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Stand der Technik und Stand der Wissenschaft
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Schwenkschwerter für Segeljollen. Bei Seefahrzeugen in Fahrt ist neben der hohen mechanischen Belastung der strömungsmechanisch wirksamen Bauteile im Bereich des Unterwasserschiffes die optimale und an Strömungswiderständen arme Funktionsweise entscheidend für höchste Fahrleistungen. Grundsätzlich sind insbesondere bei der Konstruktion von leistungsoptimierten Segeljollen nach Stand der Technik und all ihren Bauteilen Robustheit, Formhaltigkeit, Funktion und Lebensdauer bei geringem Gewicht von Bedeutung. Zu den fluidmechanisch wirksamen Leitflächen im Unterwasserbereich von Segeljollen gehört die Schwertblattfläche.
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Stand der Technik sind Jollenschwerter, die sich geführt um einen im Jollenrumpf befindlichen Drehpunkt schwenkend mehr oder weniger tief in die Strömung eintauchen lassen: Schwenkschwert. Ihr Schwenkwinkel (SW) beträgt bauartbedingt SW = 90° für ein gesetztes Schwert oder kleiner (SW < 90°) für ein geholtes Schwert. In geholtem Zustand verschwindet das Schwenkschwert teilweise, bei manchen Yachtkonstruktionen vollständig im Rumpf. Es sind Bauarten und/oder Jollenklassen bekannt, bei denen bewusst auf ein vollständiges Holen des Schwenkschwertes verzichtet wird.
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Steckschwerter für Segeljollen und Segelyachten nach Stand der Technik weisen konstruktionsbedingt eine über den Kreisbogen des Schwenkradius nicht herausragende, ansonsten aber beliebig gestaltete Außenkontur auf. Es sind unterschiedliche Formen bekannt. Schwenkschwerter für Segeljollen und Segelyachten nach Stand der Technik sind hinsichtlich ihres Strömungsprofils üblicherweise als ebene Platten in Vollmaterial aus Stahl oder Leichtmetall ausgeführt. Die der Strömungsrichtung zugewandten (bugwärtigen) und die der Strömung abgewandten (heckwärtigen Kanten des Profils sind (gegebenenfalls gemäß herrschender Klassenvorschriften) gerundet oder profiliert ausgeführt.
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In Fahrt bilden fluidmechanisch wirksame Leitflächen im Unterwasserbereich mit symmetrischen Profil nach Stand der Technik dann einen fluiddynamisch wirksamen Tragflügel aus, wenn eine nicht axiale Anströmung gegeben ist. Die aus dem hydrodynamischen Auftriebsgebaren der Schwertblattfläche resultierende Querkraft wird zur Minderung der Abdrift bei Amwindkursen genutzt. Eine Folge des Betriebs fuidmechanisch wirksamer Tragflächen ist der so genannter „Induzierter Widerstand”. Dieser stammt ursächlich aus dem Auftriebsgebaren eines in nichtaxialer Anströmung arbeitenden Tragflügels, welches über den Druckunterschied zwischen den luv- und leeseitigen Tragflügeloberflächen quantifiziert werden kann. Aus wissenschaftlichen Untersuchungen ist bekannt, dass das Umströmungsgebaren um den Randbogen eines technischen Tragflügels beeinflusst und die Strömung im Nachlauf des Flügels konditioniert werden kann.
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Formvariable Yacht- und Jollenschwerter. In einer Achse senkrecht zur Hauptströmungsrichtung scharnierartig klappbare Schwertblätter an Segelyachten und Jollen sind aus der Literatur begannt. Stand der Technik sind auch Wölbstrukturen, die eine komplizierte Schwertkastenmechanik erfordern. An Kielen von Segelyachten sind bewegliche Leitklappen Stand der Technik. In einer Achse senkrecht zur Hauptströmungsrichtung scharnierartig klappbare Ruderblätter an Seefahrzeugen sind Stand der Technik und können grundsätzlich als Vorbild für den Entwurf formvariabler Yacht- und Jollenschwerter dienen. Die Klappbewegung bei Rudern, als auch an formvariablen Yachtkielen muss von Außen gesteuert und/oder zwangskinematisch erzwungen werden. Dies erfordert nach Stand der Technik einen gewissen Kontrollaufwand, der elektronisch unterstützt, geregelt oder von der Crew der Yacht zu erbringen ist.
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Biologie, Gefiederfinger. Aus der Analyse biologischer Flieger, wie etwa landsegelnden Vögeln sind, den induzierten Widerstand mindernde, Gefiederauffingerungen bekannt. Eine durch das biologische Vorbild inspirierte technische Übertragung stellen die so genannten „Winglets” (s. u.) an Flugzeugtragflächen nach Stand der Technik dar.
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Technik, Winglets. Die Strömungsverhältnisse am Unterwasserschiff von Segeljollen in Fahrt sind denen die an einer aerodynamisch wirksamen Tragfläche an Luftfahrzeugen herrschen, physikalisch ähnlich. An aerodynamisch wirksamen Auftriebskörpern wie Tragflächen an Flugzeugen und anderen Luftfahrzeugen, zum Zwecke der Minderung auftriebsbedingter Randwirbelbildung angebrachte Ableitflügel, sind Stand der Technik. Diese „Winglets” genannten Ableitflügel sind starr mit dem Randbogen der Tragflügelfläche verbunden, bzw. integraler Bestandteil der Tragflügelkonstruktion.
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Aus wissenschaftlichen Untersuchungen ist bekannt, dass Winglets das Umströmungsgebaren um den Randbogen eines technischen Tragflügels beeinflussen und die Strömung im Nachlauf des Flügels konditionieren, dass der den induzierten Widerstand generierende Randwirbel in seiner Kompaktheit aufgelöst und seine Kontur gestört wird. Die den induzierten Widerstand mindernden Effekte sind bei Luftfahrzeugen energetisch relevant.
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Biologie, Kinematiken. Eine Vielzahl von Gelenken rezenter Wirbeltierskelette, wie beispielsweise die Mittelhandknochen und die Ellenbogengelenke, bilden mehrachsige, räumliche Getriebesysteme aus. Ein sinnfälligeres Verständnis dieser räumlichen Kinematiken von Wirbeltiergelenken liefert ein Blick in die Biologie rezenter Lebewesen und in die evolutionsbiologische Vorgeschichte der Gliedmaßenentstehung. Handgelenkskelette biologischer Systeme können als anthropologisch-biologisches Vorbild für eine mehrachsige technische Kinematik dienen. Das kinematische Wirkprinzip einer technischen Mehrachsen-Scharnier-Kinematik ist das von dreidimensional verbundenen, zwangsbewegten Klappen, deren Scharnier-Drehachsen einen gemeinsamen Schnittpunkt besitzen. Je nach Zuordnung der Freiheitsgrade der im Sinne einer kinematischen Kette ein räumliches Getriebe bildenden Scharniere, stellen die zwangskinematischen dreidimensionalen Winkelbewegungen der Plattenebenen des kinematischen Systems ein Untersetzungs- oder ein Übersetzungsgetriebe dar.
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Problembeschreibung
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Profilform. Bei Jollenschwertern und anderen fluidmechanisch wirksamen, Querkraft erzeugenden Tragflächen taucht das Problem der beidseitigen fluidischen Beaufschagbarkeit auf. Deshalb haben Schwerttragflächen nach Stand der Technik in der Regel symmetrische Profile. Bei Amwindkursen wären flexible, nichtsymmetrische Schwertblattprofile willkommen. Allerdings erfordern in einer Achse senkrecht zur Hauptströmungsrichtung scharnierartig klappbare Schwertblätter nach Stand der Technik einen hohen Steuer- und Kontrollaufwand.
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Randwirbel. Neben der aus dem fuidmechanischen Auftriebsgebaren an Schwerttragflächen von Segeljollen erzielbaren Querkraft, tritt der so genannte „Induzierte Widerstand” auf. Dieser hat seine Ursache in stromabwärts abfließenden Randwirbeln, die aus der durch das Auftriebsgebaren bedingten Fluidumströmung um das freie, dem Schiffskörper abgewandte Tragflächenende des Schwertes resultieren. Diese Randwirbel binden einen erheblichen Teil der zur Schiffsbewegung aufgebrachten Energie, was als Strömungswiderstand spürbar wird und negativ in die Energiebilanz des Gesamtsystems eingeht.
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Die aus der Analyse biologischer Flieger bekannten, den induzierten Widerstand mindernden Gefiederauffingerungen, sind aufgrund der wechselseitigen Beaufschlagbarkeit in Geometrie, Gestalt und Funktion nicht unmittelbar auf Schwerttragflächen zu übertragen. Gleiches gilt für die durch das biologische Vorbild inspirierte technische Übertragung, die so genannten „Winglets” der Flugzeugtragflächen.
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Problemlösung
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Die fluiddynamisch wirksame Schwerttragfläche der Segeljolle ist in einer Ebene senkrecht zur Strömungshauptrichtung beweglich gelagert ausgeführt (in Analogie etwa zum Klappenruder nach Stand der Technik). An die Schwerttragflächen ihrerseits werden bewegliche, passiv adaptive, von den Strömungskräften beaufschlagbare, nachfolgend „strömungsadaptiver Anflügel” benannte Strömungskörper, an dem freien, vom Schiffskörper abgewandten Schwertblattflächenende derart angeordnet, dass diese (1.) bei nichtaxialer Anströmung der Schwerttragfläche automatisch nach Lee (auf die der Strömung abgewandte Seite) wenden und (2.) durch eine Mehrachsen-(Scharnier-)Kinematik dem in vertikaler Achse beweglichen Schwerttragflügel zwangskinematisch eine fluidmechanisch günstige Form aufprägen. Die leewärtige Passivbewegung der strömungsadaptiven Leitflügel folgt der Hauptströmungsrichtung des Fluids.
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Erreichbare Vorteile
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Durch die leewärtige Passivbewegung der strömungsadaptiven Leitflügel an Schwerttragflächen wird erreicht, dass eine den induzierten Widerstand mindernde Wirkung in beide fluidische Beaufschlagungsrichtungen erzielt wird und die Profilkontur der Schwerttragfläche eine strömungsgünstige, eine den Formwiderstand mindernde Gestalt automatisch, d. h. geometrisch autoadaptiv und energetisch autonom annimmt. Die Widerstandsminderung im Bereich des Unterwasserschiffs beeinflusst die Energiebilanz des Gesamtsystems positiv. Auf Grund der zwangskinematischen Autoadaption wird der Steuerungs- und Kontrollaufwand minimiert. Das Gesagte betrifft das voll gesetzte Schwenkschwert.
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Aufbau, und bauliche Ausführung
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Bei Schwenkschwertern nach Stand der Technik herrschen einfache Plattenprofile mit abgerundeten oder leicht angeschliffenen vorder- und Hinterkanten vor. Bauartbedingt sind die heckwärtigen Konturen der Schwenkschwerter Kreisbögen oder Kreisbogensektoren. Die bugwärtige Kontur ist in der Regel eine senkrechte Kante. Die Abbildung 1 zeigt in schematischer Weise skizzenhaft den Einbauzustand eines Schwenkschwertes, bestehend aus den Teilflächen SF1 und SF2, welches um den Drehpunkt DPS geschwenkt wird. Die bugwärtige Teilfläche des Schwertes SF1 und die heckwärtige Teilfläche des Schwertes SF2 bilden gemeinsam eine organisatorische Einheit, die die Schwertlateralfläche der Segelyach, bzw. der Segeljolle repräsentiert. Die bugwärtige Teilfläche des Schwertes SF1 und die heckwärtige Teilfläche des Schwertes SF2 sind in der Ebene GE12 gelenkig über den Achsbolzen B12 mit einander verbunden. Die bugwärtige Teilfläche des Schwertes SF1 und die heckwärtige Teilfläche des Schwertes SF2 bilden eine (gemeinsame) Fuge aus, die an dem der Yacht zugewandtem Ende eine nasenförmige Bucht beschreibt. Über den Holer des Schwenkschwertes H (andeutungsweise, skizzenhaft in Abb. 1) wird aus der gesetzten Position mittels einer Zugkraft das Schwert in eine geholte Position gedreht. Über die nasenförmige Bucht spurt das bugwärtige Flächenteil des Schwenkschwertes beim holen automatisch in eine neutrale, ebene Lage; dies ist für die fluidbeaufschlagte Beweglichkeit der gesamten Konstruktion von Bedeutung. Schwertkasten, Holer und Segeljolle oder Segelyacht sind nicht Gegenstand der Erfindung. Die bugwärtige Teilfläche des Schwertes SF1, der Bolzen B12, die heckwärtige Teilfläche des Schwertes SF2, der Bolzen B13, die profilsymmetrische Anflügelfläche AF3 der Bolzen B34, das Anflügelwinkelelement AW, das Winkelelement W und der Bolzen B24 bilden eine organisatorische Einheit und eine gemeinsame Differentialkonstruktion aus.
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Gelenke. Die bugwärtige Teilfläche des Schwertes SF1 und die heckwärtige Teilfläche des Schwertes SF2 bilden in der Gelenkebene GE12 ein Gelenk aus, das über den Bolzen B12 beweglich vermittelt wird. Die bugwärtige Teilfläche des Schwertes SF1 und Anflügelwinkelelement AW bilden in der Gelenkebene GE13 ein Gelenk aus, das über den Bolzen B13 beweglich vermittelt wird. Die heckwärtige Teilfläche des Schwertes SF2 und das Winkelelement W bilden in der Gelenkebene GE24 ein Gelenk aus, das über den Bolzen B24 beweglich vermittelt wird. Anflügelwinkelelement AW und Winkelelement W bilden in der Gelenkebene GE34 ein Gelenk aus, das über den Bolzen B34 beweglich vermittelt wird. Das Winkelelement W besitzt Gewindebohrungen in denen die Bolzen B24 und Bolzen B34 fixiert sind. Die Gelenkebenen GE24 und GE13 und GE12 und GE34 schneiden sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt. Die Gelenkebenen GE24 und GE13 bilden eine Winkel aus, der für den Klappwinkel der bugwärtige Teilfläche des Schwertes SF1 zu der heckwärtigen Teilfläche des Schwertes SF2 relevant ist. An das Anflügelwinkelelement AW wird eine fluidmechanisch wirksame profilsymmetrische Anflügelfläche AF3 urformend angebracht. Die Existenz, nicht jedoch die explizite Gestalt und Kontur der Anflügelelementfläche ist Gegenstand der Erfindung.
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Die Gelenkvermittlungen in den Gelenkebenen GE12, GE13, GE24 und GE34 durch die jeweilig zugehörigen Bolzen B12, B13, B24 und B34 sind in montagetechnisch sinnvoller Weise nach Stand der Technik auszuführen.
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Wirkungsweise
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Bei nichtaxialer Anströmung arbeitet ein Schwenkschwert vom Stand der Technik als fluiddynamische und querkrafterzeugende Auftriebsfläche. Ein aus dem Auftriebsgebaren der Schwerttragfläche resultierender Randwirbel entsteht am offenen, vom Schiffskörper abgewandten Ende der Schwerttragfläche. Dieser Randwirbel produziert den so genannten „auftriebsbedingten, induzierten Widerstand” des Schwertes, der negativ auf die Energiebilanz des fluidischen Gesamtsystems wirkt.
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Zur strömungsbedingten passiven Bewegung des Leitflügels. Bei einem Schwenkschwert mit einem der Idee der Erfindung gemäßen strömungsadaptiven Anflügelsystem bewirkt eine nichtaxiale Anströmung des Mediums, dass der strömungsadaptive Anflügel A der Hauptströmungsrichtung des Fluids passiv folgt und der Strömung abgewandt nach Lee ausgelenkt wird.
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Zur physikalischen Wirkungsweise des Anflügels A. Aus experimentellen Untersuchungen an Strömungskörpern mit Windkanälen ist bekannt, dass eine zusätzliche, am Randbogenende einer Auftrieb erzeugenden Tragfläche angeordneter Zusatzleitfläche (die im Falle aerodynamisch wirksamer Auftriebskörper „Winglet” genannt wird, s. o.) den aus dem fluiddynamischen Auftriebsgebaren resultierenden Randwirbel deformiert, was zu einer Reduzierung des induzierten Widerstands führt. Das am Windkanal mit dem Medium Luft Gezeigte gilt nach physikalischen Gesetzen und fluidmechanischen Ähnlichkeitsbetrachtungen für Fluide im Allgemeinen und ist damit auf eine im Wasser arbeitende fluidmechanisch wirksame Tragfläche eines Schwenkschwertes einer Segeljolle oder Segelyacht übertragbar.
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Nach dem heutigem Stand der Wissenschaft gilt es als erwiesen, dass bei fluidmechanischen Auftriebskörpern eine Zusatzleitfläche (Anflügel) in das Umströmungsgeschehen am Tragflügelende einwirkt derart, dass der Entstehungsvorgang des umströmungsbedingten Randwirbels frühzeitig gestört wird. Hieraus kann die Deformation der energetisch schädlichen Randwirbelstruktur erklärt werden kann, die als Ursache Widerstand mindernder Effekte gilt.
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Geometrie des räumlich beweglichen Tragflügels. In Ruhelage und in einem nicht durch Querströmung beaufschlagten Zustand bilden das bugwärtige Schwerttragflächenteil SF1 und das heckwärtige Schwerttragflächenteil SF2 gemeinsam ein symmetrisches Schwerttragflächenprofil aus. Die Gelenkachsen GE12, GE13, GE24, GE34 bilden einen gemeinsamen Schnittpunkt; die Winkelsumme aller Gelenkebenen ist 360°.
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Während des bestimmungsgemäßen Betriebs, insbesondere bei raumigen und Amwind- Kursen einer Segeljolle oder Segelyacht tritt am Unterwasserschiff eine nicht zentralsymmetrische fluidische Beaufschlagung auf. Die auf das Unterwassersdchiff wirkende, so genannte resultierende Strömungsbewegung lässt sich in einen parallel zur Symmetrieachse des Seefahrzeugs liegenden Anteil und in einen quer zur Symmetrieachse des Seefahrzeugs liegenden Anteil beschreiben, was für die Erklärung der physikalisch-fluidmechanischen Wirkungsweise strömungsbeaufschlagter, räumlich beweglicher Tragflügel strömungsadaptiver, vertikalkraftgenerierender Leitflächen an Segelyachten von Bedeutung ist. Ein Jollenschwert mit symmetrischem Tragflächenprofil nach Stand der Technik besitzt auch bei nichtzentraler fluidischer Beaufschlagung einen Betriebsbereich, in dem das Verhältnis aus erlittenem Widerstand und der für das Voranbewegen erforderlicher erzeugter Querkraft vertretbar ist und insgesamt gesehen die Strömungsbedingungen zum Segeln taugen, oder kurz: auch symmetrische Profile erzeugen bei nicht zentraler Beaufschagung „Auftrieb”. Der Betriebsbereich (Anströmwinkel, Geschwindigkeit) eines nichtsymmetrischen Tragflächenprofils kann in einem günstigen Auslegungsfall erheblich größer sein, als jener eines vergleichbaren symmetrischen Tragflächenprofils.
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Das um eine Achse in Fahrtrichtung beweglich gelagerte Tragflügelelement AF3 vollführt bei fluidischer Beaufschlagung im nicht symmetrischen Anströmungsfall eine Klappbewegung auf die der Strömung abgewandte, leewärtige Seite. Gleichzeitig erfolgt, in gleicher Weise zwangskinematisch, dass das von bugwärtigen Schwerttragflächenteil SF1 und dem heckwärtigen Schwerttragflächenteil SF2 gebildete Tragflächensystem eine vorteilhafte, luvwärtige Klappbewegung („geknickte Platte”) infolge der kinematischen Kopplung ausführt.
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Aus theoretischen Überlegungen, aus messtechnischen Versuchen und aufgrund von Ergebnissen der numerischen Strömungssimulation ist bekannt, dass die Auftriebs- bzw. Querkraftentwicklung im Strömungsfall „geknickte Platte” bei nicht symmetrischer Anströmung dann vorteilhaft ist gegenüber der ebenen (ungeknickten) Platte, wenn die Geometrie- und Strömungszustandsparameter (Knickwinkel und Knickwinkellage gegenüber der Plattenlänge, Anströmrichtung und Geschwindigkeit der Strömung) in einen gewissen physikalischen Zulässigkeitsbereich variieren.
