DE8223561U1 - Fluegelsegel - Google Patents
FluegelsegelInfo
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Description
- 1 Köln, den 5. Januar 1984 vA.
Aktenzeichen: G 82 23 561.9
Anmelderin: Walker Wingsail Systems !limited
Mein Zeichen: W 159/2
Die Erfindung betrifft ein Flügelsegel mit mindestens einem Segelelement
mit einem Gebiet hauptsächlicher Festigkeit vnd mit einem Lager an der Unterseite des Segels zu dessen Befestigung
an üwrem Fahrzeug, wobei das Lager auch eine Schwenkachse für :
das Segel festlegt.
Es ist bekannt, ein Fahrzeug, in einem typischen Fall ein Schiff,
jmit einem sogenannten Flügelsegel auszübstatten, wobei das Segel
die Form eines mehr oder weniger steifen Tragflächenabschnittes wie bei einer Flugzeugtragfläche aufweist. Bei einer solchen An- !
Ordnung wird das Segel auf dem Schiff im allgemeinen an einer annähernd vertikalen Schwenkachse befestigt. Diese Schwenkachse ;
enthillt normalerweise ein einziges unteres Lager, um welches das
Flügelsegel zum Einstellen des Segel-Trimmwinkels gegenüber dem ! Wind gedreht wird. j
Sowohl bei servomechanisch gedrehten als auch bei heckseitig j
getrimmten Flügelsegeln ist es erwünscht, die erforderliche !Trimmarbeit auf ein Minimum herabzusetzen. Aus diesem Grunde
iwird die Achse des Trimmlagers im allgemeinen so gelegt, daß
sie durch die schmale Zone durchtritt, in der sich der Druckmittelpunkt
des Segels im normalen Arbeitsbereich befindet. Bei sehr stark gewölbten Abschnitten und solchen mit hohem Vortrieb
!befindet sich diese Zone annähernd 35 % hinter der vorlaufenden Kante, während sie sich selbst bei symmetrischen Abschnitten
einige 25 % hinter der vorlaufenden Kante befindet. Bei Plügelsegeln
mit geradliniger Form befindet sich ihre Vertikallage annähernd aaf halber Höhe, während einfache geometrische Konstruk-
tionen im allgemeinen dazu verwendet werden, um die Zone bei Flügelsegeln mit sich verjüngender oder elliptischer Form vertikal
anzuordnen.
Der stärkste Teil des Flügelsegels, der sich am besten zur Anlage mit der vertikalen Lageranordnung eignet, ist im allgemeinen
eine vorlaufende Kante mit D-Box-Form. Diese mag vielleicht nur die vorderen 20 % der Gesamttiefe des Flügelsegels einnehmen.
Im Fall eines Flügelsegels mit zwei Elementen kann man im all- ;
gemeinen annehmen, daß das vorlaufende Element das Element mit der größeren Festigkeit ist.
Viele Flügelsegel-Vortriebsgruppen müssen sorgfältig um ihre
vertikalen Drehachsen oder nahe an ihren vertikalen Drehachsen ; ausbalanciert werden, um eine optimale Einstellung des Antriebs=!
winkeis zu erreichen. Die Erfindung befaßt sich zum Teil mit j diesem Ausbalancieren der Flügelsegel.
Bei komplexen Flügelsegeln, die aus zwei oder mehr aneinander angelenkten oder auf andere Weise miteinander verbundenen Elementen
bestehen, lassen sich drei besondere Formtypen erzielen. Diese sind:
symmetrisch und sämtlich in einer Linie, Wölbung für Segeln über den Backbordbug und
Wölbung für Segeln über den Steuerbordbug.
Eine solche Segelgruppe läßt sich mit einer Masse um eine vertikale
oder nahezu vertikale Achse ausbalancieren, die an einem Baum befestigt und bis zur vorlaufenden Kante des vorlaufenden
Segelgruppenabschnittes geschwenkt wird.
fi
159/2
Die tatsächliche Konstruktion eines Flügelsegels oder der verschiedenen
Elemente eines sich aus mehreren Elementen zusammen-
setzenden Plügelsegels ist wichtig, in dem Gewicht und Festigkeit von besonderer Bedeutung sind. Die Erfindung befaßt sich
damit auch mit der tatsächlichen Konstruktion eines Flügelsegels und derjenigen Elemente, aus denen sich ein aus vielen Elementen
bestehendes Flügelsegel zusammensetzt.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung ist bei einem Flügelsegel aus einem einzigen symmetrischen Element mit einem
Gebiet von besonderer Festigkeit (im typischen Fall an der vorlaufenden Kante) oder bei einem Flügelsegel aus zwei oder mehr
Elementen, wobei eines dieser Elemente ein Gebiet von besonderer Festigkeit aufweist, die Lagerachse so gelegt, daß sie durch
den Mittelpunkt der Druckzone durchtritt und die Form und/oder Konfiguration und/oder der Neigungswinkel des Flügelsegels wird
so gewählt, daß das Gebiet besonderer Festigkeit direkt über der! Lageranordnung liegt, mit der das Flügelsegel in dem Fahrzeug !
montiert ist,- so daß das Segel an seinem Punkt maximaler Festig-]
keit mit der Lageranordnung verbunden ist.
Die Beachtung dieses Gesichtspunktes der Erfindung gewährleistet eine starke und zuverlässige Befestigung für das Flügelsegel.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist bei einem mit Flügelsegeln angetriebenen Fahrzeug, bei dem eine
Balanciermasse auf einem mit der Flügelsegelanordnung verbundenen Baum befestigt ist, eine auf die beiden Seiten der Balanciermasse
einwirkende Einstelleinrichtung vorgesehen, um die letztere in eine annähernd horizontale Ebene zu bringen.
Die Einstelleinrichtung kann zwei Drahtwanten aufweisen, ein mechanisches Gestänge mit einer Schub-Druck-Stange oder hydraulische
Einrichtungen oder dergleichen, bei denen die endgültige Balancierlage mit einem festen oder manuell einstellbaren Verhältnissystem
oder mit einer Servoschleife, die ein Rechengelenk tnthalten mag, gewährleistet wird. Bei Einschluß eines
Rechners wird dieser mit die Segelbedingungen und das Fahrzeug betreffenden Informationen gefüttert und dieser kann dann die
optimale Gleichgewichtslage errechnen.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind in einem Flügel, insbesondere in einem Flügelsegel für den
Vortrieb eines Schiffes durch Wind, wobei das Flügelsegel in konventioneller Weise unter Verwendung von Holmen und Rippen
aufgebaut ist, wobei die letzteren den Tragflächenquerschnitt bestimmen und allgemein in der Richtung der Luftströmung liegen,
die Rippen aus einem geformten glasfaserverstärkten Kunststoff material hergestellt.
Vorzugsweise enthält jede Rippe mindestens einen seitlichen Flansch, der sich über einen Teil ihrer Länge unter einem Winkel,
der größer als 90° gegenüber dem übrigen Teil der Rippe ist, erstreckt, um damit das Lösen der Rippe aus einer Form zu
erleichtern, und der Winkel und der Teil der Rippe werden so gewällt, daß der Flanschwinkel dem Neigungswinkel der Kante des
Segels, mit dem eine Zusammenwirkung erfolgen soll, entspricht.
Vorzugsweise wird der Flanschwinkel auf 90° herabgesetzt, wo sie an einem Holm oder dergleichen befestigt werden soll.
Unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung nun an einem Beispiel beschrieben. Dabei ist:
Fig. 1 die Seitenansicht eines Flügelsegel aufweisenden Wasserfahrzeuges
,
Fig. 2 und 3 je eine Darstellung einer Flügelsegelkonstruktion gemäß dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4, 5 und 6 je eine Aufsicht auf eine aus zwei Elementen be-i
stehende Segelgruppe in drei verschiedenen Stellungen,
Fig. 7 und 8 je eine Darstellung einer Einstelleinrichtung gemäß dem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung
in ihrer Anwendung auf eine solche Segelgruppe,
159/2 ; Fig. 9 eine Darstellung dieses Gesichtspunktes^ der Erfindung in
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seiner Anwendung auf eine Segelgruppe, wobei der vorlaufende Segelgruppenabschnitt an den nachlaufenden Segelgruppenabschnitt
angelenkt ist,
Fig.10 eine perspektivische Darstellung eines offenen Schalenabschnittes,
dessen Seiten die Flansche einer Rippe für ein Flügelsegel bilden,
Fig*11 die Darstellung einer Einzelheit der Seite der Rippe gemäß
Fig. 10,
Fig.12 und Fig.13 die Darstellung von wie Parallelegramme geformten
Flügeln gemäß dem dritten Gesichtspunkt der Erfindung und
Fig. 14 ein Querschnitt entlang der Mittellinie eines nach vorne ;
geneigten Segelelementes gemäß diesem Gesichtspunkt der ■ Erfindung. i
Fig. 1 zeigt ein Segelboot A mit einem Flügelsegel B, das zwecks1
Drehung um eine Achse D in einer Lageranordnung C verschwenkbar gehalten ist.
In Fig. 2 werden zwei Flügelseg.elanordnungen übereinander dargestellt.
Beide weisen den gleichen Druckzonenmittelpunkt 2 auf ^ Eine Flügelsegelanordnung ist in strichpunktierten Linien als
ein einfaches Rechteck dargestellt. Die äußere Flügelsegelanord-^
nung ist in durchgezogenen Linien als Parallelogramm dargestellt. Die beiden Segelanordnungen haben die gleiche Höhe,
Fläche Uiid die gleiche Lage des Druckmittelpunktes.
Das starke vorlaufende Kantenglied 3, das schraffiert ist, ist durch korrekte Wahl des vorderen Kippwinkels so angeordnet, daß
sich sein unteres Ende exakt über der Lage der Lageranordnung 4 befindet, während die Achse 5 der Lageranordnung 4 immer noch
durch den Mittelpunkt 2 der Druckzone durchtritt. Das starke j vorlaufende Kantenglied weist einen Flansch oder eine andere
„Einrichtung zur Anlage mit der Welle oder einem anderen drehba-
* ■ ■ ·
ren Element der Lageranordnung auf.
Bei aus mehreren Elementen bestehenden Flügelsegeln kann es vorteilhaft sein, daß das zweite oder andere Element des Tragflächenquerschnittes
das starke Holmglied enthält. Fig. 3 zeigt ein Doppelelement einer solchen Flügelsegelkonstruktion. Hier
ist das vorlaufende Element 1 mit Gelenkanordnungen 3 an das nachlaufende Hauptfestigkeitselement 2 angelenkt. Der Mittelpunkt
der Druckzone dieser Konstruktion liegt bei 4. Zur Herabsetzung der Trimmarbeit auf ein Minimum ist die annähernd vertikale
Achse 5 des Lagers 6 so gelegt, daß sie durch diese Zone durchtritt.
In diesem Fall ist das Hauptfestigkeitsglied des Flügelsegels die vorlaufende Kante 7 des nachlaufenden Elementes 2 schraffiert
dargestellt. Gemäß der Darstellung ist es nun durch Kippen der gesamten Anordnung nach hinten so angeordnet, daß sein unteres
Ende in die für eine starke und zuverlässige Anlage an der Lageranordnung beste Relativlage fällt.
Man erzielt diese Konstruktion, indem man mit der geradlinigen Konstruktion beginnt, den Mittelpunkt der Druckzone auf die Lagerachse
aufsetzt und dann das Rechteck durch ein Parallelogramm1
mit gleicher Höhe und Fläche ersetzt, dessen Winkel die Basis des Hauptholmes zweckmäßig über das Lager bringt.
Während dieser Gesichtspunkt der Erfindung nun aus Gründen der Einfachheit unter Bezug auf parallele Flügelsegel mit konstanter
Tiefe beschrieben wurde, läßt er sich auch auf Flügelsegel mit sich verjüngendem oder bogenförmigem Umriß anwenden.
Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen eine Doppelabschnitt-Segelgruppe, wobei 11 der vorlaufende und 12 der nachlaufende Segelabschnitt
ist, der entlang einer Achse 13 an 11 angelenkt ist. Die gesamte
Segelgruppe ist an dem Schiff befestigt, in diesem Fall über das Element 11 an eine vertikale oder nahezu vertikale Achse. 14 Ϊ
um die das Segel in den Wind gestellt wird. j
159/2
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Im Fall der in einer Linie liegenden Segel wird die Segeigruppe um den Mast 14 mit einer auf einem Baum 16 angebrachten Masse
15 ausbalanciert, wobei der Baum 16 an einem Gelenk 17 an die
vorlaufende Kante des vorlaufenden Abschnittes 11 angelenkt ist.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Fall des Segeins über den Backbordbug
erkennt man, daß ein neues Gleichgewicht dadurch erreicht wird, daß man das Gewicht in Uhrze Lgerrichtung bis zum
Wiederherstellen des Gleichgewichtes bewegt.
Fig. 6 zeigt den Fall des Segeins über den anderen Bug. j
Gemäß dem zweiten Gesichtspunkt dieser Erfindung wird die AnordH
nung des Ausbalancierungsgewichtes in einer annähernd horizon- , talen Ebene mit zwei Drahtwanten erreicht. Dies ist in Fig. 7 i
i dargestellt.
Zu diesem Zweck wird eine stromlinienförmige Konstruktion mit :
zwei Flossen 18 und 19 fest an der Basis des vorlaufenden Abschnittes 11 der Segelgruppe befestigt. Zwei Umlenkscheiben 20 j
und 21, über die Wanten 23 und 24 laufen, werden von den Flossen gehalten. Die Wanten sind an Böcken 25 und 26 mit dem nachlaufenden
Abschnitt 12 und an Böcken 27 und 28 mit dem Gegengewichtsbaum verbunden. In den Wanten liegende Federelemente 29
und 30 halten die Spannung in diesen aufrecht. Eine strichpunktierte Linie 22 zeigt den nachlaufenden Abschnitt 12 in vollständig
ausgelenkter Lage.
Bei einer Verschiebung des nachlaufenden Abschnittes 12 gegen-
über 11 zum Entwickeln einer Wölbung, zum Beispiel in der Zeilchenebene
in Uhrzeigerrichtung, zieht der Want 23 zum Beibehalten des Gleichgewichts das Gegengewicht in die korrekte Lage.
In diesem Fall behält der Want 24 seine Spannung bei. Der umgekehrte Fall tritt bei Drehen in Gegenuhrzeigerrichtung auf.
Fig. 8 zeigt alternative Versionen der Böcke 25 und 26. Die bei 31 und 32 gezeigten alternativen Böcke sind geschlitzt und er-
159/2 LJLaiiben_einelJPeineiiistellung„des Balanciereffektes.
Bei einigen Flügelsegelkonstruktionen ist der nachlaufende Abschnitt
12 über die Achse 14 an dem Schiff befestigt und der vorlaufende Abschnitt 11 ist dann an den nachlaufenden Abschnitt
12 angelenkt. Fig. 9 zeigt einen solchen Fall. Hier trägt eine Endplattenkonstruktion 33, die im Prinzip der Konstruktion
18, 19 von Fig. 7 im allgemeinen ähnlich ist, das Gelenk
17 des Gegengewichtsbaumes.
Der Drehpunkt 13 zwischen 11 und 12 könnte auch auf 33 befestigt
sein, aus Gründen der Optimierung des Biegemomentes ist jedoch
eine Befestigung an getrennten Gelenkarmen 34 wahrscheinlicher, die durch Schlitze in 11 durchtreten. Die Wanten 35 und 36 werden
dann an einem Ende über die Böcke 27 und 28 mit dem Gegengewicht sbaum verbundsn und das andere Ende mit den einstellbaren
Böcken 31 und 32 auf dem vorlaufenden Abschnitt 11. Zum Beibehalten des Gleichgewichtes stellen die Wanten die Stellung des
Gegengewichtes ein.
Während Spannwanten. wie 23, 24 und 35, 36 gezeigt werden, läßt
sich die gleiche Wirkung einer allgemeinen Horizontalbewegung des Gegengewichtes auch mit folgenden Mitteln erreichen:
ein mechanisches Gestänge unter Verwendung einer Druck-Zug-Stange oder
eine hydraulische oder ε .aere Einrichtung, mit der das
korrekte endgültige Gleichgewicht entweder mit einem festen oder mit einem manuell einstellbaren Verhältnisbzw,
übersetzungssystem gewährleistet wird, oder mit
einer Servoschleife, die ein Rechnergelenk enthalten mag.
Fig. 10 zeigt eine einfache Ausführungsform einer Form gemäß dem
dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung in Gestalt eines offenen Schalenabschnittes, wobei die Seiten 39 und 40 der
Schale die Flansche der Rippe bilden. Zum Erleichtern des Herausnehmens aus einer einfachen einstückigen Form sollten solche
Formstücke vorzugsweise einen über Null liegenden Konizität_s-
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winkel aufweisen, wie er in Fig. 11 gezeigt wird. Ein solcher Winkel kann das Befestigen der Haut des Tragflächenprofiles an
der Rippe schwierig erreichbar machen. Falls der Flügel jedoch j Parallelogram^orm hat, wie dies in den Figuren 12 und 13 ge- j
zeigt wird, könnte der Konizitätswinkel verwendet werden. I
Fig. 14 ist ein Mittellinienschnitt durch ein nach vorne geneigtes
Segelelement, wie es in Fig. 12 gezeigt wird, wo ein vorlaufendes Kantenglied 41, ein Hauptholm 42 und eine nachlaufende
Kante 43 über eine Rippe 44 mit einer typisch vorlaufenden Kante und eine Rippe 45 mit einer typisch nachlaufenaan Kante
miteinander verbunden sind.
Man erkennt, daß wegen der nach vorne geschwungenen Konstruktion) die Rippe 44 mit der vorlaufenden Kante mit ihren Flanschen nach;
oben und die Rippe 45 mit der nachlaufenden Kante mit ihren Flanschen nach unten gerichtet ist. Der Konizitätswinkel der
Form wird dann gleich dem gewünschten Vorwärts-Neigungswinkel an der vorlaufenden Kante und der nachlaufenden Kante gemacht,
aber wird allmählich bis auf Null herabgesetzt, so daß der Flansch jeder Rippe in der unmittelbaren Nachbarschaft des
Hauptholmes 42 unter 90° zu dem Steg verläuft.
Indem der Konizitätwinkel auf diese Weise entlang jeder Rippe verändert wird, werden die Rippenflansche im allgemeinen mit
der Haut koplanar liegen und damit deren Befestigung erleichtern, während die Form und die Formtechniken einfach und zuver- ;
lässig gehalten werden können.
I Im Fall von nach hinten angestellten Flügelsegeln, wie in Fig. !
13, werden die Rippenelemente mit der vorlaufenden Kante mit ih-j
rem Flansch nach unten und die Rippen mit der nachlaufenden Kan-j
te mit ihrem Flansch nach oben ausgerichtet. j
Im Fall von aus vielen Elementen bestehenden Flügeln, wobei jedes Element seinen eigenen tragflächenförmigen Querschnitt und
einen Haaptholm aufweist, werden die Rippen gemäß der obigen Be Schreibung in jeden),.einzelnen. Element ausgerichtet7 als wenn es
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- 10 ein vollständiger Flügel wäre.
Claims (5)
1. Flügelsegel mit mindestens einem Segelelement mit einem Gebiet
hauptsächlicher Festigkeit und mit einem Lager an der Unterseite des Segels zu dessen Befestigung an !federn Fahrzeug
wobei das Lager auch eine Schwenkachse für das Segel festlegt dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse (5) des Segels
durch das Gebiet, in dem normalerweise das Zentrum (2) des Druckes des Segels liegt, und durch das Gebiet (3) hauptsächlicher
Festigkeit durchtritt, und daß das Gebiet hauptsächlicher Festigkeit zum Lager (4) verläuft.
2. Flügelsegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es Rippen (44, 45) aus geformtem, glasfaserverstärktem Kunststoff
material enthält.
3. Flügelsegel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rippe (44, 45) mindestens einen Seitenflansch enthält, der
über einem Teil seiner Länge einen Winkel von mehr als 90° gegenüber dem übrigen Teil der Rippe (44, 45) beschreibt, um
die Entfernung der Rippe (44, 45) aus einer Form zu erleichtern, und daß der Winkel und dieser Teil der Rippe (44, 45)
so gewählt sind, daß der Flanschwinkel dem Neigungswinkel der Kante des Segels, mit dem er zusammenwirkt, entspricht.
4. Flügelsegel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flanschwinkel dort auf 90° herabgesetzt wird, wo er an einem
Holm oder dergleichen zu befestigen ist.
I 1 I f I 1 t 1
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