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Liebe Segelfreunde,
Mit Interesse habe ich den neuen Entwurf des O-Jolle Ruders mit schmaler Schablone und NACA 0012 Profil des
technischen Obermannes IOUD, Herrn Ernst Lissel, studiert.
Nach einigen Berechnungen frage ich mich ob dieses Ruder eine Verbesserung geben wird in Bezug auf den Mangel
des heutigen alu-Ruderblattes und ob es besser sein wird als das nach vielen Testen (nach Beratschlagung mit der
internationalen technischen Kommission) durch IOUN gewählte Ruder mit der heutigen Schablone mit NACA 0009
Profil.
Im Vergleich zu verschiedenen Profilen wird stets ausgegangen von Auftriebskoeffizienten von theoretisch
unendlichem Flügel bis zu einem Winkel von maximal 20 Grad. Ein Ruder hat aber eine Lenkfunktion über einen
Bereich von 45 Grad die besonders bei starken Korrektionen der O-Jolle benutzt wird (z.B. bei aus dem Ruder laufen).
Um dies und jenes zu verdeutlichen verweise ich auf den Bericht von Robert E. Sheldahl und Paul C. Klimas [2]
wobei, mit Hilfe einer Windmühle mit Vertikalachse, Windtunnelexperimente ausgeführt worden sind mit NACA
0009, 0012 und 0015 Profilen mit 90 cm Länge und 15 cm Breite, Aspektratio (AR) = 6 [1], und NACA 0012 und 0015
Profile mit 90 cm Länge und 38 cm Breite (AR=2,3) über einen Winkel von 360 Grad (zum Vergleich: die heutige
Schablone hat eine AR=2,3 und die neue deutsche Schablone hat AR= 3,1).
Die Messungen sind ausgeführt worden bei Reynoldszahlen (Re)[1] die direkt anwendbar sind auf die
Fahrgeschwindigkeiten die für die O-Jolle wichtig sind, nämlich 4,8 NM/Stunde und 6,6 NM/ Stunde für die Profile
NACA 0009 und NACA 0012. Diese Experimente können dann auch als Schleppproben betrachtet werden.
Abb. 1
Abb. 2
NACA 0009 [2] - Abb. 9 Seite 83
NACA 0012 [2] - Abb. 10 Seite 84
1
Abb. 3
NACA 0009 NACA 0012
Re= 360000 (4.8 NM/St.)
Der Auftriebskoeffizient
Aus den Abbildungen 1,2 und 3 stellt sich heraus das NACA 0012 im Bereich von 8-12 Grad eine
Verbesserung des Auftriebskoeffizienten ergibt von 15 % in Bezug auf NACA 0009 und wahrscheinlich sogar 20 % in
Bezug auf das alu-Ruderblatt. Das heisst dass das NACA 0012 Profil während stabilem Amwind-kurse bei einem
durchschnittlichen Anströmungswinkel von 6 Grad besser ist als das alu-Ruderblatt und auch besser ist als die heutige
Schablone mit einem NACA 0009 Profil.
Dramatisch aber ist, dass NACA 0012 nach 12 Grad 35 % Verlust im Auftriebskoeffizient aufweist und nach 16 Grad
im Durchschnitt 10% schlechter ist als das NACA 0009 Profil.
Während grössere Korrektionen ist es unmöglich das Ruder zwischen 0 und 12 Grad zu halten aber es wird
fortwährend im Bereich mit 35% Verlust im Auftrieb, und somit Ruderkraft, bewegt werden.
Für das NACA 0012 Profil mit AR=2,5 wird dieser Effekt noch stärker werden, nach 14 Grad eine Abnahme von 45 %
Auftriebkoeffizient [2] Abb.5 Seite 79.
Stellen Sie sich mal vor ein PKW hätte eine Uebertragungsfunktion zwischen Lenkrad und Vorderräder gemäss dieser
Kurve…..
Der Widerstand
Bei einem kleinen Ruderausschlag (1-3 Grad) hat das NACA 0009 Profil [2] Abb.13 Seite 87, 30% weniger
Widerstand als das NACA 0012 Profil [2] Abb. 14 Seite 88. Dieser Widerstand wird auch bestimmt durch die
Frontalfläche. Wenn das Ruder tiefer steckt, wird die Frontalfläche grösser (Flügellänge nimmt zu).
Das längere NACA 0012 Ruder wird ungefähr 35% mehr Widerstand haben als die heutige Schablone mit NACA 0009
Profil.
Bei unseren Praxistesten mit der heutigen Schablone und ein NACA 0010 Profil hat sich herausgestellt dass bei einer
Windstärke von 2,5 Bft Vorwindkurs, bei minimalem Ruderausschlag, das alu-Ruderblatt etwas weniger Widerstand
hat als das NACA 0010 Profil.
Das NACA 0012 Profil wird bei diesem Kurs nachweisbar mehr Widerstand aufbringen als das NACA 0009 Profil das
ungefähr dem Widerstand des alu-Ruderblattes entspricht.
2
Die Biegung
In der Biegungsformel ist bei gleichem Ruderdruck und Kernmaterial der Quotient L^3/I bestimmend für die
Biegung[1].
NACA 0012 L = 74.5 cm I = 26.6 L^3/1= 74.5^3/26.6 = 15545
NACA 0009 L = 66.5 cm I = 24.6
66.6^3/24.6 = 11955
Hieraus geht hervor dass das längere NACA 0012 Profil in Querrichtung 30 % mehr biegen wird. Dies hat einen
negativen Einfluss auf der Effektivität des Profils.
Das Festlegen des Profils
Bei niedrigen Reynoldszahlen ergibt sich aus der Wahl der Dicke des Ruderblattes sofort das optimale NACA Profil.
Schon in 1934 sind die NACA Profile in einem Windtunnel bestimmt und festgelegt worden; diese werden bis heute
angewandt. Das zu präzise vorschreiben eines Profils macht das Ruder ungeeignet für Selbstanfertigung und dadurch
unnötig teuer.
Ein Beispiel wie einfach und wirksam Ruder und Profil festgelegt werden können kann man sehen bei der
Olympischen Finnjolle-Klasse [3] Seite 30-33. Hier benutzt man eine Schablone für das Blatt und den Kopf und eine
rechtwinklige Messschablone fürs Profil. Diese Schablone wird bis zur Wasseroberfläche
über das Ruderblatt geschoben. Ferner ist das Maximumgewicht des totalen Ruders festgelegt.
Bei der Finnjolle ist ein kurzes breites Ruderblatt angewand worden (niedriger AR und maximaler NACA 0007), was
bemerkenswert ist weil dieses Boot dieselbe Eigenschaft hat als die O-Jolle auf Raum- und Vorwindkurs.
Zusammenfassung
1. Das NACA 0012 Profil mit längerer und schmalerer Schablone ergibt bei stabilem Amwindkurse eine
Verbesserung in Bezug auf die heutige Schablone mit NACA 0009 Profil und eine grössere
Verbesserung in Bezug auf das alu-Ruderblatt. O-Jolle ausgestattet mit einer NACA 0012 mit langer
schmaler Schablone sind mit stabilem Amwindkurs schneller.
2. Die Rudereigenschaften bei grösseren Korrektionen sind bei der langen schmalen Schablone und
NACA 0012 Profil viel schlechter als die heutige Schablone mit NACA 0009 Profil und wahrscheinlich
genau so schlecht als das alu-Ruderblatt.
Das Verbessern der Rudereigenschaften und folglich die Verbesserung der Sicherheit bei Windstaerken
oberhalb 4 Bft war der Ausgangspunk der Untersuchung.
3. Bei Vorwindkursen ergibt das NACA 0012 Profil bei kleinem Ruderausschlag mehr Widerstand.
O-Jolle ausgestattet mit einem Ruder mit NACA 0012 Profil und eine lange Schablone sind also
Vorwind träger.
4. Die schmale Schablone hat viel weniger gute Wrickeigenschaften als die heutige Schablone.
Bei niedriger Geschwindigkeit oder während des Wegfahrens aus kleinen Räumen mit wenig
Geschwindigkeit kann die O-Jolle mit schmaler Schablone schlecht den Kurs ändern.
5. Das Verpflichten einer neuen Schablone und NACA 0012 Profil für alle neue Jollen kann einen negativen
Effekt haben auf den Verkauf neuer O-Jollen. Man soll immer für das alte Ruder wählen können.
Das neue Ruder soll was Leistung anbetrifft wenigstens ähnlich sein wie das alu-Ruderblatt und
nachweisbar besser bei Windstärken von 4,5 Bft und mehr! In diesem Fall wird auf Dauer jeder sich
für das neue Ruder entscheiden.
In den Niederlanden sind wir jetzt 5 Jahre beschäftigt mit untersuchen und testen profilierter Ruder.
Während der vielen Teststunden und einer ganzen Saison wettsegeln ist von sechs O-Jollen viel Erfahrung gesammelt
worden mit der heutigen Schablone und einem NACA 0010 Profil.
Schliesslich haben wir gewählt für das NACA 0009 Profil weil dies vorwind etwas weniger Widerstand hat und eine
etwas gleichmässigere Auftriebkurve.
3
Neue Schablonen und Profile ergeben neue theoretische Betrachtungen wie oben erwähnt, sollen aber vor allem in der
Praxis getestet werden.
Darum habe ich grosses Interesse an den Praxistesten dieses NACA 0012 Profils mit der längeren und schmaleren
Schablone. Nach Bewertung der Ergebnisse kann aus den Profilen und Schablonen eine korrekte Wahl getroffen
werden.
Hat jemand Kommentar auf o.g. Betrachtung? Bitte reagieren!
Für Berichterstattung unserer Ruderexperimente und Tests verweise ich nach [4].
Mit technischen Seglersgruss,
Robert Numan
Vorstandsmitglied Technik IOUN
e-mail [email protected]
29-04-2007
Referenzen
[1]
Reynolds (1842-1912)
Re = rho(w) x V x 1 /mu (w)
V = Geschwindigkeit (m/sec)
l = Längsschnitt Profil (m)
Mu (w) / rho (w)~ 10^-6
1 m/sec~ 2 NM/hr (Seemeile pro Stunde)
Aspektratio
AR = Flügellänge^2/ Flügeloberfläche
Für rechtwinkliges Profil AR = Länge / Breite
Durchbiegung y = (F x I^3)/ (E x I)
F = Gleichmässige Belastung (Druck der Einheit x Oberfläche
l = Flügellänge
E = Elastizitätsmodulus (abhängig vom Kernmaterial)
I = Widerstandsmoment (abhängig vom Profilform)
[2] Website:
http://www.prod.sandia.gov/cgi-bin/techlib/access-control.pl/1980/802114.pdf
Robert E. Sheldahl und Paul C. Klimas
Aerodynamic Characteristics of Seven Symmetrical Airfoil Sections Through 180 – Degree Angle of
Attack for Use in Aerodynamic Analysis of Vertical Axis Wind Turbines.
[3] Website:
http://www.finnclass.org/download/Finn_Class_Rules_2005_with_2006_Amendments_Authorised%20version.pdf
[4] Website:
http://www.olympiajol.nl/content/blogcategory/28/41/
Das profilierte Ruder
Het geprofileerde roer (Bilder)
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