DE102023100314A1 - Device and method for increasing a buoyancy force on a ship's rudder by means of active flow control, and ship's rudder - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein Schiffsruder zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder mittels aktiver Strömungskontrolle zur Verwendung in der Schifffahrt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und für die Schifffahrt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder mittels aktiver Strömungskontrolle bereitzustellen, welche es ermöglichen die (maximale) Auftriebskraft, insbesondere durch die Verzögerung des Strömungsabrisses während großer Anstellwinkel am Ruder, zu erhöhen, und somit zu einer verbesserten Manövrierbarkeit und/oder reduziertem Treibstoffverbrauch führen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die in den Ansprüchen aufgeführten Merkmale.
The invention relates to a device, a method and a ship's rudder for increasing a buoyancy force on a ship's rudder by means of active flow control for use in shipping.
It is therefore an object of the invention to eliminate the disadvantages of the prior art and to provide a device and a method for increasing a buoyancy force on a ship's rudder by means of active flow control, which make it possible to increase the (maximum) buoyancy force, in particular by delaying the flow separation during large angles of attack on the rudder, and thus lead to improved maneuverability and/or reduced fuel consumption.
This problem is solved by the features listed in the claims.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder mittels aktiver Strömungskontrolle zur Verwendung in der Schifffahrt, sowie ein ein Schiffsruder.The present invention relates to a device and a method for increasing a buoyancy force on a ship's rudder by means of active flow control for use in shipping, as well as a ship's rudder.
Im Allgemeinen zielt die aktive Strömungsbeeinflussung darauf ab, einen bestehenden Strömungszustand eines Körpers, unter Verwendung einer Form des lokalen Energieeintrags in die Grenzschicht, zu verändern. Im Speziellen zielt sie darauf ab, einen Widerstand zu reduzieren (z.B. stumpfe Körper), den Auftrieb und/oder den maximalen Auftrieb zu vergrößern (z.B. Flugzeug) und somit die Effizienz des Systems zu steigern. Ferner dient sie der Reduktion von Geräuschen und Vibrationen.In general, active flow control aims to change an existing flow state of a body using some form of local energy input into the boundary layer. In particular, it aims to reduce drag (e.g. blunt bodies), increase lift and/or maximum lift (e.g. aircraft) and thus increase the efficiency of the system. It also serves to reduce noise and vibrations.
Im Kontext von Flügeln, Rudern und anderen Steuerflächen besteht die wichtigste Anwendung aktiver Strömungskontrolle darin, einen Strömungsabriss zu verzögern, zu unterdrücken und/oder rückgängig zu machen, um die Auftriebs- und Widerstandseigenschaften aerodynamischer und/oder hydrodynamischer Oberflächen zu verbessern.In the context of wings, rudders and other control surfaces, the main application of active flow control is to delay, suppress and/or reverse stall in order to improve the lift and drag characteristics of aerodynamic and/or hydrodynamic surfaces.
Typische Beispiele aktiver Strömungsbeeinflussung sind Ausblasen von Wandstrahlen, das Erzeugen von Längswirbeln durch Wirbelgeneratoren oder das Absaugen von laminaren oder turbulenten Grenzschichten.Typical examples of active flow control are blowing out wall jets, generating longitudinal vortices using vortex generators or sucking out laminar or turbulent boundary layers.
Zur Beeinflussung der Strömung werden Aktoren (auch Aktuatoren) genutzt. Dies sind antriebstechnische Baueinheiten welche Energie in mechanische Bewegungen bzw. Veränderungen physikalischer Größen wie Druck oder Temperatur umsetzen.Actuators are used to influence the flow. These are drive units that convert energy into mechanical movements or changes in physical quantities such as pressure or temperature.
Die Fluidik verwendet hierfür strömungsmechanische Bauelemente unter Nutzung pneumatischer (z.B. Luft) bzw. hydraulischer (z.B. Wasser, Öl) Hilfsenergie.For this purpose, fluidics uses fluid mechanical components using pneumatic (e.g. air) or hydraulic (e.g. water, oil) auxiliary energy.
Ein Beispiel eines solchen Bauelements ist ein fluidischer Oszillator, welcher einzig durch den applizierten Volumenstrom und Druck eine schwingende (zeitlich und räumlich alternierend) Strömung aus einem stationären Einlass erzeugt, und keine elektrischen oder mechanischen Bauteile, wie z.B. Ventile, benötigt. Erreicht wird dieses Verhalten durch eine divergierende Geometrie mit einem bi-stabilen Strömungsregime und einem internen Rückkopplungsmechanismus, der von Gerät zu Gerät variiert. Das Allgemeine Prinzip des fluidischen Oszillators ist hinreichend bekannt. In seiner ursprünglichen Form fand er Einsatz für fluidische Logik-Schaltungen als Alternative für elektrische Systeme.An example of such a device is a fluidic oscillator, which generates an oscillating (temporally and spatially alternating) flow from a stationary inlet solely through the applied volume flow and pressure, and does not require any electrical or mechanical components, such as valves. This behavior is achieved through a diverging geometry with a bi-stable flow regime and an internal feedback mechanism that varies from device to device. The general principle of the fluidic oscillator is well known. In its original form, it was used for fluidic logic circuits as an alternative to electrical systems.
Das allgemeine Prinzip der aktiven Strömungskontrolle mit fluidischen Oszillatoren ist aus der Luftfahrt bekannt. Eine spezielle Ausführung des fluidischen Oszillators ist der Sweeping-Jet-Oszillator, welcher an den Tragflächen und an dem Leitwerk von Flugzeugen zumindest versuchsweise eingesetzt wurde, um dessen aerodynamischen Eigenschaften zu verbessern.The general principle of active flow control with fluidic oscillators is known from aviation. A special version of the fluidic oscillator is the sweeping jet oscillator, which has been used at least experimentally on the wings and tail of aircraft to improve their aerodynamic properties.
Ein System zur aktiven Strömungskontrolle mittels fluidischer Oszillatoren für Luftfahrzeuge ist in
Eine spezielle Ausführung eines fluidischen Oszillators ist ein Puls-Jet-Oszillator, welcher in der Lage ist die Strömung zwischen zwei Auslässen hin und her zu schalten. Die Strömung wird dabei zu jedem Zeitpunkt vollständig durch jeweils eine der Auslassöffnungen geleitet, sodass das Schwingungsverhalten des Systems in erster Näherung einer Rechteck-Funktion entspricht.A special version of a fluidic oscillator is a pulse-jet oscillator, which is able to switch the flow back and forth between two outlets. The flow is guided completely through one of the outlet openings at any given time, so that the oscillation behavior of the system corresponds to a rectangular function in a first approximation.
Vergleichbar zur Luftfahrt treten Strömungsabrisse auch in der Schifffahrt auf. Beim Überziehen des Ruders über einen schiffsspezifischen Anstellwinkel hinaus erfolgt ein Strömungsabriss am Ruder. Aus dem Strömungsabriss resultiert eine Reduktion der Auftriebskräfte mit dem Ergebnis einer reduzierten Manövrierbarkeit bei maximierten Treibstoffverbrauch und Treibhausgas-Emission. Hierbei sind typische Ruder lediglich für Lasten ausgelegt, welche nur für sehr kurze Zeiträume auftreten, z.B. während eines Hafenmanövers. Die meiste Zeit wird das Ruder eines Schiffes nur bei kleinen Anstellwinkeln betrieben. Nichtsdestotrotz wird während der gesamten Zeit, in der sich das Schiff bewegt, ein Widerstand durch das Ruder erzeugt, welcher den Treibstoffverbrauch und die Treibhausgas-Emission maximiert.Similar to aviation, stalls also occur in shipping. When the rudder overshoots a ship-specific angle of attack, the rudder stalls. The stall results in a reduction in lift forces, resulting in reduced maneuverability while maximizing fuel consumption and greenhouse gas emissions. Typical rudders are only designed for loads that only occur for very short periods of time, e.g. during a harbor maneuver. Most of the time, a ship's rudder is only operated at small angles of attack. Nevertheless, the rudder generates resistance the entire time the ship is moving, which maximizes fuel consumption and greenhouse gas emissions.
Ein System zur aktiven Strömungskontrolle mittels fluidischer Oszillatoren für Luftfahrzeuge ist in
Nachteilig am Stand der Technik in Bezug auf eine aktive Strömungskontrolle bei Luftfahrzeugen ist die hohe Komplexität des Systems, bestehend aus einer Vielzahl entlang eines Fluidkanals miteinander verbundenen Aktuatoren, welche einen kommerziellen Einsatz bis dato verbietet.A disadvantage of the state of the art in terms of active flow control in aircraft is the high complexity of the system, consisting of a large number of actuators connected along a fluid channel, which prohibits commercial use to date.
Nachteilig am Stand der Technik in Bezug auf eine aktive Strömungskontrolle bei Wasserfahrzeugen ist die ineffiziente, energieintensive kontinuierliche Ausblasung des Fluids.A disadvantage of the state of the art in terms of active flow control in watercraft is the inefficient, energy-intensive continuous blowing out of the fluid.
Darstellung der ErfindungDescription of the invention
Es ist Aufgabe der Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und für die Schifffahrt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder mittels aktiver Strömungskontrolle, sowie ein Schiffsruder, bereitzustellen, welche es ermöglichen die Auftriebskraft, insbesondere während großer Anstellwinkel am Ruder, zu erhöhen, und somit zu einer verbesserten Manövrierbarkeit und/oder reduziertem Treibstoffverbrauch führen.It is an object of the invention to eliminate the disadvantages of the prior art and to provide a device and a method for increasing a buoyancy force on a ship's rudder by means of active flow control, as well as a ship's rudder, which make it possible to increase the buoyancy force, in particular during large angles of attack on the rudder, and thus lead to improved maneuverability and/or reduced fuel consumption.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die in den Ansprüchen aufgeführten Merkmale.This problem is solved by the features listed in the claims.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder mit aktiver Strömungskontrolle, wobei die Vorrichtung zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder zumindest einen fluidischen Oszillator aufweist. Der fluidische Oszillator bewirkt eine Strömungsführung zur oszillierenden Umlenkung eines von einer Einlassöffnung kommenden Fluids hin zu einem ersten oder einem zweiten Strömungskanal. Das umgelenkte Fluid strömt oszillierend entlang des ersten oder des zweiten Strömungskanals, welche in zumindest einem ersten und zumindest einem zweiten Auslass zur Ruderoberfläche münden. Der zumindest eine erste Auslass und der zumindest eine zweite Auslass sind an einer ersten Seite des Schiffsruders angeordnet.The problem is solved by a device for increasing a buoyancy force on a ship's rudder with active flow control, wherein the device for increasing a buoyancy force on a ship's rudder has at least one fluidic oscillator. The fluidic oscillator causes a flow guide for the oscillating deflection of a fluid coming from an inlet opening towards a first or a second flow channel. The deflected fluid flows in an oscillating manner along the first or the second flow channel, which open into at least one first and at least one second outlet to the rudder surface. The at least one first outlet and the at least one second outlet are arranged on a first side of the ship's rudder.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind der zumindest eine erste Auslass des ersten Strömungskanals und der zumindest eine zweite Auslass des zweiten Strömungskanals, entlang einer Spannweite des Schiffsruders an der ersten Seite des Schiffsruders angeordnet, bevorzugt entlang einer Linie parallel zu einer Vorkante des Schiffsruders, ferner bevorzugt entlang einer zu erwartenden Position des Strömungsabrisses.According to various embodiments, the at least one first outlet of the first flow channel and the at least one second outlet of the second flow channel are arranged along a span of the ship's rudder on the first side of the ship's rudder, preferably along a line parallel to a leading edge of the ship's rudder, further preferably along an expected position of the flow separation.
Die Positionierung des zumindest einen ersten Auslasses und des zumindest einen zweiten Auslasses wird bevorzugt so gewählt, dass möglichst kurz vor einer zu erwartenden Position des Strömungsabrisses aktuiert wird, um möglichst energieeffizient zu arbeiten.The positioning of the at least one first outlet and the at least one second outlet is preferably selected such that actuation takes place as close as possible to an expected position of the flow separation in order to operate as energy efficiently as possible.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind der zumindest eine erste Auslass des ersten Strömungskanals und/oder der zumindest eine zweite Auslass des zweiten Strömungskanals in Form eines Schlitzes ausgestaltet. Die Schlitze können beispielsweise oval oder rechteckig ausgestaltet sein. Weitere Ausgestaltungsformen des zumindest einen ersten Auslasses und/oder des zumindest einen zweiten Auslasses sind denkbar, z.B. in Form von runden und/oder eckigen Aussparungen. Bevorzugt weisen rechteckig ausgestaltete Schlitze ein Seitenverhältnis von ca. 1:30 auf. Beispielsweise weisen rechteckig ausgestaltete Schlitze eine Breite von 1,1 mm und eine Länge von 30 mm auf.According to various embodiments, the at least one first outlet of the first flow channel and/or the at least one second outlet of the second flow channel are designed in the form of a slot. The slots can be oval or rectangular, for example. Other embodiments of the at least one first outlet and/or the at least one second outlet are conceivable, e.g. in the form of round and/or square recesses. Preferably, rectangular slots have an aspect ratio of approximately 1:30. For example, rectangular slots have a width of 1.1 mm and a length of 30 mm.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind die Auslässe entlang mit gleichbleibendem und/oder variablem Durchmesser (z.B. Verjüngungen) ausgebildet. Bevorzugt beträgt ein Austrittswinkel des zumindest einen ersten Auslasses und/oder des zumindest einen zweiten Auslasses 30°zur Tangente der Ruderoberfläche. Weitere Ausgestaltungsformen in Bezug auf den Austrittswinkel sind denkbar.According to various embodiments, the outlets are formed with a constant and/or variable diameter (e.g. tapering). Preferably, an exit angle of the at least one first outlet and/or the at least one second outlet is 30° to the tangent of the rudder surface. Further embodiments with respect to the exit angle are conceivable.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist der zumindest eine fluidische Oszillator ein pulse-jet Oszillator.According to various embodiments, the at least one fluidic oscillator is a pulse-jet oscillator.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist die Vorrichtung zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder ferner ein Pumpsystem, ein Rohrsystem und/oder einen Tank zur Aufnahme, Speicherung und/oder Beförderung des Fluids auf. Bevorzugt handelt es sich beim Pumpsystem um eine Tauch- oder Kreiselpumpe oder eine anderweitig ausgestaltete Pumpe, welche in der Lage ist das Fluid zu fördern und den notwendigen Betriebsdruck bereitzustellen. Das Fluid wird über das Rohrsystem, welches bevorzugt aus flexiblen Schläuchen besteht, von seinem Ursprung bis zu dem zumindest einen fluidischen Oszillator gefördert, wobei das Fluid aus dem das Schiff umgebenden Meerwasser und/oder einem Prozessvolumenstrom des Schiffes stammen kann. Gemäß einer Ausführungsform wird das Fluid temporär in einem Tank zwischengelagert.According to various embodiments, the device for increasing a buoyancy force on a ship's rudder further comprises a pump system, a pipe system and/or a tank for receiving, storing and/or transporting the fluid. The pump system is preferably a submersible or centrifugal pump or another type of pump that is able to transport the fluid and provide the necessary operating pressure. The fluid is transported via the pipe system, which preferably consists of flexible hoses, from its origin to the at least one fluidic oscillator, wherein the fluid can originate from the seawater surrounding the ship and/or a process volume flow of the ship. According to one embodiment, the fluid is temporarily stored in a tank.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist die Vorrichtung zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder ferner eine Sensoreinheit, eine Steuerungseinheit und/oder eine Regelungseinheit auf.According to various embodiments, the device for increasing a buoyancy force on a ship's rudder further comprises a sensor unit, a control unit and/or a regulation unit.
Mittels einer Sensoreinheit können verschiedene Messwerte aufgenommen werden. Die Messwerte können mittels einer Steuer- oder Auswerteeinheit ausgewertet werden. Anhand von zuvor definierten oder bekannten (beispielsweise abgespeicherten) Schwellwerten der Messgrößen kann eine Regelung der aktiven Strömungskontrolle, basierend auf den Messwerten, erfolgen, insbesondere die Ansteuerung des zumindest einen fluidischen Oszillators. Beispiele für relevante Messgrößen, welche für eine Steuerung und/oder Regelung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der aktiven Strömungskontrolle und/oder des fluidischen Oszillators verwendet werden können, sind eine Wandschubspannung und/oder ein Oberflächendruck am Schiffsruder. Die Verwendung alternativer Messwerte von Sensoren ist denkbar. Gemäß einer Ausführungsform kann die automatisierte Auslösung der Aktuation alternativ oder zusätzlich unter Verwendung von schiffs- und ruderspezifischen Modelldaten beim Übertreten eines definierten Anstellwinkels des Schiffsruders erfolgen. Ferner ist es auch denkbar, dass eine Aktuation auch manuell mittels einer Betätigungsvorrichtung vorgenommen werden kann.Various measurement values can be recorded using a sensor unit. The measurement values can be evaluated using a control or evaluation unit. Based on previously defined or known (for example stored) threshold values of the measured variables, the active flow control can be regulated based on the measured values, in particular the control of at least one fluidic oscillator. Examples of relevant measured variables that can be used for controlling and/or regulating the device according to the invention, the active flow control and/or the fluidic oscillator are a wall shear stress and/or a surface pressure on the ship's rudder. The use of alternative measured values from sensors is conceivable. According to one embodiment, the automated triggering of the actuation can alternatively or additionally take place using ship and rudder-specific model data when a defined angle of attack of the ship's rudder is exceeded. Furthermore, it is also conceivable that an actuation can also be carried out manually using an actuating device.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind der zumindest eine fluidische Oszillator, der erste Strömungskanal, der zweite Strömungskanal, das Pumpsystem, das Rohrsystem, der Tank, die Sensoreinheit, die Steuerungseinheit und/oder die Regelungseinheit im Inneren des Schiffsruders angeordnet.According to various embodiments, the at least one fluidic oscillator, the first flow channel, the second flow channel, the pump system, the pipe system, the tank, the sensor unit, the control unit and/or the regulation unit are arranged inside the ship's rudder.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist die Vorrichtung zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder ferner eine Absaugvorrichtung auf. Die Absaugvorrichtung wirkt als antagonistische Kraft zur Aktuation und verstärkt deren Effekt. Bevorzugt erfolgt die Absaugung zeitgleich zur Aktuation, bevorzugt auf der identischen Seite. Ferner erfolgt die Absaugung bevorzugt mittels in einer oder mehreren Reihen parallel zu den Auslässen angeordneten Öffnungen, wobei eine Anordnung dieser in Strömungsrichtung vor und/oder hinter den Auslässen denkbar ist. Die Absaugvorrichtung kann z.B. in Form einer Tauchpumpe ausgebildet sein, wobei die Absaugvorrichtung und das Pumpsystem ein und dasselbe Bauteil darstellen können.According to various embodiments, the device for increasing a buoyancy force on a ship's rudder also has a suction device. The suction device acts as an antagonistic force to the actuation and increases its effect. Preferably, the suction takes place at the same time as the actuation, preferably on the same side. Furthermore, the suction preferably takes place by means of openings arranged in one or more rows parallel to the outlets, wherein an arrangement of these in the flow direction in front of and/or behind the outlets is conceivable. The suction device can be designed, for example, in the form of a submersible pump, wherein the suction device and the pump system can represent one and the same component.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist der erste Strömungskanal mehrere erste Auslässe und der zweite Strömungskanal mehrere zweite Auslässe auf. Die mehreren ersten Auslässe und die mehreren zweiten Auslässe sind alternierend entlang einer Spannweite des Schiffsruders der zumindest ersten Seite des Schiffsruders angeordnet.According to various embodiments, the first flow channel has a plurality of first outlets and the second flow channel has a plurality of second outlets. The plurality of first outlets and the plurality of second outlets are arranged alternately along a span of the ship's rudder of at least the first side of the ship's rudder.
Bevorzugt sind die mehreren ersten Auslässe und die mehreren zweiten Auslässe gleichmäßig über der gesamten Spannweite des Ruders verteilt, um einen Strömungsabriss auf der gesamten Ruderfläche zu verzögern und/oder zu verhindern.Preferably, the plurality of first outlets and the plurality of second outlets are evenly distributed over the entire span of the rudder in order to delay and/or prevent stall across the entire rudder surface.
Bevorzugt sind die mehreren ersten Auslässe und die mehreren zweiten Auslässe entlang einer parallelen Linie zur Vorkante des Schiffsruders verteilt.Preferably, the plurality of first outlets and the plurality of second outlets are distributed along a line parallel to the leading edge of the ship's rudder.
Bevorzugt sind die mehreren ersten Auslässe und die mehreren zweiten Auslässe alternierend entlang einer parallelen Linie zur Vorkante des Schiffsruders verteilt, sodass jeder erste Auslass den mehreren ersten Auslässen oder und jeder zweite Auslass den mehreren zweiten Auslässen zuzuordnen ist. Direkt benachbarte Auslässe, d.h. zwei Auslässe von denen einer den ersten Auslässen und der andere den zweiten Auslässen zuzuordnen ist, werden als Paar bezeichnet.Preferably, the plurality of first outlets and the plurality of second outlets are distributed alternately along a line parallel to the leading edge of the ship's rudder, so that each first outlet is assigned to the plurality of first outlets and each second outlet is assigned to the plurality of second outlets. Directly adjacent outlets, i.e. two outlets, one of which is assigned to the first outlets and the other to the second outlets, are referred to as a pair.
Gemäß einer Ausführungsform können beide Seiten des Ruders aktuiert werden. Dies bedingt der Verwendung einer Vielzahl des zumindest eines fluidischen Oszillators und der korrespondierenden ersten und zweiten Strömungskanäle. Im Speziellen können hierfür zwei fluidische Oszillatoren genutzt werden, welche das von einer Einlassöffnung kommende Fluid zu insgesamt vier Strömungskanälen und zumindest vier korrespondierenden Auslässen umlenken. Hierbei versorgt ein fluidischer Oszillator zwei Strömungskanäle und zumindest zwei korrespondierende Auslässe, welche auf einer Ruderseite angeordnet sind.According to one embodiment, both sides of the rudder can be actuated. This requires the use of a plurality of at least one fluidic oscillator and the corresponding first and second flow channels. In particular, two fluidic oscillators can be used for this, which divert the fluid coming from an inlet opening to a total of four flow channels and at least four corresponding outlets. In this case, a fluidic oscillator supplies two flow channels and at least two corresponding outlets, which are arranged on one side of the rudder.
Ruder bezeichnen hierbei nicht nur senkrecht ausgestaltete Steuerruder von Schiffen, sondern explizit auch weitere Ausgestaltungsformen, wie z.B. waagerechte Tiefenruder und/oder X-Ruder von Unterseebooten. Ebenfalls ist eine Aktuation an Schiffsstabilisatoren denkbar, welche eine Rollbewegung eines Schiffes verhindern oder zumindest vermindern. Schiffsstabilisatoren sind beispielsweise Schlingerkiele und/oder Flossenstabilisatoren. Weitere Stabilisatorentypen sind denkbar.Rudders here do not only refer to vertically designed rudders on ships, but also explicitly to other designs, such as horizontal depth rudders and/or X-rudders on submarines. Actuation of ship stabilizers is also conceivable, which prevent or at least reduce the rolling motion of a ship. Ship stabilizers are, for example, keels and/or fin stabilizers. Other types of stabilizers are conceivable.
Der erste Strömungskanal und der zweite Strömungskanal sind vorzugweise als separate Hohlkammern innerhalb des Ruders ausgeformt. Die separaten Hohlkammern werden jeweils mit einem der beiden Ausgänge des zumindest einen fluidischen Oszillators verbunden. Dies garantiert, dass eine gegebene Oszillations-Frequenz über das gesamte Runder hinweg gleichbleibt. Ferner wird hierdurch erreicht, dass alle Paare des zumindest einen ersten Auslasses und des zumindest einen zweiten Auslasses in einer gleichen Phase schwingen.The first flow channel and the second flow channel are preferably formed as separate hollow chambers within the rudder. The separate hollow chambers are each connected to one of the two outlets of the at least one fluidic oscillator. This guarantees that a given oscillation frequency remains the same across the entire rudder. Furthermore, this ensures that all pairs of the at least one first outlet and the at least one second outlet oscillate in the same phase.
Aufgrund des im Vergleich zu mechanischen Bauteilen wartungsfreien Charakters eines fluidische Oszillators, wird dieser bevorzugt im Inneren des Schiffsruders angeordnet. Das Ruder weist hierfür weitere Hohlkammern zur Aufnahme des zumindest einen fluidischen Oszillators samt peripherer Bestandteile, wie beispielsweise dem Pump- und/oder Rohrsystem und/oder anderer Elemente. Gemäß einer Ausführungsform dienen die Strömungskanäle (Hohlkammern) selbst als Aufnahme des zumindest einen fluidischen Oszillators samt peripherer Bestandteile, wie beispielsweise dem Pump- und/oder Rohrsystem und/oder anderer Elemente. Alternative Positionierungen, wie z.B. im Kiel, im Heck, im Bug und auf Deck, sind denkbar.Due to the maintenance-free nature of a fluidic oscillator compared to mechanical components, it is preferably arranged inside the ship's rudder. The rudder has additional hollow chambers for accommodating at least one fluidic oscillator including peripheral Components such as the pump and/or pipe system and/or other elements. According to one embodiment, the flow channels (hollow chambers) themselves serve to accommodate the at least one fluidic oscillator together with peripheral components such as the pump and/or pipe system and/or other elements. Alternative positioning, such as in the keel, in the stern, in the bow and on deck, is conceivable.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt ferner durch ein Verfahren zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder mittels aktiver Strömungskontrolle. Mittels der Vorrichtung zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder, welche einen fluidischen Oszillator aufweist, wird ein energiereiches Fluid an einer ersten Seite des Schiffsruder derart ausgestoßen, dass ein Strömungsabriss am Schiffsruder verzögert und/oder verhindert wird.The problem is further solved by a method for increasing a buoyancy force on a ship's rudder by means of active flow control. By means of the device for increasing a buoyancy force on a ship's rudder, which has a fluidic oscillator, an energy-rich fluid is ejected on a first side of the ship's rudder in such a way that a flow separation on the ship's rudder is delayed and/or prevented.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen erfolgt das Ausstoßen des energiereichen Fluids stoßweise und/oder alternierend zwischen zumindest einem ersten Auslass und zumindest einem zweiten Auslass, bevorzugt zwischen mehreren ersten Auslässen und mehreren zweiten Auslässen.According to various embodiments, the high-energy fluid is ejected in pulses and/or alternately between at least one first outlet and at least one second outlet, preferably between a plurality of first outlets and a plurality of second outlets.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen erfolgt zusätzlich zum Ausstoßen des energiereichen Fluids ein Absaugen von Meerwasser an einer Außenkante des Schiffsruders. Bevorzugt erfolgt die Absaugung zeitgleich zur Aktuation auf der identischen Seite. Ferner erfolgt die Absaugung bevorzugt durch in einer oder mehreren Reihen parallel zu den Auslässen angeordneten Öffnungen, wobei eine Anordnung dieser in Strömungsrichtung vor und/oder hinter den Auslässen denkbar ist.According to various embodiments, in addition to the expulsion of the high-energy fluid, sea water is sucked off at an outer edge of the ship's rudder. The suction preferably takes place at the same time as the actuation on the identical side. Furthermore, the suction preferably takes place through openings arranged in one or more rows parallel to the outlets, whereby an arrangement of these in the flow direction in front of and/or behind the outlets is conceivable.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen wird das energiereiche Fluid aus einem Prozessvolumenstrom des Schiffes und/oder dem das Schiff umgebenden Meerwasser entnommen.According to various embodiments, the energy-rich fluid is taken from a process volume flow of the ship and/or the seawater surrounding the ship.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen erfolgt das Ausstoßen des energiereichen Fluids unter Verwendung einer Sensoreinheit, einer Steuerungseinheit und/oder einer Regelungseinheit und/oder mittels manueller Auslösung.According to various embodiments, the ejection of the high-energy fluid takes place using a sensor unit, a control unit and/or a regulating unit and/or by means of manual triggering.
Das Ausstoßen des Fluids entlang der Ruderoberfläche beschleunigt die wässrige Grenzschicht und verhindert damit ein Ablösen der Strömung.The expulsion of the fluid along the rudder surface accelerates the aqueous boundary layer and thus prevents flow separation.
Durch das stoßweise Ausstoßen des Fluids entlang der Ruderoberfläche werden zusätzlich zum Impulseintrag Wirbel in der wässrigen Grenzschicht erzeugt, welche die Grenzschicht durchmischen und so zusätzliches energiereiches Fluid aus den äußeren Strömungsbereichen in die Grenzschicht eintragen. Dies verstärkt den Effekt der Aktuation. Gleichzeitig sinkt hierdurch die benötigte Aktuationsenergie, da nicht konstant ausgestoßen wird und die Wirbel zum durch die Schlitze eingebrachten Impuls einen zusätzlichen Impuls durch Mischung mit der äußeren Strömung in die Grenzschicht bringen. Durch Änderung einer Innengeometrie des fluidischen Oszillators, im Speziellen durch eine Anpassung einer so genannten Feedback-Tube des fluidischen Oszillators, wobei die Feedback-Tube ein Strömungskanal innerhalb des fluidischen Oszillators, welcher gemeinsam mit einer Splitteinrichtung für die oszillierende Strömung verantwortlich ist, lässt sich die Frequenz des Wechsels des Ausstoßens durch den zumindest einen ersten Auslass und den zumindest einen zweiten Auslass einstellen und auf bereits in der Strömung vorhandene Instabilitäten abstimmen.By ejecting the fluid in bursts along the rudder surface, in addition to the impulse input, vortices are generated in the aqueous boundary layer, which mix the boundary layer and thus introduce additional energy-rich fluid from the outer flow areas into the boundary layer. This increases the effect of the actuation. At the same time, this reduces the required actuation energy, since the ejection is not constant and the vortices bring an additional impulse into the boundary layer by mixing with the outer flow in addition to the impulse introduced through the slots. By changing the internal geometry of the fluidic oscillator, in particular by adapting a so-called feedback tube of the fluidic oscillator, whereby the feedback tube is a flow channel within the fluidic oscillator which, together with a splitter device, is responsible for the oscillating flow, the frequency of the alternation of the ejection through the at least one first outlet and the at least one second outlet can be adjusted and coordinated with instabilities already present in the flow.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder mittels aktiver Strömungskontrolle führen zu einer Verbesserung der Manövrierbarkeit durch Erhöhung der anwendbaren Ruderkräfte, z.B. während Hafenmanövern, in Notlagen, bei Sportbooten und/oder in der Binnenschifffahrt.The device according to the invention and the method according to the invention for increasing a buoyancy force on a ship's rudder by means of active flow control lead to an improvement in maneuverability by increasing the applicable rudder forces, e.g. during harbor maneuvers, in emergency situations, on pleasure boats and/or in inland navigation.
Unter Beibehaltung identischer Ruderkräfte ermöglichen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder mittels aktiver Strömungskontrolle ein Downsizing des Schiffsruders, und eine damit verbundene Kostenreduktion. Ferner reduziert das Downsizing den Strömungswiderstand bei Geradeausfahrt und spart benötigte Vortriebsenergie ein. Dies resultiert sowohl in einer Reduktion des Treibstoffverbrauchs als auch in einer Reduktion der Emission von Treibhausgasen und den damit assoziierten Kosten.While maintaining identical rudder forces, the device according to the invention and the method according to the invention for increasing a buoyancy force on a ship's rudder by means of active flow control enable a downsizing of the ship's rudder and an associated reduction in costs. Furthermore, the downsizing reduces the flow resistance when traveling straight ahead and saves the required propulsion energy. This results in both a reduction in fuel consumption and a reduction in the emission of greenhouse gases and the associated costs.
Bei Geradeausfahrt, z.B. einer Atlantiküberquerung, können die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder mittels aktiver Strömungskontrolle das latente Manövrieren, z.B. den Ausgleich des Drifts durch Seitenwind, ohne die Nutzung des Ruders ermöglichen. Dies reduziert den Verschleiß am Ruder und dessen Aufnahme am Schiff und den damit assoziierten Kosten, unter anderem durch Minimierung der Stillstandszeit während Wartungs- und Reparaturtätigkeiten.When travelling straight ahead, e.g. crossing the Atlantic, the device and method according to the invention for increasing a lift force on a ship's rudder by means of active flow control can enable latent manoeuvring, e.g. compensating for drift caused by crosswinds, without using the rudder. This reduces wear on the rudder and its mounting on the ship and the associated costs, among other things by minimising downtime during maintenance and repair work.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung unter Verwendung lediglich eines oder zweier Aktuatoren stellt ein System mit verringerter Komplexität dar und reduziert die Anzahl benötigter Komponenten und die damit assoziierten Kosten für Anschaffung, Betrieb und Wartung. Ferner zeichnet es sich durch eine geringe Störanfälligkeit, resultierend aus z.B. Schwebstoffen im Wasser, aus, und arbeitet bei minimalem Energieeinsatz mittels stoßweiser Aktuation.The device according to the invention using only one or two actuators represents a system with reduced complexity and reduces the number of components required and the associated costs for acquisition, operation and maintenance. Furthermore, it is characterized by a low susceptibility to failure, resulting e.g. suspended matter in the water and operates with minimal energy consumption by means of pulsed actuation.
Ausführung der ErfindungImplementation of the invention
Die Erfindung wird anhand eines/mehrerer Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierzu zeigen
-
1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder.
-
1 a schematic representation of the device for increasing the buoyancy force on a ship's rudder.
In der Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die erfindungsgemäße Anordnung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird eine Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“ usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Zeichnungen verwendet. Die Richtungsterminologie dient der Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend.In the description, reference is made to the accompanying drawings in which there is shown, by way of illustration, specific embodiments in which the arrangement according to the invention may be practiced. In this regard, directional terminology such as "above", "below", etc. will be used with reference to the orientation of the drawings described. The directional terminology is for purposes of illustration and is not limiting in any way.
Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.It is to be understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the present invention. It is to be understood that the features of the various exemplary embodiments described herein may be combined with one another unless specifically stated otherwise. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is defined by the appended claims.
In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.In the figures, identical or similar elements are provided with identical reference symbols wherever appropriate.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder mittels aktiver Strömungskontrolle ist in
Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind der zumindest eine erste Auslass 31 des ersten Strömungskanals 3 und der zumindest eine zweite Auslass 41 des zweiten Strömungskanals 4 entlang einer Spannweite des Schiffsruders 1 der ersten Seite 11 des Schiffsruders 1 angeordnet.According to various embodiments, the at least one first outlet 31 of the first flow channel 3 and the at least one second outlet 41 of the second flow channel 4 are arranged along a span of the ship's rudder 1 of the first side 11 of the ship's rudder 1.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind der zumindest eine erste Auslass 31 des ersten Strömungskanals 3 und der zumindest eine zweite Auslass 41 des zweiten Strömungskanals 4 entlang einer Linie welche parallel zu einer Vorkante 12 des Schiffsruders 1 auf der ersten Seite 11 des Schiffsruders 1 angeordnet.According to various embodiments, the at least one first outlet 31 of the first flow channel 3 and the at least one second outlet 41 of the second flow channel 4 are arranged along a line which is parallel to a leading edge 12 of the ship's rudder 1 on the first side 11 of the ship's rudder 1.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind der zumindest eine erste Auslass 31 des ersten Strömungskanals 3 und/oder der zumindest eine zweite Auslass 41 des zweiten Strömungskanals 4 in Form eines Schlitzes ausgestaltet. Alternative Ausgestaltungen der Auslässe sind denkbar.According to various embodiments, the at least one first outlet 31 of the first flow channel 3 and/or the at least one second outlet 41 of the second flow channel 4 are designed in the form of a slot. Alternative designs of the outlets are conceivable.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist der zumindest eine fluidische Oszillator 2 ein pulse-jet Oszillator.According to various embodiments, the at least one fluidic oscillator 2 is a pulse-jet oscillator.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist die Vorrichtung zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder 1 ferner ein Pumpsystem 5, ein Rohrsystem 6 und/oder einen Tank 7 zur Aufnahme, Speicherung und/oder Beförderung des Fluids auf. Das Fluid wird durch die Pumpe 5 über das Rohrsystem 6 zu dem zumindest einen fluidischen Oszillator 2 gefördert, wobei das Fluid aus dem das Schiff umgebenden Meerwasser und/oder einem Prozessvolumenstrom des Schiffes stammen kann. Gemäß einer Ausführungsform wird das Fluid temporär in einem Tank 7 zwischengelagert.According to various embodiments, the device for increasing a buoyancy force on a ship's rudder 1 further comprises a pump system 5, a pipe system 6 and/or a tank 7 for receiving, storing and/or transporting the fluid. The fluid is conveyed by the pump 5 via the pipe system 6 to the at least one fluidic oscillator 2, wherein the fluid can originate from the sea water surrounding the ship and/or a process volume flow of the ship. According to one embodiment, the fluid is temporarily stored in a tank 7.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist die Vorrichtung zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder 1 ferner eine Sensoreinheit 8, eine Steuerungseinheit 9 und/oder eine Regelungseinheit 10 auf.According to various embodiments, the device for increasing a buoyancy force on a ship's rudder 1 further comprises a sensor unit 8, a control unit 9 and/or a regulation unit 10.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind der zumindest eine fluidische Oszillator 2, der erste Strömungskanal 3, der zweite Strömungskanal 4, das Pumpsystem 5, das Rohrsystem 6, der Tank 7, die Sensoreinheit 8, die Steuerungseinheit 9 und/oder die Regelungseinheit 10 im Inneren des Schiffsruders angeordnet. Alternative Positionierungen außerhalb des Schiffsruders 1, wie z.B. im Kiel, im Heck, im Bug und auf Deck, sind denkbar und in
Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist die Vorrichtung zur Erhöhung einer Auftriebskraft an einem Schiffsruder 1 ferner eine Absaugvorrichtung auf (nicht dargestellt).According to various embodiments, the device for increasing a buoyancy force on a ship's rudder 1 further comprises a suction device (not shown).
Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist der erste Strömungskanal 3 mehrere erste Auslässe 31 und der zweite Strömungskanal 4 mehrere zweite Auslässe auf 41. Die mehreren ersten Auslässe 31 und die mehreren zweiten Auslässe 41 sind alternierend entlang einer einer Linie parallel zur Vorkante 12 des Schiffsruders 1 an der zumindest ersten Seite 11 des Schiffsruders 1 angeordnet.
Bevorzugt sind der zumindest eine erste Auslass 31 des ersten Strömungskanals 3 und der zumindest eine zweite Auslass 41 des zweiten Strömungskanals 4 gemäß verschiedener Ausführungsformen entlang der zu erwartenden Position des Strömungsabrisses an der ersten Seite 11 des Schiffsruders 1 im in Fahrtrichtung vorderen Bereich des Schiffsruders 1 angeordnet. Der erste Strömungskanal 3 und der zweite Strömungskanal 4 sind vorzugweise als separate Hohlkammern innerhalb des Schiffsruders 1 ausgeformt. Die separaten Hohlkammern werden jeweils mit einem der beiden Ausgänge des zumindest einen fluidischen Oszillators 2 verbunden. Der fluidische Oszillators 2 wird bevorzugt im Inneren des Schiffsruders 1 angeordnet. Alternative Positionierungen außerhalb des Schiffsruders 1, wie z.B. im Kiel, im Heck, im Bug und auf Deck, sind denkbar und in
BezugszeichenReference symbol
- 11
- Schiffsrudership's rudder
- 1111
- erste Seitefirst page
- 1212
- VorkanteLeading edge
- 22
- fluidischer Oszillatorfluidic oscillator
- 33
- erster Strömungskanalfirst flow channel
- 3131
- erster Auslassfirst outlet
- 44
- zweiter Strömungskanalsecond flow channel
- 4141
- zweiter Auslasssecond outlet
- 55
- PumpsystemPump system
- 66
- RohrsystemPipe system
- 77
- Tanktank
- 88th
- SensoreinheitSensor unit
- 99
- SteuerungseinheitControl unit
- 1010
- RegelungseinheitControl unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2020017199 A1 [0009, 0012]US 2020017199 A1 [0009, 0012]
- EP 0909703 A2 [0013]EP 0909703 A2 [0013]
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