DE102010014641A1 - Wall section for structure component for flow components of airplanes, has external cover, which is formed permeable for air flow, where internal cover is arranged with openings - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Wandabschnitt für ein Strukturbauteil zur Verwendung für Strömungsbauteile von Flugzeugen sowie das Strukturbauteil selbst und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Weiter betrifft die Erfindung ein Strömungsbauteil für ein Flugzeug mit einem Strukturbauteil.The invention relates to a wall section for a structural component for use for flow components of aircraft and to the structural component itself and to a method for the production thereof. Furthermore, the invention relates to a flow component for an aircraft with a structural component.
Aus der Aerodynamik ist bekannt, dass eine laminare Umströmung von Trag- und Leitflächen den höchstmöglichen Auftrieb bei gleichzeitig geringstem Widerstand gegen die Anströmrichtung liefert. Häufig ist es aufgrund der gegebenen Profilform jedoch nicht möglich, für alle auftretenden Anströmbedingungen eine solche laminare Strömung zu gewährleisten. Selbst bei konstanten Anströmbedingungen kann sich die Strömung an Unstetigkeiten des Profils ablösen und turbulent werden mit der Folge verminderten Auftriebs und erhöhten Profilwiderstandes.From the aerodynamics it is known that a laminar flow around carrying and guiding surfaces provides the highest possible lift with at the same time least resistance to the direction of flow. However, due to the given profile shape, it is often not possible to ensure such a laminar flow for all incident flow conditions occurring. Even with constant inflow conditions, the flow can become detached from discontinuities of the profile and become turbulent, resulting in reduced buoyancy and increased profile resistance.
Wie weiterhin aus der Aerodynamik bekannt ist, kann durch kontinuierliches Absaugen der turbulenten Schicht eine weitgehende Laminarisierung der Strömung erreicht werden. Da unter Reiseflugbedingungen eine Widerstandsverminderung zugleich auch zu einer erheblichen Treibstoffersparnis führt, lassen sich durch eine Strömungslaminarisierung beträchtliche wirtschaftliche Vorteile erzielen. Deshalb wurde bereits versucht, durch das Anbringen von Absaugöffnungen im Tragflügel zu einer solchen Strömungslaminarisierung zu gelangen. In diesem Zusammenhang stellt es eine bereits bekannte Maßnahme dar, auf der Oberfläche eines Tragflügels in Spannweitenrichtung verlaufende schlitzförmige Absaugöffnungen oder eine Mikroperforation vorzusehen. Sofern derartige Hohlbauteile durch einen als superplastische Umformung bezeichneten Fertigungsprozeß dahergestellt werden, bei dem sie mittels Innendruckbeaufschlagung in eine Negativform expandiert werden, muss die Perforation der Oberflächenbehäufung nach dem Umformvorgang vorgenommen werden, da ansonsten nicht der für den Umformvorgang erforderliche Innendruck im Bauteil erzeugt werden kann. Eine solche nachträgliche Perforierung ist jedoch mit einem erheblichem Arbeits- und Kostenaufwand verbunden.As is further known from the field of aerodynamics, continuous aspiration of the turbulent layer can achieve a substantial laminarization of the flow. Since under cruise conditions a reduction in resistance at the same time also leads to a significant fuel savings, can be achieved by a Strömungslaminarisierung considerable economic benefits. Therefore, attempts have already been made to arrive by the attachment of suction in the wing to such a flow laminarization. In this context, it is an already known measure to provide extending on the surface of an airfoil in the spanwise slot-shaped suction or micro perforation. If such hollow components are provided by a designated as superplastic forming process in which they are expanded by means of internal pressure in a negative mold, the perforation of the surface aggregation must be made after the forming process, otherwise not required for the forming process internal pressure in the component can be produced. However, such subsequent perforation is associated with a considerable work and expense.
Nachteilig bei den bekannten Hohlraumprofilen ist weiter, dass Löcher in dem oberen Deckblech notwendig sind, welche als Perforation ausgeführt sind und der Absaugung von Luft zur Strömungslaminarisierung dienen. Durch diese Perforation mit einer Bohrungsgröße von 30 bis 100 μm wird Luft abgesaugt und die Entstehung turbulenter Strömung damit unterdrückt. Jedoch ist die Herstellung der Perforation sehr aufwendig, insbesondere wenn relativ große Luftmengen und/oder relativ große Flächen für die Strömungslaminarisierung in Frage kommen. Die Perforation wird bei bekannten Verfahren in das obere Deckblech mittels Mikroperforation, beispielsweise mittels Lasertechnik gefertigt. Je nach Technik und geforderter Perforationsqualität sind dabei Perforationsfrequenzen von 100 bis 300 Hz möglich. Setzt man ideale Strömungslaminarisierung bei einem Flügel, einem Leitwerk, einer Triebwerksgondel oder einer Stellklappe eines Verkehrsflugzeuges als Grundlage voraus, so sind üblicher Weise ca. 4 Mio. Löcher pro m2 notwendig. Damit ergibt sich bei mittlerer Qualität für eine Produktionszeit von 4,45 Stunden für 4 Mio. Löcher, also von ca. 4½ Stunden pro Quadratmeter. Um die notwendige Perforation für Höhen- und Seitenleitwerk eines Verkehrsflugzeuges mit jeweils 5 bis 10 m2 zu fertigen sind demnach mehr als zwei Tage notwendig.A disadvantage of the known cavity profiles is further that holes in the upper cover plate are necessary, which are designed as a perforation and the suction of air for Strömungslamaminarisierung serve. Through this perforation with a bore size of 30 to 100 microns, air is sucked out and the formation of turbulent flow is thus suppressed. However, the production of the perforation is very expensive, especially when relatively large amounts of air and / or relatively large areas for the Strömungslaminarisierung come into question. The perforation is made in known methods in the upper cover plate by means of micro perforation, for example by laser technology. Depending on the technology and the perforation quality required, perforation frequencies of 100 to 300 Hz are possible. If one presupposes ideal flow laminarization in the case of a wing, a tail unit, an engine nacelle or a flap of a commercial aircraft as the basis, it is usual for approx. 4 million holes per m 2 to be necessary. This results in medium quality for a production time of 4.45 hours for 4 million holes, ie of about 4½ hours per square meter. In order to produce the necessary perforation for vertical and vertical stabilizer of a commercial aircraft with 5 to 10 m 2 are therefore more than two days necessary.
Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung bekannter Verfahren zur Erzeugung der Perforation sind entstehende Grate an den Löchern und/oder Oberflächenbeeinträchtigungen durch die Lasertechnik. An solchen Oberflächenbeeinträchtigungen oder Graten besteht die Gefahr der Luftverwirbelungen und damit einer negativen Beeinflussung der Strömung. Die Strömung wird also durch die Grate oder Oberflächenbeeinträchtigungen wieder turbulenter. Die Fertigungstechnik würde also dem eigentlichen Ziel der Strömungslaminarisierung wieder entgegenwirken und diese zumindest teilweise Aufheben. Will man diesen Nachteil nicht in Kauf nehmen, so muss an die Fertigung der Perforation ein weiterer, sehr aufwendiger Fertigungsschritt des Entgratens, zum Beispiel durch chemisches Ätzen anschließen.Another disadvantage with the use of known methods for producing the perforation are resulting burrs at the holes and / or surface impairments by the laser technology. At such surface impairments or burrs there is a risk of air turbulence and thus a negative influence on the flow. The flow becomes more turbulent again due to the burrs or surface impairments. The production technology would thus counteract the actual goal of Strömungslaminarisierung again and this at least partially cancel. If you do not want to take this disadvantage into account, so must connect to the production of perforation another, very complex manufacturing step of deburring, for example by chemical etching.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die voranstehend beschriebenen Nachteile bekannter Verfahren zu lösen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wandabschnitt und ein Strukturbauteil bereit zu stellen, welches einfacher, schneller und damit auch kostengünstiger gefertigt werden kann.The object of the present invention is to solve the above-described disadvantages of known methods. In particular, it is an object of the present invention to provide a wall section and a structural component, which can be made simpler, faster and thus more cost-effective.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wandabschnitt mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein Strukturbauteil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7. Weitere Gegenstände der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 14 sowie ein Strömungsbauteil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 16.This object is achieved by a wall section having the features of independent claim 1 and by a structural component having the features of independent claim 7. Further objects of the present invention are a method having the features of independent claim 14 and a flow component having the features of the independent claim 16th
Erfindungsgemäß ist ein Wandabschnitt oder Beplankungsabschnitt zur Verwendung für einen aerodynamischen Körper oder ein Strömungsbauteil eines Flugzeugs vorgesehen, das ein oberes oder äußeres Deckblech oder eine obere Deckschale, welches zumindest teilweise permeabel für Luftströmung ist, und wenigstens ein inneres Deckblech oder eine untere Deckschale mit darin angeordneten Öffnungen aufweist. Die Permeabilität des oberen Deckbleches kann dabei vorteilhafter Weise durch eine Ausbildung zumindest teilweise als für Luftströmung permeable Metallgeflechtanordnung erzielt werden. Weiter ist ein poröser Metallschaumkern vorgesehen, welcher zwischen den beiden Deckblechen angeordnet ist und permeabel für Luftströmung ist sowie das äußere Deckblech gegen das innere Deckblech abstützt. Der Metallschaumkern kann insbesondere flächig mit dem oberen oder unteren Deckblech verbunden sein. Dabei kann sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung der poröse Metallschaumkern auch zumindest teilweise auf das obere Deckblech erstrecken, diesen also zumindest teilweise bilden. Auch eine separate Lage eines porösen Metallschaums kann zur Ausbildung des permeablen oberen Deckbleches verwendet werden. Ein erfindungsgemäßer Wandabschnitt unterscheidet sich also von den bekannten Wandabschnitten insbesondere durch die Verwendung einer Metallgeflechtanordnung welche permeabel für Luft ist und zumindest teilweise das obere Deckblech bildet. Diese Metallgeflechtanordnung kann mehrschichtig sein, oder auch aus einer einzelnen Geflechtschicht bestehen. Unter Metallgeflecht, bzw. Metallgeflechtanordnung ist dabei jede Form von einzelnen im Wesentlichen strangförmigen Metallelementen, zum Beispiel Metalldrähte, zu verstehen, welche miteinander verflochten sind. Dabei können unterschiedlichste Flechtmethoden angewendet werden. Entscheidend für die Wahl der Flechtmethode und die Art Metallelemente ist dabei für die Metallgeflechtanordnung, dass diese permeabel für Luftströmung ist sowie den strukturellen Anforderungen hinsichtlich ihrer mechanischen Belastbarkeit entspricht.According to the invention, there is provided a wall section or paneling section for use with an aerodynamic body or flow component of an aircraft comprising an upper or outer cover plate or upper cover shell which is at least partially permeable to air flow and at least one inner cover plate or lower cover shell disposed therein Has openings. The permeability of the upper cover plate can advantageously by a Training be achieved at least partially as air permeable metal mesh assembly. Further, a porous metal foam core is provided, which is arranged between the two cover plates and is permeable to air flow and the outer cover plate is supported against the inner cover plate. The metal foam core can be connected in particular flat with the upper or lower cover plate. In this case, in the context of the present invention, the porous metal foam core can also extend at least partially onto the upper cover plate, thus at least partially forming it. A separate layer of a porous metal foam can also be used to form the permeable upper cover plate. A wall section according to the invention thus differs from the known wall sections in particular by the use of a metal mesh arrangement which is permeable to air and at least partially forms the upper cover sheet. This metal mesh arrangement may be multi-layered or consist of a single mesh layer. Under metal braid, or metal braid arrangement is to understand any form of individual substantially strand-shaped metal elements, for example metal wires, which are intertwined with each other. Different braiding methods can be used. Crucial for the choice of braiding method and the type of metal elements is for the metal braid arrangement that it is permeable to air flow and meets the structural requirements in terms of their mechanical strength.
Diese Permeabilität der Metallgeflechtanordnung ermöglicht eine Fertigung des Wandabschnittes nicht mit einem alternativen Verfahren für die Erstellung einer Perforation, sondern bereits durch die erfinderische Verwendung der Metallgeflechtanordnung. Auf diese Weise kann der zusätzliche Schritt des Perforierens durch Laserstrahlbohren vollständig entfallen, so dass nicht nur eine Zeitreduktion dieses Verfahrensschrittes ermöglich wird, sondern dieser Schritt und die dafür benötigte Zeit komplett entfällt. Damit wird, im Vergleich zu der Berechnung der Fertigungszeit in der Einleitung dieser Beschreibung, das Herstellungsverfahren des Wandabschnittes bei der Verwendung für Strömungsbauteil eines Verkehrsflugzeuges, wie Flügel, Leitwerk, Triebwerksgondel oder Stellklappe erheblich beschleunigt. Diese Beschleunigung der Fertigung führt zu einer Reduktion der Herstellkosten des Wandabschnittes.This permeability of the metal braid assembly does not allow fabrication of the wall portion with an alternative method of creating a perforation, but already through the inventive use of the metal braid assembly. In this way, the additional step of perforating by laser drilling can be completely eliminated, so that not only a time reduction of this process step is possible, but this step and the time required for it completely eliminated. Thus, compared to the calculation of the manufacturing time in the introduction of this specification, the manufacturing process of the wall portion when used for flow component of a commercial aircraft, such as wings, tail, engine nacelle or butterfly valve significantly accelerated. This acceleration of production leads to a reduction in the manufacturing costs of the wall section.
Weiter entfällt durch die Metallgeflechtanordnung jegliche Toleranzproblematik mit Bezug auf die Perforation. Da keine einzelnen Löcher gefertigt werden, müssen auch keine solchen hinsichtlich ihrer Toleranzgenauigkeit überprüft werden. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Verwendung von einer Metallgeflechtanordnung ein relativ freies Umformen des Hohlkammerprofils ermöglichen. Im Gegensatz zu Deckblechen mit einzelnen Löchern, die sich beim Umformen des Hohlkammerprofils, insbesondere während eines Umformprozesses verändern, bleibt die gesamte Durchlässigkeit der Metallgeflechtanordnung auch durch einen Umformprozess relativ unbeeinträchtigt. Diese Unabhängigkeit bezieht sich insbesondere auf die Permeabilität der Metallgeflechtanordnung hinsichtlich des Luftstroms. Dies ist auch entscheidend, da für die erfolgreiche Strömungslaminarisierung ein ausreichender Luftstrom durch das obere Deckblech hindurch gelangen muss.Further eliminates any tolerance problem with respect to the perforation by the metal mesh assembly. Since no individual holes are made, no such must be checked for their tolerance accuracy. In addition, the use of a metal mesh arrangement according to the invention can enable a relatively free deformation of the hollow chamber profile. In contrast to cover plates with individual holes, which change during the forming of the hollow chamber profile, in particular during a forming process, the entire permeability of the metal mesh arrangement remains relatively unaffected by a forming process. This independence relates in particular to the permeability of the metal mesh arrangement with respect to the air flow. This is also crucial because sufficient airflow must pass through the top cover plate for successful flow laminarization.
Durch die Verwendung der Metallgeflechtanordnung für das erfindungsgemäße Strukturbauteil ist weiter der Vorteil zu erzielen, dass, beispielsweise durch noch feinere Flechtwerke, auch noch eine deutlich kleinere Porosität erzeugt werden kann, die einer deutlich größeren Anzahl von Löchern in dem oberen Deckblech entspricht, ohne, dass der Fertigungsaufwand sich signifikant erhöht. Durch das erfindungsgemäße Verwenden einer Metallgeflechtanordnung für den Wandabschnitt werden die genannten Nachteile behoben.By using the metal mesh arrangement for the structural component according to the invention, it is furthermore possible to achieve an even significantly smaller porosity, which corresponds to a significantly larger number of holes in the upper cover sheet, for example by means of even finer meshworks the manufacturing costs increased significantly. By using a metal mesh arrangement according to the invention for the wall section, the disadvantages mentioned are eliminated.
Erfindungsgemäß ist die Metallgeflechtanordnung mit einem porösen Metallschaumkern kombiniert. Dieser Metallschaumkern übernimmt neben unter anderem die Aufgabe des Abstützens der Deckbleche gegeneinander. Mit anderen Worten dient der poröse Metallschaumkern zur mechanischen Stabilisierung des Wandabschnittes. Er ersetzt dabei sonst übliche Strukturprofile, wie zum Beispiel Honigwabenstrukturen oder Fachwerkstrukturen. An deren Stelle bietet der poröse Metallschaumkern eine vollflächige Abstützung der Deckbleche gegeneinander. Auf diese Weise wird eine über die Fläche der Deckbleche hinweg konstante Abstützung eben dieser Deckbleche erreicht. Durch die Erhöhung der Kraftübertragungsfläche zur Abstützung der Deckbleche gegeneinander wird die in den einzelnen Materialbereichen des porösen Metallschaumkerns zu übertragende Kraft reduziert. Mit anderen Worten verteilen sich die abzustützenden Lasten auf eine größere Fläche als bei Stegen, Fachwerkstrukturen oder Honigwabenstrukturen üblich. Die damit sinkende Materialbelastung trägt zur Sicherheit des Bauteils und vor allem zu dessen Langlebigkeit bei.According to the invention, the metal mesh arrangement is combined with a porous metal foam core. This metal foam core takes over, inter alia, the task of supporting the cover plates against each other. In other words, the porous metal foam core serves for the mechanical stabilization of the wall section. It replaces otherwise usual structural profiles, such as honeycomb structures or truss structures. In its place, the porous metal foam core provides a full-surface support of the cover sheets against each other. In this way a constant over the surface of the cover plates away support just this cover plates is achieved. By increasing the force transmission surface for supporting the cover plates against each other, the force to be transmitted in the individual material regions of the porous metal foam core is reduced. In other words, the loads to be supported are distributed over a larger area than in the case of bars, truss structures or honeycomb structures. The resulting decrease in material load contributes to the safety of the component and, above all, to its longevity.
Dabei ist für die Funktionalität der vorliegenden Erfindung wesentlich, dass es sich um einen porösen Metallschaumkern handelt. Unter dem Begriff „porös ist dabei zu verstehen, dass der poröse Metallschaumkern permeabel für Luftströmung ist. Er weist also eine Porenstruktur auf, welche für Luftströmung durchlässig ist. Dabei sind die Poren des porösen Metallschaumkerns miteinander verbunden, so dass zum Beispiel eine schwammartige Struktur den porösen Metallschaumkern bilden kann. Dabei ist die Permeabilität des porösen Metallschaumkerns in alle drei Raumdimensionen gegeben. Die Luftströmung kann sich also innerhalb des porösen Metallschaumkerns im Wesentlichen frei bewegen. Die Bewegungsfreiheit der Luftströmung ist dabei nicht räumlich eingeschränkt, sonder nur durch den im porösen Metallschaumkern entstehenden Druckverlust. Daraus last sich ableiten, dass je nach Dicke des porösen Metallschaumkerns, also je nach Abstand der beiden Deckbleche voneinander, unterschiedliche Porengrößen sinnvoll sein können. Insbesondere bei größeren Dicken des porösen Metallschaumkerns ist zu beachten, dass der Druckverlust der Luftströmung beim Durchströmen des porösen Metallschaumkerns diese Luftströmung in Dickenrichtung zwischen den beiden Deckblechen nicht behindert, bzw. sogar verhindert.It is essential for the functionality of the present invention that it is a porous metal foam core. The term "porous" is understood to mean that the porous metal foam core is permeable to air flow. So he has a pore structure which is permeable to air flow. In this case, the pores of the porous metal foam core are connected to each other, so that, for example, a sponge-like structure can form the porous metal foam core. Here, the permeability of the porous metal foam core given in all three space dimensions. The air flow can therefore move substantially freely within the porous metal foam core. The freedom of movement of the air flow is not limited in space, but only by the resulting pressure loss in the porous metal foam core. From this it can be deduced that, depending on the thickness of the porous metal foam core, that is, depending on the distance of the two cover plates from each other, different pore sizes may be useful. In particular with larger thicknesses of the porous metal foam core, it should be noted that the pressure loss of the air flow as it flows through the porous metal foam core does not hinder or even prevent this air flow in the thickness direction between the two cover plates.
Der poröse Metallschaumkern kann beispielsweise auf Nickel-Eisenbasis hergestellt sein. Jedoch sind auch andere, insbesondere korrosionsfeste Materialien, wie zum Beispiel Titan oder Titanlegierungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Die Poren können dabei sowohl über einen Schaumprozess, also aufbauend, als auch verbindend, zum Beispiel durch einen Sinterprozess, hergestellt werden. Insbesondere bei der Verwendung von Sinterprozessen für die Herstellung des porösen Metallschaumkerns kann es sinnvoll sein diesen Sinterprozess auch für die Verbindung zwischen dem porösen Metallschaumkern und den Deckblechen zu verwenden. Mit anderen Worten wird bei einer solchen Variante der poröse Metallschaumkern sozusagen an die Deckbleche angesintert. Eine vollflächige Verbindung zwischen dem porösen Metallschaum und den jeweiligen Deckblechen kann dabei von Vorteil sein, insbesondere wenn nicht nur Druckkräfte, sondern auch Zug- und/oder Schubkräfte zwischen den Deckblechen übertragen werden sollen. Diese vollflächige Verbindung oder auch teilflächige Verbindungen können zum Beispiel sowohl durch ansintern, wie auch durch Diffusionsschweißen hergestellt werden.The porous metal foam core may be made of, for example, nickel-iron base. However, other, in particular corrosion-resistant materials, such as titanium or titanium alloys in the context of the present invention are conceivable. The pores can be produced both by a foaming process, that is building up, and by connecting, for example, by a sintering process. In particular, in the use of sintering processes for the production of the porous metal foam core, it may be useful to use this sintering process for the connection between the porous metal foam core and the cover plates. In other words, in such a variant, the porous metal foam core is as it were sintered to the cover plates. A full-surface connection between the porous metal foam and the respective cover plates may be advantageous, in particular if not only compressive forces but also tensile and / or shear forces are to be transmitted between the cover plates. This full-surface connection or even part-surface connections can be produced, for example, both by sintering, as well as by diffusion welding.
In Einsatzbereichen in welchen mit festen oder flüssigen Verschmutzungen zu rechnen ist, kann es von Vorteil sein, wenn die Porengröße, insbesondere die mittlere Porengröße oder die maximale Porengröße, des porösen Metallschaumkerns größer ist als die Porengröße, insbesondere die mittlere Porengröße oder die maximale Porengröße, der Metallgeflechtanordnung. Auf diese Weise wird verhindert, dass Verschmutzungen in das von Außen unzugängliche Innere des Wandabschnittes, also in den porösen Metallschaumkern, gelangen können.In areas of application in which solid or liquid soils are to be expected, it may be advantageous if the pore size, in particular the average pore size or the maximum pore size, of the porous metal foam core is greater than the pore size, in particular the average pore size or the maximum pore size, the metal mesh arrangement. In this way it is prevented that contaminants in the inaccessible from the outside of the inner wall portion, ie in the porous metal foam core, can get.
Bei einem erfindungsgemäßen Wandabschnitt kann es vorteilhaft sein, wenn im porösen Metallschaumkern Ausnehmungen vorgesehen sind, welche Durchlässe zwischen dem porösen Metallschaumkern und den Öffnungen im inneren Deckblech bilden. Diese Ausnehmungen vergrößern mit anderen Worten die Abgabeoberfläche des porösen Metallschaumkerns für Luftströmung an die Öffnungen im inneren Deckblech. Während bei direktem Kontakt des porösen Metallschaumkerns mit dem inneren Deckblech der Abgabequerschnitt für Luftströmung aus dem porösen Metallschaumkern identisch mit dem Querschnitt der Öffnungen im inneren Deckblech ist, kann durch das Vorsehen der Ausnehmungen der Abgabequerschnitt für Luftströmung aus dem porösen Metallschaumkern vergrößert werden. Insbesondere liegt dieser im Bereich des 1,5 bis 5-fachen des Öffnungsquerschnitts der Öffnungen in dem inneren Deckblech.In the case of a wall section according to the invention, it may be advantageous if recesses are provided in the porous metal foam core which form passages between the porous metal foam core and the openings in the inner cover plate. In other words, these recesses increase the delivery surface of the porous metal foam core for air flow to the openings in the inner cover plate. While in direct contact of the porous metal foam core with the inner cover plate, the air flow discharge section from the porous metal foam core is identical to the cross section of the openings in the inner cover plate, by providing the recesses, the air flow discharge section can be enlarged from the porous metal foam core. In particular, this is in the range of 1.5 to 5 times the opening cross section of the openings in the inner cover plate.
Das Vergrößern des Abgabequerschnitts aus dem porösen Metallschaumkern hat unter anderem den Vorteil, dass der Druckverlust, welcher der Luftströmung bei Verlassen des Metallschaumkerns praktisch entgegenwirkt, geringer wird. Die Luftströmung kann gegen Widerstand aus dem porösen Metallschaumkern austreten und den Wandabschnitt über die Öffnungen im inneren Deckblech verlassen.Increasing the delivery cross section from the porous metal foam core has, inter alia, the advantage that the pressure loss, which virtually counteracts the air flow when leaving the metal foam core, becomes smaller. The air flow can escape from the porous metal foam core against resistance and leave the wall section via the openings in the inner cover plate.
Dabei ist in einem ersten Schritt unerheblich, welche Form die Ausnehmungen aufweisen. Entscheidend ist, dass durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Ausnehmungen im porösen Metallschaumkern in der Weise, dass Durchlässe zwischen dem porösen Metallschaumkern und den Öffnungen im inneren Deckblech gebildet werden, der Abgabequerschnitt für Luftströmung aus dem porösen Metallschaumkern vergrößert wird. Auch ist unerheblich ob die Ausnehmungen durch das Entfernen von Material gebildet, oder bereits beim Fertigen des porösen Metallschaumkerns berücksichtigt werden.It is irrelevant in a first step, which form the recesses. It is crucial that the discharge cross-section for air flow from the porous metal foam core is increased by the inventive design of the recesses in the porous metal foam core in such a way that passages between the porous metal foam core and the openings are formed in the inner cover plate. It is also irrelevant whether the recesses formed by the removal of material, or are already taken into account in the manufacture of the porous metal foam core.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Ausnehmungen zumindest teilweise eine sphärische Form aufweisen. Mit anderen Worten können die Ausnehmungen halbkugelförmige oder teilkugelförmige Schalen sein, welche zum Beispiel in einfacher und kostengünstiger Weise mittels eines runden Fräskopfes gestaltet werden können. Dabei können die Ausnehmungen derart gestaltet sein, dass jeder Öffnung im inneren Deckblech genau eine Ausnehmung zugeordnet ist. Jedoch ist es auch möglich, dass die Ausnehmungen jeweils für mehrere Öffnungen im inneren Deckblech vorgesehen sind.It may be advantageous if the recesses at least partially have a spherical shape. In other words, the recesses can be hemispherical or partially spherical shells, which can be designed, for example, in a simple and cost-effective manner by means of a round milling head. The recesses may be designed such that each opening in the inner cover plate is associated with exactly one recess. However, it is also possible that the recesses are each provided for a plurality of openings in the inner cover plate.
Weiter ist es möglich, dass die Ausnehmungen zumindest teilweise eine Längserstreckung aufweisen und damit längliche Nuten in dem porösen Metallschaumkern bilden, welche entlang der Richtung der Längserstreckung der Nuten hintereinander und/oder nebeneinander angeordnet sind. Das Formen von solchen Nuten mittels der Ausnehmungen im porösen Metallschaumkern dient zur Bildung von Kanälen oder sogar Netzstrukturen der Nuten, welche eine Verteilung der Luftströmung noch innerhalb des Wandabschnittes, jedoch bereits nach dem Austritt aus dem porösen Metallschaumkern ermöglichen. Die Verteilung innerhalb des Wandabschnittes, jedoch außerhalb des porösen Metallschaumkerns hat den Vorteil, dass bei vergleichsweise geringem Druckverlust eine Umverteilung oder ein Ausgleich der Luftströmung vorgenommen werden kann, ohne dass Anbauten oder externe Bauteile am inneren Deckblech notwendig sind.Furthermore, it is possible that the recesses have at least partially a longitudinal extent and thus form elongate grooves in the porous metal foam core, which are arranged along the direction of the longitudinal extension of the grooves one behind the other and / or next to each other. The molding of such grooves by means of the recesses in the porous metal foam core serves to form channels or even network structures of the grooves, which still have a distribution of the air flow within the wall section, but already allow after exiting the porous metal foam core. The distribution within the wall section, but outside of the porous metal foam core has the advantage that at a relatively low pressure loss, a redistribution or compensation of the air flow can be made without attachments or external components on the inner cover plate are necessary.
Da in den Bereichen des porösen Metallschaumkerns, in welchen sich die Ausnehmungen befinden, die Dicke des porösen Metallschaumkerns geringer als der Abstand zwischen den beiden Deckblechen ist, kann es sinnvoll sein, dass die Ausnehmungen zur Abstützung des porösen Metallschaumkerns zumindest ein Verstärkungselement aufweisen, welches in Kontakt mit dem porösen Metallschaumkern steht und zumindest teilweise permeabel für Luftströmung ist. Das Verstärkungselement, welches zum Beispiel in Form einer Folie oder einer Schale oder eines Bleches in die Ausnehmung eingelegt ist, dient somit dazu die Schwächung in mechanischer Hinsicht an dieser Stelle zu kompensieren. Dabei ist wichtig, dass das dieses Verstärkungselement ebenfalls permeabel für Luftströmung ist, da ansonsten der Vorteil des vergrößerten Abgabequerschnittes im porösen Metallschaumkern wieder verschwunden wäre. Die Permeabilität kann zum Beispiel durch die Verwendung poröser Materialien für das Verstärkungselement oder durch das Vorsehen von Löchern in demselben hergestellt werden.Since in the regions of the porous metal foam core in which the recesses are located, the thickness of the porous metal foam core is smaller than the distance between the two cover plates, it may be useful for the recesses to support the porous metal foam core have at least one reinforcing element, which in Contact with the porous metal foam core is at least partially permeable to air flow. The reinforcing element, which is inserted for example in the form of a film or a shell or a sheet in the recess, thus serves to compensate for the weakening in mechanical terms at this point. It is important that this reinforcing element is also permeable to air flow, otherwise the advantage of the increased discharge cross-section in the porous metal foam core would have disappeared again. The permeability can be made, for example, by the use of porous materials for the reinforcing element or by providing holes therein.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Strukturbauteil zur Verwendung für Strömungsbauteile von Flugzeugen. Ein solches Strukturbauteil weist wenigstens zwei Seitenwandabschnitte aufweisend jeweils zumindest einen erfindungsgemäßen Wandabschnitt und wenigstens einem Nasenabschnitt auf, welcher ein für Luftströmung permeables äußeres Nasenblech aufweist und zwischen den beiden Seitenwandabschnitten angeordnet sowie mit diesen verbunden ist. Weiter ist zumindest ein zentraler Luftkanal vorgesehen, welcher zum Absaugen von Luft von der Außenseite des äußeren Deckbleches mit der permeablen Metallgeflechtanordnung über die Öffnungen und den Metallschaumkern in fluidkommunizierender Verbindung steht.A further subject of the present invention is a structural component for use in aircraft flow components. Such a structural component has at least two side wall sections, each comprising at least one wall section according to the invention and at least one nose section, which has an outer nose plate permeable to air flow and is arranged between the two side wall sections and connected thereto. Furthermore, at least one central air duct is provided, which is in fluid communication with the permeable metal mesh arrangement via the openings and the metal foam core for sucking air from the outside of the outer cover plate.
Dabei können die einzelnen Abschnitte, also Seitenwandabschnitte und Nasenabschnitt separat voneinander gefertigt werden, so dass im Prinzip ein modularer Aufbau möglich wird. So können zum Beispiel die Seitenwandabschnitte einzelnen mit der Metallgeflechtanordnung und oder dem porösen Metallschaumkern vorgefertigt werden, so dass die Werkzeuggrößen für das gesamte Strukturbauteil kleiner werden. Insbesondere in Fällen, bei welchen die Seitenwandabschnitte identische Bauteile sind, kann ein einziges Werkzeug zur Fertigung aller Seitenwandabschnitte verwendet werden. Dies erhöht die Effizienz der gesamten Fertigung und reduziert damit die Kosten entscheidend.In this case, the individual sections, ie side wall sections and nose section can be manufactured separately, so that in principle a modular structure is possible. For example, the sidewall sections may be prefabricated individually with the metal braid assembly and / or the porous metal foam core, so that the tool sizes become smaller for the entire structural component. In particular, in cases where the sidewall portions are identical components, a single tool can be used to fabricate all the sidewall portions. This increases the efficiency of the entire production and thus reduces costs significantly.
Um sicherzustellen, dass im Strukturbauteil von der Oberseite des äußeren Deckblechs, also von der Oberseite des Strukturbauteils, abgesaugte Luft auch im inneren des Strukturbauteils abgeführt werden kann, sind Öffnungen in den dem inneren Deckblech und ein erfindungsgemäßer poröser Metallschaum zwischen den Deckblechen vorgesehen. Die genaue Lage der Öffnungen im inneren Deckblech hängt dabei von der gewünschten Anordnung des zentralen Luftkanals ab. In jedem Fall sind die Öffnungen derart angeordnet, bzw. derart ausgestaltet, dass der, beispielsweise von einer Pumpe erzeugte Unterdruck im zentralen Lüftungskanal über die Öffnungen im Hohlkammerprofil auf die Metallgeflechtanordnung wirken kann und damit ein Absaugen von Luft von der Außenseite des äußeren Deckbleches ermöglicht wird.To ensure that extracted in the structural component of the top of the outer cover plate, so from the top of the structural component, air can also be removed in the interior of the structural component, openings in the inner cover plate and an inventive porous metal foam between the cover plates are provided. The exact location of the openings in the inner cover plate depends on the desired arrangement of the central air duct. In any case, the openings are arranged, or configured such that the, for example, generated by a pump vacuum in the central ventilation duct via the openings in the hollow chamber profile can act on the metal mesh assembly and thus suction of air from the outside of the outer cover plate is made possible ,
Um eine turbulente Strömung im Nasenabschnitt des Strukturbauteils zu unterdrücken, ist dabei das äußere Nasenblech ebenfalls permeabel für Luftströmung, so dass auch eine Beeinflussung der Strömung vor dem Nasenabschnitt erfolgen kann. Dabei ist in einem ersten Schritt unerheblich, in welcher Weise die Permeabilität des Nasenbereichs erzielt wird. So ist, wie es später noch beschrieben wird, auch hier der Einsatz der Metallgeflechtanordnung und/oder des porösen Metallschaumkerns möglich. Jedoch sind aufgrund der, im Vergleich zur Fläche der Seitewandabschnitte, relativ kleinen Fläche des Nasenabschnittes auch aufwendigere Methoden, wie Beispielsweise Laserstrahlbohren, denkbar, um die Permeabilität des Nasenabschnitts herzustellen.In order to suppress a turbulent flow in the nose portion of the structural component, while the outer nose plate is also permeable to air flow, so that an influencing of the flow before the nose portion can take place. It is irrelevant in a first step in which way the permeability of the nose area is achieved. Thus, as will be described later, the use of the metal mesh arrangement and / or the porous metal foam core is also possible here. However, due to the relatively small area of the nose portion compared to the area of the side wall portions, more expensive methods, such as laser drilling, are conceivable for producing the permeability of the nose portion.
Der zentrale Luftkanal dient dem Anschluss eines Kompressors, einer Pumpe, bzw. grundsätzlich einer Einrichtung, welche in der Lage ist in diesem zentralen Luftkanal einen Unterdruck zu erzeugen und Luft abzusaugen. Unter dem Begriff „fluidkommunizierende Verbindung” ist dabei zu verstehen, dass der zentrale Luftkanal derart mit der Metallgeflechtanordnung des äußeren Deckblechs über die Öffnungen in dem inneren Deckblech verbunden ist, dass ein im zentralen Luftkanal erzeugter Unterdruck über die Metallgeflechtanordnung und den porösen Metallschaumkern Luft von der Oberseite des oberen Deckblechs absaugen kann.The central air duct is used to connect a compressor, a pump, or basically a device which is able to generate a negative pressure in this central air duct and to suck air. The term "fluid-communicating connection" is to be understood as meaning that the central air duct is connected to the metal mesh arrangement of the outer cover plate via the openings in the inner cover plate such that a negative pressure generated in the central air duct via the metal mesh arrangement and the porous metal foam core air from the Can suck off the top of the upper cover plate.
Die Kombination des porösen Metallschaumkerns mit der Metallgeflechtanordnung bringt für das erfindungsgemäße Strukturbauteil die gleichen Vorteile mit sich, wie diese bereits zu dem erfindungsgemäßen Wandabschnitt erläutert worden sind.The combination of the porous metal foam core with the metal mesh arrangement brings about the same advantages for the structural component according to the invention as have already been explained for the wall section according to the invention.
Weiter können im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Seitenwandabschnitte des Strukturbauteils und der wenigstens eine Nasenabschnitt von einander separat hergestellte und unlösbar miteinander verbundene Bauteile sind. Auf diese Weise wird der Vorteil erzielt, dass kleinere und damit auch kostengünstigere Werkzeuge für die Herstellung des Strukturbauteils verwendet werden können. Insbesondere können die Seitenwandbereiche im Vergleich zu sonst üblichen Herstellverfahren für alle Abschnitte zusammen komplexer hinsichtlich ihrer Struktur ausgebildet werden. Insbesondere ist damit eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Seitenwandbereiche mit einem porösen Metallschaumkern leichter und kostengünstiger möglich. Furthermore, in the context of the present invention, the side wall sections of the structural component and the at least one nose section can be components which are produced separately from each other and non-detachably connected to one another. In this way, the advantage is achieved that smaller and therefore more cost-effective tools can be used for the production of the structural component. In particular, the sidewall regions can be made more complex with respect to their structure as compared to otherwise customary manufacturing methods for all sections. In particular, an embodiment according to the invention of the side wall regions with a porous metal foam core is thus easier and more cost-effective.
Die einzelnen Bauteile, also die voneinander separaten Seitenwandabschnitte und der Nasenabschnitt werden miteinander unlösbar verbunden um ein mechanisch stabiles Strukturbauteil zu schaffen. Diese Verbindung kann zum Beispiel mittels Laserstrahlschweißen, Löten, Kleben oder Vernieten erfolgen. Da durch die kleineren Werkzeuge für die einzelnen Abschnitte deutlich an Komplexität im Fertigungsverfahren eingespart werden konnte, sind, hinsichtlich der Verbindung der einzelnen Abschnitte, auch aufwendiger Verbindungsmethoden wirtschaftlich denkbar. So kann trotz der Komplexitätsreduktion für ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil eine ausreichende mechanische Stabilität erzielt werden, um den strukturellen Anforderungen an das Strukturbauteil Genüge zu leisten.The individual components, ie the separate side wall portions and the nose portion are connected to each other inextricably to create a mechanically stable structural component. This connection can be done for example by means of laser beam welding, soldering, gluing or riveting. As could be saved by the smaller tools for each section significantly in complexity in the manufacturing process, with regard to the connection of the individual sections, even more complex connection methods are economically feasible. Thus, despite the complexity reduction for a structural component according to the invention, a sufficient mechanical stability can be achieved in order to satisfy the structural requirements of the structural component.
Eine Möglichkeit zur Bildung des zentralen Luftkanals ist das Vorsehen eines Kanalbleches, welches zusammen mit dem äußeren Nasenblech des Nasenabschnittes zumindest einen Leitungsabschnitt des zentralen Luftkanals bildet. Der zentrale Luftkanal kommt auf diese Weise direkt hinter dem Nasenabschnitt zu liegen. Der weitere Innenraum des Strukturbauteils, also der Bereich zwischen den Seitenwandabschnitten bleibt frei von Einbauten und kann für andere Bauteile oder auch funktionale Elemente verwendet werden. Ein weiterer Vorteil, neben dem damit erzielbaren Bauraum, wird durch einen derart gebildeten zentralen Luftkanal erzielt, da auf diese Weise der Druckverlust im zentralen Luftkanal reduziert wird. Insbesondere ist das Luftvolumen, welches sozusagen als Totraum im inneren des zentralen Luftkanals vorliegt deutlich geringer, als wenn der gesamte Bereich zwischen den Seitenwandabschnitten als Totraum vorhanden ist. Änderungen im Unterdruck, also Änderungen in der Absaugcharakteristik können auf diese Weise deutlich reaktionsschneller an die Oberfläche des oberen Deckbleches weitergegeben werden. Das gesamte System zur Strömungsbeeinflussung durch das erfindungsgemäße Strukturbauteil wird damit deutlich reaktionsschneller.One possibility for forming the central air duct is the provision of a channel plate which, together with the outer nose plate of the nose section, forms at least one line section of the central air channel. The central air duct comes in this way to lie directly behind the nose section. The further interior of the structural component, ie the area between the side wall sections, remains free of internals and can be used for other components or even functional elements. Another advantage, in addition to the space that can be achieved thereby, is achieved by a central air channel formed in this way, since in this way the pressure loss in the central air duct is reduced. In particular, the air volume, which is present, so to speak, as a dead space in the interior of the central air duct, is significantly smaller than if the entire area between the side wall sections is present as a dead space. Changes in the negative pressure, ie changes in the Absaugcharakteristik can be passed in this way much faster reaction to the surface of the upper cover plate. The entire system for influencing the flow through the structural component according to the invention thus becomes significantly more responsive.
Weiter kann das Kanalblech einer solchen Ausführungsform auch dazu verwendet werden, die Verbindung des Nasenabschnittes mit den Seitenwandabschnitten zu verbessern oder vollständig zu bilden. Damit wird die mechanische Stabilität des gesamten Strukturbauteils über das Kanalblech verbessert, wodurch das äußere Nasenblech einfacher in struktureller Hinsicht ausgebildet sein kann. Die Verbindung des Kanalbleches mit den jeweiligen Abschnitten erfolgt dabei zum Beispiel über Laserstrahlschweißen, Löten, Kleben, Vernieten oder andere unlösbare Verbindungsmethoden.Further, the channel plate of such an embodiment may also be used to enhance or complete the connection of the nose portion with the side wall portions. Thus, the mechanical stability of the entire structural component is improved over the channel plate, whereby the outer nose plate can be formed in structural terms easier. The connection of the channel plate with the respective sections is carried out, for example, laser beam welding, soldering, gluing, riveting or other unsolvable connection methods.
Alternativ kann auch ein Kanalblech vorgesehen sein, welches zusammen mit dem äußeren Nasenblech des Nasenabschnitts sowie den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte zumindest einen Leitungsabschnitt des zentralen Luftkanals bildet. Mit anderen Worten wird der zentrale Luftkanal vollständig durch den Innenraum zwischen den Seitenwandabschnitten und dem Nasenabschnitt gebildet. Dabei ist das Kanalblech vorzugsweise flexibel, also zum Beispiel als Membran ausgebildet. Auf diese Weise wird verhindert, dass Biegemomente im Kanalblech entstehen können, die zu aufreißen des Kanalblechs führen könnten. Durch den großen Querschnitt dieser alternativen Ausführungsform wird der weitere Vorteil erzielt, dass auch große Luftvolumenströme problemlos gefördert werden können. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Öffnungen in den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte vorgesehen um eine fluidkommunizierende Verbindung zwischen der Metallgeflechtanordnung und dem zentralen Luftkanal herzustellen.Alternatively, a channel plate may also be provided which, together with the outer nose plate of the nose section and the inner cover plates of the side wall sections, forms at least one line section of the central air channel. In other words, the central air passage is completely formed by the inner space between the side wall portions and the nose portion. In this case, the channel plate is preferably flexible, so for example formed as a membrane. In this way prevents bending moments in the channel plate can occur, which could lead to tearing of the channel plate. Due to the large cross section of this alternative embodiment, the further advantage is achieved that even large air flow rates can be easily promoted. In this embodiment of the present invention, the openings are provided in the inner cover sheets of the sidewall portions to establish a fluid communicating connection between the metal mesh assembly and the central air passage.
Um die gesamte Konstruktion eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils noch einfacher und kompakter zu gestalten, kann es von Vorteil sein, wenn das äußere Nasenblech des Nasenabschnitts zumindest teilweise ebenfalls aus einer Metallgeflechtanordnung besteht, welche permeabel für Luftströmung ist und zwischen dem äußeren Nasenblech und einem inneren Nasenblech ebenfalls der poröse Metallschaumkern vorgesehen ist. Als Weiterbildung von einfachen Löchern, welche zum Beispiel mittels Laserstrahlschweißen in den Nasenabschnitt eingebracht worden sind, hat die Verwendung einer Metallgeflechtanordnung und des porösen Metallschaumkerns auch im Nasenabschnitt die gleichen Vorteile, wie dies zu den Seitenwandabschnitten bereits beschrieben worden ist. Insbesondere kann im strömungstechnisch kritischen Bereich des Nasenabschnitts, an welchem beim Einsatz für Strömungsbauteile eines Flugzeuges üblicherweise ein Staudruck vorherrscht, eine effiziente Strömungslaminarisierung erzielt werden.To make the entire construction of a structural component according to the invention even simpler and more compact, it may be advantageous if the outer nose plate of the nose portion at least partially also consists of a metal mesh arrangement which is permeable to air flow and between the outer nose plate and an inner nose plate also the porous metal foam core is provided. As a development of simple holes, which have for example been introduced into the nose section by means of laser beam welding, the use of a metal mesh arrangement and of the porous metal foam core also has the same advantages in the nose section as has already been described for the side wall sections. In particular, an efficient flow laminarization can be achieved in the flow-technically critical region of the nose section, on which a dynamic pressure usually prevails when used for flow components of an aircraft.
Dabei kann vorteilhafter Weise die Metallgeflechtanordnungen und/oder die porösen Metallschaumkerne des Nasenabschnittes und der Seitenwandabschnitte integral ausgeführt sein. Die integrale Ausgestaltung hat den Vorteil, dass auf Verbindungen, welche üblicherweise strömungstechnische Nachteile mit sich bringen, zwischen den äußeren Deckblechen und dem äußeren Nasenblech verzichtet werden kann. Auch können weitere Bauteile des Nasenabschnittes, insbesondere zum Beispiel ein inneres Nasenblech auch integral mit den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte ausgebildet sein. Eine solche integrale Ausführungsform kann zum Beispiel durch ein Fertigungsverfahren hergestellt werden, in welchem in einem ersten Schritt ein poröser Metallschaumkern durch Umformen die gewünschte(n) Krümmung(en) des Strukturbauteils erhält und in einem zweiten Schritt zwischen den zwei bereits gekrümmten Deckblechen angeordnet wird. Anschließend werden die drei Einzelteile zum Beispiel durch Sintern oder durch Diffusionsschweißen miteinander verbunden.In this case, advantageously, the metal braid arrangements and / or the porous Metal foam cores of the nose portion and the side wall portions to be made integral. The integral design has the advantage that it is possible to dispense with connections, which usually entail fluidic disadvantages, between the outer cover plates and the outer nose plate. Also, other components of the nose portion, in particular, for example, an inner nose plate may also be integrally formed with the inner cover plates of the side wall portions. Such an integral embodiment can be produced, for example, by a manufacturing method in which, in a first step, a porous metal foam core obtains the desired curvature (s) of the structural component by forming and, in a second step, is arranged between the two already curved cover sheets. Subsequently, the three individual parts are joined together, for example by sintering or by diffusion welding.
Weiter kann es vorn Vorteil sein, wenn die Öffnungen in den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte mit zunehmendem Abstand von dem Nasenabschnitt größere Öffnungsquerschnitte aufweisen. Die Öffnungen in den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte können in ihrer Wirkungsweise auch als Blenden bezeichnet werden, deren Öffnungsquerschnitt für die Luftdurchlassrate der jeweiligen Blende verantwortlich ist. Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Strukturbauteile für Strömungsbauteile von Flugzeugen werden für die Strukturbauteile üblicherweise Profile verwendet, bei welchen der Strömungsdruck an der Außenseite des Profils über die Profiltiefe in Strömungsrichtung variiert. Insbesondere ist der Strömungsdruck an der Außenseite des Profils an dessen entgegen der Strömungsrichtung am weitesten vorne gelegenen Bereich, also im Nasenabschnitt am größten und nimmt in Strömungsrichtung entlang der Profiltiefe ab. Da der notwendige Unterdruck zum Absaugen von Luft von der Oberfläche der oberen Deckbleche wesentlich von dem an dieser Oberfläche lokal anliegenden Strömungsdruck abhängt, variiert somit auch der ideale Unterdruck über die Profiltiefe in Strömungsrichtung.Furthermore, it may be advantageous if the openings in the inner cover plates of the side wall sections have larger opening cross sections as the distance from the nose section increases. The openings in the inner cover plates of the side wall sections may also be referred to as diaphragms in their mode of action, the opening cross-section of which is responsible for the air passage rate of the respective diaphragm. When using the structural components according to the invention for flow components of aircraft profiles are usually used for the structural components, in which the flow pressure on the outside of the profile varies over the tread depth in the flow direction. In particular, the flow pressure on the outside of the profile at its counter to the flow direction furthest forward region, ie in the nose portion is greatest and decreases in the flow direction along the tread depth. Since the necessary negative pressure for sucking air from the surface of the upper cover sheets depends substantially on the flow pressure locally applied to this surface, the ideal negative pressure therefore also varies over the profile depth in the flow direction.
Im zentralen Luftkanal wird aufgrund der technischen Einfachheit allerdings ein konstanter Unterdruck erzeugt. Insbesondere ist dieser Unterdruck konstant über die Profiltiefe in Strömungsrichtung. Um nun den konstanten Unterdruck an den variierenden Strömungsdruck anzupassen, werden bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Öffnungsquerschnitte der Öffnungen in den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte über die Tiefe des Profils in Strömungsrichtung vergrößert. Mit anderen Worten sind diese Öffnungen in Strömungsrichtung hinten größer, als die entsprechenden Öffnungen weiter vorne. Durch diese Variation der Öffnungsquerschnitte wird die Auswirkung des im zentralen Luftkanal konstanten Unterdrucks auf den porösen Metallschaumkern und damit auf die Metallgeflechtanordnung und die Außenseite des oberen Deckblechs variiert. Insbesondere ist damit der reale Verlauf des Saugdrucks an der Außenseite der oberen Deckbleche durch die Variation der Öffnungsquerschnitte der Öffnungen in den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte indirekt proportional zu dem Verlauf des Strömungsdruckes an der Außenseite der äußeren Deckbleche der Seitenwandabschnitte in Strömungsrichtung.In the central air duct, however, a constant negative pressure is generated due to the technical simplicity. In particular, this negative pressure is constant over the tread depth in the flow direction. In order to adapt the constant negative pressure to the varying flow pressure, in this embodiment of the present invention, the opening cross sections of the openings in the inner cover plates of the side wall sections are increased over the depth of the profile in the flow direction. In other words, these openings are larger behind in the flow direction than the corresponding openings further forward. By this variation of the opening cross-sections, the effect of the constant negative pressure in the central air duct on the porous metal foam core and thus on the metal mesh assembly and the outside of the upper cover plate is varied. In particular, the actual course of the suction pressure on the outer side of the upper cover plates by the variation of the opening cross sections of the openings in the inner cover plates of the side wall sections is indirectly proportional to the profile of the flow pressure on the outer side of the outer cover plates of the side wall sections in the flow direction.
Auch kann es vorteilhaft sein, wenn in der fluidkommunizierenden Verbindung zwischen dem zentralen Luftkanal und der Metallgeflechtanordnung wenigstens ein Luftsammelkanal vorgesehen ist, durch welchen Luft von der Metallgeflechtanordnung und dem porösen Metallschaumkern des Seitenwandabschnitts von mehreren Öffnungen im inneren Deckblech des Seitenwandabschnitts gesammelt und zum Luftkanal gefördert werden kann. Diese Sammlung erfolgt insbesondere über mehrere Öffnungen in den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte. Auf diese Weise kann die Anzahl der Öffnungen in den inneren Deckblechen im Vergleich zu einer Ausführungsform mit vollflächiger Lochung dieser inneren Deckbleche minimiert werden. Aufgrund der Tatsache, dass jedes Loch im inneren Deckblech aus mechanischer Sicht eine Schwächung des Strukturbauteils darstellt, da jedes Loch eine Kerbwirkung mit damit einhergehender Rißanfälligkeit aufgrund der Kerbspannung entfaltet, wird die Fehleranfälligkeit des Strukturbauteils durch die Verwendung eines Luftsammelkanals weiter reduziert. Gleichzeitig ermöglicht die Verwendung eines Luftsammelkanals die beliebige Verlängerung der Tiefe des Strukturbauteils in Strömungsrichtung, da über den oder die Luftsammelkanäle auch weiter hinten im Bezug auf die Strömungsrichtung liegende Bereiche der Seitenwandabschnitte mit Unterdruck versorgt werden können, also auch in diesen Bereichen eine effektive Absaugung und damit eine effektive Strömungslaminarisierung erfolgen kann.It may also be advantageous if in the fluid-communicating connection between the central air duct and the metal mesh arrangement at least one air collecting channel is provided, through which air from the metal mesh assembly and the porous metal foam core of the side wall portion of several openings in the inner cover plate of the side wall portion collected and conveyed to the air duct can. This collection takes place in particular via a plurality of openings in the inner cover plates of the side wall sections. In this way, the number of openings in the inner cover plates can be minimized compared to an embodiment with full-surface perforation of these inner cover plates. Due to the fact that each hole in the inner cover sheet from a mechanical point of view represents a weakening of the structural component, since each hole unfolds a notch effect with concomitant susceptibility to cracking due to the notch stress, the susceptibility of the structural component is further reduced by the use of an air collection channel. At the same time, the use of an air collecting channel makes it possible to extend the depth of the structural component in the direction of flow, since areas of the side wall sections lying further back relative to the direction of flow can be supplied with negative pressure via the air collecting channel (s), ie also in these areas an effective suction and thus An effective Strömungslamaminarisierung can take place.
Dabei kann der Luftsammelkanal als Ringkanal ausgeführt ist, welcher sich zwischen Öffnungen im inneren Deckblech des Seitenwandabschnitts und dem Luftkanal erstreckt. Diese Erstreckung verläuft also im Wesentlichen entlang der Strömungsrichtung des Strukturbauteils. Auf diese Weise unterstützt der Luftsammelkanal zusätzlich die mechanische Stabilität des Strukturbauteils, da er sozusagen als versteifende Rippe wirkt. Je nach benötigtem Absaugvolumen, Strömungsquerschnitt der Luftsammelkanäle und benötigter mechanischer Versteifung durch die Luftsammelkanäle können Abstände in Spannweitenrichtung des Strukturbauteils von 300 mm, 500 mm oder bis zu 1000 mm sinnvoll sein. Je mehr mechanische Versteifung gewünscht wird, desto geringer sind dabei die Abstände der Luftsammelkanäle in Spannweitenrichtung des Strukturbauteils zu wählen.In this case, the air collecting channel is designed as an annular channel which extends between openings in the inner cover plate of the side wall portion and the air channel. This extension thus runs essentially along the flow direction of the structural component. In this way, the air collecting channel additionally supports the mechanical stability of the structural component, since it acts as a reinforcing rib, so to speak. Depending on the required extraction volume, the flow cross-section of the air collection channels and the required mechanical stiffening by the air collection channels, distances in the spanwise direction of the structural component of 300 mm, 500 mm or up to 1000 mm may be expedient. The more mechanical stiffening you want, the better less are the distances of the air collecting ducts in the spanwise direction of the structural component to choose.
Um die Verteilung des Unterdrucks und damit auch die abgesaugte Luft optimal zu verteilen und dem zentralen Luftkanal zuzuführen kann es sinnvoll sein, wenn bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Ausnehmungen im porösen Metallschaumkern zumindest zum Teil Seitenwandkanäle innerhalb des Seitenwandabschnittes bilden, welche die fluidkommunizierende Verbindung zwischen der Metallgeflechtanordnung und dem Luftkanal über den porösen Metallschaumkern bilden. Auf diese Weise kann sowohl in Spannweitenrichtung, als auch in Strömungsrichtung des Strukturbauteils eine optimale Verteilung des Unterdruckes zum Absaugen der Luft von der Außenseite der oberen Deckbleche erzielt werden. Insbesondere wird auf diese Weise sichergestellt, dass durch die als Blenden fungierenden Öffnungen in den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte erzielten Absaugdrucke im porösen Metallschaumkern sich in Spannweitenrichtung des Strukturbauteils innerhalb des porösen Metallschaumkerns ausbreiten können. Auch bei dieser Ausführungsform wirken die Seitenwandkanäle als Luftsammelkanäle, wodurch die Anzahl der Blenden verringert werden kann und damit die mechanische Stabilität des Strukturbauteils erhöht wird. Trotzdem bleibt über die Seitenwandkanäle eine gleichmäßige Absaugung von Luft über die Metallgeflechtanordnung und den porösen Metallschaumkern möglich.In order to optimally distribute the distribution of the negative pressure and thus also the extracted air to the central air duct, it may be useful if, in one embodiment of the present invention, the recesses in the porous metal foam core at least partially form side wall channels within the side wall section, which the fluidkommunizierende connection between form the metal mesh assembly and the air duct over the porous metal foam core. In this way, both in the spanwise direction, as well as in the flow direction of the structural component, an optimal distribution of the negative pressure for sucking the air from the outside of the upper cover plates can be achieved. In particular, it is ensured in this way that suction pressures achieved in the porous metal foam core in the spanwise direction of the structural component within the porous metal foam core can be propagated through the apertures in the inner cover plates of the sidewall sections which function as apertures. Also in this embodiment, the side wall channels act as air collecting channels, whereby the number of diaphragms can be reduced and thus the mechanical stability of the structural component is increased. Nevertheless, a uniform extraction of air via the metal mesh assembly and the porous metal foam core remains possible via the sidewall channels.
Bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils für Strömungsbauteile von Flugzeugen kann es von Vorteil sein, wenn das Strukturbauteil ein aerodynamischer Körper ist, bei welchem der Nasenabschnitt ein Abschnitt des aerodynamischen Körpers mit Stauströmung und die Seitenwandabschnitte Abschnitte des aerodynamischen Körpers mit einer auszubildenden Grenzschicht sind. Darunter ist zu verstehen, dass an der Außenseite des Nasenabschnittes durch die anliegende Strömung ein relative hoher Oberflächendruck herrscht und an den Seitenwandabschnitten durch die anliegende Strömung ein relativ geringer Oberflächendruck. Mit anderen Worten zeigt der Nasenabschnitt gegen die Strömungsrichtung, während die Seitenwandabschnitte im Wesentlichen entlang der Strömungsrichtung verlaufen. Insbesondere ist das Strukturbauteil für Bereiche der Leitwerke, von Stellklappen oder Tragflächen oder der Triebwerksgondeln eingesetzt. Gerade an diesen Positionen eines Flugzeuges sind laminare Strömungen für die Flugstabilität von großem Vorteil. Insbesondere an Leitwerk und Tragflächen wirken sich turbulente Strömungen neben der Sicherheit auch auf den Komfort in der jeweiligen Flugsituation negativ aus. Der Einsatz eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils für diese Bereiche dient damit der Sicherheit und dem Komfort sowie durch Reduktion von Kraftstoffverbrauch auch der Wirtschaftlichkeit des Flugzeuges.When using a structural component according to the invention for flow components of aircraft, it may be advantageous if the structural component is an aerodynamic body in which the nose portion is a portion of the aerodynamic body with congestion flow and the side wall portions portions of the aerodynamic body with a boundary layer to be formed. This is to be understood that on the outer side of the nose portion by the applied flow, a relatively high surface pressure prevails and at the side wall portions by the applied flow, a relatively low surface pressure. In other words, the nose portion points against the flow direction, while the side wall portions extend substantially along the flow direction. In particular, the structural component is used for areas of the tail, of butterfly valves or wings or the engine nacelles. Especially at these positions of an aircraft laminar flows for the flight stability of great advantage. In particular, on the tail unit and the wings, turbulent flows have a negative impact on safety and comfort in the respective flight situation. The use of a structural component according to the invention for these areas thus serves the safety and comfort as well as the economy of the aircraft by reducing fuel consumption.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mit den Schritten:
- • Herstellen eines ersten Seitenwandabschnitts
- • Herstellen wenigstens eines zweiten Seitenwandabschnitts
- • Herstellen eines Nasenabschnitts
- • Anordnen des Nasenabschnitts zwischen den beiden Seitenwandabschnitten
- • Verbinden des Nasenabschnitts mit den beiden Seitenwandabschnitten
- • Make a first sidewall section
- • producing at least one second sidewall section
- • Make a nose section
- • Arrange the nose section between the two sidewall sections
- • Connecting the nose section with the two side wall sections
Wesentlicher Vorteil des voranstehend beschriebenen Verfahrens ist die mehrteilige Produktionsweise des Strukturbauteils. Dabei können kleinere Werkzeugformen zum Einsatz kommen was die Herstellungskosten senkt. Auch die Qualität des Strukturbauteils steigt, da durch die getrennte Fertigung Probleme bei der Umformung des Nasenabschnittes, insbesondere bei Nasenabschnitten mit deutlich größerer Krümmung als die Seitenabschnitte, umgangen werden können. Dabei sei insbesondere auf das Problem verwiesen, das bei Umformung mit starken Krümmungen im Nasenabschnitt Materialstauchungen und sogar Faltenwurf auf der Oberfläche des Materials entstehen können. Dies wird durch die mehrteilige Ausführung der Abschnitte vermieden.An essential advantage of the method described above is the multi-part mode of production of the structural component. In this case, smaller molds can be used, which lowers the production costs. The quality of the structural component also increases, since problems in the deformation of the nose portion, in particular in the case of nose portions having a significantly greater curvature than the side portions, can be avoided by the separate production. Attention should be drawn in particular to the problem that can occur during deformation with strong curvatures in the nose section material compression and even drape on the surface of the material. This is avoided by the multi-part design of the sections.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung kann dahingehend weitergebildet sein, dass es folgende Schritte aufweist:
- • Integrales Formen der äußeren Deckbleche und des äußeren Nasenbleches
- • Anordnen des porösen Metallschaumkerns an den äußeren Deckblechen und dem äußeren Nasenblech
- • Anordnen der inneren Deckbleche und des inneren Nasenblechs auf dem porösen Metallschaumkern
- Integral shaping of the outer cover plates and the outer nasal plate
- • Arranging the porous metal foam core on the outer cover plates and the outer nose plate
- • Arranging the inner cover plates and the inner nose plate on the porous metal foam core
Auf diese Weise sind zwar komplexere Werkzeuge notwendig, jedoch können durch die integrale Ausformung Materialstöße und damit Verbindungsstellen vermieden werden. Auf diese Weise wird das Strukturbauteil sowohl in mechanischer Hinsicht, als auch in aerodynamischer Hinsicht verbessert. Dabei werden sozusagen die beiden Deckbleche, wie auch der poröse Metallschaumkern vorkonfektioniert und anschließend ineinander angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass nach der Anordnung, insbesondere nach dem Verbinden der Einzelteile kein weiter Umformungsschritt mehr erfolgen muss, welcher die Materialeigenschaften der einzelnen Abschnitte beeinträchtigen könnte. Das Metallgeflecht kann dabei lose übereinander gelegt sein und erst während des Verbindungsschrittes über Diffusionsschweißen in sich verbunden werden. Mögliche Ausnehmungen in dem porösen Metallschaumkern werden vorteilhafter Weise bereits vor dem Umformen, also dem Vorkonfektionieren, noch im ebenen Zustand des porösen Metallschaumkerns gefertigt.In this way, more complex tools are necessary, but can be avoided by the integral molding material collisions and thus joints. In this way, the structural component is improved both mechanically and aerodynamically. In this case, so to speak, the two cover sheets, as well as the porous metal foam core prefabricated and then arranged one inside the other. This has the advantage that after the arrangement, in particular after the joining of the individual parts, no further forming step has to take place which could impair the material properties of the individual sections. The metal mesh can be placed loosely on top of each other and only during the connecting step via diffusion welding in itself get connected. Possible recesses in the porous metal foam core are advantageously produced even before the forming, that is to say the prefabrication, in the flat state of the porous metal foam core.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Strömungsbauteil eines Flugzeuges aufweisend zumindest ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil. Die hiermit erzielbaren Vorteile ergeben sich aus den Ausführungen zum Strukturbauteil selbst.Another object of the present invention is a flow component of an aircraft comprising at least one structural component according to the invention. The advantages that can be achieved with this result from the comments on the structural component itself.
Die vorliegende Erfindung wird näher erläutert anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren. Dabei beziehen sich die verwendeten Begriffe „links”, „rechts”, „oben”, „unten” auf die Zeichnungen mit einer Ausrichtung mit normal lesbaren Bezugszeichen. Es zeigen:The present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawing figures. The terms used "left", "right", "top", "bottom" refer to the drawings with an orientation with normal readable reference numerals. Show it:
In den
Die Permeabilität dieser Metallgeflechtanordnung
Die Metallgeflechtanordnung
In
Der Nasenabschnitt
Der zentrale Luftkanal
Der zentrale Luftkanal
Anhand der
An der Außenseite des Strukturbauteils
Die abgeführte Luft kann dabei weiteren Systemen eines Flugzeuges, welche der Druckluft bedürfen zugeführt werden. Dies sind zum Beispiel die Klimaanlage der Kabine des Flugzeuges oder andere Strömungsbeeinflussungseinrichtungen, welche Druckluft benötigen. Alternativ kann die abgesaugte Luft über ein Ventil auch über Bord geführt werden.The discharged air can be supplied to other systems of an aircraft, which require the compressed air. These are, for example, the air conditioning of the cabin of the aircraft or other flow control devices that require compressed air. Alternatively, the extracted air via a valve can also be performed overboard.
Neben der Absaugung an den Seitenwandabschnitten
Bei der Ausführungsform der
Dabei variiert die Dicke des porösen Metallschaumkerns
In
Um sicherzustellen, dass die notwendige fluidkommunizierende Verbindung zwischen dem zentralen Luftkanal
In den
In
Um nun die Absaugung von Luftströmung weiter zu Verbessern und trotzdem eine Ausreichende mechanische Stabilität vorsehen zu können ist in
Die
Selbstverständlich gilt das voranstehend zu den Ausnehmungen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Strukturbauteilstructural component
- 2020
- inneres Deckblechinner cover plate
- 3030
- poröser Metallschaumkernporous metal foam core
- 3434
- Öffnungopening
- 3636
- Ausnehmungenrecesses
- 3838
- Verstärkungselementreinforcing element
- 4040
- äußeres Deckblechouter cover plate
- 4242
- MetallgeflechtanordnungMetal mesh arrangement
- 4444
- Metalldrähtemetal wires
- 6060
- zentraler Luftkanalcentral air duct
- 6262
- Kanalblechchannel plate
- 6464
- LuftsammelkanalAir collection channel
- 6666
- SeitenwandkanäleSidewall channels
- 6868
- Nasenkanälenasal passages
- 7070
- SeitenwandelementeSidewall elements
- 8080
- Nasenelementnosepiece
- 8282
- inneres Nasenblechinner nose plate
- 8484
- äußeres Nasenblechouter nose plate
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-
2010
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|
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R003 | Refusal decision now final |