Strömungsadaptive Finne mit Gelenkgetriebe und variablem Tragflügelblatt in symmetrischer Ausführung

Transactions in Suffering Innovations


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

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„Transactions in suffering Innovations“

Ideen verbrennen im Park

Der Wedding ist heute wunderschön

und ich fühl` mich seltsam stark.

Was hält mich da noch im Labor?

Wir gehen zum Led Zeppelin,

der gefällt mir mehr als je zuvor,

bei ungefähr tausend Kelvin.

Komm, lass uns Patente verbrennen im Park.

Mi. Berlin 2019

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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Traktat

über die Beiträge zum Stand der Technik und zu den

„Transactions in Suffering Innovations“

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

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

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

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

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

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

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

Mi. Dienst

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Technische Beschreibung

Strömungsadaptive Finne mit Gelenkgetriebe und variablem Tragflügelblatt in symmetrischer Ausführung

Die Erfindung betrifft eine Finne, deren Gestalt sich der beaufschlagenden Strömung selbstständig anformt. Die Konstruktion des Tragflügels der Finne ist variabel und es sind unterschiedliche Materialien einsetzbar. Die Belastungsadaption der Finne wird über die besondere Gestaltung eines über drei Achsen beweglichen Gelenkgetriebes erreicht. Die Finnen-Gesamtkonstruktion ist symmetrisch ausgeführt und zur gestaltkompatiblen Montage beispielsweise an standardisierte Einbauflansche für Surfboards verschiedener Hersteller geeignet. Surfboard und Einbauflansche für sind nicht Gegenstand der Erfindung. Das Tragflügelteil der Finne besitzt eine strömungsmechanisch wirksame und bauartbedingt, eine sowohl zentral- als auch achssymmetrische Profilkontur. Die Finne entspricht einer Differentialkonstruktion. Durch die fluidmechanische Belastungsadaption der Finnenprofil-kontur wird erreicht, dass der Tragflügel – und damit das gesamte Strömungssystem - bei nichtsymmetrischer Anströmung in eine fluidmechanisch symmetrische Anströmposition zurückfindet. Das rückdrehende Moment wird passiv durch Strömungskräfte herbeigeführt. Ursache hierfür ist die besondere Gestaltung eines des über drei Achsen beweglichen Gelenkgetriebes. Folge ist eine selbstständig und passiv herbeigeführte Richtungsstabilität in der Strömung. Für derart erforderliche technische Flächengetriebe gibt es Vorbilder in der belebten Natur. Artifizielle, selbstständig, passiv-adaptiv richtungsstabile Finnen sind nicht Stand der Technik.

Stand der Technik und der Wissenschaft. Profile

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

Stand der Technik. Leitflächen an Surfboards

Zum Lateralplan eines Seefahrzeugs zählen alle fluidmechanisch wirksamen Leit- und Steuertragflächen im Unterwasserbereich. Surfboards sind sehr kleine Seefahrzeuge, die in der Regel nur eine Person und keine weitere Ladung transportieren. Surfboardfinnen sind als Leit- und Steuer-tragflächen im Bereich des Hecks eines Surfboards fluidmechanisch wirksam. Für die Montage von unterschiedlichen Finnen an Surfboards sehen die Hersteller unterschiedlich standardisierte Einbauflansche vor.

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

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

Stand der Wissenschaft, Biologie.

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

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

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

Stand der Technik und der Wissenschaft. Manövrieren und Richtungsstabilität.

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

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

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

Stand der Technik und der Wissenschaft. Bionik.

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

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

Problembeschreibung

Bei Leit- und Steuerflächen von Seefahrzeugen, wie etwa Surfboardfinnen und anderen fluidmechanisch wirksamen, Querkraft erzeugenden Tragflächen taucht das Problem der beidseitigen fluidischen Beaufschagbarkeit im Betrieb auf. Deshalb haben Leit- und Steuerflächen, von Seefahrzeugen im Allgemeinen symmetrische Profile. Dies gilt auch für am Surfboard zentral angeordnete Finnen. Auf dem Gebiet der Surfboardfinnen sind wölbbare oder scharnierartig ausgeführte Konstruktionen und Bauweisen nicht Stand der Technik. Zur Richtungsstabilität in Fahrt und beim Manövrieren von Seefahrzeugen sind belastungsadaptiv-flexible, nichtsymmetrische Profile für Tragflächen wünschenswert.

Problemlösung

Eine Leit- und Steuertragfläche (beispielsweise die Finne eines Surfboards) wird als othodox-strömungsadaptives und profilvariables fluiddynamisch wirksames Tragflächensystem ausgeführt.

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

Erreichbare Vorteile

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

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

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

Aufbau, bauliche Ausführung und Wirkungsweise

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

Die Beschreibung des Aufbaus, der baulichen Ausführung und der Wirkungsweise betrifft fluidmechanisch wirksame Leit- und Steuertragflächen für Seefahrzeuge, einer Finne deren Gestalt sich der beaufschlagenden Strömung selbstständig anformt. Die elastische Belastungsadaption wird über die besondere Gestaltung eines über drei Achsen beweglichen Gelenkgetriebes erreicht. Die Finne ist symmetrisch ausgeführt und zur gestaltkompatiblen Montage an standardisierte Einbauflansche für Surfboards diverser Hersteller geeignet.

Die Einbauflansche sind nicht Gegenstand der Erfindung. Das Seefahrzeug, respektive das Surfboard ist nicht Gegenstand der Erfindung.

In Ruhe, also fluidmechanisch neutral, besitzt das Tragflügelteil der Finne eine strömungsmechanisch wirksame, und durch die Bauart bedingt, eine sowohl zentral- als auch achssymmetrische Profilkontur. Für die Montage von unterschiedlichen Finnen an Surfboards sehen die marktführenden Hersteller standardisierte Einbauflansche vor.

Das bei dieser Konstruktion zur Anwendung kommende „Terminal“, welches zu dem Einbauflansch des Surfboards kompatibel ist, entspricht einem über Länge L, Tiefe T und Dicke D standardisierten Rechteckprisma.

Liste der Merkmale und Erläuterung der Abbildungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Konstruktionskomponenten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gelenke und Sparungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bereiche und Ebenen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Finnenterminal als Rechteckprisma dargestellt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die für Finnenwurzel-Bereich, kompatibel zu Terminal zur Anwendung kommende „Box“ ist beliebig und nicht relevant für die Erfindung nach Anspruch 1. In der Abbildung Figur 1 sei der Finnenwurzelbereich ROO dickenkompatibel zu Terminals eines beliebigen Herstellers.

Bauweisen und Bauausführungen der Anmontage einer Finnentragfläche an ein Surfboard sind nicht Gegenstand der Erfindung.

Aufbau und bauliche Ausführung.

Der Finnenflügel F besteht aus dem bugwärtigen Finnenflügelteil F1 und dem heckwärtigen Finnenflügelteil F2. Seine Geometrie kann skaliert und unterschiedlich ausgeführt werden. Durch Variation des Finnenbiegebereichs FBB können unterschiedlich rückstellende Biege-momente realisiert werden.

Das Terminal TER, Der Finnenflügel F, bestehend aus dem bugwärtigen Finnenflügelteil F1 und dem heckwärtigen Finnenflügelteil F2 sowie die Finnenwurzel ROO bilden zusammen eine konstruktive und funktionale Einheit, schematisch dargestellt in der skizzenhaften Zeichnung Figur 1.

Die Fugengelenke FG1 und FG2 sind als Filmgelenke ausgeführt. Das Fugengelenk FG1 rotiert in der Ebene der Drehachse EBE1. Das Fugengelenk FG2 rotiert in der Ebene der Drehachse EBE2. Die Sparung FUG wirkt wie ein Gelenk und ermöglicht eine Rotation in der vertikalen Ebene der Drehachse EBE3.

Die Drehachsen sind dargestellt in der skizzenhaften Zeichnung Figur 1.

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

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

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

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

Wirkungsweise

Der Tragflügel F, gebildet aus dem bugwärtigen Finnenflügelteil F1 und dem heckwärtigen Finnenflügelteil F2, sind Teil der Lateralfläche des Seefahrzeugs, respektive des Surfboards.

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

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

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

Während des bestimmungsgemäßen Betriebs, insbesondere beim Manövrieren oder in Fahrt, wie oben beschrieben, tritt am Unterwasserschiff des Surfboards eine nicht zentralsymmetrische, fluidische Beaufschlagung des Finnenflügels F auf. Die auf die Finne wirkende, resultierende Strömungsbewegung lässt sich in einen parallel zur Symmetrieachse des Seefahrzeugs liegenden Anteil und in einen quer dazu liegenden Anteil beschreiben, was für die Erklärung der fluidmechanischen Wirkungsweise strömungsbeaufschlagter, räumlich Leitflächen an Finnentragflächen von Bedeutung ist. Eine Surfboardfinnen-Tragfläche mit symmetrischem Tragflächenprofil nach Stand der Technik besitzt auch bei nichtzentraler fluidischer Beaufschlagung einen Betriebsbereich, in dem das Verhältnis aus erlittenem Widerstand und der für das Voranbewegen und Manövrieren erforderlicher erzeugter Querkraft vertretbar ist, oder kurz: auch symmetrische Profile erzeugen bei nicht zentraler Beaufschagung „Auftrieb“. Der Betriebsbereich (Anströmwinkel, Geschwindigkeit) eines nichtsymmetrischen Tragflächenprofils wird im Auslegungsfall aber erheblich größer sein, als jener eines vergleichbaren symmetrischen Tragflächenprofils. Bei fluidischer Beaufschlagung (also im nichtsymmetrischen Anströmungsfall) vollführt das aus den Tragflächenteilen (bugwärtiger Finnenflügelteil) F1 und dem (heckwärtiger Finnenflügelteil) F2 repräsentierten Tragflächensystem F eine zwangskinematische Klappbewegung um wenige Winkelgrade. Gleichzeitig erfolgt über das Strukturgelenk im Finnenbiegebereich ein Rückstellmoment. Es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein und die Tragflügelfläche FIN erfährt eine Wölbung.

Fluidmechanische Wirkungsweise.

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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

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

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

Bibliographie, unterstützende Literatur und Entgegenhaltungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Entgegenhaltungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Skiuen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ansprüche

(1) Surfboardfinne, deren Gestalt sich einer beaufschlagenden Strömung selbstständig anformt, dadurch gekennzeichnet,
dass ein bugwärtiger Surffinnentragflächenteil und ein heckwärtiger Surffinnen- tragflächenteil und die Surfbrettfinnentragflächenteile verbindenden Filmgelenke eine konstruktive und funktionale Einheit bilden.
(2) Surfboardfinne nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
dass das Gelenkplattensystem unter fluidischer Beaufschlagung ein strömungsmechanisch vorteilhaftes Surffinnentragflügelsystem ausbildet.
(3) Surfboardfinne nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
dass die Finne ist symmetrisch ausgeführt und zur gestaltkompatiblen Montage an standardisierte Einbauflansche für Surfboards diverser Hersteller geeignet ist.
(4) Surfboardfinne nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
dass das Tragflügelteil der Surfboardfinne eine strömungsmechanisch wirksame und bauartbedingt, eine sowohl zentral- als auch achssymmetrische Profilkontur besitzt
(5) Surfboardfinne nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
dass die Konstruktion des Tragflügels der Finne variabel ist und unterschiedliche Materialien einsetzbar sind.

[...]


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

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

22 von 22 Seiten

Details

Titel
Strömungsadaptive Finne mit Gelenkgetriebe und variablem Tragflügelblatt in symmetrischer Ausführung
Untertitel
Transactions in Suffering Innovations
Veranstaltung
Bionik
Autor
Jahr
2019
Seiten
22
Katalognummer
V504040
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Die Erfindung betrifft eine Finne, deren Gestalt sich der beaufschlagenden Strömung selbstständig anformt. Die Konstruktion des Tragflügels der Finne ist variabel und es sind unterschiedliche Materialien einsetzbar. Die Belastungsadaption der Finne wird über die besondere Gestaltung eines über drei Achsen beweglichen Gelenkgetriebes erreicht.
Schlagworte
strömungsadaptive, finne, gelenkgetriebe, tragflügelblatt, ausführung, transactions, suffering, innovations
Arbeit zitieren
Dipl.-Ing. Michael Dienst (Autor), 2019, Strömungsadaptive Finne mit Gelenkgetriebe und variablem Tragflügelblatt in symmetrischer Ausführung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/504040

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