DE69300675T2

DE69300675T2 - Kompaktes sich selbst-einstellendes flügelsegel.

Info

Publication number: DE69300675T2
Application number: DE69300675T
Authority: DE
Inventors: John Walker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-02-08
Filing date: 1993-01-28
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2013-01-29
Also published as: AU666511B2; WO1993015951A1; AU3365593A; GB9301669D0; JPH07503432A; DE69300675D1; GB2263892B; GB9202703D0; ES2080608T3; CA2128724A1; ZA93726B; EP0624136B1; GB2263892A; EP0624136A1; NZ246678A

Description

Diese Erfindung betrifft Flügelsegel und speziell selbsttrimmende Flügelsegel.
Ein Flügelsegel ist eine Anordnung, mit einem oder mehreren gewöhnlicherweise starren Tragflächenteilen, das in aufrechter Spannweite montiert ist, um ein Wasserfahrzeug anzutreiben. Die europäischen Patentschriften 61291, 96554 und 328254 sowie die GB-A-198649 beschreiben verschiedene Ausführungsbeispiele von Flügelsegeln einschließlich selbsttrimmender Flügelsegel eines allgemeinen Typs für die die vorliegende Erfindung besonders relevant ist. Bei einem solchen selbsttrimmenden Flügelsegel wird der Anstellwinkel eines Hauptvortriebsflügels oder -flügel um eine aufrechte Achse durch eine auf einem Ausleger aufgesetzte zusätzliche Hilfssteuertragfläche oder -flügel, Schwanzflügel genannt, gesteuert, der auf einem sich leeseitig von dem Vortriebsflügel erstreckenden Ausleger gelagert ist. Bisher wurden mit Konstruktionen, in denen Hilfssteuertragflächen luvseitig eingebaut sind, keine Erfolge erzielt.
Bei den selbsttrimmenden Anordnungen des Stands der Technik, die einen Schwanzflügel aufweisen, weist die Flügelsegelanordnung einen beträchtlichen Gesamt-Trimmkreis auf, der für ein Wasserfahrzeug mit großer Schiffsbreite, beispielsweise mehrrümpfige Segelschiffe oder für Schiffe akzeptabel ist, wo Flügelsegel als Hilfsantrieb verwendet werden, wenn der Trimmkreis innerhalb der Grundrißfläche des Wasserfahrzeugs bleiben wird, aber bei einem schlankeren Einrumpfschiff könnte der Trimmkreis über die Dollborde hinausragen, was nicht sehr praktisch ist. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist deshalb auf die Schaffung einer selbsttrimmenden Takelung mit einem raumsparenderen Trimmkreis vorgesehen.
Ein weiteres Problem, das bei selbsttrimmenden Flügelsegeln auftreten kann, besteht darin, daß die Verlagerung des Druckzentrums des Hauptvortriebsflügels, wenn sich der Anstellwinkel ändert oder wenn die relative Anstellung der Flügelelemente geändert wird, das effektive Drehmoment um die Hauptachse des Vortriebsflügels verändert. Wenn das Druckzentrum des Hauptvortriebflügels zu weit von der die Hauptachse entfernt liegt, ist das für den Hilfsflügel erforderliche Ausgleichs-Trimmoment größer, was seinerseits zu einem Bedarf nach einem größeren Hilfsflügel und dazugehörigen leistungsfähigeren Steuermechanismen zum Anstellen oder zu einem längeren Ausleger und deshalb zu einem größeren Trimmkreis führt. Andere Gesichtspunkte der Erfindung sind die Steuerung der Position des Druckzentrums in Bezug auf die Achse des Hauptvortriebsflügels und auf Verfahren zur Minimierung des Leistungsbedarfs für eine Hilfsflügelbewegung.
Folglich sieht die Erfindung eine Flügelsegelanordnung vor mit mindestens einem Vortriebsflügel (1), der um eine aufrechte Achse (4) gelagert ist und durch einen luvseitig vom Vortriebsflügel gelagerten Hilfsflügel (7) getrimmt wird, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Vortriebsflügel um die aufrechte Achse frei drehbar ist, daß Mittel (11) zum Bewegen des Vortriebsflügels vorgesehen sind, um einen vorgegebenen Abstand zwischen dem momentanen Druckzentrum des Vortriebsflügels und seiner aufrechten Drehachse zu bewirken, und daß die Hilfstragfläche ihrerseits durch einen sekundären Steuerflügel (15) getrimmt wird, der leeseitig von dem Hilfsflügel innerhalb eines von dem Vortriebsflügel und dem Hilfsflügel definierten Drehkreis gelagert ist. Die Erfindung weist außerdem vorzugsweise einen Hilfsflügel luvseitig von dem Vortriebsflügel auf, der zum Trimmen des Vortriebsflügels um die Achse angeordnet ist, um die der Hilfsflügel luvseitig von seinem Druckzentrum frei geschwenkt wird, und der Anstellwinkel des Hilfsflügels wird durch die Position einer zweiten Steuertragfläche gesteuert, die leeseitig von dem Hilfsflügel angeordnet ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht eine Flügelsegelanordnung vor mit einem um eine aufrechte Achse frei drehbaren Vortriebsf lügel und einem zum Vortriebsflügel luvseitigen Hilfsflügel, der angeordnet ist, um den Vortriebsflügel um die Achse zu trimmen, in der der Hilfsflügel luvseitig von seinem Druckzentrum frei schwenkbar ist, und der Anstellwinkel des Hilfsflügels durch die Position einer zweiten Steuertragfläche gesteuert wird, die leeseitig von dem Hilfsflügel angeordnet ist.
Die Erfindung wird jetzt beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Wasserfahrzeug, das ein Flügelsegel mit einem Schwanzflügel trägt;
Fig. 2 schematisch einen Vortriebsflügel mit Flügelsegel, der einen Kippmechanismus aufweist und mit einem luvseitigen Steuerflügel und einem zweiten Steuerflügel;
Fig. 3 schematisch eine Draufsicht des Flügelsegels der Fig. 2;
Fig. 4 schematisch das Flügelsegel der Fig. 2, das angekippt ist;
Fig. 5 das Flügelsegel der Fig. 4 mit Tragflächen, die zum Vortrieb angestellt sind in einer Draufsicht; und
Fig. 6 schematisch einen zweiten alternativen Aufbau eines Steuerflügels. Mit Bezug zuerst auf die Fig. 1 ist ein selbsttrimmendes Flügelsegel auf einem Wasserfahrzeug dargestellt. Das Flügelsegel weist einen Vortriebsflügel 1 auf, der eine Einzelfläche oder Mehrfach-Fläche sein kann, wobei jede Fläche einfach sein kann oder ein Anström- und Abströmelement umfassen kann, die auf Anstellpositionen geschwenkt werden können, wie es zum Beispiel in den europäischen Patentschriften 61291, 96554 und 328254 beschrieben ist. Ein Schwanzflügel 2 ist auf einem Ausleger 3 gelagert, der von dem Vortriebsflügel ausgeht. Die gesamte Flügelsegelanordnung ist um die Hauptachse eines Lagers 4 frei drehbar. Zum Massenausgleich des Flügelsegels um die Hauptachse ist eine Ausgleichsmasse 5 vorgesehen. Im Betrieb erzeugt die Anstellung des Schwanzflügels auf einen bestimmten Winkel gegenüber dem Wind eine Drehkraft, die über die Länge des Auslegers 3 wirkt zum Drehen des Flügelsegels um die Hauptachse 4 auf einen getrimmten Anstellwinkel. Die dargestellte Anordnung weist einen Trimmkreis mit einem Radius auf, der durch die Linie 6 angegeben ist. Eine Konfiguration mit einem getrimmten Anstellwinkel kann als eine solche definiert werden, bei der das Moment des Hauptvortriebsflügels um die Achse 4 durch ein gleichgroßes und entgegengesetztes Moment ausgeglichen wird, das durch den Hilfsflügel, in diesem Fall einen Schwanzflügel, erzeugt wird.
Bei allen Flügelsegeln ist es vorzuziehen, die Voraussetzung für eine Null-Querkraft zu schaffen. Außerdem ist die Position des Druckzentrums des Vortriebsflügels nicht konstant. Wenn zum Beispiel bei einem Vortriebsflügel mit Anström- und Abströmelement die Elemente in derselben Ebene ausgerichtet sind, kann das Druckzentrum im Bereich von ungefähr 25 bis 26% in Richtung der Flügelsehne liegen, verlagert sich aber zu einem Ort etwa 34 bis 35% in Richtung der Flügelsehne, wenn ein Element gegenüber dem anderen ausgelenkt wird. Bei einem Schwanzflügel ist es normalerweise möglich, die Hauptschwenkachse in einer Position anzuordnen, die ausreichend nahe dem Druckzentrum sowohl bei einem gegenüber dem anderen angewinkelten Element als auch bei in derselben Ebene liegenden Elementen liegt. Es ist jedoch vorzuziehen, Mittel zum Ausgleich für die Verschiebung des Druckzentrums des Vortriebsflügels zu schaffen, und dies sieht die vorliegende Erfindung vor.
Es wird deshalb gemäß einer Lösung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, eine Bewegung des Vortriebsflügels relativ zur Hauptachse zu ermöglichen. Auf diese Art und Weise kann ein relativ konstanter Ort des Druckzentrums mit Bezug auf die Hauptachse erzielt werden, wodurch Änderungen des Moments minimiert werden und das zum Trimmen erforderliche Moment des Hilfsflügels reduziert wird.
Die Fig. 2 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein zusammengesetzter Vortriebsflügel 1 mit einem luvseitigen Hilfsflügel 7 versehen ist. Es wird aus der Draufsicht in der Fig. 3 ersichtlich, daß der Trimmkreis 6 jetzt auf einen Radius reduziert ist, der im wesentlichen gleich der Länge des Vortriebsflügels leeseitig von der Hauptachse ist: Es ist natürlich nicht notwendig, daß die luv- und leeseitigen Überstände der Anordnung von dem Hauptlager gleichweit sind, dies stellt aber eine in der Praxis günstige Anordnung dar.
Wie in der Fig. 2 gezeigt, enthält der Vortriebsflügel 1 ein im wesentlichen horizontales Drehgelenk an der Basis, wobei dieses Drehgelenk es dem Vortriebsflügel ermöglicht, luv- und leeseitig geschwenkt zu werden, wodurch das Druckzentrum des Vortriebsflügels gegenüber der Trägerachse bewegt wird. Luvseitig bedeutet in der Zeichnung in Gegenuhrzeigerrichtung. Die Schwenkbewegung kann durch ein lineares Stellglied, beispielsweise einen hydraulischen Zylinder und einen Kolben 11 gesteuert werden, die zwischen dem Vortriebssegel und dem Hauptlager eingebaut sind. An dem in der Fig. 2 dargestellten Ort erzeugt das Einfahren des Stellglieds ein luvseitiges Kippen: Es ist klar, daß es möglich sein würde, ein Stellglied leeseitig von der Hauptachse vorzusehen, das in entgegengesetztem Sinne arbeiten würde. Andere Einrichtungen, beispielsweise ein elektrisches Stellglied, können den hydraulischen Zylinder ersetzen.
Die Fig. 4 veranschaulicht die Konfiguration, die verwendet wird, wenn sich das Flügelsegel in einer Vortriebs-Betriebsart befindet. In dieser Vortriebsposition, speziell wenn der Flügel ein Abströmelement aufweist, bewegt sich das Druckzentrum leeseitig zu einem Ort 13 auf dem Vortriebsflügel. Ein Stellglied 11 wird eingefahren und der Vortriebsflügel luvseitig gekippt, wie es dargestellt ist, so daß die Spannweite des Vortriebsflügels gegenüber der Hauptachse 8 geneigt ist, wobei das Druckzentrum in enge Nähe zur Hauptachse gebracht wird.
In einer möglichen Modifizierung kann der Kippvorgang weiter fortgesetzt werden, um das Höherheben des Flügelsegels beispielsweise zum Durchfahren unter Brücken zu reduzieren oder um die Montage oder den Abbau zu erleichtern.
Anstelle einer Schwenkbewegung kann die luvseitige/leeseitige Bewegung des Vortriebsflügels durch eine Verschiebung bewirkt oder verstärkt werden, zum Beispiel durch Verwendung von Gleitführungen.
Die Möglichkeit, das Druckzentrum des Vortriebsflügels bei allen Vortriebskonfigurationen in enge Nähe zur Hauptachse zu bringen, bedeutet, daß die Größe des Trimmhilfsflügels und/oder die Länge des Auslegers im Vergleich zu den Anforderungen bei Abwesenheit dieser Möglichkeit, wo die Maximalwerte des Moments des Vortriebsflügels unzulässig groß sein könnten. Das ist sowohl für den Leistungsbedarf zum Drehen des Hilfsflügels als auch für die Kompaktheit der Konstruktion des Flügelsegels von Bedeutung, insbesondere für die Reduzierung des Trimmkreises sowohl in Schwanzflügel- als auch in luvseitigen Flügelkonstruktionen.
Man erkennt, daß der Momentenarm in der Konfiguration eines luvseitigen Steuersegeis im allgemeinen geringer ist als der Momentenarm eines Schwanzflügels. Um die reduzierte Länge des Momentenarms auszugleichen, kann die Größe des Hilfsflügels erhöht werden, obwohl sich daraus ein erhöhter Leistungsbedarf zum Rotieren des Flügels ergibt.
Durch Bereitstellung der Schwenk- oder Gleitanordnung ist der Leistungsbedarf in der Erfindung minimiert, so daß das Druckzentrum des Vortriebsflügels nahe der Hauptachse aufrechterhalten werden kann.
Es wird eine in den Fig. 3 und 4 gezeigte, den Hilfsflügel trimmende, sekundäre Steuertragfläche 15 verwendet, um es zu ermöglichen, daß der Hauptsteuerflügel von seinem Druckzentrum aus frei nach vorn geschwenkt wird. Die sekundäre Steuertragfläche ist als Schwanzflügel am Hilfsflügel 7 angebaut.
In der bevorzugten Anordnung hat das Hilfssegel 7 einen symmetrischen Tragflächenquerschnitt und wird auf einer Spannweitenachse 19 zwischen den Auslegern 14 frei geschwenkt. Ein Ausleger trägt vorzugsweise außerdem eine Ausgleichsmasse 16. Die sekundäre Steuertragfläche 15 hat auch einen symmetrischen Querschnitt und ist leeseitig von dem Hilfsf lügel 7 zum Beispiel mit Hilfe seines eigenen zweiten Auslegers 18, wie es in den Fig. 2 und 4 dargestellt ist oder durch Anbau an der Abströmkante des Flügels 7, wie es in der Fig. 6 dargestellt ist, aufgebaut. Eine Steuerverbindung (nicht gezeigt) ermöglicht es dem Rudergänger oder einem automatischen Steuersystem, die sekundäre Tragfläche 15 nach links oder rechts vom Wind anzustellen. Wenn es erwünscht ist, dem Flügelsegel eine Drehung in den Wind zu gestatten, wird die sekundäre Tragfläche 15, die in derselben Ebene wie der Hilfsflügel 7 liegt, angestellt, der sich dann ungehindert in den Wind dreht, wobei er mit einer Null-Querkraft um seine Spannweitenachse 19 schwenkt, die luvseitig von einem möglichen Druckzentrum des kombi-6 nierten Hilfsflügels und der sekundären Steuertragfläche angeordnet ist. Das Stellglied 11 ist so eingestellt, daß die Hauptachse luvseitig vom Druckzentrum des Vortriebsflügels verläuft und der Vortriebsflügel sich deshalb um das Hauptlager in den Wind dreht.
Die Fig. 4 und 5 stellen Konfigurationen von Tragflächen dar, die erforderlich sind, um einen Vortrieb rechts vom Wind zu erhalten. Die zweite Steuertragfläche 15 wird rechts vom Wind angestellt und hält den Hilfsflügel 7 in einem Anstellwinkel zum Luftstrom, so daß sein Vortrieb, der durch einen Pfeil 22 angegeben wird, ausreichend ist, um das Moment der Kraft des Vortriebsflügels 20 um die Hauptachse 8 auszugleichen. Um das Druckzentrum des Vortriebsflügels nahe der Achse 8 zu halten, wurde das Stellglied 11 eingezogen, um den Vortriebsflügel luvseitig zu kippen, wie es zuvor beschrieben ist. In dem Fall, daß der Vortriebsflügel ein oder mehrere Klappenquerruder 21 aufweist (was nicht notwendigerweise der Fall sein muß), werden diese links vom Wind angestellt, um einen Vortrieb rechts vom Wind zu erhalten. Die erforderliche Steuerkraft ist nur die Kraft, die zum Einstellen der sekundären Tragfläche 15 benötigt wird, und das erforderliche Moment des Hilfsflügels wird durch das Kippen (oder Übersetzung) des Vortriebsflügels minimiert. Wenn es erforderlich ist, zu einer Null-Querkraft ohne ein Zusammenfassen der Klappen 21 zurückzukehren, kann das durch Zurücksetzen des sekundären Tragflächenflügels 15 erreicht werden, um mit dem Hilfsflügel 7 in derselben Ebene zu liegen. Die Vortriebskraft 20 wird dazu neigen, das Flügelsegel in Richtung des Winkels einer Null-Querkraft zu drehen. Um die leeseitige Widerstandskraft zu minimieren, sollte das Stellglied 11 ausgezogen werden, damit der Vortriebsflügel in die aufrechte Position zurückkehrt, und die Klappenquerruder 21 sollten gegenüber dem Anströmelement des Vortriebsflügels wieder ausgerichtet werden.
Für einen Vortrieb links vom Wind wird der Vorgang spiegelbildlich wiederholt, wobei der Vortriebsf lügel wieder luvseitig gekippt wird aber diesmal die sekundäre Steuertragfläche 15 links vom Wind und die Klappenquerruder rechts vom Wind angestellt sind. In beiden Vortriebskonfigurationen bleibt das Flügelsegel um seine Hauptachse frei drehbar.
Wenn der Flügel gekippt wird, werden sich die Bedingungen des Massenausgleichs ändern. Um diese Änderung zu kompensieren, ist die Ausgleichsmasse 16 so gelagert, daß sie sich leeseitig bewegen kann, wenn sich der Vortriebsflügel luvseitig bewegt, und umgekehrt, wobei die Bewegung der Masse proportional zur Bewegung des Vortriebsflügels gesteuert wird. Eine diese Bewegung erlaubende schematische Anordnung ist in der Fig. 4 dargestellt, in der die Ausgleichsmasse 16 mit dem Hauptzapfenrahmen des Lagers verbunden ist. Im einzelnen verschiebt sich die Masse 16 in einer Schiene 30 und wird durch eine Feder 31 zum luvseitigen Ende des Auslegers 14 vorgespannt und ist mit der Basis des Vortriebsflügels durch ein Seil 32 verbunden, das über eine Seilscheibe 33 innerhalb des Vortriebsflügels verläuft und dann über eine zweite Seilscheibe auf einem Ausleger 34 festgemacht ist, der leeseitig von dem Hauptzapfenrahmen vorsteht. Das luvseitige Kippen des Vortriebsflügels führt dazu, daß die Masse gegen die Vorspannung der Feder 31 durch ein nicht dehnbares Seil 32 leeseitig gezogen wird, wobei die geometrische Anordnung es vorsieht, daß bei einer Drehung die Anderung des Moments der Masse 16 um die freie aufrechte Achse 8 gleichgroß und entgegengesetzt ist oder allgemein gleichgroß und entgegengesetzt zu der Momentenänderung des ganzen Flügelsegels ist, mit Ausnahme der Masse 16 um die Achse 8. Es können andere Mittel vorgesehen wer-6 den, vorausgesetzt, daß sie diese Anforderung erfüllen.
Es sind verschiedene Modifizierungen ins Auge gefaßt, in denen zum Beispiel der Vortriebsflügel eine Anzahl von Flächen aufweist oder in denen eine Anzahl von Hilfsflügeln und/oder sekundäre Steuertragflächen verwendet werden können. Außerdem können anstelle der koplanaren Hilfs- und Steuertragflächenanordnungen die Tragflächen versetzt sein, so daß die Tragflächen parallele, nicht koplanare Symmetrieachsen aufweisen. Beispielsweise braucht die Schwenkachse der sekundären Tragfläche 15 nicht in der Symmetrieebene des Hilfsflügels zu verlaufen.

Claims

1. Flügelsegelanordnung mit mindestens einem Vortriebsflügel (1), der um eine aufrechte Achse (4) gelagert ist und durch einen luvseitig vom Vortriebsflügel gelagerten Hilfsflügel (7) getrimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Vortriebsflügel um die aufrechte Achse frei drehbar ist, daß Mittel (11) zum Bewegen des Vortriebsflügels vorgesehen sind, um einen vorgegebenen Abstand zwischen dem momentanen Druckzentrum des Vortriebsflügels und seiner aufrechten Drehachse zu bewirken, und daß die Hilfstragfläche ihrerseits durch einen sekundären Steuerflügel (15) getrimmt wird, der leeseitig von dem Hilfsflügel innerhalb eines von dem Vortriebsflügel und dem Hilfsflügel definierten Drehkreis gelagert ist.

2. Flügelsegelanordnung nach Anspruch 1, bei der der Vortriebsflügel an seiner Basis um eine im wesentlichen horizontale Achse (10) schwenkbar ist, um eine Vorwärtsschwenkung der Anströmkante des Vortriebsflügels zu ermöglichen.

3. Flügelsegelanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Vortriebsflügel nach vorne bis in eine liegende Stellung schwenkbar ist.

4. Flügelsegelanordnung nach einem vorangehenden Anspruch, die ferner eine Ausgleichsmasse aufweist mit Mitteln zum Bewegen der Masse zur Leeseite, wenn der Vortriebsflügel zur Luvseite bewegt wird.

5. Flügelsegelanordnung nach Anspruch 1 oder 4, bei dem die sekundäre Tragfläche an einem Ausleger gelagert ist, der sich von dem Hilfsflügel zur Leeseite erstreckt.

6. Flügelsegelanordnung nach Anspruch 1 oder 4, bei der die sekundäre Tragfläche an der Abströmkante des Hilfsflügels gelagert ist.

7. Flügelsegelanordnung nach Anspruch 1 oder 6, bei dem die sekundäre Tragfläche an einem Ausleger gelagert ist, der sich von dem Hilfsflügel zur Leeseite erstreckt.

8. Flügelsegelanordnung nach Anspruch 1 oder 6, bei der die sekundäre Tragfläche an der Abströmkante des Hilfsflügels gelagert ist.

9. Wasserfahrzeug mit einer Flügelsegelanordnung nach einem vorangehenden Anspruch.