DE19712034A1 - Profilkante eines aerodynamischen Profils - Google Patents
Profilkante eines aerodynamischen ProfilsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Profilkante eines aerodynamischen Profils.
Aerodynamische Profile sind beispielsweise Hubschrauber-Rotorblätter. Die
Hubschrauber-Rotorblätter erfahren im Vorwärtsflug grundsätzlich instationäre
Strömungsverhältnisse. Im Schnellflug können diese sehr komplex sein. Am
vorlaufenden Rotorblatt entstehen dabei ausgeprägte Verdichtungsstöße. Am
rücklaufenden Rotorblatt treten demgegenüber instationäre Wirbelablösungen
bei Hochauftrieb auf. Das letztere Phänomen wird mit dem Begriff "Dynamic
Stall" bezeichnet.
Bei einem Hubschrauber-Rotorblatt verändert sich beispielsweise der Anstell
winkel des Profils dynamisch mit der Rotordrehfrequenz. Dies bedeutet, daß für
jeden Azimuthwinkel des Rotorblattes bezüglich der Hubschrauberlängsachse
ein anderer Anstellwinkel gilt. Im allgemeinen ergeben sich beim dynamischen
Ansteigen des Anstellwinkels andere aerodynamische Beiwerte als im Bereich
der dynamischen Anstellwinkel-Verminderung. Dies führt zu einer aerodynami
schen Hysterese. Aufgrund der beschleunigten Profilbewegung des Hubschrau
ber-Rotorblattprofiles ergibt sich gegenüber dem statischen Fall ein Auftriebs
gewinn, der sich nutzbringend verwerten läßt. Im Bereich hoher Anstellwinkel
bricht der Auftrieb jedoch sehr stark und schnell ein, wodurch ein starker Anstieg
von Widerstand und Moment um die Drehachse erzeugt wird. Das Moment ist
kopflastig und belastet das Rotorblatt impulsartig. Es kann dieses zu Schwin
gungen anregen.
Es ist bekannt, mit Hilfe der sogenannten "Droop Nose" den Anstieg des Wi
derstandes sowie das stark kopflastig wirkende Moment zu reduzieren. Die
"Droop Nose" ist eine in der Form veränderbare Vorderkante der Rotorblätter.
Ziel dieser veränderbaren Vorderkante ist eine gezielte, zyklische, mit der Ro
tordrehung laufende Zu- oder Aufwölbung des Profiles des Rotorblattes zur
Verbesserung der aerodynamischen Eigenschaften von diesem. Vor allem die
Auswirkungen der instationären Ablösung der Strömung (Dynamic Stall) können
mit der "Droop Nose" positiv beeinflußt werden.
Der Zusammenbruch des Auftriebes und der damit verbundene Effekt von bei
spielsweise Drag Rise (Widerstandsanstieg infolge transsonischer Strömung im
Blattspitzenbereich - vorlaufendes Blatt, psi ≅ 90°), Flattern etc. können dadurch
zu höheren Anstellwinkeln verschoben werden.
Bekannt sind im Flugzeugbereich Aktuatoren zum Verstellen von Teilen der
Tragflügel. Solche Aktuatoren sind beispielsweise Elektromotoren, pneuma
tische oder hydraulische Antriebe.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine strukturmechanische Um
setzung der Wirkungen der "Droop Nose" bei einer Profilkante eines aerody
namischen Profils zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst. Wei
terbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert. Dadurch kann
eine den aeroelastischen Anforderungen entsprechende Verformung der Profil
kante des aerodynamischen Profils erzeugt werden. Herkömmliche Aktuatoren,
beispielsweise Elektromotoren oder pneumatische oder hydraulische Antriebe,
sind von ihren Abmaßen her zu groß und zu schwer, um in eine Profilkante bei
spielsweise eines Hubschrauber-Rotorblattes integriert werden zu können. Das
erfindungsgemäße Vorsehen von multifunktionalen Materialien erweist sich
demgegenüber nicht nur von seinen Abmaßen und seinem Gewicht her als
vorteilhaft, sondern auch aufgrund seiner Verwendbarkeit für hochdynamische
Anwendungen. Die Leistungsdaten der herkömmlichen bekannten Aktuatoren,
wie Elektromotoren, pneumatische oder hydraulische Antriebe, erweisen sich
oftmals als zu gering und daher ungeeignet für die Verwendung zur struktur
dynamischen Umsetzung der sogenannten "Droop Nose" an Rotorblättern.
Im Prinzip wird eine Profilkante eines aerodynamischen Profils geschaffen, bei
der die Profilkante auf ihrer Außen- und/oder Innenseite oder in ihrer Struktur
multifunktionales Material aufweist. Vorzugsweise ist eine Beschichtung aus
multifunktionalem Material partiell verteilt an der Profilkante vorgesehen. Die
Profilkante ist dabei vorteilhaft eine Vorderkante beispielsweise eines
Rotorblattes. Das multifunktionale Material kann aber auch alternativ eine
scheraktive Schicht sein, die in die Struktur des aerodynamischen Profils
integriert ist. Durch das multifunktionale Material können Biegemomente
und/oder Längs- oder Schubkräfte in die die Profilkante bildende Struktur einge
leitet werden. Dadurch kann eine Verformung der Struktur erzeugt werden. Eine
Ansteuerung des multifunktionalen Materials kann gezielt und über den Umfang
des aerodynamischen Profils veränderlich erfolgen. Diese Ansteuerung kann
entweder gleich- oder gegenphasig erfolgen. Vorzugsweise sind auch Sensoren
aus multifunktionalem Material und adaptive Regler vorgesehen. Dadurch kann
die Ist-Verformung der Profilkante durch die Sensoren erfaßt und in dem adap
tiven Regler mit vorgegebenen Sollwerten verglichen werden. Eine Regelab
weichung des Istwertes von dem Sollwert kann von dem adaptiven Regler durch
entsprechendes Ansprechen des multifunktionalen Materials als Aktuator einge
regelt werden. Besonders bevorzugt dient das als Aktuator vorgesehene multi
funktionale Material zugleich als Sensor für die Profilkantenverformung.
Besonders bevorzugt wird die Profilkante mit einer über den Umfang veränder
lichen Wandstärke ausgebildet. Diese über den Umfang veränderliche Steifig
keit der Struktur des aerodynamischen Profils gestattet dann eine zusätzliche
passive Beeinflussung der sich einstellenden Profilkantenverformung.
Als multifunktionales Material wird bevorzugt ein für hochfrequente Anwen
dungen geeigneter Werkstoff verwendet. Besonders bevorzugt wird hierzu eine
Piezokeramik, ein elektro- oder ein magnetostriktiver Werkstoff verwendet. Die
Profilkante besteht vorzugsweise aus Faserverbundwerkstoff, insbesonders aus
kohlenstoffaserverstärktem Verbundwerkstoff (CFK) oder graphitfaserver
stärktem Verbundwerkstoff (GFK). Sie kann aber auch aus Metall bestehen. Die
aus multifunktionalem Material bestehenden aktiven Schichten sind vorzugs
weise auf die Profilkante auflaminiert, aufgeklebt oder mittels Plasmaverfahren
aufgebracht. Sie können aber auch durch alternative Verfahren aufgebracht
oder bevorzugt in die äußersten Schichten einlaminiert werden. Im letzteren Fall
kann über die einlaminierte Schicht eine dünne Glasfaserschicht als
Schutzschicht, beispielsweise in einer Schichtdicke von 10 µm, aufgebracht
werden. Wird das multifunktionale Material als scheraktive Schicht vorgesehen,
wird es in die Struktur der Profilkante des aerodynamischen Profiles vorzugs
weise eingebettet oder einlaminiert.
Die Profilkante kann entweder eine Vorder- oder eine Hinterkante sein. Sie ist
beispielsweise Teil eines Hubschrauber-Rotorblattes, eines Windenergiean
lageflügels, einer Turbinen- oder Verdichterschaufel oder einer Tragfläche eines
Flugzeuges.
Wird die Profilkante als elastische Hinterkante eines aerodynamischen Profiles
vorgesehen, ist vorzugsweise eine spitz zulaufende Hinterkante vorgesehen. Es
kann damit vorzugsweise eine variable Wölbung von aerodynamischen Profilen
erzeugt werden.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden Ausführungs
beispiele einer erfindungsgemäßen Profilkante anhand der Zeichnungen be
schrieben. Diese zeigen in:
Fig. 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Profilkante als Vorder
kante,
Fig. 2 eine Prinzipskizze der Vorderkante gemäß Fig. 1 im angesteuerten
Zustand,
Fig. 3 eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform einer erfindungs
gemäßen Profilkante als Vorderkante, und
Fig. 4 eine Prinzipskizze einer Seitenansicht einer dritten Ausführungs
form einer erfindungsgemäßen Profilkante als elastische Hinter
kante.
In Fig. 1 ist eine Prinzipskizze einer Seitenansicht eines aerodynamischen
Profiles dargestellt. Das aerodynamische Profil weist eine Vorderkante 1 auf.
Die Vorderkante 1 des im wesentlichen parabelförmigen Profiles ist der Bereich
maximaler Krümmung. Oberhalb und unterhalb dieser maximalen Krümmung
sind auf der Innenseite 2 und auf der Außenseite 3 der Profilkante Bereiche 4
mit Schichten 5 aus multifunktionalem Material versehen. Das multifunktionale
Material ist in diesen Bereichen, also partiell verteilt, als Beschichtung auf der
Innenseite 2 und der Außenseite 3 der Vorderkante 1 aufgetragen.
Die Schicht aus multifunktionalem Material 5 dient als aktive Schicht. Dies be
deutet, daß durch Ansteuern der aktiven Schichten auf der Innenseite 2 und der
Außenseite 3 der Vorderkante 1 des Profiles Biegemomente und/oder Längs- oder
Schubkräfte in die Struktur der Vorderkante 1 eingeleitet werden können.
Durch ein derartiges Ansteuern der aktiven Schichten 5 wird die Vorderkante 1
des Profiles verformt.
Um ein gleichmäßiges Verformen der Vorderkante zu ermöglichen, sind auch im
Bereich 6 der Auflagerpunkte 7, also der festgelegten Stellen des Profiles, auf
der Innenseite 2 und der Außenseite 3 der Vorderkante 1 Schichten 5 aus multi
funktionalem Material aufgetragen. Die Bereiche 6 sind besonders bevorzugte
Bereiche zum Aufbringen des multifunktionalen Materials.
Für das multifunktionale Material eignet sich besonders eine Piezokeramik oder
elektro- und magnetostriktive Werkstoffe. Jedenfalls sollte ein Werkstoff ver
wendet werden, der für hochfrequente Anwendungen geeignet ist. Die Vorder
kante 1 besteht vorzugsweise aus Faserverbundwerkstoff oder Metall. Die
Schichten 5 aus multifunktionalem Material auf der Innenseite 2 und der Außen
seite 3 der Vorderkante 1 sind vorzugsweise auflaminiert, geklebt, in die
äußeren Schichten einlaminiert oder mittels Plasmaverfahren aufgebracht.
Die Ansteuerung durch Piezokeramik, die eine aus piezoelektrischem Material
hergestellte Keramik ist und die bezüglich ihrer Eigenschaften infolge ihrer
polykristallinen Struktur weitgehend isotrop ist, beruht auf dem Phänomen, daß
durch Verformungen, wie Druck- oder Zugbeanspruchung sich einige Kristalle
polarisieren lassen. Auf entgegengesetzten Oberflächen entstehen dann
Flächenladungen unterschiedlichen Vorzeichens. Die elektrostatische
Aufladung, die beim Zusammendrücken von Kristallen in Richtung der polaren
Achsen auftritt, ist der Größe der einwirkenden Kraft proportional und Ausdruck
einer Polarisation des Kristalls unter Druckeinwirkung (oder Zugeinwirkung), also
der Verschiebung positiver gegenüber negativer Ionen relativ zueinander
entlang der polaren Achse. Die Ladung einander gegenüberliegender
Kristallflächen haben dadurch entgegengesetzte Vorzeichen. Demgegenüber
kann man umgekehrt auch bei derartigen piezoelektrisch erregbaren Kristallen
durch Anlegen eines elektrischen Feldes in Abhängigkeit von dessen Polarität
oder Richtung Kompression und Dilatation, also auch eine Längenänderung
herbeiführen. Dieser Effekt wird als invers piezoelektrisch bezeichnet. Durch das
Anlegen des elektrischen Feldes und die daraus folgende Längenänderung der
Schichten 5 aus multifunktionalem Material wird die Vorderkante 1 verformt.
Derartige Verformungen der Struktur der Vorderkante 1 des Profiles sind in
Fig. 2 durch die Bezugszeichen A und B charakterisiert. Um aus der
Ausgangsposition gemäß Fig. 1, die in Fig. 2 als mittlere Position dargestellt
ist, in die Position A zu gelangen, werden die auf der Unterseite 8 der Vorder
kante 1 befindlichen Schichten 5 aus multifunktionalem Material verlängert. Die
Vorderkante 1 wird dadurch derart verformt, daß sie sich nach oben in die
Position A bewegt.
Wenn umgekehrt die auf der Oberseite 9 angeordneten Schichten 5 aus multi
funktionalem Material verlängert werden, nimmt die Vorderkante 1 des Profiles
die Position B ein. Die beiden Bewegungsrichtungen aus der Ausgangsposition
heraus sind durch den Doppelpfeil in Fig. 2 angedeutet.
Die auf der Oberseite 9 und der Unterseite 8 der Vorderkante 1 angeordneten
Schichten 5 aus multifunktionalem Material dienen also als Aktuatoren. Vor
zugsweise werden nicht nur die auf der Unterseite oder auf der Oberseite be
findlichen Aktuatoren angesprochen, sondern zugleich sowohl die auf der Ober
seite als auch die auf der Unterseite befindlichen Aktuatoren. Die Ansteuerung
kann dann entweder gleichphasig oder aber gegenphasig erfolgen. Für nur
kleine zu erzeugende Anstellwinkel, also Verformungen der Vorderkante 1 ge
genüber der Ausgangsstellung, wird vorteilhaft eine gleichphasige Ansteuerung
verwendet. Zum Erzeugen größerer Anstellwinkel wird vorteilhaft eine gegen
phasige Ansteuerung vorgenommen.
Da nicht nur lediglich eine Ansteuerung in Form einer gezielten Steuerung der
Aktuatoren stattfindet, sondern eine adaptive Regelung dieser Verformungen,
also ein gezieltes Erzeugen entsprechender Anstellwinkel des Profiles, vorge
sehen werden soll, ist eine Rückkopplung der Istwerte im adaptiven Regler vor
gesehen. Zum Erfassen der Istwerte werden an der Vorderkante 1 Sensoren
angeordnet. Vorzugsweise werden die Aktuatoren gleichzeitig als Sensoren
verwendet. Der Aufwand an Material wird dadurch so gering wie möglich gehal
ten.
Besonders bevorzugt ist die Vorderkante mit einer über ihren Umfang veränder
lichen Wandstärke ausgebildet. Die Steifigkeit der Struktur des Profiles wird
dadurch beeinflußt. Es folgt daraus eine passive Beeinflussung der Verformung
der Vorderkante des Profils.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorder
kante 1. Das multifunktionale Material ist als scheraktive Schicht 10 in die
Struktur 11 der Vorderkante 1 integriert. Im Gegensatz zu der Ausführungsform
gemäß Fig. 1 und 2 hat dies den Vorteil, daß die scheraktive Schicht zwar
ebenso wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 oder 2 partiell verteilt über
die Vorderkante 1 vorgesehen ist. Durch das Integrieren in der Struktur 11 des
Profiles ist jedoch sichergestellt, daß ein Entfernen der scheraktiven Schicht von
der Vorderkante 1 nicht ohne vollständiges Zerstören der Vorderkante möglich
ist. Die scheraktive Schicht 10 liegt also geschützt innerhalb der Struktur der
Vorderkante 1. Darüber hinaus erweist es sich auch als vorteilhaft, daß die An
steuerung direkt aus der Struktur heraus geschieht und nicht von der Außen- und/oder
Innenseite des Profiles her vorgenommen wird.
In Fig. 4 ist eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Profilkante
als elastische Hinterkante 20 dargestellt. Anstelle der Ansteuerung der Vorder
kante gemäß der Fig. 1 bis 3 zum Schaffen einer gezielten, zyklisch mit der
Rotordrehung ablaufenden Zu- oder Aufwölbung des Profiles zur Verbesserung
der aerodynamischen Eigenschaften beispielsweise eines Rotorblattes, um vor
allem die Auswirkungen der instationären Ablösung der Strömung (Dynamic
Stall) dadurch positiv beeinflussen zu können, geschieht durch Vorsehen der
elastischen Hinterkante 20 eine entsprechende strukturdynamische Umsetzung
bei lediglich anderen Strömungsverhältnissen. Es wird eine variable Wölbung
erzeugt, die Abflußbedingungen werden verändert.
Anstelle der parabelförmig zulaufenden Vorderkante 1 gemäß der Fig.
1 bis 3 ist in Fig. 4 eine spitz zulaufende Struktur 21 vorgesehen. Auf der In
nenseite 22 und der Außenseite 23 dieser spitz zulaufenden Struktur 21 sind
verteilt Schichten 25 aus multifunktionalem Material aufgefügt.
Die in ihrem hinteren Punkt fest gelagerte spitz zulaufende Struktur 21 der ela
stischen Hinterkante 20 ist in ihrem vorderen spitzen Bereich beweglich. Die
möglichen Bewegungsrichtungen sind durch den Doppelpfeil in Fig. 4 ange
deutet. Die Ansteuerung geschieht entsprechend der zu den vorigen Figuren
beschriebenen Ansteuerung der Vorderkante 1. Es kann ebenfalls eine gleich- oder
gegenphasige Ansteuerung der Aktuatoren in Form der Schichten 25 aus
multifunktionalem Material geschehen.
Alternativ zu der dargestellten Ausführungsform kann auch eine in ihrem hinte
ren Punkt geöffnete, geschlitzte elastische Hinterkante vorgesehen sein.
Durch Ansteuern der Aktuatoren und daraus folgende Verformung kann eine
variable Wölbung von Profilen erzeugt werden.
Die Verwendungsmöglichkeiten der beschriebenen adaptiven Vorder- und Hin
terkanten sind zahlreich. Beispielsweise können derartige adaptiv geregelte,
also sich durch entsprechendes Einstellen eines Anstellwinkels anpassende
Profilkanten in Hubschrauber-Rotorblättern verwendet werden. Sie eignen sich
aber auch besonders für Windenergieanlagen, Turbinen- oder Verdichterschau
feln oder zur Verwendung an Tragflächen von Flugzeugen, insbesondere von
Kampfflugzeugen. Verwendungsgebiete ergeben sich überall, wo die Auswir
kungen von instationärer Ablösung der Strömung durch eine gezielte, zyklisch
mit der Rotordrehung ablaufende Zu- oder Aufwölbung des Profiles zur Ver
besserung der aerodynamischen Eigenschaften des Rotorblattes positiv beein
flußt werden soll.
1
Vorderkante
2
Innenseite
3
Außenseite
4
Bereich mit mulifunktionalem Material
5
Schicht aus multifunktionalem Material/Beschichtung
6
Bereich
7
Auflagerstelle/statisch festgelegte Stelle
8
Unterseite
9
Oberseite
10
scheraktive Schicht
11
Struktur
20
elastische Hinterkante
21
spitz zulaufende Struktur/Vorderkante
22
Innenseite
23
Außenseite
25
Schicht aus multifunktionalem Material
27
Auflagerstelle/statisch festgelegte Stelle
A Auslenkposition
B Auslenkposition
A Auslenkposition
B Auslenkposition
Claims (15)
1. Profilkante eines aerodynamischen Profils,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Profilkante (1, 20) auf ihrer Außen- (3, 23) und/oder Innen
seite (2, 22) oder in ihrer Struktur (11) multifunktionales Material aufweist.
2. Profilkante nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Beschichtung (5, 25) aus multifunktionalem Material partiell verteilt
an der Profilkante (1, 20) vorgesehen ist.
3. Profilkante nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das multifunktionale Material eine scheraktive Schicht (10) ist, die in die
Struktur (11) des aerodynamischen Profiles integriert ist.
4. Profilkante nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch die Schichten (5, 25, 10) aus multifunktionalem Material als aktive
Schichten Biegemomente und/oder Längs- oder Schubkräfte in die die Profil
kante (1, 20) bildende Struktur (11) einleitbar sind, die eine Verformung der
Struktur erzeugen.
5. Profilkante nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichten (5, 25, 10) aus multifunktionalem Material gezielt, über den
Umfang des aerodynamischen Profils veränderlich ansteuerbar sind.
6. Profilkante nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichten (5, 25, 10) aus multifunktionalem Material gleich- oder
gegenphasig ansteuerbar sind.
7. Profilkante nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Profilkante (1, 20) mit einer über den Umfang veränderlichen Wand
stärke ausgebildet ist.
8. Profilkante nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß Sensoren aus multifunktionalem Material und adaptive Regler vorge
sehen sind.
9. Profilkante nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die als Aktuator vorgesehenen Schichten (5, 25, 10) der Profil
kante (1, 20) aus multifunktionalem Material als Sensoren der Profilkanten
verformung dienen.
10. Profilkante nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das multifunktionale Material ein für hochfrequente Anwendungen ge
eigneter Werkstoff, insbesondere eine Piezokeramik, ein elektro- oder ma
gnetostriktiver Werkstoff ist.
11. Profilkante nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Profilkante (1, 20) aus Faserverbundwerkstoff, insbesondere
kohlenstoff- oder graphitverstärktem Verbundwerkstoff (CFK oder GFK), oder
aus Metall besteht.
12. Profilkante nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung (5, 25) aus multifunktionalem Material auf die Profil
kante (1, 20) auflaminiert, geklebt oder mittels Plasma-Verfahrens aufge
bracht oder in die äußeren Schichten der Profilkante einlaminiert ist.
13. Profilkante nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Profilkante eine Vorder- (1) oder Hinterkante (20) des aerodynami
sche Profiles ist.
14. Profilkante nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Vorsehen der Profilkante als elastische Hinterkante (20) eine spitz
zulaufende Vorderkante (21) vorgesehen ist, durch die insbesondere eine
variable Wölbung von Profilen erzeugbar ist.
15. Profilkante nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Profilkante (1, 20) Teil eines Hubschrauber-Rotorblattes, eines
Windenergieanlagenflügels, einer Turbinen- oder Verdichterschaufel oder ei
ner Tragfläche eines Flugzeuges ist.
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