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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strömungsführung bei schwimmenden Objekten,
die mit einem Rumpf des schwimmenden Objektes verbunden ist und
strömungsabhängig hydrodynamische
Kräfte
in den Rumpf einleitet und die einen Hauptströmungskörper aufweist, der im Bereich
eines Strömkopfes
stumpfer als im Bereich eines Abströmendes ausgebildet ist.
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Derartige
Vorrichtungen zur Strömungsführung sind
beispielsweise bei Schiffen als Flossen von Flossenstabilisatoren
oder als Blätter
von Schiffsrudern ausgebildet. Die Vorrichtungen sind in vielfältigen Ausführungsformen
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.
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Nach
der
DE 42 02 745 C2 ist
ein symmetrisches Trageflügelprofil
in Form eines Flossenstabilisators für Schiffe bekannt geworden,
das im Bereich seines freien Endes zur verringerung des induzierten Wirbels
aus mehreren im Abstand parallel nebeneinander angeordneten und
parallel zur Längsmittelebene
eines Tragflügels
verlaufende Rippen bestehen. Diese Rippen ragen vom Tragflügelende
frei nach außen.
Durch die angeordneten Rippen mit dazwischen liegenden Spalträumen verringert
sich die wirksame Anströmfläche nicht.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung der
einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß eine weitere
Verbesserung der hydrodynamischen Eigenschaften erreicht wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß in
Strömungsrichtung
hinter dem Abströmende
ein Sekundärkörper angeordnet
ist, der mit einer Durchströmungsausnehmung
versehen ist und der bezüglich
einer quer zur Strömungsrichtung verlaufenden
Drehachse verstellbar geführt
ist.
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Ein
derartiger Sekundärkörper kann
sowohl im Bereich von verstellbaren oder im Bereich von festen Hauptströmungskörpern angeordnet
werden, die ein Strömungsprofil
bereitstellen. Durch die Kombination des Hauptströmungskörpers mit
dem Sekundärkörper wird
eine hydrodynamisch äußerst wirksame
Vorrichtung bereitgestellt, die konstruktiv einfach gestaltet ist.
Insbesondere kann der Sekundärkörper in
einfacher Weise am Hauptströmungskörper gelagert
werden, so daß eine
kompakte Ausführungsform bereitgestellt
ist. Durch eine entsprechende relative Anordnung der Bauteile zueinander
kann ein hoher Auftriebseffekt erreicht werden.
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Eine
symmetrische Krafterzeugung relativ zur Drehachse wird dadurch unterstützt, daß eine Querschnittkontur
des Sekundärkörpers im
wesentlichen kreisförmig
begrenzt ist. Grundsätzlich
können aber
auch allgemein gerundete Querschnittkonturen oder von zwei Strömungsklappen
aufgespannte Querschnittkonturen eingesetzt werden.
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Eine
wirtschaftliche Fertigung wird dadurch unterstützt, daß die Durchströmungsausnehmung
als Längsschlitz
innerhalb des Sekundärkörpers angeordnet
ist.
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Eine
erhöhte
Steifigkeit kann dadurch bereitgestellt werden, daß der Längsschlitz
in Schlitzsegmente unterteilt ist.
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Zur
Bereitstellung definierter und reproduzierbarer Strömungsverhältnisse
wird vorgeschlagen, daß eine
Positionierung des Sekundärkörpers mit
einer Positionierung des Hauptströmungskörpers gekoppelt ist.
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Eine
bevorzugte Konstruktion der Kopplung erfolgt dadurch, 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 realisiert ist. Allgemein sind auch größere Übersetzungsverhältnisse realisierbar.
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Eine
weitere Vergleichmäßigung der
Krafteinleitung kann dadurch erfolgen, daß die Durchströmungsausnehmung
im wesentlich mittig innerhalb der Querschnittkontur angeordnet
ist.
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Zur
Anpassung an typische hydrodynamische Anforderungen wird vorgeschlagen,
daß der Hauptströmungskörper und
der Sekundärkörper im wesentlichen
gleichsinnige Drehrichtungen aufweisen.
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Eine
preiswerte Ausführungsform,
die eine hohe Standfestigkeit aufweist, wird dadurch bereitgestellt,
daß der
Sekundärkörper als
ein geschlitztes Stahlrohr ausgebildet ist.
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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.
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Eine
typische Anwendung besteht darin, daß eine lineare Kopplung der
Drehwinkel des Sekundärkörpers und
des Hauptströmungskörpers vorgesehen
ist.
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Bei
speziellen Anwendungen ist es ebenfalls möglich, daß eine nichtlineare Kopplung
der Drehwinkel des Sekundärkörpers und
des Hauptströmungskörpers vorgesehen
ist.
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung
einer Anordnung eines im Bereich des Hauptströmungskörpers angeordneten und relativ
zur Strömungsrichtung
verdrehten Sekundärkörpers,
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2 eine Darstellung der Vorrichtung
gemäß 1 in einem Ausgangszustand,
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3 eine Darstellungsvorrichtung
gemäß 1 bei einem entgegengesetzten
Schwenkwinkel,
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4 eine Draufsicht auf die
Vorrichtung,
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5 eine Ansicht der Vorrichtung
in 4 gemäß Blickrichtung
V,
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6 einen Querschnitt gemäß Schnittlinie VI-VI
in 4,
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7 einen Querschnitt durch
den Sekundärkörper gemäß Schnittlinie
VII-VII in 5,
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8 einen Querschnitt durch
eine Vorrichtung, die relativ zur Strömungsrichtung mit einem unsymmetrischen
Hauptströmungskörper versehen
ist,
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9 eine Ausführungsform,
bei der der Sekundärkörper eine
sich in Strömungsrichtung
erweiternde Durchströmungsausnehmung
aufweist,
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10 eine Ausführungsform,
bei der sich der Hauptströmungskörper und
der Sekundärkörper bereichsweise überdecken,
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11 eine Ausführungsform,
bei der der Sekundärkörper mit
zwei flachen Strömungsklappen versehen
ist und
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12 eine Ausführungsform
mit sich erweiternder Durchströmungsöffnung des
Sekundärkörpers, bei
der zur Versteifung Stützstege
innerhalb der Durchströmungsöffnung angeordnet
sind.
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In 1 ist im Bereich eines Hauptströmungskörpers (1)
ein Sekundärkörper (2)
angeordnet. Der Hauptströmungskörper (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 Hauptströmungskörpers (1) wiedergibt.
Auf den Hauptströmungskörper (1)
wirkt eine Anströmung
(6) ein, relativ zu der der Hauptströmungskörper (1) bei der Ausführungsform
in 1 einen Anstellwinkel
(7) aufweist. Aufgrund des Anstellwinkels (7)
wird die Anströmung
(6) im Bereich des Hauptströmungskörpers (1) in Strömungsrichtung
(5) umgelenkt.
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Der
Sekundärkörper (2)
weist bei der Ausführungsform
nach 1 eine gerundete
Querschnittkontur (8) auf und ist mit einer Durchströmungsausnehmung
(9) versehen. Der Sekundärkörper (2) ist um eine
Drehachse (10) verschwenkbar und weist relativ zur Strömungsrichtung
(5) einen Verstellwinkel (11) auf. Insbesondere
ist daran gedacht, den Sekundärkörper (2) über ein
Getriebe derart mit dem Hauptströmungskörper (1)
zu koppeln, daß ein
bestimmter Anstellwinkel (7) automatisch zu einem vorgegebenen
Verstellwinkel (11) führt.
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Bei
der Ausführungsform
in 1 ist die Durchströmungsausnehmung
(9) symmetrisch im Sekundärkörper (2) angeordnet.
Hierdurch wird eine günstige
Krafteinleitung im Bereich einer Lagerung des Sekundärkörpers (2)
ermöglicht.
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2 zeigt eine Anordnung der
Vorrichtung gemäß 1, bei der sich die Strömungsrichtung
(5) in Richtung der Anströmung (6) erstreckt.
Ebenfalls ist die Durchströmungsausnehmung
(9) mit einer Durchströmungsachse
(12) in Strömungsrichtung
(5) ausgerichtet.
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3 zeigt die Anordnung der
Vorrichtung gemäß 1 bei einem entgegengesetzten
Anstellwinkel (7) sowie bei einer korrespondierenden Orientierung
des Sekundärkörpers (2).
Sowohl in 1 als auch
in 3 ist die sich ergebende
hydrodynamische Kraftrichtung (13) eingezeichnet.
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Durch
die Kombination des Hauptströmungskörpers (1)
und des Sekundärkörpers (2)
kann beispielsweise eine Stabilisierungsflosse oder eine Rolldämmungsflosse
für Seeschiffe
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 Kreissegmente erfolgt. Zur Kopplung des
Sekundärkörpers (2)
mit dem Hauptströmungskörper (1)
kann beispielsweise ein Schubkurbelgetriebe verwendet werden.
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Das
Bewegungsverhältnis
bei der Kopplung des Hauptströmungskörpers (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 vorteilhaft erwiesen.
Zweckmäßigerweise
sollte der Wert im Intervall von 1,2 bis 1,8 gewählt werden.
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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 Sekundärkörpers (2)
stets in den Bereich derjenigen Oberfläche (16) des Hauptströmungskörpers (1)
weist, die aufgrund der Verdrehung des Hauptströmungskörpers (1) der Anströmung (6)
abgewandt orientiert ist. Beim dargestellten Beispiel beträgt der Anstellwinkel
(7) etwa 20° und
der Verstellwinkel (11) beträgt 30°.
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Die
Funktion der Vorrichtung resultiert im wesentlichen daraus, daß bei einem
Verstellen des Hauptströmungskörpers (1)
ein in 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 Durchströmungsausnehmung
(9) in Auftriebsrichtung stärker zur Oberfläche (16)
des Hauptströmungskörpers (1)
gedreht. Hierdurch wird aus der Wirbelzone im Bereich des Abströmendes (4)
Wasser abgeführt
und der Unterdruckbereich an der hier als Profiloberseite wirkenden
Oberfläche
(16) vergrößert. Ein
korrespondierend zum Segment (17) angeordnetes Segment (18)
des Sekundärkörpers (2)
führt mit
zunehmendem Verstellwinkel (11) die Funktion eines angedämpften Schwanzprofils
mit zusätzlichem
Auftriebsanteil aus.
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Die
symmetrische Anordnung der Segmente (17, 18) relativ
zur Durchströmungsausnehmung
(19) hat darüber
hinaus den Vorteil, daß bei
einem Verdrehen während
der Verstellbewegung nur ein geringes Drehmoment aufgewendet werden
muß, da
keine außerhalb
der Drehachse (10) angreifenden Strömungskräfte wirksam werden.
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4 zeigt in einer Draufsicht
eine Möglichkeit
zur Lagerung des Sekundärkörpers (2)
im Bereich des Hauptkörpers
(1). Es sind zwei Stützstege (19)
und ein Tragarm (20) vorgesehen, in dessen Bereich auch
die Getriebekopplung erfolgt.
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5 zeigt eine Ausführungsform,
bei der die Durchströmungsausnehmung
(9) aus Schlitzsegmenten (21) ausgebildet ist.
Zwischen den Schlitzsegmenten (21) ist jeweils ein Stützsteg (22)
vorgesehen, der zur Versteifung die Segmente (17, 18)
miteinander verbindet. In 5 ist
ebenfalls erkennbar, daß die
Stützstege
(19) im Bereich von Halterungsringen (23) mit
dem Sekundärkörper (2)
verbunden sind. Zur Unterstützung
eines geringen Strömungswiderstandes
sind die Stützstege
(22) gerundet in Flanken der Segmente (17, 18) übergeleitet.
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In 6 und 7 sind zur weiteren Veranschaulichung
Querschnitte dargestellt. Aus 8 ist erkennbar,
daß es
möglich
ist, relativ zur Strömungsrichtung
(5) unsymmetrisch ausgebildete Hauptströmungskörper (1) zu verwenden.
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Gemäß der Ausführungsform
in 9 weist die Durchströmungsausnehmung
(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)
zugewandten Begrenzung.
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10 zeigt eine weitere Variante,
bei der das Abströmende
(4) des Hauptströmungskörpers (1)
in die Durchströmungsausnehmung
(9) des Sekundärkörpers (2)
hineinragt. In Abhängigkeit
von der Dimensionierung der gegenseitigen Überdeckung kann hierdurch zwar
eine Reduzierung des realisierbaren Verstellwinkels (11)
resultieren, es wird jedoch eine weitere verbesserte Strömungsführung erreicht.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 11 sind die Segmente (17, 18)
des Sekundärkörpers (2)
klappenartig ausgebildet. Es wird hierdurch eine Doppelklappe bereitgestellt,
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
anzuspitzen, um eine weiter verbesserte Strömungsführung zu realisieren. Die in 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 11 als
obere Klappe ausgebildete Segment (18) wird die Saugseitenströmung 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.
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In 12 sind zur Stabilisierung
der Segmente (17, 18) relativ zueinander im Bereich
der Durchströmungsausnehmung
(9) Stützstege
(19) angeordnet. In Querrichtung weisen die Stützstege (19),
wie bei der Ausführungsform
in 5, einen ausreichenden
Abstand auf, um eine Durchströmung nicht
zu behindern.