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Vorrichtung an mit Luftaustrittsöffnungen versehenen Wassertragflügeln
zur Auftriebsbeeinflussung Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung an Wassertragflügeln
zur Auftriebsbeeinflussung, die mit Luftaustrittsöffnungen, denen über ein steuerbares
Ventil Luft zugeführt werden kann, und zusätzlich mit im vorderen Teil des Profils
angeordneten, mit einer im Innern des Flügels befindlichen Kammer in Verbindung
stehenden Öffnungen versehen sind.
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Es ist bereits eine Vorrichtung dieser Art bekannt (deutsche Auslegeschrift
1177 512), die zur Auftriebsbeeinflussung eine an der Hinterkante desTragflügels
angeordnete, um eine horizontale Achse schwenkbare Klappe aufweist. Dabei sind zum
Zweck der Tauchtiefensteuerung an der Stütze, welche den Tragflügel mit dem Wasserfahrzeug
verbindet, eine Reihe übereinanderliegender Lufteintrittsöffnungen vorgesehen, welche
in einen Raum im Innern der Stütze einmünden und die bei normaler Fahrt zum Teil
oberhalb und zum Teil unterhalb des Wasserspiegels liegen. Der Druck in diesem Raum
kann erstens durch Verstellung des genannten Ventils beeinflußt werden und ändert
sich zweitens selbsttätig mit der Tauchtiefe, und zwar gemäß dem Verhältnis der
Zahl der über dem Wasserspiegel liegenden zur Zahl der unter dem Wasserspiegel liegenden
Öffnungen. Der genannte Druck beaufschlagt einen Betätigungszylinder für die genannte
Klappe und steuert somit durch Verstellung der Klappe die Tauchtiefe. Zusätzlich
wirkt auf diesen Betätigungszylinder auch der Unterdruck ein, welcher in der Kammer
des Tragflügels herrscht, die mit den im vorderen Teil des Profils angeordneten
Öffnungen in Verbindung steht, so daß auch eine Regelung des Auftriebs bei Änderungen
des genannten Unterdrucks infolge Änderungen des Anstellwinkels bzw. Anströmungswinkels
erfolgt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelung
der Auftriebsschwankungen, die durch Änderung des Anströmwinkels eintreten, ohne
Verwendung einer Steuerklappe am Tragflügel zu erzielen. Durch das Wegfallen dieser
Steuerklappe wird der Regelmechanismus nicht nur einfacher, sondern auch im Betrieb
weniger störanfällig. Der Grundgedanke, welcher zur Lösung der genannten Aufgabe
führt, besteht darin, den in der Kammer des Tragflügels, die mit den im vorderen
Teil des Profils angeordneten Öffnungen in Verbindung steht, bei Fahrt auftretenden
Unterdruck für die Steuerung des Luftzuflusses zu den am Tragflügel angeordneten
Luftaustrittsöffnungen auszunutzen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das
Ventil unter einer das Ventil normalerweise geschlossen haltenden Schließkraft steht
und daß die Kammer mit dem Ventil durch eine Leitung derart verbunden ist, daß das
Ventil bei wachsendem Unterdruck in der Kammer entgegen der Schließkraft geöffnet
wird.
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Hierbei wird also der das Ventil durchströmende Luftstrom gesteuert,
welcher die Menge der am Tragflügel aus dessen Luftaustrittsöffnungen austretenden
Luft bestimmt, wodurch wiederum der Auftrieb des Tragflügels ohne Verwendung der
bekannten Steuerklappe in einfacher und wirksamer Weise geregelt wird.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann das Verhalten der Tragflügel
bzw. des sie tragenden Wasserfahrzeuges im Seegang und/oder bei Geschwindigkeitsänderungen
wesentlich verbessert werden. So kann auch der Auftriebszuwachs, der bei Geschwindigkeitserhöhung
des Tragflügels gegenüber dem Wasser auftritt und der bisher bei teilgetauchten
Flügeln zu einer Verminderung der Tauchtiefe und damit der Stabilität führte, durch
entsprechende Ausbildung der Einrichtung unterbunden werden.
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Bei entsprechender Ausbildung kann mit Hilfe der neuen Vorrichtung
der Auftrieb des Flügels durch Regelung der ihm aus der Atmosphäre zufließenden
Luftmenge
in nichtlinearem Verhältnis zu dieser vermindert werden.
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Die Vorrichtung kann sowohl für teilgetauchte als auch für vollgetauchte
Tragflügel Verwendung finden. Durch diese Vorrichtung kann in einer Ausführungsform
der Saugseite des Flügels Luft zugeführt werden, sobald sich der Anströmwinkel unter
der Orbitalbewegung der Wellen vergrößert, wodurch die Auftriebserhöhung ganz oder
teilweise unterdrückt wird. Bei einer anderen Ausführungsform wird die Druckseite
des Flügels mit Luft beschickt, sobald sich der Anströmwinkel verkleinert, wodurch
der Auftriebsabfall ganz oder teilweise aufgehoben wird. Die Vorrichtung kann auch
so ausgebildet werden, daß die Steuerung des Luftzulasses nach beiden Flügelseiten
erfolgt.
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Durch Versuche wurde nachgewiesen, daß auch die Kavitation, die an
ungesteuerten Flügeln schnellerer Fahrzeuge wechselnd im Seegang auftritt, durch
die zugeführte Luftmenge, sofern diese genügend groß gehalten ist, verhindert werden
kann, so daß die bekannten Folgen der Kavitation vermieden werden. Diese sind nicht
nur der erhöhte Widerstand und die Erosion des Flügelmaterials, sondern auch die
gefährliche Auswirkung der Kavitation auf der Druckseite des Flügels bei negativen
Anströmwinkeln, die zu starken Abtriebskräften führt, welche das Wasserfahrzeug
hart in die Wellen einschlagen lassen.
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Die Vorrichtung kann gemäß einer weiteren Ausführungsform auch so
ausgebildet werden, daß selbsttätig eine wachsende Luftmenge an der Flügeloberseite
austritt, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeuges relativ zum Wasser zunimmt, wodurch
der Auftrieb des Flügels nahezu konstant gehalten wird.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen durch mehrere
Ausführungsbeispiele erläutert. Der Deutlichkeit halber ist dabei das Luftzulaßventil
gegenüber dem Tragflügel in erheblich größerem Maßstab dargestellt. Es zeigt F i
g. 1 eine Regelvorrichtung mit einem Luftzulaßventil für die Beeinflussung der Flügelsaugseite
und dem Flügelprofil im Schnitt, F i g. 2 eine andere Ausführungsform der Regelvorrichtung
mit einem Luftzulaßventil für die Beeinflussung der Flügeldruckseite mit dem Flügelprofil
im Schnitt, F i g. 3 eine dritte Ausführungsform mit einem Luftzulaßventil für die
Beeinflussung der Saugseite und der Druckseite mit dem Flügelprofil im Schnitt,
F i g. 4 eine vierte Ausführungsform mit einem Luftzulaßventil für die Beeinflussung
der Flügelsaugseite mit dem Flügelprofil im Schnitt, F i g. 5 eine Aufsicht auf
einen Wassertragflügel zwecks Darstellung der Anordnung der Luftaustrittsöffnungen
und Absaugöffnungen am Wassertragflügel und _ - F i g. 6 das Profil des Flügels
nach F i g. 5.
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In, F i g. 1 ist das -Luftzulaßventil mit 1 und der Wassertragflügel
mit 8 bezeichnet. Das Ventil ist normalerweise oberhalb des Wasserspiegels am Schiff
angeordnet und mit einer Luftzuleitung 3 versehen, deren freies Ende in die Atmosphäre
mündet oder auch mit einem nicht dargestellten Luftbehälter verbunden sein kann.
Im Innern des Tragflügels 8 befindet sich ein Raum 150, der sich vorzugsweise, wie
in F i g. 5 dargestellt, über die ganze Ausdehnung des Tragflügels 8 quer zur Längsrichtung
des Schiffes erstreckt und auf seiner ganzen Länge mit Luftaustrittskanälen
16, versehen ist, die zur Oberseite des Tragflügels 8 führen. Der Tragflügel
ist durch nicht dargestellte Stützen am Rumpf des Schiffes befestigt, wie dies an
sich bekannt ist. Der Innenraum des Ventils 1 ist in der Nähe seiner, Längsmitte
mit dem Raum 150 des Tragflügels 8 drch eine Lufteinlaßleitung 14 verbunden.
Der die Kolben 4' und 4" tragende Schieber 4 des Ventils 1 ist in der Längsachse
des zylindrischen Ventilgehäuses 2 verschiebbar angeordnet. Der vordere Kolben 4'
dient als Ventilglied zur Steuerung der Luftzufuhr über die Leitungen 3 und 14 zum
Raum 15, des Tragflügels 8, während der zweite Kolben 4" als Druckausgleichskolben
dient. Die linke Seite dieses Kolbens 4" steht unter der Wirkung des Außendruckes.
Dieser Kolben dient auch dazu, axiale Kräfte auszuschalten, die entstehen würden,
wenn bei geöffneter Luftzufuhr ein Unterdruck zwischen den Kolben 4' und 4" im Ventil
auftreten würde.
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Im vorderen Ventilraum 21 ist eine als Schraubenfeder ausgebildete
Schließfeder 5 untergebracht. Das linke Ende dieser Feder liegt am Kolben 4' des
Schiebers 4 an, während sich ihr rechtes Ende gegen den Ventilteller 12 abstützt.
Diese Schließfeder 5 ist normalerweise so vorgespannt, daß sie das Ventil entgegen
der Wirkung des auf den Kolben 4" von links wirkenden Atmosphärendruckes geschlossen
hält, wie dies in F i g.1 dargestellt ist.
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Der gegen Drehung gesicherte Ventilteller 12 ist mit einem Innengewinde
versehen, in welches eine axial im Ventilgehäuse 2 angeordnete, drehbare, gegen
axiale Verschiebung gesicherte Spindel 11 eingreift, so daß der Ventilteller
2 durch Drehen der Spindel in axialer Richtung verschiebbar ist. Zwecks Betätigung
der Spindel ist an deren freiem, in F i g. 1 rechts liegendem Ende ein Zahnrad 13
montiert. Dieses kann durch nicht dargestellte Verbindungsglieder, z. B. durch eine
Kette oder eine flexible Welle mit einem auf ihrem Ende befestigten Ritzel, vom
Führerstand des Schiffes aus betätigt werden. Auf diese Weise läßt sich die Vorspannung
der Feder 5 und damit der Öffnungspunkt des Ventils und die dem Raum 15,
zugeführte Luftmenge in bestimmten Grenzen regulieren.
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Der vordere Ventilraum 21 ist über eine Steuerleitung 6 mit einer
Steuerkammer 7, verbunden, die in der Nähe der Vorderkante des Tragflügels
8 in diesem angeordnet ist und die sich gemäß F i g. 5 über einen relativ kleinen
Teil der Ausdehnung des Flügels quer zum Schiff erstreckt. Von der Steuerkammer
7, führen Absaugkanäle 9, an der Oberseite des Flügelprofils und in
der Nähe seiner Vorderkante nach außen.
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Die ganze Vorrichtung funktioniert folgendermaßen: Die Schließfeder
5 ist so dimensioniert und eingestellt, daß sie bei normaler Fahrt das Ventil 1
geschlossen hält. Sie wird unter der Wirkung des von links auf den Kolben 4" wirkenden
Außendruckes zusammengedrückt, sobald in der Steuerkammer 70 und damit in der vorderen
Ventilkammer 21 ein merklicher Unterdruck entsteht, was bei Vergrößerung des Anströmwinkels
oder der Relativgeschwindigkeit des Tragflügels zumWasser der Fall ist. Beim Zusammendrücken
der Feder 5 wird die Luftzufuhr zum Raum 15, im Flügel bei einem bestimmten,
von der Einstellung der Feder abhängigen Unterdruck über die Leitungen 3 und 14
freigegeben. Wie man
ohne weiteres einsieht, hängt das Maß der Öffnung
des Ventils von der Größe des Unterdruckes im Ventilraum 21 ab. Man kann durch geeignete
Dimensionierung der Teile der Vorrichtung erreichen, daß durch die Wirkung der dem
Raum 15, zufließenden und an den Luftaustrittskanälen 16, austretenden
Luftmenge der Auftrieb bei Vergrößerung des Anströmwinkels und/oder der Schiffsgeschwindigkeit
nahezu konstant gehalten wird.
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Um das Ventil 1 willkürlich vom Führerstand des i Schiffes aus öffnen
zu können, ist am Ventilgehäuse 2 ein Kipphebel 23 schwenkbar um einen am Gehäuse
2 des Ventils befestigten Bolzen 26 montiert. Das eine Ende 23' des Kipphebels 23
ist mit einem zum Führerstand führenden Betätigungsorgan 24 j verbunden,
z. B. mit einem Zugseil. Das andere Ende 23" des Kipphebels ist mit einem axialen
Achsstummel 25 des Schiebers 4 verbunden, so daß beim Ziehen des Zugseils 24 der
Kipphebel 23 entgegen dem Drehsinn des Uhrzeigers geschwenkt und dadurch ; der Schieber
4 nach rechts gedrückt und die Luftzufuhr von der Leitung 3 zur Leitung 14 freigegeben
wird. Diese Art der Betätigung des Ventils 1 kann zwecks Abbremsung des Schiffes
angewendet werden; es wird dabei nämlich der Auftrieb des Tragflügels 8 stark herabgesetzt,
so daß der Bootskörper eintaucht und dadurch der Widerstand stark erhöht wird.
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Mit einem Ventil der in F i g. 1 dargestellten Konstruktion kann,
wie im folgenden gezeigt wird, auch die Luftzufuhr zur Flügelunterseite geregelt
werden. ; Man kann weiter durch Verwendung zweier solcher Ventile die Luftzufuhr
sowohl zur Oberseite als auch zur Unterseite des Tragflügels regeln.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 ist zwecks Beeinflussung des
Druckes an der Unterseite des Tragflügels 8 dessen Raum 15" mit Luftaustrittskanälen
16" verbunden, die an der Unterseite des Profils nach außen münden. Dementsprechend
ist die Steuerkammer %`, die in der Nähe der Vorderkante des Tragflügels
angeordnet ist, mit nach unten führenden und in der Nähe der Vorderkante nach außen
mündenden Absaugkanälen 9ü verbunden. Von der Steuerkammer 7ü führt entsprechend
wie in F i g. 1 eine Steuerleitung 6 in den vorderen Ventilraum 21 des Ventils 1.
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Im Gegensatz zu F i g. 1 ist in der Einrichtung der F i g. 2 keine
Feder zum Schließen des Ventils 1 vorgesehen, sondern die Schließkraft des Ventils
wird hier durch Erzeugung eines Unterdrucks in det linken oder hinteren Ventilkammer
22 aufgebracht. Die Ventilkammer 22 ist zu diesem Zweck durch eine Leitung 10 mit
einer zusätzlichen Kammer 7,"' verbunden, die wie die Kammer 7ü in der Nähe der
Flügelvorderkante angeordnet und mit einem Absaugkanal oder mehreren Absaugkanälen
9," versehen ist, die an der Oberseite des Profils und in der Nähe der Vorderkante
desselben nach außen münden.
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Wenn die auf der rechten Seite des rechten Kolbens 4' lastende Druckkraft
größer ist als die auf der linken Seite des linken Kolbens 4" lastende Druckkraft,
wird der Schieber 4 nach links gedrückt, so daß das Ventil 1 geschlossen ist. Dies
ist normalerweise, d. h. bei normalem Anströmwinkel, der Fall, weil dann in der
Steuerkammer 7ü kein oder nur ein ganz geringer Unterdruck gegenüber der Atmosphäre
herrscht, während in der Kammer 7," ein demgegenüber größerer Unterdruck, d. h.
also kleinerer Druck, besteht. Demgemäß hat der mit der Kammer 7ü verbundene vordere
Ventilraum 21 einen größeren Innendruck als der mit der Kammer 70 ' verbundene hintere
Ventilraum 22, und der Schieber 4 wird durch den von rechts oder vorn auf ihn einwirkenden
größeren Druck in der gezeichneten geschlossenen Stellung gehalten, in welcher die
Luftzufuhr zum Raum 15 des Flügels gesperrt ist.
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Erst wenn der Flügel unter negativem Winkel angeströmt wird, bildet
sich an der Unterseite des Flügels und an den Absaugöffnungen 9ü ein stärkerer Unterdruck
aus, während sich gleichzeitig der Sog an den Ausmündungen der Kanäle
9," an der Oberseite des Flügels vermindert. Infolgedessen entsteht nunmehr
im hinteren Ventilraum 22 ein höherer Druck als im vorderen Ventilraum 21, so daß
der Schieber 4 nach vorn bewegt und dadurch das Ventil 1 geöffnet wird. Durch die
nach Öffnung dem Raum 15" über die Leitungen 3 und 14 zugeführte Luftmenge,
die durch die Kanäle 16" an der Unterseite des Tragflügels ausströmt, wird der auf
der Unterseite durch den negativen Anströmwinkel erzeugte Unterdruck wieder abgebaut
und dadurch der Auftrieb erhöht, d. h. der durch den negativen Anströmwinkel erzeugten
Verminderung des Auftriebes entgegengewirkt.
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Da die durch den Unterdruck auf der Saugseite (Oberseite) des Tragflügels
erzeugten Kräfte diejenigen auf der Druckseite (Unterseite) stark überwiegen, ist
in der Regel die Schließkraft bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform
zu groß, so daß das Ventil 1 nicht so früh geöffnet wird, wie dies erwünscht ist.
Um nun ein schnelleres Öffnen des Ventils zu erhalten, ist zusätzlich ein Nadelventil
17 vorgesehen, dessen Ventilglied verstellbar ist. Mit Hilfe dieses Nadelventils
kann über die Verbindungsleitung 10' in die Schließleitung 10 zusätzliche Luft aus
der Atmosphäre eingelassen werden, wodurch sich der Druck in dem hinteren Ventilraum
erhöht und dadurch das Öffnen des Ventils l unterstützt wird. Die öffnungs- und
Schließbewegung des Nadelventils 17 wird vorzugsweise vom Führerstand des Schiffes
aus betätigt.
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Als Alternative kann statt des Nadelventils 17 bei der Einrichtung
nach F i g. 2 auch eine zusätzliche Schließfeder in der Anordnung wie in F i g.
1 vorgesehen werden; hierdurch läßt sich bei entsprechender Dimensionierung der
Teile erreichen, daß der öffnungsweg des Schiebers 4 proportional der Druckdifferenz
zwischen den Drücken an den Absaugöffnungen der Oberseite und der Unterseite des
Tragflügels wird, also proportional dem negativen Anströmwinkel. Da sich die Drücke
in den beiden Ventikäumeu 21 und 22 mit dem Quadrat der Geschwindigkeit des. Schiffes
bzw. der Anströmung ändern, bleibt das einmal eingestellte Druckverhältnnis bei
jeder Geschwindigkeit erhalten; das Ventil gemäß F i g. 2 spricht also nur auf Änderungen
des Anströmwinkels infolge Orbitalbewegung in den Wellen, nicht aber auf Änderungen
der Schiffsgeschwindigkeit an.
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F i g. 3 zeigt eine gegenüber F i g. 2 in doppelter Hinsicht abgeänderte
Ausführungsform der Einrichtung. Erstens wird bei der Einrichtung nach F i g. 3
eine Regelung der Luftzufuhr sowohl nach der Saugseite als auch nach der Druckseite
des Tragflügels durchgeführt, und zweitens wird hierfür nur ein einziges Ventil
spezieller Konstruktion verwendet, bei dem zwei Kolben 4' und 4" mit verschiedenem
Querschnitt am Schieber des Ventils angeordnet sind.
Die beiden
miteinander verbundenen Kolben 4'
und 4" geben je nach ihrer Bewegungsrichtung
den Luftdurchgang nach dem Raum 15ö mit den Austrittskanälen 160' an der Flügeloberseite
oder nach dem Raum 15ü' mit den Austrittskanälen 16u" an der Flügelunterseite
frei. Entsprechend F i g. 2 ist der rechte Ventilraum 21, dessen Kolben 4' die Luftzufuhr
zur Flügeloberseite steuert, mit Absaugkanälen 9ö an der Oberseite und der linke
Ventilraum 22,
dessen Kolben 4" die Luftzufuhr zur Flügelunterseite steuert,
mit den Absaugkanälen 9u" an. der Unterseite verbunden. Der Kolben 4' für
die Flügeloberseite hat entsprechend dem dort herrschenden größeren Unterdruck einen
kleineren Durchmesser als der Kolben 4"
für die Unterseite. Mit Hilfe des
Nadelventils 17 kann in der im Zusammenhang mit F i g. 2 beschriebenen Weise der
gewünschte Gleichgewichtszustand eingestellt werden. Druckfedern 5' und 5", die
auf die Kolben 4' bzw. 4" einwirken, sorgen dafür, daß der Öffnungsweg des Schiebers
4 proportional dem Anströmwinkel wird.
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Die Wirkungsweise des Ventils der F i g. 3, das nur auf die Orbitalbewegung
des Wassers anspricht, ist im Wesen die gleiche wie die des Ventils nach F i g.
2. Vergrößert sich der Anströmwinkel, so vergrößert sich der Unterdruck in der rechten
Ventilkammer 21, während er sich in der linken Kammer 22 verkleinert, so daß der
nach rechts wandernde Schieber 4 Luft nach der Flügeloberseite zuläßt. Eine Verkleinerung
des Anströmwinkels ruft den umgekehrten Vorgang mit Luftzuführung zur Unterseite
hervor. In beiden Fällen gleicht die Luftzuführung die Auftriebsänderungen aus..
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Eine andere Ausführungsform eines Ventils, welches eine entsprechende
Wirkungsweise :hat wie das Ventil nach F i g. 1, ist in F i g. 4 dargestellt. Hier
ist ein Tellerventil 18 innerhalb des Flügels 8 vorgesehen. Der Kolben 4 in dem
Ventilzylinder 2, dem über die Leitung 6 Unterdruck zur Aufbringung der Öffnungskraft
zugeführt wird, ist durch eine Ventilstange 19 mit dem Ventilteller 18 verbunden.
Die Feder 5, deren Spannung mit den in Zusammenhang mit F i g. 1 beschriebenen Mitteln
einstellbar gemacht werden kann, liefert die Schließkraft für das Ventil. Die Luftzuleitung
3 zur Oberseite des Ventiltellers 18 wird in dem üblichen Fall, daß der Tragflügel
8 mittels hohler Stützen am Schiffskörper befestigt ist, durch den Hohlraum einer
Stütze und eine im oberen Teil der Stütze angebrachte Öffnung zur Atmosphäre gebildet.
Auf die obere Seite des Kolbens 4 wirkt der Atmosphärendruck.
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Es versteht sich von selbst, daß der Ventilkörper, welcher die Durchgangsöffnung
für die Luft regelt, von beliebigem Typ sein kann. So kann der Kolben
4
in F i g. 4 auch durch einen Faltenbalg oder einen Kolben mit Rollmembran
ersetzt werden.
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In F i g. 5 ist die Anordnung der Steuerkammer 70 mit den Absaugkanälen
9, im Wasserflügel 8 gezeigt. Wenn das Steuerventil 1 durch den Anstieg des
Unterdruckes am Flügel geöffnet wird, vermindert die zufließende Luft wieder diese
Druckänderung über der ganzen Profiltiefe, so daß auch die Saugkraft über den Öffnungen
der Absaugkanäle 9, wieder fällt, was auf das Ventil im Sinn einer Rückführung
wirkt. Wenn ein solches Verhalten der Steuerung unerwünscht ist und der die Ventilöffnung
beeinflussende Unterdruck nicht oder nur wenig durch die dem Flügel zufließende
Luft beeinflußt werden soll, werden die Öffnungen der Absaugkanäle 90, wie in F
i g. 5 dargestellt, in einen Abschnitt des Tragflügels zwischen zwei Profilschnitten
desselben gelegt, in welchem keine Luftzuführungskanäle 16" münden. Beidseits
dieses Abschnittes sind in Fahrtrichtung stehende. Schotte 20 (s. auch F i g. 6)
angebracht, welche den Druckausgleich zwischen den belüfteten äußeren Flügelteilen
und den Absaugöffnungen 9, vermindern.