DE102018123627B4

DE102018123627B4 - Strömungsprofilelement

Info

Publication number: DE102018123627B4
Application number: DE102018123627.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Geyer; Ennes Sarradj; Gerhard Baumgartner
Original assignee: Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Current assignee: Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2023-06-07
Anticipated expiration: 2038-09-26
Also published as: DE102018123627A1

Abstract

Strömungsprofilelement (10), welches für eine Umströmung mittels eines Strömungsmediums (11) bereitgestellt ist, aufweisend eine Profilelementvorderkante (13), eine Profilelementhinterkante (14), eine sich von der Profilelementvorderkante (13) zur Profilelementhinterkante (14) erstreckende Profilelementmittellinie (17), eine die Profilelementvorderkante (13) und die Profilelementhinterkante (14) verbindende Profilelementoberseite (15) sowie eine die Profilelementvorderkante (14) und die Profilelementhinterkante (15) verbindende Profilelementunterseite (16), wobei die Profilelementhinterkante (14) eine Längserstreckung (19) und über die Längserstreckung (19) zumindest bereichsweise eine Zahnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnung als vertikale Zahnung (23) ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Strömungsprofilelement gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Strömungsprofilelemente an sich sind bereits seit langem und in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt. Bei einer bekannten Ausführungsform handelt es sich um Tragflügelelemente. Im Betrieb derartiger Tragflügelelemente wird an deren Hinterkanten Schall erzeugt. Die Schallentstehung an der Hinterkante von Tragflügeln stellt ein technisches Problem dar, da eine hohe Lärmbelastung auftritt. Theoretische Voraussagen zur Schallminderung an der gezahnten beziehungsweise gezackten Hinterkante ebener Platten sind im Stand der Technik bekannt. Die entsprechende Lehre wird beispielsweise in der DE 10 2006 043 462 A1 und der JP H07-77 211 A offenbart.
Es existieren bereits eine Reihe von Lösungen, die aber zum Teil die Aerodynamik der Tragflügel stark beeinflussen oder bei denen sich die Geometrie der Tragflügel, das heißt deren Profilform, deutlich ändert.
Eine Möglichkeit zur Lärmminderung ist die Modifikation des Materials der Hinterkante, zum Beispiel durch die Verwendung offenporöser Materialien. Das hat aber meist eine Abnahme der erreichbaren Auftriebskraft sowie eine Zunahme der Widerstandskraft zur Folge.
Eine weitere Möglichkeit ist die Modifikation der Hinterkante durch das Anbringen oder Einbringen von Zacken beziehungsweise Zähnen. Das kann entweder durch das Anbringen einer gezahnten ebenen Platte an das Tragflügelprofilelement oder durch das „Herausschneiden“ der Zähne aus dem Profilelement erfolgen. Die erste Variante hat den Vorteil, dass die Zacken sehr einfach nachträglich angebracht werden können. Allerdings ist dafür ein größerer Platzbedarf erforderlich. Auch kann sich die Aerodynamik des Profilelements deutlich ändern. Die zweite Variante hat den Nachteil, dass sich ebenfalls die Aerodynamik des Profils ändert, auch aufgrund der geringeren Auftriebsfläche. Ein weiterer, im Hinblick auf die Akustik sehr wesentlicher Nachteil besteht bei dieser zweiten Variante zudem darin, dass sich durch das Herausschneiden der Zacken an der Wurzel der Zacken eine deutliche Zunahme der Dicke der Hinterkante des Tragflügelprofilelements ergibt, was zu einer starken tonalen Schallentstehung führt. Zwar existieren Ansätze, die herausgeschnittenen Zacken mit offen-porösen Materialien aufzufüllen, um den tonalen Schallanteil zu mindern. Jedoch erfordern diese einen sehr hohen Fertigungsaufwand.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Strömungsprofilelement der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die zuvor genannten Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll ein Strömungsprofilelement bereitgestellt werden, welches fertigungstechnisch einfach herzustellen ist und welches gleichzeitig zu einer deutlichen Schallreduktion während des Betriebs führt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Strömungsprofilelement gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, welches den ersten Aspekt der Erfindung darstellt, das Verfahren zur Herstellung eines Strömungsprofilelements gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 11, welches den zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt, sowie durch die besondere Verwendung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12, welche den dritten Aspekt der Erfindung darstellt.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einem der Erfindungsaspekte beschrieben sind, jeweils vollumfänglich auch im Zusammenhang mit den anderen Erfindungsaspekten, so dass hinsichtlich der Offenbarung eines der Erfindungsaspekte vollinhaltlich stets auch auf die Offenbarungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte Bezug genommen und verwiesen wird, und umgekehrt.
Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf ein Strömungsprofilelement.
Ein Strömungsprofilelement im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Bauteil, welches im bestimmungsgemäßen Gebrauch von einem Strömungsmedium umströmt wird. Das Strömungsprofilelement weist ein bestimmtes Profil auf, das heißt, es hat eine bestimmte Form. Das Profil eines Strömungsprofilelements ist dabei insbesondere der Querschnitt durch das Strömungsprofilelement in Strömungsrichtung.
Bevorzugt wird das Strömungsprofilelement von einem Strömungsmedium in Form eines Gases, insbesondere Luft, umströmt. Natürlich ist die Erfindung grundsätzlich auch in flüssigen Strömungsmedien anwendbar. Die Umströmung des Strömungsprofilelements erfolgt in Strömungsrichtung des Strömungsmediums und zwar insbesondere von einer Profilelementvorderkante hin zu der Profilelementhinterkante. Bei der Profilelementvorderkante, die man auch als Profilnase bezeichnen kann, handelt es sich insbesondere um die vordere Kante des Strömungsprofilelements, die dem Strömungsmedium ausgesetzt ist. Bei der Profilelementhinterkante handelt es sich insbesondere um das hintere Ende des Strömungsprofilelements, das der Profilelementvorderkante gegenüberliegt.
Das Strömungsprofilelement weist zusätzlich eine Profilelementoberseite auf, die sich von der Profilelementvorderkante zur Profilelementhinterkante erstreckt, und die bei positiven Anstellwinkeln insbesondere die Saugseite des Strömungsprofilelements darstellt. Ebenso ist eine Profilelementunterseite vorhanden, die sich ebenfalls von der Profilelementvorderkante zur Profilelementhinterkante erstreckt und die bei positiven Anstellwinkeln insbesondere die Druckseite des Strömungsprofilelements darstellt. Das Strömungsprofilelement hat über seinen Profilverlauf, das heißt über seinen Querschnitt in Strömungsrichtung von der Profilelementvorderkante zur Profilelementhinterkante, eine Profildicke, die variieren kann. Insbesondere nimmt die Profildicke von der Profilelementvorderkante zur Profilelementhinterkante hin ab. Die Profildicke an einem bestimmten Ort entspricht dabei insbesondere dem dortigen Kreisdurchmesser auf der Profilmittellinie.
Die Profilmittellinie ist oftmals auch als Skelettlinie bezeichnet. Die Skelettlinie besteht setzt sich insbesondere aus den einzelnen Mittelpunkten zwischen der Profilelementoberseite und der Profilelementunterseite senkrecht zur Profilsehne zusammen. Die Profilsehne ist der Abstand von der Profilelementvorderkante zur Profilelementhinterkante.
Das Strömungsprofilelement weist zudem eine Längserstreckung auf. Die Längserstreckung des Strömungsprofilelements gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere dessen Erstreckung in Längsrichtung, welche im Sinne der vorliegenden Erfindung die Richtung ist, die senkrecht zur Verbindungslinie zwischen Profilelementvorderkante und Profilelementhinterkante, insbesondere zur Profilsehne, verläuft, und die ebenfalls senkrecht zu einer gedachten Verbindung zwischen der Profilelementoberseite und der Profilelementunterseite ist. Insbesondere entspricht die Längserstreckung des Strömungsprofilelements dessen Spannweite. Die Spannweite entspricht dabei dem Abstand zwischen den beiden Spitzen beziehungsweise Enden des Strömungsprofilelements. Eines dieser Enden ist bevorzugt als ein freies Ende ausgenbildet, während das andere Ende ein solches ist, mit dem das Strömungsprofilelement an einer anderen Einrichtung, beispielsweise einem Flugzeugrumpf, einer sich drehenden Nabe oder dergleichen angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf bestimmte Arten und Typen von Strömungsprofilelementen beschränkt. Bevorzugt handelt es sich bei dem Strömungsprofilelement um eine Tragfläche für ein Flugzeug, eine Turbinenschaufel, ein Rotorblatt einer Windkraftanlage, ein Ventilatorblatt, oder einen Tragflügel.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Zahnung der Profilelementhinterkante nunmehr nicht mehr horizontal ausgebildet ist, wie dies im genannten Stand der Technik der Fall war, sondern dass die Zähnelung nunmehr vertikal ausgeführt ist. Dabei bleibt die Grundfläche des Strömungsprofilelements unverändert und es müssen keine zusätzlichen Bauteile angebracht werden.
Der technischen Wirkung liegt dabei insbesondere zugrunde, dass eine wesentliche Schallquelle, beispielsweise an Windkraftanlagen. Ventilatoren und Flugzeugtragflügeln und dergleichen die Hinterkante der Schaufeln beziehungsweise Flügel ist, wobei durch die Wechselwirkung der Grenzschicht mit der Kante Schall entsteht. Durch die vorliegende Erfindung wird die Geometrie der Profilelementhinterkante so geändert, dass die Schallentstehung deutlich reduziert wird. Gleichfalls wird die Aerodynamik des Strömungsprofilelements, das heißt die resultierende Auftriebs- und Widerstandskraft, nur möglichst wenig beeinflusst.
Die im Stand der Technik bekannten Lösungen des Problems der Schallentstehung beschäftigen sich entweder mit einer flachen Zähnelung, oder mit einer aus einem Strömungsprofilelement herausgeschnittenen Zähnelung. Zu der von den Erfindern entwickelten Variante einer vertikalen Zähnelung, beispielsweise durch abwechselndes Auf- und Abbiegen des Strömungsprofilelements, finden sich im Stand der Technik keinerlei Hinweise und Anregungen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist die Zähnelung nicht mehr in Richtung der Längserstreckung des Strömungsprofilelements, beispielsweise in Spannweitenrichtung, ausgeführt, sondern vertikal. Das geschieht, wie weiter unten noch näher erläutert wird, bevorzugt durch ein insbesondere abwechselndes, insbesondere geringfügiges, Auf- und Abbiegen der Form, insbesondere des Profils, des Strömungsprofilelements. Dabei kommt es zu keiner stumpfen Kante in Strömungsrichtung mehr, wodurch die Entstehung tonalen Schalls vermieden wird. Gleichzeitig ändert sich die Grundfläche des Strömungsprofilelements nicht.
Durchgeführte Windkanalmessungen an Modellen belegen, dass die vertikale Zähnelung zu einer deutlichen breitbandigen Minderung des Hinterkantenschalls führt und kein tonaler Schall entsteht. Gleichzeitig ändert sich die Auftriebskraft gegenüber einem nicht modifizierten Strömungsprofilelements nicht, während die Widerstandskraft nur geringfügig steigt.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Strömungsprofilelement bereitgestellt, welches die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist.
Ein solches Strömungsprofilelement, welches für eine Umströmung mittels eines Strömungsmediums bereitgestellt ist, weist den wie vorstehende beschriebenen Grundaufbau auf, nämlich eine Profilelementvorderkante, eine Profilelementhinterkante, eine sich von der Profilelementvorderkante zur Profilelementhinterkante erstreckende Profilelementmittellinie, eine die Profilelementvorderkante und die Profilelementhinterkante verbindende Profilelementoberseite sowie eine die Profilelementvorderkante und die Profilelementhinterkante verbindende Profilelementunterseite.
Die Profilelementhinterkante weist eine Längserstreckung auf, die insbesondere der oben definierten Längserstreckung des Strömungsprofilelements entspricht. Über die Längserstreckung weist die Profilelementhinterkante zumindest bereichsweise eine Zahnung auf. Bei einer Zahnung, die weiter oben bereits grundsätzlich erläutert worden ist, handelt es sich insbesondere um die meist regelmäßige Ausformung der Hinterkante mit Zähnen, die man auch als Zacken, Zinken oder dergleichen bezeichnen kann.
Erfindungsgemäß ist diese Zahnung in besonderer Weise ausgeführt, nämlich dergestalt, dass die Zahnung als vertikale Zahnung ausgebildet ist.
Eine vertikale Zahnung bedeutet dabei insbesondere, dass die einzelnen Zähne, bezogen auf die Längserstreckung der Profilelementhinterkante, aus der durch die Profilelementhinterkante gebildeten Ebene heraus gerichtet, beispielsweise gebogen, sind. Die Ausrichtung der Zahnung erfolgt damit nicht mehr horizontal in Richtung der Längserstreckung der Profilelementhinterkante, sondern in einer Richtung senkrecht dazu. Das bedeutet, dass die die vertikale Zahnung bildenden Bereiche der Profilelementhinterkante in Längserstreckung der Profilelementhinterkante von dieser nach oben und/oder unten abragen. Die Zahnung ist somit nicht mehr in Längserstreckung, beispielsweise in Spannweitenrichtung des Strömungsprofilelements beziehungsweise der Profilelementhinterkante ausgebildet, sondern senkrecht dazu.
In einer bevorzugten Ausführungsform beginnt die Biegung des Strömungsprofilelements, von der Profilelementvorderkante aus gesehen, bei 75% oder mehr der Profilelementsehnenlänge oder bei 75% oder mehr von der Profilelementmittellinie.
Bevorzugt weist die Profilelementhinterkante über ihre Erstreckung in Längsrichtung, das heißt über ihre Längserstreckung, eine Anzahl von nebeneinander angeordneten oder ausgebildeten Zähnen auf, wobei zumindest einzelne Zähne, bevorzugt alle Zähne, die vertikale Zahnung bilden.
Neben einer solchen vertikalen Zahnung können weiterhin einzelne Zähne eben und ohne vertikal ausgerichteten Verlauf ausgebildet sein.
Bevorzugt sind zumindest einzelne Zähne in Richtung der Profilelementunterseite, welche in Bezug auf das Strömungsprofilelement insbesondere die Druckseite definiert, gebogen. Dadurch ergibt sich eine hohe Auftriebskraft. Alternativ oder zusätzlich sind zumindest einzelne Zähne in Richtung der Profilelementoberseite, welche in Bezug auf das Strömungsprofilelement insbesondere die Saugseite definiert, gebogen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Zähne in einer alternierenden Reihenfolge an der Profilhinterkante ausgeführt, derart, dass erste Zähne in Richtung der Profilelementunterseite gebogen sind, und dass zu den ersten Zähnen unmittelbar benachbarte zweite Zähne in Richtung der Profilelementoberseite gebogen sind, oder dass zu den ersten Zähnen unmittelbar benachbarte zweite Zähne eben und ohne vertikal ausgerichteten Versatz ausgebildet sind.
Mittels der vertikalen Zahnung der Profilelementhinterkante lassen sich verschiedene Ausführungsformen realisieren. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die ersten Zähne in Richtung der Profilelementunterseite gebogen sind, während die zweiten Zähne eben verlaufen und keinen vertikalen ausgerichteten Verlauf haben. Oder aber die ersten Zähne sind in Richtung der Profilelementoberseite gebogen, während die zweiten Zähne eben sind und keinen vertikal ausgerichteten Verlauf haben. Oder aber die ersten Zähne sind in Richtung der Profilelementunterseite gebogen, während die zweiten Zähne in Richtung der Profilelementoberseite gebogen sind. In diesem Fall haben alle Zähne einen vertikal ausgerichteten Verlauf. In noch einer anderen Ausführungsform können sowohl Zähne die in Richtung der Profilelementunterseite und der Profilelementoberseite, als auch eben verlaufende Zähne ohne vertikal ausgerichteten Verlauf bei der vertikalen Zahnung realisiert sein.
Ein weiteres charakteristisches Merkmal der vertikalen Zahnung wird durch die Amplitude gebildet. Bei der Amplitude handelt es sich insbesondere um den Abstand von der Unterkante eines zur Profilelementunterseite, beispielsweise der Druckseite oder Druckkante gebogenen Zahns, zur Unterkante eines zur Profilelementoberseite, beispielsweise der Saugseite oder Saugseite, gebogenen Zahns oder eines ebenen Zahns ohne vertikal ausgerichteten Verlauf. Die Biegungen können dabei jeweils gleiche Amplitude oder unterschiedliche Amplitude in den verschiedenen Richtungen haben. Die Amplitude der Zähnelung sollte aus aerodynamischen Gründen möglichst gering sein. Bezogen auf die Sehnenlänge des Strömungsprofilelements beträgt die Amplitude bevorzugt 0,1% bis 10% der Sehnenlänge, beispielsweise kleiner/gleich 2,5% der Länge der Profilelementsehne oder der Profilelementmittellinie, bevorzugt 0,5% oder 1 % oder 1,5% der Länge.
Bevorzugt ist deshalb eine Ausführungsform, bei der die vertikale Zahnung, insbesondere die die vertikale Zahnung bildenden Zähne, eine einheitliche Amplitude aufweisen, oder bei der zumindest einzelne Bereiche der vertikalen Zahnung insbesondere einzelne Zähne der vertikalen Zahnung eine Amplitude aufweisen, die von der Amplitude in anderen Bereichen der vertikalen Zahnung, insbesondere von anderen Zähnen der vertikalen Zahnung, abweicht. Insbesondere beträgt in beiden Fällen die Amplitude in Bezug auf die Profilelementsehnenlänge 0,1% bis 10% der Profilelementsehnenlänge.
Ein weiteres charakteristisches Merkmal der vertikalen Zahnung stellt auch die Wellenlänge dar. Hierbei handelt es sich insbesondere um die Länge von der vorderen Kante eines Zahns bis zur vorderen Kante des nächsten Zahns, dessen Biegung und Ausrichtung gleich ist, und ab dem sich das Biegungsmuster wiederholt. Bezogen auf die Sehnenlänge des Strömungsprofilelements beträgt die Wellenlänge bevorzugt 0,1% bis 10% der Sehnenlänge, beispielsweise kleiner/gleich 2,5% der Länge der Profilelementsehne oder der Profilelementmittellinie, bevorzugt 0,5% oder 1% oder 1,5% der Länge.
Bevorzugt ist deshalb eine Ausführungsform, bei der die vertikale Zahnung, insbesondere die die vertikale Zahnung bildenden Zähne, eine einheitliche Wellenlänge aufweisen, oder bei der zumindest einzelne Bereiche der vertikalen Zahnung insbesondere einzelne Zähne der vertikalen Zahnung eine Wellenlänge aufweisen, die von der Wellenlänge in anderen Bereichen der vertikalen Zahnung, insbesondere von anderen Zähnen der vertikalen Zahnung, abweicht. In beiden Fällen ist insbesondere realisiert, dass die Wellenlänge in Bezug auf die Profilelementsehnenlänge 0,1% bis 10% der Profilelementsehnenlänge beträgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Strömungsprofilelement derart ausgebildet, dass es aus einer Anzahl von Profilelementscheiben besteht, die nebeneinander angeordnet und miteinander verbunden werden beziehungsweise sind und die in ihrer Gesamtheit dann das Strömungsprofilelement bilden. Ein solches Ausführungsbeispiel wird im Folgenden näher erläutert.
In diesem Fall ist das Strömungsprofilelement aus einer Anzahl von einzelnen Strömungsprofilelementscheiben zusammengesetzt, die, aus Richtung der Profielementvorderkante gesehen, nebeneinander angeordnet sind, wobei jede Strömungsprofilelementscheibe eine Profilelementscheibenvorderkante, eine Profilelementscheibenhinterkante, eine sich von der Profilelementscheibenvorderkante zur Profilelementscheibenhinterkante erstreckende Profilelementmittellinie, eine die Profilelementscheibenvorderkante und die Profilelementscheibenhinterkante verbindende Profilelementscheibenoberseite sowie eine die Profilelementscheibenvorderkante und die Profilelementscheibenhinterkante verbindende Profilelementscheibenunterseite aufweist. Die Profilelementscheibenhinterkante der Strömungsprofilelementscheibe bildet einen Zahn der vertikalen Zahnung des Strömungsprofilelements.
Bevorzugt ist bei einer solchen Ausgestaltung weiterhin vorgesehen, dass die Strömungsprofilelementscheiben in Richtung der Profilelementscheibenhinterkante gebogen sind und dass die Biegung des Strömungsprofilelementscheiben, von der Profilelementscheibenvorderkante aus gesehen, bevorzugt bei 75% oder mehr der Profilelementscheibensehnenlänge oder bei 75% oder mehr von der Profilelementscheibenmittellinie beginnt.
Zumindest einzelne der Strömungsprofilelementscheiben weisen bevorzugt eine Profilelementscheibenhinterkante auf, die in Richtung der Profilelementscheibenunterseite, welche in Bezug auf die Strömungsprofilelementscheibe insbesondere die Druckseite definiert, gebogen ist. Alternativ oder zusätzlich weisen zumindest einzelne der Strömungsprofilelementscheiben eine Profilelementscheibenhinterkante auf, die in Richtung der Profilelementscheibenoberseite, welche in Bezug auf die Strömungsprofilelementscheibe insbesondere die Saugseite definiert, gebogen ist. Zumindest einzelne der Strömungsprofilelementscheiben können auch eine Profilelementscheibenhinterkante aufweisen, die nicht gebogen ist. Damit lassen sich die weiter oben beschriebenen verschiedenartigen Ausführungsbeispiele verschiedenartig gezahnter Profilelementhinterkanten realisieren, indem die einzelnen Profilelementscheiben in entsprechender Weise zusammengesetzt werden.
Natürlich kann das Strömungsprofilelement, insbesondere die vertikal gezahnte Profilelementhinterkante auch auf andere Weise hergestellt werden, beispielsweise mittels Fräsung, mittels 3D-Druck, und dergleichen.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Strömungsprofilelements mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 11 bereitgestellt.
Zum Ablauf des Verfahrens wird zusätzlich zu den nachfolgenden Ausführungen auch auf die entsprechenden Verfahrensbeschreibungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Strömungsprofilelement verwiesen. Bevorzugt wird mit dem Verfahren ein Strömungsprofilelement gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellt, wobei das Strömungsprofilelement eine Profilelementvorderkante, eine Profilelementhinterkante, eine sich von der Profilelementvorderkante zur Profilelementhinterkante erstreckende Profilelementmittellinie, eine die Profilelementvorderkante und die Profilelementhinterkante verbindende Profilelementoberseite sowie eine die Profilelementvorderkante und die Profilelementhinterkante verbindende Profilelementunterseite aufweist, und wobei die Profilelementhinterkante eine Längserstreckung und über die Längserstreckung zumindest bereichsweise eine Zahnung aufweist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Profilelementhinterkante in einer Weise modifiziert wird, dass diese, eine vertikale Zahnung aufweist oder bildet, was insbesondere zumindest bereichsweise über ihre Erstreckung in Bezug auf die Erstreckungsrichtung in Längsrichtung der Fall ist.
In bevorzugter Ausführung wird zur Erzeugung der vertikalen Zahnung der Profilhinterkante das Strömungsprofilelement, insbesondere die Profilelementmittellinie des Strömungsprofilelements, gebogen, wobei die Biegung des Strömungsprofilelements, von der Profilelementnase aus gesehen, bevorzugt bei 75% oder mehr der Profilelementsehnenlänge des Strömungsprofilelements oder bei 75% oder mehr von der Profilelementmittellinie beginnt.
Wenn das Strömungsprofilelement aus einer Anzahl von Strömungsprofilelementscheiben zusammengesetzt wird, werden zur Herstellung des Strömungsprofilelements bevorzugt eine Anzahl von einzelnen Strömungsprofilelementscheiben hergestellt, wobei die Strömungsprofilelementscheiben gebogen werden, so dass deren Profilelementscheibenhinterkanten in Richtung einer Profilelementscheibenunterseite, welche in Bezug auf die Strömungsprofilelementscheibe insbesondere die Druckseite definiert, verlaufen und/oder in Richtung einer Profilelementscheibenoberseite, welche in Bezug auf die Strömungsprofilelementscheibe insbesondere die Saugseite definiert, verlaufen. Optional werden zudem einzelne Strömungsprofilelementscheiben hergestellt, die eben und ohne vertikal verlaufende Ausrichtung in Bezug auf die Erstreckungsrichtung der Profilelementscheibenhinterkante horizontal verlaufend ausgebildet sind. Die einzelnen Strömungsprofilelementscheiben werden anschließend, vorzugsweise in alternierender Reihenfolge, zu dem Strömungsprofilelement zusammengesetzt.
Wenn das Strömungsprofileelement nicht aus solchen Scheiben, sondern beispielsweise als Ganzes hergestellt wird, kann die vertikale Zahnung derart erfolgen, dass einzelne Bereiche der Profilelementhinterkante, beispielsweise alternierend, auf- und abgebogen werden, oder dass das Strömungsprofilelement auf andere Weise hergestellt wird, beispielsweise mittels Fräsung, 3D-Druck und dergleichen.
Gemäß dem dritten Aspekt ist die Erfindung gerichtet auf die Verwendung einer Profilelementhinterkante in einem Strömungsprofilelement, welches für eine Umströmung mittels eines Strömungsmediums bereitgestellt ist, und welches eine Profilelementvorderkante, die Profilelementhinterkante, eine sich von der Profilelementvorderkante zur Profilelementhinterkante erstreckende Profilelementmittellinie, eine die Profilelementvorderkante und die Profilelementhinterkante verbindende Profilelementoberseite sowie eine die Profilelementvorderkante und die Profilelementhinterkante verbindende Profilelementunterseite aufweist, wobei die Profilelementhinterkante eine Längserstreckung und über die Längserstreckung zumindest bereichsweise eine vertikale Zahnung aufweist, zur Minderung einer Schallentstehung, insbesondere zur Reduzierung des Profilelementhinterkantenschalls.
Zu den Vorteilen und Effekten der Verwendung wird auf die nachfolgenden Ausführungen und auch auf die entsprechenden Beschreibungen im Zusammenhang mit dem ersten und zweiten Erfindungsaspekt verwiesen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, ohne dass dadurch der Umfang der Erfindung beschränkt wird. Es zeigen:

1 das Profil eines aus dem Stand der Technik bekannten Strömungsprofilelements;
2 und 3 das Profil eines erfindungsgemäßen Strömungsprofilelements; und
4 ein erfindungsgemäßes Strömungsprofilelement.

Ausgangspunkt für die Erfindung ist ein herkömmliches Strömungsprofileelement 10, beispielsweise in Form eines Tragflügelprofilelements, wie es in Windkraftanlagen, Ventilatoren und Flugzeugen vorkommt, und welches in 1 dargestellt ist.
Das Strömungsprofilelement 10 wird von einem Strömungsmedium 11 in Form eines Gases, insbesondere Luft, umströmt. Die Umströmung des Strömungsprofilelements 10 erfolgt in Strömungsrichtung 12 des Strömungsmediums 11 von einer Profilelementvorderkante 13 hin zu der Profilelementhinterkante 14. Das Strömungsprofilelement 10 weist zusätzlich eine Profilelementoberseite 15 in Form einer Saugseite und eine Profilelementunterseite 16 in Form einer Druckseite auf, die sich von der Profilelementvorderkante 13 zur Profilelementhinterkante 14 erstrecken.
Die Profilelementmittellinie 17 setzt sich aus den einzelnen Mittelpunkten zwischen der Profilelementoberseite 15 und der Profilelementunterseite 16 senkrecht zur Profilsehne 18 zusammen. Die Profilelementsehne 18 ist der Abstand von der Profilelementvorderkante 13 zur Profilelementhinterkante 14 und fällt im gezeigten Beispiel mit der Profilelementmittellinie 17 zusammen.
Das Strömungsprofilelement 10 weist zudem eine Längserstreckung 19 (siehe 4) auf, die auch der Längserstreckung der Profilelementhinterkante 14 entspricht.
Um im Betrieb des Strömungsprofilelements 10 das unerwünschte Entstehen von Schall zumindest weitestgehend zu reduzieren, weist das Strömungsprofilelement 10 eine vertikale Zahnung auf, die im Zusammenhang mit 4 weiter unten näher erläutert wird.
Um eine solche vertikale Zahnung realisieren zu können, wird, basierend auf dem in 1 dargestellten Strömungsprofilelement 10, das Strömungsprofilelement 10, beziehungsweise dessen Profilelementmittellinie 18 geringfügig nach oben in Richtung der Profilelementoberseite 15 gebogen. Die Biegung beginnt in einem Abstand 20, der 75% der Profilelementsehnenlänge 18 des Strömungsprofilelements 10 entspricht. Dies ist in 2 dargestellt. In anderer bevorzugter Ausführungsform ist das Strömungsprofilelement 10 geringfügig nach unten in Richtung der Profilelementunterseite 16 gebogen. Anschließend wird daraus die neue Profilform erstellt, was in 3 dargestellt ist, wobei deren Dicke und Wölbung nach wie vor denen des Originalprofils gemäß 1 entsprechen.
Die Grundidee ist hierbei, die originale Profilform aus 1 nur sehr geringfügig zu ändern, um die aerodynamischen Eigenschaften des Originalprofils so gut wie möglich zu erhalten. Aus dieser modifizierten Profilform wurden schließlich entsprechende Profilelementscheiben 21, so wie aus 3 ersichtlich, hergestellt.
Wie in 4 dargestellt ist, entsteht das dreidimensionale Strömungsprofilelement 10 dadurch, dass abwechselnd Profilelementscheiben 21 mit nach unten oder oben gebogener Hinterkante sowie entweder solche mit nach oben oder unten gebogener Hinterkante oder unmodifizierte Profilelementscheiben nebeneinandergesetzt werden. Dadurch entstehen Zähne 22, die abwechselnd leicht nach oben und unten, beziehungsweise nicht, gebogen sind. Das in 4 gezeigte Beispiel verdeutlicht die grundsätzliche Ausgestaltung der Profilelementhinterkante 14 mit einer vertikalen Zahnung 23.
Bei der Herstellung von Strömungsprofilelementen 10 mit vertikal gezackter Profilelementhinterkante 14 nach diesem Vorbild könnte die Fertigung natürlich komplett anders erfolgen.
Die vertikale Zahnung weist jeweils eine Amplitude A und eine Wellenlänge W auf, die 0,1% bis 10% der Profilelementsehnenlänge 18 entsprechen.
Durch die erfindungsgemäße Modifikation der Profilelementhinterkante 14 wird eine gute Schalldruckpegelreduktion erreicht, ohne dass tonaler Schall auftritt, wobei gleichzeitig die aerodynamischen Eigenschaften des Strömungsprofileelements 10 nicht beeinflusst werden. Dies wurde mit einer vertikalen Zahnung durch eine Biegung der Profilelementhinterkante 14 in Richtung Druck- und Saugseite erreicht. Der Vorteil dabei ist, dass diese Zähne 22 leicht zu fertigen sind, dass dabei keine stumpfe Kante an der Wurzel entsteht und dass dabei fast keine Strömungsprofilelementfläche verloren geht.
Bezugszeichenliste

10: Strömungsprofilelement
11: Strömungsmedium
12: Strömungsrichtung des Strömungsmediums
13: Profilelementvorderkante
14: Profilelementhinterkante
15: Profilelementoberseite
16: Profilelementunterseite
17: Profilelementmittellinie
18: Profilelementsehne
19: Längserstreckung
20: Abstand
21: Strömungsprofilelementscheibe
22: Zahn
22a: Erster Zahn
22b: Zweiter Zahn
23: Vertikale Zahnung
A: Amplitude
W: Wellenlänge

Claims

Strömungsprofilelement (10), welches für eine Umströmung mittels eines Strömungsmediums (11) bereitgestellt ist, aufweisend eine Profilelementvorderkante (13), eine Profilelementhinterkante (14), eine sich von der Profilelementvorderkante (13) zur Profilelementhinterkante (14) erstreckende Profilelementmittellinie (17), eine die Profilelementvorderkante (13) und die Profilelementhinterkante (14) verbindende Profilelementoberseite (15) sowie eine die Profilelementvorderkante (14) und die Profilelementhinterkante (15) verbindende Profilelementunterseite (16), wobei die Profilelementhinterkante (14) eine Längserstreckung (19) und über die Längserstreckung (19) zumindest bereichsweise eine Zahnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnung als vertikale Zahnung (23) ausgebildet ist.
Strömungsprofilelement, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Zahnung (23) mittels einer Biegung des Strömungsprofileelements (10) bereitgestellt ist.
Strömungsprofilelement, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegung des Strömungsprofilelements (10), von der Profilelementvorderkante (13) aus gesehen, bei 75% oder mehr der Profilelementsehnenlänge (18) oder bei 75% oder mehr von der Profilelementmittellinie (17) beginnt.
Strömungsprofilelement, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilelementhinterkante (14) über ihre Längserstreckung (19) eine Anzahl von nebeneinander angeordneten oder ausgebildeten Zähnen (22) aufweist, und dass zumindest einzelne Zähne (22), bevorzugt alle Zähne (22), die vertikale Zahnung (23) bilden.
Strömungsprofilelement, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Zähne eben und ohne vertikal ausgerichteten Verlauf ausgebildet sind.
Strömungsprofilelement, nach Anspruch 4 oder 5, soweit auf einen der Ansprüche 2 oder 3 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne Zähne (22) in Richtung der Profilelementunterseite (16), welche in Bezug auf das Strömungsprofilelement (10) insbesondere die Druckseite definiert, gebogen sind und/oder dass zumindest einzelne Zähne (22) in Richtung der Profilelementoberseite (15), welche in Bezug auf das Strömungsprofilelement (10) insbesondere die Saugseite definiert, gebogen sind.
Strömungsprofileelement, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (22) in einer alternierenden Reihenfolge an der Profilhinterkante (14) ausgeführt sind, derart, dass erste Zähne (22b) in Richtung der Profilelementunterseite (16) gebogen sind, und dass zu den ersten Zähnen (22b) unmittelbar benachbarte zweite Zähne (22a) in Richtung der Profilelementoberseite (15) gebogen sind, oder dass zu den ersten Zähnen (22b) unmittelbar benachbarte zweite Zähne (22a) eben und ohne vertikal verlaufende Ausrichtung ausgebildet sind.
Strömungsprofilelement, nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Zahnung (23), insbesondere die die vertikale Zahnung (23) bildenden Zähne (22), eine einheitliche Amplitude (A) aufweisen, oder dass zumindest einzelne Bereiche der vertikalen Zahnung (23) insbesondere einzelne Zähne (22) der vertikalen Zahnung (23) eine Amplitude (A) aufweisen, die von der Amplitude (A) in anderen Bereichen der vertikalen Zahnung (23), insbesondere von anderen Zähnen (22) der vertikalen Zahnung (23), abweicht, und dass insbesondere die Amplitude (A) in Bezug auf die Profilelementsehnenlänge 0,1% bis 10% der Profilelementsehnenlänge beträgt.
Strömungsprofilelement, nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Zahnung (23), insbesondere die die vertikale Zahnung (23) bildenden Zähne (22), eine einheitliche Wellenlänge (W) aufweisen, oder dass zumindest einzelne Bereiche der vertikalen Zahnung (23) insbesondere einzelne Zähne (22) der vertikalen Zahnung (23) eine Wellenlänge (W) aufweisen, die von der Wellenlänge (W) in anderen Bereichen der vertikalen Zahnung (23), insbesondere von anderen Zähnen (22) der vertikalen Zahnung (23), abweicht, und dass insbesondere die Wellenlänge (W) in Bezug auf die Profilelementsehnenlänge 0,1% bis 10% der Profilelementsehnenlänge beträgt.
Strömungsprofilelement, nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsprofilelement (10) aus einer Anzahl von einzelnen Strömungsprofilelementscheiben (21) zusammengesetzt ist, die, aus Richtung der Profielementvorderkante (13) gesehen, nebeneinander angeordnet sind, dass jede Strömungsprofilelementscheibe (21) eine Profilelementscheibenvorderkante, eine Profilelementscheibenhinterkante, eine sich von der Profilelementscheibenvorderkante zur Profilelementscheibenhinterkante erstreckende Profilelementmittellinie, eine die Profilelementscheibenvorderkante und die Profilelementscheibenhinterkante verbindende Profilelementscheibenoberseite sowie eine die Profilelementscheibenvorderkante und die Profilelementscheibenhinterkante verbindende Profilelementscheibenunterseite aufweist, und dass die Profilelementscheibenhinterkante der Strömungsprofilelementscheibe (21) einen Zahn (22) der vertikalen Zahnung (23) des Strömungsprofilelements (10) bildet.
Verfahren zur Herstellung eines Strömungsprofilelements, welches für eine Umströmung mittels eines Strömungsmediums bereitgestellt ist, insbesondere eines Strömungsprofilelements nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Strömungsprofilelement eine Profilelementvorderkante, eine Profilelementhinterkante, eine sich von der Profilelementvorderkante zur Profilelementhinterkante erstreckende Profilelementmittellinie, eine die Profilelementvorderkante und die Profilelementhinterkante verbindende Profilelementoberseite sowie eine die Profilelementvorderkante und die Profilelementhinterkante verbindende Profilelementunterseite aufweist, wobei die Profilelementhinterkante eine Längserstreckung und über die Längserstreckung zumindest bereichsweise eine Zahnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilelementhinterkante in einer Weise modifiziert wird, dass diese über ihre Erstreckung in Bezug auf die Erstreckungsrichtung in Längsrichtung zumindest bereichsweise eine vertikale Zahnung aufweist oder bildet.
Verwendung einer Profilelementhinterkante in einem Strömungsprofilelement, welches für eine Umströmung mittels eines Strömungsmediums bereitgestellt ist, und welches eine Profilelementvorderkante, die Profilelementhinterkante, eine sich von der Profilelementvorderkante zur Profilelementhinterkante erstreckende Profilelementmittellinie, eine die Profilelementvorderkante und die Profilelementhinterkante verbindende Profilelementoberseite sowie eine die Profilelementvorderkante und die Profilelementhinterkante verbindende Profilelementunterseite, wobei die Profilelementhinterkante eine Längserstreckung und über die Längserstreckung zumindest bereichsweise eine vertikale Zahnung aufweist, zur Minderung einer Schallentstehung, insbesondere zur Reduzierung des Profilelementhinterkantenschalls.