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Die Erfindung betrifft einen Strömungskörper und ein Verfahren zur Herstellung eines Strömungskörpers, wobei das Profil eine innere Tragstruktur und eine äußere Hülle aufweist.
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Diverse technische Gebiete, insbesondere der Strömungsmaschinenbau wie z. B. der Bau von Flügeln für Flugzeuge und Rotorblättern für Windkraftanlagen unterschiedlicher Leistungsklassen als auch unterschiedlicher Typen (Vertikal- und Horizontalachsenwindturbine), basieren auf faserverstärkten Kunststoffen.
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Derartige Bauteile werden mit einem hohen Anteil manueller Tätigkeiten erzeugt, wobei die Fertigung aufgrund der hohen Qualitätsanforderungen sehr kostenintensiv ist.
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So werden beispielsweise beim Bau eines Flügels für ein Flugzeug bzw. bei der Fertigung von Rotorblätter für Windkraftanlegen aus faserverstärkten Materialien jeweils zwei Flügelhälften einzeln handlaminiert und dann zu einer Hülle gefügt. Kleinere Flügel können über einen Kern gewickelt werden, wodurch diese Teile einteilig sind, aber hinsichtlich der Oberfläche nur eine eingeschränkte Qualität aufweisen.
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Werden Flügel und insbesondere deren Hülle mehrteilig ausgeführt, so besteht das Problem, dass die äußere strömungstechnisch relevante Geometrie an Teile einer inneren Struktur gefügt wird, die der Stabilisierung und dem Aufrechterhalten der Flügelform unter Belastung dient. Um beim Fügen dieser toleranzbehafteten Bauteile die gewünschte äußere Kontur zu erreichen, wird mit ausgleichenden Schichten und Zwischenlagen gearbeitet, bzw. die innere und/oder äußere Struktur lokal mechanisch nachbearbeitet, um vorgegebene Toleranzen einzuhalten. Dies führt zu enormen mess- und fertigungstechnischem Aufwand, welcher entsprechend kosten- und zeitintensiv ist.
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Beispielsweise verursachen bei einer Windturbine die faserverstärkten Bauteile wie die Flügel eines Rades ca. ein Drittel der Kosten der Windturbine und sind damit die teuersten Einzelteile, die zudem, hinsichtlich der Zugänglichkeit, am schwierigsten zu warten sind.
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DE 199 56 444 A1 betrifft ein Verfahren, bei dem ein mit einer Kernstruktur (
9) aus Drähten, Spänen, Bändern befüllter Füllkörper (
3,
9) durch Komprimieren und durch Sintern in die gewünschte Form gebracht wird. Der Strömungskörper weist eine äußere Hülle auf- zwei gewölbte Deckbleche (
5,
6) oder ein vergleichbar gewölbtes, einteiliges Hohlprofil – und eine „vorgeformte” Kernstruktur aus Drähten, Spänen, Bändern, die die innere Tragstruktur bilden. Die äußere Hülle und die Kernstruktur werden durch Komprimieren und Sintern in „die gewünschte Schaufelprofilform” gebracht.
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Nachteilig beim Einsatz von faserverstärkten Materialien ist ihr Verschleißverhalten. Dieses ist kaum detektierbar, wobei ein Versagen meist mit einem Totalausfall eines solchen Bauteiles endet.
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Um dies zu vermeiden, werden die Flügel mit eine Sensorik versehen, um Schädigungen möglichst früh zu detektieren. Allerdings sind die Reparaturmöglichkeiten stark eingeschränkt, sodass bei Detektion eines sich andeutenden Bauteilversagens in der Regel nur ein Austausch des betroffenen Bauteiles bleibt, was entsprechend hohe Kosten verursacht. Ferner sind bisherige Reparaturverfahren aufwändig und zeitintensiv.
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Beim Austausch von faserverstärkten Bauteilen ist bis dato die fehlende Recyclingfähigkeit – ökologisch betrachtet – nachteilig. Unter gewissen Umständen können derartige Materialien downcyclet und als Füllstoffe verwendet werden. Jedoch ist eine Wiederverwendung nicht oder nur mit hohem Kosten- und Zeitaufwand möglich.
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Die aktuellen Anstrengungen, den Klimawandel zu verzögern und auf regenerative Energiequellen zu setzen, erfordern eine hohe Produktionsrate und Inbetriebnahme von beispielsweise Windkraftanlagen. Ebenso ist ein Einstieg in die Elektromobilität nur dann ökologisch und ökonomisch sinnvoll, wenn ein hoher Anteil der notwendigen Energie aus regenerativen Quellen kommt. So eröffnet die Produktion von faserverstärkten Materialien für Bauteile aus den verschiedensten Industriezweigen ein neues Problemfeld, und zwar hinsichtlich deren Recycling.
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Aus oben genannten Gründen ist es daher vorteilhaft, Bauteile aus dem Gebiet des Strömungsmaschinenbaus, wie z. B. Flügel, in Metallbauweise auszuführen. Zum einen können die Teile mit massenproduktionstauglichen Verfahren hergestellt werden und zum anderen können metallische Werkstoffe in einen Recycling-Kreislauf zurückgeführt werden.
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Des Weiteren ist aus der
EP 1 106 783 beispielsweise ein Verfahren zum Herstellen einer Schaufel einer Strömungsmaschine bekannt, bei dem ein ebenes Blech auf einer Seite mit einem Metall-Filz-Gewebe versehen wird. Danach wird das Blech derart verformt, dass zwei einander gegenüberliegende Randkanten aufeinander zum Liegen kommen und mit einer Rollschweißnaht verbunden werden. Im Anschluss daran wird der entstandene Hohlkörper durch ein Innenhochdruck-Umformverfahren in die gewünschte Form gebracht. Dabei wird die Außenkontur exakt auf die gewünschte Sollform gefertigt. Im nachfolgenden Schritt wird der Hohlkörper vollständig mit Verbundmaterial befüllt, so dass der Verbundwerkstoff auch an die Innenseite des umgeformten Bleches gelangt und dabei das Metall-Filz-Gewebe durchdringt. Auf diese Weise wird ein Form- und Kraftschluss zwischen Blech und Verbundmaterial gewährleistet.
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Jedoch kann das Befüllen zu Formveränderungen der Form führen, sodass deren optimales Strömungsprofil verloren geht. Dies führt zu Ausschuss, der Kosten und Produktionszeit verursacht.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Strömungskörpers anzugeben, das aus wenigen Bestandteilen und in wenigen Schritten die Fertigung eines leistungsfähigen Strömungskörpers mit engen Toleranzen ermöglicht und bei dem die Endkontur eines Strömungskörpers unverändert bleibt.
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Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Strömungskörper anzugeben, das aus einem wiederverwertbaren Material gefertigt wird, Kosten einspart, dessen Reparatur auf einfache Weise möglich ist, und dessen Endkontur ein optimales Anströmverhalten gewährleistet.
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Die vorgenannten Aufgaben werden hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 sowie hinsichtlich des Strömungskörpers durch die Merkmale des Anspruches 11 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nach einem ersten Aspekt ist es vorzugsweise vorgesehen, ein Verfahren zur Herstellung eines Strömungskörpers, insbesondere eines Flügelprofils, das günstigerweise eine innere Tragstruktur und eine äußere Hülle aufweist, mit nachfolgenden Schritten anzugeben:
So wird vorzugsweise in einem ersten Schritt eine ebene Platine in eine hohlzylindrische Vorform der äußeren Hülle umgeformt. Als Ausgangspunkt für die Fertigung einer derartigen Hülle ist unter einer Platine beispielsweise ein Blechstreifen, tailored welded blanks, tailored rolled blanks, Platinen mit lokalen Verstärkungen z. B. Patchworks zu verstehen.
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Hierbei ist es von Vorteil, wenn das Umformen der Platine in eine hohlzylindrische Form mittels der bekannten Verfahren Walzprofilieren, Abkanten und/oder Runden geschieht. Somit kann auf einfache Weise aus einem ebenen, flächigen Bauteil eine Vorform eines Strömungskörpers bzw. dessen äußerer Hülle geschaffen werden. Bei Verwendung von „tailored”-Halbzeugen kann zudem die Wanddickenverteilung über den Querschnitt den Erfordernissen der Belastung angepasst werden. Somit ist es also möglich, dass eine Platine unterschiedliche Dicken aufweist.
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Beim Umformen der Platine zu einem Hohlzylinder ist es ferner günstig, wenn im Bereich der größten Krümmung eine Falz- und/oder Knicklinie vermieden wird. Auf diese Weise kann eine hohe Festigkeit und Stabilität mittels der Formgebung gewährleistet werden.
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Diese Vorform weist idealerweise einen tropfenförmigen Querschnitt auf, dessen zusammenliegende Enden zu einem geschlossenen Hohlzylinder, bzw. Profilquerschnitt verbunden werden.
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Unter einem Hohlzylinder bzw. unter einer hohlzylindrischen Vorform wird hier ein endliches Gebilde mit zwei parallelen, ebenen Flächen (Grund- und Deckfläche) und einer Mantel- bzw. Zylinderfläche, die von parallelen Geraden gebildet wird, verstanden. D. h., dass durch Verschieben einer ebenen Fläche oder Kurve entlang einer Geraden, die nicht in dieser Ebene liegt, wird ein Zylinder bzw. Hohlzylinder gebildet.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, hohlzylindrische Vorformen mit verdrehten und/oder räumlich verdrillten Formen mit konstanten, konischen und/oder andersartig veränderlichen Querschnitten sowie für jegliche Kombination genannter Variationen zu erstellen.
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Vorzugsweise können auch einseitig geschlossene Formen für einen Strömungskörper erstellt werden. Ein Beispiel hierfür sind Rotorblätter eines Hubschraubers oder einer Windkraftanlage deren Querschnitte sich kontinuierlich verändern und an einer Seite geschlossen sind.
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Vorteilhafterweise umfasst der Schritt des Umformens der Platine in eine hohlzylindrische Form ein Verbinden von zusammentreffenden Enden der Platine. Dabei liegen sich die Enden am Ende des Umformens durch z. B. Walzprofilieren günstigerweise gegenüber, d. h. ähnlich wie aufeinanderliegende Bleche in einem Stapel. Das Verbinden kann bevorzugterweise durch Schweißen wie z. B. ein WIG-Schweißverfahren, Rührreibschweißen, Roll-, HF-, Laser- oder durch Plasmaschweißen erfolgen. Ebenso können rein mechanische, chemische sowie thermo-mechanische Fügeverfahren zur mittelbaren (mit Zusatzelementen) oder unmittelbaren Verbindung eingesetzt werden.
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Für einen weiteren Verfahrensschritt ist es von Vorteil, eine versteifende Struktur in eine Vorform der inneren Tragstruktur umzuformen. Diese dient der Stabilisierung der äußeren Hülle aber auch der Aufnahme und Weiterleitung von Kräften, die auf der einen Seite des fertigen Strömungskörpers durch beispielsweise Anströmung hervorgerufen werden und auf die gegenüberliegende Seite des Strömungskörpers weitergeleitet werden. Ferner entsteht bei angeströmten Profilen auf einer Seite eine Unterdruckregion und auf der gegenüberliegenden Seite eine Überdruckregion. Auf diese Weise wird beispielsweise Auftrieb durch ein Strömungsprofil bzw. einen Strömungskörper für ein Flugzeug generiert.
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Ausgangspunkt für die versteifende Struktur bzw. für eine innere, steifigkeitsstiftende Struktur kommt beispielsweise ein Streckmetall, ein Lochblech, strukturierte Bleche wie z. B. wölbstrukturierte Bleche, Metallschaumsandwiches ein metallisches Gewebe, Textilien, Faltwaben, Rohre und/oder Hohlprofile in Frage.
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Der Vorteil an einem Streckmetall ist, dass dieses auf einfache Weise hergestellt werden kann, hohe Festigkeiten aufweist und dabei ein geringes Gewicht aufweist. Ähnliches trifft auf die Verwendung eines Lochblechs zu, bei dem zwar die Herstellung aufwendiger, jedoch die Festigkeit höher, aber die Verformung schwieriger ist.
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Metallschaumsandwiches besitzen aufgrund ihrer Poren und Hohlräume eine geringe Dichte, weisen jedoch eine hohe Steifigkeit und Festigkeit auf.
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Metallisches Gewebe und Textilien bieten hohe Freiheitsgrade hinsichtlich der Gestaltung innerhalb der äußeren Hülle. Faltwaben, Rohre und/oder Hohlprofile weisen ebenfalls hohe Festigkeiten und Steifigkeiten auf, sind auf einfache Weise herstellbar und formbar, jedoch mit einem hohen Flächenträgheitsmoment ausgestattet und somit widerstandsfähig gegen Beanspruchungen durch Biegung und/oder Torsion.
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In einem weiteren Schritt wird bevorzugterweise die Vorform der inneren Tragstruktur in die Vorform der äußeren Hülle eingeführt. Auf diese Weise können beide Vorformen aneinander angepasst werden, ohne dass Toleranzen oder dergleichen beachtet werden müssen. Auch kann auf diese Weise ausprobiert werden, ähnlich einer Vormontage, ob beide Teile ineinander passen und für die nachfolgenden Verfahrensschritte geeignet sind. Folglich ist eine einfache Qualitätskontrolle während des Verfahrens möglich.
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Nach dem vorgenannten Schritt ist es günstig, wenn beide Vorformen zu einem Zwischenprodukt verbunden werden. Mit Hilfe einer derartigen Verbindung, ist ein fester Form-, Reib-, und/oder Stoffschluss gewährleistbar. Ferner ist es nun möglich, Kräfte von der Vorform der äußeren Hülle auf die Vorform der versteifenden Struktur weiterzuleiten und abzuleiten. Auch dient das Verbinden der beiden Vorformen zu einem Zwischenprodukt der Stabilisierung der Gesamtanordnung bzw. stabilisiert die versteifende Struktur die äußere Hülle und umgekehrt.
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Insbesondere bei einem weiteren bevorzugten Verfahrensschritt wird das Zwischenprodukt zu einem Strömungskörper geformt. Auf diese Weise kann der gesamte Strömungskörper, das eine innere Tragstruktur und eine äußere Hülle aufweist, in die gewünschte und strömungstechnisch erforderliche äußere Kontur ausgeformt werden. Folglich ist es nicht notwendig, die eingangs beschriebenen Toleranzprobleme durch Einarbeitung von ausgleichenden Schichten und Zwischenlagen, zu beachten, denn der Toleranzausgleich erfolgt durch gemeinsame Umformung. Ferner ist es von Vorteil, bei dem gemeinsamen Umformen der beiden Vorformen bzw. des Zwischenprodukts, dass der mess- und fertigungstechnische Aufwand entsprechend gering ausfallen kann und somit Kosten und Zeit hinsichtlich der Produktion eingespart werden können.
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Vorteilhafterweise ist die versteifende Struktur nach dem Umformen in eine Vorform der inneren Tragstruktur weiterhin umformbar, so dass diese beim Formen des Zwischenprodukts zu einem Strömungskörper erneut umgeformt, gestreckt bzw. verzerrt werden kann. Auf diese Weise ist eine Kaltverformung der versteifenden Struktur möglich, wobei die Festigkeit des Werkstoffes sowie die Steifigkeit der inneren Tragstruktur erhöht wird.
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Bei einem weiteren bevorzugten Verfahrensschritt wird vor dem Umformen der ebenen Platine im Bereich von deren Enden, die beim Umformen der Platine zu einem Hohlzylinder zusammentreffen, schäumbares Material aufgebracht. Vorteilhafterweise dehnt sich dieses schäumbare Material bei Wärmezufuhr aus bzw. wird aufgeschäumt bzw. ist aufschäumbar.
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Eine derartige Ausgestaltung mit schäumbarem Material ist deswegen günstig, da in der Regel ein Strömungskörper wie ein Propeller, ein Flügel, Turbinenschaufelräder und dergleichen an zumindest einer Seite eine spitz zulaufende Querschnittsform aufweist. Innerhalb dieser spitz zulaufenden Form ist die Ausbildung einer versteifenden Struktur bzw. einer inneren Tragstruktur mittels des vorgeschlagenen Verfahrens möglich, aber führt zu erhöhten Kosten in der Fertigung. Daher ist es bevorzugt, ähnlich einem Bauschaum, der beim Einsetzen von Fenstern in Gebäuden zum Einsatz kommt, einen Schaum bzw. ein schäumbares Material in den spitz zulaufenden Bereich zuvor auf der ebenen Platine in den dementsprechenden Regionen bzw. partiell anzuordnen. Auf diese Weise kann dann einfach der spitz zulaufende Querschnittsbereich verstärkt bzw. versteift werden, indem durch Wärmezufuhr das Material zum Schäumen und ggf. zum Aushärten gebracht wird. Eine derartige partielle Beschichtung mit schäumbarem Material weist bevorzugterweise Metallschaum auf.
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Neben dem Vorteil des erleichterten Einbringens in einen spitz zulaufenden Bereich eines Strömungskörpers hat ein Schaum bzw. ein schäumbares Material auch den Vorteil, dass dieses leicht und stabil (hohe Steifigkeit und Festigkeit) ist und dabei aufgrund seiner Poren und Hohlräume eine geringe Dichte besitzt.
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Es ist aber auch möglich, den Schaum bzw. schäumbares Material bei Ineinanderschieben von einer Vorform der inneren Tragstruktur und einer Vorform der äußeren Hülle oder später zu applizieren.
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Unter einer späteren Applikation ist zu verstehen, dass bevorzugterweise erst nach dem finalen Ausformen bzw. dem endgültigen Einstellen der strömungsrelevanten Form des Strömungskörpers, innerhalb der geschlossenen Form einer formgebenden Maschine das schäumbare Material aktiviert wird. So ist es auch möglich, das finale Ausformen und das Aufschäumen in zwei unterschiedlichen Maschinen und zeitlich gesehen hintereinander durchzuführen. Jedoch ist es von Vorteil, wenn das schäumbare Material erst aufgeschäumt wird, wenn die erstellte strömungsrelevante Form des Strömungskörpers insbesondere der Teil mit dem schäumbaren Material in eine Vorform der äußeren Hülle eingebracht ist, sodass durch die Aktivierung des schäumbaren Materials keine Veränderung der erstellten strömungsrelevante Form ergibt. Denn durch den Druck der formgebenden Maschine bzw. deren Formhälften kann die strömungsrelevante Form des Strömungskörpers nicht verändert werden.
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Bei dem spitz zulaufenden Bereich kann es sich um beispielsweise eine Profilhinterkante handeln.
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Vorzugsweise wird vor dem Umformen einer versteifenden Struktur der Schritt der Fertigung der versteifenden Struktur durchgeführt. Auf diese Weise können vorgefertigte Halbzeuge aus Streckmetallgitter, Lochgitter mit Sechsecklochung oder ähnliche verformbare Gitteranordnungen unabhängig von dem hier vorgestellten Verfahren gefertigt werden. Somit ist eine Zulieferung möglich, was zu einer Kostenreduktion führt.
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Günstigerweise können bei der Fertigung der versteifenden Struktur zwei aufeinanderliegende Bleche entlang mindestens zweier Schweißlängsnähte verbunden werden. Dies ist quasi eine weitere Alternative zur Verwendung eines Streckmetallgitters, Lochgitters usw., wobei auf einfache Weise eine versteifende Struktur für eine innere Tragstruktur geschaffen wird.
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Nach dem Verbinden durch Schweißlängsnähte ist es bevorzugt, wenn die Fertigung der versteifenden Struktur bzw. der Stützstruktur den Schritt des Stauchens der versteifenden Struktur umfasst. Auf diese Weise wird aus der versteifenden Struktur eine Vorform der inneren Tragstruktur. Günstigerweise ist die Stauchrichtung im rechten Winkel zu dem Verlauf der Schweißlängsnähte orientiert. Aufgrund des Stauchens bildet sich zwischen zwei Längsnähten ein geschlossener Hohlraum, ähnlich einem Rohr. Beim Stauchen werden die verschweißten Bleche derart verformt, dass sich die geschaffenen Hohlräume so ausbilden, dass beide Bleche eine Vorform einer inneren Tragstruktur bilden, die in eine Vorform der äußeren Hülle einbringbar- bzw. einpassbar ist.
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Vorzugsweise sind diese geschlossenen Hohlräume bzw. rohrähnliche Hohlräume quer zur Anströmrichtung orientiert, d. h. anströmende Luft bzw. dadurch hervorgerufene Kräfte treffen auf die geschlossene Mantelfläche der Rohre. Jedoch ist eine Ausrichtung der Hohlräume parallel zur Anströmrichtung ebenfalls denkbar, d. h. anströmende Luft bzw. dadurch hervorgerufene Kräfte können entlang der Höhe der zylinderförmigen Hohlräume aufgenommen werden.
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Hinsichtlich der versteifenden Struktur ist es günstig, wenn diese einen regelmäßigen Aufbau mit Stützstellen aufweist. Mit Hilfe dieser Stützstellen kann eine Kraft, die auf die Außenseite der hohlzylindrischen Vorform der äußeren Hülle aufgebracht wird, aufgenommen und weitergeleitet werden.
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Des Weiteren ist es günstig, die Größe und Dichte der Stützstellen an den Verlauf des zu fertigenden Strömungskörpers anzupassen. Aufgrund des tropfenförmigen Querschnitts eines Strömungskörpers eines z. B. Flügels variiert die Querschnittshöhe, so dass die Größe von Stützstellen, die Kräfte aufnehmen und weiterleiten, diesem Verlauf angepasst werden können.
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Auch ist die Dichte der Stützstellen bzw. deren Anzahl an Stellen mit hoher Belastung günstigerweise höher, als an Stellen mit geringer Belastung. Somit können mit dieser räumlich unterschiedlichen Anordnung von Stützstellen Material und Gewicht, aber auch Kosten eingespart werden.
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Ferner ist es günstig, wenn mindestens eine versteifende Struktur innerhalb der hohlzylindrischen Vorform sequentiell bzw. abschnittsweise angeordnet wird. D. h., dass innerhalb der hohlzylindrischen Vorform der äußeren Hülle Abschnitte mit und ohne versteifende Struktur anordenbar sind. Diese können abwechselnd aufeinander folgen. Vorzugsweise sind die Abschnitte gleichgroß, wobei unterschiedliche Größen ebenfalls möglich sind. Dabei können die Abschnitte mit und ohne versteifende Struktur unterschiedliche Größen aufweisen, d. h., dass der Abschnitt mit versteifender Struktur größer oder kleiner sein kann als der Abschnitt ohne Struktur. Auch kann die Größe der versteifenden Struktur variieren.
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Die abschnittsweise Anordnung hat den Vorteil, dass der Strömungskörper einer Torsion unterworfen werden kann, die den Strömungskörper verformt.
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Dabei sind lokale elastische Deformationen durch den Einfluss von äußeren Kräften möglich, aber es kann auch eine derartige Veränderung durch eine aktive Torsion des Strömungskörpers erreicht werden.
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So können beispielsweise auch durch geeignete Aktivierung und mittels entsprechender Antriebe die Querschnitte des Strömungskörpers bzw. dessen äußere Formgebung verändert werden. Diese Veränderung kann lokal an ausgewählten Stellen im Strömungskörper vorgenommen werden oder den gesamten Strömungskörper betreffen. Auf diese Weise kann der Strömungskörper an zeitlich veränderliche Strömungsverhältnisse angepasst werden, wodurch dessen Wirkungsgrad erhöht wird.
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So ist es beispielsweise bevorzugt, eine Vorrichtung innerhalb des Strömungskörpers bzw. der äußeren Hülle anzubringen mithilfe derer eine Torsion des Strömungskörpers realisiert werden kann. Diese Vorrichtung kann günstigerweise einen Antrieb bzw. einen Motor umfassen, der vorzugsweise an einem Befestigungspunkt, wie z. B. einer Nabe eines Windkraftwerkes angebracht ist. Ferner kann die Vorrichtung eine Stellmechanik aufweisen, die sich entlang der Achse des Strömungskörpers erstreckt, um diesen zu verdrehen bzw. zu tordieren. Die Stellmechanik kann mehrere Teilelemente umfassen, die eine Torsion an unterschiedlichen Stellen des Strömungskörpers ermöglichen. Günstigerweise erstreckt sich hierfür die Stellmechanik entlang des Strömungskörpers, sodass dieser an jeder beliebigen Stelle an aktuelle Strömungsverhältnisse durch Torsion anpassbar ist.
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Auch ist es möglich, dass die Stellmechanik Klappen umfasst. Auf diese Weise kann eine weitere Möglichkeit aktiver Veränderung des Querschnittes realisiert werden, bei der mithilfe von Stelldrähten aus Formgedächtnislegierungen die Vorrichtung angetrieben werden. Diese Klappen können innerhalb und/oder außerhalb der äußeren Hülle angeordnet sein. Die hier beschriebenen Änderungen des Strömungskörpers erfolgen innerhalb der äußeren Hülle des Strömungskörpers, wobei dieser vorzugsweise von außen betrachtet nicht mehrteilig ausgebildet ist.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, starre, eigensteife Strömungskörper und schwer veränderliche Querschnitte mit dem vorgestellten Verfahren zu erstellen.
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Günstigerweise handelt es sich bei nachfolgendem Schritt um den Schritt des Formens des Zwischenproduktes zum finalen Produkt, also zum fertig gestellten und einsatzbereiten Bauteil. Bevorzugterweise umfasst der Schritt des Formens des Zwischenproduktes ein Einbringen von Strömungsstrukturen auf der Oberfläche des zu fertigenden Strömungskörpers und/oder in der Form des zu fertigenden Strömungskörpers. Konkret bedeutet das, dass es von Vorteil ist, strömungsbegünstigende Strukturen auf der Oberfläche anzubringen und/oder in der äußeren Hülle einzuformen, beispielsweise beim Formen des Zwischenprodukts. Auf diese Weise können bessere Strömungseigenschaften des Strömungskörpers eingestellt werden.
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Eine strömungsbegünstigende Struktur kann beispielsweise die Ausbildung eines Winglets am äußersten Ende eines Strömungskörpers bzw. eines Tragflügels eines Flugzeugs sein, wobei das Winglet im Wesentlichen haken- und/oder ankerförmig am Ende des Tragflügels angeordnet.
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Auch können Strukturierungen auf der Oberfläche des zu fertigenden Strömungskörpers bzw. der äußeren Hülle angebracht werden, die beispielsweise den Strömungswiderstand mindern. Diesbezüglich ist es bevorzugt ähnlich einer Haifischhaut Riblets in bzw. an die äußere Hülle ein- bzw. anzubringen.
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Alternativ oder auch zusätzlich können Walfinnen in und/oder an die äußere Hülle eingeformt und/oder angeordnet werden. Diese begünstigen das Anströmverhalten des gesamten zu fertigenden Strömungskörpers.
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Selbstverständlich ist es möglich, die vorgenannten Strukturen partiell auf dem Strömungskörper anzuordnen oder auf dem gesamten Profil.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die äußere Hülle eine Struktur, insbesondere eine Wölbstruktur aufweist. Dabei kann die Wölbstruktur an eine Fischhaut erinnern. Auch diese ist in der Lage, den Strömungswiderstand zu mindern.
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Die vorbeschriebenen Veränderungen der äußeren Hülle dienen alle der Kraftstoff- und Materialeinsparung, bei gleichzeitiger Entlastung der Umwelt bzw. der Steigerung des Wirkungsgrades und damit der Ausbeute beispielsweise bei Windkraftanlagen. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Formen des Zwischenprodukts – wie zuvor beschrieben – ein Einbringen von Riblets und/oder Walfinnen und/oder einer Struktur, insbesondere einer Wölbstruktur, in die äußere Hülle umfasst.
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Unter einem Riblet wird eine Oberflächengeometrie verstanden, die den Reibungswiderstand an/auf einer turbulent überströmten Oberfläche vermindert. Dabei sind Oberflächengeometrien der Riblets an die Geometrie der Schuppen schnell schwimmender Haie angelehnt, bei denen die Geometrie feine Rippen mit sehr scharfen Rippenspitzen aufweist.
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Des Weiteren bezeichnen Walfinnen eine Oberflächengeometrie bzw. -struktur, die in ihrer Form an eine Rückenflosse eines Hais oder eines Wals erinnern. Die Finne kann eine dreieckige Form aufweisen und stabilisiert Bewegungen eines z. B. Strömungskörpers. Somit kann die Anströmung des Profils verbessert werden.
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Hinsichtlich des Verfahrens, das das Vorformen des Zwischenprodukts in einen Strömungskörper durchführt, ist es günstig, sich des Innenhochdruckumformens zu bedienen. Auf diese Weise kann die äußere Hülle exakt in eine Form gepresst werden, die die vorbenannten Eigenschaften wie z. B. Riblets, Walfinnen und/oder eine Struktur, insbesondere eine Wölbstruktur, aufweist.
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Auch kann mit Hilfe des Innenhochdruckumformens die innere Tragstruktur einfach verformt werden. Dadurch kann eine Kaltverfestigung erreicht werden, die die Steifigkeit und Festigkeit erhöht.
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Selbstverständlich kann zur Einstellung von gewünschten mechanischen Eigenschaften sowie Materialeigenschaften vor und/oder während des Innenhochdruckumformens oder danach der Strömungskörper thermisch nachbehandelt werden.
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Damit eine einfache und kostengünstige Reparatur möglich ist, ist es von Vorteil, wenn für das erfindungsgemäße Verfahren metallische Werkstoffe für die innere Tragstruktur und die äußere Hülle verwendet werden.
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Nach einem weiteren Aspekt ist es günstig, wenn ein Strömungskörper, insbesondere Flügelprofil, mit einer inneren Tragstruktur und einer äußeren Hülle mit den vorbenannten Eigenschaften, insbesondere durch die jeweiligen vorgestellten Verfahrensschritte bzw. die darin beschriebenen Merkmale eines Strömungskörpers, hergestellt wird.
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Der Strömungskörper weist bevorzugterweise Metall auf. Auf diese Weise kann dieses einfach und energieeffizient recycelt werden. Es ist auch möglich, einen derartig aufgebauten Strömungskörper mit gängigen Verfahren zu reparieren und in Stand zu halten, wodurch die Wartung vereinfacht wird und Kosten einsparbar sind.
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Die vorbeschriebenen Merkmale, die alle der Ausbildung eines Strömungskörpers und eines Verfahren zum Herstellen eines Strömungskörpers dienen, sind frei miteinander kombinierbar.
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So sind die Merkmale des Verfahrens, wie z. B. schäumbares Material auf einer Platine, zwei aufeinanderliegende Bleche, verbunden entlang mindestens zweier Schweißlängsnähte und/oder im rechten Winkel zu den Schweißlängsnähten gestaucht, Riblets und/oder Walfinnen und/oder einer Struktur, insbesondere einer Wölbstruktur, in der äußeren Hülle, übertragbar bzw. kann der Strömungskörper diese Merkmale auch aufweisen.
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Dies gilt selbstverständlich auch für z. B. eine versteifende Struktur mit Streckmetall, Lochblech, wölbstrukturiertem Blech, Metallschaum-Sandwich, metallischem Gewebe, Textilien, Faltwaben, Rohren und/oder Hohlprofilen. Dabei kann der Strömungskörper bzw. dessen versteifende Struktur ebenfalls einen regelmäßigen Aufbau mit Stützstellen aufweisen, wobei die Größe und Dichte der Stützstellen an den Verlauf des zu fertigenden Strömungskörpers anpassbar ist.
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Die Vorteile sind analog zu denen, die bereits hinsichtlich des Verfahrens genannt wurden.
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Zusammengefasst bzw. mit anderen Worten ausgedrückt, zielt die Erfindung darauf ab, unter Nutzung mehrerer Verfahrensschritte zur Herstellung eines metallischen Flügels, der nicht aus Halbschalen gefertigt wird, eine steifigkeitsstiftende Struktur bzw. eine versteifende Struktur und eine äußere Hülle zu schaffen, die beide für sich geformt, miteinander gefügt und zusammen final ausgeformt werden.
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Der zentrale Aspekt der erfindungsgemäßen Fertigungsweise besteht darin, eine Vorform einer inneren Tragstruktur aus der steifigkeitsstiftenden Struktur und eine Vorform der äußeren Hülle zu schaffen, die beide für sich geformt, miteinander gefügt und zusammen final ausgeformt werden.
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Die steifigkeitsstiftende Struktur bzw. die innere Tragstruktur soll zudem derart gestaltet werden, dass diese bei der finalen Umformung (nach dem Fügen mit der äußeren Hülle), beim Kalibrieren (Einstellen der endgültigen Form eines Strömungskörpers) mittels Innenhochdruckumformen, mit umgeformt, gestreckt bzw. zumindest verzerrt wird und dabei in einen stabilen, schützenden Zustand versetzt wird. Anders ausgedrückt, wird die innere Tragstruktur kalt umgeformt und somit verfestigt, wodurch die Festigkeit und Stabilität erhöht wird.
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Des Weiteren zeichnet sich die erfindungsgemäße Fertigungsweise dadurch aus, dass mit dem Kalibrieren mittels Innenhochdruckumformens die äußere Hülle ebenfalls strukturiert werden kann. Beispielsweise lässt sich durch Wölbstrukturierung die Steifigkeit, aber auch das aerodynamische Verhalten beeinflussen bzw. verbessern, so wie es bei einem Golfball bereits gelingt.
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Gleiches gilt für eine Strukturierung mit einer Oberflächenbeschaffenheit ähnlich einer Haifischhaut oder einer ähnlichen Struktur, die den Strömungswiderstand mindern.
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Ebenso können mit der finalen Innenhochdruck-Umformung Geometrieelemente wie beispielsweise Walfinnen durch nachempfundene Höcker, die aus der glatten Blattgeometrie eines Strömungskörpers geformt werden, ausgebildet werden. Diese verbessern Strömungseigenschaften.
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Der Flügelaufbau aus dem zivilen Flugzeugbau weist in der Regel eine Hülle aus mehreren Einzelteilen auf, meist aus einer vorderen und hinteren Leiste sowie einer oberen und unteren großflächigen Abdeckung. Diese Einzelteile sind mittels Nieten miteinander verbunden bzw. gesichert.
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Hingegen weist der erfindungsgemäße Aufbau eine innere Tragstruktur in regelmäßiger Anordnung auf. Die Größe bzw. Dichte der Stützstellen kann lokal angepasst werden, so dass sie als Komponente vorgefertigt in die Hülle eingeführt und -gefügt werden kann.
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Vorteilhafterweise haben beide Komponenten (Vorform der äußeren Hülle und Vorform der inneren Tragstruktur) eine endkonturnahe Geometrie, jedoch nicht die finale Form.
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Die innere Tragstruktur kann aber auch aus sogenannten Faltwaben hergestellt werden, die Flächen zur Verbindung mit der Vorform der äußeren Hülle aufweisen. Die innere, steifigkeitsstiftende Struktur kann ebenfalls durch Hohlprofile, deren Anzahl bzw. Durchmesser angepasst ist, erreicht werden.
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Auch ist es möglich, Rohre in die äußere Hülle einzustecken und mit Innendruck durch das Innenhochdruckumformen in eine Stütz- und Hüllstruktur umzuformen. Die so ausgeformten Zellen schützen sich gegenseitig und ebenso die äußere Hülle.
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Die beschriebene Vorgehensweise lässt sich vorteilhafterweise anwenden, wenn zusätzliche Träger, insbesondere Doppel-T-Träger, implementiert werden. Diese würden dann ebenfalls von den Profilen umschlossen bzw. in ihrer Lage fixiert. Nach dem Kalibrieren ist ferner ein weiteres Fügen von außen durch die Hülle möglich.
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Des Weiteren ist es möglich, aus zwei ebenen Blechen eine Stützstruktur zu fertigen. Dabei sind die Bleche lokal miteinander verbunden, beispielsweise längsnahtgeschweißt. Durch Stauchen senkrecht zu den Längsnähten, wird die Struktur in eine Vorform einer Tragstruktur so vorgeformt, dass diese in eine äußere Hülle gesteckt werden kann. Durch applizierten Innendruck wird die Stützstruktur ausgeformt. Die sich bildenden Zellen stützen sich gegenseitig als auch die äußere Hülle, welche dabei zusätzlich ausgeformt und kalibriert wird.
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Für das Fügen und Stabilisieren eines Profilendes eines Strömungskörpers lassen sich partiell mit schäumbarem Material beschichtete Platinen einsetzen. Durch Wärmezufuhr in der finalen Form schäumt das Material auf, verbindet damit gegenüberliegende Seiten eines Strömungskörpers und füllt somit den Zwischenraum zwischen beiden aus, wodurch dieser Bereich mit wenig zusätzlichen Material und Gewicht versteift wird.
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Die Vorteile des vorgestellten Verfahrens sind die Anwendung hochproduktiver Fertigungsverfahren, die eine höhere Produktionsrate zur Folge haben und bei entsprechender Massenfertigung eine wirtschaftlichere Fertigung erlauben. Im Gegensatz zur heutigen Fertigungsweise bei der die Kosten mit der Stückzahl proportional steigen, können mit der vorgeschlagenen Weise bei steigender Stückzahl die Fertigungskosten pro Bauteil gesenkt werden (economy of scale).
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Ferner weist ein derartig hergestellter Strömungskörper ein günstiges Verschleißverhalten und etablierte Reparaturmöglichkeiten (ähnlich der Art und Weise bei Flugzeugflügeln) auf. Des Weiteren ist es vorteilhaft, gemäß des erfindungsgemäßen Gedankens, dass die Recycling und Kreislauffähigkeit gewährleistet wird, wodurch Material vollständig im Kreislauf zirkulieren kann.
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Unter dem Begriff eines Strömungskörpers wird vorzugsweise ein vollständiges Strömungsprofil wie z. B. eines Rotors einer Windkraftanlage oder eines Flugzeugflügels verstanden. Günstigerweise umfasst der Begriff Strömungskörper aber auch einzelne Bereiche von Strömungsprofilen bzw. einen Teil eines Strömungsprofils, sodass ein Strömungskörper einen Teil bzw. einen Teilabschnitt eines Rotors bilden kann. Dabei können mindestens zwei Teilabschnitte zu einem Rotor oder Flugzeugflügel zusammengesetzt werden. Anders ausgedrückt, können mehrere Strömungskörper z. B. zu einen Rotor oder zu einen Flugzeugflügel zusammengesetzt werden, aber es kann auch ein Strömungskörper z. B. einen gesamten Roter bilden.
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Des Weiteren sind beispielsweise Tragflügel moderner Flugzeuge nur zu einem Drittel starr, wobei an der Vorder- als auch der Flügelhinterkante verstellbare Klappen und Flügel die Vergrößerung bzw. Verkleinerung der angeströmten Fläche ermöglichen. Derartige beweglichen Flügelbereiche (Ruder und Klappen) aber auch der tragenden Flügelkasten können z. B. mit dem erfindungsgemäß beschriebenen Verfahren gefertigt werden.
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So kann es sich bei einem Strömungskörper auch um eine sog. Krügerklappe (engl. Krüger Flap, Vented Krüger Flap), einen Vorflügel (engl. slat), eine Kippnase (engl. Droop Leading Edge Flap oder Droop Nose), Auftriebshilfen an der Flügelhinterkante (sog. Landeklappen, engl. flap bzw. flaps), eine Wölbklappe (engl. plain flap), eine Spaltklappe (engl. slotted Flap), eine Fowlerklappe (auch Fowler-System), eine Spreizklappe (engl. split flap), eine Zapklappe und/oder einen Junkers-Doppelflügel handeln.
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Die vorbeschriebenen Merkmale, die der Ausbildung eines Strömungskörpers und eines Verfahren zum Herstellen eines Strömungskörpers dienen, sind frei miteinander kombinierbar.
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Im Anschluss wir die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert: In diesen zeigen, schematisch:
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1a–i ein Verfahren zur Herstellung eines Strömungskörpers,
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2a–b ein ausgeschäumtes Profilende,
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3a–g versteifende Strukturen,
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4a–e Ausführungsformen alternativer versteifender Strukturen,
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5a–c eine alternative Ausführungsform für eine versteifende Struktur,
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6a–b Ausführungsformen alternativer Strömungskörper,
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7 eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Ausführungsform einer Oberfläche eines Strömungskörpers,
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8a–d Ausführungsformen unterschiedlicher Strömungskörper bzw. Flügel-/Blattprofile, und
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9 ein Teil eines Rotors bzw. eines Strömungskörpers mit mehreren versteifenden Strukturen 5 in Draufsicht.
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Die 1a bis i zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Strömungskörpers 1 mit mehreren Schritten. Das Verfahren hat den Zweck, einen Strömungskörper bzw. einen Flügel eines Flugzeuges aus wenigen Einzelteilen zu fertigen, einen stabilen Flügel zu erstellen und in einem Schritt die endgültige Kontur des Flügels zusammen mit Profilierungen bzw. Strukturen auf dessen Außenseite zu erstellen.
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Den ersten Verfahrensschritt zeigt die 1a. Bei diesem wird eine Platine 2 bzw. ein Blech mittels einer Trennvorrichtung 10 auf die erforderliche Größe und Form zurechtgeschnitten. Bei der Trennvorrichtung 10 kann es sich um beispielsweise ein Keilschneiden, Beißschneiden oder ein Laserschneiden handeln.
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Im nachfolgenden Verfahrensschritt, gezeigt in 1b, wird das zurechtgeschnittene, ebene Blech 2 aus 1a sukzessive in eine hohlzylindrische Vorform einer äußeren Hülle des Flügels geformt. Wie 1b zeigt, geschieht dies mittels des Verfahrens Walzprofilieren, bei dem Walzen 3 bzw. Walzpaare das Blech 2 im Lauf durch eine Walzprofilierungsmaschine (nicht dargestellt) in die Vorform der äußeren Hülle umformen.
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Nach dem Durchlauf der Platine 2 bzw. nach dem Verformen des Blechs 2 durch diverse Walzen entsteht am Ende die bereits genannte Vorform der äußeren Hülle 4, wie in 1c dargestellt. Diese Vorform 4 ist so ausgestaltet, dass ihre Kontur bereits ausreichend nahe an der Endkontur des zu fertigenden Strömungskörpers liegt. Damit kann einerseits gewährleistet werden, dass die Umformung ohne Versagen des Werkstoffes prozesssicher durchführbar ist und andererseits, dass der Werkstoff ausreichend gestreckt wird um eine gewünschte Kaltverfestigung zu erreichen um damit das Profil weiter zu versteifen.
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Nach dem Erstellen der hohlzylindrischen Vorform 4 wird diese geschlossen (dargestellt in 1d). Dies geschieht durch Verbinden der zusammentreffenden Enden 4a, 4b der Platine 2. Bei dem Verbinden handelt es sich bevorzugter Weise um Schweißen, wie z. B. WIG-Schweißen, Rührreibschweißen und/oder Laserschweißen (nicht dargestellt).
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Parallel zu den vorgenannten Verfahrensschritten aus 1a bis 1d aber auch zeitlich gesehen danach oder davor wird eine versteifende Struktur 5 zur Aussteifung des Flügelinneren bzw. des Inneren der geschlossenen hohlzylindrischen Vorform 4 produziert.
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Hierbei zeigen 1e bis 1f schematisch die Herstellung einer versteifenden Struktur 5 in Ausgestaltung eines Streckgitters. So zeigt 1e, wie in ein geeignetes Blech 6 Einschnitte 7 in versetzten Reihen durch ein Schneidwerkzeug (nicht dargestellt) eingebracht wurden. Anschließend wird das eingeschnittene Blech 6 gedehnt bzw. umgeformt bzw. gestreckt, so dass ein Streckgitter als eine versteifende Struktur 5 erhalten wird, wie 1f zeigt.
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Im Anschluss daran wird aus der versteifenden Struktur 5 eine Vorform der inneren Tragstruktur 8 für den Flügel gebildet (dargestellt in 1g). Anders ausgedrückt wird aus einem ebenen rechteckigen Streckgitter 5 ein räumliche Anordnung geformt, die z. B. wellenförmig, zickzackförmig, rollenförmig (d. h. aufgerollt), helixförmig, und in die Vorform der der äußeren Hülle eingesetzt.
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Nachdem die Vorform der äußeren Hülle 4 sowie die Vorform der inneren Tragstruktur 8 hergestellt wurden, werden beide Vorformen zu einem Zwischenprodukt 9 verbunden. Dies ist in 1g gezeigt. Günstigerweise ist die Vorform der inneren Tragstruktur 8, genau wie die hohlzylindrische Vorform der äußeren Hülle 4, bereits nahe an der Endkontur des Flügels 1 ausgebildet. Insbesondere sind beide Vorformen durch den jeweiligen Umformprozess so ausgebildet, dass sie vor dem Verbinden zu einem Zwischenprodukt 9 einfach zusammengefügt werden können. Das heißt, dass die Vorform der inneren Tragstruktur 8 auf einfache Weise in die Vorform der äußeren Hülle 4 eingeführt werden kann.
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Mit Hilfe der beiden vorgestellten Verfahren zum Erstellen der einzelnen Vorformen 4, 8 kann eine hohe Oberflächenqualität gewährleistet werden. Auf diese Weise ist es möglich, die beiden Vorformen mittels beispielsweise Diffusionsschweißen miteinander zu verbinden. Auch kann die Verbindung beider Vorformen zu einem Zwischenprodukt 9 im letzten Verfahrensschritt, dargestellt in 1h, durchgeführt werden. In dem letzten Verfahrensschritt werden die beiden Vorformen 4, 8 bzw. das Zwischenprodukt 9 zu einem Strömungskörper mittels Innenhochdruckumformen geformt.
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Dafür wird das Zwischenprodukt 9 in eine Maschine 11 zum Innenhochdruckumformen (angedeutet dargestellt) eingebracht, wobei die Maschine 11 zwei Werkzeughälften 11a und 11b aufweist.
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Beim Innenhochdruckumformen wird das Innere des Zwischenprodukts 9 mit Druck beaufschlagt und somit gegen die Form bzw. die Formhälften 11a, 11b gepresst, wodurch das Zwischenprodukt bzw. die äußere Hülle 4 sowie die innere Tragstruktur 8 ihre finale, endgültige und strömungsgünstige Form erhält.
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Aufgrund der Verbindung zwischen äußerer Hülle 4 und innerer Tragstruktur 8 wird beim Formen der äußeren Hülle gleichzeitig die Tragstruktur geformt. Auf diese Weise werden beide kalt verformt, wodurch eine Verfestigung des Materialgefüges erreicht wird. Dies wiederum führt zu einem stabilen Flügel.
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Durch das Innenhochdruckumformen bzw. das Einbringen der finalen Form in den Strömungskörper 1 wird aus den verbundenen Vorformen, d. h. aus der Vorform der inneren Tragstruktur 8 und der Vorform der äußeren Hülle 4, die innere Tragstruktur und die äußere Hülle.
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Wie bereits zuvor beschrieben, kann in diesem letzten Verfahrensschritt aus 1h auch die Verbindung von der Vorform der äußeren Hülle 4 und der Vorform der inneren Tragstruktur 8 erstellt werden. Dies kann beispielsweise auch durch ein Kaltpressschweißen geschehen. Dieses Verfahren empfiehlt sich insbesondere im Zusammenhang mit dem Innenhochdruckumformen.
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Wie 1i zeigt, weist der fertig gestellte Strömungskörper 1 bzw. der Flügel 1 eine Anströmseite 12 bzw. Profilnase mit einer breiten Querschnittsfläche auf und gegenüberliegend eine spitz zulaufende Abströmseite 13 bzw. Profilhinterkante. Die spitz zulaufende Profilhinterkante 13 kann je nach Größe des Strömungskörpers 1 derart schmal sein, dass es nicht möglich ist, eine Vorform der äußeren Hülle 4 in diesem Bereich einzubringen.
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Daher empfiehlt es sich, wie 2a zeigt, schaumbares Material 14 partiell auf das Blech 2 aufzubringen. Dabei ist das Material 14 in den Bereichen des Blechs aufgebracht, die nach dem Umformen durch beispielsweise Walzprofilieren, Abkanten und/oder Runden innerhalb der geschlossenen zylindrischen Hohlform und am Stoßpunkt der zusammentreffenden Enden 4a, 4b der Platine 2 liegen.
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Die Aktivierung des schäumbaren Materials 14 erfolgt bevorzugterweise bei der Herstellung der Vorform der äußeren Hülle bei kontinuierlicher Herstellung beispielsweise am Auslauf einer Walzprofilieranlage.
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Die Aktivierung kann aber auch vor, im oder nach dem letzten Verfahrensschritt, dem Umformen des Zwischenprodukts 9 zu einem Strömungskörper 1, wie dargestellt in 1h, erfolgen.
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Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass durch Wärmezufuhr das schäumbare Material 14 aktiviert wird, jedoch dieses nicht zu einer Verformung bzw. Veränderung der endgültigen Kontur des Strömungskörpers 1 führt. Für die Durchführung ist es daher günstig, wenn die Formhälften 11a, 11b beim Innenhochdruckumformen in dem Bereich, in dem das schäumbare Material aufgebracht wurde, eine Heizvorrichtung aufweisen. Hierbei zeigt 2b einen Strömungskörper 1 bzw. einen Flügel 1 mit einer durch Schaum verstärkten Profilhinterkante 13, die der Profilnase 14 gegenüberliegt.
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Bevorzugterweise wird jedoch erst nach dem letzten Verfahrensschritt, also dem finalen Um- bzw. Ausformen bzw. dem endgültigen Einstellen der strömungsrelevanten Form des Strömungskörpers, innerhalb der geschlossenen Form der Maschine 11 das schäumbare Material 14 durch Wärmezufuhr aktiviert. Denn die Schritte Innenhochdruckumformen und Aufschäumen des zuvor platzierten schäumbaren Materials 14 erfordern unterschiedliche Prozessparameter. Zum einen erfordert die Umformung höhere Drücke als die für das Schäumen erforderlichen, so dass Schaum nur schwer entstehen würde. Andererseits erfordert das Schäumen, insbesondere von Metallschaum, Temperaturen, die die Umformung beeinträchtigen können. So ist es auch möglich, dass das finale Umformen und das Aufschäumen in zwei unterschiedlichen Maschinen erfolgt und zeitlich gesehen hintereinander. Selbstverständlich kann auch vor dem Innenhochdruckverfahren das schäumbare Material 14 mittels Wärme aktiviert werden. 3a bis 3f zeigen Alternativen von versteifenden Strukturen für die Bildung einer inneren Tragstruktur 4. So zeigt die 3a ein Lochblech und 3b ein Blech mit Sechskantlochung, auch Hexagonallochung genannt. Hingegen zeigen 3c bis 3f sogenannte Faltwaben in verschiedenen Ausführungen. Diese werden beispielsweise aus einem oder mehreren Blechen geformt, wobei ein Blech, ähnlich wie bei einem Streckgitter günstig ein- und ausgeschnitten wird, so dass durch ein Falten, Biegen, Strecken, Dehnen und/oder Profilieren aus einem ebenen Blech eine räumliche Struktur, ähnlich einer Bienenwabe oder ähnlichem, in möglichst wenigen Arbeitsschritten geformt werden kann.
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Der Vollständigkeit halber ist in 3g nochmals das Streckgitter, wie aus 1e dargestellt.
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Alternativ zu dem Streckgitter und dem Faltwaben können auch Rohre 15, wie 4a bis 4e zeigen, zu einer versteifenden Struktur 5 ausgebildet werden, die dann in eine Vorform der inneren Tragstruktur 8 einer Umformung unterzogen werden. Hierbei zeigt 4a, wie aus Rohren 15 unterschiedlichster Durchmesser der Strömungskörperverlauf bzw. der Querschnitt eines Strömungskörpers 1 mittels Rohren 15 mit unterschiedlichen Durchmessern nachempfunden wird.
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Nachdem die Vorform der äußeren Hülle 4 geformt wurde, werden die einzelnen Rohre 15 bzw. die versteifende Struktur 5 in eine Vorform der inneren Tragstruktur 8 umgeformt. Auf diese Weise sind beide Vorformen bereits nahe an der Endkontur des Strömungskörpers 1 ausgebildet und können zu einem Zwischenprodukt 9 verbunden werden (4b). Anschließend wird mittels Innenhochdruckumformens der endgültige Strömungskörper 1 in die äußere Hülle 4 eingeformt, wobei durch das Innenhochdruckumformen die ovalen Rohre 15a bzw. die Vorform der inneren Tragstruktur 8 aus 4b zu quaderförmigen Rohren 15b umgeformt wurde (4c).
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Dadurch stützen sich die Rohre gegenseitig in Anströmrichtung ab, aber auch die Ober- und Unterseite 16, 17 des Strömungskörpers 1 können abgestützt werden, so dass Kräfte von der Ober- 16 auf die Unterseite 17 und umgekehrt übertragen werden können, aber auch Kräfte von der Anströmseite 12 hin zur Abströmseite 13 können aufgenommen und weitergeleitet werden.
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4d zeigt im Wesentlichen die 4b, wobei noch Doppel-T-Träger 18 in die versteifende Struktur 5 und innerhalb der äußeren Hülle 4 eingebracht wurden, wodurch eine Verbindung des fertigen Strömungskörpers 1 mit z. B. einem Rumpf eines Flugzeuges oder einer Nabe einer Windkraftanlage auf einfache Weise hergestellt werden kann. Hierbei ist in 4e gut zu erkennen, wie nach dem Innenhochdruckumformen die einst runden 15 bzw. ovalen Rohre 15a durch den inneren Druck, an die Doppel-T-Träger 18 angelegt haben und an diese Kräfte weiterleiten können.
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In 5 ist eine Alternative für die Verwendung von Faltwaben, Rohren oder Streckgittern gezeigt. Hierbei werden zwei ebene Bleche 19a, 19b aufeinandergelegt und entlang eines bestimmten Plans längsnahtverschweißt. Mittels dieser Längsverschweißung bzw. Längsschweißnähten 20 können durch Stauchen an den sich gegenüberliegenden Enden der verbundenen Bleche 19a, 19b Hohlräume 21 gebildet werden, die eine Vorform der inneren Tragstruktur 8 bilden und die in die Vorform der äußeren Hülle 4 eingeführt werden können (dargestellt in 5b). Im Anschluss daran wird in 5c, wie bereits zuvor bei 4 beschrieben, mittels Innenhochdruckumformens die beiden Vorformen 4, 8 miteinander final umgeformt bzw. so auf die Endkontur des Strömungskörpers gebracht und miteinander verbunden. Durch die Druckbeauschlagung bildet sich der Strömungskörper 1 aus 5c.
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Um die Strömungseigenschaften eines derartigen Profils weiter zu verbessern, ist es günstig, wie 6a zeigt, sogenannte Walfinnen 22 auf der Anströmseite 12 anzubringen. Dies ist beispielsweise durch die Veränderung oder Einbringung einer Form in eine Halbform 11a, 11b beim Innenhochdruckumformen möglich. Somit kann die Reibung zwischen Profil 1 und strömendem Medium verringert werden. Folglich kann Treibstoff gespart und die Umwelt geschont werden.
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Des Weiteren ist es auch möglich, wie 6b zeigt, ähnlich einem Haifisch sog. Riblets 23 auf der äußeren Hülle 4 anzuordnen, wodurch der Strömungswiderstand zusätzlich vermindert wird. Dies führt zu den eben genannten Vorteilen.
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Selbstverständlich ist eine Kombination von Walfinnen und Riblets möglich und bevorzugt, da sich die Vorteile beider überlagern und verstärken.
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In 7 ist eine weitere Ausführungsform der Oberflächenstrukturierung des Strömungskörpers 1 dargestellt. Hierbei ist die versteifende Struktur 5 im Inneren aus Faltwaben 24 aufgebaut. Die Faltwaben 24 sind regelmäßig aufgebaut, d. h. sie weisen dieselbe Größe hinsichtlich ihrer Grundfläche auf sowie dieselbe Form, sind jedoch hinsichtlich ihrer Höhe an den Verlauf des Strömungskörpers angepasst. Über die Höhe erstrecken sich Stützstellen 25, die Kräfte von der Profiloberseite 16 auf die -unterseite 17 weiter- und ableiten. Neben der Größe bzw. Höhe der Stützstellen ist auch deren Dichte an den Verlauf des zu fertigenden Strömungskörpers 1 angepasst.
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Die Faltwaben 24 sind ferner derart ausgestaltet, dass sich die Berührbereiche bzw. die Stützstellen 25 zwischen äußerer Hülle 4 und Faltwabe 24 beim Innenhochdruckumformen in die äußere Hülle 4 auf- bzw. einprägen. Diese Form kann ähnlich den vorgenannten und aus 6a dargestellten Riblets ausgebildet sein. In 7 ist sie jedoch bzw. die Oberfläche ähnlich einer Fischhaut ausgestaltet. So nimmt die äußere Hülle 4 durch das Innenhochdruckumformen die Form der Grundfläche der Faltwaben an.
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8 zeigt mehrere Formvariationen eines Strömungskörpers 1 bzw. eines Flügel-/Blattprofiles. Hierbei ist in 8a ein gerades Profil mit konstantem Querschnitt dargestellt, wohingegen in 8b ein räumlich verdrehtes Profil mit konstantem Querschnitt gezeigt ist. Ein gerades Profil mit konischem Querschnitt zeigt 8c, während in 8d ein räumlich verdrehtes Profil mit konischem Querschnitt dargestellt ist.
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All die vorgenannten Formen eignen sich als Hohlzylinder bzw. als hohlzylindrische Vorform. So ist auch eine beliebige Kombination vorgenannter Variationen möglich. Dabei können die in 8 dargestellten Formen auch einseitig geschlossene Formen aufweisen, wie sie beispielsweise für Rotorblätter eines Hubschraubers oder einer Windkraftanlage zum Einsatz kommen.
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In 9 ist exemplarisch ein Teil eines Rotors bzw. eines Strömungskörpers 1 mit mehreren versteifenden Strukturen 5 in Draufsicht von oben gezeigt, wobei die versteifenden Strukturen 5 innerhalb der hohlzylindrischen Vorform der äußeren Hülle 4 sequentiell bzw. abschnittsweise angeordnet sind. Hierbei haben die Abschnitte mit und ohne versteifende Struktur 5 unterschiedliche Größen, wobei der Abstand der versteifenden Strukturen 5 entlang der Rotorachse X größer wird. Selbstverständlich kann der Abstand auch gleich sein oder z. B. kleiner werden.
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Des Weiteren ist zu erkennen, dass die Breite der versteifenden Strukturen 5 variiert. So werden die Strukturen entlang der Rotorachse X breiter, wobei diese auch schmäler werden können oder schmale Strukturen breiten und umgekehrt folgen können. Auch eine Abwechslung von schmaler zu breiter und wieder hin zu schmaler Struktur oder umgekehrt ist möglich. Die Struktur 5 kann so ausgebildet sein, wie sie zuvor betreffend 3a–g für die Bildung einer inneren Tragstruktur 4 vorgestellt wurde.
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Mittels der abschnittsweisen Anordnung kann der Strömungskörper 1 aktiv tordiert werden, sodass sich der gesamte Strömungskörper verformt. Für die aktive Veränderung des Rotors kommen entsprechende Antriebe (nicht dargestellt) zum Einsatz, die die Querschnitte des Strömungskörpers bzw. dessen äußere Form bzw. die äußere Hülle 4 verändern. Somit ist der Strömungskörper 1 an zeitlich veränderliche Strömungsverhältnisse anpassbar. Dies wiederum erhöht dessen Wirkungsgrad.
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Auch ist eine Vorrichtung 26 innerhalb des Strömungskörpers 1 bzw. der äußeren Hülle 4 angebracht mithilfe derer der Strömungskörpers verdreht (tordiert) werden kann. Diese Vorrichtung weist einen Motor (nicht dargestellt) an einem Befestigungspunkt auf, der beispielsweise an einer Nabe eines Windkraftwerkes angebracht werden kann. In 9 hat die Vorrichtung 26 eine Stellmechanik 26a, die sich entlang der Rotorachse X des Strömungskörpers 1 erstreckt. Die Stellmechanik 26a umfasst mehrere Teilelemente 26b, die eine Torsion an unterschiedlichen Stellen des Strömungskörpers 1 ermöglichen. Die Teilelemente 26b sind als Hohlzylinder mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet.
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Hierbei ist die Stellmechanik 26a bzw. deren Teilelemente 26b mit den versteifenden Strukturen 5 verbunden, sodass über eine Drehung der Teilelemente 26b das Strömungsprofil 1 an den Stellen mit versteifender Struktur 5 tordiert werden kann.
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Anstelle der parallelen Anordnung von Zylindern bzw. der parallelen Anordnung von Teilelemente 26b, wie dargestellt in 9, kann auch ein System zum Einsatz kommen, bei dem ein Hohlzylinder in einem anderen sitzt usw., wodurch Raum innerhalb des Strömungskörpers 1 einsparbar ist. Somit kann anstelle der vier Teilelemente 26b eine ineinander geschachtelte Stellmechanik 26a mit mehreren Teilelementen 26b realisiert werden. Auch kann dadurch der Schwerpunkt des Körpers günstig beeinflusst werden.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung die Herstellung eines metallischen Strömungskörpers, insbesondere eines Flügels, das aus einem Blech und einer Tragstruktur gefertigt wird. Dabei wird durch Umformen eines ebenen Blechs in einen Strömungskörper ein tropfenförmiger Hohlzylinder geschaffen, dessen Inneres mit einer aussteifenden Struktur versehen wird, die die hohlzylindrische Form stützt. Durch Innenhochdruckumformen wird der Strömungskörper final ausgeformt, sodass enge Toleranzen eingehalten werden können. Ein Toleranzausgleich durch Entfernen oder Hinzufügen von Material entfällt. Der Toleranzausgleich erfolgt dabei umformend und gleichzeitig für die innere Struktur und die äußere Hülle. Finales Ausformen bedeutet, dass die endgültige strömungsrelevante Form des Strömungskörpers eingestellt wird. Beim Innenhochdruckumformen können auch weitere Feinstrukturen wie Riblets, Walfinnen und/oder eine Struktur ähnlich einer Fischhaut in die äußere Hülle bzw. auf den Strömungskörper eingeprägt werden, wodurch Strömungswiderstände reduziert werden können und somit der Kraftstoffverbrauch oder die Strömungseffizienz gesteigert werden können.
