierungsvorrichtung (10) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsfläche (16) mindestens um eine halbe Umdrehung um die Drehachse (D) verdrehbar ist.
Stabilisierungsvorrichtung (10) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Krümmungsradius (Ri) der Anströmkante (40) zur Ausbildung einer Anströmnase (44) größer als ein Krümmungsradius (R₂) der Abströmkante (42) bemessen ist.
Stabilisierungsvorrichtung (10) nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Abtriebszapfens (20) zumindest strömungskantenseitig ein sich nicht mit drehender Anströmkörper (60) angeordnet ist, der sich zumindest zwischen der ersten und zweiten Lage (80, 86) der Stabilisierungsfläche (16) zumindest teilweise außerhalb des Rumpfes (14) befindet.
Stabilisierungsvorrichtung (10) nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anströmkörper (60) im Wesentlichen parallel zur Rumpflängsachse (32) orientiert ist.
Stabilisierungsvorrichtung (10) nach Patentanspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsgeometrie des Anströmkörpers (60) in einem Anschlussbereich (62) im Wesentlichen mit einer rumpfnahen Querschnittsgeometrie der Stabilisierungsfläche (16) korrespondiert.
Stabilisierungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rumpf (14) mindestens eine Aufnahmetasche zur bevorzugt vollständigen Aufnahme jeweils einer zugeordneten Stabilisierungsfläche (16) aufweist.
Verfahren zum Betrieb einer aktiven Stabilisierungsvorrichtung (10), insbesondere nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, zur vorrangigen Dämpfung von Rollbewegungen eines einen Rumpf (14) aufweisenden und sich im Wesentlichen nicht durch das Wasser (26) fortbewegenden Wasserfahrzeugs, insbesondere eines Schiffs (12), umfassend die folgenden Schritte: a) periodisches Verschwenken der mindestens einen um einen von einer Positioniereinrichtung (18) vorgegebenen Anstellwinkel (γ) angestellten Stabilisierungsfläche (16) um eine Schwenkachse (S) bis zum Erreichen einer ersten oder einer zweiten Lage (80, 86), und b) beim Umkehren einer Schwenkrichtung (82, 90) der Stabilisierungsfläche (16) Verdrehen der Stabilisierungsfläche (16) mittels der Positioniereinrichtung (18) um eine Drehachse (D) derart, dass vorzugsweise die Anströmkante (40) der unter Wasser (26) befindlichen Stabilisierungsfläche (16) stets im Wesentlichen in die jeweils aktuelle Schwenkrichtung (82, 90) der Stabilisierungsfläche gerichtet bleibt.
Verfahren nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stabilisierungsfläche (16) mittels der Positioniereinrichtung (18) zwischen der ersten und zweiten Lage (80, 86) um einen Schwenkwinkel (β) von bis zu ±60° um die Schwenkachse (S) verschwenkt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel (γ) der mindestens einen Stabilisierungsfläche (16) mittels der Positioniereinrichtung (18) in einem Bereich zwischen ±60° verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stabilisierungsfläche (16) zum Einstellen einer Ruhelage in einem inaktiven Zustand der Stabilisierungsvorrichtung (10) mittels der Positioniereinrichtung (18) soweit verschwenkt wird, bis die Stabilisierungsfläche (16) vorzugsweise vollständig in einer Aufnahmetasche (50) des Rumpfes (14) aufgenommen ist.