DE102013104695B4

DE102013104695B4 - Aerodynamischer Profilkörper

Info

Publication number: DE102013104695B4
Application number: DE102013104695.9A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Keßler Christoph; Berend van der Wall; Rolf Radespiel; Johannes RIEMENSCHNEIDER; Michael Sinapius; Peter Scholz
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Technische Universitaet Braunschweig
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Technische Universitaet Braunschweig
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2020-02-27
Anticipated expiration: 2033-05-08
Also published as: DE102013104695A1

Abstract

Aerodynamischer Profilkörper (1), der eine äußere, aerodynamisch umströmbare Strömungsoberfläche (7) hat, wobei der aerodynamische Profilkörper (1)a) mindestens eine erste Ausblasöffnung (3a) und mindestens eine zweite Ausblasöffnung (3b) hat, die in der Strömungsoberfläche (7) des Profilkörpers (1) zum Ausblasen eines Ausblas-Luftstromes (V) vorgesehen sind, undb) einen in dem Profilkörper (1) vorgesehenen Ausblas-Luftstromkanal (2) hat, der zum Einen mit einer Druckluftquelle zum Bereitstellen des Ausblas-Luftstromes (V) verbindbar ist und der zum Anderen in die mindestens eine erste Ausblasöffnung (3a) und die mindestens eine zweite Ausblasöffnung (3b) mündet, wobeic) eine Ausblas-Steuervorrichtung zum Steuern der Ausblasung des Ausblas-Luftstromes (V) wahlweise entweder aus der mindestens einen ersten Ausblasöffnung (3a) oder der mindestens einen zweiten Ausblasöffnung (3b) vorgesehen ist,d) die Ausblas-Steuervorrichtung mindestens eine erste Steuer-Luftstromzuführung (4a) zum Zuführen eines ersten Steuer-Luftstromes (V) in den Ausblas-Luftstromkanal (2) und mindestens eine zweite Steuer-Luftstromzuführung (4b) zum Zuführen eines zweiten Steuer-Luftstromes (V) in den Ausblas-Luftstromkanal (2) hat, unde) wobei die Ausblas-Steuervorrichtung derart ausgebildet ist, dass durch Zuführen des ersten Steuer-Luftstromes (V) die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes (V) aus der mindestens einen ersten Ausblasöffnung (3a) und dass durch Zuführen des zweiten Steuer-Luftstromes (V) die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes (V) aus der mindestens einen zweiten Ausblasöffnung (3b) bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ausblas-Luftstromkanal (2) ein Strömungsteiler (6) vorgesehen ist, der mit der mindestens einen ersten Ausblasöffnung (3a) und der mindestens einen zweiten Ausblasöffnung (3b) derart zusammenwirkt, dass durch Zuführen des ersten Steuer-Luftstromes (V) die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes (V) aus der mindestens einen ersten Ausblasöffnung (3a) und durch Zuführen des zweiten Steuer-Luftstromes (V) die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes (V) aus der mindestens einen zweiten Ausblasöffnung (3b) bewirkt wird, wobei der Strömungsteiler (6) eine erste Strömungsteiler-Oberfläche (6a) und eine zweite Strömungsteiler-Oberfläche (6b) hat, wobei sich die erste Strömungsteiler-Oberfläche (6a) über die erste Ausblasöffnung (3a) und die zweite Strömungsteiler-Oberfläche (6b) über die zweite Ausblasöffnung (3b) bis in die äußere Strömungsoberfläche (7) des Profilkörpers (1) derart erstrecken, dass der aus den Ausblasöffnungen (3a, 3b) ausgeblasene Ausblas-Luftstrom (V) an der äußeren Strömungsoberfläche (7) geführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen aerodynamischen Profilkörper, der eine aerodynamisch umströmbare Strömungsoberfläche hat. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Beeinflussung eines aerodynamischen Profilkörpers während der aerodynamischen Anströmung der Strömungsoberfläche.
Aerodynamische Profilkörper, wie beispielsweise ein Flügel, sind in der Regel so ausgebildet und geformt, dass durch die Anströmung der Strömungsoberfläche des aerodynamischen Profilkörpers eine Kraft erzeugt wird, die in vielen technischen Bereichen Anwendung findet. So werden derartige aerodynamische Profilkörper beispielsweise als Flügel bei Flugzeugen verwendet (beispielsweise als Tragflächen, Höhen- oder Seitenleitwerke), bei denen durch Anströmung des Flügels eine Auftriebskraft bewirkt wird, welche dem Flugzeug die Fähigkeit zum Fliegen verleiht. Die Eigenschaft eines solchen aerodynamischen Profilkörpers, durch Anströmung eine Auftriebskraft zu erzeugen, wird beispielsweise auch bei Hubschraubern oder Tragschraubern verwendet, bei denen der Rotor mit einer Mehrzahl von Rotorblättern aufgrund der Drehbewegung eine Anströmung der Rotorblätter erzeugt, die dann in einer entgegen der Erdanziehungskraft wirkenden Auftriebskraft resultieren.
Ähnlich wirkt dieses Prinzip auch bei Windkraftanlagen, bei denen die Rotorblätter der Rotoranlage (auch Flügel genannt) durch Wind angeströmt werden, wobei aufgrund der Profilform der Flügel der Windkraftanlage dann eine Kraft erzeugt wird, die den Rotor wie bei dem bereits genannten Tragschraubern in eine Drehbewegung versetzt.
Insbesondere Hubschrauber haben sich innerhalb der Luftfahrtechnik einen festen Marktanteil erobert. Ihr großer Vorteil gegenüber Flächenflugzeugen ist die Fähigkeit, zu schweben und in alle drei Raumrichtungen fliegen zu können. Nachteile von Hubschraubern, die insbesondere durch den Rotor als gemeinsames Auftriebs- und Schuborgan hervorgerufen werden, sind Vibrationen in der Kabine, eine hohe Lärmabstrahlung im Sinkflug und im schnellen Horizontalflug sowie ein hoher Leistungsbedarf. Während Lärm vor allem die Akzeptanz von Hubschraubern in der Bevölkerung senkt, mindern insbesondere die Vibrationen den Komfort und sind ein Treiber für häufige Inspektions- und Wartungsintervalle, wodurch die laufenden Kosten eines Hubschraubers steigen.
Ähnliches gilt auch für Windkraftanlagen, deren Rotoren in atmosphärischer Turbulenz arbeiten und dynamische Lasten auf das Generatorgetriebe und - gehäuse übertragen, die oft zu vorzeitigem Versagen insbesondere der Lager führen. Die notwendigen Wartungen und Reparaturen verringern die Wirtschaftlichkeit erheblich.
Insbesondere im Bereich der Hubschrauberrotoren wird zur Vermeidung der oben genannten Nachteile versucht, durch einen aktiven Eingriff die Flugbahn eines Rotorblattes während der Umdrehung so zu beeinflussen, dass die oben beschriebenen Nachteile verringert werden können. So sind beispielsweise sogenannte Hinterkantenklappen an den Hubschrauberblättern angeordnet worden, um so den Auftrieb eines Rotorblattes mehrmals pro Rotorumdrehung zu verändern. Auch durch eine individuelle Veränderung des Einstellwinkels zusätzlich zu den Steuersignalen des Piloten kann eine solche Beeinflussung der Rotorblätter erreicht werden. Diese unter den Begriffen der höher-harmonischen Blattsteuerung und der individuellen Blattsteuerung zusammengefassten Systeme haben jedoch den Nachteil, dass mechanische Kräfte oder elektrische Energie in das drehende System des Rotors eingebracht werden muss, was zu hohen konstruktiven Problemen führt.
Aus der US 2011 / 0 236 181 A1 ist beispielsweise eine Rotoranordnung bekannt, bei der die einzelnen Rotorblätter über Öffnungen zum Ausblasen von Luft eingerichtet sind. Mit Hilfe einer speziellen Vorrichtung innerhalb der Rotorblätter erfolgt die Ausblasung der Luft so, dass der ausgeblasene Luftstrom innerhalb eines vordefinierten Ausblaswinkels oszilliert. Dabei bestimmen die geometrischen Abmaße der Luftoszillationsvorrichtung in dem Rotorblatt, mit welcher Frequenz der Luftstrom innerhalb des vorgegebenen Winkels oszilliert. Darüber hinaus wird eine quasi-stationäre, einstellbare Verwindung des Rotorblattes mittels außen liegender Aktuatoren offenbart.
Aus der GB 1 251 063 A ist eine Steuerdüse bekannt, bei der der Düsenstrom in zwei separate Ströme geteilt und diese separaten Ströme dann durch Zuführen von Luftströmen beeinflusst werden kann, wodurch eine Auslenkung des Düsenstromes am Ende der Düse bewirkt werden kann.
Aus der DE 11 57 928 B ist des Weiteren eine Tragfläche bekannt, die zwei Ausblasöffnungen aufweist, wobei der Ausblasstrom mit Hilfe von im Ausblasstromkanal vorgesehenen Ventilen gesteuert wird.
Aus der US 7 290 738 B1 ist ebenfalls ein Tragflügel bekannt, der im Inneren zwei Druckkammern aufweist, die jeweils separat voneinander mit einem Fluiddruck beaufschlagbar sind, wodurch der Ausblasdruck aus den jeweiligen Ausblasöffnungen gesteuert werden kann.
Schließlich ist aus der WO 2012/ 077 118 A2 ein System bekannt, mit dem ein Luftstrom an einem sich drehenden Rotor an den Rotorblättern ins Innere eingeleitet werden kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen aerodynamischen Profilkörper anzugeben, mit dem die Ausblasung eines Luftstromes aktiv gesteuert werden kann, um einen Profilkörper hinsichtlich seines Auftriebes aktiv beeinflussen zu können.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, 9 und 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Demnach wird ein aerodynamischer Profilkörper vorgeschlagen, der eine aerodynamisch umströmbare Strömungsoberfläche hat, wobei in der Strömungsoberfläche mindestens eine erste Ausblasöffnung und mindestens eine zweite Ausblasöffnung vorgesehen ist, die zum Ausblasen eines Ausblas-Luftstromes vorgesehen sind. Der Ausblas-Luftstrom wird dabei über einen Ausblas-Luftstromkanal entweder zu der ersten Ausblasöffnung oder zu der zweiten Ausblasöffnung transportiert, wobei der in dem Profilkörper liegende Ausblas-Luftstromkanal mit einer Luftdruckquelle verbindbar ist, um den Ausblas-Luftstrom in dem Ausblas-Luftstromkanal bereitzustellen. So ist es beispielsweise denkbar, dass bei einem Hubschrauberrotor die Druckluftquelle in dem Rotorkopf vorgesehen ist, so dass hier der Ausblas-Luftstrom erzeugt und den jeweiligen Rotorblättern zur Verfügung gestellt wird.
Um nun die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes wahlweise aus der ersten oder der zweiten Ausblasöffnung zu steuern, ist ein erster und ein zweiter Steuer-Luftstrom vorgesehen, der in den Ausblas-Luftstromkanal eingeblasen wird und so den Ausblas-Luftstrom entweder in Richtung der ersten Ausblasöffnung oder in Richtung der zweiten Ausblasöffnung lenkt.
Hierfür sind eine erste Steuer-Luftstromzuführung und eine zweite Steuer-Luftstromzuführung vorgesehen, die in den Ausblas-Luftstromkanal münden und so den jeweiligen Steuer-Luftstrom dem Ausblas-Luftstromkanal zuführen. Trifft der erste oder der zweite Steuer-Luftstrom auf den Ausblas-Luftstrom, so wird dieser entsprechend abgelenkt, so dass mit Hilfe des ersten Steuer-Luftstromes die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes aus der ersten Ausblasöffnung und mittels des zweiten Steuer-Luftstroms die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes aus der zweiten Ausblasöffnung bewirkt werden kann.
Hierdurch wird es möglich, dass die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes wahlweise aus der ersten oder der zweiten Ausblasöffnung individuell gesteuert werden kann, wobei weitgehend auf mechanische Steuerungselemente verzichtet werden kann. Dies reduziert das Gewicht des Gesamtsystems, vereinfacht die Konstruktion und führt gleichzeitig zu einer höheren Flexibilität bei der Steuerung der Ausblasung.
Mittels einer gezielten Ausblasung aus der ersten oder der zweiten Ausblasöffnung kann beispielsweise aufgrund des dabei entstehenden aerodynamischen Momentes am Profil eine aktive Verwindung bzw. Torsion des Profilkörpers erreicht werden, was insbesondere im Bereich der Hubschrauberrotoren und Rotorblätter besonders vorteilhaft ist, um zusätzliche Steuersignale zu überlagern.
Aufgrund des Vorteils, dass ein solches aktives System wenig bewegliche mechanische Elemente aufweist, ist auch die Herstellung eines solchen Profilkörpers, insbesondere aus einem Faserverbundbaumaterial besonders einfach, da auf mechanisch wirkende Kräfte innerhalb des Profilkörpers keine Rücksicht genommen werden braucht.
Ein weiterer Vorteil insbesondere im Bereich der Hubschrauberrotoren besteht darin, dass durch eine aktiv gesteuerte Ausblasung konventionelle Primärsteuerung vereinfacht bzw. vollständig reduziert werden kann, so dass ein solches System auch zur Steuerung des Hubschraubers verwendet werden kann. Durch eine gezielte Steuerung der Ausblasung kann ein Nickmoment um die Längsachse des Rotorblattes erzeugt werden, welches zur Steuerung der Flugbahn des Rotorblattes und somit ggf. zur Steuerung des Hubschraubers verwendet werden kann. Dadurch realisiert die vorliegende Erfindung einen aerodynamischen Profilkörper mit einer aktiven Nickmomentsteuerung.
Unter dem Ausblasen eines Luftstromes wird im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass aus einer vorgesehenen Öffnung ein Luftstrom durch die Öffnung geführt wird. So kann der Luftstrom bspw. tangential über eine konvex gekrümmte äußere Fläche geführt werden, so dass basierend auf dem Coandä-Effekt eine Kraft normal zur Ausblasrichtung bewirkt wird.
Unter einer Druckluftquelle im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein System verstanden, das Druckluft für einen Luftstrom bereitstellt. Hierbei wird in der Regel komprimierte Luft in den Ausblas-Luftstromkanal abgegeben, wodurch aufgrund der Ausbreitung der Ausblas-Luftstrom bewirkt wird.
Vorteilhafterweise weisen die Steuer-Luftstromzuführungen jeweils zumindest ein Steuerventil (erstes und zweites Steuerventil) auf, um so die Zuführung des jeweiligen Steuer-Luftstromes zu steuern. Hierfür ist die Ausblas-Steuervorrichtung so ausgeführt, dass sie zur Ansteuerung des ersten Steuerventils und zum Ansteuern des zweiten Steuerventils eingerichtet ist, so dass durch die Ansteuerung des jeweiligen Steuerventils die Zuführung des Steuer-Luftstromes gesteuert werden kann.
So weist die erste Steuer-Luftstromzuführung ein erstes Steuerventil auf, welches die Zuführung des ersten Steuer-Luftstromes in den Ausblas-Luftstromkanal mit Hilfe der Ausblas-Steuervorrichtung steuert. Die zweite Steuer-Luftstromzuführung weist demnach das zweite Steuerventil auf, das zur Steuerung der Zuführung des zweiten Steuer-Luftstromes in den Ausblas-Luftstromkanal mittels der Ausblas-Steuervorrichtung vorgesehen ist.
Ein solches Steuerventil kann beispielsweise ein Piezo-Ventil sein.
Dabei besteht der große Vorteil darin, dass durch einen relativen kleinen Steuer-Luftstrom ein konstanter Ausblas-Luftstrom hinsichtlich seiner Ausblasöffnung gelenkt werden kann, wodurch insbesondere die Abmessungen der zu verwendenden Steuerventile nicht übermäßig groß dimensioniert sein müssen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind der Ausblas-Luftstromkanal, die erste und die zweite Steuer-Luftstromzuführung mit einer gemeinsamen Druckluftquelle verbindbar, beispielsweise mit einer Druckluftquelle in einem Rotorkopf eines Hubschrauberrotors. Hierdurch kann sowohl der konstante hohe Ausblas-Luftstrom als auch die Steuer-Luftströme von ein und derselben Druckluftquelle bereitgestellt werden. Dies vereinfacht den Aufbau des Gesamtsystems, wobei insbesondere nur ein Druckluftsystem im drehenden System vorhanden sein muss.
Denkbar ist allerdings auch, dass der Ausblas-Luftstromkanal mit einer ersten Druckquelle und die erste und zweite Steuer-Luftstromzuführung mit einer von der ersten Druckluftquelle verschiedenen zweiten Druckluftquelle verbindbar ist, so dass der Ausblas-Luftstrom von der ersten Druckluftquelle und die Steuer-Luftströme von der zweiten Druckluftquelle bereitgestellt werden. Zwar erhöht sich hierdurch die Anzahl der Druckluftsysteme insgesamt, jedoch wird eine wesentlich feinere Bereitstellung möglich. Außerdem kann ein solches System dem Redundanzgedanken Rechnung tragen. Hierdurch lässt sich der geringere Volumenstrom für die Steuer-Luftströme durch eine einfachere Druckluftquelle bereitstellen.
Vorteilhafterweise sind die erste Ausblasöffnung und/oder die zweite Ausblasöffnung als Düse ausgebildet, so dass mit geringen Verlusten (und damit geringerem Druck der Druckluftquelle) eine hohe Austrittsgeschwindigkeit erzielt werden kann, was eine große Kraft und so bspw. ein großes Nickmoment erzeugt.
Erfindungsgemäß ist in dem Ausblas-Luftstromkanal ein Strömungsteiler vorgesehen, der mit der mindestens einen ersten Ausblasöffnung und der mindestens einen zweiten Ausblasöffnung zusammenwirkt und somit den Ausblas-Luftstromkanal in Richtung der ersten Ausblasöffnung und in Richtung der zweiten Ausblasöffnung teilt. Durch das Zuführen des ersten oder des zweiten Steuer-Luftstromes wird somit der Ausblas-Luftstrom an dem Strömungsteiler entweder in Richtung der ersten Ausblasöffnung oder in Richtung der zweiten Ausblasöffnung gelenkt, so dass eine entsprechende Ausblasung aus den jeweiligen Ausblasöffnung bewirkt wird.
Hierbei ist es erfindungsgemäß, dass der Strömungsteiler eine erste Strömungsteiler-Oberfläche und eine zweite Strömungsteiler-Oberfläche hat. Die erste Strömungsteiler-Oberfläche erstreckt sich dabei von dem Ausblas-Luftstromkanal über die erste Ausblasöffnung bis in die äußere Strömungsoberfläche des Profilkörpers, während die zweite Strömungsteiler-Oberfläche sich von dem Ausblas-Luftstromkanal über die zweite Ausblasöffnung bis zu der Strömungsoberfläche des Profilkörpers erstreckt. Mit Erstrecken ist hierbei gemeint, dass die erste und die zweite Strömungsteiler-Oberfläche auch Teil der äußeren Strömungsoberfläche des Profilkörpers sein kann.
Hierdurch kann beispielsweise erreicht werden, dass der Ausblas-Luftstrom an dem Strömungsteiler und der entsprechenden Strömungsteiler-Oberfläche aus der jeweiligen Ausblasöffnung ausgeblasen wird und dabei weiterhin aufgrund des Coandä-Effektes an der äußeren Strömungsoberfläche geführt wird. Aufgrund der jeweiligen Strömungsteiler-Oberfläche, die konvex gekrümmt ist, tritt der Ausblas-Luftstrom im Wesentlichen tangential zur Strömungsoberfläche aus, so dass ein oberflächengebundener Luftstrom an der Strömungsoberfläche entsteht, der aufgrund des Coandä-Effektes an der Strömungsoberfläche haftet. Aufgrund dieser zusätzlichen, an der Strömungsoberfläche haftenden Luftströmung kann lokal der Druckbeiwert auf der Strömungsoberfläche verändert werden, so dass sich ein entsprechendes Nickmoment an dem Profilkörper erzeugen lässt.
Es ist daher ganz besonders vorteilhaft, wenn sich die erste Strömungsteiler-Oberfläche konvex bis in einen ersten Strömungsoberflächenbereich der äußeren Strömungsoberfläche erstreckt und sich die zweite Strömungsteiler-Oberfläche konvex bis in einen zweiten Strömungsoberflächenbereich der äußeren Strömungsoberfläche erstreckt, so dass der Ausblas-Luftstrom an der ersten Strömungsteiler-Oberfläche und dem ersten Strömungsoberflächenbereich geführt wird bzw. an der zweiten Strömungsteiler-Oberfläche und dem zweiten Strömungsoberflächenbereich geführt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die jeweilige Strömungsteiler-Oberfläche und der damit zusammenwirkende Strömungsoberflächenbereich zusammen eine konvex gekrümmte Fläche bilden, auf der ein Luftstrom basierend auf dem Coandä-Effekt geführt wird (daran haftend geführt wird).
In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der aerodynamische Profilkörper eine erste Strömungsoberflächenseite und eine zweite Strömungsoberflächenseite auf, wobei sich die Strömungsoberflächenseiten gegenüberliegen. Solche ersten und zweiten Strömungsoberflächenseiten können bei Tragflügeln (beispielsweise Starrflügel, Rotorblätter) welche eine entsprechende Auftriebskraft erzeugen sollen, die obere und die untere Strömungsoberflächenseite sein. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die erste Ausblasöffnung an der ersten Strömungsoberflächenseite und die zweite Ausblasöffnung an der zweiten Strömungsoberflächenseite vorgesehen ist, beispielsweise so, dass die erste Ausblasöffnung an der oberen Strömungsoberflächenseite und die zweite Ausblasöffnung an der unteren Strömungsoberflächenseite angeordnet ist. Bei Rotoren von Windkraftanlagen kann die erste Strömungsoberflächenseite beispielsweise die Strömungsoberfläche sein, welche der Windrichtung zugewandt ist, während die zweite Strömungsoberflächenseite auf der windabgewandten Seite liegt.
Durch das Anordnen der Ausblasöffnungen an gegenüberliegenden Oberflächenseiten kann eine gezielte, insbesondere wechselseitige, Steuerung des Nickmomentes erreicht werden. Dies ist beispielsweise dann besonders vorteilhaft, wenn mit einem Profilkörper der vorliegenden Erfindung ein Hubschrauberrotor derart beeinflusst werden soll, dass höher-harmonische Steuersignale überlagert werden. Durch das Ausblasen eines Luftstromes sowohl an der oberen als auch an der unteren Seite wird eine Nickmomentsteuerung erreicht, die im Mittel keine Veränderung der Primärsteuersignale darstellt.
Es ist somit ganz besonders vorteilhaft, wenn die erste und die zweite Ausblasöffnung so in der Strömungsoberfläche vorgesehen ist, dass durch die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes aus der ersten oder der zweiten Ausblasöffnung ein Nickmoment um die Längsachse des aerodynamischen Profilkörpers erzeugt wird, um so zusätzliche Steuersignale durch eine Torsionsbewegung des Profilkörpers erzielen zu können. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Ausblasöffnungen im hinteren Bereich, ausgehend von der Vorderkante, des aerodynamischen Profilkörpers angeordnet sind, beispielsweise in der zweiten Hälfte des Profilkörpers, ausgehend von der Vorderkante.
Hierbei ist es nun ganz besonders vorteilhaft, wenn der aerodynamische Profilkörper ein Rotorblatt eines Rotors ist und die Ausblas-Steuervorrichtung so eingerichtet ist, dass die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes periodisch abwechselnd aus der ersten Ausblasöffnung und der zweiten Ausblasöffnung so erfolgt, dass eine mehrfache Veränderung des Einstellwinkels des Rotorblattes pro Rotorblattumdrehung durch das Erzeugen eines Nickmomentes aufgrund der Ausblasung bewirkt wird. Aufgrund des Nickmomentes um seine Längsachse des Profilkörpers wird eine aktive Verbindung des Rotorblattes ohne jegliche mechanischen Komponenten bewirkt, wodurch sich aufgrund der Verwindung bzw. Torsion des Rotorblattes um die Längsachse der Einstellwinkel des Rotorblattes ändert. Aufgrund der hierdurch entstehenden Auftriebsveränderung kann die Bahn des Rotorblattes beeinflusst werden, beispielsweise zum Einsteuern höher-harmonischer Bewegungen am Rotorblatt.
Unter eine Strömungsteiler im Sinne der vorliegenden Erfindung wird im Übrigen ein konstruktives Element verstanden, das den Strömungskanal in eine erste Richtung und in eine zweite Richtung aufteilt, so dass der Ausblas-Luftstrom entweder in die erste Richtung oder in die zweite Richtung gelenkt wird.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung bezieht sich die Längsachse des Profilkörpers auf die Achse längs in Erstreckungsrichtung des Profilkörpers. Der Profilkörper weist im Querschnitt ein entsprechendes Strömungsprofil auf, welches die entsprechenden aerodynamischen Eigenschaften verleiht. Die Längsachse steht dabei im Wesentlichen orthogonal zu der Ebene des Strömungsprofils.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:

1a, 1b - Schematische Darstellung der aktiven Steuerung einer Ausblasung.

1a zeigt schematisch den Querschnitt durch einen aerodynamischen Profilkörper 1, beispielsweise ein Rotorblatt an der Hinterkante. Der aerodynamische Profilkörper 1 weist im Inneren einen Ausblas-Luftstromkanal 2 auf, der zum einen mit einer Druckluftquelle (nicht dargestellt) verbindbar ist und zum anderen in einer ersten Ausblasöffnung 3a und einer zweiten Ausblasöffnung 3b mündet. Über die gesamte Fläche hinweg (bzw. längliche Erstreckung) ist es selbstverständlich denkbar und im Einzelfall auch erforderlich, mehrere Ausblasöffnungen 3a und 3b vorzusehen, um über die gesamte Fläche von der Blattspitze bis zur Blattwurzel eine entsprechende Kraft zur Erzeugung eines Nickmomentes aufbringen zu können.
Vor den Ausblasöffnungen 3a und 3b mündet eine erste Steuer-Luftstromzuführung 4a und ein zweite Steuer-Luftstromzuführung 4b in den Ausblas-Luftstromkanal 2. Die Steuer-Luftstromzuführungen 4a und 4b weisen jeweils ein Steuerventil 5a, 5b auf, welche die Zuführung des ersten Steuer-Luftstromes V_Steuer, _a und des zweiten Steuer-Luftstromes V_Steuer, _b steuern.
In dem Ausblas-Luftstromkanal 2 ist des Weiteren ein Strömungsteiler 6 vorgesehen, der eine erste Strömungsteiler-Oberfläche 6a (Coandä-Oberfläche) und eine zweite Strömungsteiler-Oberfläche 6b (Coandä-Oberfläche) aufweist. Die erste Coandä-Oberfläche 6a erstreckt sich dabei bis in einen ersten Strömungsoberflächenbereich 7a der äußeren Strömungsoberfläche 7 hinein, während die zweite Coandä-Oberfläche 6b sich bis in einen zweiten Strömungsoberflächenbereich 7b, der dem ersten Strömungsoberflächenbereich 7a gegenüber liegt, erstreckt. Die erste Coandă-Oberfläche 6a bildet zusammen mit dem ersten Strömungsoberflächenbereich eine erste konvex gekrümmte Oberfläche, während die zweite Coandă-Oberfläche 6b zusammen mit dem zweiten Strömungsoberflächenbereich eine zweite konvex gekrümmte Oberfläche bildet.
Im Ausführungsbeispiel der 1a wird gezeigt, wie der Ausblas-Luftstrom V_Ausblas in dem Ausblas-Luftstromkanal aus der ersten Ausblasöffnung 3a, die an der Oberseite 7a des Profilkörpers 1 vorgesehen ist, ausgeblasen werden soll. Hierzu strömt der Ausblas-Luftstrom V_Ausblas in Richtung des Strömungsteilers 6. Durch eine entsprechende Ansteuerung des ersten Steuerventils 5a wird dem Ausblas-Luftstromkanal 2 der erste Steuer-Luftstrom V_Steuer, _a zugeführt, was zu einer Ablenkung des Ausblas-Luftstromes V_Ausblas an eine innere erste Coandä-Oberfläche 9a des Ausblas-Luftstromkanals 2 führt. Hierdurch wird der Ausblas-Luftstrom V_Ausblas kontinuierlich an der ersten inneren Coandă-Oberfläche 9a geführt und somit in Richtung der ersten Ausblasöffnung 3a.
An dem Strömungsteiler 6 ist eine erste Strömungsteiler-Oberfläche 6a vorgesehen, die sich über die erste Ausblasöffnung 3a bis in die äußere Strömungsoberfläche in einem Bereich 7a erstreckt, und zwar in Form einer konvex gekrümmten Oberfläche. An dieser äußeren ersten Coandă-Oberfläche 6a, 7a strömt der in Richtung der ersten Ausblasöffnung 3a geführte Ausblas-Luftstrom entlang und wird somit im Wesentlichen tangential zur Strömungsoberfläche 7 ausgeblasen. Aufgrund des Coandä-Effektes wird der Ausblas-Luftstrom im Bereich 7a an der Strömungsoberfläche haftend geführt, was in diesem Bereich zu einer Verringerung des lokalen Druckbeiwertes führt.
Aufgrund der Tatsache, dass die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes an der Hinterkante eines aerodynamischen Profilkörpers erfolgt, führt die lokale Veränderung des Druckbeiwertes in diesem Bereich zu einem Moment, das aufgrund des großen Hebelarmes zu einer Bewegung in Richtung des Pfeiles N₁ führt.
Die 1b zeigt hingegen den Fall, dass der Ausblas-Luftstrom V_Ausblas aus der zweiten Ausblasöffnung 3b ausgeblasen werden soll. Die zweite Ausblasöffnung 3b liegt der ersten Ausblasöffnung 3a gegenüber und ist in der zweiten Strömungsoberflächenseite 8b angeordnet. Handelt es sich bei den Profilkörpern 1 um eine Tragfläche, mit der eine Auftriebskraft erzeugt werden soll, so ist die erste Strömungsoberflächenseite 8a die obere Seite und die zweite Strömungsoberflächenseite 8b die untere Strömungsoberfläche.
In 1b wird nun das zweite Steuerventil 5b der Steuer-Luftstromzuführung 4b so angesteuert, dass der zweite Steuer-Luftstrom V Steuer, b dem Ausblas-Luftstromkanal 2 zugeführt wird, wo er dann auf den Ausblas-Luftstrom V_Ausblas trifft und an die zweite innere Coandă-Fläche 9b des Ausblas-Luftstromkanals 2 ablenkt. Die zweite innere Coandă-Oberfläche 9b führt den Ausblas-Luftstrom nunmehr in Richtung der zweiten Ausblasöffnung 3b. Auch hier wird der Ausblas-Luftstrom an der zweiten Strömungsteiler-Oberfläche 6b aufgrund des Coandä-Effektes bis nach außen an der Strömungsoberfläche geführt, so dass auch hier der lokale Druckbeiwert verringert wird und so ein Nickmoment erzeugt wird, dass zu einer Nickbewegung in Richtung N₂ führt.
Durch das aktiv steuerbare, wechselseitige Ausblasen des Luftstromes aus der oberen oder der unteren Öffnung, insbesondere an den Hinterkanten eines Profilkörpers, kann ein Nickmoment um die Längsachse des Profilkörpers 1 erzeugt werden, wodurch eine Torsion des Profilkörpers erreicht werden kann. Im Ausführungsbeispiel der 1a bedeutet dies, dass durch die Ausblasung aus der ersten Ausblasöffnung 3a eine Nickbewegung in Richtung N₁ erzeugt werden kann. Im Ausführungsbeispiel der 1b wird hingegen durch die Ausblasung aus der zweiten Ausblasöffnung 3b eine Nickbewegung in Richtung N₂ erzeugt.
Durch das periodisch wechselnde und aktiv gesteuerte Erzeugen einer Nickbewegung kann die Auftriebskraft beeinflusst werden, wobei jedoch die Mittelwerte der Auftriebskräfte, insbesondere bei rotierenden Tragflächen nicht verändert werden. Lediglich dynamische Anteile der Auftriebskräfte werden beeinflusst. So können beispielsweise bei einem Hubschrauberrotor mit Hilfe der vorliegenden Erfindung höher-harmonische Ansteuerungen von bis zu fünf Anstellwinkeländerungen pro Rotorumlauf erzeugt werden (prinzipiell sind aber auch noch mehr Anstellwinkeländerungen pro Rotorumlauf denkbar). Damit kann die vorliegende Erfindung auch für den Bereich der individuellen Ansteuerung Anwendung finden. Dabei sind insbesondere periodisch wechselseitige Ausblasungen beliebiger Zeitformen, also sinus-förmig, rechteckförmig etc. zur Erzeugung periodischer Änderungen des aerodynamischen Momentes denkbar, ohne die Mittelwerte zu verändern. Auch Ausblasungen, die von Blatt zu Blatt verschieden sind, sind realisierbar.
Denkbar ist auch, dass eine spannweitige Variation der Geometrie der Ausblasöffnung (Position, Größe, Höhe) und der Coandä-Oberflächen, um so die Verteilung des Nickmomentes über die Spannweite zu optimieren und darüber hinaus durch gezielte Wirbelerzeugung in den turbulenten Scherschichten des Coandä-Wandstrahls die Effizienz der Ausblasung zu erhöhen.
Bei einem Drehflügler ändert sich der Staudruck über den Radius des Rotorblattes. Entsprechend dieser Änderung kann auch der Druck der auszublasenden Luft angepasst werden. Dies kann beispielsweise in der gewählten Anordnung durch die Nutzung der Druckerhöhung in Folge der Zentrifugalbeschleunigung der Luftsäule im Rotor bei einer Führung des Ausblasmassenstroms ausgehend vom Rotorkopf bis zum Ausblasbereich weiter außen am Rotorblatt passieren, so dass es nicht notwendig wird, zu unterschiedlichen radialen Positionen des Profils individuelle Leitungen zu führen, die den Druck individuell bereitstellen oder mechanische Drosselungen vorzusehen.
Bezugszeichenliste

1: Profilkörper
2: Ausblas-Luftstromkanal
3a: erste Ausblasöffnung
3b: zweite Ausblasöffnung
4a: erste Steuer-Luftstromzuführung
4b: zweite Steuer-Luftstromzuführung
5a: erstes Steuerventil
5b: zweites Steuerventil
6: Strömungsteiler
6a: erste Strömungsteiler-Oberfläche, erste Coandă-Oberfläche
6b: zweite Strömungsteiler-Oberfläche, zweite Coandă-Oberfläche
7: äußere Strömungsoberfläche
7a: erster Strömungsoberflächenbereich
7b: zweiter Strömungsoberflächenbereich
8a: erste Strömungsoberflächenseite
8b: zweite Strömungsoberflächenseite
9a: erste Strömungsführung, erste innere Coandă-Oberfläche
9b: zweite Strömungsführung, zweite innere Coandă-Oberfläche
N₁: erste Drehrichtung um die Längsachse, Pfeil
N₂: zweite Drehrichtung um die Längsachse, Pfeil
V_ausblas: Ausblas-Luftstrom
V_Steuer, _a: erster Steuer-Luftstrom
V_Steuer, _b: zweiter Steuer-Luftstrom

Claims

Aerodynamischer Profilkörper (1), der eine äußere, aerodynamisch umströmbare Strömungsoberfläche (7) hat, wobei der aerodynamische Profilkörper (1) a) mindestens eine erste Ausblasöffnung (3a) und mindestens eine zweite Ausblasöffnung (3b) hat, die in der Strömungsoberfläche (7) des Profilkörpers (1) zum Ausblasen eines Ausblas-Luftstromes (V_ausblas) vorgesehen sind, und b) einen in dem Profilkörper (1) vorgesehenen Ausblas-Luftstromkanal (2) hat, der zum Einen mit einer Druckluftquelle zum Bereitstellen des Ausblas-Luftstromes (V_ausblas) verbindbar ist und der zum Anderen in die mindestens eine erste Ausblasöffnung (3a) und die mindestens eine zweite Ausblasöffnung (3b) mündet, wobei c) eine Ausblas-Steuervorrichtung zum Steuern der Ausblasung des Ausblas-Luftstromes (V_ausblas) wahlweise entweder aus der mindestens einen ersten Ausblasöffnung (3a) oder der mindestens einen zweiten Ausblasöffnung (3b) vorgesehen ist, d) die Ausblas-Steuervorrichtung mindestens eine erste Steuer-Luftstromzuführung (4a) zum Zuführen eines ersten Steuer-Luftstromes (V_steuer,a) in den Ausblas-Luftstromkanal (2) und mindestens eine zweite Steuer-Luftstromzuführung (4b) zum Zuführen eines zweiten Steuer-Luftstromes (V_steuer,b) in den Ausblas-Luftstromkanal (2) hat, und e) wobei die Ausblas-Steuervorrichtung derart ausgebildet ist, dass durch Zuführen des ersten Steuer-Luftstromes (V_steuer,a) die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes (V_ausblas) aus der mindestens einen ersten Ausblasöffnung (3a) und dass durch Zuführen des zweiten Steuer-Luftstromes (V_steuer,b) die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes (V_ausblas) aus der mindestens einen zweiten Ausblasöffnung (3b) bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ausblas-Luftstromkanal (2) ein Strömungsteiler (6) vorgesehen ist, der mit der mindestens einen ersten Ausblasöffnung (3a) und der mindestens einen zweiten Ausblasöffnung (3b) derart zusammenwirkt, dass durch Zuführen des ersten Steuer-Luftstromes (V_steuer,a) die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes (V_ausblas) aus der mindestens einen ersten Ausblasöffnung (3a) und durch Zuführen des zweiten Steuer-Luftstromes (V_steuer,b) die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes (V_ausblas) aus der mindestens einen zweiten Ausblasöffnung (3b) bewirkt wird, wobei der Strömungsteiler (6) eine erste Strömungsteiler-Oberfläche (6a) und eine zweite Strömungsteiler-Oberfläche (6b) hat, wobei sich die erste Strömungsteiler-Oberfläche (6a) über die erste Ausblasöffnung (3a) und die zweite Strömungsteiler-Oberfläche (6b) über die zweite Ausblasöffnung (3b) bis in die äußere Strömungsoberfläche (7) des Profilkörpers (1) derart erstrecken, dass der aus den Ausblasöffnungen (3a, 3b) ausgeblasene Ausblas-Luftstrom (V_ausblas) an der äußeren Strömungsoberfläche (7) geführt wird.
Aerodynamischer Profilkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die erste Steuer-Luftstromzuführung (4a) mit einer Druckluftquelle zum Bereitstellen des ersten Steuer-Luftstromes (V_steuer,a) verbindbar ist und ein erstes Steuerventil (5a) hat, wobei die Ausblas-Steuervorrichtung zur Ansteuerung des ersten Steuerventils (5a) zum Steuern der Zuführung des ersten Steuer-Luftstromes (V_steuer,a) in den Ausblas-Luftstromkanal (2) eingerichtet ist, und/oder - die zweite Steuer-Luftstromzuführung (4b) mit einer Druckluftquelle zum Bereitstellen des zweiten Steuer-Luftstromes (V_steuer,b) verbindbar ist und ein zweites Steuerventil (5b) hat, wobei die Ausblas-Steuervorrichtung zur Ansteuerung des zweiten Steuerventils (5b) zum Steuern der Zuführung des zweiten Steuer-Luftstromes (V_steuer,b) in den Ausblas-Luftstromkanal (2) eingerichtet ist.
Aerodynamischer Profilkörper (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - der Ausblas-Luftstromkanal (2), die erste Steuer-Luftstromzuführung (4a) und die zweite Steuer-Luftstromzuführung (4b) mit einer gemeinsamen Druckluftquelle verbindbar sind oder - der Ausblas-Luftstromkanal (2) mit einer ersten Druckluftquelle und die erste Steuer-Luftstromzuführung (4a) und die zweite Steuer-Luftstromzuführung (4b) mit einer von der ersten Druckluftquelle verschiedenen zweiten Druckluftquelle verbindbar sind.
Aerodynamischer Profilkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Strömungsteiler-Oberfläche (6a) bis in einen ersten Strömungsoberflächenbereich (7a) der äußeren Strömungsoberfläche (7) und sich die zweite Strömungsteiler-Oberfläche (6b) bis in einen zweiten Strömungsoberflächenbereich (7b) der äußeren Strömungsoberfläche (7) derart erstreckt, dass der aus der ersten Ausblasöffnung (3a) ausgeblasene Ausblas-Luftstrom (V_ausblas) an dem ersten Strömungsoberflächenbereich (7a) und der aus der zweiten Ausblasöffnung (3b) ausgeblasene Ausblas-Luftstrom (V_ausblas) an dem zweiten Strömungsoberflächenbereich (7b) der äußeren Strömungsoberfläche (7) geführt wird.
Aerodynamischer Profilkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilkörper (1) eine erste Strömungsoberflächenseite (8a) und eine der ersten Strömungsoberflächenseite (8a) gegenüberliegende zweite Strömungsoberflächenseite (8b) hat, wobei die mindestens eine erste Ausblasöffnung (3a) in der ersten Strömungsoberflächenseite (8a) der Strömungsoberfläche (7) und die mindestens eine zweite Ausblasöffnung (3b) in der zweiten Strömungsoberflächenseite (8b) vorgesehen ist.
Aerodynamischer Profilkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausblasöffnung (3a) und/oder die zweite Ausblasöffnung (3b) als Düse ausgebildet ist.
Aerodynamischer Profilkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausblasöffnung (3a) und die zweite Ausblasöffnung (3b) in der Strömungsoberfläche (7) des Profilkörpers (1) derart vorgesehen ist, dass durch die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes (V_ausblas) aus der mindestens einen ersten (3a) oder der mindestens einen zweiten Ausblasöffnung (3b) ein Nickmoment (N₁, N₂) um die Längsachse des aerodynamischen Profilkörpers (1) erzeugt wird.
Aerodynamischer Profilkörper (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der aerodynamische Profilkörper (1) ein Rotorblatt eines Rotors ist und die Ausblas-Steuervorrichtung eingerichtet ist, die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes (V_ausblas) periodisch abwechselnd aus der mindestens einen ersten Ausblasöffnung (3a) und der mindestens einen zweiten Ausblasöffnung (3b) zur Erzeugung eines Nickmomentes (N₁, N₂) um die Längsachse des Rotorblattes derart zu steuern, dass eine mehrfache Veränderung des Anstellwinkels des Rotorblattes pro Rotorblattumdrehung bewirkt wird.
Rotor mit einem Rotorkopf und einer Mehrzahl von Rotorblättern, wobei mindestens ein Rotorblatt ein aerodynamischem Profilkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
Verfahren zur Beeinflussung eines aerodynamischen Profilkörpers, der eine äußere, aerodynamisch umströmbare Strömungsoberfläche (7) hat, in der mindestens eine erste Ausblasöffnung (3a) und mindestens eine zweite Ausblasöffnung (3b) vorgesehen sind, und der einen Ausblas-Luftstromkanal (2) hat, der in die mindestens eine erste Ausblasöffnung (3a) und die mindestens eine zweite Ausblasöffnung (3b) mündet, mit a) Bereitstellen eines Ausblas-Luftstromes (V_ausblas) mittels einer Druckluftquelle in dem Ausblas-Luftstromkanal (2) zum Ausblasen aus der mindestens ersten Ausblasöffnung (3a) und/oder der mindestens zweiten Ausblasöffnung (3b), und b) Zuführen eines ersten Steuer-Luftstromes (V_Steuer, _a) in den Ausblas-Luftstromkanal (2) mittels einer ersten Steuer-Luftstromzuführung (4a) derart, dass durch das Zuführen des ersten Steuer-Luftstromes (V_Steuer, _a) die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes (V_ausblas) aus der mindestens einen ersten Ausblasöffnung (3a) bewirkt wird, oder c) Zuführen eines zweiten Steuer-Luftstromes (V_Steuer, _b) in den Ausblas-Luftstromkanal (2) mittels einer zweiten Steuer-Luftstromzuführung (4b) derart, dass durch das Zuführen des zweiten Steuer-Luftstromes (V_{Steu-er, b}) die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes (V_ausblas) zum Ausblasen aus der mindestens einen zweiten Ausblasöffnung (3b) bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Steuer-Luftstromzuführung (4a) mittels einer Druckluftquelle der erste Steuer-Luftstrom (V_Steuer, _a) und in der zweiten Steuer-Luftstromzuführung (4b) mittels einer Druckluftquelle der zweite Steuer-Luftstrom (V_Steuer, _b) bereitgestellt wird und dass ein in der ersten Steuer-Luftstromzuführung (4a) vorgesehenes erstes Steuerventil (5a) und ein in der zweiten Steuer-Luftstromzuführung (4b) vorgesehenes zweites Steuerventil (5b) mittels einer Ausblas-Steuervorrichtung derart angesteuert wird, dass wahlweise entweder die Ausblasung des Ausblas-Luftstromes (V_ausblas) aus der mindestens einen ersten Ausblasöffnung (3a) oder der mindestens einen zweiten Ausblasöffnung (3b) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Erzeugen eines Nickmomentes (N₁, N₂) um die Längsachse des aerodynamischen Profilkörpers (1) durch Ausblasen des Ausblas-Luftstromes (V_ausblas) aus der mindestens einen ersten Ausblasöffnung (3a) oder aus der mindestens einen zweiten Ausblasöffnung (3b).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der aerodynamische Profilkörper (1) ein Rotorblatt eines Rotors ist und die Ausblasung periodisch abwechselnd aus der mindestens einen ersten Ausblasöffnung (3a) und der mindestens einen zweiten Ausblasöffnung (3b) zum Erzeugen eines Nickmomentes (N₁, N₂) mittels einer Steuereinheit derart gesteuert wird, dass eine mehrfache Veränderung des Anstellwinkels des Rotorblattes pro Rotorblattumdrehung bewirkt wird.