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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Windkanalwaage sowie einem System mit einem an einer Windkanalwaage montierten Flügelmodell, insbesondere für die Verwendung in einem kryogenen Windkanal zur Vermessung von kritischen aeroelastischen Modellen bei hohen Reynolds-Zahlen im Überschallbereich.
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Dynamische Windkanalexperimente mit elastischen Flügelmodellen werden hauptsächlich bei Reynolds-Zahlen durchgeführt, die etwa eine Größenordnung unter den tatsächlich bei Reisefluggeschwindigkeiten von großen Flugzeugen auftretenden Reynolds-Zahlen liegen. Die Aussagekraft derartiger Experimente ist daher begrenzt.
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Experimente bei hohen Reynolds-Zahlen sind bisher schwierig durchzuführen, da es insbesondere an präzisen, stabilen und hochfrequent arbeitenden Flügelaufhängungen, sogenannten Windkanalwaagen, mangelt. Mit einer 6-Komponenten-Windkanalwaage können drei Kräfte entlang orthogonal zueinander stehenden Achsen und drei Momente um diese Achsen gemessen werden. Die Windkanalwaage hält das Flügelmodell in Ruhe, wobei den von außen auf das Flügelmodell wirkenden Kräften entsprechende Gegenkräfte entgegengesetzt werden, die dann gemessen werden können.
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Die Druckschrift
EP 0 340 316 A1 offenbart beispielsweise eine 6-Komponenten-Windkanalwaage, welche eine Belastungseinrichtung aufweist, über die Belastungskräfte in drei zueinander senkrecht stehenden Achsen und Momente um diese Achsen auf ein Prüfmodel aufgebracht werden können. Die Druckschrift
US 5,663,497 A offenbart eine 6-Komponenten-Windkanalwaage zur Vermessung von Kräften und Momenten auf ein Flugzeugmodell in einem Windkanal.
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Es besteht jedoch ein Bedarf nach Windkanalwaagen, mit denen kritische aeroelastische Modelle abgebildet werden können, die Aktuatoren und Sensoren in einem Gehäuse vereinen, die für kryogene Experimentierumgebungen ausgelegt sind und mit denen Flügelmodelle im Bereich hoher Reynolds-Zahlen getestet werden können.
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Daher wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine Windkanalwaage bereitgestellt, mit einem Kanalwandadapter, welcher dazu ausgelegt ist, die Windkanalwaage an einer Wand eines Windkanals zu befestigen, einem Aktuatorengehäuse, welcher mit dem Kanalwandadapter verbunden ist, einer Vielzahl von Kraftsensoren, welche zwischen dem Aktuatorengehäuse und dem Kanalwandadapter angeordnet sind, und welche dazu ausgelegt sind, auf das Aktuatorengehäuse wirkende Kräfte zu detektieren, eine Schwenkkupplung, über welche ein Tragflächenmodell eines Flugzeugs an das Aktuatorengehäuse schwenkbar koppelbar ist, und einer Vielzahl von piezoelektrischen Aktuatoren, welche in dem Aktuatorengehäuse angeordnet sind, und welche dazu ausgelegt sind, ein an der Schwenkkupplung montiertes Tragflächenmodell in drei Raumrichtungen steuerbar auszulenken.
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Weiterhin wird gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ein System mit einer erfindungsgemäßen Windkanalwaage gemäß dem ersten Aspekt und einem an der Windkanalwaage dreh- und kippbar montiertes Tragflächenmodell eines Flugzeugs bereitgestellt.
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Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkanalwaage können die Kraftsensoren piezoelektrische Kraftsensoren aufweisen, welche unter Vorspannung mit Vorspannbolzen zwischen dem Aktuatorengehäuse und dem Kanalwandadapter eingespannt sind. Dadurch ist der dynamische Messbereich der Kraftsensoren vorteilhafterweise verbessert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkanalwaage können die piezoelektrischen Aktuatoren dazu ausgelegt sein, Auslenkungen des Tragflächenmodells mit einer Anregungsfrequenz von mehr als 100 Hz zu erzeugen. Dies ist insbesondere vorteilhaft zur Durchführung von aeroelastischen Experimenten im Überschallregime hoher Reynolds-Zahlen, die realistischen Strömungsbedingungen bei Reisefluggeschwindigkeiten großer Flugzeuge entsprechen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkanalwaage kann die Anzahl der piezoelektrischen Aktuatoren mindestens vier betragen, welche dazu ausgelegt sind, Momente um die drei Raumrichtungen in das Tragflächenmodell einzukoppeln. Dies ermöglicht es in vorteilhafter Weise mindestens sechs Freiheitsgrade bei der Einkopplung von Anregungen in das Tragflächenmodell zu berücksichtigen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkanalwaage können die piezoelektrischen Aktuatoren derart innerhalb des Aktuatorengehäuses angeordnet sein, dass bei Ausfall eines der piezoelektrischen Aktuatoren das Tragflächenmodell durch die übrigen piezoelektrischen Aktuatoren noch in drei Raumrichtungen auslenkbar bleibt. Dadurch ist eine Redundanz der Aktuatoren gewährleistet. Insbesondere bei vorbereitungsaufwändigen Experimenten unter kryogenen Bedingungen ist es in einem Windkanal vorteilhaft, ein Experiment für Wartungs- und Reparaturarbeiten nicht unterbrechen zu müssen, um einen ausgefallenen Aktuator zu ersetzen oder zu reparieren. Bei redundanter Auslegung der Windkanalwaage kann auch bei Ausfall eines Aktuators das Experiment ohne Einschränkungen fortgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkanalwaage kann die Schwenkkupplung Kraftübertragungselemente und Verbindungsblöcke aufweisen, über welche jeweils einer der piezoelektrischen Aktuatoren mit einer Halteleiste des Tragflächenmodells verbindbar ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkanalwaage kann das Aktuatorengehäuse im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine formstabile und sehr steife Auslegung der Windkanalwaage.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkanalwaage kann die Windkanalwaage nur Schwingungseigenfrequenzen von mehr als 800 Hz aufweisen. Dadurch ist die Windkanalwaage besonders stabil und rigide, insbesondere im Bereich der Anregungsfrequenzen des Tragflächenmodells, welche in etwa zwischen 100 Hz und 300 Hz liegen können.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann auf dem Tragflächenmodell eine Vielzahl von Drucksensoren, Beschleunigungssensoren, Dehnungsmessstreifen und/oder Positionsmarkern angebracht sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden genauer im Zusammenhang und in Bezug auf die beispielhaften Ausführungsformen wie in den beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Die beigefügten Zeichnungen dienen dem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und illustrieren beispielhafte Ausführungsvarianten der Erfindung. Sie dienen zur Erläuterung von Prinzipien, Vorteilen, technischen Effekten und Variationsmöglichkeiten. Selbstverständlich sind andere Ausführungsformen und viele der beabsichtigten Vorteile der Erfindung ebenso denkbar, insbesondere mit Blick auf die im Folgenden dargestellte ausführliche Beschreibung der Erfindung. Die Elemente in den Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt und aus Gründen der Übersichtlichkeit teils vereinfacht oder schematisiert dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder gleichartige Komponenten oder Elemente.
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1 zeigt eine schematische Illustration eines Systems mit einem an einer Windkanalwaage montierten Tragflächenmodell eines Flugzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt eine schematische Illustration einer Windkanalwaage gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt eine schematische Illustration der Windkanalwaage in 2 in Schnittansicht.
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Obwohl hierin spezielle Ausführungsformen beschrieben und dargestellt sind, ist es für einen Fachmann klar, dass eine Fülle weiterer, alternativer und/oder äquivalenter Implementierungen für die Ausführungsformen gewählt werden können, ohne im Wesentlichen vom Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Allgemeinen sollen alle Variationen, Modifikationen und Abwandlungen der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele ebenfalls von der Erfindung als abgedeckt gelten.
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1 zeigt eine schematische Illustration eines Systems 100 mit einem Tragflächenmodell 3 einer Tragfläche eines Flugzeugs, welches dreh- und kippbar an einer Windkanalwaage 10 montiert ist. Das System 100 kann beispielsweise in einem kryogenen Windkanal, zum Beispiel dem European Transonic Wind Tunnel, genutzt werden, um Experimente bei tiefen Temperaturen, beispielsweise in Flüssigstickstoffatmosphäre durchzuführen. Das Tragflächenmodell 3 kann beispielsweise ein HIRENASD-Modell („High Reynolds Number Aerostructural Dynamics“) sein. Zur Messung von aerodynamischen Parametern können auf dem Tragflächenmodell 3 eine Vielzahl von (nicht dargestellten) Drucksensoren, Beschleunigungssensoren, Dehnungsmessstreifen und/oder Positionsmarkern angebracht sein. Das Tragflächenmodell 3 wird durch ein entsprechendes Balkenmodell 4, hier gestrichelt angedeutet, simuliert.
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Das Tragflächenmodell 3 ist an einer Schwenkkupplung der Windkanalwaage 10 fest montiert. Die Windkanalwaage 10 weist dazu in einem tragflächenseitigen Endbereich einen Aktuatorenbereich 11 auf, welcher zur Anregung bzw. zur Einkopplung von Kräften in das Tragflächenmodell 3 dient. Der Aktuatorenbereich 11 ist über einen Kanalwandadapter mit einem Windkanaladapter 2 verbunden, der die Windkanalwaage 10 und das Tragflächenmodell 3 fest mit einer Windkanalwand 1 bzw. der Windkanaldecke verbindet. In vielen Windkanälen gibt es hierzu spezielle Windkanaladapter 2, die einen Adapterkopf 2a aufweisen, welcher mit einem Modellwagen verbunden werden kann. Der Modellwagen dient als Schutzummantelung für die Windkanalwaage 10 und als Transportvehikel für das Einbringen des Modells in den Windkanal.
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2 zeigt eine schematische Illustration eine Windkanalwaage 10. Beispielsweise kann die Windkanalwaage 10 in einem System 100 wie in 1 dargestellt eingesetzt werden. 3 zeigt eine entsprechende Schnittansicht der Windkanalwaage 10 in 2. Im Folgenden wird der Aufbau der beispielhaften Windkanalwaage 10 in Bezug auf beide 2 und 3 beschrieben.
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Die Windkanalwaage 10 umfasst einen Kanalwandadapter 13, welcher dazu ausgelegt ist, die Windkanalwaage 10 an einer Wand eines Windkanals zu befestigen. Der Kanalwandadapter 13 kann beispielsweise aus Stahl gefertigt werden und eine Hohlzylinderform aufweisen, welche am wandseitigen Ende einen Befestigungsflansch 12 mit Bolzenlöchern 12a umfasst, über die der Kanalwandadapter 13 mit Bolzen an der Kanalwand befestigt werden kann. Im Inneren des Kanalwandadapters 13 ist ein strukturierter Adapterboden 21 ausgebildet, welcher entsprechende Ausnehmungen oder Rücksetzungen zur Aufnahme von Befestigungsschrauben bzw. -bolzen 21 aufweisen kann.
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Der Kanalwandadapter 13 kann über die Befestigungsschrauben bzw. -bolzen im Adapterboden 21 mit einem Aktuatorengehäuse 15 verbunden werden. Dabei sind zwischen dem Aktuatorengehäuse 15 und dem Kanalwandadapter 12 eine Vielzahl von Kraftsensoren 14a und 14b angeordnet, welche dazu ausgelegt sind, auf das Aktuatorengehäuse 15 wirkende Kräfte zu detektieren. Die Kraftsensoren 14a und 14b können dabei piezoelektrisch arbeitende Kraftsensoren aufweisen, welche mit Vorspannbolzen 21 zwischen dem Aktuatorengehäuse 15 und dem Kanalwandadapter 12 eingespannt sind. Beispielsweise können die Kraftsensoren 14a und 14b unter einer Vorspannung von 300 kN eingespannt werden, und jeweils Kräfte in einem Bereich zwischen –100 kN und +100 kN detektieren.
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Das Aktuatorengehäuse 15 kann im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet sein und ebenfalls aus Stahl gefertigt werden. Im Inneren des Aktuatorengehäuses 15 sind eine Vielzahl von piezoelektrischen Aktuatoren 23a bzw. 23b angeordnet, welche dazu ausgelegt sind, ein an der Windkanalwaage 10 montiertes Tragflächenmodell 3 in drei Raumrichtungen steuerbar auszulenken. Dazu können die piezoelektrischen Aktuatoren 23a bzw. 23b beispielsweise Hochvoltpiezostapel mit einer Steuerspannung zwischen 0 V und 100 V aufweisen, die eine Maximalauslenkung von 200 µm bei einer Maximalkraft von 50 kN ermöglichen. Die piezoelektrischen Aktuatoren 23a bzw. 23b sind dabei entlang der Hauptachse des Aktuatorengehäuses 15 angeordnet und können geeignet im Inneren platziert werden, so dass die piezoelektrischen Aktuatoren 23a und 23b Auslenkungen des Tragflächenmodells 3 mit einer Anregungsfrequenz von mehr als 100 Hz erzeugen können.
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Die Anzahl der piezoelektrischen Aktuatoren 23a und 23b kann mindestens vier betragen, so dass Momente um die drei Raumrichtungen in das Tragflächenmodell 3 einkoppelbar sind. Die piezoelektrischen Aktuatoren 23a und 23b sind dabei derart innerhalb des Aktuatorengehäuses 15 angeordnet, dass bei Ausfall eines der piezoelektrischen Aktuatoren 23a bzw. 23b das Tragflächenmodell 3 durch die übrigen piezoelektrischen Aktuatoren 23a und 23b noch in drei Raumrichtungen auslenkbar bleibt. Wie in 2 und 3 dargestellt, sind die piezoelektrischen Aktuatoren 23a bzw. 23b beide parallel zueinander angeordnet und an derselben Seite des Tragflächenmodells 3 angekoppelt. Bei Ausfall eines der Aktuatoren kann der jeweils andere Aktuator nach wie die Aktuierung des Tragflächenmodells 3 übernehmen.
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Die Anzahl der Aktuatoren ist jedoch nicht auf vier begrenzt – es kann jede andere Anzahl von Aktuatoren ebenso vorgesehen sein, mit der eine Aktuierung des Tragflächenmodells in drei Raumrichtungen und eine Einkopplung von Momenten um diese drei Raumrichtungen gewährleistet bleibt. Ebenso ist die Anzahl der Kraftsensoren nicht auf zwei beschränkt. Auch hier kann die Anzahl der Kraftsensoren so gewählt werden, dass eine Sensierung von Kräften, die auf das Tragflächenmodell in drei Raumrichtungen wirken, und Momenten, die auf das Tragflächenmodell um diese drei Raumrichtungen herum wirken, gewährleistet bleibt. Vorzugsweise kann die Anzahl der Kraftsensoren mit der Anzahl der Aktuatoren korrespondieren.
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Die Windkanalwaage 10 kann im unteren Aktuatorenbereich 11 eine Schwenkkupplung 19 aufweisen, über welche ein Tragflächenmodell 3 eines Flugzeugs an das Aktuatorengehäuse 15 schwenkbar koppelbar ist. Dazu kann die Schwenkkupplung 19 Kraftübertragungselemente 17a und 17b sowie Verbindungsblöcke 18a bzw. 18b aufweisen, über welche jeweils einer der piezoelektrischen Aktuatoren 23a bzw. 23b mit einer Halteleiste des Tragflächenmodells 3 verbindbar ist. Die Kraftübertragungselemente 17a und 17b können federnd unter Vorspannung in einem Zwischenrahmen 16 an die Aktuatoren 23a bzw. 23b angekoppelt sein. Insgesamt ist die Windkanalwaage 10 so ausgelegt, dass sie nur Schwingungseigenfrequenzen oberhalb eines vorbestimmten Frequenzwertes, beispielsweise von mehr als 800 Hz aufweist. Dadurch wird gewährleistet, dass die Windkanalwaage 10 selbst in dem Frequenzregime, welches die Schwingungen des Tragflächenmodells 3 während eines Windkanalexperiments aufweisen, möglichst steif und stabil bleibt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Aktuatorgehäuse 15 zusammen mit der Schwenkkupplung 19 einstückig ausgebildet ist und das Aktuatorgehäuse 15 unter Vorspannung mit dem Kanalwandadapter 13 gekoppelt ist.
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Die Windkanalwaage 10 eignet sich insbesondere für kritische aeroelastische Tragflächenmodelle, die zu Schwingungen und Vibrationen neigen, sowie für die Analyse stationären und nicht-stationärer Experimente mit einem superkritischen elastischen Tragflächenmodell im transsonischen Strömungsbereich, das heißt, in einem Strömungsbereich, in dem in der Umströmung der Tragfläche lokal die Schallgeschwindigkeit überschritten werden kann. Diese Experimente können bei hohen Reynolds-Zahlen durchgeführt werden, welche realistische Bedingungen bei einer Reisefluggeschwindigkeit von großen Flugzeugen simulieren können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windkanalwand
- 2
- Windkanaladapter
- 2a
- Adapterkopf
- 3
- Tragflächenmodell
- 4
- Balkenmodell
- 10
- Windkanalwaage
- 11
- Aktuatorbereich
- 12
- Befestigungsflansch
- 12a
- Bolzenlöcher
- 13
- Kanalwandadapter
- 14a
- Kraftsensor
- 14b
- Kraftsensor
- 15
- Aktuatorengehäuse
- 16
- Zwischenrahmen
- 17a
- Kraftübertragungselement
- 17b
- Kraftübertragungselement
- 18a
- Verbindungsblock
- 18b
- Verbindungsblock
- 19
- Schwenkkupplung
- 21
- Vorspannbolzen
- 22
- Adapterboden
- 23a
- Aktuator
- 23b
- Aktuator
- 100
- System
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0340316 A1 [0004]
- US 5663497 A [0004]
