Rotationsflügelaggregat zur Anmontage an kleine Seefahrzeuge

Transactions in Suffering Innovations T27 SI852


Wissenschaftlicher Aufsatz, 2019
8 Seiten
Dipl.-Ing. Michael Dienst (Autor)

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Traktat

uber die Beitrage zum Stand der Technik und zu den "Transactions in Suffering Innovations"

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

Gegenstand der Beitrage zu den Schriften der "Transactions in Suffering Innovations" sind Artefakte, Problemlosungen, Gestaltungsfragen und die kritische Auseinandersetzung mit Themen der Bionik, also Technik nach Vorbildern aus der belebten und unbelebten Natur und ihre Umsetzung. In ausgesuchten Fallen 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 gefordert werden, dass die dargestellten notleidenden Artefakte, Problem- und Gestaltungslosungen frei von Rechten Dritter sind und mit ausdrucklicher Genehmigung dem Leser zur Nutzung verfugbar werden.

In den "Transactions in Suffering Innovations" werden ausschlieRlich 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 andern mag. Andererseits sind die dargestellten Artefakte notleidend, weil sie moglichweise auftretender oder voranschreitenden geistigen Umnachtung zum Opfer zu fallen drohen; ein Umstand der sich wohl nicht mehr andern wird.

Als Ubergeordneter Absicht gilt es solche Forschung anzustoRen, die Losungswege der Ubertragung biologischer Phanomene untersucht und Fragestellungen betrifft, die im Zusammenhang stehen mit Natur und Technik.

Die Beitrage zum Stand der Technik und den "Transactions in Suffering Innovations" sind in deutscher Sprache verfasst. Dem Text wird gegebenenfalls eine teilweise oder vollstandige Ubersetzung in englischer Sprache beigestellt. In einer Ausgabe der Schriftensammlung wird jeweils nur ein Werk platziert. Den Ausfuhrungen wird gegebenenfalls ein Prolog vor und ein Epilog nachgestellt.

Mi. Dienst

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Rotationsflugelaggregat zur Anmontage an kleine Seefahrzeuge

Technische Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein vertikal wirkendes Aggregat mit Rotationsflugel zur Anmontage im Unterwasserbereich kleiner Seefahrzeuge und beschreibt einen Autogyro-Hydro-Antrieb mit Repeller in Zweiflugel-Konfiguration. Kleine Seefahrzeuge in diesem Sinne sind Wake- und Surfboards, Segelsurfboards und Jollen. Der Rotationsflugel des Autogyro-Hydro-Antriebs ist zweiarmig und seine rotierenden Arbeitstragflachen sind freilaufend ausgefuhrt. Im Betrieb, bei Bewegung des Seefahrzeugs und Fahrrichtung und durch geeignete Anstromung gerat der Rotationsflugel autonom, passiv und zwangslaufig in Eigenrotation (Autogyroprinzip) und produziert eine Auftriebskraft, die senkrecht auf der Rotationsebene steht. Das vertikal wirkende Drehflugel-Aggregat (nachfolgend „Hydro-Copter" genannt) entspricht seitens seiner Anwendung und in seiner Betriebsweise einem so genannten Hydrofoil. Hydrofoils vom Stand der Technik dienen ebenso zur Anmontage an Segelsurfboards und Jollen vom Stand der Technik und dient der vertikalen Querkrafterzeugung im Unterwasserbereich. Der Hydro­Copter ist fluiddynamisch als Arbeitsmaschine betreibbar und die vom Seefahrzeug in Bewegung erzeugte (Auftriebs-) Querkraft des Rotationsflugels des Autogyro- Hydro-Antriebs wird zum (vertikalen) Anheben des Seefahrzeugs genutzt. Generell ist der Hydrocopter geeignet, im Zusammenwirken mit einem Surfboard und einem Surfsegel vom Stand der Technik ein mobiles Gesamtsystem abzubilden. Surfboard und Surfsegel sind nicht Gegenstand der Erfindung. Fur die Lehre uber das gestalterische Prinzip eines Rotationsflugelaggregates und insbesondere fur die Dimensionierung des Rotors des Hydro-Copters ist eine vereinfachende Theorie anzusetzen.

Stand der Technik. Autogyro-Prinzip.

Das Rotationsflugelaggregat zur Anmontage an kleine Seefahrzeuge nutzt das physikalisch-fluiddynamische Funktionsprinzip der aerodynamischen Tragschrauber vom Stand der Technik. Tragschrauber-Fluggerate sind interessant fur Anwendungen mit geringen Geschwindigkeiten. Tragschrauber, auch Autogyro, Gyrokopter oder Gyrocopter genannt, sind Drehflugler, die in ihrer Funktionsweise einem Hubschrauber ahneln. Der Rotor wird passiv durch den Fahrtwind in Drehung versetzt (Autorotation). Der Auftrieb in Fahrt ergibt sich dabei durch die aerodynamische Querkraft des drehenden Rotorblattsystems. Bei Gyrokoptern von Stand der Technik erfolgt der Vortrieb wie beim Starrflugelflugzeug meist durch ein Propellertriebwerk. Als Erfinder des Tragschraubers gilt der Spanier Juan de la Cierva, der seinen Autogiro als geschutzten Markennamen im Jahr 1923 bekannt machte. Nach einer (allerdings heute nicht mehr zeitgemaRen) Theorie der Tragschrauber entsteht Autorotation immer dann, wenn das Rotorblatt im inneren Bereich der Rotorebene einen hohen Anstellwinkel hat derart, so dass eine das Blatt beschleunigende Kraft resultiert. Im auReren Durchmesser hingegen bremst die Resultierende das Blatt. Beschleunigende und Resultierende sind im stationaren Flug im Gleichgewicht. Variiert (erhoht) man den Anstellwinkel der Rotorebene, verschiebt sich die Grenze zwischen beschleunigendem und abbremsendem Bereich nach auRen und damit zugunsten der Beschleunigung und der Rotor erhoht seine Drehzahl. Der (orthonormal auf der Rotorebene wirksame) vertikale Uberschuss wird als Hub nutzbar (Tragschrauber), bzw. im Fall des Flugaggregats mit Rotationsflugeln wird die dieserart senkrecht auf der Rotationsebene stehende Querkraft als Vortrieb nutzbar.

Eine geschlossene Theorie der Gyrocopter besteht bis Dato nicht. Moderne Berechnungs-ansatze, die einer Festlegung geometrischer Parameter in der fruhen Phase der Produkt-entwicklung dienen, gehen von einer Gleichzeitigkeit der Wirkungen der Autogyro-Rotoren als sowohl Kraft- und als Arbeitsmaschine aus. Dieser Ansatz fuhrt auf willkommene Vereinfachungen bei der Gestaltung der Rotorblatter.

Stand der Technik. Kleine foilende Seefahrzeuge.

Tragflugel- oder Tragflachenboote sind Hochgeschwindigkeitswasserfahrzeuge, die bei steigender Geschwindigkeit mittels des dynamischen Auftriebs unter Wasser liegender Tragflugel (Hydrofoils) wahrend der Fahrt angehoben werden. Sobald der Rumpf das Wasser nicht mehr beruhrt, „schwebt" das Seefahrzeug uber die Wasseroberflache. Da sich dann nur ein kleiner Teil des Fahrzeugs (Tragflugel und Propeller sowie das Ruderblatt) unterhalb der Wasseroberflache befindet, werden die Verdrangung und der Reibungswiderstand deutlich reduziert. Dadurch wird bei Motorfahrzeugen gleicher Antriebsleistung eine groRere Geschwindigkeit erreicht. Hydrofoils werden auch zunehmend im Segelsport eingesetzt. Fur kleine Segeljollen und fur Segelsurfboards sind Hydrofoils Stand der Technik.

Problembeschreibung

Hydrofoils vom Stand der Technik sind einfache, robuste, effiziente und bezogen auf die Geometrie des Seefahrzeugs, vergleichsweise kleine Anbauten im Bereich des Unterwasser-schiffs. Allerdings ist die zur Vertikalbewegung des Seefahrzeugs erforderliche Querkraft-erzeugung von stationarer Art. Dies setzt der Optimierung des Bauraums eines Hydrofoils Grenzen.

Dynamische Auftriebssysteme, wie Rotationsflugelaggregate zur Anmontage im Unter-wasserbereich kleiner Seefahrzeuge, die das physikalisch-fluiddynamische Funktionsprinzip der Tragschrauber nutzen, sind nicht Stand der Technik.

Problemlosung

Die Leistungsdichte eines Rotationsflugels ist aus physikalischen Grunden erheblich groRer als die eines Starrflugels und damit auch eines flachen- und baurumgleichen Hydrofoils vom Stand der Technik. Die Erfindung nach Anspruch 1 betrifft die Lehre uber das gestalterische Prinzip eines Rotationsflugelaggregates zur Anmontage im Unterwasserbereich kleiner Seefahrzeuge. Das Rotationsflugelaggregat entspricht in seiner Betriebsweise in Fahrt der eines Hydrofoils vom Stand der Technik. In Fahrt erzeugt der Rotationsflugel Auftriebskrafte nach dem „Autogyro-Prinzip".

Erreichbare Vorteile

Das Rotationsflugelaggregat zur Anmontage im Unterwasserbereich kleiner Seefahrzeuge ist ein Sportgerat und dient in erster Linie dem Freizeitvergnugen. Da aber das gestalterische Prinzip der Anmontage und auch die Betriebsweise des Hydro-Copters der eines Hydrofoils vom Stand der Technik entspricht, kommt dem Rotationsflugelaggregat ein informativer und padagogischer Wert bei. Theoretische Uberlegungen lassen den berechtigten Schluss zu, dass das Rotationsflugelaggregat wesentlich weniger Bauraum erfordert als ein leistungsgleiches Hydrofoil vom Stand der Technik. Mit einem Rotationsflugelaggregat fur kleine Seefahrzeuge wird bereits bei geringer Geschwindigkeit ein hoher Betrag an Auftriebskraft erzeugt, was energetisch und wirtschaftlich vorteilhaft ist.

Aufbau und Wirkungsweise.

Das Rotationsflugelaggregat nach Anspruch 1 dient zur Anmontage im Unterwasserbereich kleiner Seefahrzeuge. Das Rotationsflugelaggregat wird nachfolgend weiter als Hydro-Copter bezeichnet. Der Rotor R das Pylon WP und das Finnenterminal TER des Hydro-Copter bilden eine organisatorische und konstruktive Einheit. Die Abbildung Figur 1 zeigt skizzenhaft und schematisch das Rotationsflugelaggregat bestehend aus Rotor, Pylon und Finnenterminal in einer Anordnung zur Anmontage im Unterwasserbereich eines Segelsurfboards vom Stand der Technik. Die Tragflugel des Rotors R sind in geeigneter Weise, nach Stand der Technik und der Wissenschaft, zu profilieren. Der Querschnitt des Pylons WP soll eine stromungsmechanisch gunstige Form aufweisen. Das Finnenterminal TER soll den handelsublichen Standards vom Stand der Technik entsprechen.

Bezeichnungen, verwendet in Skizze Figur 1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Segelsurfboard BRD und Segel SAI sind nicht Gegenstand der Erfindung. Der Rotationsflugel R des Hydro-Copters ist am distalen (dem Bootkorper abgewandten) Ende des Pylons „fliegend" gelagert und befindet sich im Betrieb des Hydro-Copters im Freilauf. Die Drehachse des Rotors und damit die Rotationsebene EROT ist gegenuber einer Senkrechten zur Hauptbewegungsrichtung geneigt derart, dass eine Anstellung gegenuber der Hauptstromungsrichtung herrscht. Dieser Anstellwinkel ist fur die Wirkungsweise des Hydro-Copters wesentlich. Zum Antrieb eines Segelsurfboards dient das Surfsegel. Segeldruckpunkt SDP und Gewichtsschwerpunkt GSP sowie die Summe aller auReren Krafte stehen im stationaren Zustand des Fahrsystems in einem Gleichgewicht zueinander. In Fahrt vollfuhrt der Rotationsflugel R des Hydro-Copters nach Anspruch 1 eine Drehbewegung, die von einer passiven Beaufschlagung des Rotorsystems herruhrt. Gleichzeitig liefert das Rotorsystem - gemaR der Physik einer fluidmechanischen Wechselwirkung mit dem umgebenden Medium - eine Schubkraft (Lift L), die hinsichtlich GroRe und Wirkrichtung geeignet ist, das Seefahrzeug vertikal bis zur (Hoover-) Betriebswasserlinie HWL anzuheben. anzuheben. Dieses Wechsel- wirkungsgeschehen ist die Idee des Hydro-Copters nach Anspruch 1.

Weiterfuhrende Literatur, Quellenhinweise und Entgegenhaltungen

[1] Prandtl, L., 1924, Induced drag of multiplanes, NACA TN-182.

[7] Woodward, R. et. al., 1991, Takeoff/ Approach Noise for a Model Counterrotation Propeller with a Forward Swept Upstream Rotor, NASA TM-105979, AIAA-930596.

[9] Avellán, R. & Lundbladh, A., 2012, Air Propeller Arrangement and Aircraft, US Patent Application US2012/0288474A1, filed on Dec 28, 2009.

[14] Brandt, J.B. & Selig, M.S., 2011, Propeller Performance Data at Low Reynolds numbers, AIAA-2011-1255.

Anspruche

1. Rotationsflugelaggregat zur Anmontage im Unterwasserbereich kleiner Seefahrzeuge, das in seiner Betriebsweise einem Hydrofoil vom Stand der Technik entspricht, dadurch gekennzeichnet,

dass der Rotationsflugel zweiarmig und seine Arbeitstragflachen an einem Pylon freifliegend gelagert ausgefuhrt sind.

2. Rotationsflugelaggregat zur Anmontage im Unterwasserbereich kleiner Seefahrzeuge nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,

dass die vom Rotationsflugel erzeugte Querkraft zu einer vertikalen Hubbewegung des Seefahrzeugs genutzt werden kann.

[...]


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

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

8 von 8 Seiten

Details

Titel
Rotationsflügelaggregat zur Anmontage an kleine Seefahrzeuge
Untertitel
Transactions in Suffering Innovations T27 SI852
Veranstaltung
Bionik
Autor
Jahr
2019
Seiten
8
Katalognummer
V493300
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
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.
Schlagworte
rotationsflügelaggregat, anmontage, seefahrzeuge, transactions, suffering, innovations, si852
Arbeit zitieren
Dipl.-Ing. Michael Dienst (Autor), 2019, Rotationsflügelaggregat zur Anmontage an kleine Seefahrzeuge, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/493300

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