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Strömungsadaptiver Flügel mit Gelenkgetriebe und variablem Tragflügelblatt in nichtsymmetrischer Ausführung

Transactions in Suffering Innovations

von Dipl.-Ing. Michael Dienst (Autor)

Wissenschaftlicher Aufsatz 2019 18 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Schiffstechnik, Schiffsbau, Ozeantechnik

Leseprobe

„Transactions in suffering Innovations“

Ideen verbrennen im Park

Der Wedding ist heute wunderschön

und ich fühl` mich seltsam stark

Was hält mich da noch im Labor?

Wir gehen zum Led Zeppelin,

der gefällt mir mehr als je zuvor,

bei ungefähr tausend Kelvin.

Komm, lass uns Patente verbrennen im Park.

Mi. Berlin 2019

Den Ausführungen sei ein Traktat vorangestellt. Die Textbeiträge zum Stand der Technik und den „Transactions in Suffering Innovations“ besitzen ein dynamisches Format und sind, beginnend im November 2016, in folgender Weise geordnet und Überschrieben:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Traktat

über die Beiträge zum Stand der Technik und zu den

„Transactions in Suffering Innovations“

Die „Transactions in Suffering Innovations“ bilden eine Sammlung von Schriften über Artefakte im Themenfeld Biologie & Technik, die in loser Reihenfolge erscheint. Es besteht durchaus die Absicht, den Stand der Technik zu verändern.

Gegenstand der Beiträge zu den Schriften der „Transactions in Suffering Innovations“ sind Artefakte, Problemlösungen, Gestaltungsfragen und die kritische Auseinandersetzung mit Themen der Bionik, also Technik nach Vorbildern aus der belebten und unbelebten Natur und ihre Umsetzung. In ausgesuchten Fällen sind Technische Beschreibungen nach Standards des Deutschen Patent und Markenrechts1 verfasst.

Mit den „Transactions in Suffering Innovations“ soll der Fortschritt auf dem Gebiet der angewandten Bionik dadurch gefördert werden, dass die dargestellten notleidenden Artefakte, Problem- und Gestaltungslösungen frei von Rechten Dritter sind und mit ausdrücklicher Genehmigung dem Leser zur Nutzung verfügbar werden.

In den „Transactions in Suffering Innovations“ werden ausschließlich Artefakte offeriert, die nicht unter das Arbeitnehmererfindungsgesetzes ArbErfG2 fallen oder in der Vergangenheit fielen.

Die in den „Transactions in Suffering Innovations“ dargestellten Artefakte sind insofern notleidend, da sie einerseits aus materieller Not nicht weiterverfolgt werden, ein Umstand der sich vielleicht wieder ändern mag. Andererseits sind die dargestellten Artefakte notleidend, weil sie möglichweise auftretender oder voranschreitenden geistigen Umnachtung zum Opfer zu fallen drohen; ein Umstand der sich wohl nicht mehr ändern wird.

Als Übergeordneter Absicht gilt es solche Forschung anzustoßen, die Lösungswege der Übertragung biologischer Phänomene untersucht und Fragestellungen betrifft, die im Zusammenhang stehen mit Natur und Technik.

Die Beiträge zum Stand der Technik und den „Transactions in Suffering Innovations“ sind in deutscher Sprache verfasst. Dem Text wird gegebenenfalls eine teilweise oder vollständige Übersetzung in englischer Sprache beigestellt. In einer Ausgabe der Schriftensammlung wird jeweils nur ein Werk platziert. Den Ausführungen wird gegebenenfalls ein Prolog vor und ein Epilog nachgestellt.

Mi. Dienst

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Technische Beschreibung

Strömungsadaptiver Flügel mit Gelenkgetriebe und variablem Tragflügelblatt in nichtsymmetrischer Ausführung

Die Erfindung betrifft einen Tragflügel, dessen Gestalt sich der beaufschlagenden Strömung selbstständig anformt. Die Konstruktion des Tragflügels ist variabel und es sind unterschiedliche Materialien einsetzbar. Die Belastungsadaption des Flügels wird über die besondere Gestaltung eines über drei Achsen beweglichen Gelenkgetriebes erreicht. Der Tragflügel besitzt eine strömungsmechanisch wirksame und bauartbedingt, eine achssymmetrische Profilkontur und entspricht einer Differentialkonstruktion. Durch die fluidmechanische Belastungsadaption der Tragflügelprofilkontur wird erreicht, dass der Tragflügel – und damit das gesamte Strömungssystem - bei nichtsymmetrischer Anströmung in eine fluidmechanisch symmetrische Anströmposition zurückfindet. Das rückdrehende Moment wird passiv durch Strömungskräfte herbeigeführt. Ursache hierfür ist die besondere Gestaltung eines des über drei Achsen beweglichen Gelenkgetriebes. Folge ist eine selbstständig und passiv herbeigeführte Richtungsstabilität in der Strömung. Für derart erforderliche technische Flächengetriebe gibt es Vorbilder in der belebten Natur. Durch seine besondere Gestalt kann der Tragflügel kontrolliert oszillieren. Eine Trimmmasse dient zum Kalibrieren der Oszillation. Artifizielle, kontrolliert passiv- adaptiv oszillierende Flügel sind nicht Stand der Technik.

Stand der Technik und der Wissenschaft. Profile

Ein Strömungsprofil bezeichnet die Querschnittgeometrie von Kraft- und Arbeitstragflügeln in Strömungsrichtung des umgebenden Fluids. Kontur bezeichnet dabei die umhüllende Gestalt eines Strömungskörpers. Dreidimensionale Körperkonturen können eben, konvex oder konkav sein. Elastisch flexible Profilkonturen sind Stand der Technik und der Wissenschaft. Flexible Profilkonturen sind Stand der Technik. Elastische Flügel vom Stand der Technik verhalten sich mechanisch orthodox; dies bedeutet, dass die strukturelle Bauteilverformung der Richtung der beaufschlagenden Kraft folgt.

Stand der Technik. Finnen und Leitflächen mit symmetrischen Profil

Zum Lateralplan eines Seefahrzeugs zählen alle fluidmechanisch wirksamen Finnen und Leit- und Steuertragflächen im Unterwasserbereich.

Bei Seefahrzeugen in Fahrt und beim Manövrieren ist neben der hohen mechanischen Belastung der strömungsmechanisch wirksamen Bauteile im Bereich des Unterwasserschiffes die optimale und an Strömungswiderständen arme Funktionsweise entscheidend für die Fahrleistung. Grundsätzlich sind bei leistungsoptimierten Seefahrzeugen vom Stand der Technik und all ihren Bauteilen Robustheit, Formhaltigkeit, Funktion und Lebensdauer bei geringem Gewicht von Bedeutung. In Fahrt bilden fluidmechanisch wirksame Leitflächen im Unterwasserbereich mit symmetrischem Profil nach Stand der Technik dann einen fluiddynamisch wirksamen Tragflügel aus immer dann, wenn eine nicht axiale Anströmung gegeben ist. Dies gilt insbesondere auch für singuläre Finnen, Leit- und Steuertragflächen mit symmetrischem Profil nach Stand der Technik.

Die aus dem hydrodynamischen Auftriebsgebaren der Finnen und Leit- und Steuertragflächen mit symmetrischem Profil resultierende Querkraft wird beim Manövrieren genutzt. Bei Geradeausfahrt stabilisiert der Tragflügel die Gesamtbewegung des kleinen Seefahrzeugs. Leit- und Steuertragflächen mit symmetrischem Profil nach Stand der Technik sind üblicherweise aus (symmetrisch profiliertem) Vollmaterial. Für das Flügelende der Leit- und Steuertragfläche, insbesondere den Randbogen sind unterschiedliche Formen bekannt. Finnen und Leit- und Steuertragflächen mit symmetrischem Profil in Fahrt und nach Stand der Technik lösen Manövrieraufgaben und schaffen Richtungsstabilität.

Stand der Wissenschaft, Biologie.

Flossen von Fischen und Meeressäugern dienen der Propulsion, dem Manövrieren und dem Stabilisieren der fluidischen Bewegung des Lebewesens in Fahrt. Biologische Flossen sind ihrer Art nach sowohl aktive Propulsions-, Leit- und Steuerflächen, können jedoch auch passive und strömungsadaptive Leistungen übernehmen. Die Flossen mancher Fischarten weisen eine komplexe Konstruktion mit Membranen und mehreren einbeschriebenen Stützstrukturen (Flossenstrahlen) auf.

Bei Wasserlebewesen besitzen die Flossen in der Regel eine in der Tragflächenwurzel angesiedelte, vielachsig bewegliche Knochengelenk-Kinematik. Durch Muskelaktivität werden Flossen zu Antriebsaggregaten. Die Fischflossenkinematik besitzt aber auch passive Aufgaben.

Eine Vielzahl von Gelenken rezenter Wirbeltierskelette, wie beispielsweise die Mittelhandknochen und die Ellenbogengelenke, bilden komplexe, mehrachsige, räumlich wirksame Getriebesysteme aus. Das Handgelenk rezenter Wasserlebewesen und dessen evolutionsbiologisch relevante Frühstadien die als Fossilen vorliegen, können als biologisches Vorbild für eine vielachsige (technische) Kinematik dienen. Das kinematische Wirkprinzip dieser biologischen Vielachsen- Scharnier- Kinematik ist jenes von mehreren dreidimensional-räumlich verbundenen, zwangsbewegten Klappen, deren (paarweise lokalen) Scharnier- Drehachsen einen gemeinsamen Schnittpunkt besitzen. Je nach Zuordnung der Freiheitsgrade der im Sinne einer kinematischen Kette ein (lokales) räumliches Getriebe bildenden Scharniere, stellen die zwangskinematischen dreidimen-sionalen Winkelbewegungen der Plattenebenen des kinematischen Systems ein Untersetzung- oder eine Übersetzung dar. Bei mechanischer Beaufschlagung bilden die beschriebenen Gelenkplattenkinematiken abhängig von der Anordnung der Gelenk- und Fixationsebenen Gewölbeformen aus. Diese biologischen belastungsadaptiven Zwangs-kinematiken stellen eine intelligente Mechanik dar. Ein besonders sinnfälliges Beispiel biologischer belastungsadaptiver Zwangskinematiken sind die „Hände“ der der Wale und Delfine. Hier bilden die Knochengefüge des Mittelhandknochens (Carpus) die gestaltgebende Matrix einer biologischen, strömungsadaptiven Leit- und Steuertragfläche aus. In Fahrt lösen die pectoralen Brustflossen der Meeressäuger Manövrieraufgaben und schaffen Richtungsstabilität. Oszillationen von Pectoralflossen werden beobachtet; ob diese Oszillationen passiver Natur sind, ist nicht bekannt.

Stand der Technik und der Wissenschaft. Manövrieren und Richtungsstabilität.

Starre symmetrisch profilierte Tragflügel erzeugen eine fluidmechanisch wirksame Querkraft immer dann, wenn die Richtung der beaufschlagenden Strömung nicht mit der Symmetrieachse des (symmetrischen) Tragflügelprofils zusammenfällt. Das gilt für technische Systeme und biologgische Wesen gleichermaßen, wenngleich in der belebten Natur das Symmetrische Profil eine Ausnahme darstellt. Wenn die Richtung der beaufschlagenden Strömung mit der Symmetrieachse des (symmetrischen) Tragflügelprofils zusammenfällt, spricht man von einem strömungsneutralen Fall, bei dem lediglich Widerstandskräfte in Achsrichtung des Tragflügels auftreten. Mit einem symmetrischen Profil ausgestattet und im strömungsneutralen Fall, ist die Schiffsbewegung in Fahrt äußerst richtungsstabil, ein im Normalbetrieb wünschenswerter Zustand. Nimmt der Tragflügel auch nur eine geringe Wölbung an, ist bei gleicher Anströmbedingung (unmittelbar) eine Querkraft des Tragflügelsystems experimentell messbar bzw. durch ein Simulationsmodell darstellbar. Die Wölbung der Tragfläche kann aus der Verformung der Tragflächenstruktur stammen. Die Verformung der Tragflächenstruktur kann aus einer Strömungsbelastung stammen. Die Strömungsbelastung kann aus einer Richtungsänderung des Fluids stammen. Die Verformung der Tragflächenstruktur ist orthodox, wenn sie (die Strukturverformung) der Richtung der Belastung folgt; sie heißt nichtorthodox, wenn die die Strukturverformung der Belastungsrichtung entgegengesetzt ist.

Beim Manövrieren ist die Ausentwicklung einer intensiven Querkraft der Tragfläche willkommen, in Fahrt ist die Richtungsstabilität des Seefahrzeugs von Bedeutung. Währens also beim Manövrieren eine nichtorthodoxe durch Strömungsbelastung herbeigeführte Wölbung des Tragflügelprofils erwünscht ist, kommt der Richtungsstabilität des Seefahrzeugs ein sich in den strömungsneutralen Fall bewegendes Belastungs-Ver-formungsverhalten des Tragflügels zu Gute.

Beide Charakteristiken sich unter Strömungslast verformender Tragflügelstrukturen sind im biologischen Komplexsystem belastungsadaptiver Zwangskinematiken, etwa bei den Händen der Wale und Delfine, zu beobachten. Eine Übertragung der sehr komplexen kinematischen Beziehungen der Knochenstrukturen biologischer Hände auf artifizielle Leit- und Steuertragflächen ist nicht Stand der Wissenschaft und nicht Stand der Technik.

Stand der Technik und der Wissenschaft. Bionik.

Die belebte Natur hat in den Jahrmillionen der biologischen Evolution äußerst effiziente und Ressourcen schonende Lösungen hervorgebracht. Aufgabe der Bionik ist es, Prinzipien der belebten Natur zu entschlüsseln, mit dem Ziel, diese auf künstliche Systeme, auf Artefakte, ja letztendlich auf Maschinen zu Übertragen. Die Bionik verbindet die Naturwissenschaften mit den Ingenieurwissenschaften [Die-14- 8] [Vos-15-1].

Für die näherungsweise zweidimensionale (ebene) Betrachtungsweise hinsichtlich der Gelenke rezenter Wirbeltierskelette ist es möglich, ein sehr einfaches ebenes kinematisches Gelenkplattenschema herzuleiten, mit dem die Übertragung von Prinzipien biologischer vielachsig-belastungsadaptiver Zwangskinematiken (intelligente Mechanik) auf technische Systeme, insbesondere Leit- und Steuerflächen für Seefahrzeuge gelingt [Die13-1].

Stand der Technik. Schwingende, profilvariable Tragflächen.

Die Verbesserung aerodynamischer Leistungen, die Erhöhung der operationellen Flexibilität und der Einsatz eines Tragflügels einem möglichst breiten Betriebsbereich stellen die wesentlichen Entwicklungsziele für zukünftige Flugzeuggenerationen dar. Vögel können ihre Flügel den unterschiedlichsten Flugkonditionen anpassen, indem sie Flügelfläche, Flügelgrundriß und Flügelprofil gleichzeitig ändern. Bei Reise- oder Frachtflugzeugen ist die Flächenbelastung (>1000 kg m-2) hoch. Variable Strukturen besitzen einen großen Gestaltungsbedarf und erfordern im Betrieb umfangreiche kognitive Lösungen sowie hohen Steuerungs- und Regelungsaufwand. Deshalb gibt es in der Praxis bisher wenig Ansätze, Flügel flexibel bzw. an die Flugkonditionen anpassbar oder sogar adaptiv zu gestalten. Für Start und Landung wird zwar eine Profil- und Flächenveränderung vorgenommen. Im regulären Flugbetrieb nicht. Allerdings sind flexible Tragflügelstrukturen Gegenstand der Forschung. Aussichtsreich gelten heute Konzepte variabler Wölbung (engl. Variable Camber - VC). Das Thema „Flapping Flight“ nimmt im wissenschaftlichen Bereich weiter an Raum zu. In der Biosystemanalyse und in der Technik. Dort (in der Technik) versucht man mit „physical Impact“ bewegte Tragflügelsysteme „zum Fliegen“ zu bringen. Ornithopter (altgr. „Vogelflügel) auch Schwingflügler genannt, sind Fluggeräte, die im Schwingenflug fliegen. Ornithopter erzeugen Auftrieb und Vortrieb durch Bewegung der Tragflächen. Durchaus erfolgreiche rezente Forschungsbemühungen zielen auf Bewegungssysteme, die Energie (welche die in erster Linie Flugsysteme mittransportieren) in die Strömung einkoppeln. Technisch gesehen handelt es sich also um Arbeitsmaschinen. Als biologisches Vorbild dient der Vogelflug beziehungsweise der Vogel.

Artifizielle Tragflügel, deren oszillierende Bewegung aus der Variabilität des Tragflügelprofils stammen sind nicht Stand der Technik.

Problembeschreibung

Bei Leit- und Steuerflächen von Seefahrzeugen und anderen fluidmechanisch wirksamen, Querkraft erzeugenden Tragflächen taucht das Problem der beidseitigen fluidischen Beaufschagbarkeit im Betrieb auf. Deshalb haben Leit- und Steuerflächen, von Seefahrzeugen im Allgemeinen symmetrische Profile.

Auf dem Gebiet der Leit- und Steuerflächen von Seefahrzeugen sind schwingungsfähige, wölbbare oder scharnierartig ausgeführte Konstruktionen und Bauweisen nicht Stand der Technik. Zur Richtungsstabilität in Fahrt und beim Manövrieren von Seefahrzeugen sind schwingende Tragflächen mit belastungsadaptiv-flexiblen, nichtsymmetrischen Profilen wünschenswert.

Problemlösung

Eine Leit- und Steuertragfläche wird als othodox-strömungsadaptives und profilvariables fluiddynamisch wirksames Tragflächensystem schwingungsfähig ausgeführt.

Teile des fluiddynamisch wirksamen Tragflächensystems sind dabei in einer Ebene längs der Strömungshauptrichtung beweglich gelagert als Klappenprofil angeordnet. Weitere Teile des Tragflächensystems sind als bewegliche, passiv vom Strömungsdruck beaufschlagbare, also strömungsadaptive Tragflächen ausgeführt derart, dass diese bei nichtaxialer Anströmung der Finnentragfläche automatisch nach Lee um wenige Winkelgrade ausgelenkt wird und durch eine Mehrachsen- Scharnier- Kinematik dem beweglichen Finnentragflügel zwangskinematisch eine fluidmechanisch günstige Form im Sinne einer Wölbverformung aufprägen. Die leewärtige Passivbewegung der strömungsadaptiven Tragflügel- beziehungsweise Finnentragfläche folgt der Hauptströmungsrichtung des Fluids. Die Mehrgelenkkinematik wird in zwei Ebenen als Gelenklager ausgeführt, die den Finnentragflügel ausbildenden Tragflächenteile hingegen werden in einer stofflichen Verbindung als Biegebauteil ausgeführt, welches ein, die Gesamtfläche in ihre Ruhelage zwingendes Rückstellmoment bereitstellt. Der Tragflügel führt eine periodische Oszillation aus. Die Konstruktion des Tragflügels ist variabel und es sind unterschiedliche Materialien einsetzbar. Mit einer gestaltungsvariablen Masse am Randbogen der Tragfläche kann das Schwingungsverhalten bestimmt werden.

Erreichbare Vorteile

Durch die nach Lee gerichtete Passivbewegung der Tragfläche wird erreicht, dass – während der Schwingung und vermittelt über die beschriebene zwangskinematischen Wölbverformung die Profilkontur der Finnen- und Tragflügelfläche eine strömungsgünstige, den Formwiderstand mindernde und den dynamischen Vortrieb steigernde Gestalt passiv, automatisch, d.h. geometrisch autoadaptiv und energetisch autonom annimmt. Die resultierende Widerstandsminderung im Bereich des Unterwasserschiffs beeinflusst die Energiebilanz des Gesamtsystems positiv. Die Fluidmechanische Wirksamkeit einer strömungsadaptiven und profilvariabel ausgeführten schwingenden Tragfläche ist höher als jener eines vollsymmetrischen Finnenprofils vom Stand der Technik.

Das die stofflichen Verbindung als Biegebauteil herstellende und das die Gesamtfläche in ihre Ruhelage zwingende Rückstellkraft bereitstellende Gestaltungsmerkmal der biege-elastischen Finne oder Tragfläche führt zu einer sehr kompakten und Kostengünstigen Konstruktion. Weil die Konstruktion des Tragflügels der Finne ist variabel ist und unterschiedliche Materialien einsetzbar sind ist die Größe, Form und Biegesteifigkeit der Finne skalierbar und die Gesamtkonstruktion für unterschiedliche Einsatzgebiete abstimmbar.

Fluidmechanisch wird durch die nach Lee gerichtete Passivbewegung erreicht, dass die Wölbung der Tragfläche auf eine Profilkontur führt, deren dynamisch erzeugte Querkraft den Tragflügel in eine Richtung hin zur „neutralen Anströmbedingung“ bewegt. Dies führt zu einer Stabilisierung des Fahrzeugs in Fahrtrichtung.

Aufbau, bauliche Ausführung und Wirkungsweise

Fluidmechanisch wirksame Leit- und Steuertragflächen für Seefahrzeuge sind in der Regel profiliert ausgeführt. Das vom Schiffskörper abgewandte Tragflächenende (Tragflächen-randbogen) ist typenbedingt geformt und kann mit unterschiedlichen Konturen ausgebildet sein. Für hydrodynamisch wirksame Tragflügel vom Stand der Technik sind unterschiedliche Profile und Profilkombinationen bekannt.

Die Beschreibung des Aufbaus, der baulichen Ausführung und der Wirkungsweise betrifft fluidmechanisch wirksame Leit- und Steuertragflächen für Seefahrzeuge, eines Tragflügels der eine periodische Oszillation ausführt und dessen Profilgestalt sich der beaufschlagenden Strömung selbstständig anformt. Die elastische Belastungsadaption wird über die besondere Gestaltung eines über drei Achsen beweglichen Gelenkgetriebes erreicht. Die Finne ist nichtsymmetrisch ausgeführt. Das Seefahrzeug, respektive Einbauflansche sind nicht Gegenstand der Erfindung. In Ruhe, also fluidmechanisch neutral, besitzt das Tragflügelteil eine strömungsmechanisch wirksame und durch die Bauart bedingt, eine achssymmetrische Profilkontur.

Liste der Merkmale und Erläuterung der Abbildungen

Konstruktionskomponenten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gelenke und Sparungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bereiche und Ebenen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die für Tragflügelwurzel-Bereich zur Anwendung kommende Bauweise ist beliebig und nicht relevant für die Erfindung nach Anspruch 1. In der Abbildung Figur 1 sei der Finnenwurzelbereich ROO dickenkompatibel. Bauweisen und Bauausführungen der Anmontage an Bootskörper sind nicht Gegenstand der Erfindung.

Aufbau und bauliche Ausführung.

Der Finnenflügel F besteht aus dem bugwärtigen Finnenflügelteil F1 und dem heckwärtigen Finnenflügelteil F2. Seine Geometrie kann skaliert und unterschiedlich ausgeführt werden. Durch Variation des Finnenbiegebereichs FBB können unterschiedlich rückstellende Biege-momente realisiert werden. Durch Variation der Masse und der Position der Trimmmasse MSS im Randbogenbereich des Finnenflügels F können unterschiedliche Schwingungs-charakteristiken realisiert werden.

Der Finnenflügel F, bestehend aus dem bugwärtigen Finnenflügelteil F1 und dem heckwärtigen Finnenflügelteil F2 sowie die Finnenwurzel ROO bilden zusammen eine konstruktive und funktionale Einheit, schematisch dargestellt in der skizzenhaften Zeichnung Figur 1. Die Fugengelenke FG1 und FG2 sind als Filmgelenke ausgeführt. Das Fugengelenk FG1 rotiert in der Ebene der Drehachse EBE1. Das Fugengelenk FG2 rotiert in der Ebene der Drehachse EBE2. Die Sparung FUG wirkt wie ein Gelenk und ermöglicht eine Rotation in der vertikalen Ebene der Drehachse EBE3. Die Drehachsen sind dargestellt in der skizzenhaften Zeichnung Figur 1.

Das Fugengelenk FG1 und Fugengelenk FG2 sowie die Sparung FUG 1 bilden gemeinsam ein über drei Achsen definiertes bewegliches Gelenkgetriebe um die Tragflügelteile F1 und F2 und die Tragflügelwurzel (Finnenwurzel) ROO aus.

Die Achsen des Getriebes sind die Gelenkebene EBE, EBE2 und die Gelenkebene EBE3 des vertikalen Biegegelenks im Bereich FBB.

Beim Finnentragflügel F bilden die vertikale Sparung FUG und der Finnenbiegebereich FBB ein biegeelastisches Strukturgelenk aus. Das Strukturgelenk stellt ein rückstellendes Moment her. Das rückstellende Moment und die zueinander angewinkelten Gelenkebenen EBE1 und EBE2 bewirken, dass der Finnenflügel F, bestehend aus F1 und F2 sowie die Finnenwurzel ROO in einem durch die Strömungskräfte unbeaufschlagten Zustand eine neutrale, ebene Ausrichtung annehmen und der Finnentragflügel keine Querkräfte (Auftrieb) erzeugt. Die baulichen Zusammenhänge sind unter Hinzuziehung der Liste der Merkmale aus der schematischen Skizzen in der Abbildungen Figur 1 zu ersehen.

Das bugwärtige Finnenflügelteil F1 und das heckwärtige Finnenflügelteil F2 bilden die Gesamttragfläche F und sind in klassischer Urformbauweise durch Gießen, generisch durch Drucken (Rapid Prototyping) oder spanend nach Stand der Technik fertigbar. Bevorzugte Materialien sind thermoplastische Kunststoffe oder gegebenenfalls Holz. Der Werkstoff muss für das (fertigungstechnische) Ausbilden von Filmgelenken geeignet sein; u. A. Polyamid (PA), oder Nylon kommen in Frage. Die bauliche Ausführung des Finnentragflügels F entspricht einer Differentialkonstruktion.

Wirkungsweise

Der Tragflügel F, gebildet aus dem bugwärtigen Finnenflügelteil F1 und dem heckwärtigen Finnenflügelteil F2, sind Teil der Lateralfläche des Seefahrzeugs. Erfindungsgemäß sind Teile des fluiddynamisch wirksamen Tragflächensystems in einer Ebene längs der Strömungshauptrichtung beweglich gelagert angeordnet. Weitere Teile des Tragflächensystems sind als bewegliche, passiv vom Strömungsdruck beaufschlagbare, also strömungsadaptive Tragflächen ausgeführt derart, dass diese bei nichtaxialer Anströmung der Flügeltragfläche automatisch nach Lee (auf die der Strömung abgewandte Seite) um wenige Winkelgrade ausgelenkt wird und durch eine Mehrachsen- Kinematik dem beweglichen Tragflügel zwangskinematisch eine fluidmechanisch günstige Form im Sinne einer Wölbverformung aufprägen. Die leewärtige Passivbewegung der strömungs- adaptiven Finnentragfläche folgt der Hauptströmungsrichtung des Fluids. Die Mehrgelenkkinematik wird in zwei Ebenen als Filmgelenklager ausgeführt, die den Stabilisatortragflügel ausbildenden Tragflächenteile hingegen werden in einer stofflichen Verbindung als Biegebauteil ausgeführt, welches eine, die Gesamtfläche in ihre Ruhelage zwingende Rückstellkraft bereitstellt.

Wirkungsweise und Geometrie des räumlich beweglichen Tragflügels in Ruhelage.

In Ruhelage und in einem nicht durch Querströmung beaufschlagten Zustand bilden das bugwärtige Finnenflügelteil F1 und das heckwärtige Finnenflügelteil F2 einen fluidmechanisch wirksamen Tragflügel F aus. Weil die vertikale Sparung FUG und der Biegebereich FBB ein biegeelastisches Strukturgelenk ausbilden und dieses Strukturgelenk ein rückstellendes Moment bewirkt, sowie der Finnenflügel F, in einem durch die Strömungskräfte unbeaufschlagten Zustand eine neutrale, ebene Ausrichtung annimmt, werden vom Finnentragflügel keine Querkräfte (Auftrieb) erzeugt.

Wirkungsweise und Geometrie des räumlich beweglichen Tragflügels unter nichtaxialer fluidischer Beaufschlagung.

Während des bestimmungsgemäßen Betriebs, insbesondere beim Manövrieren oder in Fahrt, wie oben beschrieben, tritt am Unterwasserschiff des Seefahrzeugs eine nicht zentralsymmetrische, fluidische Beaufschlagung des Finnenflügels F auf. Die auf die Finne wirkende, resultierende Strömungsbewegung lässt sich in einen parallel zur Symmetrieachse des Seefahrzeugs liegenden Anteil und in einen quer dazu liegenden Anteil beschreiben, was für die Erklärung der fluidmechanischen Wirkungsweise strömungsbeaufschlagter, räumlich Leitflächen an Finnentragflächen von Bedeutung ist.

Eine Tragfläche mit symmetrischem Tragflächenprofil nach Stand der Technik besitzt auch bei nichtzentraler fluidischer Beaufschlagung einen Betriebsbereich, in dem das Verhältnis aus erlittenem Widerstand und der für das Voranbewegen und Manövrieren erforderlicher erzeugter Querkraft vertretbar ist, oder kurz: auch symmetrische Profile erzeugen bei nicht zentraler Beaufschagung „Auftrieb“. Der Betriebsbereich (Anströmwinkel, Geschwindigkeit) eines nichtsymmetrischen Tragflächenprofils wird im Auslegungsfall aber erheblich größer sein, als jener eines vergleichbaren symmetrischen Tragflächenprofils. Bei fluidischer Beaufschlagung (also im nichtsymmetrischen Anströmungsfall) vollführt das aus den Tragflächenteilen (bugwärtiger Finnenflügelteil) F1 und dem (heckwärtiger Finnenflügelteil) F2 repräsentierten Tragflächensystem F eine zwangskinematische Klappbewegung um wenige Winkelgrade. Gleichzeitig erfolgt über das Strukturgelenk im Finnenbiegebereich ein Rückstellmoment. Es stellt sich eine Schwingung um eine Gleichgewichtslage ein und die Tragflügelfläche erfährt eine periodisch intermittierende Wölbung.

Fluidmechanische Wirkungsweise.

Bei nichtaxialer Anströmung arbeitet eine reguläre Leit- und Steuertragfläche als fluiddynamische und querkrafterzeugende Auftriebsfläche. Gestalt und Material der Finne bestimmen die Sensibilität dieser Fluid-Struktur-Wechselwirkung. Der physikalische Impact (vulgär: die „Strömungskraft“) bestimmt die Intensität der von der Struktur erlittenen Gestaltänderung. Bei der Finne nach Anspruch 1 ist die Gestaltänderung eine Wölbung der Tragfläche, die periodisch schwankt. Die Position der vertikalen Fuge FUG ist ein Konstruktionsparameter und determiniert die Form der nunmehr nichtsymmetrisch profilierten Finnentragfläche. Diese, durch die bei nicht axialer Auslenkung infolge fluidischer Beaufschlagung erzwungene Wölbgeometrie generiert ein fluidmechanisch wirksam profiliertes Tragflächensystem, das periodisch schwingen kann. Die Wölbung einer passiv belastungsadaptiven Tragflächenstruktur kann konkav sein, oder konvex. Je nach Einsatzzweck mag das eine oder das andere vorteilhaft sein. Bei der Finne nach Anspruch 1 bildet die passiv belastungsadaptive Gestaltänderung eine konkave Wölbung der Finnentragfläche aus.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Auftrieb L der Profilkontur einer gewölbten Platte in Abhängigkeit einer Richtungsänderung der beaufschlagenden Strömung (links im Bild). Die Wölbung der passiv belastungsadaptiven Tragflächenstruktur kann konkav sein oder konvex. Schematisch nach Abbot & Doenhoff [Abbo-59].

Fluidmechanische Phänomenologie kleiner Änderungen der Strömungsrichtung:

Vor dem Hintergrund der zur Anwendung kommenden Konstruktionsparadigmen, der spezifischen Gestalt, dem physikalischen Input aus der Strömung und den Materialkennungen der ausgeführten Konstruktion wird die Wölbung der passiv belastungsadaptiven Tragflächenstruktur konkav oder konvex sein (siehe Entgegenhaltungen). Bei rein axialer Anströmung (in Abb.2, rechts: gestrichelt) bleibt die (elastische) ebene Plattenprofilkontur eine gerade Linie und der fluiddynamisch generierte Auftrieb ist LIFT=0. Dies leuchtet unmittelbar ein immer dann, wenn das schematisch dargestellte Auftrieb-Anstellwinkel-Verhalten der gewölbten Plattenprofilkontur betrachtet wird (Abb.2: links im Bild). Der Graph für den Lift der gewölbten Platte ist asymmetrisch und schneidet die Achse des dynamischen Auftriebs (LIFT) im positiven Bereich; für nichtkleine negative Anstellwinkel a<(-10) löst die Grenzschicht der körpernahen Plattenströmung ab und der Lift bricht ein [Eppl-90]. Der Lift hat hier negative Vorzeichen. Führt die adaptive Strukturverformung zu einer konvexen Profillinie, nimmt der generierte Lift L für kleine Variationen der Strömungsrichtung tendenziell positive Werte an: L > 0. Folgt der kleinen Variation der Strömungsrichtung eine Strukturverformung hin zu einer konkaven Profillinie, werden negative Werte an: L > 0 die Folge sein. Das Vorzeichen des Auftriebs (+/-LIFT) infolge einer adaptiven Strukturverformung enthält also die Information über die Änderung der Strömungsrichtung. Dies ist die energetische Ursache der Tragflügelschwingung. Abschließend soll noch erwähnt werden, dass an einem fluiddynamischen Querkraftsystem eine Geschwindigkeitsänderung der Strömung aus der körperfesten (Lagrange) Anschauung „immer“ als eine Richtungsänderung wahrgenommen wird. Aus ingenieurtechnischer Sicht lässt sich mit einem negativen Lift genauso gut arbeiten, wie mit positiven Auftriebskräften immer dann, wenn der Betrieb des belastungsadaptiven Tragflügels im (quasi-) linearen Bereich kleiner Anstellwinkelvariationen erfolgt.

Weitere erreichbare Vorteile: Prinzipiell sind in begrenzten Einsatzbereichen Wölbstrukturen für Tragflügel einer ebenen Platte und sogar einigen etablierten NACA-Profilkonturen [Eppl-90] überlegen. Findet man eine Möglichkeit, einer Profilkontur im Betrieb gezielt und determiniert eine Wölbkontur aufzuprägen, nehmen für den Konstrukteur die Gestaltungsfreiheiten zu [Vos-15-1]. Die gilt insbesondere für den periodisch beaufschlagten Lastfall. Hinsichtlich des Bauraums, der Schonung der Ressourcen und aus materialtechnischer und aus wirtschaftlicher Sicht ist „DownSizing“ immer positiv konnotiert [Die 17-4]. Die adaptive Strukturverformung eines Tragflügelsystems und die dadurch erzwungene Fluid- Struktur-Wechselwirkung besitzen darüber hinaus nichtstationäre Komponenten, die an dieser Stelle nicht behandelt werden und für die strömungsadaptive Finne mit Gelenkgetriebe und variablem Tragflügelblatt nach Anspruch 1 von geringem Belang sind.

Bibliographie, unterstützende Literatur und Entgegenhaltungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Skizzen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ansprüche

(1) Profilierter Tragflügel, dessen Gestalt sich einer beaufschlagenden Strömung selbstständig anformt, dadurch gekennzeichnet,
dass ein bugwärtiger Tragflächenteil und ein heckwärtiger Tragflächenteil und die Tragflächenteile verbindenden Filmgelenke eine konstruktive und funktionale Einheit bilden.
(2) Profilierter Tragflügel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
dass das Gelenkplattensystem unter fluidischer Beaufschlagung ein strömungsmechanisch vorteilhaftes Tragflügelsystem ausbildet.
(3) Profilierter Tragflügel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
dass das Tragflügelsystem fähig ist periodischew Schwingungen auszuführen
(4) Profilierter Tragflügel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
dass die Konstruktion des Tragflügels variabel ist und unterschiedliche Materialien einsetzbar sind.

[...]


1 https://www.dpma.de/patent/anmeldung/index.html

2 Am 7. Februar 2002 trat die Novellierung des Arbeitnehmererfindungsgesetzes ArbErfG in Kraft.

Details

Seiten
18
Jahr
2019
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v506746
Note
Schlagworte
strömungsadaptiver flügel gelenkgetriebe tragflügelblatt ausführung transactions suffering innovations

Autor

  • Dipl.-Ing. Michael Dienst (Autor)

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Titel: Strömungsadaptiver Flügel mit Gelenkgetriebe und variablem Tragflügelblatt in nichtsymmetrischer Ausführung