DE102022115054A1 - wing body - Google Patents

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DE102022115054A1 DE102022115054.2A DE102022115054A DE102022115054A1 DE 102022115054 A1 DE102022115054 A1 DE 102022115054A1 DE 102022115054 A DE102022115054 A DE 102022115054A DE 102022115054 A1 DE102022115054 A1 DE 102022115054A1
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Sven Ropte
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64DEQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENTS OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D15/00De-icing or preventing icing on exterior surfaces of aircraft
    • B64D15/12De-icing or preventing icing on exterior surfaces of aircraft by electric heating

Abstract

Die Erfindung betrifft einen aerodynamisch umströmbaren Flügelkörper mit einer innenliegenden Tragstruktur und einer die innenliegende Tragstruktur abdeckende Außenhaut, wobei zumindest abschnittsweise mittels Abstandshalter die in diesem Bereich perforierte Außenhaut von der Tragstruktur beabstandet angeordnet ist, um zwischen Außenhaut und Tragstruktur einen innenliegenden Hohlraum auszubilden, der über die Perforation der Außenhaut mit einem Umgebungsmedium kommunizierend in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass in dem innenliegenden Hohlraum ein induktives Enteisungssystem vorgesehen ist, das eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Induktionsspulen aufweist, die in Reaktion auf einen den Induktionsspulen zugeführten Wechselstrom ein Wechselmagnetfeld erzeugen, welches zur induktiven Erwärmung der Außenhaut mit dieser entsprechend zusammenwirkt, wobei zumindest eine Induktionsspule einen in der Spulenmitte vorgesehenen Flusskonzentrator aufweist.The invention relates to an aerodynamically flowable wing body with an internal support structure and an outer skin covering the internal support structure, the outer skin perforated in this area being arranged at a distance from the support structure at least in sections by means of spacers in order to form an internal cavity between the outer skin and the support structure, which extends over the Perforation of the outer skin is in communication with an ambient medium, characterized in that an inductive de-icing system is provided in the internal cavity, which has a plurality of induction coils arranged next to one another, which generate an alternating magnetic field in response to an alternating current supplied to the induction coils, which is used for inductive Heating of the outer skin interacts accordingly, with at least one induction coil having a flux concentrator provided in the middle of the coil.

Description

Die Erfindung betrifft einen aerodynamisch umströmbaren Flügelkörper insbesondere für ein Flugobjekt mit einer innenliegenden Tragstruktur und einer die innenliegende Tragstruktur abdeckende Außenhaut, wobei zumindest abschnittsweise mittels Abstandshalter die in diesem Bereich perforierte Außenhaut von der Tragstruktur beabstandet angeordnet ist, um zwischen Außenhaut und Tragstruktur einen innenliegenden Hohlraum auszubilden, der über die Perforation der Außenhaut mit einem Umgebungsmedium kommunizierend in Verbindung steht.The invention relates to an aerodynamically flowable wing body, in particular for a flying object, with an internal support structure and an outer skin covering the internal support structure, the outer skin perforated in this area being arranged at a distance from the support structure at least in sections by means of spacers in order to form an internal cavity between the outer skin and the support structure , which communicates with an environmental medium via the perforation of the outer skin.

Flugzeuge weisen aerodynamische Flächen auf, die von der umströmenden Luft mit einer Geschwindigkeit angeströmt werden und hierbei eine Auftriebskraft erzeugen, die es dem Flugzeug erlauben, innerhalb der atmosphärischen Luftmassen zu fliegen. Solche aerodynamischen Flächen können jedoch je nach Flugsituation anfällig für Vereisung sein, wodurch sich an der äußeren, von den umgebenden Luftmassen umströmte Strömungsoberfläche eine Eisschicht (partiell oder vollständig) bildet, welche die aerodynamischen Eigenschaften der aerodynamischen Fläche verändern und sich somit negativ auf den Gesamtflugzustand auswirken können. Solche Vereisungen können insbesondere bei der Start- und Landephase schnell zu kritischen Situationen führen. Es ist daher erforderlich, insbesondere die aerodynamischen Flächen, wie bspw. Flügel, bei einer Vereisung zu enteisen bzw. eine weitere Vereisung, bspw. im Flugbetrieb, zu verhindern.Airplanes have aerodynamic surfaces over which the air flowing around them flows at a speed and thereby generates a lifting force that allows the aircraft to fly within the atmospheric air masses. However, depending on the flight situation, such aerodynamic surfaces can be susceptible to icing, whereby a layer of ice (partial or complete) forms on the outer flow surface around which the surrounding air masses flow, which changes the aerodynamic properties of the aerodynamic surface and thus has a negative effect on the overall flight condition can. Such icing can quickly lead to critical situations, particularly during take-off and landing. It is therefore necessary, in particular, to de-ice the aerodynamic surfaces, such as wings, in the event of icing or to prevent further icing, for example during flight operations.

Aus der Praxis ist es bekannt, dass bei einer Vereisung der Tragflächen, die bereits am Boden stattgefunden und festgestellt wurde, dass Flugzeug vor dem Start mithilfe einer Flüssigkeit enteist wird, umso die sich an der Tragfläche gebildete Eisschicht zu entfernen. Dieser Prozess führt allerdings zu einer Verzögerung bei der Abwicklung des Flugzeugs am Flughafen und somit zu höheren Kosten. Außerdem kann eine sich im Flugbetrieb entwickelnde Vereisung der Tragflächen so nicht behandelt werden. It is known from practice that if the wings are icing, which has already occurred on the ground and it has been determined that the aircraft is de-iced using a liquid before take-off in order to remove the layer of ice that has formed on the wing. However, this process leads to a delay in handling the aircraft at the airport and thus higher costs. In addition, icing on the wings that develops during flight operations cannot be treated in this way.

Es ist des Weiteren bekannt, in die Tragflächen der Flugzeuge, bevorzugt im Bereich der Flügelvorderkante, die bekanntermaßen aufgrund ihrer exponierten Position sehr anfällig für eine Vereisung ist, ein thermisches Enteisungssystem vorzusehen, welches einen Wärmeeintrag in die äußere Strömungsoberfläche erzeugt, um so die Eisschicht zu schmelzen ein weiteres Vereisen der Tragflächen zu vermeiden.It is also known to provide a thermal de-icing system in the wings of the aircraft, preferably in the area of the wing leading edge, which is known to be very susceptible to icing due to its exposed position, which generates heat input into the outer flow surface in order to close the ice layer melt to avoid further freezing of the wings.

So können beispielsweise elektrische Leiter in der Außenhaut eingebettet sein, die mit einem Stromfluss beaufschlagt werden können, umso aufgrund des elektrischen Widerstandes der elektrischen Leiter einen Wärmeeintrag zu induzieren. Allerdings müssen aufgrund der Größe der Tragflächen und der hohen Minustemperaturen im Flugbetrieb die Leiter sehr eng verlegt werden, was zu einem höheren Fertigungsaufwand führt und darüber hinaus einen nicht unerheblichen Gewichtseintrag in das Flugzeug verursacht.For example, electrical conductors can be embedded in the outer skin, which can be subjected to a current flow in order to induce heat input due to the electrical resistance of the electrical conductors. However, due to the size of the wings and the high sub-zero temperatures during flight operations, the ladders have to be laid very closely, which leads to higher production costs and also causes a significant amount of weight to be added to the aircraft.

Ein solches Enteisungssystem muss daher möglichst effizient sein, d. h. es muss eine möglichst geringe Masse und einen möglichst niedrigen Energiebedarf aufweisen. Des weiterhin muss das System in einen Flügelkörper integrierbar sein, insbesondere dann, wenn der Flügelkörper mehrlagig aufgebaut ist und zur Grenzschichtabsaugung für einen laminar Betrieb ausgebildet sein soll.Such a de-icing system must therefore be as efficient as possible, i.e. H. it must have the lowest possible mass and the lowest possible energy requirement. Furthermore, the system must be able to be integrated into a wing body, especially if the wing body is constructed in multiple layers and is intended to be designed for laminar operation for boundary layer suction.

In der US 2014/0319278 A1 wird ein Enteisungssystem beschrieben, dass aus einer Mehrzahl von induktiven Heizelementen besteht, die in Form einer Spule ausgebildet sind. Werden die induktiven Heizelemente mit einer Wechselspannung gespeist, so führt der durch die Wechselspannung hervorgerufene Stromfluss zu einem elektromagnetischen Wechselfeld, welches Wirbelströme in der Außenhaut hervorruft, die aufgrund des elektrischen Widerstandes der Außenhaut zu einer Erwärmung und somit zu einem thermischen Energieeintrag führen.In the US 2014/0319278 A1 A de-icing system is described that consists of a plurality of inductive heating elements that are designed in the form of a coil. If the inductive heating elements are fed with an alternating voltage, the current flow caused by the alternating voltage leads to an alternating electromagnetic field, which causes eddy currents in the outer skin, which, due to the electrical resistance of the outer skin, lead to heating and thus to thermal energy input.

Nachteilig hierbei ist, dass das in der US 2014/0319278 A1 vorgeschlagene Enteisungssystem keine homogene Erwärmung erreicht, wodurch der Energieeintrag für eine vollständige Enteisung erhöht werden muss. Die vorgeschlagene Anordnung führt dabei zu vielen kleinen Mittelflächen, in welchen das Magnetfeld bzw. der magnetische Fluss seine Richtung wechselt bzw. einen Pol bildet. Insbesondere bei dünnen Materialien und eigentlich schlechtem Wirkungsgrad (sehr hohe Eindringtiefe) sinkt mit zunehmendem Winkel des magnetischen Flusses zur Decke des Materials der Wirkungsgrad weiter. Infolgedessen bilden sich an den Polen Kaltstellen, an denen zwar der Leiter einer Spule eingesetzt wird, aber keine nennenswerte Wärmeeinkopplung erfolgt. Diese Kaltstellen finden sich typischerweise auch an den Rändern dieser Spule.The disadvantage here is that in the US 2014/0319278 A1 The proposed de-icing system does not achieve homogeneous heating, which means that the energy input must be increased for complete de-icing. The proposed arrangement leads to many small central areas in which the magnetic field or the magnetic flux changes direction or forms a pole. Especially with thin materials and actually poor efficiency (very high penetration depth), the efficiency decreases further as the angle of the magnetic flux to the ceiling of the material increases. As a result, cold spots form at the poles, where the conductor of a coil is inserted, but no significant heat coupling occurs. These cold spots are typically also found on the edges of this coil.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Enteisungssystem für Flügelkörper anzugeben.Against this background, it is the object of the present invention to provide an improved de-icing system for wing bodies.

Die Aufgabe wird mit dem Flügelkörper gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.The object is achieved according to the invention with the wing body according to claim 1. Advantageous embodiments of the invention can be found in the corresponding subclaims.

Gemäß Anspruch 1 wird ein aerodynamisch umströmbarer Flügelkörper vorgeschlagen, der eine innenliegende Tragstruktur und eine die innenliegende Tragstruktur abdeckende Außenhaut hat. Zumindest abschnittsweise ist die Außenhaut von der Tragstruktur beabstandet, wodurch ein Hohlraum zwischen der Außenhaut der Tragstruktur gebildet wird. Die Außenhaut wird dabei zur Ausbildung des Hohlraums mithilfe von Abstandshaltern an der Tragstruktur befestigt.According to claim 1, an aerodynamically flowable wing body is proposed, which has a internal support structure and an outer skin covering the internal support structure. At least in sections, the outer skin is spaced from the support structure, whereby a cavity is formed between the outer skin of the support structure. The outer skin is attached to the support structure using spacers to form the cavity.

Und einem Hohlraum im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei auch verstanden, wenn dieser sich aus einer Mehrzahl von Teil-Hohlräumen zusammensetzt.And a cavity in the sense of the present invention is also understood if it is composed of a plurality of partial cavities.

Die Außenhaut weist dabei im Bereich des darunterliegenden Hohlraumes eine Perforation auf, wodurch der Hohlraum mit einem Umgebungsmedium, beispielsweise die umströmende Luft, kommunizierend in Verbindung steht. Mithilfe einer Absaugeinrichtung kann dabei ein Unterdruck dem Hohlraum erzeugt werden, wodurch die Grenzschicht an der äußeren Strömungsoberfläche der Außenhaut in den Hohlraum gesaugt wird. Hierdurch kann eine möglichst langanhaltende Laminarumströmung erreicht werden. Der Umschlag von der laminaren Grenzschichtströmung in eine turbulente Grenzschichtströmung kann somit weiter hinausgezögert werden.The outer skin has a perforation in the area of the underlying cavity, whereby the cavity is in communication with an ambient medium, for example the air flowing around it. With the help of a suction device, a negative pressure can be generated in the cavity, whereby the boundary layer on the outer flow surface of the outer skin is sucked into the cavity. This allows the longest possible flow around the laminar to be achieved. The transition from laminar boundary layer flow to turbulent boundary layer flow can thus be further delayed.

Aufgrund der Laminarhaltung der Grenzschicht kann der Luftwiederstand des Flügelkörpers gesenkt werden, wodurch Treibstoffkosten eingespart werden können. Due to the laminar nature of the boundary layer, the air resistance of the wing body can be reduced, which can save fuel costs.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass in dem innenliegenden Hohlraum ein induktives Enteisungssystem vorgesehen ist, das eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Induktionsspulen aufweist, die in Reaktion auf einen den Induktionsspulen zugeführten Wechselstrom ein Wechselmagnetfeld erzeugen, welches zur induktiven Erwärmung der Außenhaut mit dieser entsprechend zusammenwirkt, wobei zumindest eine Induktionsspule einen in der Spulenmitte vorgesehenen Flusskonzentrator aufweist.According to the invention, it is now provided that an inductive de-icing system is provided in the internal cavity, which has a plurality of induction coils arranged next to one another, which generate an alternating magnetic field in response to an alternating current supplied to the induction coils, which interacts accordingly to inductively heat the outer skin, whereby at least one induction coil has a flux concentrator provided in the middle of the coil.

Bei den Induktionsspulen kann es sich insbesondere um flächige Induktionsspulen handeln, bei denen die flächige Ausdehnung um ein Vielfaches größer ist als die Dicke der Induktionsspulen. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Induktionsspulen eine Länge in der Fläche aufweisen, die um ein Vielfaches größer ist als die Breite in der Fläche.The induction coils can in particular be flat induction coils in which the surface area is many times larger than the thickness of the induction coils. In particular, it can be provided that the induction coils have a length in the surface that is many times larger than the width in the surface.

Durch die Verwendung eines Flusskonzentrators (auch Flussleitstück genannt) in der Spulenmitte können die negativen Auswirkungen der Polbildung bei der Verwendung einer Vielzahl von Induktionsspulen vermieden werden, wodurch die Außenhaut homogener und somit effizienter erwärmt werden kann.By using a flux concentrator (also called a flux guide) in the middle of the coil, the negative effects of pole formation when using a large number of induction coils can be avoided, allowing the outer skin to be heated more homogeneously and therefore more efficiently.

Bei dem Flügelkörper handelt es sich insbesondere um einen Flügelkörper für Flugobjekte, wie beispielsweise Tragflächen, Höhenleitwerk, Seitenleitwerk, Rotorblätter von Windkraftanlagen oder Rotorblätter von Hubschraubern. Bei einem Flügelkörper im Sinne der vorliegenden Erfindung handelt es sich somit um einen aerodynamisch umströmbaren Körper, der bei Anströmung durch ein Fluid eine - wie auch immer geartete - Kraft aufgrund der Anströmung erzeugt.The wing body is in particular a wing body for flying objects, such as wings, horizontal stabilizer, vertical stabilizer, rotor blades of wind turbines or rotor blades of helicopters. A wing body in the sense of the present invention is therefore a body that can be flowed around aerodynamically and which, when a fluid flows against it, generates a force of whatever kind due to the flow.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Induktionsspulen zwischen zwei angrenzenden Abstandshaltern angeordnet sind, wobei bei mindestens einer Induktionsspule der in der Spulenmitte vorgesehene Flusskonzentrator mittig zwischen den angrenzenden Abstandshaltern angeordnet ist.According to one embodiment, it is provided that at least some of the induction coils are arranged between two adjacent spacers, with the flux concentrator provided in the middle of the coil being arranged centrally between the adjacent spacers in at least one induction coil.

Bei dieser Ausführungsvariante hat den Vorteil, dass sich die Induktionsspulen sehr einfach aus- und wieder einbauen lassen, was sich positiv auf die Wartungskosten niederschlägt. Außerdem wird dieser Ausführungsvariante dann bevorzugt, wenn die Abstandshalter aus einem nicht-leitfähigen und nicht-magnetischen Material bestehen. This design variant has the advantage that the induction coils can be removed and reinstalled very easily, which has a positive impact on maintenance costs. In addition, this embodiment variant is preferred if the spacers are made of a non-conductive and non-magnetic material.

Das elektromagnetische Wechselfeld wird dabei durch die Abstandshalter hinweg ausgestrahlt und erzeugt so eine sehr homogene Temperaturverteilung.The alternating electromagnetic field is radiated through the spacers and thus creates a very homogeneous temperature distribution.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei zumindest einem Teil der Induktionsspulen die Abstandshalter in der Spulenmitte liegen, wobei der in der jeweiligen Spulenmitte vorgesehene Flusskonzentrator durch den mittigen Abstandshalter gebildet wird.According to one embodiment, it is provided that in at least some of the induction coils the spacers are located in the center of the coil, with the flux concentrator provided in the respective center of the coil being formed by the central spacer.

Bei dieser Ausführungsvariante liegt ein Teil einer Induktionsspule in einem ersten Teil-Hohlraum, während der andere Teil der Induktionsspule in dem benachbarten zweiten Teil-Hohlraum liegt, wobei die beiden Teil-Hohlräume durch ein Abstandselement voneinander getrennt sind und der für die Induktionsspule vorgesehene Flusskonzentrator durch diesen Abstandshalter gebildet wird. Der Abstandshalter bildet somit den magnetischen Kern der Spule.In this embodiment variant, part of an induction coil lies in a first partial cavity, while the other part of the induction coil lies in the adjacent second partial cavity, the two partial cavities being separated from one another by a spacer element and the flux concentrator provided for the induction coil passing through this spacer is formed. The spacer thus forms the magnetic core of the coil.

Das für den Flusskonzentrator vorgesehene Material kann dabei an dem Abstandshalter angeordnet werden. Denkbar ist aber auch, dass das Material für den Flusskonzentrator in dem Abstandshalter integriert ist oder der Abstandshalter aus einem solchen Flusskonzentratormaterial besteht.The material provided for the flow concentrator can be arranged on the spacer. However, it is also conceivable that the material for the flow concentrator is integrated in the spacer or that the spacer consists of such a flow concentrator material.

Dieser Ausführungsvariante ist bevorzugt dann zu verwenden, wenn die Abstandshalter aus einem elektrisch leitenden und magnetischen Material bestehen, um eine unnötige Erwärmung der Abstandshalter zu vermeiden.This embodiment variant is preferably used when the spacers consist of an electrically conductive and magnetic material in order to avoid unnecessary heating of the spacers.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Induktionsspulen mit einer Steuereinrichtung verbunden sind, die zur Steuerung der Zuführung des Wechselstroms zu den einzelnen Induktionsspulen eingerichtet ist, wobei zumindest teilweise benachbarte Induktionsspulen phasengleich angesteuert werden.According to one embodiment, it is provided that the induction coils are connected to a control device which is set up to control the supply of the alternating current to the individual induction coils, at least partially neighboring induction coils being controlled in the same phase.

Durch die phasengleiche Ansteuerung kann erreicht werden, dass in den Randbereichen zwischen benachbarten Induktionsspulen entsprechende Kaltstellen vermieden werden, wodurch eine besonders homogene Temperaturverteilung auf der Außenseite der Außenhaut erreicht wird. Phasengleich meint hierbei, dass der Stromfluss in den benachbarten Leitern der benachbarten Induktionsspulen parallel verläuft.The in-phase control can ensure that corresponding cold spots are avoided in the edge areas between adjacent induction coils, thereby achieving a particularly homogeneous temperature distribution on the outside of the outer skin. In-phase here means that the current flow in the adjacent conductors of the adjacent induction coils runs parallel.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei zumindest einem Teil der Induktionsspulen die Spulendichte in einem Randbereich und/oder in einem Mittenbereich höher ist als in einem zwischen Randbereich und Mittenbereich liegenden Zwischenbereich.According to one embodiment, it is provided that for at least some of the induction coils the coil density in an edge region and/or in a central region is higher than in an intermediate region lying between the edge region and the central region.

Hierdurch wird es möglich, die negativen Auswirkungen der Polbildung abzuschwächen und eine möglichst homogene Temperaturverteilung zu erzielen.This makes it possible to mitigate the negative effects of pole formation and to achieve the most homogeneous possible temperature distribution.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zur Erhöhung der Spulendichte die jeweilige Induktionsspule im Randbereich und/oder im Mittenbereich mehrlagig gewickelt ist.According to one embodiment, it is provided that in order to increase the coil density, the respective induction coil is wound in multiple layers in the edge region and/or in the central region.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die in dem Hohlraum angeordneten Induktionsspulen an einer Innenseite der Außenhaut oder an einer Außenseite der Tragstruktur angeordnet sind.According to one embodiment, it is provided that the induction coils arranged in the cavity are arranged on an inside of the outer skin or on an outside of the support structure.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Tragstruktur des Flügelkörpers aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial gebildet ist.According to one embodiment, it is provided that the support structure of the wing body is formed from a fiber composite material comprising a fiber material and a matrix material embedding the fiber material.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Außenhaut Titan aufweist, enthält oder daraus besteht.According to one embodiment it is provided that the outer skin has, contains or consists of titanium.

Von der vorliegenden Erfindung ebenfalls umfasst ist ein Flugobjekt oder eine Windkraftanlage mit einem Flügelkörper, wir vorstehend beschrieben ist.Also included in the present invention is a flying object or a wind turbine with a wing body, as described above.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Flügelkörpers;
  • 2 schematische Querschnittdarstellung;
  • 3 schematische Draufsicht in einer ersten Ausführungsform;
  • 4 schematische Draufsicht in einer zweiten Ausführungsform;
  • 5 schematische Querschnittdarstellung in einer weiteren Ausführungsform.
The invention is explained in more detail by way of example using the attached figures. Show it:
  • 1 schematic representation of the wing body according to the invention;
  • 2 schematic cross-sectional representation;
  • 3 schematic top view in a first embodiment;
  • 4 schematic top view in a second embodiment;
  • 5 schematic cross-sectional representation in a further embodiment.

1 zeigt schematisch den Aufbau des erfindungsgemäßen Flügelkörpers 10 in Form einer Flügelvorderkante. Der Flügelkörper 10 weist eine innenliegende Tragstruktur 11 sowie eine diese innenliegende Tragstruktur 11 abdeckende Außenhaut 12 auf. Die Außenhaut 12 ist dabei im Bereich der Flügelvorderkante von der innenliegenden Tragstruktur 11 beabstandet angeordnet und weist hierfür Abstandshalter 13 auf, über die die Außenhaut 12 an der innenliegenden Tragstruktur 11 unter Ausbildung eines Hohlraumes 14 angeordnet ist. 1 shows schematically the structure of the wing body 10 according to the invention in the form of a wing leading edge. The wing body 10 has an internal support structure 11 and an outer skin 12 covering this internal support structure 11. The outer skin 12 is arranged at a distance from the inner support structure 11 in the area of the wing leading edge and has spacers 13 for this purpose, via which the outer skin 12 is arranged on the inner support structure 11 to form a cavity 14.

Der Hohlraum 14 wird dabei in einzelne Teil-Hohlräume 14a unterteilt, die insbesondere durch die Abstandshalter 13 begrenzt werden und sich unter anderem über die vollständige Spannweite des Flügelkörpers 10 erstrecken können.The cavity 14 is divided into individual partial cavities 14a, which are limited in particular by the spacers 13 and can extend, among other things, over the entire span of the wing body 10.

Die Außenhaut 12 weist eine Perforation auf, mit der die äußere Umgebung des Flügelkörpers 10 mit dem Hohlraum 14 kommunizierend in Verbindung steht. Mithilfe einer Absaugeinrichtung (nicht dargestellt) kann nun in dem Hohlraum 14 ein Unterdruck erzeugt werden, wodurch die sich an der äußeren Seite der Außenhaut 12 bildende Grenzschicht bei der Anströmung des Flügelkörpers 10 abgesaugt wird. Hierdurch kann eine laminare Grenzschichtströmung positiv beeinflusst und ein Umschlag in eine turbulente Grenzschichtströmung im Bereich der Flügelvorderkante vermieden bzw. reduziert werden.The outer skin 12 has a perforation with which the external environment of the wing body 10 is in communication with the cavity 14. Using a suction device (not shown), a negative pressure can now be generated in the cavity 14, as a result of which the boundary layer that forms on the outer side of the outer skin 12 is sucked off as the flow flows against the wing body 10. In this way, a laminar boundary layer flow can be positively influenced and a transition to a turbulent boundary layer flow in the area of the leading edge of the wing can be avoided or reduced.

In dem Hohlraum 14 sind nun erfindungsgemäß Induktionsspulen 15 eines Enteisungssystems angeordnet, die im Ausführungsbeispiel der 1 im Bereich der Innenseite der Außenhaut 12 angeordnet sind.According to the invention, induction coils 15 of a de-icing system are now arranged in the cavity 14, which in the exemplary embodiment of 1 are arranged in the area of the inside of the outer skin 12.

Werden die Induktionsspulen 15 mit einer elektrischen Wechselspannung gespeist, so entsteht ein Stromfluss in den Spulen 15, sodass hierdurch ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Dieses elektromagnetische Wechselfeld koppelt in das Material der Außenhaut 12 ein und erzeugt hier Wirbelströme, die aufgrund des elektrischen Widerstandes der Außenhaut 12 in thermischer Energie umgewandelt werden. Eine Erwärmung der Außenhaut 12 ist die Folge und führt zu einer Enteisung, sofern eine Eisschicht vorhanden ist, bzw. folgt einer Vereisung vor.If the induction coils 15 are fed with an alternating electrical voltage, a current flow occurs in the coils 15, so that an alternating electromagnetic field is generated. This alternating electromagnetic field couples in the material of the outer skin 12 and generates eddy currents here, which are converted into thermal energy due to the electrical resistance of the outer skin 12. A heating of the outer skin 12 is the result and leads to de-icing if a layer of ice is present, or follows icing.

2 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil-Hohlraum 14a des in der 1 bezeichneten Hohlraums 14, der durch zwei Abstandshalter 13 begrenzt wird. An den Abstandshaltern 13 ist dabei die Außenhaut 12 befestigt, umso die Außenhaut 12 an der Tragstruktur (in 2 nicht dargestellt) an den Flügelkörper zu befestigen. 2 shows a cross section through a partial cavity 14a in the 1 designated cavity 14, which is delimited by two spacers 13. The outer skin 12 is attached to the spacers 13, so that the outer skin 12 is attached to the support structure (in 2 not shown) to attach to the wing body.

Schematisch in einer vereinfachten Darstellung befindet sich in dem Teil-Hohlraum 14a eine Induktionsspule 15, die eine Spulenmitte 16 hat. In dieser Spulenmitte 16, die beim Bestromen der Induktionsspule 15 einen magnetischen Pol bildet, befindet sich erfindungsgemäß ein Flusskonzentrator 17, der bspw. ein Ferrite, Soft-Magnetic Composite oder ein Eisenblech sein kann.Schematically, in a simplified representation, there is an induction coil 15 in the partial cavity 14a, which has a coil center 16. According to the invention, in this coil center 16, which forms a magnetic pole when the induction coil 15 is energized, there is a flux concentrator 17, which can be, for example, a ferrite, soft-magnetic composite or an iron sheet.

In der unteren Darstellung der 2 ist dabei die berechnete Heizleistung der Außenhaut 12 dargestellt, wobei im Bereich der Spulenmitte 16 erkennbar ist, dass die Heizleistung sehr schnell deutlich ansteigt. Ohne den Flusskonzentrator 17 wäre ein solcher Anstieg nicht zu erwarten.In the illustration below 2 The calculated heating power of the outer skin 12 is shown, whereby in the area of the coil center 16 it can be seen that the heating power increases significantly very quickly. Without the flow concentrator 17, such an increase would not be expected.

Dies verschafft der Erfindung die Möglichkeit, eine homogene Temperaturverteilung der Außenhaut 12 zu realisieren, wobei Kaltstellen im Bereich der Pole (Spulenmitte) vermieden werden.This gives the invention the possibility of achieving a homogeneous temperature distribution of the outer skin 12, whereby cold spots in the area of the poles (middle of the coil) are avoided.

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem in einem ersten Teil-Hohlraum 14a und in einem zweiten Teil-Hohlraum 14b, der an den ersten Teil-Hohlraum 14a benachbart angrenzt, jeweils eine Induktionsspule 15 mit einem Flusskonzentrator 17 in der Spulenmitte 16 vorgesehen ist. Die Teil-Hohlräume werden durch die Abstandshalter 13 in Strömungsrichtung begrenzt und sind in Spannweitenrichtung nicht begrenzt. 3 shows an exemplary embodiment in which an induction coil 15 with a flux concentrator 17 in the middle of the coil 16 is provided in a first partial cavity 14a and in a second partial cavity 14b, which is adjacent to the first partial cavity 14a. The partial cavities are limited by the spacers 13 in the flow direction and are not limited in the span direction.

Die Induktionsspulen 15 sind dabei in Spannweitenrichtung deutlich länger als in Strömungsrichtung, wo sie von den Abstandshaltern 13 begrenzt werden. Die benachbarten Induktionsspulen 15 sind dabei so ausgebildet, dass sie in Phase arbeiten, d. h. die Stromflussrichtung 18 ist in den benachbarten Leitern der benachbarten Induktionsspulen 15 identisch, was durch die beiden Pfeile gekennzeichnet ist.The induction coils 15 are significantly longer in the span direction than in the flow direction, where they are limited by the spacers 13. The adjacent induction coils 15 are designed so that they work in phase, i.e. H. the current flow direction 18 is identical in the adjacent conductors of the adjacent induction coils 15, which is indicated by the two arrows.

Durch den phasengleichen Stromfluss wird erreicht, dass in den Randgebieten zwischen den beiden Induktionsspulen 15, die durch den mittigen Abstandshalter 13 voneinander getrennt sind, die Wahrscheinlichkeit von Kaltstellen reduziert wird und somit eine weitestgehend homogene Temperaturverteilung erreicht wird.The in-phase current flow ensures that the probability of cold spots is reduced in the edge areas between the two induction coils 15, which are separated from one another by the central spacer 13, and thus a largely homogeneous temperature distribution is achieved.

4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Abstandshalter 13 durch die Spulenmitte 16 verlaufen und dabei den jeweiligen Flusskonzentrator 17 bilden. Der Teil-Hohlraum 14a weist somit einen ersten Teil der linken Induktionsspule 15a und einen zweiten Teil der rechten Induktionsspule 15b auf. 4 shows an exemplary embodiment in which the spacers 13 run through the middle of the coil 16 and thereby form the respective flow concentrator 17. The partial cavity 14a thus has a first part of the left induction coil 15a and a second part of the right induction coil 15b.

Durch den Flusskonzentrator 17 im Bereich der Abstandshalter 13 wird erreicht, dass Kaltstellen im Bereich der Abstandshalter 13 vermieden werden. Durch den phasengleichen Stromfluss 18 des Weiteren erreicht, dass in der Mitte des Teil-Hohlraumes 14a ebenfalls die sich aus der Polemiken ergebenden reduziert werden. KaltstellenThe flow concentrator 17 in the area of the spacers 13 ensures that cold spots in the area of the spacers 13 are avoided. The in-phase current flow 18 also ensures that the polemics resulting from the polemics are also reduced in the middle of the partial cavity 14a. Refrigerate

5 zeigt schließlich in einer stark vereinfachten Darstellung einen Querschnitt durch eine Hälfte eines Teil-Hohlraums, bei dem auf der linken Seite der Flusskonzentrator 17 und die eine Hälfte der Auktionsschule 15 erkennbar ist. In der Querschnittsdarstellung sind die einzelnen Leiter 19 der Induktionsspule 15 erkennbar. 5 finally shows, in a highly simplified representation, a cross section through half of a partial cavity, in which the flow concentrator 17 and half of the auction school 15 can be seen on the left side. The individual conductors 19 of the induction coil 15 can be seen in the cross-sectional view.

Im Bereich des Flusskonzentrators 17 ist nun vorgesehen, dass die Spule 15 eine zusätzliche Wicklung 19a aufweist. Die Polbildung in der Mitte der Induktionsspule 15 führt zu einer abnehmenden Wärmeleistung an der Außenhaut 12, was durch eine zusätzliche Wicklung 19a dahingegen kompensiert wird, dass die Heizleistung im Bereich der Spulenmitte erhöht wird. Die sich an der Spulenmitte bildende Kaltstelle kann so minimiert werden. Eine homogenere Temperaturverteilung ist das Resultat.In the area of the flux concentrator 17 it is now provided that the coil 15 has an additional winding 19a. The pole formation in the middle of the induction coil 15 leads to a decreasing heat output on the outer skin 12, which is compensated for by an additional winding 19a so that the heating output in the area of the center of the coil is increased. The cold spot that forms at the center of the coil can be minimized in this way. The result is a more homogeneous temperature distribution.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010
Flügelkörperwing body
1111
TragstrukturSupport structure
1212
Außenhautouter skin
1313
AbstandshalterSpacers
1414
Hohlraumcavity
14a, 14b14a, 14b
Teil-HohlraumPartial cavity
1515
Induktionsspuleinduction coil
1616
SpulenmitteCoil center
1717
Flusskonzentratorflow concentrator
1818
StromflussrichtungCurrent flow direction
1919
Leiter der SpuleCoil conductor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2014/0319278 A1 [0007, 0008]US 2014/0319278 A1 [0007, 0008]

Claims (10)

Aerodynamisch umströmbarer Flügelkörper (10) mit einer innenliegenden Tragstruktur (11) und einer die innenliegende Tragstruktur (11) abdeckende Außenhaut (12), wobei zumindest abschnittsweise mittels Abstandshalter (13) die in diesem Bereich perforierte Außenhaut (12) von der Tragstruktur (11) beabstandet angeordnet ist, um zwischen Außenhaut (12) und Tragstruktur (11) einen innenliegenden Hohlraum (14) auszubilden, der über die Perforation der Außenhaut (12) mit einem Umgebungsmedium kommunizierend in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass in dem innenliegenden Hohlraum (14) ein induktives Enteisungssystem vorgesehen ist, das eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Induktionsspulen (15) aufweist, die in Reaktion auf einen den Induktionsspulen (15) zugeführten Wechselstrom ein Wechselmagnetfeld erzeugen, welches zur induktiven Erwärmung der Außenhaut (12) mit dieser entsprechend zusammenwirkt, wobei zumindest eine Induktionsspule (15) einen in der Spulenmitte (16) vorgesehenen Flusskonzentrator (17) aufweist.Aerodynamically flowable wing body (10) with an internal support structure (11) and an outer skin (12) covering the internal support structure (11), the outer skin (12), which is perforated in this area, being separated from the support structure (11) at least in sections by means of spacers (13). is arranged at a distance in order to form an internal cavity (14) between the outer skin (12) and the support structure (11), which is in communication with an ambient medium via the perforation of the outer skin (12), characterized in that in the internal cavity (14 ) an inductive de-icing system is provided which has a plurality of induction coils (15) arranged next to one another, which generate an alternating magnetic field in response to an alternating current supplied to the induction coils (15), which interacts accordingly to inductively heat the outer skin (12), whereby at least one induction coil (15) has a flux concentrator (17) provided in the middle (16) of the coil. Flügelkörper (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Induktionsspulen (15) zwischen zwei angrenzenden Abstandshaltern (13) angeordnet sind, wobei bei mindestens einer Induktionsspule (15) der in der Spulenmitte (16) vorgesehene Flusskonzentrator (17) mittig zwischen den angrenzenden Abstandshaltern (13) angeordnet ist.Wing body (10). Claim 1 , characterized in that at least some of the induction coils (15) are arranged between two adjacent spacers (13), with at least one induction coil (15) having the flux concentrator (17) provided in the middle of the coil (16) centrally between the adjacent spacers (13 ) is arranged. Flügelkörper (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einem Teil der Induktionsspulen (15) die Abstandshalter (13) in der Spulenmitte (16) liegen, wobei der in der jeweiligen Spulenmitte (16) vorgesehene Flusskonzentrator (17) durch den mittigen Abstandshalter (13) gebildet wird.Wing body (10). Claim 1 or 2 , characterized in that in at least some of the induction coils (15), the spacers (13) are located in the center of the coil (16), the flux concentrator (17) provided in the respective center of the coil (16) being formed by the central spacer (13). . Flügelkörper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulen (15) mit einer Steuereinrichtung verbunden sind, die zur Steuerung der Zuführung des Wechselstroms zu den einzelnen Induktionsspulen (15) eingerichtet ist, wobei zumindest teilweise benachbarte Induktionsspulen (15) phasengleich angesteuert werden.Wing body (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the induction coils (15) are connected to a control device which is set up to control the supply of the alternating current to the individual induction coils (15), at least partially adjacent induction coils (15) be controlled in phase. Flügelkörper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einem Teil der Induktionsspulen (15) die Spulendichte in einem Randbereich und/oder in einem Mittenbereich höher ist als in einem zwischen Randbereich und Mittenbereich liegenden Zwischenbereich.Wing body (10) according to one of the preceding claims, characterized in that in at least some of the induction coils (15), the coil density in an edge region and/or in a central region is higher than in an intermediate region lying between the edge region and the central region. Flügelkörper (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Spulendichte die jeweilige Induktionsspule (15) im Randbereich und/oder im Mittenbereich mehrlagig gewickelt ist.Wing body (10). Claim 5 , characterized in that to increase the coil density, the respective induction coil (15) is wound in multiple layers in the edge area and/or in the middle area. Flügelkörper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Hohlraum (14) angeordneten Induktionsspulen (15) an einer Innenseite der Außenhaut (12) oder an einer Außenseite der Tragstruktur (11) angeordnet sind.Wing body (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the induction coils (15) arranged in the cavity (14) are arranged on an inside of the outer skin (12) or on an outside of the support structure (11). Flügelkörper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (11) des Flügelkörpers (10) aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial gebildet ist.Wing body (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the support structure (11) of the wing body (10) is formed from a fiber composite material comprising a fiber material and a matrix material embedding the fiber material. Flügelkörper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhaut (12) Titan aufweist, enthält oder daraus besteht.Wing body (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the outer skin (12) has, contains or consists of titanium. Flugobjekt oder Windkraftanlage mit einem Flügelkörper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Flying object or wind turbine with a wing body (10) according to one of the preceding claims.
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