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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
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Ruders mit hohlflankenruderartigen Eigenschaften aus einem normalen
Profilruder und ein hiernach hergestelltes Ruder für Wasserfahrzeuge und schwimmendes
Gerät.
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Ruder sind in der Regel am Heck einfach oder mehrfach angebrachte
Verdrängungskörper mit tragflügelähnlichem Profil und gerader Mittellinie, die mit
oder ohne Propellerbeaufschlagung eine zum Steuern des Schiffes erforderliche Ruderkraft
erzeugen, wenn sie auf einen Ruderwinkel angestellt werden. Ruder sind passive Steuerorgane,
die energetisch den Hauptantrieb des Schiffes oder die Strömungsenergie der Fahrtströmung
anzapfen. Wasserfahrzeuge und schwimmendes Gerät sind stationär positionierte oder
fahrende Verdrängungskörper und Strukturen, Offshore-Plattformen und Bohrinseln.
Auch geschleppte und getaucht fahrende Fahrzeuge, wie Transportpontons, Leichter,
Schwimmdocks und Tauchfahrzeuge, zählen zu den Wasserfahrzeugen und zu den schwimmenden
Geräten.
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Es ist bekannt, daß etwa 2/3 der Ruderwirkung an der Saugseite und
etwa 1/3 der Ruderwirkung an der Druckseite erzeugt werden. Zur Verhinderung der
Saugseitenablösung wurden in der Luftfahrt Vorflügel eingeführt, in der Schiffstechnik
haben sich angetriebene und abschaltbare Rotoren bewährt, die entweder in der Rudervorderkante
oder in
Knicken von mehrteiligen Rudern angeordnet sind. Der Druckseiteneffekt
eines Rudcrs kann bekanntlich durch Flossen verbessert werden, die an der Hinterkante
des Ruders durch mechanische Anlenkung von außen oder Zwangssteuerung von innen
betätigt werden. Im Gegensatz zu den beschriebenen beweglichen Anbauten an einem
Ruder lassen sich mit festen Anbauten auf relativ einfache Weise druckseitenverbessernde
Eigenschaften des Ruders erzielen. Hierzu zählen ruderfeste Endscheiben an der Ober-
und/oder an der Unterkante des Ruders, Staukeile an der Ruderhinterkante und Kombinationen
von beiden Anbauten. Ferner sind Hohlflankenprofile bekannt, die eine verbesserte
Ruderwirkung erzeugen. Die Anpassung der Ruderformen an die Drallströmung des Propellers
zur Energierückgewinnung führte zu verwundenen Ruderkörpern (DE-PS 516 085, DE-PS
526 945, DE-PS 583 09l, DE-PS 736 015, DE-PS 1 140 484, DE-OS 1 506 242 und DE-OS
26 56 738).
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Alle diese bekannten Konstruktionen bezwecken jedoch keine Verbesserung
der Ruderwirkung und die Verwindung des Ruderkörpers erfolgt entgegen der Schräganströmung
aus der Drallströmung, beginnend an der Rudervorderkante und sich erstreckend über
den vorderen Ruderbereich oder die gesamte Rudertiefe.
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Schiffsruder werden von der Drallströmung des davor befindlichen Propellers
schräg beaufschlagt, und zwar bei rechtsgängigen Propellern im oberen Bereich von
Backbord, im unteren Bereich
von Steuerbord. Diese Drallwinkel
betragen größenordnungsmäßig 200. Das Ruder liefert daher bei einer resultierenden
Nullquerkraft einen beträchtlichen induzierten Widerstand, der von der Antriebsanlage
des Schiffes aufgebracht werden muß. Das Ruder wird darüber hinaus durch den Propeller
zu Schwingungen angeregt, weil die Druckfelder auf dem Ruder bei Schräganströmung
periodisch auf-und abgebaut werden. Im oberen Ruderbereich führt die Schräganströmung
bei schnellen Schiffen zu schweren Schäden durch Kavitationserosion. Durch die Schräganströmung
ist bei Halbschweberudern die untere Steuerbordseite der Balancefläche wirksamer
als die gegenüberliegende Backbordseite, wodurch die von der Rudermaschine aufzubringenden
Drehmomente in der Regel stark unsymmetrisch sind und zu unnötigen Überdimensionierungen
der Rudermaschine führen.
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Staukeile an der Ruderhinterkante haben fast reinen Druckseiteneffekt,
der Gradient der Ruderkraft wird kaum erhöht, der Angriffspunkt der Ruderquerkraft
wandert nach hinten, wodurch die Ruderdrehmomente stark ansteigen. Der Ruderwiderstand
bei Geradeausfahrt nimmt um etwa das Fünffache gegenüber dem Widerstand eines Normalruders
zu. Auch Kombinationen von Ruderkörpern mit Staukeilen und Endscheiben haben derartige
parasitäre Effekte. Hohlflankenruder haben derartige Eigenschaften nicht; sie erzeugen
eta 30% höhere Ruderkräfte über den gesamten Ruderwinkelbereich und erfordern bei
der üblichen Ruderbauart mit symmetrischen Profilen und gerader Mittellinie allerdings
eine um 30% stärkere Rudermaschine.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein der Drallströmung des
Propellers angepaßtes Ruder zu schaffen, welches aus einem normalen Ruderkörper
beliebiger Bauart, z.B.
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Spatenruder oder Halbschweberuder, hervorgeht, wobei gleichzeitig
die Möglichkeit mit eingeschlossen ist, das konventionelle Ruder von vornherein
oder nachträglich in ein derartiges Ruder umrüsten zu können, ohne dabei die baulichen
Anschlußteile und die Rudermaschine verstärken zu müssen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung eines
Hohlflankenruders aus einem normalen Profilruder vorgeschlagen, nach dem man gemäß
der Erfindung an der Ruderhinterkante auf etwa halber Ruderhöhe getrennt und auf
gegenüberliegenden Seiten der Ruderhinterkante Ruderteile asymmetrisch mit durch
das Ruder und die Ruderteile gekrümmt verlaufenden Rudermittellinien mit je einem
linksseitigen und einem rechtsseitigen Auslauf anbringt.
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Die weitere Lösung der Aufgabe besteht in einem Ruder für Wasserfahrzeuge
und schwimmendes Gerät, das erfindungsgemäß in der Weise ausgebildet ist, daß das
als normales Profil ruder ausgebildete Ruder mit an seiner Hinterkante angeordneten
Anbaukörpern versehen und durch diese teilweise in ein Hohlflankenruder überführbar
ist.
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Die Anbaukörper bestehen dabei aus auf etwa halber Ruderhöhe getrennt
und auf gegenüberliegenden Seiten der Ruderhinterkante
angeordneten,
-als Profilkörper ausgebildeten Ruderteilen, so daß durch das Ruder und jeden Ruderteil
eine gekrümmt verlaufende Rudermittellinie ausgebildet ist, wobei von den Mittellinien
die eine Mittellinie linksseitig und die andere Mittellinie rechtsseitig auslaufend
ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, ein normales Verdrängungsruder
von vornherein oder nachträglich durch einseitige, asymmetrische Anbaukörper im
hinteren Ruderteil in einen verwundenen Ruderkörper mit abgeknickter oder gekrümmter
Mittellinie zu überführen. Die hierbei erzielten Vorteile liegen einerseits in dem
geringen baulichen Aufwand für das verbesserte Ruder, welches erforderlich wird,
wenn neue Fahrtgebiete neue manövriertechnische Anforderungen an das Schiff stellen
oder Schiffe nachträglich verlängert oder bis auf das Hinterschiff vollständig umgebaut
werden. Andererseits sind die hydrodynamischen Vorteile auf den reduzierten Schräganströmwinkel
infolge der veränderten Mittellinie des Ruders, auf die positiven Eigenschaften
des Hohlflankenprofils bezüglich der Ruderkräfte und auf die Anpassung der baulichen
Höhen der asymmetrischen Anbauten an die Drallströmung des Propellers zurückzuführen:
Bei Geradeausfahrt ergeben sich ein verminderter Anhängewiderstand und verminderte
Vibrationen sowie eine verringerte Anfälligkeit für Kavitationserscheinungen, Beeinflussung
des neutralen Ruderwinkels",
und bei Manövern wird eine erhöhte
Ruderwirksamkeit beim Drehen und beim Stützen bei Fahrt des Schiffes und am Stand
unter Einsatz des Propellerstrahls und eine Beeinflussung der Ruderdrehmomente bezüglich
der Symmetrieeigenscaften Backbord/Steuerbord erzielt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in Form eines Ausführungsbeispiels
für ein Einkörper-Spatenruder dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 den oberen Teil
eines verwundenen Ruderkörpers mit einem Anbaukörper im hinteren Ruderteil in einer
Draufsicht entlang des Schnittes gemäß Linie II-II in Fig. 1, Fig. 2 die asymmetrischen
Anbaukörper an dem Ruder und die etwa auf halber Ruderhöhe gelegene Stufe zwischen
den beiden Anbaukörpern in einer Ansicht von hinten, wobei diese Ausführungsform
für einen rechtsgängigen Propeller gilt, Fig. 3, einige Ausführungsformen der Stufe
zwischen 3a und den beiden Anbaukörpern in einer Schrägansicht 3b gemäß Linie I-I
in Fig. 1, Fig. 4 die strömungskinematischen Verhältnisse um ein Schiff bei stationärer
Drehkreisfahrt,
Fig. 5 die strömungskinematischen Verhältnisse
um ein Schiff, und zwar das auf einen Ruderwinkel gelegte Ruder und die Anströmrichtung,
Fig. 6 ein Ruder mit an der Ruderhinterkante angeordneten Anbaukörpern und mit an
der Ober- und Unterkante des Ruders angeordneten Endscheiben in einer schaubildlichen
Ansicht und Fig. 7 die Ausführungsform gemäß Fig. 6 in einer Seitenansicht.
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Bei der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist mit 10 ein Einkörper-Spatenruder
dargestellt, dessen Hinterkante bei 11 angedeutet ist. Die Steuer- und Antriebseinrichtungen
für das Ruder 10 sind nicht dargestellt.
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An der Hinterkante 11 des Ruders 10 sind auf etwa halber Ruderhöhe
getrennt und auf gegenüberliegenden Seiten der Ruderhinterkante 11 Anbaukörper bzw.
Ruderteile 20 und 21 angeordnet. Die beiden Anbaukörper 20, 21 sind zueinander asymmetrisch
an der Hinterkante 11 des Ruders 10 an diesem angeformt oder als gesonderte Bauteile
an dem Ruder 10 befestigt, wobei auch eine lösbare Befestigung erfolgen kann, die
immer dann vorteilhaft ist, wenn Anbaukörper 20, 21 mit einer anderen Profilgebung
verwendet werden sollen.
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Die asymmetrische Anordnung der Anbaukörper 20, 21 ist aus Fig. 2
ersichtlich. Die in dieser Fig. 2 dargestellte
Ausführungsform
gilt für einen rechtsgängigen Propeller.
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Wie Fig. 2 ferner erkennen läßt, ist jeder Anbaukörper 20 bzw. 21
rechtsseitig bzw. linksseitig angeordnet, so daß sich gekrümmt verlaufende Mittellinien
ergeben. Die Mitellinie für den oberen Anbaukörper 20 ist in Fig. 1 bei 20a angedeutet.
Wie Fig. 1 erkennen läßt, ist diese Mittellinie 20a rechtsseitig auslaufend, während
die Mittellinie durch das Ruder 10 und den unteren Anbaukörper 21 bei 24a in Fig.
1 angedeutet und links auslaufend ist. Die beiden Mittellinien 20a, 21q können abgeknickt
oder gekrümmt verlaufend sein.
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Der Ubergang der asymmetrischen Anbaukörper 20, 21 kann durch eine
ebene Mittelplatte 25 schräg (Fig. 3) oder gewölbt (Fig. 3a) oder horizontal (Fig.
3b) ausgeführt sein. Die Stufe zwischen den beiden Anbaukörpern 20, 21 ist bei 24
in Fig. 2 angedeutet.
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Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, das Ruder 10 mit einem
in der Zeichnung nicht dargestellten und in an sich bekannter Weise ausgebildeten
saugseitenbeeinflussenden Rotor oder einer druckseitenbeeinflussenden Flosse zu
versehen.
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Die Anbaukörper 20, 21 an der Hinterkante 11 des Ruders 10 können
darüber hinaus durch an der Ober- und Unterkante des Ruderkörpers angeordnete Endscheiben
30 und 31 begrenzt sein (Fig. 6 und 7).
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Fig. 4 zeigt die strömungskinematischen Verhältnisse um ein Schiff
bei stationärer Drehkreisfahrt, insbesondere den Driftwinkel h am Heck. Es ist dies
der Winkel zwischen der Mitschiffsrichtung und der Strömungsrichtung, um den - näherungsweise
- der Ruderwinkel gR verringert wird. Fig. 5 zeigt diesen Sachverhalt, und zwar
das auf den Ruderwinkel /R gelegte Ruder und die Anströmrichtung. Der einseitig
an der Ruderhinterkante 11 vorgesehene Anbaukörper wirkt über einen breiten Bereich
K, wodurch die bekannten Verbesserungen der Tragflügeleigenschaften auch bei dem
dargestellten Schiff sruder ermöglicht werden. Die Mittellinie 20a nimmt eine gekrümmte
Form ein.
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Liegt das Ruder entgegengesetzt, so wird der im anderen Ruderteil
angeordnete entsprechende Anbaukörper in gleicher Weise wirksam. Der Bereich K wirkt
sich infolge der gekrümmten Mittellinie des Gesamtprofils hinsichtlich größtmöglicher
Ruderkraft bei geringstmöglichem Widerstand viel günstiger aus als der an sich bekannte
Staukeil In den Fig. 4 und 5 bedeuten: S = Schwerpunkt P = Drehpunkt M = Drehkreismittelpunkt
a = Abstand zwischen S und P Bs = Driftwinkel im Schwerpunkt 5 h = Driftwinkel am
Heck g R = Ruderwinkel
P = Propeller K = Ruderbereich mit Klappenfunktion
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