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Schlagflügelanlage für Wasser- oder Luftfahrzeuge oder für Gebläse
und Pumpen Obwohl sich alle schnellen Fische hauptsächlich durch Schwanzschlag bewegen,
hat sich der vielfach vorgeschlagene Schlagfiügelantrieb bei Wasser- und Luftfahrzeugen
kaum eingeführt, weil die Abstimmung seiner Abmessungen und seiner Frequenz auf
seine Aufgabe noch schwieriger ist als bei einer Schiffsschraube.
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Klarheit über die Abstimmung zu schaffen und ihren Erfolg für Schlagflügel
zu erweitern ist der Gegenstand dieser Erfindung.
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Aus Windkanalversuchen an Tragflügeln ist bekannt, daß der Widerstand
eines Flügels im Verhältnis zu seinem Auftrieb bzw. Vortrieb bei der Schiffsschraube
infolge von Ablösungswirbeln wesentlich stärker wächst, sobald der Anstellwinkel,
der bei der Schiffsschraube durch den Slip bestimmt wird, einen kritischen Wert
von 12 bis 14° überschreitet. Nun ist aber immer wieder beobachtet worden, daß kurze
Böen, deren Auftreffwinkel den kritischen Anstellwinkel wesentlich übertraf, auf
Flugzeuge unerwartet große Kräfte ausübten, die nur aus einer nahezu ungestörten,
von größeren Ablösungen freien Strömung erklärt und errechnet werden konnten. Hieraus
folgt offenbar, daß größere Ablösungswirbel eine gewisse Zeit brauchen, um sich
auszubilden und für die Strömung schädlich auszuwirken.
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Diese Wirbelverzögerung, die für Tragflügel oft verhängnisvoll wurde,
will diese Erfindung für Schlagflügelantriebe systematisch ausnutzen, um Schub und
Wirkungsgrad erheblich über das Maß zu verbessern, das nach Versuchen mit konstantem
Anströmwinkel bisher für möglich galt.
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Zu diesem Zweck sollen die bei einer bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit-
oder Fördergeschwindigkeit v, unter der üblichen Beachtung der Reynoldschen Zahl
vorgesehene sekundliche Schlagfrequenz n8 und
der größte Ausschlag a bzw. der größte Ausschlagwinkel @max so aufeinander und auf
v, abgestimmt werden, daß eine periodische Überschreitung des bei diesem R stationär
festgestellten kritischen Anströmwinkels erzielt, aber auf ein solches Maß und solche
Dauer innerhalb einer Schlagperiode beschränkt wird, daß wesentliche, von der Hinterkante
nach vorn kriechende Ablösungswirbel sich noch nicht ausbilden oder noch nicht wirksam
werden können.
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Durch diese zusätzliche Abstimmung auf die Wirbelverzögerung wird
der Schlagflügel der Schiffsschraube bei U-Booten, Tragflügelbooten und Flachwasserfahrzeugen
überlegen. Wieweit und wie lange man den stationären kritischen Anströmwinkel ax
bei periodisch veränderlicher Strömung ohne Nachteil auf den neuen größeren Wert
aK steigern darf, wird dadurch festgestellt, daß man' für das zu verwendende symmetrische
Profil die bekannten Kennziffern ca und cw sowohl bei konstanten als auch bei in
längeren oder kürzeren Perioden veränderlichen Anströmwinkeln im Windkanal aufnimmt.
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Für diese Erfindung genügt eine der beiden am denkbar einfachsten
mechanisch durchführbaren Antriebsweise der Schlagflügel, nämlich der nur parallel
zu sich selbst quer zur Fahrtrichtung horizontal bzw. vertikal hin- und hergeschwungene
oder der lediglich um seine Vorkante pendelnde Flügel, insbesondere aber auch Schlagflügel
beider Arten, die in einer Ebene senkrecht zu ihrer Breite biegsam sind. Beide Arten
führen bei einem Fahrzeug diesem gegenüber nur Querbewegungen aus.
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Ein Schlagflügel der ersten Art erzeugt, wie bekannt ist, einen nutzbaren
Vortrieb, sobald er von irgendeiner Seite genügend stark angeblasen wird, und zwar
wirkt der Vortrieb gegen die Anblaserichtung. Alle seine Teile haben zur gleichen
Zeit denselben am Flügel wirksamen Anströmwinkel a.
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Die Anströmung v resultiert aus der Schiffsgeschwindigkeit va und
der periodisch veränderlichen maschinell bzw. mechanisch erzeugten Quergeschwindigkeit
vq des Flügels. Bei allen üblichen harmonischen, Antrieben ist genügend genau:
wobei man t, die Zeit, in der Mittellage beginnen läßt und c) die konstante Winkelgeschwindigkeit
eines
gedachten Kreispendels ist, dessen seitliche Projektion die Schwingung darstellt.
Die Quergeschwindigkeit VQ ist am größten in der Mittellage, d. h. bei Vq@
- VUcnfanB des Kreispendels also Vg."«, = 2 7v a n"
,
wobei a der größte Ausschlag und n" die sekundliche Schlagzahl ist. In den
Totpunkten ist v. = 0.
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Der wirksame Anströmwinkel ec ist für jeden Augenblick bestimmbar
als der Winkel zwischen der Bahn des Flügels durch das Wasser und der Horizontalen,
also als der Bahnwinkel.
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Für ihn gilt bei harmonischem Antrieb
Den reziproken Wert von nennt man den Fortschrittsgrad. Beim parallel
schwingenden Schlagflügel lautet also die Bedingung für die Abstimmung:
Nähere Untersuchungen ergeben, daß der Schub eines solchen Schlagflügels mit dem
Quadrat der größten Quergeschwindigkeit wächst.
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Für ' die Anwendung; als Antrieb - für_ Schiffe oder Lüftfährze_uge
gilt: Da, der Schiffswiderstand in einem großen Bereich mit dem Quadrat der Schiffsgeschwindigkeit
Ya wächst, so bleibt die für eine Fahrtstufe durchgeführte Ab- . stimmung 'in einem
großen Bereich auch für andere
Diese einfachen Beziehungen klären das schwierige Problem sehr günstig. Läßt man
hei gleichbleibender Fahrt den Bahnwinkel in der Mittellage wefgstens (»t
= 45° und Xmax
= 2 # cos 45' - Ymax
= 1,414 # ymax. l.äßt man
aber den größten Bahnwinkel etwas über den größten Aussehlägwinkel hinausgehen,
was z. B. durch Tieferladen des Schiffes (höherer Widerstand und geringere Geschwindigkeit
desselben)
Fahrtstufen bestehen, wenn man n8, wie gewohnt, mit der Schiffsgeschwindigkeit steigt.
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Nur für die kurzen Zeiten der Beschleunigung von einer Fahrtstufe
in eine höhere ist das beste Verhältnis von
gestört und der Fortschrittsgrad verschlechtert, wie ja auch eine Schiffsschraube
dann einen unwirtschaftlich hohen Slip hat.
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Bei dem um seine Vorkante pendelnden Schlagflügel (A b b. 2) ist die
Abstimmung schwieriger, weil dessen Quergeschwindigkeit nicht nur zeitlich mit der
Schlagperiode, sondern auch örtlich mit der Tiefe des Flügels wächst. Dem infolgedessen
auch mit der Flügeltiefe zunehmenden Bahnwinkel y überlagert sich außerdem nun der
periodisch veränderliche Pendelwinkel ß, so daß der wirksame Anströmwinkel wird:
a=y+ß. Der örtlich größte Bahnwinkel ymax tritt am hinteren Flügelrand und zeitlich
in der Mittellage auf. Der Pendelwinkel ß@ dagegen bleibt, solange sich der Flügel
nicht biegt, örtlich über die Flüggltiefe gleich und ist zeitlich in den Totpunkten
am größten, in der Mittellage aber Null.
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Für jeden üblichen Antrieb ist wieder genügend genau: p
= ßmax * sin (co t) ,
folglich: a = ymax - eQs
(co t) -f- ßmax - sin (ev t) .
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Die Größtwerte von y und ß können also niemals gleichzeitig auftreten.
Der Größtwert von a tritt in dein Zeitpunkt cvt der Periode auf, wo
Bezeichnet man diesen Punkt mit «)t, so ergibt sich für das zu kontrollierende #xmax:
auf den gleichen Höchstwert wachsen, den der Pendelwinkel ohnehin stets in den Totlegen
erreicht, wgs ja naheliegt, so wird bewirkt werden kann, so übersteigt der größte
Ansträmwinke1 diesen allerdings größer gewordenen $ahnwiri4el imixner weniger.
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Eine einfache Rechnung ergibt für
Tieralts erhellt,
daß man auch hei dem um seine yor@ante pendelnden Schlagflügel den grölten auftretenden
wirksamen Anstxöxnwintel ä leicht - am Wert des größten Bahnwinkels ymax kontrqjlieren
kann, wenn man das Verhältnis von
einmal passegd - etwa zwischen 1 und 1,2 - konstruktiv fe_stele$t hat.
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f)xe@ gilt tim 5Q mehr, als die hier angewandte, jibliche quasistationäre
Betrachtungsweise sich zu-.bliche darüber hinwegsetzt, daß jeder momentane
kann man wahrscheinlich noch auf anliegende Strömung und guten Wirkungsgrad rechnen.
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Ein besonderes Hilfsmittel für die Abstimmung auf den Verzögerungseffekt
zeigt uns die Natur bei den großen Vögeln. Wenn ihre Flügel durch die Mittellage
nach oben ausholen, so öffnen sie durch entgegengesetzte Drehung der Handschwingen
den Flügel zu einem Gitter. Auch dies ist ein Mittel, den wirksamen Anströmwinkel
in diesem Periodenteil und über einen breiteren Teil der Flügeltiefe auf seinem
Optimum zu halten. Durch ein Gitter kann das für besondere Anwendungsfälle dieser
Erfindung nachgebildet werden, die diesen Aufwand rechtfertigen.
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Biegsame und formhaltige Schlagflügel kann man dauerhaft aus Gummi
herstellen mit einvulkanisierten Stahlrippen, die von der Drehachse oder vom Schaft
des Flügels ausgehen. In solchen Gummiprofilen kann man Hohlräume vorsehen, die
man durch den Schaft oder die Achse mit Preßluft oder mit Preßwasser füllt, wenn
man Elastizität oder Masse des Flügels im Betrieb verändern will.
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Nun kann volle Abstimmung nicht für jeden Betriebszustand erreicht
werden. Beim Anfahren muß jeder Schlagflügelantrieb durch eine Zone zu großer wirksamer
Anströmwinkel, d. h. zu kleiner Fortschrittsgrade, hindurch.
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Der Pendelflügel erfährt auch hier, also auch bei noch ganz fehlender
Horizontalgeschwindigkeit, noch einen Vortrieb, nämlich die Reaktion der Zentrifugalkraft
der durch ihn bewegten Wassermassen.
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Dem parallel bewegten Schlagflügel aber fehlt dieser Anfangsvortrieb,
es sei denn, sein Schiff läge vor Anker in einer Strömung. Beim parallel schwingenden
Flügel soll daher die Abstimmung ergänzt werden durch einen gelenkigen Antrieb,
der den Flügel beim Anfahren - und nur dann - selbsttätig schräg stellt und so den
Anströmwinkel verkleinert. Dies ist gewissermaßen eine Anfahrhilfe. Symmetrische
Tragflügelprofile haben bei normalen kleinen Anströmwinkeln ihren Druckmittelpunkt
auf etwa einem Viertel der Flügeltiefe von vorn. Hier wird man also im allgemeinen
auch die Stoßstange anbringen, die den Flügel parallel auf und ab bewegt (s. A b
b. 1).
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Solange aber beim Anfahren der Schlagflügel fast quer gegen das Wasser
schlägt, liegt der Druckmittelpunkt etwa in der Mitte der Flügeltiefe. Läßt man
daher die Stoßstange, wie A b b. 3 zeigt, in einem Gelenk etwa ein Viertel von vorn
angreifen - wohin Strömungszustand, wie bekannt ist, auch etwas von dem zeitlich
vorhergehenden und auch von dem örtlich benachbarten Zustand mit beeinflußt wird.
So wirken z. B. die näher an der Vorderkante liegenden Flächenstreifen 'eines
Pendelflügels auch ein wenig wie Leitschaufelp auf die hinter ihnen folgenden Streifen.
Hierdurch mildert sich, wie bekannt, der errechnete größte Anströmwinkel etwas,
s6 daß etwag kleinere Faktoren als 1,4.14, 1,302 und 1,23 eingesetzt werden können.
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Auch . xtoch für dann auch der Schwerpunkt des Flügels zu bringen
ist -, so wird während des Anfahrens beim Abwärtshub der Flügel vom Wasserdruck
nach oben, beim Aufwärtshub nach unten schräg gestellt. Hierdurch bekommt der Druck
auf das Wasser eine Komponente nach hinten und der Flügel eine Druckkomponente nach
vorn.
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Einen nur um seine Vorderkante pendelnden Schlagflügel zeigt A b b.
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Eine pneumatische Federung p begrenzt im Ausführungsbeispiel nach
A b b. 3 die Kippbewegung. Diese verringert sich selbsttätig in dem Maße, wie das
Fahrzeug Fahrt aufnimmt, weil dadurch der Druckmittelpunkt nach vorn wandert. Wenn
man will, kann man aber einen Teil der Kippbewegung beibehalten, indem man das Gelenk
etwas vor den normalen Druckmittelpunkt legt. Man kann aber auch eine beispielsweise
magnetische Verblockung des Gelenkes vorsehen, die man im Normalbereich einrückt.
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Stellt man sich vor, das Schiff würde auf flachem Wasser durch einen
Heckanker festgehalten, so erkennt man, daß alles oben Gesagte auch für einen Schlagflügel
gilt, der in einer Leitung von rechteckigem Querschnitt als Pumpenelement die Strömung
Va aufrechterhält.
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Auch für diese an sich bekannte Anwendungsart verbessert also die
nach dieser Erfindung vorzusehende Abstimmung den Wirkungsgrad und die Leistung.
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Ähnlich wirkt eine Schlagflügelanlage nach der Erfindung bei einem
Gebläse.