DE3909993A1 - Mehrgliedriger fluegel insbesondere als schiffssegel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrgliedrigen Flügel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Schiffbaus und im näheren auf Segelaufrüstungen (Takelagen).

Nach dem Stand der Technik sind mehrere unterschiedliche Ausführungen von Segelaufrüstungen mit nahem Bezug zur Technologie gemäß der Erfindung bekannt. Solche sind z. B. das Korbelin-Segel (Aerohydrodynamics of sailing, C. A. Marchai), ein starres Segel gemäß der US-PS 46 10 213 oder das Segelsystem gemäß der FR-PS 25 59 449. Sämtliche der referierten Typen von Segelaufrüstungen weisen konstruktive Unzulänglichkeiten auf und zeichnen sich außerdem durch eine komplizierte Herstellung und Steuerung ebenso wie durch geringes Leistungsvermögen aus.

Ferner ist eine im Luftfahrtbereich verwendete Konstruktion eines mehrgliedrigen Flügels bekannt (Vasin J. S., Aerodynamics of the JL-76 T aircraft, M., Transport, 1983.) Diese Konstruktion weist mehrere asymmetrische Flügelelemente unterschiedlicher Profile auf, die um die Längsachse des Flügels drehbar montiert und mit einem Stellantrieb und einer Steuerungseinrichtung verbunden sind. Diese Anornung bietet zwar eine hohe Wirksamkeit (C _{y, max} = 2 bis 3), bedingt andererseits aber komplexe Steuerungseigenschaften und eine komplizierte Fertigung. Ein zusätzlicher Nachteil dieses mehrgliedrigen Flügels liegt in dem engen brauchbaren Bereich von Anstellwinkeln mit maximalem Auftrieb des Flügels. Darüber hinaus ergeben sich bei der Verwendung eines Flügels als ein Segel eine geringere Betriebssicherheit und demzufolge mangelnde Sicherheit bei hoher See.

Die Erfindung bezweckt, die mit den oben beschriebenen bekannten Technologien verbundenen Nachteile zu überwinden und eine völlig neue Art eines mehrgliedrigen Flügels zur Verfügung zu stellen. Diese Ziele umfassen die Verbesserung der aerodynamischen Wirksamkeit, die Verringerung von Fertigungsschwierigkeiten und die Vereinfachung der Konstruktion von mehrgliedrigen Flügeln.

Die Erfindung beruht auf der Verwendung von Flügelelementen mit gleichem oder nahezu gleichem Profil für einen als Segelaufrüstung eines Schiffes zu verwendenden mehrgliedrigen Flügel durch Fixierung der Elemente hintereinander in einer vorgegebenen Bogenform derart, daß das Verhältnis der Mittellinie des so gebildeten Profils der Sogseite der Flügelkonstruktion zur Flügeltiefe 10 bis 45% beträgt.

Außerdem vergrößert sich der Krümmungsradius der Sogseite des mehrgliedrigen Flügels von dessen Vorderkante oder Flügelnase zu dessen Hinterkante hin. Jedes Einzelelement besitzt eine gerundete Vorderkante und eine spitz zulaufende Hinterkante, so daß die Sogseite der Vorderkante eines Elements zusammen mit der Druckseite der Hinterkante eines benachbarten Elementes einen Kanal ausbildet, z. B. einen sich linear verjüngenden Kanal, dessen kleinste Weite 0,5 bis 5% der Flügeltiefe des mehrgliedrigen Flügels beträgt. Der Abstand der Vorderkanten benachbarter Flügelelemente voneinander ist geringer als deren Flügeltiefe.

Die Flügelelemente sind zwischen Endplatten befestigt, deren Breite beginnend bei der größten Mittellinie (maximum-canber line) des Flügelendbereichs, konstant ist oder sich zur Vorderkante hin vergrößert.

Detaillierte ist der mehrgliedrige Flügel gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 charakterisiert.

Die Erfindung bringt hervorragende Vorteile mit sich.

Die Fertigung eines mehrgliedrigen Flügels aus Elementen von gleichem Profil ist einfacher als die Konfiguration eines vergleichbaren Flügels aus jeweils unterschiedlichen und durch ein Steuerungssystem angetriebenen Elementen.

Die oben beschriebene Flügelgeometrie, die Lage der Flügelelemente, die Wahl deren Profils mit aneinander angepaßten Flächen der Vorder- und Hinterkante benachbarter Flügelelemente unter Ausbildung eines mäßig sich verjüngenden Kanals mit einer Minimumweite von 0,5 bis 5% der Flügeltiefe sind Einflußgrößen, die eine ungestörte Luftströmung im Gebiete der zwischen den Elementen ausgebildeten Spalte des mehrgliedrigen Flügels ermöglichen. Bei der gegebenen, zueinander festen Montage der Flügelelemente kommt das System ohne das Erfordernis eines komplizierten Steuer- und Regelsystems zur individuellen Steuerung jedes Einzelelements aus. Falls das Schiff seinen Kurs oder der Wind seine Richtung ändert, genügt es, den gesamten Flügel als Einheit auf einen neuen optimalen Anstellwinkel auszurichten, was ganz wesentlich die Einstellung bzw. Kontrolle des Segels vereinfacht. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die Konstruktion und das Profil des Flügels gemäß der Erfindung einen konstanten Auftriebs- bzw. Vortriebskoeffizienten über einen ausreichend großen Variationsbereich des Anstellwinkels (35° < α < 55°) gewährleisten und so den mehrgliedrigen Flügel mit wirkungsvoller Brauchbarkeit als Segel verwenden lassen; die Brauchbarkeit als Segel ist besonders durch die Unempfindlichkeit des Flügels gegen regellose Änderungen der Windrichtung bedingt, die nicht zu einem scharfen Abfall des Auf- bzw. Vortriebskoeffizienten beim Segel führen.

Nachfolgend wird die Erfindung für ein Ausführungsbeispiel anhand von beispielhaften Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Querschnitt-Draufsicht auf einen mehrgliedrigen Flügel als Segel gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht auf einen Flügel bzw. ein Segel gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Querschnitt-Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines mehrgliedrigen Flügels bzw. Segels gemäß der Erfindung, dargestellt in einer Betriebsstellung mit ausgefahrenen Klappen;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Auftriebs- bzw. Vortriebskoeffizienten C _y vom Flügelprofil und von der Windrichtung; und

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Auftriebs- bzw. Vortriebskoeffizienten C _y von der Geometrie der Endplatten.

In den Fig. 1 und 2 ist ein mehrgliedriger Flügel gezeigt mit Flügelelementen 1, Endplatten 2, Flügelklappenelementen 3 und einem Sicherheitssystem 4 für die Flügelklappen. Die einzelnen Flügelelemente 1 haben eine gerundete Vorderkante 9 und eine spitz zulaufnde Hinterkante 10, so daß die Sogseite 11 der Vorderkante 9 eines Flügelelementes 1 zusammen mit der Druckseite 12 der Hinterkante 10 eines angrenzenden Flügelelementes 1 einen Kanal 13 ausbildet, beispielsweise einen sich linear verjüngenden Kanal, dessen kleinste Weite 0,5 bis 5% der Flügeltiefe beträgt. Die Flügelelemente 1 weisen vorteilhafterweise dasselbe Profil auf und bilden in festliegender Anordnung einen Flügel mit Bogenform. Die Flügelelemente 1 sind aufeinanderfolgend derart angeordnet, daß die Längsachsen der Profile in der normalen Betriebsposition wenigstens annähernd ein Bogenstück bilden. Der Abstand der Vorderkanten 9 benachbarter Flügelelemente 1 ist kleiner als deren Flügeltiefe.

Wie in Fig. 2 zu sehen, sind die Flügelelemente 1 zwischen Endplatten 2 montiert. Die Endplatten 2 verhindern eine Luftströmung von der Druck- zur Sogseite und erhöhen gleichzeitig den Auf- bzw. Vortriebswert. Mit der Verwendung dieser Art von Flügelelementen liegt ein ausreichend steifer und großflächiger Aufbau vor, bei dem besondere Maßnahmen zur Versteifung oder zur Verspannung nicht erforderlich sind.

Während in Fig. 1 eine linksgängige Flügelkonstruktion gezeigt ist, liegt bei Fig. 3 eine rechtsgängige Flügelkonstruktion vor. Die links- und die rechtsgängigen Flügelelemente können auch zu einer gereihten Anordnung der gegenläufig operierenden Elemente kombiniert werden, wobei dann eine Zwischenplatte zwischen den gegenläufig operierenden Elementen angeordnet wird.

Die Verwendung eines mehrgliedrigen Flügels als Segelaufrüstung setzt eine Einrichtung voraus, mittels derer sich der Auf- bzw. Vortriebskoeffizient des Flügels oder Segels augenblicklich reduzieren läßt. Eine für die Flügel- bzw. Segelkonstruktion gemäß der Erfindung dafür geeignete Maßnahme ist das in Fig. 3 gezeigte Klappensystem, angewendet auf wenigstens eines der Elemente 5 oder einen Teil davon. Bei diesem System ist das Flügelelement 5 mit dem benachbarten Bauteil und/oder mit einer Endplatte 2 verbunden. Die in der Fig. 3 gezeigte Betriebsstellung des Flügels bzw. Segels sei als Betriebsweise mit ausgefahrenen Klappen oder kurz als Klappenbetrieb bezeichnet, wobei die Klappenelemente 5 um Lagerwellen 6 gedreht und von einer Sicherheitskupplung 4 gehalten auf- oder nach außen geklappt sind. Wenigstens eines der Elemente 5 ist mittels seiner Lagerwellen 6 drehbar an einer Endplatte 2 montiert, wobei die Lagerwellen 6 am Ende und in der Nähe der Vorderkante 9 des Elementes angeordnet sind und sich das Druckzentrum jedes Elementes im Bereich zwischen der Lagerwelle 6 und der Hinterkante 10 befindet. Entsprechend ist eine Lagerwelle 6 auch am anderen Ende des Elementes vorgesehen zur Drehung des Elementes 5 um seine Lagerwellen 6 in Richtung seiner Längsachse. Die Sicherheitskupplung 4 hält das Element 5 im Normalbetrieb fest und läßt das Element los, wenn die Windgeschwindigkeit (Windkraft) einen vorbestimmten Wert (z. B. von 15 m/s) übersteigt, und zu einer ersichtlich gefährlichen Situation für die Schiffsstabilität führen würde; die höhere Windgeschwindigkeit läßt die Sicherheitskupplung sich spontan auslösen, so daß das Element 5 oder ein Teil davon in die Klappenposition ausschwenkt. Die Sicherheitskupplung 4 kann als Zylinder mit einem Sicherheitsentlastungsventil konstruiert sein. Der Zylinder der Sicherheitskupplung 4, z. B. ein hydraulischer oder pneumatischer Zylinder, läßt sich für eine kontinuierliche Überwachung bzw. Steuerung des Auf- bzw. Vortriebskoeffizienten des Flügels oder Segels einstellbar auslegen. Im Falle eines Flügels oder Segels aus fünf Elementen sollten vier der Elemente als Sicherheitsklappe fungieren können. Eine derartige Anlage ermöglicht bei ausreichend hoher struktureller Festigkeit zugleich - wie die experimentellen Befunde beweisen - im Notfall eine Herabsetzung der Flächenbelastung des Flügels oder Segels auf Werte von ¹/₂,0 bis ¹/₃,5 der andernfalls herrschenden Belastung.

In der graphischen Darstellung nach Fig. 4 ist das Flügelprofil über ein Verhältnis f definiert, das sich als Verhältnis der Mittellinie c des Flügelprofils zur Tiefe g des Flügels errechnet. An der Abszisse ist der Auftriebskoeffizient C _y aufgetragen und an der Ordinate die Windrichtung α. Gemäß dem Diagramm kann der Krümmungsradius des Flügels von dessen Vorderkante 8 zu dessen Hinterkante 14 größer werden. Das Verhältnis der Profilmittelline c der Sogseite zur Flügeltiefe g beträgt vorzugsweise 10 bis 45%.

In Fig. 5 sind an der Abszisse entsprechend der Auftriebskoeffizient C _y und an der Ordinate das Verhältnis der Fläche S der Endplatte 2 zur Basisfläche S _δ des Flügelprofils aufgetragen. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, ist die Erstreckung der Endplatte 2, beginnend beim Punkt der größten Mittellinie des Endbereichs, entweder konstant oder vergrößert sich in Richtung der Vorderkante.

Bläst Wind gegen den mehrgliedrigen Flügel, entsteht am Flügel (Segel) eine Auftriebs- bzw. Vortriebskraft senkrecht zur Strömungsrichtung.

Gemäß Fig. 5 sind Form und Größe der Endplatte 2 ferner entscheidende Einflußgrößen für die Leistung des Flügels (Segels). Die optimale Endplattenform ist rechteckig oder dem sehr ähnlich. In diesem Zusammenhang ist auch wichtig, festzustellen, daß die Endplatte über dem Gebiet der Sogseite der Vorderkante 8 des Flügels umfangreich ("thick") sein soll.

Wie experimentelle Untersuchungen ergaben, ist die Hochleistungsfähigkeit eines mehrgliedrigen Flügels bzw. Segels gemäß der Erfindung durch folgende Parameter ausgezeichnet:

C _{y, max} = 2,85; C _{t, max} = 3,4 (35° α 55°).

Die Einfachheit einerseits der Herstellung zufolge der Verwendung von übereinstimmenden Elementen und andererseits in der Benutzung zufolge der Verzichtbarkeit auf individuelle Steuerungseinrichtungen für die einzelnen Elemente verleihen der Segelaufrüstung gemäß der Erfindung ein breites Anwendungsgebiet.

Claims (10)

1. Mehrgliedriger, aus einer Mehrzahl von flügel- bzw. flügelklappenartigen Flügelelementen zusammengesetzter, Flügel insbesondere zur Verwendung als starres Schiffssegel, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelelemente (1) eine gerundete Vorderkante (9) und eine spitz zulaufende Hinterkante (10) aufweisen und derart hintereinandergereiht angeordnet sind, daß, jedenfalls in der normalen Betriebsstellung, die Längsachsen ihres Profils wenigstens annähernd ein Bogenstück bilden, das Verhältnis der Länge der Mittellinie (c) des Profils der Sogseite des Flügels zur Flügeltiefe (g) etwa 10 bis 45% beträgt und bei benachbarten Flügelelementen (1) zwischen der Sogseite (11) der Vorderkante (9) des einen Elements (1) und der Druckseite (12) der Hinterkante (10) des anderen Elements (1) ein Spalt (13) ausgebildet ist, z. B. ein sich linear verjüngender Spalt, dessen kleinste Weite 0,5 bis 5% der Flügeltiefe (g) beträgt.

2. Flügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Flügelende von einer mit den Enden der Flügelelemente (1) verbundenen Endplatte (2) begrenzt wird.

3. Flügel nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine, beginnend bei der größten Mittellinie des Endbereichs des Flügels, gleichbleibende oder zur Vorderkante (8) des Flügels hin zunehmende Ausdehnung der Endplatten (2).

4. Flügel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich wenigstens eines der Flügelelemente (1) oder ein Teil dessen als Flügelklappe (3) in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit bzw. Windkraft zur Reduzierung des Auf- bzw. Vortriebs des Flügels selbsttätig nach außen (5) stellen läßt.

5. Flügel nach den Ansprüchen 2 und 4 oder 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Flügelelement (3, 5) an seinen beiden Enden mittels einer Lagerwelle (6) oder dergleichen drehbar an den Endplatten (2) gehalten ist, wobei die Lagerwellen (6) außerhalb des Druckzentrums des Elements (3) und in der Nähe der Vorderkante (9) des Elements (3, 5) gelegen ist, und daß jedes Flügelelement (3, 5) an einer mit einem nächsten Flügelelement (1) und/oder mit wenigstens einer Endplatte (2) verbundenen Sicherheitseinrichtung (4) angeschlossen ist, die das Flügelelement (3) bei vorgegebener Flächenbelastung des Elements (3) bzw. des Flügels freigibt.

6. Flügel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitseinrichtung (4) als hydraulischer oder pneumatischer Zylinder mit einstellbarem Sicherheitsentlastungsventil ausgebildet ist.

7. Flügel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Flügelelemente (3, 5) dasselbe Profil besitzen.

8. Flügel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius (der bogenförmigen Sogseite) des Flügels von der Flügelvorderkante (8) zur Flügelhinterkante (14) hin größer wird.

9. Flügel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zwischen den Flügelelementen (1, 3) ausgebildete Spalt (13) gelinde verjüngt.

10. Flügel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Flügel in seiner Erstreckung von einem zum anderen Ende aus wenigstens zwei Abschnitten von gegenläufig operierenden (linksgängigen, rechtsgängigen) Flügelelementen (1, 3) mit einer zu den Endplatten (2) parallelen Zwischenplatte zwischen den benachbarten Abschnitten zusammensetzt.