DE102006036389A1

DE102006036389A1 - Spaltfreies aerodynamisches Profil, insbesondere Rotorblatt

Info

Publication number: DE102006036389A1
Application number: DE102006036389A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Jänker
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2006-08-02
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2026-08-03
Also published as: DE102006036389B4

Abstract

Ein aerodynamisches Profil (10) mit einem Profilbereich (14) und einer beweglichen Klappe (12), die gelenkig am Profilbereich (40) des aerodynamischen Profils (10) gelagert ist und sich über einen Teilbereich des Profils in Spannweitenrichtung (S) erstreckt, enthält zwischen der Klappe (12) und dem Profilbereich (14) sich an die Klappe (12) in Spannweitenrichtung (S) anschließend ein elastisches Füllstück (17, 18).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein aerodynamisches Profil, wie z.B. eine Tragfläche eines Luftfahrzeugs oder ein Rotorblatt eines Hubschraubers.
Eine Tragfläche eines Luftfahrzeuges bzw. Rotorblätter für Hubschrauber sind in ihrem Profilbereich in der Regel mit beweglichen Klappen besispielweise am hinteren Profilende versehen. Die Klappen sind vollständig oder teilweise in Nischen eingebracht, die in dem aerodynamischen Profil, also beispielsweise der Tragfläche oder dem Rotorblatt, in dessen Profilbereich geformt sind. Bei Flugzeugen dienen solche Klappen als Steuerflächen zur Anpassung an die veränderlichen Randbedingungen im Verlauf einer Flugmission, insbesondere in der Start- und Landephase als so genannte Landeklappen, aber auch als Querruder, Seitenruder oder Höhenruder. Im Falle von Hubschraubern dienen die an den Rotorblättern in der Abströmung angelenkten steuerbaren Rotorblattklappen als Steuerflächen.
Die Klappen stellen entsprechend ihrer Auslenkung gegenüber dem aerodynamischen Profil, die durch Schwenken der Klappe um im Wesentlichen eine Achse bzw. einen Gelenkbereich im Wesentlichen in Profilspannweitenrichtung entsteht, unterschiedliche Strömungsbedingungen um die Hinterkante des aerodynamischen Profils her und dienen somit dazu, das Flugzeug oder den Hubschrauber zu lenken. Außerdem dienen bei Hubschraubern die Klappen dazu, die Rotorleistung zu erhöhen und das Vibrationsniveau zu senken. Dazu sind Klappen mittels eines Gelenks gelagert und beeinflussen durch ihre Ansteuerung und Auslenkung mit relativ hoher Frequenz das dynamische Blattverhalten. Das Rotorblatt wird somit durch Luftkräfte in einer Weise verformt, dass das Schwingungsverhalten des Rotorblatts verbessert wird. Die Frequenzen zur Ansteuerung sind im Bereich von 35 Hz und mehr.
Ein bekanntes aerodynamisches Profil 110 ist in 3 dargestellt, bei dem in einen Profilnischenbereich 115, der sich über einen Teil der Länge des Profilbereichs 114 des aerodynamischen Profils erstreckt und als im Wesentlichen rechteckige Ausnehmung in der Draufsicht gestaltet ist, eine Klappe 112 eingebracht ist, die mittels eines Gelenkbereichs 116 relativ zum Profilbereich 114 schwenkbar ist. Die Klappe 112 erstreckt sich somit jeweils über einen Teil der Spannweitenrichtung S als auch einen Teil der Profilsehnenrichtung C des aerodynamischen Profils 110.
Für solche Anordnungen ist es aus der DE 198 08 196 C2 bekannt, die Klappe 112 mit dem Profilbereich 114 über ein Verbindungselement im Gelenkbereich 116 zwischen Klappe 112 und Profilbereich 114 derart zu verbinden, dass das Verbindungselement ein biegeweiches Fasergelenk ist, das die Klappe lagert und einen Biegebereich aufweist, so dass bei einer auf die Klappe wirkenden Stellkraft eine Verbiegung des Fasergelenks in seinem Biegebereich erfolgt und eine Auslenkung der Klappe relativ zum Rotorblatt erfolgt. Dadurch, dass das Verbindungselement unter der Deckhaut des Profilbereichs 114 und der Klappe 112 angebracht sein kann, kann zumindest auf der Profiloberseite ein gleichmäßiger Übergang in Profilsehnenrichtung C zwischen Klappe 112 und Profilbereich 114 vorgesehen sein. In Profilspannweitenrichtung S wird jedoch zwischen Klappe 112 und Profilbereich 114 bei Auslenkung der Klappe ein Spalt erzeugt, der zu Wirbeln oder anderen ungünstigen Strömungsverhältnissen führen kann.
Auch aus der EP 0 734 947 A1 ist ein Rotorblatt mit Klappen bekannt, bei welchem die Betätigung der Klappen, die je nach ihrer Lage in Profilspannweitenrichtung unterschiedliche Form und Größe haben, über eine Betätigungseinrichtung mit Lenkern, Scharnieren oder Zahnelementen erfolgt.
In der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2005 061 750 ist ein aerodynamisches Profil mit einer flexiblen Steuerfläche für ein Luftfahrzeug beschrieben. Dabei kann die Steuerfläche, beispielsweise eine Klappe, über mehrere in Spannweitenrichtung eines Tragflügels nebeneinander angeordnete Aktuatoren betätigt werden. Die Aktuatoren werden so aktiviert, dass die flexiblen Steuerflächen eine Verformung erfahren, die neben einer glatten Kontur ohne Knicke, Spalten und Kanten eine günstige spannweitige Auftriebsverteilung und Lastverteilung bei unterschiedlichen Flugphasen wie Start, Reise, Flug oder Landung erreicht. Die Klappen bzw. Steuerflächen an sich können somit gebogen und/oder tordiert bzw. gewölbt werden, ohne dass in ihrer Klappenfläche Lücken oder Schlitze entstehen.
Die durch solche Biegeaktuatoren erfolgende Verformung der Klappen kann jedoch über bestimmte Längen nur in sich kontinuierliche Verformungen mit verhältnismäßig begrenzter Verformungsgröße erreichen, da die Steuerflächen bzw. Klappen eine ausreichende Steifigkeit und Festigkeit haben müssen, um ihre Funktion zu erfüllen. Dies bedeutet, dass im Übergang zwischen dem Profilbereich und der Steuerfläche bzw. Klappe in Profilspannweitenrichtung ebenfalls ein Spalt zwischen Profilbereich und Klappe verbleibt. Außerdem sind die Ansteuerung der Klappen und die Klappen verhältnismäßig kompliziert.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein aerodynamisches Profil vorzusehen, in das Klappenelemente integriert sind und bei dem ungünstige Strömungsverhältnisse im Bereich der Klappen vermeiden werden.
Diese Aufgabe wird mit einem aerodynamischen Profil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche angegeben.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Vorteile eines einfachen, über einen Gelenkbereich angelenkten Klappenelements, nämlich eine verhältnismäßig große Auslenkung gegenüber dem Profilbereich und Steifigkeit der Klappenelemente beizubehalten, indem eine Klappe in herkömmlicher Weise durch ein geeignetes Mittel gelenkig an einem aerodynamischen Profil angelenkt ist. Die Anlenkung kann z.B. über einfache mechanische Verbindungen und Stellglieder, wie z.B. Lenker oder Ähnliches, oder über Filmgelenke mit Piezoaktuatoren erfolgen. Dadurch bleibt die Klappe einfach und kostengünstig herstellbar sowie betätigbar, was zu ihrer Zuverlässigkeit beiträgt. Gleichzeitig kann, ähnlich wie bei in sich verformten Klappenelementen, ein ungünstiger Strömungszustand im Randbereich der Klappe bei einem Klappenausschlag vermieden werden, indem ein kontinuierlicher Übergang zwischen der Klappe und dem Profilbereich hergestellt wird. Dazu überbrücken Füllstücke den in Spannweitenrichtung entstehenden Spalt zwischen Klappe und Profilbereich. Die Füllstücke sind vorzugsweise unter der Deckhaut des Profilbereichs und der Klappe angeordnet, weiter vorzugsweise jeweils ein Füllstück auf beiden Seiten (Oberseite und Unterseite) des Profils, so dass sowohl oberseitig als auch unterseitig ein gleichmäßiger Übergang zwischen Profilbereich und Klappe gewährleistet ist. Dabei sind die Füllstücke mit einer Elastizität derart versehen, dass sie unabhängig von der Auslenkung der Klappe stets gespannt und damit glatt und falten- bzw. knickfrei sind. Die Klappen können als in sich nicht aktiv verformbare oder als biege- und/oder tordierbare Klappen gestaltet sein.
Vorzugsweise ist beidseitig einer Klappe jeweils ein Füllstück, vorzugsweise ein oberes und ein unteres Füllstück auf jeder Seite der Klappe, vorgesehen, wodurch die günstige Strömungsbeeinflussung beidseits der Klappe in Spannweitenrichtung gewährleistet werden kann.
Sind mehrere nebeneinander angeordnete Klappenelemente entlang der Profilspannweitenrichtung vorgesehen, so können sich die Füllstücke auch zwischen zwei benachbarten Klappenelementen, ohne direkten Anschluss an den Profilbereich, erstrecken. Dadurch kann auch in diesem Bereich ein stetiger Übergang zwischen zwei gegebenenfalls unterschiedlich ausgelenkten Klappen gewährleistet werden.
Die Füllstücke sind dabei vorzugsweise derart vorgesehen, dass sie sich über den gesamten Bereich in Profilsehnenrichtung, in dem die Klappe und der Profilbereich vorgesehen sind und aneinander grenzen, erstrecken. Damit kann der gesamte bei einem Aufschwenken der Klappe entstehende Spalt zwischen Profilbereich und Klappe durch ein Füllstück überbrückt werden.
Vorzugsweise ist die Nische bzw. Aussparung, in der die Klappe eingebracht ist, durch die Füllstücke vollständig durch entweder die Füllstücke oder die Klappe überdeckt. Dies erzielt man dadurch, dass das Füllstück den gesamten Raum, der durch den Klappenrand in Spannweitenrichtung und den Rand der Nische, der diesem Klappenrand gegenüberliegt, definiert ist, überspannt. Dabei kann das Füllstück vorzugsweise zu einem gleichmäßigen Übergang zwischen Profil und Klappe beitragen, wenn es sich durch geeignete Formgebung, insbesondere seine Gestaltung in der Draufsicht auf die Profiloberseite bzw. Unterseite, auch zumindest bereichsweise über den Profilbereich erstreckt und bei einer Klappenauslenkung auch im Bereich der Überdeckung durch die Auslenkbewegung der Klappe vom Profilbereich angehoben wird. Die Überlappungslänge zwischen Füllstück und Profilbereich kann je nach Elastizität des Füllstücks und der gewünschten zu erzielenden Auslenkungsform bestimmt werden. Beispielsweise ist eine in der Draufsicht im Wesentlichen dreiecksförmige Überdeckung, wobei das Dreieck rechtwinklig ist und sein rechter Winkel an der Profilrückkante an der Grenze zwischen Klappe und Profilbereich liegt, vorteilhaft.
Die Erfindung kann besonders bevorzugt auf Rotorblätter angewendet werden, so dass zwischen Rotorblattklappen und dem Rotorblattprofil entsprechende Füllstücke eingebracht werden.
Die Füllstücke haben vorzugsweise eine mechanische Steifigkeit, die dazu angepasst ist, aerodynamische Kräfte auf den Profilbereich zu übertragen. Dazu kann das Füllstück vorzugsweise mit anisotropen Eigenschaften ausgestattet sein, beispielsweise indem aussteifende Einlagen in bestimmter Richtung in das Füllstück eingebracht sind. Dies kann bevorzugt dazu ausgenutzt werden, das Füllstück auch derart zu gestalten, dass das Füllstück einer Klappenauslenkung geringen elastischen Widerstand entgegensetzt.
Ein bevorzugter Werkstoff für das Füllstück ist ein Gummiwerkstoff, der einerseits die Elastizität hat, der Klappenbewegung zu folgen und durch seine elastische Rückstellfähigkeit wieder die ursprüngliche, komprimierte Lage einnimmt, insbesondere wenn er niedrigen E-Modul besitzt, und andererseits durch versteifende Einlagen die erforderliche mechanische Steifigkeit zum Übertragen aerodynamischer Kräfte auf den Profilbereich bieten kann.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben, in denen zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht eines Teilbereichs eines erfindungsgemäßen Rotorblatts als aerodynamisches Profil;
2 eine Draufsicht auf das Rotorblatt aus 1; und
3 ein Rotorblatt des Stands der Technik.
Das Rotorblatt 10, das ein Beispiel für ein aerodynamisches Profil ist, ist aus einem Profilbereich 14 gebildet, der sich in Spannweitenrichtung S erstreckt und durch die Profilsehne in Profilsehnenrichtung C aufgespannt wird. In einem Teilbereich in Spannweitenrichtung S des Profilbereichs 14 ist eine im Wesentlichen rechteckige Ausnehmung in der Draufsicht auf die Profiloberseite im Profilbereich 14 vorgesehen, in die eine Klappe 12 eingebracht ist. Die Klappe kann mittels des Gelenkbereichs 16 am Profilbereich 14 gelagert werden.
Der Gelenkbereich 16 kann nach Bedarf durch gewöhnliche mechanische Gelenke oder aber auch Filmscharniere oder ähnliches mit Piezoaktuatoren ausgestaltet werden. Vorzugsweise sind die den Gelenkbereich 16 bildenden Elemente derart im Inneren des Profilbereichs 14 und der Klappe 12 angeordnet, dass sie zumindest von einer Deckhaut überdeckt sind, so dass bei einem Übergang zwischen Klappe 12 und Profilbereich 14 in Profilsehnenrichtung C kein Spalt vorhanden ist, welcher die das aerodynamische Profil 10 umströmende Luftströmung stören könnte.
Wenn die Klappe in einem (in 1 bis 3 nicht dargestellten) nicht ausgelenkten Zustand ist, ist das Profil 10 im Wesentlichen geschlossen, d.h. zwischen Profilbereich 14 und Klappe 12 ist keine Stufe, kein Spalt oder dergleichen vorhanden.
Bei einer Auslenkung einer herkömmlichen Klappe 112 bezüglich eines Profilelements 114 (siehe 3) entsteht ein stufenartiger Übergang zwischen Klappe 112 und Profilbereich 114 beidseits der ausgelenkten Klappe 112.
Dieser unstetige, sprunghafte Übergang zwischen der Klappe 12 und dem Profilelement 14 und der damit einhergehende Spalt wird gemäß 1 und 2 durch jeweils ein auf jeder Seite der Klappe 12 angeordnetes Füllstück 17, 18 überbrückt und geschlossen, das unter Deckhaut der Klappe 12 über deren gesamte Erstreckung in Profilsehnenrichtung C sowie am Profilbereich 14 angebracht ist. Das Füllstück 17, 18 ist elastisch, so dass es bei geschlossener, nicht ausgelenkter Klappe 12 nicht vom Profil aufsteht und dadurch die Luftumströmung um das Profil stört. Bei Auslenkung der Klappe 12 ist das Füllstück 17, 18 stets gespannt, so dass es ebenfalls gleichmäßig umströmt werden kann.
Das Füllstück 17 bzw. 18 erstreckt sich derart über den Profilbereich 14, dass es mit diesem zumindest bereichsweise überlappt und daran befestigt ist. Bei der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist das Füllstück 17, 18 im Wesentlichen dreiecksförmig, so dass es die mit zunehmendem Abstand vom Gelenkbereich 16 zwischen Klappe 12 und Profilbereich 14 entstehende größere absolute Auslenkung der Klappe 12 relativ zum Profilbereich 14 und den damit entstehenden Spalt mit zunehmender Höhe überbrücken und durch seine Elastizität kompensieren kann, ohne plastisch verformt zu werden. Durch die verhältnismäßig große Überlappungslänge des Füllstücks 17 bzw. 18 in Profilspannweitenrichtung entlang der Profilhinterkante kann somit ein gleichmäßiger Übergang ohne wesentliche Störung der Luftumströmung durch einen Spalt, auch bei ausgelenkter Klappe, gewährleistet werden.
Nach Bedarf können entsprechende Füllstücke 17, 18 auf der Ober- und Unterseite des Profilbereichs 14 angebracht sein und jeweils den Profilbereich 14 mit der Klappe 12 verbinden.
Die Füllstücke sind bevorzugt aus Gummi hergestellt, der durch seine Ausdehnung und seine Rückstelleigenschaften in die zusammengezogene Position die Längenänderungen der Füllstücke 17, 18 bei Auslenkung der Klappe kompensiert. Der Gummi ist vorzugsweise derart mit Verstärkungseinlagen versehen, dass das Füllstück 17, 18 ausreichende mechanische Steifigkeit hat, um Kräfte, die auf es einwirken, auf das Rotorblatt 10 zu übertragen. Die Fülleinlagen in den Füllstücken 17, 18 sind vorzugsweise derart orientiert, dass sie der Drehbewegung der Klappe 12 bei deren Ausschlag geringen elastischen Widerstand entgegensetzen. Dazu ist der Gummiwerkstoff vorzugsweise mit anisotropen Eigenschaften, beispielsweise durch die aussteifenden Einlagen, versehen, so dass er richtungsabhängig unterschiedliche Charakteristika hat.

10, 110: aerodynamisches Profil
12, 112: Klappe
14, 114: Profilbereich
16, 116: Gelenkbereich
17: Füllstück
18: Füllstück
C: Profilsehnenrichtung
S: Spannweitenrichtung

Claims

Aerodynamisches Profil (10) mit einem Profilbereich (14) und einer beweglichen Klappe (12), die gelenkig am Profilbereich (14) des aerodynamischen Profils (10) gelagert ist und sich über einen Teilbereich des Profils (10) in Spannweitenrichtung (S) erstreckt, wobei zwischen die Klappe (12) und den Profilbereich (14) sich an die Klappe (12) in Spannweitenrichtung (5) anschließend ein elastisches Füllstück (17, 18) eingebracht ist.
Aerodynamisches Profil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein elastisches Füllstück (17, 18) beidseits der Klappe (12) in Spannweitenrichtung (S) vorgesehen ist.
Aerodynamisches Profil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Füllstück (17, 18) zwischen zwei benachbarten Klappenelementen (12) erstreckt.
Aerodynamisches Profil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das elastische Füllstück (17, 18) über eine gesamte gemeinsame Länge in Profilsehnenrichtung (C) des Profilbereichs (14) und der Klappe (12) erstreckt.
Aerodynamisches Profil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstück (17, 18) den gesamten Raum, der durch den Klappenrand in Spannweitenrichtung (S) und den Rand der Nische zur Aufnahme der Klappe (12) im Profilbereich (14) definiert ist, überspannt.
Aerodynamisches Profil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aerodynamische Profil (10) ein Rotorblatt ist.
Aerodynamisches Profil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstück (17, 18) eine mechanische Steifigkeit hat, die angepasst ist, aerodynamische Kräfte auf den Profilbereich (14) zu übertragen.
Aerodynamisches Profil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstück (17, 18) aus einem Gummiwerkstoff gebildet ist.
Aerodynamisches Profil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstück (17, 18) anisotrope Eigenschaften besitzt, insbesondere derart angepasst ist, dass es geringen Widerstand gegenüber einer Klappenschwenkung aufweist.