DE3490665C2 - Schiffsruderanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schiffsruderanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-PS 4 20 840 ist eine Ruderanlage mit einem Ru­ derblatt bekannt, das entweder nur aus einem Ruderkörper oder aus einem Ruderkörper und einer Steuerflosse besteht, wobei entweder an der Anströmkante oder an der Abström­ kante des Ruderkörpers ein Rotor vorgesehen ist.

Wenn der Rotor in Drehung versetzt wird, nimmt die Ge­ schwindigkeit der Flüssigkeit in der Grenzschicht auf einer Seite des Ruderkörpers zu, wodurch es zu einer Druckreduzierung kommt, durch die die seitliche Steuer­ kraft erhöht wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei geringen Anstellwinkeln des Ruderkörpers die Rotoren in­ folge der Geschwindigkeitszunahme der Flüssigkeit in der Grenzschicht die durch das Ruder erzeugte Kraft nicht wesentlich erhöhen können.

Aus der DE-OS 28 20 355 ist eine Schiffsruderanlage mit einem Schaft bekannt, der mit einem Stellorgan drehbar verbunden ist und an dem ein Ruderblatt befestigt ist, das aus einem Ruderkörper und ei­ ner Steuerflosse oder aus einem Ruderkörper, einer Steuer­ flosse und einem Lenkkopf bestehen kann. Weiterhin sind drehangetriebene Rotoren vorgesehen, von denen einer an der Anströmkante des Ruderblattes bei Vorwärtsfahrt ange­ ordnet ist. Ein weiterer Rotor ist bei der bekannten Schiffsruderanlage zwischen dem Ruderkörper und der Steu­ erflosse vorgesehen.

Der Ruderkörper und die Steuerflosse können bei der be­ kannten Anlage um mehr als 25° gelegt werden, wodurch an der Ruderblattfläche ein großer Unterdruck erzielt werden kann, der eine beträchtliche Steuerkraft erzeugt. Wenn jedoch das Ruder mehr als 25° gelegt wird, sind dem Unterdruck an der Ruderblattfläche durch Abreißen der Strömung Grenzen gesetzt, so daß bei geringen Schiffs­ geschwindigkeiten keine großen Seitenkräfte erreicht wer­ den können. Die Drehung des an der Anströmkante des Ru­ derblatts angeordneten Rotors des zwischen dem Ruderkör­ per und der Steuerflosse eingesetzten Rotors bewirkt eine Geschwindigkeitszunahme der Flüssigkeit in der Grenz­ schicht, wodurch das Abreißen der Strömung an der Ruder­ blattfläche unterbunden werden kann, was die Seitenkraft des Ruderblatts verglichen ohne Rotordrehung um den Fak­ tor zwei vergrößert (Buhtz C. P., Neue Schiffe - Neue Ma­ növrieranlagen, Schiff und Hafen, Nr. 9, 1982, S. 127 bis 130).

Diese Steigerung der Seitenkraft reicht jedoch bei ge­ ringen Schiffsgeschwindigkeiten für ein sicheres Steuern des Schiffes nicht aus.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht des­ halb darin, unter Beibehaltung des Wirkungsgrades der Schiffsruderanlage bei normalen Geschwindigkeiten die seitliche Steuerkraft bei geringen Schiffsgeschwindigkei­ ten zu steigern.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wenn bei der erfindungsgemäßen Schiffsruderanlage das Ruderblatt umgelegt wird, wird die den Hauptteil der Sei­ tenkraft des Ruders bildende bekannte Druckreduzierung erreicht. Bei weiterer Steigerung des Winkels wird durch Abreißen der Strömung am Ruderblatt die Druckverminderung verringert und die Seitenkraft des Ruders verschlechtert. Beim Drehen der Rotoren an der Anströmkante und an der Abströmkante des Ruderblatts wird in bekannter Weise das Abreißen der Strömung am Ruderblatt vermieden und der Unterdruck am Ruderblatt gesteigert. Überraschenderweise erreicht jedoch der Unterdruck auf der einen Seite des Ruderblatts ein größeres Ausmaß als zu erwarten war, wäh­ rend auf der anderen Seite des Ruderblatts zusätzlich noch ein Druckanstieg erfolgt, wodurch insgesamt eine überraschend hohe, nicht vorhersehbare seitliche Steuer­ kraft erzielt werden kann.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 2 läßt sich eine günstige Druckverteilung durch die Drehung der Rotoren übe den verschiedenen Flächen des Ruderblatts erreichen. Das am Schaft erforderliche Stellmoment erweist sich als niedrig, wodurch die Rudermaschine eine geringere Steuer­ leistung erbringen muß, was den Verschleiß reduziert.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 4 ergibt sich eine weitere Entlastung der Rudermaschine. Außerdem wird die Ruderkavitation verringert, da die Steuerflosse einen Luftdurchbruch zu dem sich drehenden Rotor verhindert.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht eine erste Ausführungsform der Schiffsruder­ anlage,

Fig. 2 den Schnitt II-II von Fig. 1,

Fig. 3 schematisch in einer Seitenansicht eine gegen­ über Fig. 1 modifizierte Schiffsruderanlage,

Fig. 4 in einer Ansicht wie Fig. 2 ein Ruderblatt mit Steuerflosse,

Fig. 5 schematisch in einer Seitenansicht wie Fig. 3 eine zweite Modifizierung der Schiffsruderanlage und

Fig. 6 in einem Diagramm die Abhängigkeit des Seiten­ kraftfaktors abhängig vom Stellwinkel des Ruders für verschiedene Ruderausführungsformen.

Die Ruderanlage von Schiffen enthält eine Rudermaschine 1 (Fig. 1), die in einem Schiffsrumpf 2 montiert ist, einen Ruderschaft 3, der mit der Rudermaschine 1 zum Drehen desselben kinematisch verbunden ist, sowie ein Ruder 4. Das Ruder 4 enthält ein Ruderblatt 5, das mit dem unteren Ende des Ruderschafts 3 starr verbunden ist, einen Rotor 6, der vor der - bezogen auf Vorwärtsfahrt - Anströmkante des Ruderblattes 5, im folgenden als Vorderkante des Ruderblattes 5 bezeichnet, angeordnet ist, die einem Schiffspropeller 7 zugekehrt ist. An der Hinterkante des Ruderblattes 5 ist ein zusätzlicher Ro­ tor 8 angeordnet. Die Rotoren 6 und 8 sind mit ihren unteren Enden in Lagern 9 gelagert, die sich im unteren Teil des Ruderblattes 5 des Ruders 4 befinden. Die oberen Enden der Rotoren 6 und 8 sind in Lagern 10 gelagert, die sich im oberen Teil 5 a des Ruderblattes 5 befinden, welcher hohl ausgeführt ist und zur Unterbringung einer Welle 11 mit Kegelrädern 12 und 13 dient, die jeweils mit einem Kegelrad 14, das am oberen Ende des zusätz­ lichen Rotors 8 befestigt ist, sowie mit einem Kegel­ rad 15 im Eingriff stehen, das auf einer Welle 16 be­ festigt ist. Die Welle 16 ist mit einer nicht abgebil­ deten Welle eines Antriebs 17 kinematisch verbunden. Im oberen Teil 5 a des Ruderblattes 5 sind ferner ein Ritzel 18, das am Rotor 6 befestigt ist, sowie ein Ritzel 19 angeordnet, das auf einer Welle 20 befestigt ist, die mit einer nicht gezeigten Welle eines An­ triebs 21 kinematisch verbunden ist. Der Ruderschaft 3 ist zur Unterbringung der Antriebe 17, 21 sowie der Wellen 16, 20 hohl ausgeführt und im Schiffsrumpf 2 in einem Lager 22 gelagert. Das Lager 22 ist durch eine Stopfbuchse 23 abgedichtet. Das Ruderblatt 5 besitzt in seinem unteren Teil eine Achse 24 (Fig. 1, 2), die im Schiffsrumpf 2 angeordnet ist. Die Achse 24 ist gleichachsig zu dem Ruderschaft 3 und bildet mit ihm die Drehachse des Ruderblattes 5.

Die Antriebe 17 und 21 sind zur Umkehr der Umlaufrich­ tung der Rotoren 6 und 8 reversierbar ausgeführt.

Zur Senkung der Belastung der Rudermaschine 1 sind ein Rotor 25 (Fig. 3) und ein zusätzlicher Rotor 26 in glei­ chen Abständen 1 von der geometrischen Drehachse eines Ruderblattes 28 angeordnet. In dieser Ausführungsform erfolgt der Antrieb der Rotoren 25 und 26 über Hydrau­ likantrieb, die Hydromotoren 29 aufweisen, welche über Hydraulikleitungen 30 mit einer Pumpe 31 in Verbindung stehen.

Wenn das Ruder eine Steuerflosse 32 (Fig. 4) besitzt, die einem Ruderblatt 33 nachgeordnet ist, ist ein zu­ sätzlicher Rotor 34 an der Hinterkante der Steuerflosse 32 angeordnet.

Das in Fig. 5 dargestellte Ruder hat ein Ruderblatt 35 und eine Steuerflosse 36. Das Ruderblatt 35 ist über den nicht gezeigten Ruderschaft mit der Rudermaschine kine­ matisch verbunden. An der Vorderkante des Ruderblattes 35 ist ein Rotor 37, an der Hinterkante ein zusätzlicher Rotor 38 angeordnet. Der zusätzliche Rotor 38 und die Steuerflosse 36 liegen bezogen auf die Höhe des Ruder­ blattes 35 übereinander. Dabei kann der Rotor 38 ent­ weder unterhalb der Steuerflosse 36 oder aber oberhalb derselben (nicht gezeigt) angeordnet sein. Die Rotoren 37 und 38 sowie die Steuerflosse 36 besitzen Hydraulik­ antriebe.

Die Schiffsruderanlage arbeitet folgendermaßen:

Zur Ausführung einer Drehung eines mit geringer Ge­ schwindigkeit fahrenden Schiffes, dessen Ruder 4 in der Mittschiffsebene steht, werden der Rotor 6 und der zu­ sätzliche Rotor 8 gleichzeitig mittels der Antriebe 17 und 21 in Drehung versetzt. Die Umlaufrichtung der Ro­ toren 6 und 8 stimmt mit der Strömungsgeschwindigkeit auf jener Seite des Ruders 4 überein, in deren Richtung eine Seitenkraft zu erzeugen ist. Bei der Drehung der Rotoren 6 und 8 in ein und derselben Richtung, wie es durch Pfeile A in Fig. 2 angedeutet ist, wird durch die von ihnen auf die Flüssigkeit übertragene Energie eine Beschleunigung der Strömung "B" auf jener Seite des Ru­ ders 4 herbeigeführt, auf der die Strömungsrichtung mit der Umlaufrichtung der Rotoren 6 und 8 übereinstimmt, während es auf der entgegengesetzten Seite des Ruders 4, wo die Strömung entgegen dem Umlauf der Rotoren 6 und 8 erfolgt, zu einer Verlangsamung der Strömung kommt. Die Beschleunigung der Strömung "B" auf der einen Seite des Ruders 4 und die Verlangsamung derselben auf der an­ deren Seite führen zur Entstehung eines Druckgefälles (+/-) am Ruder 4, wodurch auch ohne Ruderlegen, lediglich aufgrund der Drehung der Rotoren 6 und 8, eine erhebli­ che Seitenkraft "Y" am Ruder 4 entsteht, unter deren Ein­ wirkung das Schiff eine Drehung ausführt. Dabei ist die Größe dieser Kraft mit den maximal möglichen Kräften am Ruder von bekannten Ruderanlagen vergleichbar.

Dies zeigen die experimentell ermittelten Kurven von Fig. 6, die die Abhängigkeit der Faktoren C _y der Sei­ tenkraft "Y" von den Ruderwinkeln α bei verschiedenen Rudertypen wiedergeben.

Die Kurve I charakterisiert eine bekannte Ruderanlage, die nur ein Ruderblatt enthält, das mit dem Ruderschaft starr verbunden ist. Die Kurve II charakterisiert das Ruder einer bekannten Ruderanlage, in der der Rotor der Vorderkante des Ruderblattes 5 vorgeordnet ist. Die Kurve III charakterisiert das Ruder 4 einer erfindungs­ gemäß ausgeführten Ruderanlage, in der der Rotor 6 an der Vorderkante des Ruderblattes 5 und ein zusätzlicher Rotor 8 an der Hinterkante des Ruderblattes 5 angeordnet ist. Aus der Kurve III ist erkennbar, daß am Ruder 4 bei einem Ruderwinkel von 0° lediglich aufgrund der Drehung der Rotoren 6, 8 eine erhebliche Seitenkraft entsteht, die bereits bei geringen Ausschlagwinkeln des Ruders 4 bis 20° ihren Höchstwert erreicht. Dabei ist die maximale Größe dieser Kraft um das 1,5- bis 2fache größer als die maximale Kraft am bekannten Ruder gemäß Kurve II. Des­ wegen wird das Ruder 4 nach dem in Drehung Versetzen der Rotoren 6 und 8 zur Beschleunigung der Schiffsdrehung um den Winkel α = 20 bis 30° übergelegt. Die Zunahme der Seitenkraft am Ruder 4 gegenüber der Kurve II und die Abnahme der Winkel α, also auch der Zeit, die zum Legen des Ruders 4 für die Erzielung dieser Seitenkraft erforderlich ist, ermöglichen es, die Manövrierfähigkeit des Schiffes bei geringer Bewegungsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Bei der Drehung der Rotoren 6 und 8 kommt es zu einem hydrodynamischen Zusammenwirken zwischen ihnen, indem jeder der Rotoren 6, 8 die Energie verwertet, die von dem anderen Rotor an die Flüssigkeit übertragen wird. Gerade durch dieses Zusammenwirken der Rotoren 6, 8 ist die Seitenkraft "Y" des Ruders 4 gegenüber Kurve II im gesamten Bereich der Ruderwinkel α beträchtlich größer. Dabei nimmt die Seitenkraft des Ruders 4 wegen der gegen­ seitigen Beeinflussung der Rotoren 6 und 8 proportional zur Zunahme der relativen Geschwindigkeit der Rotoren sogar auf mehr als 3,5 zu.

Der Widerstand des Ruders 4 bei Ausschlagwinkeln über 20 bis 30° übersteigt den Ruderwiderstand der Anlage ge­ mäß Kurve I um das 1,5- bis 2fache. Dies erlaubt es, das Schiff bei sehr kleinen Längsbewegungsgeschwinigkeiten zu wenden oder es gar zu traversieren, was die Manö­ vrierfähigkeit des Schiffs ebenfalls erhöht.

Wenn das Ruder 4 mit nicht drehenden Rotoren 6 und 8 übergelegt wird, tritt an ihm ein Druckabfall auf, bei dem auf der Saugseite (-) ein Unterdruck, auf der Druckseite (+) aber ein Überdruck entsteht, was die Entstehung einer Ruderseitenkraft "Y" bedingt. Danach werden die Rotoren 6 und 8 in der Strömungsrichtung auf der Druckseite (+) des Ruders 4 in Drehung versetzt. Hierbei wird die Strömung infolge eines starken hydro­ dynamischen Zusammenwirkens der Rotoren 6, 8 mit der Strömung auf der Druckseite beschleunigt und es kommt zur Entstehung eines Unterdrucks, während auf der Saug­ seite des Ruders 4 die Strömung verlangsamt wird und ein Überdruck entsteht, wodurch die Richtung der am Ruder angreifenden Seitenkraft umgekehrt wird. Des­ wegen kann bei einem Verklemmen des Ruders 4 bei Ruder­ winkeln von 20 bis 30° durch die Drehung der Rotoren 6, 8 eine Seitenkraft am Ruder 4 in beliebiger Rich­ tung je nach der Umlaufrichtung der Rotoren erzeugt werden, was die Zuverlässigkeit der Ruderanlage be­ trächtlich erhöht.

Die Ruderanlage hat einen geringen Verschleiß auf­ grund der Verringerung der Ausschlagwinkel des Ruders 4 und aufgrund der Möglichkeit, das Schiff bei dessen Kursfahrt nur vermittels der umlaufenden Rotoren 6 und 8 d. h. ohne das Ruder 4 zu legen, zu steuern.

Außerdem hat sich gezeigt, daß infolge des hydrodynami­ schen Zusammenwirkens der Rotoren 6 und 8 die Belastungen der Lager der Rotoren 6, 8 und somit ihr Verschleiß ge­ ring sind.

Schließlich kann bei Ausschlagwinkeln des Ruders 4 von nahezu 90° und bei einer Drehung der Rotoren 6, 8 in entgegengesetzten Richtungen der Widerstand des Ruders 4 beträchtlich erhöht werden, was sich beim Abbremsen des Schiffes, insbesondere in extremen Situationen, günstig auswirkt.

Wenn die Rotoren 25 und 26 in gleichem Abstand 1 von der geometrischen Drehachse des Ruderblattes 28 angeordnet sind, ist das hydrodynamische Moment, das beim Legen des Ruders und bei Drehung der Rotoren 25, 26 entsteht und auf die Rudermaschine 1 übertragen wird, minimal. In­ folgedessen wird die zum Drehen des Ruders erforderliche Energie vermindert und der Verschleiß der Rudermaschine 1 herabgesetzt.

Wenn das Ruder eine Steuerflosse 32 (Fig. 4) und einen zusätzlichen Rotor 34 besitzt, der an der Hinterkante der Steuerflosse 32 angeordnet ist, werden zum Drehen des Schiffes das Ruderblatt 33 und die Steuerflosse 32 des Ruders um einen vorgegebenen Winkel gelegt, wo­ durch eine Druckdifferenz auf den Seiten des Ruderblat­ tes 33 und der Steuerflosse 32, d. h. eine Seitenkraft, entsteht. Danach werden die Rotoren 6 und 34 auf der Saugseite des Ruderblattes 33 und der Steuerflosse 32 in Drehung versetzt. Hierbei wird die Strömung auf der Saugseite beschleunigt, auf der Druckseite aber ver­ langsamt, was zur Zunahme des Druckgefälles und dem­ nach der Seitenkraft führt.

Bei der Anordnung der Steuerflosse 36 des Ruders und des zusätzlichen Rotors 38 bezogen auf die Höhe des Ruderblattes 35 übereinander, findet die Zunahme der am Ruder angreifenden Seitenkraft beim Umlauf der Ro­ toren 37 und 38 dadurch statt, daß das Druckgefälle nur am Ruderblatt 35 größer wird, wobei die Belastungen an der Steuerflosse 36 nicht zunehmen und deswegen zum Drehen der Steuerflosse 36 keine Leistungserhöhung und folglich auch keine Vergrößerung der Abmessungen ihres Antriebs erforderlich ist.

Claims (4)

1. Schiffsruderanlage mit einer Rudermaschine, mit einem von deren Stellorgan verdrehbaren Ruderschaft, mit einem Ruderblatt, das für ein Verschwenken um seine Drehachse starr mit dem Ruderschaft verbunden ist, und mit einem an der - bezogen auf Vorwärtsfahrt - Anströmkante des Ruderblatts angeordneten ersten Rotor, dem ein Drehantrieb zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Rotor (8, 26, 34, 38) mit einem Dreh­ antrieb (17, 21; 29) an der - bezogen auf Vorwärtsfahrt - Abströmkante des Ruderblattes (5, 28, 33, 35) angeordnet ist und daß der Drehantrieb (17, 21; 29) eines jeden Rotors (6, 25, 37; 8, 26, 34, 38) in seiner Drehrichtung umschaltbar ist.

2. Schiffsruderanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Rotor (25) und der zweite Rotor (26) jeweils mit gleichem Abstand (1) zur Drehachse des Ruderblattes (28) angeordnet sind.

3. Schiffsruderanlage nach Anspruch 1, bei welcher am Ruderblatt (33) bezogen auf Vowärtsfahrt abströmseitig eine Steuerflosse (32) vorgesehen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zweite Rotor (34) an der Abströmkante der Steuerflosse (32) angeordnet ist.

4. Schiffsruderanlage nach Anspruch 1, bei welcher am Ruderblatt (35) bezogen auf Vorwärtsfahrt abströmseitig eine Steuerflosse (36) vorgesehen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich der zweite Rotor (38) nur über einen Teil der Höhe des Ruderblattes (35) erstreckt und daß auf dem restlichen Teil der Höhenerstreckung des Ruderblattes (35) die Steuerflosse (36) angeordnet ist.