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Die Erfindung betrifft einen Profilkörper umfassend mindestens einen verstellbaren Hinterkantenabschnitt und mehrere Aktoren, die zur Verstellung des Hinterkantenabschnitts eingerichtet sind, wobei durch Verstellung des Hinterkantenabschnitts die Profilform des Profilkörpers veränderbar ist, wobei wenigstens zwei Aktoren als bistabile Aktoren ausgebildet sind, die jeweils zwei unterschiedliche stabile Stellungen einnehmen können, wobei die wenigstens zwei bistabilen Aktoren eine Aktorengruppe bilden und bei der Verstellung des Hinterkantenabschnitts funktional zusammenwirken.
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Solche Profilkörper werden in unterschiedlichen Bereichen der Technik eingesetzt, z.B. als aerodynamische Profilkörper oder hydrodynamische Profilkörper. Im Bereich der aerodynamischen Profilkörper kann der Profilkörper beispielsweise als Rotorblatt eines Luftfahrzeugs oder einer Windenergieanlage ausgebildet sein, oder als Propellerblatt eines Luftfahrzeugs. Der Profilkörper kann auch als sonstiger Auftriebskörper eines Luftfahrzeugs ausgebildet sein, z.B. als Tragfläche oder als Leitwerk. Der verstellbare Hinterkantenabschnitt kann als Leitwerks- oder Steuerfläche eines Luftfahrzeugs ausgebildet sein.
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Im Bereich von Rotorblättern von Windenergieanlagen kann der verstellbare Hinterkantenabschnitt insbesondere zur Verstellung der Profilform im Sinne der Profilwölbung eingesetzt werden. Durch solche Verstellungen der Profilform kann das Rotorblatt an sich verändernde Angriffswinkel der anströmenden Luft angepasst werden. Beispiele für solche Profilkörper sind aus der
EP 2 757 254 B1 oder der
EP 2 865 890 B1 bekannt.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die Verstellung eines solchen Profilkörpers einfacher und effizienter zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird bei einem Profilkörper der eingangs genannten Art gelöst durch eines oder beide der folgenden Merkmale a), b).
- a) die wenigstens zwei bistabilen Aktoren der Aktorengruppe sind in mechanischer Parallelschaltung mit Teilen des Profilkörpers gekoppelt,
- b) einer, mehrere oder alle der bistabilen Aktoren der Aktorengruppe sind im Winkel zu den benachbarten Außenoberflächen des Profilkörpers angeordnet.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass der Profilkörper auf einfache Weise ohne größere aerodynamische Eingriffe an veränderte Strömungsbedingungen angepasst werden kann. Da bistabile Aktoren eingesetzt werden, ist auch der Energieverbrauch vergleichsweise gering.
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Bistabile Aktoren haben die Eigenschaft, in zwei unterschiedliche stabile Stellungen eingestellt werden zu können. Jede dieser stabilen Stellungen wird dabei selbstständig gehalten, auch ohne dass Energie zugeführt wird. Ist der bistabile Aktor beispielsweise elektrisch ansteuerbar, so kann von der einen stabilen Stellung in die andere stabile Stellung durch einen kurzen Stromstoß umgeschaltet werden.
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Vorteilhafterweise werden bei der vorliegenden Erfindung die wenigstens zwei bistabilen Aktoren zu einer Aktorengruppe zusammengefasst, derart, dass die wenigstens zwei bistabilen Aktoren bei der Verstellung des Hinterkantenabschnitts funktional zusammenwirken. Dies hat den Vorteil, dass trotz der Verwendung bistabiler Aktoren, die nur zwei unterschiedliche stabile Stellungen einnehmen können, durch die gesamte Aktorengruppe mehr als zwei stabile Stellungen eingestellt werden können, z.B. drei Stellungen oder vier Stellungen, wenn zwei bistabile Aktoren in der Aktorengruppe vorhanden sind. Durch eine höhere Anzahl bistabiler Aktoren in der Aktorengruppe kann eine noch höhere Anzahl stabiler Stellungen bereitgestellt werden. Auf diese Weise kann durch die Anordnung der bistabilen Aktoren eine insgesamt multistabile Aktorengruppe bereitgestellt werden.
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Bei Anwendung der Erfindung in Rotorblättern von Windenergieanlagen ist es beispielsweise möglich, auch auf kurzfristige Änderungen der Windrichtung und auf Windböen mit einer Verstellung der Profilform zu reagieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Verstellung der Profilform sehr kurzfristig erfolgen kann (geringe Reaktionszeit).
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Ein solcher Profilkörper sowie die bistabilen Aktoren können relativ kostengünstig realisiert werden, z.B. durch smarte Materialien. Als Materialien für die bistabilen Aktoren kommen verschiedene Varianten in Frage, z.B. Faserverbunde, Metalle und/oder Kunststoffe.
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Zudem kann eine besonders verschleißarme und dementsprechend wartungsarme Aktuatorik bereitgestellt werden. Dementsprechend kann ein einfach designtes und leichtes Aktuatoren-System bereitgestellt werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die wenigstens zwei bistabilen Aktoren der Aktorengruppe in mechanischer Parallelschaltung mit Teilen des Profilkörpers gekoppelt. Mit dem Begriff der mechanischen Parallelschaltung werden in diesem Zusammenhang alle Arten der Kopplung verstanden, bei denen die wenigstens zwei bistabilen Aktoren nicht hintereinander (bzw. gestaffelt, in Reihe) angeordnet sind. Die Aktoren müssen dabei nicht geometrisch unbedingt parallel zueinander angeordnet sein, sie können auch einen Winkel zueinander aufweisen. Durch die mechanische Parallelschaltung wird eine vielfache Verstellbarkeit der Profilform bei zugleich günstiger Unterbringung der Aktoren im Profilkörper ermöglicht.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind einer, mehrere oder alle der bistabilen Aktoren der Aktorengruppe im Winkel zu den benachbarten Außenoberflächen des Profilkörpers angeordnet. Dementsprechend ist ein Winkel zwischen der Außenoberfläche des Profilkörpers an der Profiloberseite zu dem bistabilen Aktor vorhanden, und ebenso ein Winkel zwischen der Außenoberfläche an der Profilunterseite zu dem bistabilen Aktor. Dementsprechend ist der bistabile Aktor weder parallel zur Außenoberfläche der Profilunterseite noch zur Außenoberfläche der Profiloberseite angeordnet. Dies bezieht sich jeweils auf die dem Aktor benachbarte Außenoberfläche.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Winkel wenigstens 10 Grad beträgt. Dementsprechend beträgt der Winkel eines solchen bistabilen Aktors zur Außenseite an der Profiloberseite wenigstens 10 Grad, und ebenso der Winkel des Aktors gegenüber der Außenseite der Profilunterseite wenigstens 10 Grad. Es können auch größere Winkel realisiert sein, z.B. wenigstens 20 Grad oder wenigstens 30 Grad. Sämtliche Winkelangaben beziehen sich auf ein Kreismaß von 360 Grad.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass einer, mehrere oder alle der bistabilen Aktoren der Aktorengruppe als plattenförmige Aktoren ausgebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass die Aktoren gut innerhalb des Profilkörpers untergebracht werden können und dort befestigt werden können, z.B. auf der einen Seite an der Profiloberseite und auf der anderen Seite an der Profilunterseite (D iagonal-Befestigung).
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass einer, mehrere oder alle der bistabilen Aktoren der Aktorengruppe sich in dem Profilkörper diagonal von der Profiloberseite zur Profilunterseite erstrecken. Dies erlaubt eine einfache Anordnung und Fixierung des bistabilen Aktors in dem Profilkörper. Zudem wird hierdurch bei einer Verstellung des Hinterkantenabschnitts eine gute Kraftübertragung von dem Aktor auf den Profilkörper erzielt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch Betätigung der wenigstens zwei bistabilen Aktoren der Aktorengruppe die Profilform des Profilkörpers gegenüber einer Neutralstellung wahlweise positiv oder negativ verwölbbar ist. Dementsprechend kann durch die eine Aktorengruppe die Profilform in beiden Richtungen gegenüber der Neutralstellung verändert werden. Auf diese Weise kann z.B. bei einem Leitwerk ein Ausschlag in beiden Richtungen gewährleistet werden, z.B. bei einem Seitenruder nach rechts und nach links, oder bei einem Höhenruder oder Querruder nach oben und nach unten.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass einer, mehrere oder alle der bistabilen Aktoren der Aktorengruppe in einer der zwei unterschiedlichen stabilen Stellungen eine ebene Form hat und in der anderen der zwei unterschiedlichen stabilen Stellungen eine gewölbte Form hat. Dies hat den Vorteil, dass solche Aktoren durch käuflich erhältliche Komponenten realisiert werden können, sodass diesbezüglich kein oder nur ein geringer Entwicklungsaufwand anfällt. Beispielsweise kann der Aktor als MFC-Aktor (MFC - Macro Fiber Composite) ausgebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass einer, mehrere oder alle der bistabilen Aktoren der Aktorengruppe einen bistabilen Laminatkörper aufweisen. Dies erlaubt eine kostengünstige Realisierung eines praxistauglichen, robusten bistabilen Aktors. Der Laminatkörper kann z.B. als MFC ausgebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass einer, mehrere oder alle der bistabilen Aktoren der Aktorengruppe einen elektrisch ansteuerbaren Betätiger aufweisen, bei dessen Betätigung eine planare Dehnung in einem Kontaktbereich zwischen dem Betätiger und dem bistabilen Laminatkörper erzeugt wird. Durch einen solchen Betätiger kann der bistabile Laminatkörper zwischen seinen zwei stabilen Stellungen hin- und hergeschaltet werden. Durch die elektrische Ansteuerbarkeit sind vielfältige Steuerungsmöglichkeiten gegeben, insbesondere durch eine Steuerungselektronik, die durch Verarbeitung unterschiedlichster Eingangssignale die jeweils notwendige Betätigung des bistabilen Aktors durchführen kann. So kann insbesondere durch eine Regelkette die Einstellung der korrekten Profilform des Profilkörpers sichergestellt werden. Der Betätiger kann z.B. als piezoelektrischer Flächenwandler der Firma PI Ceramic GmbH ausgebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Betätiger als piezoelektrischer Betätiger ausgebildet ist. Dies erlaubt eine einfache elektrische Betätigung bei zugleich großer Betätigungskraft.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Profilkörper als Rotorblatt ausgebildet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Profilkörper wenigstens einen Sensor aufweist, mit dem die durch die Aktorengruppe erzeugte Verstellung des Hinterkantenabschnitts erfassbar ist. Auf diese Weise kann die von der Aktorengruppe erzeugte Verstellung des Hinterkantenabschnitts automatisch überwacht werden. Hiermit kann sichergestellt werden, dass die einmal eingestellte Position eingehalten wird. Durch das Signal des Sensors kann zudem ein Regelkreis gebildet werden, mit dem die Einhaltung der eingestellten Position sichergestellt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Profilkörper entlang seiner Profillängserstreckung in mehrere Kammern aufgeteilt ist und die bistabilen Aktoren der Aktorengruppe in einer Kammer angeordnet sind oder auf wenigstens zwei Kammern verteilt angeordnet sind. Die Kammern können beispielsweise durch senkrecht oder schräg zur Profillängserstreckung angeordnete Wände in dem Profilkörper voneinander getrennt sein. Dies erlaubt eine günstige Unterbringung der bistabilen Aktoren bei zugleich hohem mechanischem Wirkungsgrad der Betätigung. Wenn bistabile Aktoren in einer Kammer angeordnet sind, so können sie im Profilquerschnitt gesehen über Kreuz angeordnet sein, wobei sich die Aktoren aber nicht oder zumindest nicht wesentlich berühren sollten. Die Profillängserstreckung ist dabei diejenige Richtung, entlang der der Profilkörper von außen umströmt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Profilkörper einen Frontabschnitt und den verstellbaren Hinterkantenabschnitt aufweist, der in Umströmungsrichtung des Profilkörpers hinter dem Frontabschnitt angeordnet ist, wobei wenigstens ein bistabiler Aktor der Aktorengruppe im Frontabschnitt angeordnet ist und wenigstens ein bistabiler Aktor der Aktorengruppe im verstellbaren Hinterkantenabschnitt angeordnet ist. Auch dies ist förderlich für eine zuverlässige Verstellung der Profilform durch die Aktorengruppe.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 bis 3 eine erste Ausführungsform eines Profilkörpers in verschiedenen Verstellpositionen und
- 4 bis 6 eine zweite Ausführungsform eines Profilkörpers in verschiedenen Verstellpositionen.
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In sämtlichen Zeichnungen ist ein Profilkörper 1 in seitlicher Querschnittsdarstellung wiedergegeben, sodass die Profilform erkennbar ist. In der 1 ist zudem durch Pfeile links von dem Profilkörper die Umströmungsrichtung des Profilkörpers 1 dargestellt, d.h. diejenige Richtung, für die der Profilkörper bezüglich der Anströmung eines umgebenden Fluids, z.B. ein Gas oder eine Flüssigkeit, eingerichtet ist. Das Fluid strömt dabei auf einen Nasenbereich 2 des Profils zu und fließt entlang des Profilkörpers entlang bis zu einer Hinterkante 3 des Profilkörpers 1.
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Der Profilkörper 1 gliedert sich in einen Frontabschnitt 4 und einen in Umströmungsrichtung des Profilkörpers 1 hinter dem Frontabschnitt 4 angeordneten Hinterkantenabschnitt 5. Der Hinterkantenabschnitt 5 ist verstellbar. Durch Verstellung des Hinterkantenabschnitts 5 kann die Profilform des Profilkörpers 1 verändert werden.
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Die 1 zeigt den Profilkörper 1 in einer Neutralstellung. Gemäß 2 ist der Profilkörper negativ verwölbt, d.h. der verstellbare Hinterkantenabschnitt 5 zeigt gegenüber der Neutralstellung nach oben. In der 3 ist der Profilkörper 1 positiv verwölbt. In diesem Fall zeigt der Hinterkantenabschnitt 5 gegenüber der Neutralstellung nach unten.
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In dem Profilkörper 1 ist eine Aktorengruppe aus zwei bistabilen Aktoren 6, 7 angeordnet. Die Aktoren 6, 7 erstrecken sich über Kreuz jeweils von einer Befestigungsposition an der Profilunterseite zu einer Befestigungsposition an der Profiloberseite.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Profilkörper 1 durch innerhalb des Profilkörpers 1 angeordnete Wände 9 in mehrere Kammern 8 aufgeteilt. In der Ausführungsform gemäß den 1 bis 3 sind die zwei Aktoren 6, 7 in der hintersten Kammer 8 des Frontabschnitts 4 angeordnet. Der Aktor 6 erstreckt sich von einer Befestigungsposition an der Kontaktstelle der einen Wand 9 mit der Profiloberseite zu einer Übergangsstelle, an der die Profilunterseite in den Hinterkantenabschnitt 5 übergeht. Der Aktor 7 erstreckt sich von einer Kontaktstelle der Wand 9 mit der Profilunterseite zu einer Übergangsstelle, an der die Profiloberseite in den Hinterkantenabschnitt 5 übergeht.
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Die 1 zeigt den Profilkörper 1 in der Neutralstellung. In diesem Zustand befinden sich beide Aktoren 6, 7 in ihrer jeweiligen ersten stabilen Stellung, in der sie jeweils eine ebene Form haben. Bei der in 2 dargestellten Profilform wurde der Aktor 7 betätigt und befindet sich nun in seiner zweiten stabilen Stellung, in der der Aktor 7 eine gewölbte Form hat.
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In der 3 wurde gegenüber der Neutralstellung der Aktor 6 betätigt und befindet sich nun in seiner zweiten stabilen Stellung, in der dieser eine gewölbte Form hat. Der Aktor 7 befindet sich weiterhin in seiner ersten stabilen Stellung (ebene Form).
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Es ist ferner möglich, beide Aktoren 6, 7 zu betätigen, sodass sie jeweils in ihre zweite stabile Stellung übergehen (gewölbte Form). Hierdurch kann beispielsweise die Profiltiefe (Länge des Profilkörpers in Umströmungsrichtung) verändert werden, z.B. verringert werden.
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Die 4 bis 6 zeigen eine Ausführungsform des Profilkörpers 1, bei der zwei bistabile Aktoren 6, 7 in verschiedenen Kammern 8 angeordnet sind. Die Anordnung des Aktors 6 entspricht dabei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel der 1 bis 3. Der Aktor 7 befindet sich in einer Kammer 8 des Hinterkantenabschnitts 5.
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Die 4 zeigt wiederum die Neutralstellung der Profilform. Die 5 zeigt die positive Verwölbung, die 6 die negative Verwölbung. In der Neutralstellung befinden sich beide Aktoren 6, 7 in ihrer ersten stabilen Stellung (ebene Form). In der 5 wurde der Aktor 6 betätigt, der sich somit in der zweiten stabilen Stellung befindet. In der 6 wurde der Aktor 7 gegenüber der Neutralstellung betätigt. Der Aktor 7 befindet sich dann in der zweiten stabilen Stellung, während der Aktor 6 weiterhin in seiner ersten stabilen Stellung ist. Wie man erkennt, können auch auf diese Weise die gewünschten Änderungen der Profilform realisiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2757254 B1 [0003]
- EP 2865890 B1 [0003]
