DE102013020830B4

DE102013020830B4 - Fluiddynamisches Profil und ein Verfahren zum Verbessern der Gleitzahl

Info

Publication number: DE102013020830B4
Application number: DE102013020830.0A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2020-03-26
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: DE102013020830A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Profil, insbesondere ein aerodynamisches Profil, mit einer Saugseite und einer Druckseite und ein Verfahren zum Verbessern der Gleitzahl bei einem fluiddynamischen Profil, wobei zum Verbessern der Gleitzahl die Saugseite einen im Vergleich zu der Druckseite geringeren Strömungswiderstand hat bzw. der Strömungswiderstand einer Saugseite des Profils im Vergleich zum Strömungswiderstand einer Druckseite des Profils, insbesondere zum Erhöhen der Druckdifferenz zwischen der Saugseite und der Druckseite, verringert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Profil, insbesondere ein aerodynamisches Profil, mit einer Saugseite und einer Druckseite. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbessern der Gleitzahl bei einem fluiddynamischen Profil, insbesondere einem aerodynamischen Profil.
Aus der EP 0 724 691 B ist ein Rotorblatt mit einer Druckseite und einer Saugseite bekannt, wobei sowohl die Druckseite als auch die Saugseite zum Reduzieren des Strömungswiderstandes gleichartig ausgebildete Erhebungen aufweisen.
Verfahren zur Erhöhung bzw. Verbesserung der Gleitzahl ε, auf Oberflächen von Körpern, die das Auftriebsprinzip als Auftriebskraft nutzen, wie Flugzeug-, Hubschrauber- oder Windanlagen-Flügel, haben üblicherweise auf der Saugseitenoberfläche und der Druckseitenoberfläche ihrer Flügel (Profile) die gleiche Oberflächengüte. Hierbei ist im Rahmen der vorliegenden Anmeldung die Oberflächengüte als ein Maß für einen möglichst geringen Strömungswiderstand einer Fläche zu verstehen. Üblicherweise werden für die Auslegung C_A-Werte (Auftriebsbeiwert) nahe der besten Gleitzahl ε gewählt, daher

Cn ≙ 0,6 bis 1,2
α_A ≙ 2° bis 6° Grad,

Nachteilig ist bei den bekannten Profilen, dass für eine Verbesserung der Oberflächengüte bzw. eine Verringerung des Strömungswiderstandes sowohl die Saugseite als auch die Druckseite betrachtet und entsprechend ausgelegt werden. Hierdurch entsteht ein erheblicher Mehraufwand, der zu höheren Kosten führt.
Insbesondere Rotorblätter einer Windkraftanlage weisen üblicherweise eine hinsichtlich der Oberflächengüte bzw. des Strömungswiderstandes nicht optimale Oberflächenstruktur auf.
Es ist das der Erfindung zugrunde liegende Problem, ein fluiddynamisches Profil der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass die Auftriebskraft des Profils auf einfache und kostengünstige Weise verbessert ist.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird mit den in den Ansprüchen aufgeführten Merkmalen gelöst.
Gemäß Hauptanspruch wird das Problem gelöst, indem auf der Saugseitenoberfläche des Flügels (Profil) eine höhere Oberflächengüte, nämlich ein geringerer Strömungswiderstand, im Verhältnis zur Oberflächengüte, nämlich zum Strömungswiderstand, der Druckseitenoberfläche ist, wobei die Druckseite unbearbeitet ist und die Saugseite zum Erreichen des geringeren Strömungswiderstandes bearbeitet ist.
Hierbei ist von Vorteil, dass lediglich die Saugseite bearbeitet werden muss, während die Druckseite in einem unbearbeitetem Zustand verbleiben kann. Hierdurch wird der Aufwand und die damit verbundenen Kosten reduziert.
Diese zwei verschiedenen Oberflächenqualitäten bzw. Strömungswiderstände bewirken eine verbesserte, weil erhöhte, Druckdifferenz zwischen Saugseite und Druckseite, da die Luftmasse sich auf der Saugseitenoberfläche mit geringerem Strömungswiderstand verhältnismäßig noch schneller als üblich bewegen kann. Diese verbesserte, weil erhöhte, Druckdifferenz ermöglicht eine Verstärkung des Auftriebs (C_A), wodurch eine Erhöhung bzw. Verbesserung der Gleitzahl ε ermöglicht ist, die den Wert von 400 auf ca. 600 bis 700 steigert.
Bis zu einem bestimmten Grad kann eine bessere Oberflächengüte durch Reduzierung der Oberflächenrauhigkeit erzielt werden. Extrem glatte Oberflächen führen jedoch nicht zu einer weiteren Reduzierung des Strömungswiderstandes, da dann im Grenzschichtbereich abgelöste Wirbel dazu neigen, nicht wieder in eine laminare Strömung überzugehen. Eine gewisse Oberflächenrauhigkeit hat sich dabei als vorteilhaft zum Erzielen eines möglichst geringen Strömungswiderstandes und damit einer bestmöglichen Oberflächengüte ergeben.
Es können auch andere Mittel für eine hohe Oberflächengüte gewählt werden. Wichtig für die Erfindung ist die Differenz der Oberflächengüte zwischen Saugseite und Druckseite.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist das fluiddynamische Profil als ein Rotorblatt, insbesondere für eine Windkraftanlage, ausgebildet.
Aufgrund einer Polierung und/oder Schleifung kann die Oberfläche der Saugseite einen geringeren Strömungswiderstand als die Oberfläche der Druckseite haben. Hierbei erhalten Saugseitenoberfläche und die Druckseitenoberfläche durch Polieren (Feinschleifen) jeweils eine unterschiedliche Oberflächengüte. Die Saugseite muss dabei eine verhältnismäßig bessere Oberflächengüte, nämlich einen geringeren Strömungswiderstand, aufweisen wie die Druckseite. Das günstigste bzw. beste Verhältnis kann im Windkanal ermittelt werden. Die unterschiedlichen Oberflächengüten bzw. Strömungswiderstände können durch das Polieren, insbesondere Feinschleifen, mit unterschiedlichen Nassschleifmaterialien (Nassschleifpapier oder Nassschleifscheiben) erreicht werden, insbesondere wird die Saugseite mit einer Körnung von # 400 - # 3.000 veredelt. Vorzugsweise ist eine Korngröße im Bereich von 50 µm bis 1 µm vorgesehen und/oder die Körnung liegt gemäß FEPA-Norm im Bereich von P400 bis P3000.
Vorzugsweise weisen die Saugseite und die Druckseite voneinander abweichend ausgebildete Erhebungen und/oder Vertiefungen auf, wobei die Erhebungen und/oder Vertiefungen auf der Saugseite einen geringeren Strömungswiderstand erzeugen als die Erhebungen und/oder Vertiefungen auf der Druckseite. Insbesondere sind die Erhebungen und/oder Vertiefungen auf der Saugseite zum Erreichen eines geringeren Strömungswiderstandes nachbearbeitet. Vorzugsweise ist die Druckseite hinsichtlich des Strömungswiderstandes unbearbeitet.
Die Erhebungen auf der Saugseite könne eine im Wesentlichen gleiche Höhe über einer Grundfläche der Saugseite haben. Hierdurch kann der Strömungswiderstand reduziert werden. Insbesondere hat die Druckseite Erhebungen mit deutlich unterschiedlichen Höhen über der Grundfläche der Druckseite, wodurch die Druckseite einen höheren Strömungswiderstand hat. Insbesondere sind die Erhebungen und/oder Vertiefungen auf der Saugseite gleichartig ausgebildet und/oder gleichmäßig über die Saugseite verteilt.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erhöhung bzw. Verbesserung der Gleitzahl ε auf Oberflächen von Körpern, die das Auftriebsprinzip als Auftriebskraft nutzen, wobei die Saugseitenoberfläche des Körpers (Profil) eine höhere Oberflächengüte bzw. einen geringeren Strömungswiderstand als die Druckseitenoberfläche des Körpers aufweist. Das Verfahren weist zur Erhöhung bzw. Verbesserung der Gleitzahl ε eine verbesserte bzw. erhöhte Druckdifferenz zwischen Saugseite und Druckseite auf.
Mit der Erfindung wird erreicht, das beispielsweise durch das Polieren (Feinschleifen) der Oberfläche, insbesondere in unterschiedlichen Rauigkeitsqualitäten, auf der Saugseite gegenüber der Druckseite, eine vorteilhafte Erhöhung der Gleitzahl ε erreicht wird, die das Verhältnis zwischen dem Auftriebsbeiwert C_A und dem Widerstandsbeiwert C_W ist und somit die Güte des Profils, als auch die Oberflächengüte bestimmt. Durch das Polieren wird die Widerstandsfläche des Profils qualitativ verbessert und somit die Widerstandskraft reduziert, was auch den aerodynamischen Verlust senkt. Vorzugsweise werden Erhebungen auf der Saugseite auf eine im Wesentlichen gleiche Höhe über einer Grundfläche der Saugseite gebracht. Der geringere Strömungswiderstand auf der Saugseite im Vergleich zur Druckseite hat den Vorteil, dass sich der Auftrieb noch schneller aufbauen kann und noch stärkere Wirkung entwickeln kann, was eine verbesserte Leistungsbilanz zur Folge hat, die den höheren Wirkungsgrad bestimmt. Körper (Profile), die das Auftriebsprinzip als Auftriebskraft nutzen, wie Flugzeug-, Hubschauber- oder Windkraftanlagen-Flügel, haben den Vorteil, schneller abheben bzw. anfahren zu können, da sie durch den reduzierten aerodynamischen Verlust einen höheren aerodynamischen Wirkungsgrad erreichen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist die erhöhte Druckdifferenz zwischen Saugseite und Druckseite. Das Polieren (Feinschleifen) hat auch den Vorteil, dass der Materialabrieb, durch die von den Luftmassen mitgeführten Umweltschmutzpartikeln reduziert wird, wodurch eine längere Lebensdauer der Oberflächengüte erreicht wird.

Claims

Fluiddynamisches Profil, insbesondere ein aerodynamisches Profil, mit einer Saugseite und einer Druckseite, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite einen im Vergleich zu der Druckseite geringeren Strömungswiderstand hat, wobei die Druckseite unbearbeitet ist und die Saugseite zum Erreichen des geringeren Strömungswiderstandes bearbeitet ist.
Fluiddynamisches Profil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund des gegenüber der Druckseite geringeren Strömungswiderstandes der Saugseite eine erhöhte Druckdifferenz zwischen der Saugseite und der Druckseite realisierbar ist.
Fluiddynamisches Profil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil als ein Rotorblatt, insbesondere für eine Windkraftanlage, ausgebildet ist.
Fluiddynamisches Profil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund einer Polierung und/oder Schleifung die Oberfläche der Saugseite einen geringeren Strömungswiderstand als die Oberfläche der Druckseite hat.
Fluiddynamisches Profil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite und die Druckseite voneinander abweichend ausgebildete Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweisen, wobei die Erhebungen und/oder Vertiefungen auf der Saugseite einen geringeren Strömungswiderstand erzeugen als die Erhebungen und/oder Vertiefungen auf der Druckseite.
Fluiddynamisches Profil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen auf der Saugseite eine im Wesentlichen gleiche Höhe über einer Grundfläche der Saugseite haben, insbesondere sind die Erhebungen und/oder Vertiefungen auf der Saugseite gleichartig ausgebildet und/oder gleichmäßig über die Saugseite verteilt.
Verfahren zum Verbessern der Gleitzahl bei einem fluiddynamischen Profil, insbesondere einem aerodynamischen Profil, bei dem der Strömungswiderstand einer Saugseite des Profils im Vergleich zum Strömungswiderstand einer Druckseite des Profils, insbesondere zum Erhöhen der Druckdifferenz zwischen der Saugseite und der Druckseite, verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand der Saugseite mittels Polieren und/oder Schleifen verbessert wird, wobei vorzugsweise Erhebungen auf der Saugseite auf eine im Wesentlichen gleiche Höhe über einer Grundfläche der Saugseite gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verringern des Strömungswiderstandes der Oberfläche der Saugseite und/oder zum Angleichen der Höhen von Erhebungen auf der Saugseite ein Nassschleifverfahren, insbesondere mit Nassschleifpapier und/oder Nassschleifscheiben, vorzugsweise mit einer Körnung im Bereich von # 400 bis # 3.000 und/oder einer Korngröße im Bereich von 100 µm bis 1 µm, eingesetzt wird.