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Das richtige Profil für Ruderblätter

Grundlagen und Auslegungspunkt

Dieser Beitrag baut ein wenig auf den vorigen Text „Das richtige Schwertprofil“ auf, so dass dort Fachbegriffe hoffentlich ausreichend erklärt sind. Für Ruderblätter gelten etwas andere Einsatzbereiche und Randbedingungen als für Schwerter. Wie im Beitrag über Schwertprofile diskutiert, ist der in stationärer Fahrt maximal auftreffende Anströmwinkel (Abdriftwinkel ) beim Schwert auf wenige Grad begrenzt. Beim Ruder können, typischerweise auf schnellen Spikursen, deutlich größere Anströmwinkel bis hin zum Strömungsabriss entstehen. Somit ist eine Forderung unseres Ruderprofils, dass der Strömungsabriss bei möglichst großen Anströmwinkeln auftritt. Laminarprofile können diese Forderung nicht erfüllen (siehe „Das richtige Schwertprofil“). Zusätzlich stellte sich heraus, dass die Widerstandsvorteile des Laminarprofils sich erst bei großen Reynoldszahlen ausprägen. Da die Ruderprofile jedoch deutlich kürzer sind, in der Regel etwa halb so lang, ist auch die Reynoldszahl in etwa halb so groß. Hinzu kommt, dass der Anströmwinkel des Ruders mit Sicherheit nicht innerhalb der Laminardelle liegen wird, somit ergeben sich durch die Wahl eines Laminarprofils für das Ruder keine Widerstandsvorteile. Aus diesen Gründen werden hier ausschließlich konventionelle Profile untersucht. Bevor wir die Ergebnisse der Strömungssimulationen, die wieder mit xFoil durchgeführt wurden, interpretieren, muss geklärt werden, für welche Bedingungen unser Profil optimiert werden soll. Beim Schwert sind wir davon ausgegangen, dass der Anströmwinkel dem Abdriftwinkel entspricht und dieser in stationärer Fahrt nicht bedeutend über 3° steigen wird. Diese Bedingungen gelten jedoch nicht für die Anströmung des Ruders. Zuerst muss beachtet werden, dass der Ruderwinkel bei Steuerbewegungen deutlich größer werden kann als in stationärer Fahrt. Zusätzlich muss auch berücksichtigt werden, dass der Anströmwinkel des Ruders bei gutem Bootstrimm in stationärer Fahrt (an der Kreuz )deutlich größer ist als der des Schwertes. Dies ist folgendermaßen zu erklären. Schaut man sich die nachfolgenden Diagramme an, in denen der Widerstandsbeiwert über dem Anströmwinkel aufgetragen ist, ist zu erkennen, dass der Widerstand ( etwas vom Profil abhängig ) exponentiell zum Anströmwinkel ansteigt. Dies bedeutet, dass der Zusatzwiderstand ( parasitäre Profilwiderstand), der zusätzlich zum Reibungswiderstand entsteht, sobald das Profil in einem bestimmten Winkel angeströmt wird, z.B. bei einer Verdoppelung des Anströmwinkel mehr als doppelt so groß wird. Bis jetzt haben wir nur von Profilen und noch nicht von Tragflügel gesprochen. Der Unterschied besteht darin, dass ein Profil theoretisch eine unendlich große Spannweite besitzt und ein Tragflügel im Vergleich dazu eine endliche Spannweite. Dies führt dazu, dass bei Widerstandsuntersuchungen eines Profils keine Induzierten Widerstände berücksichtigt werden. Für eine Profiloptimierung ist dies irrelevant, da der Induzierte Widerstand nur von den Abmessungen des Tragflügels und dem Auftrieb, den der Tragflügel erzeugt, jedoch nicht von der Profilform abhängt. Jedoch sollte der Gesamtwiderstand, den Schwert und Ruder erzeugen so klein wie möglich sein. Hier spielt der Induzierte Widerstand eine große Rolle. Eine gute Näherung des Induzierten Widerstands erhält man mit Ci = Cl²/(pi*lambda). Hier ist Ci der Beiwert des Induzierten Widerstands, Cl der Beiwert des Auftriebs und lambda das effektive Seitenverhältnis mit lambda= Spannweite²/A. Wichtig ist hier, dass Cl quadriert wird. Dies bedeutet, dass der Induzierte Widerstand quadratisch zum Auftrieb ansteigt. Da nun der Induzierte Widerstand quadratisch und der Parasitäre Widerstand exponentiell zum Auftrieb ansteigt, wird schnell deutlich, dass es widerstandstechnisch wenig sinnvoll ist, den Gesamtauftrieb nur von einem Tragflügel (Schwert) erzeugen zu lassen, sondern von Schwert und Ruder. Die optimale Verteilung hängt jedoch von den Abmessungen des Schwertes und des Ruders ab und ist relativ aufwendig zu bestimmen. Für das von mir verwendete Ruder und Schwert ergibt sich ein Widerstandsminimum bei einem Anströmwinkel des Schwertes von knapp unter 3° und einem Anströmwinkel des Ruders von etwa 5° ( an der Kreuz ). In diesem Fall erzeugt das Schwert 65% und das Ruder 35% des Gesamtauftriebs. Auf dem Wasser sind diese Werte ganz gut wieder zu finden. Fast jeder segelt mit einem leicht Luvgierigen Boot. Auf platten Vorwindkursen, auf denen kein Auftrieb erzeugt wird, ist natürlich ( falls man nicht steuert ) auch der Anströmwinkel des Ruders 0°. Für die Optimierung unseres Ruderprofils bedeutet dies nun, dass wir möglichst ein Profil finden müssen, welches bei Anströmwinkeln von 0° bis 6° gute Widerstandseigenschaften haben muss. Größere Winkel kommen nicht so häufig vor und sind somit nicht so relevant.

Widerstandsuntersuchung:

Folgende Profile werden untersucht. Das Naca0010 sowie das e1161_24 welche auch schon als mögliches Schwertprofil in Frage kamen. Das Eppler e171 wird durch das e169 und e168 ersetzt. Bei diesen beiden Profile liegt die größte Profildicke etwas weiter vorne als beim e171, was etwas bessere Eigenschaften bezüglich Strömungsablösungen bei großen Anströmwinkel zur Folge hat. Zusätzlich zu diesen Profilen wird noch das SD8020 untersucht, da dieses auch gelegentlich für Ruder genutzt wird.
Kommen wir nun endlich zu den Ergebnissen. Die Berechnungen die für das Schwert durchgeführt wurden, sind nur zum Teil auch auf das Ruder zu übertragen. Der Profilwiderstand ist abhängig von der Reynoldzahl. Da die Profillänge des Ruders deutlich kürzer ist, entspricht die Reynoldszahl und der Widerstandsbeiwert des Schwertes bei 6kts dem Widerstandsbeiwert und der Reynoldszahl des Ruders bei 11.5kts. Die 4kts des Schwertes entspricht 7,8kts beim Ruder. Zusätzlich zu diesen Werten wird noch der Profilwiderstand des Ruders für 6kts und 3kts bestimmt. Die Widerstände bei 6kts werden wieder etwas genauer betrachtet und sind im folgenden Diagramm dargestellt. Die Diagramme zu den Restlichen Geschwindigkeiten sind wieder im Anhang dargestellt.
Betrachten wird das Diagramm, fällt auf, dass wir eigentlich zwei Gruppen von Profilen haben. Einmal die Hohlflankenprofile e168, e169 sowie das e1161_24 und die beiden Profile ohne Hohlflanke, das N0010 und das SD8020. Letztere zeigen besonders bei geringen Anströmwinkeln bis 2° deutlich bessere Widerstandseigenschaften, jedoch von 2° bis 6° hingegen deutlich schlechtere. Da wir aber in den seltensten Fällen Anströmwinkel des Ruders von weniger als 2° erwarten, fallen die beiden Profile N0010 und SD8020 bei den weiteren Betrachtungen raus. Was jedoch nicht unter den Tisch fallen soll ist, dass das Ruder, sofern es mit der Hand geshapt wird, bei Verwendung dieser beiden Profile deutlich einfacher zu bauen ist. Die Hohlflanke in den Schaum oder Holzkern zu shapen ist sehr aufwendig und es muss ein Kernmaterial gewählt werden, was steif genug ist, da die Achterkante sehr dünn wird. Die drei restlichen Profile unterscheiden sich nur marginal. Zwischen dem e168 und e169 ist fast kein unterschied erkennbar. Das e161_24 ist im Vergleich zu diesen beiden Profilen bei großen Anströmwinkeln ab 6° und besonders bei hohen Geschwindigkeiten deutlich besser, zwischen 2° und 6° jedoch etwas schlechter. Eine Widerstandsoptimierung ergibt eigentlich nur Sinn, wenn man von einer stationären Umströmung des Ruders ausgeht. Starke und schnelle Ruderbewegungen können mit dem hier verwendeten Potentiallöser nicht simuliert werden. Gehen wir also davon aus, dass der Anströmwinkel des Ruders zwischen 0° und 6° liegen wird, zeigen die Epplerprofile e168 und e169 leichte Vorteile gegenüber dem e1161_24.Diese sind aber wirklich nur sehr gering ( y-Achse beginnt nicht bei 0 ) und werden eventuell dadurch wieder kompensiert, dass der Widerstand des e1161_24 bei großen Winkeln deutlich niedriger ist.
Nehmen wir nun an, dass wir uns für ein e168 oder ein e1161_24 entschieden haben. Nun ist noch zu klären, welche Profildicke unser Ruder erhalten soll. Bei größeren Anstellwinkeln ist es Widerstandstechnisch durchaus günstiger ein dickeres Profil zu verwenden, da hieraus ein größerer Nasenradius resultiert. Zusätzlich profitiert auch die Festigkeit erheblich. Die Widerstandsbeiwerte in den bis jetzt angesprochenen Diagrammen wurden alle für Profildicken von 10% bestimmt. Zum Vergleich werden nun die Widerstandsbeiwerte der beiden Profile für Dicken von 10% und 12% bei einer Geschwindigkeit von 6kts gegeneinander aufgetragen.
Hier zeigt sich, dass der Widerstand der dickeren Profile ab etwa 4,5° Anstellwinkel geringer ist.

Fazit:

Die Wahl des richtigen Profils stellt sich für das Ruder als etwas schwieriger heraus als zuvor beim Schwert. Ist man sich wirklich sicher, dass der Ruderwinkel die meiste Zeit unter 6° bleibt, kann man durchaus das Eppler e168 verwenden. Etwas mehr Reserve erhält man, wenn man als Profildicke 12% wählt. Die Kombination hat bei Winkeln von 4,5 bis 7,5° den geringsten Widerstand. Ist man sich hingegen unsicher und möchte lieber auf der sicheren Seite liegen, kann man ohne große Nachteile das e1161_24 wählen. Für mein letztes Ruder nahm ich das e168 mit 12% relativer Profildicke.

Anhang

von Malte Riesner

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