DE19610870A1 - Vorrichtung zur Strömungsführung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strömungs­ führung bei schwimmenden Objekten, die mit einem Rumpf des schwimmenden Objektes verbunden ist und strömungs­ abhängig hydrodynamische Kräfte in den Rumpf einleitet und die einen Hauptströmungskörper aufweist, der im Bereich eines Strömkopfes stumpfer als im Bereich eines Abströmendes ausgebildet ist.

Derartige Vorrichtungen zur Strömungsführung sind bei­ spielsweise bei Schiffen als Flossen von Flossenstabi­ lisatoren oder als Blätter von Schiffsrudern ausgebil­ det. Die Vorrichtungen sind in vielfältigen Ausfüh­ rungsformen bekannt und haben sich seit einer Vielzahl von Jahren gut bewährt. Es können jedoch noch nicht alle Anforderungen erfüllt werden, die bezüglich einer Einleitung von hohen hydrodynamischen Strömungskräften in das schwimmenden Objekt gestellt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu kon­ struieren, daß eine weitere Verbesserung der hydrodyna­ mischen Eigenschaften erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Strömungsrichtung hinter dem Abströmende ein Sekun­ därkörper angeordnet ist, der mit einer Durchströmungs­ ausnehmung versehen ist und der bezüglich einer quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Drehachse verstell­ bar geführt ist.

Ein derartiger Sekundärkörper kann sowohl im Bereich von verstellbaren oder im Bereich von festen Haupt­ strömungskörpern angeordnet werden, die ein Strömungs­ profil bereitstellen. Durch die Kombination des Haupt­ strömungskörpers mit dem Sekundärkörper wird eine hy­ drodynamisch äußerst wirksame Vorrichtung bereitge­ stellt, die konstruktiv einfach gestaltet ist. Insbe­ sondere kann der Sekundärkörper in einfacher Weise am Hauptströmungskörper gelagert werden, so daß eine kompakte Ausführungsform bereitgestellt ist. Durch eine entsprechende relative Anordnung der Bauteile zu­ einander kann ein hoher Auftriebseffekt erreicht werden.

Eine symmetrische Krafterzeugung relativ zur Drehachse wird dadurch unterstützt, daß eine Querschnittkontur des Sekundärkörpers im wesentlichen kreisförmig be­ grenzt ist. Grundsätzlich können aber auch allgemein gerundete Querschnittkonturen oder von zwei Strömungs­ klappen aufgespannte Querschnittkonturen eingesetzt werden.

Eine wirtschaftliche Fertigung wird dadurch unter­ stützt, daß die Durchströmungsausnehmung als Längsschlitz innerhalb des Sekundärkörpers angeordnet ist.

Eine erhöhte Steifigkeit kann dadurch bereitgestellt werden, daß der Längsschlitz in Schlitzsegmente unter­ teilt ist.

Zur Bereitstellung definierter und reproduzierbarer Strömungsverhältnisse wird vorgeschlagen, daß eine Positionierung des Sekundärkörpers mit einer Positio­ nierung des Hauptströmungskörpers gekoppelt ist.

Eine bevorzugte Konstruktion der Kopplung erfolgt da­ durch, daß die Kopplung des Sekundärkörpers mit dem Hauptströmungskörper derart ausgebildet ist, daß bei einer Verschwenkung des Hauptströmungskörpers um eine Hauptdrehachse eine Verschwenkung des Sekundärkörpers um die Drehachse in einem Verhältnis von 1 : 1,5 reali­ siert ist. Allgemein sind auch größere Übersetzungsver­ hältnisse realisierbar.

Eine weitere Vergleichmäßigung der Krafteinleitung kann dadurch erfolgen, daß die Durchströmungsausnehmung im wesentlich mittig innerhalb der Querschnittkontur ange­ ordnet ist.

Zur Anpassung an typische hydrodynamische Anforderungen wird vorgeschlagen, daß der Hauptströmungskörper und der Sekundärkörper im wesentlichen gleichsinnige Dreh­ richtungen aufweisen.

Eine preiswerte Ausführungsform, die eine hohe Stand­ festigkeit aufweist, wird dadurch bereitgestellt, daß der Sekundärkörper als ein geschlitztes Stahlrohr aus­ gebildet ist.

Eine robuste Realisierung der Kopplung kann dadurch erfolgen, daß die Kopplung des Hauptströmungskörpers mit dem Sekundärkörper über mindestens ein Getriebe realisiert ist. Beispielsweise kann ein Schubkurbelgetriebe verwendet werden.

Eine typische Anwendung besteht darin, daß eine lineare Kopplung der Drehwinkel des Sekundärkörpers und des Hauptströmungskörpers vorgesehen ist.

Bei speziellen Anwendungen ist es ebenfalls möglich, daß eine nichtlineare Kopplung der Drehwinkel des Se­ kundärkörpers und des Hauptströmungskörpers vorgesehen ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung eines im Bereich des Hauptströmungskörpers angeord­ neten und relativ zur Strömungsrichtung ver­ drehten Sekundärkörpers,

Fig. 2 eine Darstellung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 in einem Ausgangszustand,

Fig. 3 eine Darstellungsvorrichtung gemäß Fig. 1 bei einem entgegengesetzten Schwenkwinkel,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Vorrichtung,

Fig. 5 eine Ansicht der Vorrichtung in Fig. 4 gemäß Blickrichtung V,

Fig. 6 einen Querschnitt gemäß Schnittlinie VI-VI in Fig. 4,

Fig. 7 einen Querschnitt durch den Sekundärkörper gemäß Schnittlinie VII-VII in Fig. 5,

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung, die relativ zur Strömungsrichtung mit einem un­ symmetrischen Hauptströmungskörper versehen ist,

Fig. 9 eine Ausführungsform, bei der der Sekundär­ körper eine sich in Strömungsrichtung er­ weiternde Durchströmungsausnehmung aufweist,

Fig. 10 eine Ausführungsform, bei der sich der Haupt­ strömungskörper und der Sekundärkörper be­ reichsweise überdecken,

Fig. 11 eine Ausführungsform, bei der der Sekundär­ körper mit zwei flachen Strömungsklappen ver­ sehen ist und

Fig. 12 eine Ausführungsform mit sich erweiternder Durchströmungsöffnung des Sekundärkörpers, bei der zur Versteifung Stützstege innerhalb der Durchströmungsöffnung angeordnet sind.

In Fig. 1 ist im Bereich eines Hauptströmungskörpers (1) ein Sekundärkörper (2) angeordnet. Der Haupt­ strömungskörper (1) weist einen Anströmkopf (3) auf, der stumpfer als ein Abströmende (4) ausgebildet ist. Vom Anströmkopf (3) in Richtung auf das Abströmende (4) erstreckt sich eine Strömungsrichtung (5), die die Orientierung einer Hauptströmung im Bereich des Haupt­ strömungskörpers (1) wiedergibt. Auf den Hauptströmungs­ körper (1) wirkt eine Anströmung (6) ein, relativ zu der der Hauptströmungskörper (1) bei der Ausführungsform in Fig. 1 einen Anstellwinkel (7) auf­ weist. Aufgrund des Anstellwinkels (7) wird die An­ strömung (6) im Bereich des Hauptströmungskörpers (1) in Strömungsrichtung (5) umgelenkt.

Der Sekundärkörper (2) weist bei der Ausführungsform nach Fig. 1 eine gerundete Querschnittkontur (8) auf und ist mit einer Durchströmungsausnehmung (9) ver­ sehen. Der Sekundärkörper (2) ist um eine Drehachse (10) verschwenkbar und weist relativ zur Strömungs­ richtung (5) einen Verstellwinkel (11) auf. Insbe­ sondere ist daran gedacht, den Sekundärkörper (2) über ein Getriebe derart mit dem Hauptströmungskörper (1) zu koppeln, daß ein bestimmter Anstellwinkel (7) automa­ tisch zu einem vorgegebenen Verstellwinkel (11) führt.

Bei der Ausführungsform in Fig. 1 ist die Durchströ­ mungsausnehmung (9) symmetrisch im Sekundärkörper (2) angeordnet. Hierdurch wird eine günstige Krafteinlei­ tung im Bereich einer Lagerung des Sekundärkörpers (2) ermöglicht.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung der Vorrichtung gemäß Fig. 1, bei der sich die Strömungsrichtung (5) in Rich­ tung der Anströmung (6) erstreckt. Ebenfalls ist die Durchströmungsausnehmung (9) mit einer Durchströmungs­ achse (12) in Strömungsrichtung (5) ausgerichtet.

Fig. 3 zeigt die Anordnung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 bei einem entgegengesetzten Anstellwinkel (7) sowie bei einer korrespondierenden Orientierung des Sekundär­ körpers (2). Sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 3 ist die sich ergebende hydrodynamische Kraftrichtung (13) eingezeichnet.

Durch die Kombination des Hauptströmungskörpers (1) und des Sekundärkörpers (2) kann beispielsweise eine Stabi­ lisierungsflosse oder eine Rolldämmungsflosse für See­ schiffe bereitgestellt werden. Der Sekundärkörper (2) kann beispielsweise aus einem Stahlrohr hergestellt sein, das mit einem Längsschlitz versehen ist. Der Längsschlitz ist symmetrisch angeordnet, so daß eine Begrenzung durch zwei symmetrisch ausgebildete Kreis­ segmente erfolgt. Zur Kopplung des Sekundärkörpers (2) mit dem Hauptströmungskörper (1) kann beispielsweise ein Schubkurbelgetriebe verwendet werden.

Das Bewegungsverhältnis bei der Kopplung des Haupt­ strömungskörpers (1) und des Sekundärkörpers (2) kann vom Getriebe vorgegeben werden. Als Verstellverhältnis hat sich für den Quotienten aus Einstellwinkel (7) und Verstellwinkel (11) einen Wert von etwa 1,5 als vor­ teilhaft erwiesen. Zweckmäßigerweise sollte der Wert im Intervall von 1,2 bis 1,8 gewählt werden.

Bei einer Rotation des Hauptströmungskörpers (1) um seine Hauptdrehachse (14) und des Sekundärkörpers (2) um die Drehachse (10) erfolgt eine gleichsinnige Drehung, so daß eine Einströmöffnung (15) des Sekundär­ körpers (2) stets in den Bereich derjenigen Oberfläche (16) des Hauptströmungskörpers (1) weist, die aufgrund der Verdrehung des Hauptströmungskörpers (1) der An­ strömung (6) abgewandt orientiert ist. Beim darge­ stellten Beispiel beträgt der Anstellwinkel (7) etwa 20° und der Verstellwinkel (11) beträgt 30°.

Die Funktion der Vorrichtung resultiert im wesentlichen daraus, daß bei einem Verstellen des Hauptströmungs­ körpers (1) ein in Fig. 3 eingetragenes Segment (17) des Sekundärkörpers (2) bei zunehmendem Verstellwinkel (11) die Wirkung einer sich zur Strömung immer stärker einstellenden Klappe aufweist. Hieraus resultiert eine Auftriebserhöhung durch Klappenwirkung. Mit zunehmendem Verstellwinkel (11) wird ebenfalls die Durchströmungs­ ausnehmung (9) in Auftriebsrichtung stärker zur Ober­ fläche (16) des Hauptströmungskörpers (1) gedreht. Hierdurch wird aus der Wirbelzone im Bereich des Ab­ strömendes (4) Wasser abgeführt und der Unterdruckbe­ reich an der hier als Profiloberseite wirkenden Ober­ fläche (16) vergrößert. Ein korrespondierend zum Seg­ ment (17) angeordnetes Segment (18) des Sekundärkörpers (2) führt mit zunehmendem Verstellwinkel (11) die Funktion eines angedämpften Schwanzprofils mit zusätz­ lichem Auftriebsanteil aus.

Die symmetrische Anordnung der Segmente (17, 18) relativ zur Durchströmungsausnehmung (19) hat darüber hinaus den Vorteil, daß bei einem Verdrehen während der Ver­ stellbewegung nur ein geringes Drehmoment aufgewendet werden muß, da keine außerhalb der Drehachse (10) an­ greifenden Strömungskräfte wirksam werden.

Fig. 4 zeigt in einer Draufsicht eine Möglichkeit zur Lagerung des Sekundärkörpers (2) im Bereich des Haupt­ körpers (1). Es sind zwei Stützstege (19) und ein Trag­ arm (20) vorgesehen, in dessen Bereich auch die Ge­ triebekopplung erfolgt.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Durch­ strömungsausnehmung (9) aus Schlitzsegmenten (21) aus­ gebildet ist. Zwischen den Schlitzsegmenten (21) ist jeweils ein Stützsteg (22) vorgesehen, der zur Ver­ steifung die Segmente (17, 18) miteinander verbindet. In Fig. 5 ist ebenfalls erkennbar, daß die Stützstege (19) im Bereich von Halterungsringen (23) mit dem Sekundär­ körper (2) verbunden sind. Zur Unterstützung eines geringen Strömungswiderstandes sind die Stützstege (22) gerundet in Flanken der Segmente (17, 18) übergeleitet.

In Fig. 6 und Fig. 7 sind zur weiteren Veranschauli­ chung Querschnitte dargestellt. Aus Fig. 8 ist erkenn­ bar, daß es möglich ist, relativ zur Strömungsrichtung (5) unsymmetrisch ausgebildete Hauptströmungskörper (1) zu verwenden.

Gemäß der Ausführungsform in Fig. 9 weist die Durch­ strömungsausnehmung (9) eine Gestaltung auf, die sich ausgehend vom Abströmende (4) des Hauptströmungskörpers (1) erweitert. Insbesondere ist daran gedacht, keine kontinuierliche Querschnitterweiterung vorzusehen, sondern mit zunehmendem Abstand vom Abströmende (4) einen progressiven Querschnittzuwachs zu realisieren. Ausgehend vom Abströmende (4) ergeben sich hierdurch gekrümmte Begrenzungsflächen der Segmente (17, 18) im Bereich ihrer der Durchströmungsausnehmung (9) zuge­ wandten Begrenzung.

Fig. 10 zeigt eine weitere Variante, bei der das Ab­ strömende (4) des Hauptströmungskörpers (1) in die Durchströmungsausnehmung (9) des Sekundärkörpers (2) hineinragt. In Abhängigkeit von der Dimensionierung der gegenseitigen Überdeckung kann hierdurch zwar eine Re­ duzierung des realisierbaren Verstellwinkels (11) re­ sultieren, es wird jedoch eine weitere verbesserte Strömungsführung erreicht.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11 sind die Segmente (17, 18) des Sekundärkörpers (2) klappenartig ausge­ bildet. Es wird hierdurch eine Doppelklappe bereitge­ stellt, die bei entsprechender separater Drehlagerung eine Verminderung der auftretenden Momente zur Folge hat. Insbesondere ist es auch möglich, die Segmente (17, 18) zu wölben und im Bereich ihrer Enden anzu­ spitzen, um eine weiter verbesserte Strömungsführung zu realisieren. Die in Fig. 11 dargestellte klappenartige Ausbildung der Segmente (17, 18) führt dazu, daß durch die als Segment (17) bezeichnete untere Klappe eine Strömungsumlenkung mit glatter Abströmung erfolgt. Hierdurch wird eine Erhöhung der Zirkulation und eine Vergrößerung des induzierten Einstellwinkels am Segment (17) hervorgerufen. Durch das in Fig. 11 als obere Klappe ausgebildete Segment (18) wird die Saugseiten­ strömung am Hauptströmungskörper (1) beschleunigt und hierdurch die Ablösegefahr vermindert. Dies begünstigt eine Unterdruckverteilung. Insgesamt wird somit eine Verbesserung der Umströmung und eine Verminderung der Wirbel beziehungsweise der Totgebiete in der Umgebung des Hauptströmungskörpers (1) hervorgerufen. Hierdurch können Schwingungserregungen vermieden oder zumindest vermindert werden.

In Fig. 12 sind zur Stabilisierung der Segmente (17, 18) relativ zueinander im Bereich der Durchströmungsaus­ nehmung (9) Stützstege (19) angeordnet. In Querrichtung weisen die Stützstege (19), wie bei der Ausführungsform in Fig. 5, einen ausreichenden Abstand auf, um eine Durchströmung nicht zu behindern.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Strömungsführung bei schwimmenden Objekten, die mit einem Rumpf des schwimmenden Ob­ jektes verbunden ist und strömungsabhängig hydrody­ namische Kräfte in den Rumpf einleitet und die einen Hauptströmungskörper aufweist, der im Bereich eines Anströmkopfes stumpfer als im Bereich eines Abströmendes ausgebildet ist, dadurch gekennzeich­ net, daß in Strömungsrichtung (5) hinter dem Ab­ strömende (4) ein Sekundärkörper (2) angeordnet ist, der mit einer Durchströmungsausnehmung (9) versehen ist und der bezüglich einer quer zur Strömungsrichtung (5) verlaufenden Drehachse (10) verstellbar geführt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Querschnittkontur (8) im wesentlichen kreisförmig begrenzt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Durchströmungsausnehmung (9) als Längsschlitz innerhalb des Sekundärkörpers (2) an­ geordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Längsschlitz in Schlitzsegmente (21) unterteilt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Positionierung des Sekundärkörpers (2) mit einer Positionierung des Hauptströmungskörpers (1) gekoppelt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kopplung des Sekun­ därkörpers (2) mit dem Hauptströmungskörper (1) derart ausgebildet ist, daß bei einer Verschwenkung des Hauptströmungskörpers (1) um eine Hauptdreh­ achse (14) eine Verschwenkung des Sekundärkörpers (2) um die Drehachse (10) in einem Verhältnis von 1:1,5 realisiert ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Durchströmungsaus­ nehmung (9) im wesentlich mittig innerhalb der Querschnittkontur (8) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hauptströmungskörper (1) und der Sekundärkörper (2) im wesentlichen gleichsinnige Drehrichtungen aufweisen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sekundärkörper (2) als ein geschlitztes Stahlrohr ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kopplung des Haupt­ strömungskörpers (1) mit dem Sekundärkörper (2) über mindestens ein Getriebe realisiert ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß eine lineare Kopplung der Drehwinkel des Sekundärkörpers (2) und des Haupt­ strömungskörpers (1) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß eine nichtlineare Kopp­ lung der Drehwinkel des Sekundärkörpers (2) und des Hauptströmungskörpers (1) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß sich die Durchströmungs­ ausnehmung (9) des Sekundärkörpers (2) in eine dem Hauptströmungskörper (1) abgewandte Richtung er­ weitert.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß Segmente (17, 18), die die Durchströmungsausnehmung (9) begrenzen, klappen­ artig ausgebildet sind.