DE10237918A1

DE10237918A1 - Fluiddynamischer Profilkörper

Info

Publication number: DE10237918A1
Application number: DE10237918A
Authority: DE
Inventors: Helmut Reccius
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-08-14
Filing date: 2002-08-14
Publication date: 2004-02-26

Abstract

Um bei einem herkömmlichen Profilkörper für die Erzeugung eines dynamischen Auftriebs eine Verbesserung im Hinblick auf energetische Gesichtspunkte beim Betrieb als auch im Hinblick auf eine erhöhte Flexibilität zur Anpassung des Profilkörpers an die jeweiligen spezifischen Anforderungen und Gegebenheiten bereitzustellen, wird ein fluiddynamischer Profilkörper (10) vorgeschlagen, der sich aus einem starren Hauptsegment (20) und zumindest drei in Anströmrichtung hintereinander angeordneten Nebensegmenten (30, 40, 50, 60, 70) zusammensetzt, die jeweils an benachbartem, in Anströmrichtung vorderen Segmenten drehgelagert sind. Die erfinderische Gestaltung des Profilkörpers ermöglicht, dass dessen Auftriebsbeiwert über einen weiten Bereich veränderbar ist, wodurch eine hohe Anpassungsfähigkeit an die jeweiligen Einsatzbedingungen gegeben ist. DOLLAR A Weiterhin betrifft die Erfindung ein mit dem Profilkörper ausgestattetes Tragflügelboot sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb.

Description

Die Erfindung betrifft einen fluiddynamischen Profilkörper zur Erzeugung einer dynamischen Auftriebskraft nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein mit einem derartigen Profilkörper ausgestattetes Tragflügelboot sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Tragflügelbootes.
Derartige, in einem Fluid als Tragflügel verwendete Profilkörper werden seit Beginn der Luftfahrt stetig weiter entwickelt. Diese arbeiten nach dem Prinzip, dass bei geeigneter Formung des Profilkörpers eine Zirkulation des umgebenden Mediums auftritt, die auf der Oberseite des Profilkörpers eine größere Strömungsgeschwindigkeit und damit einen geringeren Druck, auf der Unterseite eine kleinere Geschwindigkeit und einen größeren Druck liefert. Der resultierende Druckunterschied bewirkt den dynamischen Auftrieb, welcher der Gravitation entgegenwirkt und damit überhaupt erst das Abheben eines Flugkörpers ermöglicht, obwohl dieser Flugkörper eine höhere gemittelte Dichte als das umgebende Medium aufweist. Aus der Luftfahrt bekannt sind Profilkörper, die sich aus einer Nase, einem Mittelkasten und einem Endkasten zusammensetzen, wobei der Endkasten als Lande- oder Steuerklappe am Mittelkasten bewegbar angelenkt ist. Diese Konstruktion ermöglicht es, im Betrieb den Auftriebsbeiwert des Profilkörpers nach Bedarf, beispielsweise bei der Landung, innerhalb vorgegebener Grenzen zu verändern. Da bei motorbetriebenen Flugzeugen der Kraftstoff in der Regel in den Tragflächen gelagert wird, sind die Rahmenbedingungen zur Gestaltung eines solchen Tragflügels festgelegt und eng bemessen, wobei der Mittelkasten i.d.R. fest mit dem Rumpf des Flugzeugs verbunden ist.
Schon im vorletzten Jahrhundert wurde ferner die Idee verfolgt, das Grundprinzip des aerodynamischen Auftriebs auch für Boote umzusetzen. Bei der Entwicklung von hydrodynamischen Auftriebsflächen wurde bislang im Wesentlichen auf die Entwicklungen in der Luftfahrt zurückgegriffen. Dabei wurden Wasserfahrzeuge entwickelt, deren Bootskörper aufgrund des hydrodynamischen Auftriebs an halb oder voll getauchten Tragflügeln über der Wasseroberfläche schweben oder gleiten. Halb getauchte Tragflügel sind selbst stabilisierend, da sie sich durch Änderung der eingetauchten Flügelflächenanteile bei seitlicher Neigung des Fahrzeugs automatisch wieder aufrichten. Demgegenüber bleiben voll getauchte Tragflügel auch im Schwebezustand des Bootskörpers voll unter Wasser, was den Vorteil aufweist, dass das Boot auch im Seegang sehr ruhig liegt. Voll getauchte Tragflügel weisen jedoch den Nachteil auf, dass sehr hohe Austauchgeschwindigkeiten im Bereich der Reisegeschwindigkeit nötig sind, um das Boot aus dem Wasser auszutauchen, was im Hinblick auf den Energieverbrauch in der Startphase sehr ungünstig ist. Ferner ist eine weitere Beschleunigung des Bootes zu höheren Geschwindigkeiten nicht möglich, da der Auftrieb dann zu groß und das Boot instabil wird.
Um zu verhindern, dass ein mit einem voll getauchten Tragflügel ausgestattetes Boot kippt, werden auch aus der Luftfahrt entlehnte Anlagen zur Quer-, Längs- und Höhenstabilisierung verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, herkömmliche Profilkörper zur Erzeugung eines dynamischen Auftriebs im Hinblick auf energetische Gesichtspunkte beim Betrieb eines derartigen Profilkörpers als auch im Hinblick auf eine erhöhte Flexibilität zur Anpassung des Profilkörpers an die jeweiligen spezifischen Anforderungen und Gegebenheiten zu verbessern.
Diese Aufgabe wird schon mit einem fluiddynamischen Profilkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass sich der erfindungsgemäße Profilkörper aus einem starren Hauptsegment und zumindest drei in Anströmrichtung hintereinander angeordneten Nebensegmenten zusammensetzt, die jeweils an benachbarten, in Anströmrichtung vorderen Segment drehgelagert sind, wird erreicht, dass der Auftriebsbeiwert des Profilkörpers über einen weiten Bereich veränderbar ist, wodurch eine hohe Anpassungsfähigkeit an die jeweiligen Einsatzbedingungen gegeben ist.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen Profilkörper zu gestalten, welcher eine Anpassung des Auftriebsbeiwertes über einen Bereich ermöglicht, der weit über die Einstellmöglichkeiten herkömmlicher Profilkörper hinausgeht. Damit kann insbesondere den Anfordernissen an einen hydrodynamischen Profilkörper stärker Rechnung getragen werden als es bisher mit der Methode der einfachen Übertragung luftfahrttechnischer Gestaltungsregeln auf hydrodynamische Profilkörper der Fall war. Im Unterschied zum Medium Luft bei einem aerodynamischen Profilkörper ändert sich die Dichte des Mediums Wasser bei einem hydrodynamischen Flügel abhängig von den Betriebsbedingungen, insbesondere von der Höhe sowie der Geschwindigkeit, nur unwesentlich. Somit besteht bei Tragflügelbooten das Problem, dass eine vorgegebene Geschwindigkeit nicht überschritten werden kann, da der Auftrieb quadratisch von der Geschwindigkeit abhängt und das Boot somit bei der Überschreitung einer vorgegebenen Geschwindigkeit instabil wird. Während bei einem aerodynamischen Flügel der verminderte Luftdruck aufgrund des Höhengewinns einen Ausgleich zur Erhöhung der Geschwindigkeit nach sich zieht, ist dies bei einem hydrodynamischen Profilflügel in der Regel nicht gegeben. Somit kann durch die erfinderische Gestaltung des Profilkörpers diesem Umstand dadurch Rechnung getragen werden, indem nach dem Austauchen des Bootskörpers aus dem Wasser der Auftriebsbeiwert des Profilkörpers in Abhängigkeit der Geschwindigkeit eingestellt werden kann. Erst damit wird eine weitere Beschleunigung eines ausgetauchten Tragflügelbootes mit voll getauchtem Flügel auf eine Geschwindigkeit, die viel höher, als die Austauchgeschwindigkeit liegt; möglich. Somit kann beispielsweise ein Tragflügelboot mit voll getauchtem Flügel bereitgestellt werden, welches nach dem Austauchen des Bootsrumpfes noch um weitere beispielhafte 20 bis 40 Knoten beschleunigt werden kann. Grundsätzlich kann jedoch ein gemäß der Erfindung gestalteter Profilkörper auch als aerodynamischer Flügel verwendet werden, wenn die Anpassung des Auftriebsbeiwertes über einen großen Bereich gefordert ist. Insbesondere bietet sich die erfindungsgemäße Gestaltung der Profilkörper dann an, wenn kein Treibstoff im Flügel gelagert ist, sodass große Abschnitte des gesamten Profilkörpers zur Gestaltung eines veränderlichen Auftriebsbeiwertes zur Verfügung stehen. Dies betrifft beispielsweise Tragflügel für Zeppeline oder für Bodeneffektfahrzeuge. Vorzugsweise kann der Auftriebsbeiwert eines erfindungsgemäßen Profilkörpers um mindestens den Faktor 6 besonders vorteilhaft um mindestens den Faktor 8 variiert werden.
Zur Beschränkung der Bewegbarkeit eines Nebensegments über die Drehlagerung am jeweils benachbarten vorderen Segment kann vorgesehen sein, dass Anschlagsmittel sowohl auf der Druckseite als auch auf der Sogseite zwischen den benachbarten Segmenten angeordnet sind. Es ist zweckmäßig, wenn die Anschlagsmittel zwischen den Segmenten jeweils eine Anlagefläche der beiden Segmente umfasst, die zur Begrenzung der Drehung der Segmente gegeneinander zusammenwirken. Dabei können die Anlageflächen vorteilhaft durch die sich gegenüberliegenden Seitenflächen der benachbarten Segmente gebildet werden. Auf diese Weise reicht die Einstellung eines vorgegebenen Spaltmaßes zwischen den Segmenten aus, um eine exakt einstellbare und mit wenig konstruktivem Aufwand herstellbare Drehung zwischen den einzelnen Segmenten zu ermöglichen, wenn sowohl ein Spalt auf der Sogseite als auch ein Spalt auf der Druckseite zwischen den benachbarten Segmenten vorgesehen ist.
Um eine kontinuierliche Veränderung des Widerstandsbeiwerts des Profilkörpers zu erreichen, ohne dass ein Strömungsabriss auftritt, kann vorgesehen sein, dass der Drehwinkelbereich der verschiedenen Nebensegmente so eingestellt ist, dass dieser ausgehend vom Nebensegment, das drehbar am Hauptsegment angebracht ist, monoton bis zum letzten Segment zunimmt, sodass das letzte Nebensegment die höchste Drehbeweglichkeit aufweist. Vorteilhafterweise ist das letzte Segment wie bei einem herkömmlichen aerodynamischen Flügel als Rudersegment ausgebildet.
Die Anzahl der Nebensegmente des Profilkörpers kann an das jeweilige Problem angepasst sein. Einen guten Kompromiss zwischen vertretbarem konstruktivem Aufwand und ausreichender Einstellmöglichkeit des Auftriebsbeiwertes ist bei der Gestaltung des Profilkörpers mit 3, 4, 5 oder 6 Nebensegmenten gegeben. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass in Spezialfällen auch der konstruktive Aufwand von noch mehr Nebensegmenten vertretbar erscheint.
Zweckmäßigerweise können die Segmente zueinander derart beweglich angeordnet sein, dass sich die Auftriebsbeiwerte des Profilkörpers in den Extremeinstellungen zumindest um den Faktor 5 unterscheiden, sodass der Profilkörper je nach Betriebsbedingung im Hinblick auf einen optimierten Auftriebsbeiwert oder einen optimierten Widerstandbeiwert über einen großen Bereich eingestellt werden kann.
Zweckmäßig kann das starre Hauptsegment im Bereich der Anströmung eine unbewegliche Nase aufweisen. Diese konstruktive Maßnahme verhindert insbesondere bei hydrodynamischen Flügeln, dass sich Treibgut in dem Zwischenraum zwischen Nase und Hauptsegment festsetzt. Weiterhin weist das Hauptsegment damit eine höhere Stabilität beim Aufprall gegen feste Gegenstände auf, die im Fluid treiben können.
Zur Aufnahme der durch die Auftriebskräfte an den jeweiligen Nebensegmenten auftretenden Drehmomenten kann vorgesehen sein, dass sich benachbarte Segmente mit einem Kraftmittel wie einer Feder an der Sogseite voneinander abstützen. Das Kraftmittel bewirkt dabei ein Drehmoment auf das drehgelagerte, benachbarte Nebensegment in Richtung zur Druckseite, wodurch das Drehmoment an dem Nebensegment, welches durch die an diesem angreifende Auftriebskraft erzeugt wird, zumindest teilweise kompensierbar ist. Auf diese Weise wird die Verstellung der einzelnen Segmente zueinander vereinfacht, da für die Verstellung nur eine solche Kraft notwendig ist, welche durch die Federelemente nicht kompensiert ist.
Zweckmäßigerweise kann ein Kraftübertragungsmittel, insbesondere ein Zugmittel, am hintersten Nebensegment angelenkt sein, um ein Drehmoment zum Drehen des hintersten Nebensegments zu erzeugen und damit dieses in seiner relativen Lage zum benachbarten Nebensegment einzustellen.
Die Übertragung der Einstellkraft auf das benachbarte Segment kann dadurch realisiert sein, dass nach Erreichen des Anschlags zwischen den benachbarten Segmenten die Kraft zur Übertragung eines Drehmomentes auf das vordere, benachbarte Nebensegment wirkt. Durch diese konstruktive Maßnahme wird erreicht, dass beim Auftreten einer Einstellkraft für die hintereinander angeordneten Nebensegmente zuerst das hinterste Nebensegment eingestellt wird, bei Überschreiten einer vorgegebenen Kraft die beiden hinteren Segmente einen Anschlag erreichen, wodurch die Einstellkraft auf das vordere der beiden Segmente wirkt, sodass dieses Segment wiederum bis zum Erreichen seines Anschlags gedreht, d.h. eingestellt wird, und letztlich beim Aufbringen einer genügend großen Einstellkraft alle Nebensegmente sukzessiv in ihre jeweilige Anschlagposition gedreht sind. Um eine Einstellung der Segmente in einer Anschlagsposition sowohl auf der Sog- als auch auf der Druckseite bereitzustellen, kann vorgesehen sein, dass ein weiteres Kraftübertragungsmittel an einem zweiten Befestigungsort am hintersten Nebensegment angebracht ist, um ein Drehmoment zum Drehen des Segments in die andere Richtung, d.h. zu dessen zweiten Anschlag aufzubringen. Beson ders vorteilhaft ist es, wenn ein einzelnes Zugmittel mit einer Umlenkvorrichtung am Hauptsegment umgelenkt ist und mit seinen beiden Enden am hintersten Nebensegment angelenkt ist, um sowohl eine Drehung des Segments (und damit auch der anderen Nebensegmente) in Sogrichtung als auch eine Drehung in Druckrichtung zu erzeugen.
Zur Übertragung einer Einstellkraft auf das Zugmittel kann vorgesehen sein, dass die Umlenkvorrichtung angetrieben ist und das Zugmittel kraftschlüssig oder formschlüssig mit der Umlenkvorrichtung zusammenwirkt. Dabei kann der Antrieb der Umlenkvorrichtung wie die Vorrichtung selbst am bzw. im Hauptsegment vorgesehen sein, wodurch sich eine besonders kompakte Bauform ergibt.
Um einen Strömungsabriss an den Übergangsabschnitten von einem Segment zum nächsten und weiterhin Ablagerungen in diesen Abschnitten zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass sich benachbarte Segmente an ihrer Oberfläche überlappen. Vorteilhafterweise kann weiterhin vorgesehen sein, dass eine Dichtung zwischen den benachbarten Segmenten im Überlappungsbereich angeordnet ist, sodass keine Teile in die Spaltabschnitte zwischen den Segmenten eindringen und diese blockieren können.
Einen homogenen Übergang zwischen den Segmenten kann andererseits bereitgestellt werden durch das Vorsehen einer, mehrere Segmente überdeckenden Hülle aus einem elastischen Material, wobei die Hülle zum Einstellen einer veränderbaren Krümmung relativ zu den Segmenten in Längsrichtung verschiebbar und zur Übertragung der Auftriebskraft in Auftriebsrichtung mit den Segmenten formschlüssig verbunden ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die gesamte Oberfläche des Profilkörpers bzw. zumindest die Oberfläche der hintereinander angeordneten Nebensegmente von einer derartigen elastischen Hülle abgedeckt ist, so dass letztlich die Oberfläche des Flügels keinen Spalt aufweist.
Wie obenstehend schon ausgeführt, kann der erfindungsgemäß gestaltete Profilkörper sowohl zur Erzielung eines aerodynamischen als auch hydrodynamischen Auftriebs verwendet werden. Gerade der Einsatz bei einem Tragflügelboot ermöglicht es, dass der Profilkörper sehr genau auf den jeweiligen Betriebszustand des Bootes optimiert werden kann. Insbesondere ist je nach Bedarf der Profilkörper im Hinblick auf einen minimalen Widerstandsbeiwert oder auf einen optimalen Auftriebsbeiwert innerhalb eines großen Bereiches einstellbar.
Zweckmäßig kann dass Tragflügelboot als Doppelrumpfboot ausgebildet sein, bei welchem ein Profilkörper quer zwischen den Rümpfen angeordnet und seitlich durch diese abgeschlossen ist, wobei das Hauptsegment an dessen seitlichen Enden mit den beiden Rümpfen starr verbunden ist. Damit kann eine Umströmung an den Flügelenden verhindert werden, welche ansonsten den Auftrieb des Flügels vermindert. Zur Einleitung der Auftriebskräfte sowie der Biege- und Torsionsmomente vom Flügel in den Bootskörper kann vorgesehen sein, dass das Hauptsegment zusätzlich durch eine zwischen den Rümpfen angeordnete Tragestrebe mit dem Bootskörper verbunden ist.
Die erfindungsgemäße Gestaltung des Profilkörpers ermöglicht insbesondere bei einem Tragflügelboot mit voll getauchtem Flügel eine neue Betriebsweise, welche einerseits höhere Geschwindigkeiten erlaubt und andererseits im Vergleich zu herkömmlichen Betriebsweisen energiesparend ist. Aufgrund der Einstellbarkeit des Auftriebsbeiwertes bzw. des Widerstandsbeiwertes wird dabei während einer Startphase des Tragflügelbootes der Widerstandsbeiwert des Profilkörpers durch entsprechende Stellung der Nebensegmente auf einen Minimalwert eingestellt und nach Erreichen einer vorgegebenen Austauchgeschwindigkeit der Auftriebsbeiwert des Profilkörpers durch entsprechende Stellung der Nebensegmente zueinander auf einen vorgegebenen Austauchwert. Hierdurch wird erreicht, dass das erfindungsgemäße Tragflügelboot zuerst mit einem geringen Widerstandsbeiwert des Flügels kinetische Energie aufbauen kann und bei Erreichen der vorgegebenen Austauchgeschwindigkeit diese Energie durch die Einstellung eines Auftriebsbeiwertes zum Austauchen des Bootskörpers genutzt wird. Weiterhin kann nach dem Austauchen des Bootskörpers das Boot weiter beschleunigt werden wobei der Auftriebsbeiwert des Profilkörpers an die Geschwindigkeit angepasst wird, vorzugsweise derart, dass der Auftriebsbeiwert des Profilkörpers unabhängig von der Geschwindigkeit des Tragflügelbootes ist. Ein solcher Einstellbereich des Auftriebsbeiwertes kann durch herkömmliche Profilkörper nicht bereitgestellt werden, da beispielsweise eine Erhöhung der Geschwindigkeit von 20 auf 50 Knoten zur Einhaltung der Bedingung eine Verminderung des Auftriebsbeiwertes um den Faktor 6,25 entspricht, was mit einem erfindungsgemäßen Profilkörper jedoch leicht realisierbar ist.
Die Erfindung wird im Folgenden durch das Beschreiben zweier Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Profilkörpers und eines mit solchen Profilkörpern ausgerüsteten Tragflügelbootes unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei
1 in einer Seitenansicht einen erfindungsgemäßen Profilkörper,
2 den in 1 dargestellten Profilkörper in einer Schnittdarstellung,
3 einen weiteren erfindungsgemäßen Profilkörper mit zwei verschiedenen Anordnungen der Nebensegmente zur Einstellung unterschiedlicher Auftriebsbeiwerte,
4 den Prinzipaufbau eines erfindungsgemäßen Tragflügelbootes in einer Seiten- und einer Frontansicht und
5 den Widerstandsverlauf in Abhängigkeit der Geschwindigkeit für das erfindungsgemäße Tragflügelboot gemäß 4 zeigt.
In 1 ist ein gemäß der Erfindung aufgebauter dynamischer Profilkörper 10 in einer Seitenansicht dargestellt. Er umfasst ein Hauptsegment 20, an das sich fünf hintereinander angeordnete Nebensegmente 30, 40, 50, 60 und 70 zur Ausbildung eines Tragflügels anschließen. Die sogseitige Oberfläche des Profilkörpers setzt sich somit aus der sogseitigen Oberfläche 21 des Hauptsegments sowie den sogseitigen Oberflächen 31, 41, 51, 61 und 71 der Nebensegmente zusammen. In gleicher Weise wird die druckseitige Oberfläche des Flügelprofils durch die druckseitig angeordneten Oberflächen 22, 32, 42, 52, 62 und 72 des Hauptsegments bzw. der Nebensegmente gebildet. Auf der den Nebensegmenten gegenüberliegenden Seite des Hauptsegments ist eine starre Nase 80 angebracht, welche die vordere Begrenzung des Profilkörpers festlegt.
Das Hauptsegment 20 weist in Richtung zum benachbarten Nebensegment 30 eine Lasche 29 mit einer Durchführung auf, die sich in das Nachbarsegment hinein erstreckt. In der Durchführung verläuft senkrecht zur Zeichenebene, d.h. senkrecht zur Anströmrichtung, ein im Nebensegment 30 gelagerter Drehbolzen 90, sodass das Nebensegment 30 relativ zum Hauptsegment 20 um eine durch den Bolzen festgelegte Achse senkrecht zur Anströmrichtung drehbar gelagert ist. Der Drehwinkelbereich wird durch das Spaltmaß zwischen der Seitenwand 24 des Hauptsegments 20 und der vorderen Seitenwand 34 des Nebensegments 30 bestimmt. Die maximale Verdrehung des Nebensegments 30 zur Sogseite wird durch den Anschlag der sogseitigen Fläche 24a des Hauptsegments 20 und der sogseitigen vorderen Fläche 34a der vorderen Seitenwand 34 des Nebensegments 30 festgelegt. In gleicher Weise wird die Drehung des Nebensegments 30 zum Hauptsegment 20 in Richtung zur Druckseite durch den Anschlag der Fläche 24b der Seitenwand 24 des Hauptsegments und der Fläche 34b an der vorderen Seitenwand 34 des Nebensegments 30 bestimmt.
Zur Anlenkung des Nebensegments 40 an das vordere Nebensegment 30 weist letzteres eine an der hinteren Seitenwand 35 angeform te Lasche mit einer Durchführung auf, an der das Nebensegment 40 über einen Bolzen 91 drehbar befestigt ist. Somit ist die Befestigung des Nebensegments 40 an dem Nebensegment 30 in identischer Weise zur Befestigung des Nebensegments 30 an das Hauptsegment 20 realisiert. Diese Konstruktion setzt sich über die Nebensegmente 50, 60 bis zum hinteren, als Rudersegment ausgebildeten Nebensegment 70 fort. Die Krümmungsradien der sogseitigen Oberflächen 21, 31, 41...71 sowie die druckseitigen Oberflächen der Segmente 22, 32, 42...72 sind so angepasst, dass unabhängig von der jeweiligen Lage der Segmente zueinander eine ausreichende Kontinuität der Krümmung durch eine Vieleck-Struktur der gesamten Oberfläche sichergestellt ist. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Profilkörpers mit 4 bis 6 Segmenten ist dabei ein guter Kompromiss zwischen der angestrebten kontinuierlichen Oberflächenstruktur und eines möglichst einfachen Aufbaus des Flügels. An den hinteren Seitenwänden der Segmente sind sowohl auf der Sogseite als auch auf der Druckseite Überlappungen in Form von Laschen als Fortsätze der jeweiligen sogseitigen bzw. druckseitigen Oberfläche angeformt. Diese Überlappungen sind am Hauptsegment mit dem Bezugszeichen 27, 28 und beispielsweise am Nebensegment 30 mit dem Bezugszeichen 37, 38 gekennzeichnet.
Jeweils an den hinteren Seitenwänden der Segmente in der Nähe der Sogseite sind jeweils Federn 23, 33...63 angeordnet, die auf die gegenüberliegende vordere Seitenwand des benachbarten Nebensegments einwirken und ein Drehmoment zum Drehen dieses Nebensegments in Richtung zur Druckseite des Flügels erzeugen. Die Federkräfte sind so ausgelegt, dass die jeweiligen Federn beim Erreichen des maximalen Auftriebs gerade das durch den Auftrieb erzeugte entgegengesetzte Drehmoment kompensieren, wenn die Feder voll gespannt ist, d.h. alle Nebensegmente an Ihrem sogseitigen Anschlag anliegen.
Der Drehbereich eines Nebensegment wird durch das Spaltmaß zwischen den Seitenflächen der benachbarten Segmente festgelegt. In der beschriebenen Ausführungsform nimmt der Drehbereich aus gehend von 2 Grad beim vordersten Nebensegment 30 jeweils um 2 Grad beim benachbarten Nebensegment zu, sodass der Drehbereich des Rudersegments 70 demnach 10 Grad beträgt.
Die Betätigung bzw. Einstellung der Nebensegmente zueinander bzw. zum Hauptsegment 20 erfolgt durch Drahtseile, die jeweils mit ihren Enden an zwei Befestigungspunkten 77, 78 am hinteren Rudersegment 70 angebracht sind. Diese Befestigungspunkte sind relativ zur Drehachse des Rudersegments so gewählt, dass sowohl ein Drehmoment zum Drehen des Rudersegments in Richtung zur Sogseite als auch ein Drehmoment zum Drehen des Rudersegments in Richtung zur Druckseite erzeugbar ist. In der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Befestigungspunkte zur Vergrößerung des Hebels mittels einer Lasche außen am Rudersegment angebracht. Das Drahtseil ist über eine im Hauptsegment angebrachte Rolle umgelenkt. 2 zeigt in einer Schnittdarstellung den Verstellmechanismus für die Segmente im Einzelnen. Wie zu erkennen, sind zwei Drahtseile 100, 101 wie beschrieben mit ihren beiden Enden an dem Rudersegment 70 angebracht, wobei die Seile über eine im Hauptsegment 20 gelagerte Doppelrolle 110 umgelenkt sind. Auf deren Achse 111 ist formschlüssig ein Stirnrad 112 angebracht, das von einem Zahnrad 122 angetrieben ist. Dieses Zahnrad sitzt auf einer Motorachse 121 eines Elektromotors 120. Somit werden die formschlüssig auf der Doppelrolle 110 aufliegenden Drahtseile 100, 101 synchron durch den Motor bewegt, wodurch das gewünschte Drehmoment auf das Rudersegment 70 erzeugbar ist. Liegt beispielsweise das Rudersegment 70 an dessen sogseitigem Anschlag an, wird durch Drehung der Rolle im Uhrzeigersinn zuerst das Rudersegment in Richtung zum druckseitigen Anschlag um den Drehbolzen 94 gedreht. Nach Erreichen dieses Anschlags wird ein Drehmoment zum Drehen des benachbarten Nebensegments 60 zusammen mit dem Rudersegment 70 um den Drehbolzen 93 wieder in Richtung zum druckseitigen Anschlag des Nebensegments 60 erzeugt. Dieser Vorgang pflanzt sich bei Weiterdrehen der Doppelrolle 110 im Uhrzeigerrichtung so lange fort, bis sukzessiv alle Nebensegmente, zuletzt das vorderste Nebensegment 30, ihre druckseitige Anschlagposition erreicht haben. Beim Zurückstellen der Segmente aus dieser Extremposition wird zuerst wieder das Rudersegment auf dessen sogseitige Anschlagsposition gestellt, bevor das dem Rudersegment benachbarte Segment verdreht wird. Somit wird auch bei diesem Vorgang ein bestimmtes Nebensegment erst verdreht, wenn alle hinteren Segmente ihre entsprechende Anschlagspositionen erreicht haben.
Die möglichen Anordnungen der Nebensegmente zwischen den beschriebenen beiden Extremstellungen, bei welchen sich alle Segmente entweder in der sogseitigen Anschlagsstellung oder in der druckseitigen Anschlagsstellung befinden, entsprechen Einstellungen unterschiedlicher Auftriebsbeiwerte C_a des erfindungsgemäßen Profilkörpers. Dabei beträgt das Verhältnis zwischen dem maximalen Auftriebsbeiwert zum minimalen Auftriebsbeiwert in der beschriebenen Ausführungsform ca. 6,5. Wie bekannt, hängt die flächenbezogene Auftriebskraft F_A eines Profilkörpers linear von dessen Auftriebsbeiwert C_a ab: FA= ϑ/2⋅Ca⋅ν2 wobei ϑ die Dichte des den Profilkörper umgebenden Mediums und v die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Profilkörper und dem Medium ist. Wird der beschriebene Profilkörper als voll getauchter, hydrodynamischer Tragflügel verwendet, kann somit aufgrund der Verstellmöglichkeit des Auftriebsbeiwertes C_a beispielsweise innerhalb eines Geschwindigkeitsbereichs zwischen 20 und 50 Knoten eine konstante Auftriebskraft dadurch eingestellt werden, dass mit zunehmender Geschwindigkeit der Auftriebsbeiwert Ca entsprechend zurückgenommen wird.
In 3 ist ein weiterer erfindungsgemäß ausgebildeter Profilkörper in zwei Extremstellungen des Auftriebsbeiwertes C_a dargestellt. Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Profilkörper weist dieser in der zweiten Ausführungsform einschließlich des Rudersegments 70 insgesamt 10 Nebensegmente auf, die wieder jeweils am benachbarten, in Anströmrichtung vorderen Segment wie beschrieben drehgelagert sind. Bei dem in der oberen Bildhälfte dargestellten Profilkörper sind alle sogseitigen Spalte geschlossen, sodass die Nebensegmente dort alle außer dem Rudersegment 70 die entsprechende Anschlagsposition einnehmen. Wie zu erkennen, sind damit die druckseitige Spalte 140 der Nebensegmente maximiert.
Bei dem in der unteren Bildhälfte dargestellten Profilkörper sind dagegen die sogseitigen Spalte 130 maximiert, sodass die Segmente jeweils am druckseitigen Anschlag anliegen.
Die zur Vereinfachung in 3 nicht dargestellten sogseitigen Federn sind auf die durch den Auftriebsbeiwert des Profilkörpers festgelegten Auftriebskräfte derart abgestimmt, dass sich Federdrehmomente und Auftriebsdrehmomente gerade kompensieren. Damit bestimmt sich die notwendige Seilkraft zur Verstellung des Rudersegments 70 im wesentlichen durch die am Rudersegment angreifende Auftriebskraft.
Der erfindungsgemäße Profilkörper ist zur Verwendung in einem beliebigen Fluid geeignet. Im Folgenden wird der Einsatz zweier derartiger Profilkörper als Tragflügel an einem Katamaran, d.h. einem Doppelrumpfboot, beschrieben, siehe 4, in welchem eine Front- und eine Seitenansicht des Bootes dargestellt ist. Das Boot 200 weist an dessen seitlichen Grenzen zwei Bootsrümpfe 210, 211 auf, die sich über die gesamte Länge des Bootes erstrecken. Wie in der Vorderansicht zu erkennen, ist zwischen den Bootsrümpfen ein Tragflügel 220 mit einer sogenannten V-Form angeordnet, welcher seitlich durch die Bootsrümpfe 210, 211 begrenzt ist. Die Befestigung des vorderen Tragflügels 220 am Bootsrumpf ist so realisiert, dass das Hauptsegment starr mit den Rümpfen verbunden ist, während die Nebensegmente, wie erläutert, zueinander bzw. zum Hauptsegment einstellbar sind.
Wie in der Seitenansicht des Bootes 200 zu erkennen, ist am hinteren Ende des Bootes ein weiterer Tragflügel 230 in glei cher Weise wie beim vorderen Tragflügel 220 angeordnet. Zur besseren Einleitung der Kräfte und zur Erhöhung der Stabilität in das Boot sind die Hauptsegmente der beiden Tragflügel 220, 230 über eine Tragestrebe 270 zusätzlich mit dem Bootskörper verbunden. Jeweils in Anströmrichtung hinter den Tragflügeln ist eine Motor/Getriebeeinheit 240 platziert, welche jeweils einen Propeller 260 antreibt, wodurch der notwendige Vorschub bereitgestellt werden kann.
In der Figur ist eine Wasserlinie WL angegeben, die den Wasserstand des ruhenden Bootes angibt. Aus der Beschleunigung des Bootes resultiert ein Auftrieb an den beiden Tragflügeln, welcher dafür sorgt, dass der Bootskörper aus dem Wasser austaucht. Die Austauchhöhe ist in der Figur durch die sogenannten Gleitlinie (GL) angegeben, welche sich dadurch auszeichnet, dass beide Tragflügel noch voll getaucht sind.
Der Betrieb des erfindungsgemäßen Tragflügelbootes wird im Folgenden mit Bezug auf 5 erläutert, welche den Verlauf des Gesamtwiderstandes W_ges bzw. von dessen Komponenten mit der Geschwindigkeit des Bootes zeigt. Wie dargestellt, setzt sich der Gesamtwiderstand, welcher durch den Vorschub des Bootes überwunden werden muss, aus dem Formwiderstand des Schiffkörpers W_S, dem antriebserzeugenden Widerstand der Tragflügel W_A, sowie dem Oberflächenwiderstand W_O der Flügel zusammen. Dabei beschreibt W_A den Widerstand der Flügel, der durch die Erzeugung des Auftriebes bedingt ist. W_A berechnet sich auf die bekannte weise zu WA = γ/2g⋅CW⋅A⋅ν2, wobei (γ/g) die Dichte des Wasser, g die Erdbeschleunigung, C_W den Widerstandsbeiwert, A die Oberfläche der Flügel und v die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Medium Wasser und dem Boot angibt.
Parallel zur Abszisse ist die maximale Vorschubkraft als horizontale gestrichelte Linie eingetragen, welche den widerstand angibt, der maximal durch die installierte Vorschubkraft überwunden werden kann. Wie aus der Kurve W_S erkennbar, nimmt der Formwiderstand des Schiffskörpers mit zunehmender Geschwindigkeit zu und fällt bei Erreichen einer Startgeschwindigkeit v_Start, bei welcher der Bootskörper beginnt, aus dem Wasser auszutauchen. Der minimale Formwiderstand des Schiffskörpers wird erreicht, wenn das Boot bis zur Gleitlinie (siehe 4) ausgetaucht ist, danach nimmt der Formwiderstand des Schiffskörpers mit steigender Geschwindigkeit wieder zu. Die Kurve (W_A + W_O) zeigt den zu erwartenden quadratischen Verlauf mit der Geschwindigkeit. Dabei wird in der Startphase der Widerstandsbeiwert C_W des Profilkörpers auf einen Minimalwert eingestellt, um bis zum Erreichen der Startgeschwindigkeit möglichst wenig Energie zu benötigen. Erst danach wird der für das Austauchen des Schiffskörpers notwendige Auftriebsbeiwert C_a und damit ein höherer auftriebserzeugender Widerstand W_A eingestellt, wie der Verlauf der Kurve im Bereich der Startgeschwindigkeit v_Start zeigt. Nach dem Austauchen des Bootskörpers aus dem Wasser kann die Geschwindigkeit weiter erhöht werden. Damit erhöht sich jedoch auch der Auftrieb, was jedoch nach dem Austauchen nicht mehr notwendig ist, sodass die Flügel in Richtung zu einem verminderten Auftriebsbeiwert C_a und damit einem verminderten Widerstandsbeiwert C_W verstellt werden können. Somit kann eine höhere Maximalgeschwindigkeit des Bootes erzielt werden, da der Gesamtwiderstand des Bootes erst bei einer höheren Geschwindigkeit den Wert erreicht, welcher der maximalen Vorschubkraft entspricht. Vorzugsweise wird nach dem Austauchen des Bootskörpers der Auftriebsbeiwert der Tragflügel in Abhängigkeit der Geschwindigkeit so eingestellt, dass der Auftrieb konstant ist.

10: Profilkörper
20: Hauptsegment
21: sogseitige Oberfläche des Hauptsegments
22: druckseitige Oberfläche des Hauptsegments
23: Feder
24: hintere Seitenwand des Hauptsegments
24a: sogseitige Anlagefläche
24b: druckseitige Anlagefläche
27: sogseitige Überlappung
28: druckseitige Überlappung
29: Lasche
30: Nebensegment
31: sogseitige Oberfläche des Nebensegments 30
32: druckseitige Oberfläche des Nebensegments 30
33: Feder
34: vordere Seitenwand des Nebensegments 30
34a: sogseitige Anlagefläche
34b: druckseitige Anlagefläche
35: hintere Seitenwand des Nebensegments 30
35a: sogseitige Anlagefläche
35b: druckseitige Anlagefläche
37: sogseitigen Überlappung
38: druckseitige Überlappung
39: Lasche
40: Nebensegment
41: sogseitige Oberfläche des Nebensegments 40
42: druckseitige Oberfläche des Nebensegments 40
43: Feder
50: Nebensegment
51: sogseitige Oberfläche des Nebensegments 50
52: druckseitige Oberfläche des Nebensegments 50
53: Feder
60: Nebensegment
61: sogseitige Oberfläche des Nebensegments 60
62: druckseitige Oberfläche des Nebensegments 60
63: Feder
70: Rudersegment
71: sogseitige Oberfläche des Nebensegments 70
72: druckseitige Oberfläche des Nebensegments 70
77: erster Befestigungsort am Rudersegment
78: zweiter Befestigungsort am Rudersegment
80: Nase
90, 91, 92, 93, 94: Drehbolzen
100, 101: Drahtseil
110: Doppelrolle
111: Rollenachse
112: Stirnrad
120: Elektromotor
121: Motorachse
122: Zahnrad
130: sogseitiger Spalt
140: druckseitiger Spalt
200: Tragflügelboot
210, 211: Bootsrumpf
212: Bootskörper
220: vorderer Tragflügel
230: hinterer Tragflügel
240: vordere Motor/Getriebeeinheit
250: hintere Motor/Getriebeeinheit
260: Propeller
270: Tragestrebe
WL: Wasserlinie
GL: Gleitlinie

Claims

Fluiddynamischer Profilkörper zur Erzeugung einer dynamischen Auftriebskraft mit einem starren Hauptsegment, an das sich mehrere, in Anströmrichtung hintereinander angeordnete Nebensegmente zur Ausbildung eines Flügels mit variabler Wölbung anschließen, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilkörper (10) zumindest 3, jeweils um eine Achse senkrecht zur Anströmrichtung drehbar gelagerte Nebensegmente (30, 40, 50, 60, 70) aufweist, wobei die Nebensegmente jeweils am benachbarten, in Anströmrichtung vorderen Segment drehgelagert sind.
Profilkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des Drehwinkels eines Nebensegments (30, 40, 50, 60, 70) jeweils durch Anschlagsmittel auf der Druckseite und auf der Sogseite begrenzt ist.
Profilkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlagsmittel eines Nebensegments (30) jeweils eine Anlagefläche (34a, 34b) an dem Nebensegment und eine mit dieser zusammenwirkende Anlagefläche (24a, 24b) am benachbarten Segment (20) umfasst, an welchem das Nebensegment drehgelagert ist.
Profilkörper nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom Nebensegment (30), welches zum Hauptsegment (30) benachbart angeordnet ist, der Drehwinkelbereich der verschiedenen Nebensegmenten monoton zunimmt, wobei das hinterste, den größten Drehwinkelbereich aufweisende Nebensegment (70) als Rudersegment ausgebildet ist.
Profilkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (20, ..., 70) derartig zueinander beweglich angeordnet sind, dass das Verhältnis des maximalen einstellbaren Auftriebsbeiwertes C_amax des Profilkörpers zum minimalen einstellbaren Auftriebsbeiwert C_ami _n größer als 6 ist.
Profilkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptsegment eine unbewegliche Nase (80) umfasst.
Profilkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, dass an der Sogseite sich benachbarte Segmente mit einem Kraftmittel (23, 33, 43, 53, 63), insbesondere einem Federmittel, voneinander abstützen, wobei das Kraftmittel im Zusammenwirken mit der Drehlagerung des hinteren Segments ein Drehmoment zum Drehen des hinteren Segments gegen das vordere Segment in Richtung der Druckseite des Profilkörpers (10) erzeugt.
Profilkörper nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine derartige Auslegung der Federmittel an der Sogseite der Segmente, dass bei der Entwicklung einer vorbestimmten Auftriebskraft durch den Profilkörper das an dem jeweiligen Segment angreifende Drehmoment aufgrund der Auftriebskräfte im wesentlichen durch die jeweilige Federkraft kompensiert ist, wenn sich das jeweilige Segment in dessen Sogseitigen Anschlagsstellung befindet.
Profilkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass am hintersten Nebensegment (70) entfernt von dessen Drehachse ein Kraftübertragungsmittel, insbesondere ein Zugmittel (100, 101) , an einem ersten Befestigungsort (77) angelenkt ist, über das ein Drehmoment zum Drehen des hintersten Nebensegments erzeugbar ist.
Profilkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen eines Anschlags des hintersten Nebensegments (70) eine Kraft über die zugeordnete Anlageflächen auf das benachbarte, vordere Nebensegment (60) übertragbar ist, wodurch ein Drehmoment zum Einstellen einer vorgegebenen Drehung des vorderen Nebensegments erzeugbar ist.
Profilkörper nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Erhöhung der auf das Kraftübertragungsmittel wirkenden Kraft die Nebensegmente (50, 40, 30) sukzessive in eine Anschlagslage zum jeweils vorderen Segment (40, 30, 20) überführbar sind, wobei jeweils das vordere Nebensegment erst verdrehbar ist, wenn das benachbarte, hintere Segment in eine Anschlagsposition übergeführt ist.
Profilkörper nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel (100, 101) mit einer Umlenkvorrichtung (110) am Hauptsegment (20) umgelenkt und zurück zum hintersten Nebensegment (70) geführt ist, an dem es an einem zweiten Befestigungsort (78) angelenkt ist.
Profilkörper nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung eine angetriebene Rolle umfasst, mit welcher das Zugmittel kraftschlüssig oder formschlüssig zusammenwirkt.
Profilkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, dass sich benachbarte Segmente an der Druck- und/oder der Sogseite überlappen, wobei eine Dichtung zwischen den jeweiligen Segmenten im Überlappungsbereich vorgesehen ist.
Profilkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Sog- und/oder die Druckseiten von Segmenten überdeckende Hülle aus elastischem Material vorgesehen ist, wobei die Hülle relativ zu den Segmenten in Längsrichtung verschiebbar und in Auftriebsrichtung formschlüssig verbunden ist.
Tragflügelboot mit wenigstens einem Bootsrumpf und einem hydrodynamischen Tragflügel, wobei der zumindest eine Tragflügel unterhalb des Bootsrumpfes angeordnet und mit diesem verbunden ist, gekennzeichnet durch zumindest einen Profilkörper (220, 230) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Tragflügelboot nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch ein Doppelrumpfboot (200), bei welchem der zumindest eine Profilkörper (220, 230) quer zwischen den Rümpfen () 210, 211) angeordnet und seitlich durch diese abgeschlossen ist, wobei das Hauptsegment mit dessen seitlichen Enden an den beiden Rümpfen starr verbunden ist.
Tragflügelboot nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptsegment zusätzlich durch eine zwischen den Rümpfen angeordnete Tragestrebe (270) mit dem Bootskörper (212) verbunden ist.
Verfahren zum Betrieb eines Tragflügelbootes nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Startphase des Tragflügelbootes (200) der Widerstandsbeiwert W_a des Profilkörpers (220, 230) durch entsprechende Einstellung der Nebensegmente auf einen Minimalwert eingestellt wird, nach Erreichen einer vorgegebenen Austauchgeschwindigkeit der Auftriebsbeiwert Ca des Profilkörpers durch entsprechende Einstellung der Nebensegmente auf einen vorgegebenen Austauchwert eingestellt wird und nach dem Austauchen des Bootskörpers aus dem Wasser in einer Reisephase der Auftriebsbeiwert Ca des Profilkörpers in Abhängigkeit der Geschwindigkeit durch entsprechende Einstellung der Nebensegmente eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Austauchen das Boot auf höhere Geschwindigkeiten als die Austauchgeschwindigkeit beschleunigt wird, wobei der Auftriebsbeiwert des Profilkörpers im wesentlichen unabhängig von der Geschwindigkeit des Bootes im wesentlichen konstant gehalten wird.