WO2008043504A2 - Tordiertes schiffsruder und damit ausgerüstetes schiff - Google Patents

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    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
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    • B63H25/00—Steering; Slowing-down otherwise than by use of propulsive elements; Dynamic anchoring, i.e. positioning vessels by means of main or auxiliary propulsive elements
    • B63H25/06—Steering by rudders
    • B63H25/38—Rudders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H25/00—Steering; Slowing-down otherwise than by use of propulsive elements; Dynamic anchoring, i.e. positioning vessels by means of main or auxiliary propulsive elements
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    • B63H2025/066—Arrangements of two or more rudders; Steering gear therefor
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    • B63H25/06—Steering by rudders
    • B63H25/38—Rudders
    • B63H2025/388—Rudders with varying angle of attack over the height of the rudder blade, e.g. twisted rudders

Definitions

  • the present invention relates to a rudder blade for a ship and a ship with at least one rudder blade according to the invention.
  • a conventionally designed rudder that is to say in simplified terms a flat plate which is laterally offset from the keel line in the stern area of the ship and aligned in the zero degree position exactly parallel to the keel line, would therefore be flowed obliquely and thus causes a flow resistance.
  • This flow resistance means higher fuel consumption and thus higher environmental impact or with the same fuel consumption and the same engine performance low speed and thus extended travel time and thus turn higher fuel consumption and higher environmental impact.
  • US 5,415,122 it is known to adapt a rudder blade to a propeller generated flow. The flow directions generated by the propeller are taken into account and the rudder is adjusted accordingly in a variety of profiles in the chordwise direction.
  • Table 1 of this document indicates a reduction of an angle of the rudder blade with increasing height (Y position) of the respective profile, starting from the axis of the upstream propeller.
  • This special design of a rudder blade takes into account in particular the effects of turbulence by the propeller.
  • Object of the present invention is to provide a particularly streamlined rudder blade for attachment in the region of the stern of a ship laterally next to the keel line.
  • a self-twisting rudder blade wherein the twisting is adapted to the course of the flow of water at the stern of the ship, ie in the region of the mounting location of the rudder blades.
  • the advantages of these rudders invention are a higher efficiency of the rudder blades, which leads to smaller rudder blades, as well as an improved flow of the propeller (if it is present).
  • This effect according to the invention is achieved when, with a rudder angle of zero degrees, that is to say a rudder system set for exact straight-ahead driving, the angle of attack at the rudder is also exactly zero degrees.
  • the exact angle of attack of the rudder blade on its upper side naturally depends on the geometric course of the stern. Towards its bottom (as the side away from the hull), the twisting gradually decreases. In the present case, the rudder blade is twisted by about 10 degrees in its upper (near-the-hull) area, while it is twisted by about 2 degrees in its lower (fuselage) area.
  • a ship is proposed with at least one arranged for controlling the ship, twisted rudder blade, wherein the twisting of the blade is adapted to the course of the flow of water in the region of the respective rudder blade, if the rudder blades in the direction of travel of the ship is not in operation propeller upstream , It is thus adjusted the rudder blade to the flow of water relative to the ship, this flow is not generated by an upstream propeller. Rather, the primary factor is the flow that results from the ship's passage through the water. Other currents are not taken into account or do not occur.
  • the rudders are not preceded by a propeller. If in another embodiment, a propeller should be upstream, this is not in operation. This means that it is not driven, but is idle, for example.
  • At least two rudder blades are thus proposed, which are provided laterally offset from the keel line, the twisting of the blade being adapted to the flow of the water caused by the geometry of the hull in the region of the respective rudder blade.
  • twisting the rudder blade is meant a rotation of the rudder blade about a longitudinal axis of the rudder blade.
  • the specified torsion angle is given as the angle of the rudder blade at the respective height relative to the keel line and can also be referred to as the angle of attack.
  • the rudder blades have an angle of attack to the keel line, so that the respective rudder blade points in the flow direction when the ship is moving forward to the keel line. Due to the shape of the hull tapering backwards towards the stern and when the rudders are arranged as usual in the stern area of the ship, the flow of the water - relative to the ship - also runs backwards as the ship makes its way through the water. This effect contributes to this embodiment. Accordingly, when driving straight, the rudder blades to the keel line and thus to the ship's center.
  • the angle of attack to the keel line of the respective rudder blade decreases with increasing distance from the hull.
  • the rudder blade is therefore so twisted that near the fuselage a larger angle of attack is present, which then decreases with increasing distance from the hull, ie downwards.
  • the angle of attack or torsion angle is between 2 degrees and 20 degrees.
  • the larger value is usually near the hull and the smaller at the bottom of the rudder blade.
  • the angle from the hull may drop from 20 degrees at the fuselage or near the fuselage to 5 degrees at the bottom, or in another example from 10 degrees to 2 degrees.
  • the angle of attack or torsion angle in the vicinity of the fuselage is 10 degrees to 20 degrees and in the fuselage range 2 degrees to 5 degrees.
  • two rudders are arranged symmetrically on both sides of the keel line.
  • a rudder in the direction of travel is right and thus on the starboard side of the ship and a counterpart to it is located on the opposite side of the keel line, but otherwise in the same place.
  • Such two rudders are preferably also symmetrical to each other, namely designed mirror-symmetrical.
  • At least one Magnus rotor is provided as drive for the ship.
  • a Magnus rotor generates a propulsion for the ship by utilizing the Magnus effect.
  • a fast rotating, vertical cylinder is used, which is flowed around by the wind.
  • the wind direction and direction of rotation results in a propulsion for the ship.
  • the rudder blades are designed. Further advantageous effects may also arise when other types of drives are used, which do not or not significantly interfere with the flow of water in the trunk area.
  • a propeller may, for example, be provided as an auxiliary drive.
  • the design of the rudder blade or the rudder blades is preferably carried out when the propeller is not driven, this being e.g. is idle.
  • the invention also claims a rudder blade prepared for use with a ship.
  • FIG. 4 the rear portion of the ship is shown with two rudder blades, which are arranged on both sides laterally next to the keel line of the ship.
  • One of the rudder blades is arranged on the left, ie on the port side of the keel line, while the second rudder blade is arranged on the right, that is to say on the starboard side of the keel line.
  • the ship is a pure sailing ship, as the present drawing might suggest, or whether there is at least one propeller with another rudder blade (eg, exactly in the keel line) is completely irrelevant to the present invention, but not excluded.
  • the drawing Figure 3 shows a further rear view of the ship, but from a slightly different perspective.
  • the port side (left) rudder blade is twisted to the right, ie to the keel line, while the starboard side (right) rudder blade is twisted to the left, ie also to the keel line.
  • the angle of attack or the torsion angle of each rudder blade decreases with increasing distance from the fuselage. In the concrete embodiment, however, it does not reach zero degrees at the lower (fuselage-facing) end of the rudder blade, but still has an angle of 2 degrees.
  • FIGS. 3 and 4 It can also be seen in FIGS. 3 and 4 that the rudders are not preceded by a propeller. In general, no propeller is present in the illustrated embodiment.
  • Figure 2 shows only the two rudder blades without the (over) hull. In this drawing the twisting is again clearly visible. The look in this drawing is again directed from the back to the stern of the ship.
  • FIG. 1 likewise shows only the rudder blades according to the invention, but in a view from below, so that the ship keel could be seen between these rudder blades.
  • the distortion at the trailing edge of the rudder blades can be seen particularly clearly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein tordiertes Ruderblatt. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Tordierung des Blattes dem Verlauf der Strömung des Wassers im Bereich des jeweiligen Ruderblattes angepasst ist, wenn den Ruderblättern in Fahrtrichtung des Schiffes kein in Betrieb befindlicher Propeller vorgelagert ist.

Description

Seitliches Schiffsruder
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ruderblatt für ein Schiff sowie ein Schiff mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Ruderblatt.
Schaut man sich die Strömung entlang des Rumpfes eines fahrenden Schiffes an, dann ist gut zu erkennen, dass an einem sich verjüngenden Schiffsheck die Strömung nicht exakt parallel zur Kiellinie des Schiffes verläuft sondern dem Verlauf des Schiffshecks folgt.
Ein konventionell ausgebildetes Ruder, also vereinfacht ausgedrückt eine ebene Platte, das seitlich versetzt von der Kiellinie im Heckbereich des Schiffes angebracht und in der Nullgrad-Stellung exakt parallel zur Kiellinie ausgerichtet ist, würde also schräg angeströmt und ruft damit einen Strömungswiderstand hervor. Dieser Strömungswiderstand bedeutet höheren Kraftstoffverbrauch und damit höhere Umweltbelastung bzw. bei gleichem Kraftstoffverbrauch bzw. gleicher Maschinenleistung geringe Geschwindigkeit und damit verlängerte Reisezeit und somit wiederum höheren Kraftstoffverbrauch und eine höhere Umweltbelastung. Aus der US 5 415 122 ist bekannt, ein Ruderblatt an eine propellererzeugte Strömung anzupassen. Dabei werden die durch den Propeller erzeugten Strömungsrichtungen berücksichtigt und das Ruder entsprechend in einer Vielzahl von Profilen in Sehnenrichtung angepasst. Beispielsweise gibt die Tabelle 1 dieser Druckschrift eine Verringerung eines Winkels des Ruderblattes an bei zunehmender Höhe (Y-Position) des jeweiligen Profils, ausgehend von der Achse des vorgelagerten Propellers. Diese spezielle Auslegung eines Ruderblattes berücksichtigt insbesondere auch die Effekte durch Verwirbelungen durch den Propeller.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein besonders strömungsgünstiges Ruderblatt für eine Anbringung im Bereich des Hecks eines Schiffes seitlich neben der Kiellinie anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein in sich tordiertes Ruderblatt, wobei die Tordierung dem Verlauf der Strömung des Wassers am Heck des Schiffes, also im Bereich des Anbringungsortes der Ruderblätter, angepasst ist. Die Vorteile dieser erfindungsgemäßen Ruder sind eine höhere Effizienz der Ruderblätter, die zu kleineren Ruderblättern führt, sowie auch eine verbesserte Anströmung des Propellers (sofern er denn vorhanden ist).
Diese erfindungsgemäße Wirkung wird dann erreicht, wenn bei einer Ruderlage von Null Grad, also einer auf exakte Geradeausfahrt eingestellten Ruderanlage der Anströmwinkel am Ruder auch genau Null Grad ist.
Da die Strömung (jedenfalls an der Wasseroberfläche) exakt dem Verlauf des Rumpfes im Heckbereich des Schiffes folgt, ist der genaue Anstellwinkel des Ruderblattes an seiner Oberseite (der zum Rumpf hin gewandten Seite) natürlich vom geometrischen Verlauf des Hecks abhängig. Zu seiner Unterseite hin (als der vom Schiffsrumpf fort weisenden Seite) wird die Tordierung allmählich geringer. Im vorliegenden Fall ist das Ruderblatt in seinem oberen (rumpfnahen) Bereich um etwa 10 Grad tordiert, während es in seinem unteren (rumpffernen) Bereich um etwa 2 Grad tordiert ist. Diese Werte wurden am konkreten Beispiel einer vorgegebenen Rumpfform zunächst durch Simulation und dann empirisch ermit- telt. Da, wie vorstehend erwähnt, eine Abhängigkeit der Tordierung von der Rumpfgeometrie gegeben ist, dürfte im rumpfnahen (oberen) Bereich des Ruderblattes eine Verwindung von bis zu 20 Grad durchaus nicht unrealistisch sein. Im unteren (rumpffernen) Bereich dürften durchaus Bereiche bis 5 Grad in Betracht kommen.
Dabei ist aber zu berücksichtigen, dass diese Verwindung stets zur Kiellinie, also zur Rumpfmitte hin ausgeführt werden muss. Das Ruderblatt ist also immer einwärts tordiert.
Erfindungsgemäß wird ein Schiff vorgeschlagen mit wenigstens einem zum Steuern des Schiffes angeordneten, tordierten Ruderblatt, wobei die Tordierung des Blattes dem Verlauf der Strömung des Wassers im Bereich des jeweiligen Ruderblattes angepasst ist, wenn den Ruderblättern in Fahrtrichtung des Schiffes kein in Betrieb befindlicher Propeller vorgelagert ist. Es wird somit das Ruderblatt an die Strömung des Wasser relativ zum Schiff angepasst, wobei diese Strömung nicht durch einen vorgelagerten Propeller erzeugt wird. Vielmehr ist primär die Strömung von Bedeutung, die sich aus der Fahrt des Schiffs durchs Wasser ergibt. Andere Strömungen werden nicht berücksichtigt bzw. treten nicht auf. Es ist somit gemäß einem Aspekt den Rudern kein Propeller vorgelagert. Sofern in einer anderen Ausführungsform ein Propeller vorgelagert sein sollte, ist dieser nicht in Betrieb. Das heißt, dass er nicht angetrieben wird, sondern sich bei- spielsweise im Leerlauf befindet.
Gemäß einer Ausführungsform werden somit wenigstens zwei Ruderblätter vorgeschlagen, die seitlich versetzt zur Kiellinie vorgesehen sind, wobei die Tordierung des Blattes dem durch die Geometrie des Rumpfes verursachten Verlauf der Strömung des Wassers im Bereich des jeweiligen Ruderblattes an- gepasst ist. Durch die Fahrt des Schiffes durchs Wasser ergibt sich relativ zum - A -
Schiff eine Strömung, die in Ihrer Größe etwa der Geschwindigkeit des Schiffes durchs Wasser entspricht. Der konkrete Verlauf der Strömung wird primär durch die Geometrie des Schiffsrumpfes bestimmt, soweit dieser im Wasser liegt. An diese Strömung sind die Ruderblätter angepasst.
Unter Tordierung des Ruderblattes ist eine Verdrehung des Ruderblattes um eine Längsachse des Ruderblattes zu verstehen. Der jeweils angegebene Torsionswinkel wird jedoch als Winkel des Ruderblattes an der jeweiligen Höhe relativ zur Kiellinie angegeben und kann auch als Anstellwinkel bezeichnet werden.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die Ruderblätter einen Anstellwinkel zur Kiellinie hin auf, so dass das jeweilige Ruderblatt in Strömungsrichtung bei Vorwärtsfahrt des Schiffes zur Kiellinie weist. Durch die nach hinten zum Heck hin zulaufende Rumpfform und wenn die Ruder wie üblich im Heckbereich des Schiffes angeordnet sind läuft auch die Strömung des Wasser - relativ zum Schiff - nach hinten zu, wenn das Schiff Fahrt durchs Wasser macht. Diesem Effekt trägt diese Ausführungsform Rechnung. Entsprechend weisen, bei Geradeausfahrt, auch die Ruderblätter zur Kiellinie und damit zur Schiffsmitte.
Gemäß einer Ausgestaltung nimmt der Anstellwinkel zur Kiellinie des jeweiligen Ruderblattes mit zunehmendem Abstand vom Schiffsrumpf ab. Das Ruderblatt ist demnach so tordiert, dass in Rumpfnähe ein größerer Anstellwinkel vorhanden ist, der dann mit zunehmender Entfernung vom Schiffsrumpf, also nach unten hin abnimmt.
Gemäß einer Ausführungsform liegt der Anstellwinkel oder Torsionswinkel zwischen 2 Grad und 20 Grad. Dabei ist der größere Wert üblicherweise in der Nähe des Schiffsrumpfes und der kleiner am unteren Ende des Ruderblatts. Beispiels- weise kann der Winkel vom Schiffsrumpf aus von 20 Grad am Rumpf bzw. in Rumpfnähe auf 5 Grad am unteren Ende abfallen, oder in einem anderen Beispiel von 10 Grad auf 2 Grad. Gemäß einer Ausgestaltung beträgt der Anstellwinkel oder Torsionswinkel im rumpfnahen Bereich 10 Grad bis 20 Grad und im rumpffernen Bereich 2 Grad bis 5 Grad.
Bevorzugt sind jeweils zwei Ruder symmetrisch beidseitig der Kiellinie angeord- net. Somit befindet sich ein Ruder in Fahrtrichtung rechts und damit an der Steuerbordseite des Schiffes und ein Pendant dazu befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite der Kiellinie, ansonsten aber an der selben Stelle. Solche zwei Ruder sind vorzugsweise auch zueinander symmetrisch, nämlich spiegelsymmetrisch gestaltet.
Vorzugsweise ist als Antrieb für das Schiff wenigstens ein Magnusrotor vorgesehen. Ein solcher Magnusrotor erzeugt einen Vortrieb für das Schiff unter Ausnutzung des Magnuseffektes. Beispielsweise wird ein sich schnell drehender, senkrecht stehender Zylinder verwendet, der vom Wind umströmt wird. Je nach Windrichtung und Drehrichtung resultiert ein Vortrieb für das Schiff. Somit findet kein Antrieb durch eine Propellerbewegung statt und die Strömung des Wassers im Rumpfbereich richtet sich im wesentlichen nach der Fahrt des Schiffs durchs Wassers und das Strömungsprofil wird durch die Geometrie des Schiffsrumpfes bestimmt. Entsprechend sind die Ruderblätter ausgelegt. Weitere vorteilhafte Wirkungen können sich auch ergeben, wenn andere Antriebsarten verwendet werden, die nicht oder nicht wesentlich in die Strömung des Wassers im Rumpfbereich eingreifen. Gemäß einer Ausführungsform kann auch eine Propeller bspw. als Hilfsantrieb vorgesehen sein. In diesem Falls erfolgt die Auslegung des Ruderblattes bzw. der Ruderblätter jedoch vorzugsweise bei nicht angetriebenem Propeller, der hierfür z.B. im Leerlauf ist.
Erfindungsgemäß wird auch ein Ruderblatt beansprucht, das für die Verwendung mit einem Schiff vorbereitet ist.
Mit dieser Beschreibung werden vier Zeichnungen übermittelt. Diese sind bezeichnet mit Figur 4, Figur 3, Figur 2, Figur 1. In der Zeichnung Figur 4 ist der Heckbereich des Schiffes mit zwei Ruderblättern dargestellt, die beiderseits seitlich neben der Kiellinie des Schiffes angeordnet sind. Eines der Ruderblätter ist links, also backbordseitig der Kiellinie angeordnet, während das zweite Ruderblatt rechts, also steuerbordseitig der Kiellinie angeordnet ist. Ob das Schiff ein reines Segelschiff ist, wie die vorliegende Zeichnung andeuten könnte, oder ob noch wenigstens ein Propeller mit einem weiteren Ruderblatt (z. B. genau in der Kiellinie) vorhanden sind, ist für die vorliegende Erfindung völlig unerheblich, aber nicht ausgeschlossen.
Die Zeichnung Figur 3 zeigt eine weitere Heckansicht des Schiffes, allerdings aus einer etwas veränderten Perspektive. In dieser Zeichnung ist gut zu erkennen, dass das backbordseitige (linke) Ruderblatt nach rechts, also zur Kiellinie hin, tordiert ist, während das steuerbordseitige (rechte) Ruderblatt nach links, also ebenfalls zur Kiellinie hin, tordiert ist. Weiterhin ist gut zu erkennen, dass der Anstellwinkel oder der Torsionswinkel jedes Ruderblattes mit zunehmender Entfernung vom Rumpf abnimmt. Im konkreten Ausführungsbeispiel erreicht er aber auch am unteren (rumpfabgewandten) Ende des Ruderblattes nicht Null Grad, sondern hat immer noch einen Winkel von 2 Grad.
In den Figuren 3 und 4 ist außerdem zu erkennen, dass den Rudern kein Propeller vorgelagert ist. Überhaupt ist kein Propeller in der dargestellten Ausführungs- form vorhanden.
Die Figur 2 zeigt nur die beiden Ruderblätter ohne den (darüber befindlichen) Rumpf. In dieser Zeichnung ist die Tordierung nochmals gut zu erkennen. Der Blick in dieser Zeichnung ist wieder von hinten auf das Heck des Schiffes gerichtet.
Die Figur 1 zeigt ebenfalls nur die erfindungsgemäßen Ruderblätter, allerdings in einer Ansicht von unten, sodass zwischen diesen Ruderblättern der Schiffskiel zu sehen wäre. Hier ist besonders deutlich die Verwindung an der Hinterkante der Ruderblätter (in der Figur unten) zu erkennen.

Claims

Ansprüche
1. Schiff mit wenigstens einem zum Steuern des Schiffes angeordneten, tordierten Ruderblatt, wobei die Tordierung des Blattes dem Verlauf der Strömung des Wassers im Bereich des jeweiligen Ruderblattes angepasst ist, wenn den Ruderblättern in Fahrtrichtung des Schiffes kein in Betrieb befindlicher Propeller vorgelagert ist.
2. Schiff nach Anspruch 1 , wobei wenigstens zwei Ruderblätter seitlich versetzt zur Kiellinie vorgesehen sind, wobei die Tordierung des Blattes dem durch die Geometrie des Rumpfes verursachten Verlauf der Strömung des Wassers im Bereich des jeweiligen Ruderblattes angepasst ist.
3. Schiff nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ruderblätter einen Anstellwinkel zur Kiellinie hin aufweisen, so dass das jeweilige Ruderblatt in Strömungsrichtung bei Vorwärtsfahrt des Schiffes zur Kiellinie weist.
4. Schiff nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein bzw. der An- stellwinkel zur Kiellinie des jeweiligen Ruderblattes mit zunehmendem Abstand vom Schiffsrumpf abnimmt.
5. Schiff nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein bzw. der Anstellwinkel oder Torsionswinkel zwischen 2 Grad und 20 Grad beträgt.
6. Schiff nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein bzw. der An- stellwinkel oder Torsionswinkel im rumpfnahen Bereich 10 Grad bis 20 Grad und im rumpffernen Bereich 2 Grad bis 5 Grad beträgt.
7. Schiff nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeweils zwei Ruder symmetrisch beidseitig der Kiellinie angeordnet sind.
8. Schiff nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Antrieb für das Schiff wenigstens ein Magnusrotor vorgesehen ist.
9. Tordiertes Ruderblatt, wobei die Tordierung des Blattes dem Verlauf der Strömung des Wassers im Bereich des Anbringungsortes des jeweiligen Ruderblattes angepasst ist, wenn den Ruderblättern in Fahrtrichtung des Schiffes kein in Betrieb befindlicher Propeller vorgelagert ist.
10. Tordiertes Ruderblatt nach Anspruch 9, wobei wenigstens zwei Ruderblätter seitlich versetzt zur Kiellinie vorgesehen sind, wobei die Tordierung des Blattes dem durch die Geometrie des Rumpfes verursachten Verlauf der Strömung des Wassers im Bereich des Anbringungsortes des jeweiligen Ruderblattes angepasst ist
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