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Die vorliegende Erfindung betrifft einen aerodynamischen Körper und seine Verwendung insbesondere als Flugzeugflügel, Schiffspropeller, Turbomaschinenschaufel oder Rotorblatt einer Windkraftanlage. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Absaugen eines Teils eines Fluids, welches eine Oberfläche des aerodynamischen Körpers überströmt.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind aerodynamische Körper, ihre Verwendung und Verfahren, welche zum Absaugen eines Teils eines Fluids, das eine Oberfläche des aerodynamischen Körpers überströmt, eingerichtet sind, bekannt. Derartige aerodynamische Körper finden Verwendung insbesondere in Flugzeugen, Schiffen, Turbomaschinen oder Windkraftanlagen und werden, je nach Verwendungszweck, üblicherweise als Tragfläche, Tragflügel, Propeller, Turbomaschinenschaufel oder Rotorblatt bezeichnet. Weitere Bezeichnungen sind möglich. Im Folgenden soll die vorliegende Erfindung, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, am Beispiel von Tragflügeln exemplarisch vorgestellt werden. Dies schließt jedoch nicht aus, dass die hier beispielhaft in Form von Tragflügeln vorgestellten aerodynamischen Körper auch in anderen Bereichen, gegebenenfalls nach Vornahme von fachmännisch geläufigen Anpassungen, einsetzbar sind.
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Ein Ziel aktueller Flugzeugentwicklungen liegt in einer Verringerung eines Verbrauchs an Treibstoff während eines Betriebs des Flugzeugs, insbesondere um eine Senkung an Kosten für den Treibstoff zu erzielen und allgemein einem gestiegenen Umweltbewusstsein Rechnung zu tragen. Ein hohes Potential hierfür wird einer Verringerung eines Strömungswiderstandes zugeschrieben, welcher sich insbesondere in Folge von Reibung zwischen einer Oberfläche des Tragflügels eines Flugzeugs und eines die Oberfläche des Tragflügels überströmenden Fluids, hier atmosphärische Luft, in einer Strömungsgrenzschicht entlang der Oberfläche des Tragflügels einstellt.
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Es ist allgemein bekannt, dass in der oberflächennahen, reibungsbehaftetenen Strömungsgrenzschicht im Wesentlichen zwei unterschiedliche Strömungszustände auftreten können, welche als „laminare Strömung“ und als „turbulente Strömung“ bezeichnet werden. Während im Falle des Vorliegens der laminaren Strömung eine geordnete Bewegung von Partikeln in dem die Oberfläche überströmenden Fluid innerhalb sich nicht überkreuzender, im wesentlich parallel zueinander angeordneter Schichten des Fluids auftritt, liegt im Falle der turbulenten Strömung eine im Allgemeinen beträchtliche Vermischung der Partikeln des Fluids vor. Hieraus ergibt sich, dass sich ein Zustand der laminaren Strömung im Vergleich zu dem Zustand der turbulenten Strömung durch eine geringere Reibung auszeichnet, so dass generell angestrebt wird, den Zustand der laminaren Strömung über eine möglichst lange Laufstrecke auf der zugehörigen Oberfläche zu erhalten.
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Um dieses Ziel zu erreichen, kann vorzugsweise das in H. Schlichting und K. Gersten, Grenzschicht-Theorie, Kapitel 11, Grenzschichtbeeinflussung (Absaugen/ Ausblasen), Springer, 10. Auflage, 2006, Seiten 295-314, beschriebene Verfahren zur Grenzschichtabsaugung eingesetzt werden. Dieses Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass durch Entnahme eines impulsarmen Teils des Fluids nahe der Oberfläche des aerodynamischen Körpers die dort vorhandene Strömungsgrenzschicht stabilisiert werden kann, indem sich auf diese Weise ein Umschlag von dem erwünschten Zustand der reibungsarmen laminaren Strömung in den unerwünschten Zustand der mit einer höheren Reibung behafteten turbulenten Strömung entlang der Strömungsrichtung verzögern oder, vorzugsweise, vollständig verhindern lässt.
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Um ein Absaugen des Teils des Fluids vornehmen zu können, ist jedoch in aller Regel ein Auftreten eines Druckgefälles erforderlich. Bei Vorliegen eines für diesen Zweck ausreichenden Druckgefälles lässt sich somit ein impulsarmer Teil des Fluids nahe der Oberfläche des aerodynamischen Körpers von dem als Hauptluftstrom bezeichneten strömenden Fluid abtrennen und ableiten, wobei das abgesaugte Fluid vorzugsweise an einer von der Ansaugstelle verschiedenen Stelle des aerodynamischen Körpers wieder ausgeblasen werden kann. Auf diese Weise kann zum Beispiel einem energieschwachen Fluid in der Strömungsgrenzschicht neue Energie zugeführt werden, um so durch eine Zufuhr von kinetischer Energie eine möglicherweise auftretende Ablösungsgefahr der Strömungsgrenzschicht von der Oberfläche des aerodynamischen Körpers zu verringern oder, vorzugsweise, vollständig zu beseitigen.
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Aus der
DE 24 30 885 A1 ist bekannt, zur Erzeugung des erforderlichen Druckgefälles zu einer Steuerung eines Ansaugdruckes Ansaugöffnungen in der Oberfläche eines Tragflügels anzubringen, welche mit einer Saugseite eines Gebläses als Absaugvorrichtung verbunden sind. Auf diese Weise kann ein Teil des Fluids aus der Strömungsgrenzschicht entlang der Oberfläche des Flugzeugs aktiv entnommen werden. Nachteilig an diesem aktiven Verfahren sind das Erfordernis des Einbringens des Gebläses in den Tragflügel als zusätzliche Absaugvorrichtung sowie die für den Betrieb der Absaugvorrichtung erforderliche Energie, wodurch die durch die verringerte Luftreibung an der Oberfläche erzielte Energieeinsparung teilweise wieder vermindert wird.
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In der
DE 700625 A wird vorgeschlagen, aus konstruktiven Gründen auf der Oberfläche eines Flugzeugs bereits vorhandene Druckunterschiede entsprechend einzusetzen. Beispielhaft kann so ein Teil des Fluids an einem Bereich der Vorderkante des Tragflügels passiv abgesaugt und an einem Auslass an der Spitze des Tragflügels ausgeblasen werden, da der Druck an der Vorderkante des Tragflügels im Vergleich zu dem Druck an der Spitze des Tragflügels in der Regel höher ist. Bei Drehflüglern, wie Hubschraubern oder Windkraftanlagen, kann zudem eine Ausnutzung von hier auftretenden Zentrifugalkräften als möglicher passiver Antrieb der Absaugung eingesetzt werden. Allerdings ist die Anwendbarkeit derartiger Verfahren nur eingeschränkt möglich, da hierzu ein Druckgefälle zwischen einer gewünschten Absaugstelle und einer möglichen Auslassstelle vorhanden sein muss, was an besonders kritischen Stellen des Tragflügels oftmals nicht der Fall ist. Darüber hinaus können zwischen der Absaugstelle und der Auslassstelle lange Verbindungsleitungen erforderlich sein, wodurch sich Platzprobleme innerhalb des Tragflügels ergeben und Druckverluste in den Verbindungsleitungen auftreten können.
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Die
DE 603 04 513 T2 offenbart eine Tragfläche, welche wenigstens eine Vorderkantenstruktur und eine Flügelmittenstruktur aufweist, die derart miteinander gekoppelt sind, dass eine Verringerung des Luftwiderstands ermöglicht wird. Hierzu wird vorgeschlagen, einen Anstieg des Luftwiderstands mittels eines kleinen Spalts und einer kleinen Stufe, welche durch ein Ankoppeln der beiden Abschnitte aufgrund von Herstellungstoleranzen derart zwischen den beiden gekoppelten Abschnitten erzeugt werden, dass die Oberfläche der Vorderkantenstruktur gegenüber der Oberfläche der Flügelmittenstruktur an der Stufe vorsteht, zu verringern. In Strömungsrichtung erfährt somit die Strömung des Fluids durch eine Verringerung einer Höhe der Oberfläche an der Stufe einen geringen Druckabfall, welcher sich gegebenenfalls zur Stabilisierung der Strömungsgrenzschicht im Zustand der laminaren Strömung einsetzen lässt. Nachteilig hieran ist, dass hier eine rückspringende Stufe an der Tragfläche vorgesehen ist, für welche es sich gezeigt hat, dass bei Fehlen einer Möglichkeit der Absaugung des Fluids der Zustand der laminaren Strömung auf der Oberfläche der Flügelstruktur beeinträchtigt werden kann.
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Die
DE 15 31 422 A offenbart einen aerodynamischen Körper, welcher jeweils vor oder hinter einem Umschlagort einer laminare Grenzschicht einen Spalt aufweist, welcher zum vollständigen oder teilweisen Absaugen der Grenzschicht eingerichtet ist. Die Absaugung erfolgt derart, dass die Grenzschicht hinter dem Spalt weiterhin oder wieder laminar ist.
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Aus der
EP 0926 064 B1 ist es bekannt, zum Vermeiden von strömungsbedingten Hohlraumresonanzen in einem aerodynamischen Körper eine Öffnung zwischen einer stromaufwärts befindlichen Einlasskante und einer stromabwärts befindlichen Einlasskante vorzusehen, wobei die einer stromaufwärts befindliche Einlasskante die Sperrschicht der äußeren Strömung unterbricht.
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Die
US 3,624,751 A offenbart einen aerodynamischen Körper, welcher über eine erste Öffnung zum Einbringen eines Hochgeschwindigkeitsstrahls in einen Luftstrom verfügt. Auf diese Weise bildet sich stromaufwärts eine Schockwelle aus, wodurch der sich vor der Schockwelle befindliche Luftstrom einem höheren Druck ausgesetzt ist und daher in eine zweite, an dieser Stelle des aerodynamischen Körper befindliche Öffnung gelenkt wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen aerodynamischen Körper und seine Verwendung sowie ein Verfahren zum Absaugen eines Teils eines Fluids, welches eine Oberfläche des aerodynamischen Körpers überströmt, vorzuschlagen, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile und Einschränkungen zumindest teilweise überwinden.
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Insbesondere soll hierbei eine freie Wahl der Absaugstelle zum Absaugen eines Teils eines Fluids und, vorzugsweise, auch der Auslassstelle möglich sein, ohne dass ein Erfordernis einer zusätzlichen Absaugvorrichtung in den aerodynamischen Körper besteht.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen aerodynamischen Körper und seine Verwendung sowie ein Verfahren zum Absaugen eines Teils eines Fluids, welches eine Oberfläche des aerodynamischen Körpers überströmt, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
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In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen aerodynamischen Körpermit den Merkmalen, dass
- - er einen Grundkörper aufweist, welcher über eine Oberfläche verfügt, die zur Überströmung durch ein Fluid eingerichtet ist;
- - der Grundkörper entlang seiner Oberfläche über mindestens eine in die Strömungsgrenzschicht hinein vorspringende Stufe verfügt;
- - auf der Oberfläche des Grundkörpers an einer stufenzugewandten Seite an die Stufe anschließend weiterhin mindestens eine Öffnung zum Absaugen eines Teils des Fluids vorgesehen ist;
- - auf der Oberfläche des Grundkörpers mindestens eine weitere Öffnung zum Ausblasen zumindest des Teils des abgesaugten Fluids vorgesehen ist; und
- - die Höhe der Stufe gegenüber der Oberfläche des Grundkörpers derart eingerichtet ist, dass an der Öffnung zum Absaugen des Teils des Fluids ein Druck einstellbar ist, welcher den an der weiteren Öffnung herrschenden Druck übersteigt.
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Erfindungsgemäß weist der aerodynamische Körper einen Grundkörper auf, der über eine Oberfläche verfügt, welche zur Überströmung durch ein Fluid eingerichtet ist. In Bezug auf die vorliegende Erfindung wird unter dem Begriff des „Grundkörpers“ ein mechanisch stabiles, dreidimensionales Gebilde verstanden, welches einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein kann. Insbesondere für die Verwendung als Tragflügel ist es vorteilhaft, wenn der Grundköper im Wesentlichen als Hohlform ausgeführt ist; eine zumindest teilweise massive Ausgestaltung ist jedoch ebenfalls möglich, insbesondere für Einsatzzwecke, bei welchen das Gewicht des Grundkörpers von untergeordneter Bedeutung ist.
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Der Grundkörper weist weiterhin eine äußere Form auf, deren Oberfläche für eine möglichst reibungsarme Umströmung durch ein hierfür vorgesehenes Fluid vorgesehen ist. Zu diesem Zweck verfügt der Grundkörper über einen üblicherweise als „Profil“ bezeichneten Querschnitt in Strömungsrichtung, dessen spezifische Form sich bei erfolgender Umströmung durch das Fluid in Strömungsrichtung insbesondere für eine Erzeugung eines dynamischen Auftriebs bei möglichst geringem Strömungswiderstand eignet. Als Grundkörper dienen daher insbesondere bekannte Tragflächen oder Tragflügel an Flugzeugen, Propeller von Schiffen, Schaufeln in Turbomaschinen oder Rotorblätter in Windkraftanlagen. Der hierbei verwendete Begriff des „Fluids“ umfasst, insbesondere je nach gewähltem Verwendungszweck des damit umströmten aerodynamischen Körpers, eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein homogenes oder nicht-homogenes Gemisch aus einer Flüssigkeit und einem Gas, wobei die Flüssigkeit und/oder das Gas darüber hinaus einen Anteil an Partikeln enthalten können.
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Erfindungsgemäß verfügt der Grundkörper entlang seiner Oberfläche weiterhin über mindestens eine, vorzugsweise genau eine Stufe, welche in die Strömungsgrenzschicht hinein vorspringt. Unter dem Begriff der „Strömungsgrenzschicht“ wird allgemein eine nahe der Oberfläche des Grundkörpers vorhandene fluidische Grenzschicht verstanden, in der eine insbesondere durch Reibung hervorgerufene Wechselwirkung zwischen der Oberfläche des Grundkörpers und des Fluids dominiert. Die vorspringende Stufe, unter welcher hierbei eine Erhöhung in Bezug auf die ohne Stufe gedachte Oberfläche des Grundkörpers verstanden wird, bezeichnet hierbei eine Einrichtung, welche derart innerhalb der Strömungsgrenzschicht am Grundkörper angebracht und/oder auf den Grundkörper aufgebracht ist, dass dadurch zumindest ein Teil des in der Strömungsgrenzschicht bewegbaren Fluids die Stufe in Strömungsrichtung beaufschlagen kann, wodurch unmittelbar vor einem Auftreffen des betreffenden Teils des Fluids auf die Stufe ein Druck erzeugt werden kann. Der stromaufwärts in Strömungsrichtung erzeugte Aufstau an der Stufe kann somit lokal zu einem Überdruck führen, dessen Stärke bevorzugt über eine Wahl der Höhe der Stufe gegenüber der Oberfläche des Grundkörpers einstellbar sein kann. Wie nachstehend näher beschrieben, kann sich der auf diese Weise erzeugte Druck vorzugsweise dazu einsetzen lassen, um damit ein Druckgefälle herzustellen, welches insbesondere dazu dienen kann, um ein Absaugen des gewünschten Teils des Fluids vornehmen zu können. Bei Vorliegen eines für diesen Zweck ausreichenden Druckgefälles kann somit der durch die Stufe aufgestaute Teil des Fluids vor der Stufe von dem Hauptluftstrom, welcher die Stufe überquert, abgetrennt und abgeleitet werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann die in die Strömungsgrenzschicht hinein vorspringende Stufe durch Aufbringen mindestens eines, vorzugsweise formschlüssig an die Oberfläche des Grundkörpers angepassten Bleches ausgeführt sein. Hierbei kann insbesondere eine Höhe, welche die Stufe gegenüber der Oberfläche des Grundkörpers aufweist, in weiten Grenzen frei wählbar sein, vorzugsweise durch Festlegen einer Anzahl an Blechen und/oder durch Einstellen einer Dicke des Bleches. Für den hier beispielhaft behandelten Fall der Tragfläche kann das Blech hierbei eine Dicke von 0,05 mm bis 2 mm, vorzugsweise von 0,1 mm bis 0,5 mm, aufweisen. Je nach gewähltem Anwendungszweck des aerodynamischen Körpers können jedoch auch andere Werte für die Dicke des Bleches geeignet sein.
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Erfindungsgemäß weist die Oberfläche des Grundkörpers weiterhin mindestens eine Öffnung zum Absaugen eines Teils des Fluids aus der Strömungsgrenzschicht auf. Unter dem Begriff der „Öffnung“ wird hierbei eine Einrichtung auf der Oberfläche des Grundkörpers verstanden, welche zur Aufnahme des Teils des Fluids in den Grundkörper eingebracht ist. Hierzu kann an der betreffenden Stelle, welche für die Öffnung vorgesehen ist, ein Teil des Materials des Grundkörpers entfernt werden, vorzugsweise in Form eines Schlitzes (Absaugschlitz). Alternativ oder zusätzlich kann ein mehrteiliger Grundkörper an der vorgesehenen Stelle derart zusammengefügt werden, dass an einer zwischen den Teilen des Grundkörpers auftretenden Fügestelle eine Öffnung, vorzugsweise in Form eines Schlitzes oder Spaltes, verbleibt. Beispielsweise könnten hierzu zwei Bleche, welche die Oberfläche des mehrteiligen Grundkörpers ausbilden, derart eingesetzt werden, dass an der gemeinsamen Fügestelle ein Spalt vorgesehen sein kann, welcher als Absaugschlitz dient. Die Öffnung kann, konstruktiv bedingt, in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung segmentiert sein. Hierunter wird eine Ausgestaltung des Schlitzes verstanden, bei welcher der Schlitz vor der Stufe mindestens zwei, nahe beieinander liegende, jedoch räumlich voneinander getrennte Teilschlitze aufweisen kann. Die räumliche Trennung kann hierbei beispielsweise dadurch erfolgen, dass zwischen zwei benachbarten Teilschlitzen ein Steg aus dem Material des Grundkörpers verbleiben kann. Weitere Ausgestaltungen sind jedoch denkbar.
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In einer besonderen Ausgestaltung kann der Schlitz in Strömungsrichtung geneigt sein. Hierbei kann in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung ein Neigungswinkel eingestellt werden, welcher in einem Winkelbereich von 90° bis 30° zur Oberfläche liegen kann. Durch Einstellung des Neigungswinkels kann der Strömungswiderstand im Bereich der schlitzförmigen Öffnung reduziert werden.
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Erfindungsgemäß ist die in der Oberfläche des Grundkörpers befindliche Öffnung an einer stufenzugewandten Seite der Stufe in die Oberfläche des Grundkörpers eingebracht und zwar in einer Weise, dass die Öffnung, vorzugsweise direkt, an die Stufe angrenzt. Dadurch kann für die Absaugung des dafür vorgesehenen Teils des Fluids ein sich durch die Luftaufstauung vor der Stufe ausbildender lokaler Überdruck möglichst weitgehend, bevorzugt vollständig, genutzt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Öffnung an der gegenüberliegenden, stufenabgewandten Seite abgerundet ausgeführt sein. Hierdurch lassen sich etwaige, an dieser Seite der Öffnung auftretende Strömungsverluste verringern, möglichst vorzugsweise vollständig vermeiden.
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In einer weiteren Ausgestaltung können im Schlitz und/oder geringfügig außerhalb des Schlitzes ein oder mehrere Umlenkbleche angebracht werden, welche insbesondere dazu eingerichtet sein können, um zumindest einen Teil der Strömung umzulenken. Alternativ oder zusätzlich können im Schlitz und/oder geringfügig außerhalb des Schlitzes ein oder mehrere Trennbleche eingebracht werden, welche insbesondere dazu eingerichtet sein können, um eine Umlenkung zumindest eines Teils der Strömung zu verhindern, um dadurch unbeabsichtigte, in der Regel turbulente Schwankungen der Strömung zu vermeiden. Auf diese Weise kann eine Umlenkung und/oder Abtrennung der abzusaugenden Strömung bzw. der abgesaugten Strömung auf möglichst verlustarme Weise ermöglicht werden.
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Weiterhin befindet sich auf der Oberfläche des Grundkörpers mindestens eine Öffnung zum Ausblasen zumindest eines Teils des abgesaugten Fluids. Hierbei wird unter dem Begriff des „Ausblasens“ ein Zuführen eines Teils des Fluids, vorzugsweise des abgesaugten Fluids, an mindestens einer Stelle des aerodynamischen Körpers, welche sich von der Öffnung zum Ansaugen unterscheidet, verstanden. Wie oben bereits beschrieben, kann dadurch einem energieschwachen Fluid in der Strömungsgrenzschicht neue Energie zugeführt werden, um so eine Ablösungsgefahr der Strömungsgrenzschicht von der Oberfläche des aerodynamischen Körpers zumindest zu verringern und/oder um, wie ebenfalls in H. Schlichting und K. Gersten, siehe oben, beschrieben, eine Reibung zwischen dem Fluid und der Oberfläche im Falle des Zustandes von turbulenter Strömung zu verringern.
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Hierbei ist die Höhe der Stufe gegenüber der Oberfläche des Grundkörpers derart eingerichtet, dass an der Öffnung zum Absaugen des Teils des Fluids ein Druck einstellbar ist, welcher den an der Öffnung zum Ausblasen des Teils des abgesaugten Fluids herrschenden Druck übersteigt. Dies kann bereits für geringe Höhen der Stufe dann gegeben sein, wenn sich beispielsweise die Absaugstelle und Auslassstelle auf einer zusammenhängenden, ebenen Oberfläche befinden, auf welcher, abgesehen vom dem durch die Stufe hervorgerufenen Überdruck, ansonsten Umgebungsdruck herrscht. In diesem Fall kann eine Stärke der Absaugung vorzugsweise mit steigender Stufenhöhe zunehmen und somit auf einfache Weise entsprechend eingestellt werden. Zusätzlich kann hierbei, wie zum Beispiel in der
DE 45 84 28 A vorgeschlagen, eine diffusorartige Geometrie im Absaugkanal vorgesehen sein, welche durch Bereitstellung von kinetischer Energie aus dem abgesaugten Teil des Fluids zur Einstellung eines Druckverlaufs bzw. eines Geschwindigkeitsverlaufs des Absaugstroms verwendet werden kann.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine bevorzugte Verwendung des aerodynamischen Körpers als Flugzeugflügel, Schiffspropeller, Turbomaschinenschaufel oder Rotorblatt in einer Windkraftanlage.
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Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die vorliegende Verwendung wird auf die oben und/oder unten stehende Beschreibung des aerodynamischen Körpers verwiesen.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Absaugen eines Teils eines Fluids, welches eine Oberfläche des aerodynamischen Körpers überströmt. Hierbei weist der aerodynamische Körper in einer Strömungsgrenzschicht entlang seiner Oberfläche mindestens eine, in die Strömungsgrenzschicht hinein vorspringende Stufe auf, an welcher sich ein Überdruck, insbesondere ein lokaler Überdruck unmittelbar vor der Stufe, ausbildet. Dadurch wird der gewünschte Teil des Fluids durch mindestens eine Öffnung, welche an die Stufe anschließend an einer stufenzugewandten Seite in die Oberfläche des aerodynamischen Körpers eingebracht ist, abgesaugt.
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In einer besonderen Ausgestaltung weist hierbei die Stufe eine Höhe gegenüber der Oberfläche des Grundkörpers auf, welche derart eingerichtet wird, dass an der Öffnung zum Absaugen des Teils des Fluids ein Druck eingestellt werden kann, welcher den zum Absaugen des Teils des Fluids ein Druck eingestellt werden kann, welcher den Druck, der an einer, auf der Oberfläche des Grundkörpers weiterhin vorhandenen Öffnung zum Ausblasen des Teils des abgesaugten Fluids herrscht, übersteigt. Der auf diese Weise an der Öffnung zum Absaugen des Teils des Fluids erzeugte Druck kann vorzugsweise dazu eingesetzt werden, um damit ein Druckgefälle herzustellen, welches bevorzugt dazu dienen kann, um ein Absaugen des gewünschten Teils des Fluids vornehmen zu können. Bei Vorliegen eines für diesen Zweck ausreichenden Druckgefälles kann somit der durch die Stufe aufgestaute Teil des Fluids vor der Stufe von dem die Stufe überquerenden Hauptluftstrom abgetrennt und abgeleitet werden, wobei das Ableiten bevorzugt an die beschriebene Öffnung zum Ausblasen des Teils des abgesaugten Fluids erfolgen kann.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine elektronisch steuerbare Einrichtung, insbesondere ein flugzeuggebundener Computer, vorgesehen sein, welcher einen Programmcode, der zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist, aufweist.
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Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das vorliegende Verfahren wird auf die übrige Beschreibung und das Ausführungsbeispiel verwiesen.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße aerodynamische Körper und das vorliegende Verfahren zum Absaugen eines Teils eines Fluids, welches eine Oberfläche des aerodynamischen Körpers überströmt, ermöglichen es, ein treibendes Druckgefälle zwischen einem Absaugeinlass und einem Auslass mittels einer kleinen Änderung auf der Oberfläche des Grundkörpers in Form einer vorspringenden Stufe an einer nahezu beliebigen Stelle auf der Oberfläche des Grundkörpers bereitzustellen. Da die Absaugung der Luft über eine Öffnung, vorzugsweise in Form eines Schlitzes oder Spaltes, welcher sich, in Strömungsrichtung, direkt vor der Stufe befindet, erfolgt, kann auf diese Weise ein durch Luftaufstauung vor der Stufe erzeugter Überdruck praktisch vollständig genutzt werden. Darüber hinaus lassen sich eine Stärke des Druckgefälles und damit die Stärke der Absaugung über die Höhe der Stufe festlegen. Der vorgeschlagene aerodynamische Körper und das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich vorzugsweise in einem Flugzeug, einem Schiff, einer Turbomaschine oder in einer Windkraftanlage einsetzen, grundsätzlich jedoch bei Strömungen und festen Oberflachen aller Art, gegebenenfalls nach einer Vornahme von fachmännisch geläufigen Anpassungen.
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Vorteilhaft an der vorliegenden Erfindung ist, dass hierdurch eine nahezu freie Wahl von Absaugstellen und Auslassstellen möglich wird, ohne dabei auf eine der oben genannten aktiven Absaugvorrichtungen, wie zum Beispiel einem Gebläse, angewiesen zu sein. Dadurch kann eine Absaugung an besonders kritischen Stellen auf der Oberfläche des aerodynamischen Körpers vorgenommen werden, insbesondere an Stellen, an welchen die Grenzschicht dazu neigt, von dem erwünschten Zustand der laminaren Strömung zu dem unerwünschten Zustand der turbulenten Strömung umzuschlagen. Ist hierbei bereits ein Gebläse zur Vornahme einer aktiven Absaugung vorgesehen, kann die durch die vorliegende Erfindung mögliche Absaugung eines Teils der Strömung unterstützt werden, insbesondere um auf diese Weise dem Gebläse Arbeit abzunehmen und Energie einzusparen. Gleichzeitig kann durch ein Ausblasen von abgesaugter Luft an geeigneten Stellen auf der Oberfläche des aerodynamischen Körpers eine Verbesserung von Strömungseigenschaften durch bekannte Verfahren erreicht werden. So kann zum Beispiel ein in H. Schlichting und K. Gersten, siehe oben, weiterhin beschriebenes oberflächentangentiales Ausblasen dazu eingesetzt werden, um Strömungsablösungen zu vermindern oder, vorzugsweise, möglichst vollständig vermeiden. Alternativ oder zusätzlich kann ein ebenfalls in H. Schlichting und K. Gersten, siehe oben, dargestelltes senkrechtes Ausblasen in eine bereits turbulente Grenzschicht zu einer weiteren Reduzierung des Reibungswiderstands Verwendung finden.
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Für den vorgeschlagenen aerodynamischen Körper eignen sich insbesondere dünne Tragflügel eines Flugzeugs, welche über eine Oberfläche mit einer geringen Krümmung verfügen, vor allem da in diesem Falle bereits bei Wahl einer geringen Höhe der Stufe ein ausreichender Überdruck erzeugt werden kann. In einem Fall, in welchem ein aerodynamischer Körper bereits über eine oder mehrere konstruktiv vorhandene Stufen verfügt, kann ein dadurch erzeugter Überdruck mittels Einbringen einer Öffnung unmittelbar vor der Stufe erfindungsgemäß verwendet werden.
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Figurenliste
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist den Figuren dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung ohne Beschränkung der Allgemeinheit näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Profils eines Tragflügels als bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäß vorgeschlagenen aerodynamischen Körper; und
- 2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts aus der 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch ein Profil 110 eines Tragflügels 112 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäß vorgeschlagenen aerodynamischen Körper 114. Das hier dargestellte Profil 110 weist eine Profiltiefe 116 auf, welche üblicherweise als längste Linie von einer Profilnase 118 bis zu einer Profilhinterkante 120 bezeichnet wird. Der Tragflügel 112 besitzt einen Grundkörper 122, welcher über eine Oberfläche 124 verfügt, die zur möglichst reibungsarmen laminaren Überströmung 126 durch ein Fluid 128 eingerichtet ist. Erfindungsgemäß weist der hier dargestellte Grundkörper 122 in einer Strömungsgrenzschicht 130 entlang seiner Oberfläche 124 eine in die Strömungsgrenzschicht 130 hinein vorspringende Stufe 132 auf.
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Zur besseren Darstellung zeigt 2 einen Bereich 134 des aerodynamischen Körpers 114 aus der 1 in vergrößerter Form. An einer stufenzugewandten Seite 136 auf der Oberfläche 124 des Grundkörpers 122 schließt sich erfindungsgemäß unmittelbar an die Stufe 132 angrenzend eine Öffnung 138 an, welche zum Absaugen eines Teils 140 des Fluids 128 vorgesehen ist. An der betreffenden Stelle, welche für die Öffnung 138 vorgesehen ist, kann hierzu ein Teil eines Materials an der Oberfläche 124 des Grundkörpers 122 entfernt werden, vorzugsweise in Form eines Schlitzes. Alternativ oder zusätzlich kann der Grundkörper 122, der hierzu in mehrteiliger Weise ausgeführt ist, an der für die Öffnung 138 vorgesehenen Stelle so zusammengefügt werden, dass die Öffnung 138 an einer zwischen den Teilen des mehrteiligen Grundkörpers 122 auftretenden Fügestelle bevorzugt in Form eines Schlitzes oder Spaltes verbleibt, welcher senkrecht zur Strömungsrichtung 146 aus konstruktiven Gründen segmentiert sein kann.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 138 an der gegenüberliegenden, stufenabgewandten Seite 144 zudem abgerundet ausgeführt, insbesondere um an dieser Seite der Öffnung 138 Strömungsverluste zu verringern oder zu vermeiden.
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Wie aus 2 weiterhin hervorgeht, stellt die Stufe 132 eine vorspringende Erhöhung 142 in Bezug auf die ohne Stufe 132 gedachte Oberfläche 124 des Grundkörpers 122 dar.
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Erfindungsgemäß kann hierdurch ein Teil des in der Strömungsgrenzschicht 130 bewegten Fluids 128 die Stufe 132 in Strömungsrichtung 146 so beaufschlagen, dass in einem Bereich an der stufenzugewandten Seite 136 unmittelbar vor einem Auftreffen des Teils 140 des Fluids 128 auf die Stufe 132 lokal ein Überdruck erzeugt werden kann, dessen Stärke in dieser Ausführung über eine Wahl der Höhe der vorspringenden Stufe 132 gegenüber der Oberfläche 124 des Grundkörpers 122 eingestellt werden. Wie 2 schematisch zeigt, kann die in die Strömungsgrenzschicht 130 hinein vorspringende Stufe 132 beispielsweise durch ein Aufbringen eines Bleches 148 oder von zwei übereinander angeordneten Blechen 148, welche hier formschlüssig an die Oberfläche des Grundkörpers angepasst sind, ausgeführt sein. Für das hier vorgestellte Ausführungsbeispiel des Tragflügels 112 kann das Blech 148 daher eine Dicke von 0,05 mm bis 2 mm, vorzugsweise von 0,1 mm bis 0,5 mm, annehmen.
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Wie 2 schematisch zeigt, kann bei Vorliegen eines Druckgefälles der durch die Stufe 132 aufgestaute Teil 140 des Fluids 128 vor der Stufe 132 von einem Hauptluftstrom 150, welcher die Stufe 132 überquert, abgetrennt und gesondert von dem Hauptluftstrom 150 durch die Öffnung 138 abgeleitet werden. Hierbei kann vorzugsweise der Teil 140 des abgesaugten Fluids 128 mittels einer oder mehrerer Verbindungsleitungen 152 einer oder mehrerer auf der Oberfläche 124 des Grundkörpers 122 vorhandenen weiteren Öffnung (nicht dargestellt) als Auslassstelle zum Ausblasen zumindest eines Teils des abgesaugten Fluids 128 zugeleitet werden kann. Die Auslassstelle kann bevorzugt an einer Stelle der Oberfläche 124 des Grundkörpers 122 eingerichtet sein, an welcher es wünschenswert ist, die dort vorhandene Strömungsgrenzschicht 130 zu stabilisieren und dort neue Energie zuzuführen, um so eine Ablösungsgefahr der Strömungsgrenzschicht 130 von der Oberfläche 124 des aerodynamischen Grundkörpers 122 zumindest zu verringern oder an einer Stelle stromabwärts der Stufe 132, an welcher bereits eine turbulente Strömung vorliegt, durch oberflächennormales Ausblasen die Reibung zwischen der Oberfläche 124 und dem Fluid 128 zu verringern.
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Besonders bevorzugt kann hierzu die Höhe der Stufe 132 gegenüber der Oberfläche 124 des Grundkörpers 122 derart festgelegt werden, dass sich an der Öffnung 138 zum Absaugen des Teils 140 des Fluids 128 ein Druck einstellt, welcher den an der (nicht dargestellten) Öffnung zum Ausblasen des Teils des abgesaugten Fluids 128 herrschenden Druck übersteigt. Befinden sich die Absaugstelle an der Öffnung 138 und die Auslassstelle auf einer zusammenhängenden, ebenen Fläche, auf der, abgesehen vom dem durch die Stufe 132 hervorgerufenen Überdruck, ansonsten Umgebungsdruck herrscht, kann hierfür bereits eine geringe Höhe der Stufe 132 ausreichend sein. Die Verbindungsleitungen 152 können darüber hinaus eine diffusorartige Geometrie aufweisen, durch welche die kinetische Energie des abgesaugten und zum Ausblasen vorgesehenen Fluids 128 für eine weitere Druckerhöhung genutzt werden kann.
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Der hier in den 1 und 2 als Tragflügel 112 für eine Verwendung in einem Flugzeug beispielhaft vorgestellte aerodynamische Körper 114 kann, gegebenenfalls nach Vornahme von fachmännisch geläufigen Anpassungen, grundsätzlich auch als Propeller in einem Schiff, als Schaufel in einer Turbomaschine oder als Rotorblatt in einer Windkraftanlage eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 110
- Profil
- 112
- Tragflügel
- 114
- aerodynamischer Körper
- 116
- Profiltiefe
- 118
- Profilnase
- 120
- Profilhinterkante
- 122
- Grundkörper
- 124
- Oberfläche
- 126
- Überströmung
- 128
- Fluid
- 130
- Strömungsgrenzschicht
- 132
- Stufe
- 134
- Ausschnitt
- 136
- stufenzugewandten Seite
- 138
- Öffnung
- 140
- Teil des Fluids
- 142
- vorspringende Erhöhung
- 144
- stufenabgewandte Seite
- 146
- Strömungsrichtung
- 148
- Blech
- 150
- Hauptluftstrom
- 152
- Verbindungsleitungen
