DE102018102506B3

DE102018102506B3 - Rotorblatt mit Enteisungseinrichtung und Verfahren hierzu

Info

Publication number: DE102018102506B3
Application number: DE102018102506.8A
Authority: DE
Inventors: Oliver Schneider; Henning Mainz; Rainer Bartels
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2018-02-05
Filing date: 2018-02-05
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2038-02-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt mit einer aerodynamischen Profiloberfläche, wobei das Rotorblatt sich von einer Blattwurzel über einen Blattmittenbereich hin zu einem Blattspitzenbereich spannweitig erstreckt und an der Blattwurzel zum Befestigen mit einer Rotornabe ausgebildet ist, und wobei das Rotorblatt eine Enteisungseinrichtung zum Enteisen zumindest eines Teils der aerodynamischen Profiloberfläche aufweist, wobei die Enteisungseinrichtung aufweist:- einen Wärmeaufnehmer, der zum Aufnehmen von Wärme an der aerodynamischen Profiloberfläche im Blattspitzenbereich bei einer Rotationsbewegung des Rotorblattes ausgebildet ist,- eine an oder in dem Rotorblatt vorgesehene Wärmetransportvorrichtung, die zum Transportieren der durch den Wärmeaufnehmer im Blattspitzenbereich aufgenommenen Wärme in Richtung Blattwurzel ausgebildet ist, und- einen mit der Wärmetransportvorrichtung in Verbindung stehenden Wärmegeber, der die in Richtung Blattwurzel transportierte Wärme in einem Temperierbereich an die aerodynamische Profiloberfläche abgibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt mit einer aerodynamischen Profiloberfläche, wobei das Rotorblatt sich von einer Blattwurzel über einen Blattmittenbereich hin zu einem Blattspitzenbereich spannweitig erstreckt und mittels einer Enteisungseinrichtung zum Enteisen der aerodynamischen Profiloberfläche ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum Enteisen einer aerodynamischen Profiloberfläche eines Rotorblattes.
Rotorblätter sind flügelartige Profilkörper, die in der Regel an einem Rotor so angeordnet sind, dass sie sich von der Drehachse des Rotors radial spannweitig erstrecken. Aufgrund der Profilform derartiger Rotorblätter kann je nach Einsatzzweck entweder durch ein aktives Antreiben des Rotors ein Auftrieb (bspw. bei Hubschraubern) oder ein Vortrieb (bspw. bei Propellerflugzeugen) erzeugt werden oder durch eine entsprechende Anströmung der Rotorblätter eine Drehbewegung erzeugt werden (bspw. bei Windkraftanlagen und Tragschraubern).
Unter bestimmten Wetterbedingungen neigen Rotorblätter zu Eisbildung an der aerodynamischen Oberfläche, wodurch die Aerodynamik der Profilform negativ beeinflusst und zu unerwünschten Effekten wie Auftriebsverlust, Erhöhung des Strömungswiderstands und erhöhtes Vibrationsniveau führen kann. Sich vergrößernde Eisschichten stellen außerdem ein Sicherheitsrisiko dar, da sich das Eis auch unkontrolliert von der aerodynamischen Profiloberfläche des sich drehenden Rotorblattes ablösen kann und im Einflussbereich liegende Personen oder Gebäude bzw. Gegenstände schwer beschädigen könnte.
Um eine Eisschicht an solchen Profilkörpern, wie bspw. auch Flügelkörper von Starrflüglern, verhindern bzw. entfernen zu können, sind verschiedenste Systeme und Einrichtungen bekannt. So sind bspw. sogenannte eisphobe Oberflächen bekannt, die eine Adhäsion von Eis verringern und ein Anwachsen von schweren Eisbelägen verhindern sollen. Auch sind weiterhin mechanische Verfahren zum Ablösen einer Eisschicht durch Verformung der Blattoberfläche (Flächenaktuatorik, pneumatische Systeme) bekannt. Am weitesten verbreitet sind jedoch thermische Systeme, bei denen innerhalb der Flügelkörper bzw. der Flügelstruktur eine Temperierung stattfindet, wodurch die aerodynamische Profiloberfläche temperiert wird, d.h. die Temperatur der aerodynamischen Oberfläche wird in der Regel auf über 0° C erhöht bzw. auf einem gewissen Niveau über 0° C konstant gehalten. So sind bspw. thermische Systeme bekannt, bei denen in Art einer Widerstandsheizung thermische Elemente in der aerodynamischen Profiloberfläche eingesetzt sind, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung diese in Wärme umwandeln und dabei die aerodynamische Profiloberfläche entsprechend temperieren. Auch ist es bekannt, mit Hilfe eines in einem Hohlraum des Profilkörpers zirkulierenden temperierten Luftstromes die Temperatur der aerodynamischen Profiloberfläche oberhalb eines Bereiches zu halten, der einer Vereisung entgegenwirkt.
Allen bisher bekannten Systemen zur Enteisung von aerodynamischen Profiloberflächen ist gemein, dass Energie vom stehenden System, an dem der Rotor mit den Rotorblättern drehbar angeordnet ist, in das drehende System des Rotors eingebracht werden muss, was komplex und aufwendig ist. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Enteisungssystem für Rotorblätter anzugeben, das ohne einen Energieeintrag bzw. ohne eine Energieübertragung vom stehenden System in das drehende System auskommt und dennoch zuverlässig einer Eisbildung entgegenwirken kann bzw. eine bereits geschehene Eisbildung aufzulösen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Rotorblatt gemäß Anspruch 1 sowie dem Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Rotorblatt mit einer aerodynamischen Profiloberfläche beansprucht, wobei das Rotorblatt sich von einer Blattwurzel über einen Blattmittenbereich hin zu einem Blattspitzenbereich spannweitig erstreckt und an einer Blattwurzel zum Befestigen mit einer Rotornabe ausgebildet ist. Das Rotorblatt weist dabei gattungsgemäß eine Enteisungseinrichtung zum Enteisen zumindest eines Teils der aerodynamischen Profiloberfläche auf.
Die in dem Rotorblatt vorgesehene Enteisungseinrichtung arbeitet dabei autark ohne zusätzlichen Energieeintrag bzw. ohne zusätzliche Energieübertragung in das drehende System und weist hierfür einen Wärmeaufnehmer auf, der zum Aufnehmen von Wärme an der aerodynamischen Profiloberfläche im Blattspitzenbereich ausgebildet ist. Denn aufgrund der Rotationsbewegung der Rotorblätter um die Achse der Rotornabe entstehen im Blattspitzenbereich hohe Umfangsgeschwindigkeiten, wobei die aerodynamische Profiloberfläche sich in diesen Blattspitzenbereichen gegenüber den Bereichen nahe der Blattwurzel aufgrund von Luftreibung und adiabatischer Kompression erwärmt. Mit Hilfe eines Wärmeaufnehmers, was bspw. ein Material oder ein Werkstoff mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit sein kann, wird somit die an der aerodynamischen Profiloberfläche aufgrund der Reibung und adiabatischer Kompression entstehende Wärme aufgenommen.
Des Weiteren weist die autarke Enteisungseinrichtung eine Wärmetransportvorrichtung auf, um die im Blattspitzenbereich aufgenommene Wärme in andere Bereiche des Rotorblattes, insbesondere in den Blattmittenbereich sowie in einen Blattwurzelbereich, zu transportieren, um die aerodynamische Profiloberfläche in diesen Bereichen zu temperieren. Denn die Umfangsgeschwindigkeit, ausgehend von dem Blattspitzenbereich, nimmt in Richtung Blattwurzel ab, wodurch die an der aerodynamischen Profiloberfläche aufgrund der Rotation entstehende Reibungswärme kontinuierlich geringer wird und somit zumindest im unteren Bereich des Rotorblattes für eine Enteisung signifikant keine Rolle mehr spielt.
Die Wärmetransportvorrichtung steht dabei in Wirkverbindung mit einem Wärmegeber, der die durch die Wärmetransportvorrichtung in Richtung Blattwurzel transportierte Wärme innerhalb eines vorgegebenen Temperierbereiches an die aerodynamische Profiloberfläche abgibt und diese so temperiert. Dieser Temperierbereich liegt nicht im Blattspitzenbereich, sondern im Blattmittenbereich, vorzugsweise an denjenigen Stellen, die aufgrund der Entfernung zur Rotationsachse eine derart geringe Rotationsgeschwindigkeit aufweisen, dass hier nicht mehr auf natürlichem Wege aufgrund der an der aerodynamischen Profiloberfläche entstehenden Wärme einer Vereisung entgegengewirkt werden kann.
Hierdurch wird es möglich, ein Enteisungssystem bzw. eine Enteisungseinrichtung an einem Rotorblatt vorzusehen, die aktiv einer Vereisung entgegenwirkt bzw. eine entstandene Vereisung auflösen kann, ohne dass hierfür Energie in das drehende System von dem stehenden System übertragen werden muss. Vielmehr arbeitet das erfindungsgemäße Enteisungssystem völlig autark und unabhängig von einer Energiebereitstellung durch das stehende System, an dem der Rotor mit den Rotorblättern angeordnet ist, wobei dennoch sicher einer Vereisung entgegengewirkt oder eine Vereisung sicher aufgelöst werden kann.
Die Erfinder haben dabei erkannt, dass die durch die Rotation des Rotorblattes entstehende Wärme aufgrund von Luftreibung und adiabatischer Kompression im Blattspitzenbereich zum einen ausreicht, um eine Vereisung zu verhindern bzw. wieder aufzulösen und haben dabei des Weiteren erkannt, dass die signifikant nur im Blattspitzenbereich entstehende Reibungswärme mit Hilfe einer Wärmetransportvorrichtung auch in diejenigen Bereiche transportiert werden kann, wo aufgrund der geringeren Umfangsgeschwindigkeit die Reibung nicht mehr ausreicht, um signifikant eine entsprechende Wärme zur Verhinderung einer Vereisung zu erzeugen.
Dabei können Wärmeaufnehmer, Wärmetransportvorrichtung und Wärmegeber aus einem gemeinsamen Element oder einer gemeinsamen Einrichtung gebildet sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Wärmetransportvorrichtung zumindest teilweise temperaturisoliert, sodass durch den Wärmeaufnehmer die Wärme aufgenommen, unter geringen Verlusten mit Hilfe der Wärmetransportvorrichtung transportiert und dann im vorgegebenen Temperierbereich des Blattmittenbereiches an die aerodynamische Profiloberfläche mit Hilfe des Wärmegebers wieder abgegeben werden kann.
Unter dem Begriff der „Enteisung“ im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei nicht nur das aktive Entfernen einer sich bereits gebildeten Eisschicht verstanden, sondern auch das proaktive Verhindern einer Eisschichtbildung. Demzufolge handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Enteisungseinrichtung nicht nur um eine Einrichtung, die eine bereits bestehende Vereisung auflöst, sondern auch um eine Einrichtung, die eine Vereisung durch eine Temperierung vorgegebener Bereiche entsprechend verhindert.
Unter dem Begriff „Wärme“ wird insbesondere der physikalische Effekt der Temperaturerhöhung von Materialien verstanden, wobei dies durch jedweden Energieeintrag erfolgen kann. Bei der Wärmeaufnahme handelt es sich somit um die Aufnahme der an der aerodynamischen Profiloberfläche entstandenen Temperaturerhöhung, bspw. mit Hilfe von einem wärmeleitfähigen Material.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmegeber so an dem Rotorblatt angeordnet, dass die von der Wärmetransportvorrichtung transportierte Wärme in einer ersten Hälfte, vorzugsweise in einem ersten Drittel, des sich an der Blattwurzel anschließenden Blattmittenbereiches an die aerodynamische Profiloberfläche in dem Temperierbereich abgegeben wird. Demzufolge ist der Temperierbereich so gewählt, dass er in der unteren Hälfte, vorzugsweise in dem unteren Drittel des Rotorblattes, ausgehend von der Blattwurzel als unten und die Blattspitze als oben, vorgesehen ist, wobei in dem Temperierbereich vorzugsweise auch der Wärmegeber vorgesehen ist, um die aerodynamische Profiloberfläche entsprechend zu temperieren. Dies ist besonders deshalb vorteilhaft, da gerade im unteren Bereich, besonders im unteren Drittel des Rotorblattes die Drehbewegung meist so gering ist, dass hier an der aerodynamischen Profiloberfläche die geringste Reibungswärme erzeugt wird, sodass hier die Gefahr einer Vereisung besonders groß ist.
Der obere Bereich (Blattspitze) wird oftmals auch als „äußerer Bereich“ bezeichnet, während der untere Bereich (Blattwurzel) auch als „innerer Bereich“ bezeichnet wird, was sich in Bezug auf den gesamten Rotor betrachten lässt.
Demzufolge ist der Blattspitzenbereich vorzugsweise durch das obere Drittel des Rotorblattes definiert, sodass bevorzugter Weise der Wärmeaufnehmer im oberen Drittel des Rotorblattes angeordnet ist. Zumindest wird der Blattspitzenbereich durch die obere Hälfte des Rotorblattes definiert. Für eine bestmögliche Energieausbeute ist es besonders vorteilhaft, wenn der Wärmeaufnehmer so nah wie möglich an der Blattspitze des Rotorblattes angeordnet ist, da hier die meiste Reibungswärme durch die Rotation des Rotorblattes entsteht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Wärmegeber so angeordnet, dass die von der Wärmetransportvorrichtung transportierte Wärme in einem Vorderkantenbereich des Rotorblattes an die aerodynamische Profiloberfläche in dem Temperierbereich abgegeben wird, da gerade die Vorderkante eines Rotorblattes im Gegensatz zu der Hinterkante die größte Gefährdung einer möglichen Vereisung aufweist. Demzufolge ist der Wärmegeber auch so angeordnet, dass er nach Möglichkeit Teile der Vorderkante des Rotorblattes entsprechend temperiert bzw. die von der Wärmetransportvorrichtung zum Wärmegeber transportierte Wärme an die aerodynamische Profiloberfläche dort abgibt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Material, aus dem das Rotorblatt hergestellt wurde, um ein Faserverbundwerkstoff, der aus einem Fasermaterial und einem Matrixmaterial gebildet wird, wobei das Fasermaterial in das ausgehärtete Matrixmaterial integral eingebettet ist. Die Wärmetransportvorrichtung weist dabei Materialien auf, die eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit haben, als das Material des Rotorblattes, um so insbesondere auch im Zusammenhang mit einer entsprechenden Isolierung der Wärmetransportvorrichtung sicherstellen zu können, dass die durch den Wärmeaufnehmer aufgenommene Wärme im Blattspitzenbereich auch zu dem entsprechend entfernt bzw. beabstandet angeordneten Wärmegeber in Richtung Blattwurzel möglichst verlustfrei bzw. mit geringen Verlusten transportiert werden kann.
In einer ersten Ausführungsform ist die Wärmetransportvorrichtung der Enteisungseinrichtung so ausgebildet, dass die Wärmetransportvorrichtung mindestens eine Wärmeleitung aus einem wärmeleitfähigen Material hat, wobei die mindestens eine Wärmeleitung mit dem Wärmeaufnehmer im Blattspitzenbereich einerseits und dem Wärmegeber im Temperierbereich des Blattmittenbereiches andererseits in Wirkverbindung steht, um so die durch den Wärmeaufnehmer aufgenommene Wärme zum Wärmegeber transportieren zu können. Bei der Wärmeleitung kann es sich dabei um eine Feststoffwärmeleitung handeln, wobei die Wärmeleitung eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/mK, vorzugsweise mindestens 200 W/mK hat. Geeignete Materialien für eine Wärmeleitung wäre hier bspw. eine Wärmeleitung aus Kupfer oder Aluminium.
In einer zweiten alternativen oder gegebenenfalls auch zusätzlichen Ausführungsform weist die Wärmetransportvorrichtung der Enteisungseinrichtung mindestens einen Fluidkreislauf mit einem wärmeleitfähigen Fluid auf, der mit dem Wärmeaufnehmer zum Aufnehmen der durch den Wärmeaufnehmer aufgenommenen Wärme an das zirkulierende Fluid in Wirkverbindung steht und der mit dem Wärmegeber zum Abgeben der durch das zirkulierende Fluid transportierten Wärme an den Wärmegeber in Wirkverbindung steht. Der Fluidkreislauf ist dabei in oder an dem Rotorblatt so angeordnet, dass das Fluid zwischen dem Blattspitzenbereich zur Aufnahme der Wärme und dem Blattmittenbereich bzw. dem Temperierbereich zur Abgabe der aufgenommenen Wärme in beide Richtungen zirkulieren kann, sodass durch den Wärmeaufnehmer zunächst Wärme an das Fluid abgegeben, dann das erwärmte Fluid in Richtung Blattwurzel bewegt und dort die Wärme im Temperierbereich an den Wärmegeber abgegeben wird, wobei dann das erkaltete Fluid wieder zurück zum Wärmeaufnehmer zirkuliert.
Ein derartiger Fluidkreislauf nutzt dabei die bei der Rotation des Rotorblattes entstehenden Fliehkräfte, die spannweitig in Richtung Blattspitze ausgerichtet sind, um so das Fluid nach dem Prinzip einer Schwerkraftpumpe in eine Zirkulation zu versetzen. Dabei ergibt sich aufgrund der Dichteunterschiede der warmen Flüssigkeit im Blattspitzenbereich gegenüber der abgekühlten Flüssigkeit im Temperierbereich ein Differenzdruck, der den geschlossenen Kreislauf in eine zirkulierende Strömung versetzt. Basierend auf dem Prinzip der Schwerkraftpumpe ergibt sich somit aufgrund der Dichteunterschiede der warmen Flüssigkeit bzw. des warmen Fluides im Vorlauf und der abgekühlten Flüssigkeit bzw. des abgekühlten Fluides im Rücklauf ein Differenzdruck, der die Zirkulation in Gang setzt, wobei je nach verwendetem Fluid bereits weniger als 5 K Temperaturunterschied auch bei kleinen Rohrdurchmessern von unter 4 mm ausreichen, um die Zirkulation in Gang zu setzen und die entgegenwirkende Rohrreibung zu überwinden. Das warme Fluid strömt dann vom Wärmeaufnehmer im Blattspitzenbereich in Richtung Blattwurzel zum Wärmegeber und gibt dort die Wärme in dem Temperierbereich an die kalte aerodynamische Profiloberfläche ab, um Eisansatz zu verhindern bzw. abzubauen. Das kalte Fluid strömt dann vom Wärmegeber zurück zum Wärmeaufnehmer in Richtung Blattspitze.
Vorteilhafter Weise ist dabei der Rücklauf des Fluidkreislaufes wärmeisoliert, um so die Wärmeaufnahme im Rücklauf zu reduzieren und so die Zirkulation zu fördern.
Demzufolge weist der Fluidkreislauf vorzugsweise einen Vorlauf auf, der die Wärme vom Wärmeaufnehmer zum Wärmegeber transportiert, sowie einen Rücklauf auf, der das erkaltete Fluid vom Wärmegeber zurück zum Wärmeaufnehmer transportiert. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Vorlauf im Bereich der Vorderkante des Rotorblattes und der Rücklauf im Bereich der Hinterkante des Rotorblattes angeordnet ist, um so insbesondere den Bereich der Vorderkante zu temperieren. Dabei ist es denkbar, dass zumindest im oberen Drittel, vorzugsweise in der oberen Hälfte des Rotorblattes der Vorlauf isoliert ist, um so eine vorzeitige Wärmeabgabe zu verhindern.
Bei dem erfindungsgemäßen Rotorblatt kann es sich dabei um ein Rotorblatt für Hubschrauberrotoren, Tragschrauberrotoren, ein Rotorblatt für Propeller oder ein Rotorblatt für Windkraftrotoren handeln.
Es ist des Weiteren gerade bei Rotoren vorteilhaft, die bereits eine Energieeinspeisung vom stehenden System in das drehende System haben, wenn ein zusätzliches Heizelement vorgesehen ist, welches im Bereich des Wärmeaufnehmers und/oder im Bereich der Wärmetransportvorrichtung angeordnet ist, um zusätzliche Wärme für die Enteisungseinrichtung zur Verfügung zu stellen. Wird beispielsweise elektrische Energie vom stehenden System in das drehende System gebracht, so kann über ein zusätzliches aktives Heizelement die Wärmeaufnahme erhöht werden, da nun mehr Wärme der Enteisungseinrichtung zur Verfügung steht. Denkbar ist aber auch, dass ein autarkes Energiesystem, bspw. durch Solarzellen, im drehenden System elektrische Energie bereitstellt, die dann für eine zusätzliche Wärmezufuhr durch das Heizelement verwendet wird. Dass zusätzliche Heizelement kann dabei bedarfsweise zugeschaltet werden und dient dabei der Unterstützung bei der Wärmeaufnahme, damit genügend Wärme zur Enteisung bereitsteht. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Heizleistung aufgrund geringer Blattspitzengeschwindigkeiten geringer ist und somit möglicherweise nicht genügend Wärme aufgenommen werden kann.
Daher wird vorteilhafterweise ein Rotorblatt vorgeschlagen, dass ein zusätzliches Heizelement hat, welches zum Erzeugen von Wärme am Wärmeaufnehmer und/oder an der Wärmetransportvorrichtung ausgebildet ist. Das Heizelement ist vorzugsweise so ausgebildet, dass das Heizelement zum Erzeugen von Wärme mittels elektrischer Energie ausgebildet ist.
Im Übrigen wird die Aufgabe auch mit dem Verfahren zum Enteisen einer aerodynamischen Profiloberfläche eines Rotorblattes gemäß Anspruch 11 gelöst, wobei während einer Rotationsbewegung des Rotorblattes

- mittels eines Wärmeaufnehmer des Rotorblattes die bei der Rotationsbewegung des Rotorblattes im Blattspitzenbereich an der aerodynamischen Profiloberfläche entstehende Reibungswärme aufgenommen wird,
- die mittels des Wärmeaufnehmers aufgenommene Wärme mittels einer Wärmetransportvorrichtung in Richtung Blattwurzel des Rotorblattes transportiert wird, und
- die in Richtung Blattwurzel des Rotorblattes transportierte Wärme in einem Temperierbereich des Blattmittenbereiches an die aerodynamische Profiloberfläche mittels eines mit der Wärmetransportvorrichtung in Wirkverbindung stehenden Wärmegebers abgegeben wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 Diagramm der mittleren Temperaturerhöhung in Abhängig vom Blattradius;
2 schematische Darstellung eines Rotorblattes mit einem Fluidkreislauf;
3 schematische Darstellung eines Rotorblattes mit Wärmeleitung.

1 zeigt ein Diagramm der mittleren Temperaturerhöhung in Abhängigkeit vom Blattradius r/R. Die Blattspitzen von modernen Hubschraubern haben eine mittlere Umfangsgeschwindigkeit von etwa 220 m/s. Durch Kompressionseffekte der Luft im Bereich der Blattvorderkante (Staupunkt) sowie durch Reibungseffekte der umströmenden Luft mit der Grenzschicht des Blattprofils entsteht eine Temperaturerhöhung der Luft, welche sich ebenfalls in einer Temperaturerhöhung im Rotorblatt auswirkt. Bei 220 m/s Blattspitzengeschwindigkeit ergibt sich theoretisch eine Temperaturerhöhung, die quadratisch von der Radiusposition r/R abhängig ist und zwischen 20 K (Reibung) und 24 K (Staupunkt/adiabate Kompression) liegt, wie in 1 gezeigt ist. Im Windkanalversuch konnte darüber hinaus ein mittlerer Temperaturunterschied der Blattspitze zur Umgebungstemperatur von etwa 30 K experimentell ermittelt werden.
Die so entstandene Wärme im Blattaußenbereich kann genutzt werden, um eine Eisbildung am Rotorblatt zu vermeiden bzw. gegebenenfalls aufzulösen.
2 zeigt schematisch ein Rotorblatt 1, das sich von einer Blattwurzel 2 spannweitig bis zu einer Blattspitze 3 erstreckt. Ausgehend von der Blattwurzel 2 weist das Rotorblatt 1 einen Blattmittenbereich 4 auf, an den sich in Richtung Blattspitze 3 ein Blattspitzenbereich 5 anschließt. Im Ausführungsbeispiel der 2 sind die unteren zwei Drittel des Rotorblattes als Blattmittenbereich 4 definiert, während das obere Drittel in Richtung Blattspitze 3 als Blattspitzenbereich 5 definiert ist.
Im Blattspitzenbereich 5 des Rotorblattes 1 ist ein Wärmeaufnehmer 10 vorgesehen, der zum Aufnehmen von Wärme an der aerodynamischen Profiloberfläche im Blattspitzenbereich 5 bei einer Rotationsbewegung des Rotorblattes ausgebildet ist. Die durch den Wärmeaufnehmer 10 aufgenommene Wärme wird dann an ein Fluid eines Fluidkreislaufes 11 übertragen, wobei Fluidkreislauf 11 und Wärmeaufnehmer 10 im Blattspitzenbereich 5 auch dasselbe sein können.
Entlang der Vorderkante 6 wird nun das temperierte Fluid des Fluidkreislaufes 11 in Richtung Blattwurzel transportiert bzw. fließt in diese Richtung, wobei sich der Fluidkreislauf 11 im Ausführungsbeispiel der 2 bis an den Anfang des Blattmittenbereiches 4 nahe der Blattwurzel 2 erstreckt. In einem Temperierbereich 12 des Rotorblattes 1 im Blattmittenbereich 4 erfolgt dann die Wärmeabgabe mit Hilfe eines Wärmegebers 13, um so gerade die unteren Bereiche des Rotorblattes zu temperieren.
An einer Hinterkante 7 des Rotorblattes 1 erfolgt dann der Rücklauf des Fluidkreislaufes 11 zurück zum Blattspitzenbereich 5, um so den Fluidkreislauf 11 zu schließen. Der Rücklauf im Bereich der Hinterkante 7 des Fluidkreislaufes 11 kann dabei wärmeisoliert sein, um eine weitergehende Temperierung des Fluides und Aufnahme von Wärme entgegenzuwirken.
Als Fluid des Fluidkreislaufes 11 kann bspw. eine Frostschutzflüssigkeit in Frage kommen oder eine andere Flüssigkeit oder Fluid, das geeignet ist, Wärme aufzunehmen und Wärme abzugeben und vorzugsweise bei Temperaturen zwischen -50° C und +80° C den flüssigen Zustand beibehält.
Basierend auf dem Prinzip der Schwerkraftpumpe ergibt sich aufgrund der Dichteunterschiede des erwärmten Fluides im Vorlauf und des abgekühlten Fluides im Rücklauf ein Differenzdruck, der den geschlossenen Kreislauf in eine zirkulierende Strömung versetzt. Je nach verwendetem Fluid reichen dabei weniger als 5 K Temperaturunterschied auch bei kleinen Rohrdurchmessern von unter 4 mm, um die Zirkulation in Gang zu setzen und die entgegenwirkende Rohrreibung zu überwinden. Hierdurch wird ohne zusätzliche aktive Systeme ein zirkulierendes Fluid bei der Bewegung des Rotorblattes erzeugt, welches kontinuierlich Wärme in Richtung Blattwurzel transportiert und dort die aerodynamische Profiloberfläche des Rotorblattes 1 erwärmt.
In 2 ist des Weiteren ein zusätzliches Heizelement 30 gezeigt, welches bspw. mittels elektrischer Energie zusätzliche Wärme im Bereich des Wärmeaufnehmers und/oder der Wärmetransportvorrichtung erzeugt. Dieses optionale Heizelement 30 ist besonders vorteilhaft bei langsam drehenden Rotorblättern.
3 zeigt ein Rotorblatt 1 in einer gleichen Bauausführung wie in 2 mit dem Unterschied, dass die Enteisungseinrichtung nicht mit Hilfe eines Fluidkreislaufes 11 realisiert wird, sondern mit einer Wärmeleitung 20, die ein hochwärmeleitfähiges Material hat. Im Blattspitzenbereich 5 wird wieder mit Hilfe eines Wärmeaufnehmers 10 Wärme an der aerodynamischen Profiloberfläche aufgenommen und an die Wärmeleitung 20 abgegeben. Diese transportiert in Form eines Wärmeflusses die aufgenommene Wärme in Richtung Blattwurzel 2 und gibt sie dort im Temperierbereich 12 mit Hilfe eines Wärmegebers 13 ab.
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist die Wärmeleitung dabei so vorgesehen, dass die Wärmeleitung zunächst an der Hinterkante 7 des Rotorblattes 1 bis zu einem Endbereich in der Nähe der Blattwurzel 2 geführt und dann an der Vorderkante 6 bis in den Temperierbereich 12 geleitet wird. An der Hinterkante 7 ist die Wärmeleitung 20 dabei wärmeisoliert, um einem möglichen Temperaturverlust entgegenzuwirken. Durch eine derartige Anordnung der Wärmeleitung 20 wird erreicht, dass das Rotorblatt 1 zum Zwecke der Enteisung im Sinne der vorliegenden Erfindung von der Blattwurzel 2 in Richtung Blattspitzenbereich 5 temperiert wird, was dem Gefährdungspotential bzgl. einer Vereisung entgegenkommt.
Durch eine Trennung der Wärmeleitung 20 an der Vorderkante wird der Wärmefluss innerhalb des Rotorblattes Richtung Blattwurzel geleitet und gelangt so gezielt an die Vorderkante, wo die aufgenommene Wärme zur Temperierung der aerodynamischen Profiloberfläche genutzt wird. Das hat den Vorteil, dass die Wärme als erstes dort abgegeben werden kann, wo die niedrigste Temperatur am Blatt vorherrscht.
Bezugszeichenliste

1: Rotorblatt
2: Blattwurzel
3: Blattspitze
4: Blattmittenbereich
5: Blattspitzenbereich
6: Vorderkante
7: Hinterkante
10: Wärmeaufnehmer
11: Fluidkanal
12: Temperierbereich
13: Wärmegeber
20: Wärmeleitung
30: aktives Heizelement

Claims

Rotorblatt (1) mit einer aerodynamischen Profiloberfläche, wobei das Rotorblatt (1) sich von einer Blattwurzel (2) über einen Blattmittenbereich (4) hin zu einem Blattspitzenbereich (5) spannweitig erstreckt und an der Blattwurzel (2) zum Befestigen mit einer Rotornabe ausgebildet ist, und wobei das Rotorblatt (1) eine Enteisungseinrichtung zum Enteisen zumindest eines Teils der aerodynamischen Profiloberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Enteisungseinrichtung aufweist: - einen Wärmeaufnehmer (10), der zum Aufnehmen von Wärme an der aerodynamischen Profiloberfläche im Blattspitzenbereich (5) bei einer Rotationsbewegung des Rotorblattes (1) ausgebildet ist, - eine an oder in dem Rotorblatt (1) vorgesehene Wärmetransportvorrichtung, die zum Transportieren der durch den Wärmeaufnehmer (10) im Blattspitzenbereich (5) aufgenommenen Wärme in Richtung Blattwurzel (2) ausgebildet ist, und - einen mit der Wärmetransportvorrichtung in Verbindung stehenden Wärmegeber (13), der die in Richtung Blattwurzel (2) transportierte Wärme in einem Temperierbereich (12) an die aerodynamische Profiloberfläche abgibt.
Rotorblatt (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransportvorrichtung zumindest teilweise temperaturisoliert ist.
Rotorblatt (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmegeber (13) so angeordnet ist, dass die von der Wärmetransportvorrichtung transportierte Wärme in einer ersten Hälfte, vorzugsweise in einem ersten Drittel, des sich an der Blattwurzel (2) anschließenden Blattmittenbereiches (4) an die aerodynamische Profiloberfläche in dem Temperierbereich (12) abgegeben wird.
Rotorblatt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmegeber (13) so angeordnet ist, dass die von der Wärmetransportvorrichtung transportierte Wärme in einem Vorderkantenbereich des Rotorblattes (1) an die aerodynamische Profiloberfläche in dem Temperierbereich (12) abgegeben wird.
Rotorblatt (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransportvorrichtung der Enteisungseinrichtung mindestens eine Wärmeleitung (20) aus einem wärmeleitfähigen Material hat, wobei die mindestens eine Wärmeleitung (20) mit dem Wärmeaufnehmer (10) im Blattspitzenbereich (5) einerseits und dem Wärmegeber (13) im Temperierbereich (12) des Blattmittenbereiches (4) andererseits in Wirkverbindung steht.
Rotorblatt (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmeleitung (20) eine Feststoffwärmeleitung und/oder dass die Wärmeleitung (20) eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/mK, vorzugsweise mindestens 200 W/mK hat.
Rotorblatt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransportvorrichtung der Enteisungseinrichtung mindestens einen Fluidkreislauf mit einem Fluid hat, der mit dem Wärmeaufnehmer (10) zum Aufnehmen der durch den Wärmeaufnehmer (10) aufgenommenen Wärme an das zirkulierende Fluid in Wirkverbindung steht und der mit dem Wärmegeber (13) zum Abgeben der durch das zirkulierende Fluid transportierten Wärme an den Wärmegeber (13) in Wirkverbindung steht.
Rotorblatt (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkreislauf einen Vorlauf hat, um durch das zirkulierende Fluid aufgenommene Wärme von dem Wärmeaufnehmer (10) zum Wärmegeber (13) zu transportieren, und einen Rücklauf hat, mit dem das zirkulierende Fluid vom Wärmegeber (13) zurück zum Wärmeaufnehmer (10) bewegt wird.
Rotorblatt (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauf im Bereich einer Vorderkante (6) des Rotorblattes (1) und der Rücklauf im Bereich einer Hinterkante (7) des Rotorblattes (1) angeordnet ist.
Rotorblatt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt (1) ein Rotorblatt (1) für Hubschrauberrotoren, Tragschrauberrotoren, für Propeller oder für Windkraftrotoren ist.
Verfahren zum Enteisen einer aerodynamischen Profiloberfläche eines Rotorblattes (1), welches sich von einer Blattwurzel (2) über einen Blattmittenbereich (4) hin zu einem Blattspitzenbereich (5) spannweitig erstreckt, mittels einer an dem Rotorblatt (1) vorgesehenen Enteisungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Rotationsbewegung des Rotorblattes (1) - mittels eines Wärmeaufnehmers (10) des Rotorblattes (1) die bei der Rotationsbewegung des Rotorblattes (1) im Blattspitzenbereich (5) an der aerodynamischen Profiloberfläche entstehende Wärme aufgenommen wird, - die mittels des Wärmeaufnehmers (10) aufgenommene Wärme mittels einer Wärmetransportvorrichtung in Richtung Blattwurzel (2) des Rotorblattes (1) transportiert wird, und - die in Richtung Blattwurzel (2) des Rotorblattes (1) transportierte Wärme in einem Temperierbereich (12) an die aerodynamische Profiloberfläche mittels eines mit der Wärmetransportvorrichtung in Wirkverbindung stehenden Wärmegebers (13) abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Wärmetransportvorrichtung transportierte Wärme in einer ersten Hälfte, vorzugsweise in einem ersten Drittel, des sich an der Blattwurzel (2) anschließenden Blattmittenbereiches (4) an die aerodynamische Profiloberfläche in dem Temperierbereich (12) abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Wärmetransportvorrichtung transportierte Wärme in einem Vorderkantenbereich des Rotorblattes (1) an die aerodynamische Profiloberfläche in dem Temperierbereich (12) abgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die im Blattspitzenbereich (5) aufgenommene Wärme mittels einer Wärmeleitung (20) aus einem wärmeleitfähigen Material zu dem Wärmegeber (13) transportiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die im Blattspitzenbereich (5) aufgenommene Wärme mittels eines in einem Fluidkreislauf zirkulierenden Fluides zu dem Wärmegeber (13) transportiert wird.