GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schiffsruder
in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Es wurde versucht, Schub durch die Nutzung der hinter dem
Schiffspropeller entstehenden Schraubenströmungen in
Verbindung mit dem Anbringen horizontaler Leitbleche an einem
abströmseitig hinter der Schraube angebrachten Ruderblatt
zu erhalten (siehe GB-A-2.156.297). Ebenfalls bekannt ist
das Verfahren, einen Wulst am Ruderblatt anzubringen. Ein
typisches Beispiel hierfür ist das sogenannte "Wulstruder",
dessen Hauptmerkmal darin besteht, daß ein großer Wulst am
Ruderblatt in einer Position montiert wird, bei der die
Wulstlängsachse mit der Achse der Antriebsschraube des
Schiffes übereinstimmt. Durch diesen Wulst wird die
Geschwindigkeit des auf die Schiffsschraube strömenden
Wassers verringert und auf diese Weise der
Vortriebswirkungsgrad verbessert.
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Diese Anordnung ist jedoch insofern problematisch, als
horizontale Leitbleche von ihrer Größe her begrenzt sind
und daher keine großen Schubwerte erzielt werden können.
Ein weiterer Nachteil des Wulstruders besteht darin, daß
der am Ruderblatt befestigte Wulst so groß ist, daß er den
Ruderwiderstand erhöht und auf diese Weise nicht
grundsätzlich zu einer Verbesserung des Vortriebswirkungsgrades
beiträgt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist das vorrangige Ziel der Erfindung, ein Schiffsruder
darzustellen, das diese Probleme überwindet und das den
Vortriebswirkungsgrad deutlich verbessern kann.
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Um diese Zielsetzung zu erreichen, wird ein
erfindungsgemäßes Schiffsruder in Übereinstimmung mit Anspruch 1
dargestellt.
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Bei der oben beschriebenen Anordnung bildet sich um die
beiden horizontalen Leitbleche, die im Querschnitt wie ein
Tragflächenprofil ausgeformt sind, eine Umströmung. Diese
bewirkt das Angreifen einer aus mehreren Komponenten
zusammengesetzten Kraft an den horizontalen Leitblechen. Diese
Kraft besteht aus dem Auftrieb, der in einer Richtung
senkrecht zur Strömung wirkt, und einem in die
Bewegungsrichtung fallenden Widerstand. Die zusammengesetzte Kraft
enthält ebenfalls eine Vortriebskomponente, die den
Ruderwiderstand und auch den Rumpfwiderstand verringert. Die
Vortriebskomponente richtet und glättet hufeisenförmige
Wirbel so weit, daß sie sich auflösen. Jedes horizontale
Leitblech ist so konfiguriert, daß sich sein Neigungswinkel
(Verwindungswinkel) zunehmend und entsprechend dem
Anströmwinkel der Schraubenströmung verändert, der ja mit
zunehmender Entfernung von der Längsachse der Schiffsschraube
entsprechend variiert. Auf diese Weise läßt sich mit Hilfe
der horizontalen Leitbleche ein effizienterer Vortrieb und
ein höherer Wirkungsgrad erhalten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Rückansicht eines Schiffsruders
und stellt eine erste Ausgestaltung der
Erfindung dar;
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Fig. 2 ist eine Darstellung der Anströmwinkel der
Schraubenströmungen hinter dem
Schiffspropeller auf beiden Seiten des in Fig. 1
dargestellten Ruders;
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Fig. 3, 4 und 5 sind Seitenansichten sowie eine
Unteransicht des in Fig. 1 gezeigten Ruders;
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Fig. 6 bis 9 sind schematische Darstellungen zur
Erklärung der Funktion horizontaler Leitbleche
an dem in Fig. 1 dargestellten Ruder;
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Fig. 10 ist die zeichnerische Darstellung der
Ergebnisse von Leistungsversuchen mit dem
in Fig. 1 dargestellten Ruder;
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Fig. 11 und 12 sind Ansichten eines Schiffsruders, das
eine zweite Ausgestaltung der Erfindung
darstellt;
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Fig. 13 bis 16 sind Ansichten eines Schiffsruders, das
eine dritte Ausgestaltung der Erfindung
darstellt;
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Fig. 17 bis 19 sind Ansichten eines Schiffsruders, das
eine vierte Ausgestaltung der Erfindung
darstellt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNGEN
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Zunächst wird eine erste Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Schiffsruders unter Verweis auf die FIGUREN 1 bis 10
beschrieben.
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Wie in Fig. 1 sowie 3 bis 5 gezeigt wird, wird am
Schiffsheck an einem senkrecht verlaufenden Ruderschaft (2) ein
Ruder (3) so positioniert, daß es sich hinter einem für den
Antrieb des Schiffes vorgesehenen Schiffspropeller (1)
befindet. Ein spindelförmiger Wulst (4), der bei Draufsicht
aufs Heck einen kreisförmigen Querschnitt hat, wird an den
Teil des Ruderblattes (3) montiert, der eine Verlängerung
der Achse A der Schiffsschraube darstellt, wobei das
vordere Ende des Wulstes (4) über die Ruderblattkante
hinausragt und in Richtung Schiffsschraube (1) zeigt. Der Wulst
(4) für sich allein genommen bewirkt eine Senkung der
Anströmgeschwindigkeit des Wassers auf die Schraube (1)
sowie eine Richtung der Turbulenzen einiger freier Wirbel
an der Abströmseite der Schiffsschraube (1) bzw. besonders
der hufeisenförmigen oder sogenannten Nabenwirbel, die im
Wurzelbereich von Propellerblättern auftreten.
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Eine weitere Verstärkung dieses Effekts im Sinne der
vorliegenden Erfindung läßt sich durch die Montage von
horizontalen Leitblechen (5R, 5L) am Ruderblatt (3)
bewerkstelligen. Die horizontalen Leitbleche (5R, 5L) zeichnen sich
z.B. durch ein asymmetrisches Tragflächenprofil aus und
werden an jeweils einer Seite des Wulstes (4) befestigt.
Wenn sich die Schiffsschraube (1) nach rechts (im
Uhrzeigersinn) dreht, ist das rechte horizontale Leitblech (5R)
so geformt, daß an der dem Wulst zugewandten Seite die
Tragfläche nach unten gewölbt ist. während sich diese
Wölbung auf der dem Wulst abgewandten Seite auf der Oberseite
der Tragfläche befindet. Das linke horizontale Leitblech
(5L) ist so geformt, daß die komplette Tragfläche nach oben
gewölbt ist. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, sind die
horizontalen Leitbleche (5R, 5L) so ausgelegt, daß sie bei
Ansicht von unten eine rechteckige Fläche zeigen.
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Die von der Vortriebskraft des im Uhrzeigersinn drehenden
Schiffspropellers erzeugten Schraubenströmungen VR, VL,
links und rechts des Ruderblattes (3) ändern sich
fortschreitend mit zunehmender horizontaler seitlicher
Entfernung von der Schiffsschraubenachse A. Die rechte
Schraubenströmung VR hat, wie in Fig. 2 gezeigt, im Bereich der dem
Wulst zugewandten Seite des horizontalen Leitblechs (5R)
einen Anströmwinkel θR1 von rund 17º von der Vorderseite
oben zur Rückseite unten. Der Wert dieses Anströmwinkels
θR1 wird in Richtung zu der dem Wulst abgewandten Seite des
Leitblechs zunehmend kleiner, und umgekehrt hat die
Schraubenströmung VR an der dem Wulst abgewandten Seite einen
Anströmwinkel von θR2 von rund 15º von der Vorderseite
unten zur Rückseite oben. Die linke Schraubenströmung VL.
hat im Bereich der dem Wulst zugewandten Seite des
horizontalen Leitblechs (5L) einen Anströmwinkel θL1 von rund 8º
von der Vorderseite unten zur Rückseite oben. Der Wert
dieses Anströmwinkels θL1 wird in Richtung zu der dem Wulst
abgewandten Seite des Leitblechs zunehmend größer, und die
Schraubenströmung VL hat an der dem Wulst abgewandten Seite
einen Anströmwinkel θL2 von rund 17º. In Fig. 2
bezeichnet R den Radius der Schiffsschraube und r die
Position die seitliche Verschiebung in Relation zur
Schraubenachse.
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Die horizontalen Leitbleche (5R, 5L) sind in sich so
verwunden, daß sie unabhängig von der jeweiligen Änderung der
Anströmwinkel der Schraubenströmungen VR, VL einen Vortrieb
bewirken. Zu diesem Zweck variieren die Neigungswinkel
(Verwindungswinkel) ßR, ßL der Leitbleche (5R, 5L) in
Relation zur Schraubenachse A jeweils innerhalb des Bereichs
ßR1 - ßR2 bzw. ßL1 - ßL2. Die Neigungswinkel ßR, ßL (Grad)
umfassen jeweils den folgenden Bereich:
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θR ≥ ßR ≥ -88,1 (r / R)² + 64,2 x (r / R) + 0,4
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θL ≥ ßL ≥ - 2,5 x (r / R)² + 16,2 x (r / R) - 1,1
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Es ist anzumerken, daß der Neigungswinkel ßR des
horizontalen Leitblechs (5R) bei Drehung der Schiffsschraube im
Uhrzeigersinn auf der rückseitig nach unten geneigten Seite
positiv ist und der Neigungswinkel ßL des horizontalen
Leiblechs (5L) auf der rückseitig nach oben geneigten
Seite positiv ist.
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Die oben beschriebene Anordnung hat zur Folge, daß bei
Anströmung der horizontalen Leitbleche (5R, 5L) durch die
Schraubenströmungen VR, VL mit den jeweiligen
Anströmwinkein θR1, θR2, θL1, θL2 durch diese Schraubenströmungen VR, VL
bedingt die Umströmungen FR, FL entstehen, wie in Fig. 6
bis 9 dargestellt. Als Folge davon entstehen die
Auftriebskräfte LR, LL senkrecht zu den Schraubenströmungen VR, VL
bei gleichzeitiger Entstehung der Widerstände DR, DL
parallel zu den Schraubenströmungen VR, VL. Daneben entstehen
aber auch die Vortriebskräfte TR, TL als Komponenten der
zusammengesetzten Kräfte NR, NL, bestehend aus Auftrieb LR,
LL und Widerstand DR, DL. Sie bewirken eine Verringerung des
Ruderwiderstandes.
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Die horizontalen Leitbleche (5R, 5L) können ein
symmetrisches Tragflächenprofil aufweisen. In diesem Fall werden
die horizontalen Leitbleche (5R, 5L) bei der Montage so
positioniert, daß der Neigungswinkel so verändert wird, daß
der Anströmwinkel der Schraubenströmung VR, VL positiv ist.
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Der Wulst (4) sorgt für die Ablenkung der Schraubenströmung
VR, VL nach außen vom Wulst weg und verringert so die
Geschwindigkeit des die Schiffsschraube (1) anströmenden
Wassers. Der Wulst dient ebenfalls zur Verringerung der
Turbulenzen in den Schraubströmungen VR, VL und
insbesondere der hufeisenförmigen Wirbel oder der sogenannten
Nabenwirbel, die an den dem Wulst zugewandten Enden der
Blätter der Schiffsschraube (1) entstehen.
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Wie oben bereits beschrieben, entstehen durch die
horizontalen Leitbleche (5R, 5L) mit ihren Tragflügelprofilen die
Vortriebskräfte TR, TL. Die Leitbleche sind ebenfalls in
sich verwunden und haben die Neigungswinkel ßR, ßL, die
zwischen den dem Wulst zugewandten und dem Wulst abgewandten
Seiten jeweils von Punkt zu Punkt andere Werte annehmen.
Der Vortrieb TR, TL steht deshalb an fast allen Stellen des
Leitblechs in effizienter Weise zur Verfügung. Mit Hilfe
dieser Vortriebskräfte TR, TL können deshalb auch der
Ruderwiderstand sowie der Rumpfwiderstand verringert und die
gerichteten und geglätteten Wirbel beseitigt werden. Auf
diese Weise wird eine Verbesserung und eine Glättung des
Nachstroms erhalten, und der verringerte Ruderwiderstand
führt zu einem verringerten Rumpfwiderstand mit dem
Ergebnis, daß der Vortriebswirkungsgrad verbessert und die durch
die Schiffsschraube (1) erzeugten Rumpfvibrationen
reduziert werden.
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Mit dieser oben beschriebenen Ruderausführung mit dem Wulst
(4) und den in sich verwundenen horizontalen Leitblechen
(5R, 5L) wurden Versuche ausgeführt und mit den Ergebnissen
verglichen, die mit einem Ruder nach dem bisherigen Stand
der Technik ausgeführt wurden, wobei dieses Ruder mit einem
Wulst und flach ausgelegten horizontalen Leitblechen
ausgestattet war. Die Ergebnisse werden in Fig. 10 gezeigt.
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Hierin sind:
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t : Vortriebsverringerungskoeffizient
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w : Nachstromkoeffizient
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ηR : Schraubenwirkungsgradverhältnis
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ηO : Schraubenwirkungsgrad
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η : Gesamtwirkungsgrad
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Es zeigt sich, daß das erfindungsgemäße Ruder mit Wulst (4)
und in sich verwundenen horizontalen Leitblechen (5R, 5L)
im Vergleich mit dem herkömmlichen Ruder und flach
ausgelegten horizontalen Leitblechen die folgenden
Verbesserungen aufweist:
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1 - t : 1,5 % größer
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1 - w und ηO : keine Anderung
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ηR : etwas größer
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Es ergibt sich also eine Verbesserung des
Vortriebswirkungsgrades (Gesamtwirkungsgrad η) des Schiffes in
folgender Größenordnung:
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η = (1 - t) / (1 - w) x ηR x ηO = 2 %
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Fig. 11 und 12 zeigen eine zweite Ausgestaltung der
Erfindung. Bei der oben beschriebenen ersten Ausgestaltung ist
die Herstellung des rechten horizontalen Leitblechs (5R)
mit einem erheblichen Fertigungsaufwand verbunden, da die
Lage der Tragflächenwölbung an einer Übergangsstelle von
der Unterseite zur Oberseite wechselt. Die hat u.U. erhöhte
Herstellungskosten zur Folge. Um dieses Problem zu lösen,
wird in dieser zweiten Ausgestaltung das rechte Leitblech
(5R') (und zwar nur dieses Blech) kürzer konstruiert und in
dem Teil der Schraubenströmung VR positioniert, der entlang
einer geneigten Linie von der Vorderseite oben zur
Rückseite unten fließt. Die Wölbung des horizontalen Leitblechs
(5R') befindet sich bei dieser Ausgestaltung ausschließlich
auf der Unterseite. Mit einem derart kürzer ausgelegten
horzontalen rechten Leitblech (5R') lassen sich im
wesentlichen die gleichen Ergebnisse wie mit der ersten
Ausgestaltung erzielen. Diese wurde in Versuchen mit dem
Leitblech (5R') nachgewiesen.
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Die Fig. 13 bis 16 zeigen eine dritte Ausgestaltung der
Erfindung. Hierbei werden zur Strömungsrichtung die
vertikalen Leitbleche (6R, 6L) an die entsprechenden vom Wulst
abgewandten Enden der horizontalen Leitbleche (5R, 5L) der
ersten Ausgestaltung befestigt. Die vertikalen Leitbleche
(6R, 6L) haben ein asymmetrischen Tragflügelprofil, wobei
die entsprechenden Wölbungen nach außen zeigen.
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Bei einer solchen Anordnung strömen die Schraubenströmungen
VRS, VLS im Anströmwinkel θRs, θLS in Richtung Ruder, d.h. sie
fächern sich nach hinten auf beiden Seiten der
Schiffsschraubenachse A auf. Auf der rechten Seite entsteht dann
eine Umströmung RS, die von unten gesehen entgegengesetzt
dem Uhrzeigersinn verläuft. Auf der linken Seite entsteht
entsprechend eine Umströmung LS im Uhrzeigersinn.
Entsprechend entstehen die Auftriebskräfte LRS, LLS sowie die
Vortriebskräfte TRS, TLS als Komponenten der zusammengesetzten
Kräfte NRS, NLS, die aus der Kombination der Auftriebskräfte
LRS, LLS und der Widerstände DRS, DLS entstehen und im
Ergebnis eine Verringerung des Ruderwiderstandes bewirken.
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Wenn vertikale Leitbleche (6R, 6L) mit einem symmetrischen
Tragflächenprofil verwendet und diese parallel zum
Ruderblatt (3) montiert werden, bilden diese für die
Schraubenströmungen VRS, VLS Neigungswinkel, und es entstehen
Vortriebskräfte. Wenn man diese vertikalen Leitbleche (6R, 6L)
jedoch geneigt anbringt derart, daß sie in Richtung Heck
zum Ruder (3) hin zulaufen und größere Neigungswinkel
bilden, können größere Vortriebskräfte erzeugt werden.
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Mit Hilfe der vertikalen Leitbleche (6R, 6L) lassen sich
die freien Wirbel, die an den dem Wulst abgewandten Enden
der horizontalen Leitbleche (5R, 5L) entstehen und sich
ablösen können, weiter reduzieren. Auf diese Weise lassen
sich der induzierte Widerstand verringern und die
Schraubenströmungen glätten, so daß der gesamte Ruderwiderstand
reduziert wird.
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Fig. 17 bis 19 zeigen eine vierte Ausgestaltung, die auf
den Wulst (4) der ersten Ausgestaltung verzichtet.
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Obwohl der durch den Wulst (4) hervorgerufene Effekt hier
nicht zur Verfügung steht, sind die horizontalen Leitbleche
(5R, 5L) in sich verwunden und auf diese Weise wie in den
vorher beschriebenen Ausgestaltungen auf die
Schraubenströmungen VR, VL ausgelegt, wobei die Neigungswinkel ßR, ßL für
die Schraubenströmungen VR, VL entsprechend den
Anströmwinkeln θR, θL gebildet werden und für einen effizienten
Vortrieb und die Reduzierung des Ruderwiderstandes sorgen.