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Vorrichtung zum Enteisen eines angeströmten profilierten Bauelementes
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Enteisen eines angeströmten
profilierten Bauelementes mit einer Heizvorrichtung zum Erwärmen der Anströmkante
des Bauelementes.
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Ein derartiges Gerät kann bei Flugzeugen und anderen sich schnell
bewegenden Körpern, wie z. B. sich drehenden Boden- oder Schiffsradarantennen, Anwendung
finden. Bei einer bekannten Ausführungsform einer derartigen Vorrichtung wird eine
zum Vereisen neigende Oberfläche ununterbrochen beheizt, so daß sich auf dieser
Oberfläche kein Eis bilden kann. Bei einem Flugzeug wird eine derartige Heizung
entweder elektrisch oder mit von den Antriebsmaschinen entnommener heißer Luft betrieben,
was jedoch sehr kostspielig ist. Eine zweite wirtschaftlichere Ausführungsform eines
derartigen Gerätes läßt die Eisbildung für kurze Zeiträume zu, d. h. beispielsweise
60 bis 90 Sekunden lang, und beheizt dann die Oberfläche für einen
noch kürzeren Zeitraum von nur wenigen Sekunden, so daß die Eisschicht, die unmittelbar
mit der Oberfläche in Berührung steht, geschmolzen wird. Wenn eine elektrische Beheizung
vorgesehen ist, kann die Belastung ungefähr konstant gehalten werden, indem die
Heizelemente an verschiedenen Stellen jeweils hintereinander gespeist werden. Wenn
bei einem Flugzeug die Eisschicht im Bereich der beheizten Oberfläche geschmolzen
ist, löst sich die gesamte Eisschicht unter Ausbildung eines Wasserfilmes und mit
Unterstützung des Luftstromes von der Oberfläche ab. Bei dieser zweiten Ausführungsform
der Vorrichtung muß beachtet werden, daß die Eisschicht nicht nur auf der Oberfläche
entlanggleitet, um in einem unbeheizten Bereich festzufrieren, und das abgelöste
Eis nicht Geräte beschädigt, die sich in dessen Weg befinden. Um zu verhindern,
daß das von der Oberfläche abgelöste Eis Klumpen bildet, die groß genug sind, um
eine derartige Beschädigung zu verursachen, kommt es darauf an, daß bei jeder Heizperiode
das gesamte angewachsene Eis fortgetragen wird.
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Ferner sind Vorrichtungen zum Enteisen von aerodynamischen Konstruktionen
bekannt, bei denen die Heizeinrichtung lediglich auf das unveränderte Profil des
aerodynamisch ausgebildeten Bauelementes aufaesetzt ist. An die Heizeinrichtung
schließt sich der unveränderte Querschnitt des Bauelementes an und verjüngt sich
der Konstruktion entsprechend. Bei längeren Flächen, wie z. B. Tragflächen oder
Triebwerksummantelungen, besteht dabei stets die Gefahr, daß die losen Eisstücke
auf der unbeheizten j
Oberfläche entlangkriechen und wieder festfrieren oder
zu Beschädigungen führen. Ein Abheben erfolgt gewöhnlich nicht. Bei einer anderen
Ausführungsform zur Beheizung der Anströmkante ist das Heizelement so angeordnet,
daß sich die daran anschließenden aerodynamischen Bauelemente noch erweitern, so
daß auch dieses zu den bereits behandelten Nachteilen führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen
und bei geringstem Energieaufwand einen optimalen Enteisungserfolg zu erzielen,
wobei ein einwandfreies Abführen der losgelösten Eisteile sichergestellt werden
soll.
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Gemäß der Erfindung ist hierfür eine Vorrichtung vorgesehen, bei der
das Bauelement hinter der An-C,
strömkante sich verjüngend und anschließend
sich derart erweiternd ausgebildet ist, daß es stufenlos in die unabhängig von Enteisungsgesichtspunkten
gewählte Profilgestalt des Bauelementes übergeht. Das Bauelement kann einen Teil
einer angeströmten profilierten Konstruktion darstellen, deren Ausrüstung bilden
oder ein unabhängiges Element sein, das vor dem speziellen Bauteil des Flugzeuges
oder der Ausrüstung angebracht ist, von dem periodisch das Eis entfernt werden soll.
Wenn bei dieser Konstruktion die Oberfläche des Eises schmilzt und ein Teil abbricht
und nach hinten gleitet, wird das Stück fort-Cretragen, nachdem es den Bereich mit
der größten Querschnittsstärke der Stirnfläche passiert hat, d. h. wenn es
den Abschnitt erreicht hat, an dem die Stärke des Querschnittes abzunehmen beginnt.
Sobald es sich von irgendeinem Teil der Konstruktion abgehoben hat, wird es durch
den Luftstrom schnell fortgetragen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist ein sich verjüngender
und anschließend erweiternder Abschnitt auf einer Seite der Profilmittellinie des
Bauelementes eine konkav gekrümmte Oberfläche auf.
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Der sich verjüngende und anschließend erweiternde Abschnitt kann auf
beiden Seiten der Profilmittellinie des Bauelementes eine konkav gekrümmte Oberfläche
aufweisen. Die Profilmittellinie des Bauelementes ist während des normalen Flugbetriebes
unter einem Winkel zwischen 0,5 und 2,0' zur Luftströmung geneigt. Das Bauelement
weist als Anströmkante eine Stimfläche auf, deren Querschnitt sich bogenförmig über
einen Winkel von mindestens 90'
auf einer Seite der Profilmittellinie des
Bauelementes erstreckt.
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Ferner sieht die Erfindung vor, daß das Heizelement zu einer unsymmetrisch
über die Profilmittellinie erfolgenden Beheizung der Anströmkante ausgelegt ist.
Das Heizelement kann auf einer Seite der Profilmittellinie angeordnet sein.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße
Vorrichtung wiedergegeben, C CD C C
und F i g. 1 bis 4 zeigen
jeweils schematisch einen Querschnitt durch einen Teil eines bei einem Flugzeug
verwendeten Konstraktionselementes.
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In F i g. 1 ist ein Teil eines Bauelementes 10 im Querschnitt
dargestellt. Das Bauelement 10 kann beispielsweise die Lufteintrittsöffnung
für eine Maschine sein oder ein Stützpfeiler zur Aufnahme eines Gerätes. In beiden
Fällen soll die Bildung von Eis an dem Bauelement verhindert werden. Wie in der
Zeichnung dargestellt, weist das Bauelement 10 eine: Stimfläche
11 in Form eines Kreisbogens auf, dessen Radius bei diesem besonderen Ausführungsbeispiel
1,14 mm beträgt. Ein elektrisches Heizelement weist einen Draht 12 auf, der von
einer Isolierung 13 umgeben und innerhalb des Bogens angeordnet ist. Auf
einer Seite einer Profilmittellinie 14 weist ein Abschnitt 15
des Bauelements
10 hinter der Stimfläche eine Oberfläche 16 auf, die sich gleichförmig
von der Profilmittellinie 14 entfernt. Auf der anderen Seite der Profilmittellinie
weist der Abschnitt 15 des Bauelementes 10 eine konkave Oberfläche
17 auf, deren Tiefe 0,089 mm über eine Länge von etwa 25,4 mm parallel
zur Profilmittellinie beträgt. Die Breite des Abschnittes 15 nimmt unmittelbar
hinter der Stimfläche 11 ab. Wenn auf der Stimfläche 11 haftendes
Eis geschmolzen wird, versucht die konkave Oberfläche 17 den Eisblock oberhalb
der geschmolzenen Schicht vollkommen von der Fläche 17 abzulösen, ohne daß
dieser an dem Bauelement 10 erneut festfriert.
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Wenn nur eine Seite des Bauelements 10 eine konkave Oberfläche
17 aufweist, wie dies in F i g. 1 dar-Crestellt ist, neigt die Eisanhäufung
dazu, sich über diese Seite hin vom Bauelement abzuheben. Das Bauelement
10 wird vorzugsweise so angeordnet, daß die gegen Beschädigungen empfindlichen
Geräte sich auf der anderen Seite des Elementes befinden, so daß die Gefahr der
Beschädigung durch losgelöste Eisbrocken stark reduziert ist. Bei dem besonderen
in F i g. 1 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel wird zum Einsetzen des Heizdrahtes
12 eine schmale Nut in das Bauelement 10 eingefräst, die sich über dessen
Länge erstreckt, der Draht eingelegt und in seiner Lage fixiert. Vorzugsweise findet
ein gekapselter Heizdraht mit einer Metallummantelung Anwendung, die mit dem Bauelement
10 in gut leitendem Kontakt steht.
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Die bevorzugte Ablösung von Eis nach einer Seite des Bauelementes
10 hin wird dadurch unterstützt, daß das Element so angeordnet ist, daß seine
Profilmittellinie zur gewöhnlichen Luftströmung um etwa JO geneigt ist, so daß der
Luftstrom das Bauelement 10 auf der Seite beaufschlagt, die der Oberfläche
17
gegenüberliegt. Die Richtung des Luftstromes ist in F i g. 1 durch
einen Pfeil angedeutet. Es wurde herausgefunden, daß ohne die konkave Fläche17 die
Profilmittellinie 1.4 um einen Winkel von etwa 10'
zur aewöhnlichen Luftströmungsrichtung
geneigt sein müßte, um den Abtransport des Eises vorzugsweise über eine Seite sicherzustellen.
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In F i g. 2 ist ein Bauelement 18 wiedergegeben, das
bei diesem Ausführungsbeispiel symmetrisch zur Profilmittellinie 19 angeordnet
ist. Das Bauelement 18 weist eine konkave Oberfläche 20 auf, die mit der
Oberfläche 17 des Bauelements 10 gemäß F i g. 1 verglichen
werden kann, die jedoch auf beiden Seiten der Profilmittellinie 19 angeordnet
ist. Ein Heizelement 21 ist innerhalb des bogenförmigen Abschnittes der Stirnfläche
vorgesehen. Bei diesem besonderen Ausführungsbeispiel ist das Heizelement symmetrisch
angeordnet, so daß das Eis gleichmäßig über beide Seiten abgetragen wird. Der Heizdraht
ist bei diesem Ausführungsbeispiel in einen Schlitz eingesetzt, der in das Bauelement
18 eingearbeitet ist. Vorteilhafterweise wird hierfür ein gekapselter Heizdraht
verwendet, bei dem das Heizelement 21 von einer Isolierschicht 22 umgeben ist, die
innerhalb einer Metallhülse 23 ruht, die so in dem Schlitz angeordnet ist,
daß sie in einem guten thermischen Kontakt mit dem Bauelement 18 steht.
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Ein Bauelement 30 gemäß F i g. 3 weist eine zylindrische
Oberfläche 31 auf, die sich über einen Winkel von etwa 280' erstreckt.
Eine derartige Anordnung ist zweckmäßig, wenn mit großen Eisanhäufungen gerechnet
werden muß. Die Vorderseite 32 der Oberfläche bildet dabei die Stirnfläche
und ein hinterer Abschnitt 33 des Zylinders bildet den einen reduzierten
Querschnitt aufweisenden Abschnitt. Hinter dem Abschnitt 33 erweitert sich
das Bauelement 30
gleichmäßig und symmetrisch zur Profilmittellinie 34 nach
beiden Seiten. Innerhalb des von der zylindrischen Oberfläche umschlossenen Körpers
ist ein elektrisches Heizelement 35 untergebracht. Bei dieser Konstruktion
kann vorteilhafterweise ein gekapselter
Heizdraht Anwendung finden,
um als Ganzes den zylindrischen Körper 31 zu bilden, wobei die äußere Metallummantelung
an den Hauptteil des Bauelements 30 angelötet bzw. angeschweißt sein kann.
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Ein Bauelement 40 gemäß F i g. 4 weist eine zylindrische Stange
41 auf, die sich über den Vorderrand des Elements erstreckt und mittels Abstandsstücken
42 an dem übrigen Teil des Elements 40 befestigt ist, das sich gleichförmig von
einer Profilmittellinie 43 her in ähnlicher Weise, wie es in F i g. 3
dargestellt
ist, erweitert. Ein Heizelement 44 ist innerhalb der Stange 41 angeordnet. Vorteilhafterweise
besteht die Stange 41 aus einem gekapselten Heizdraht mit einer äußeren Metallummantelung.
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Es sei hervorgehoben, daß bei allen Ausführungsbeispielen gemäß F
i g. 1 bis 4 eine Stimfläche Anwendung findet, die mindestens teilweise zylindrisch
ausgebildet ist. Wie es aus den oben angegebenen besonders kennzeichnenden
- Abmessungen zu entnehmen ist, weist die Stirnfläche gegenüber dem Hauptteil
des zu enteisenden Bauelements, beispielsweise an einem Flugzeug, eine sehr geringe
Stärke auf. Durch die Anwendung dieser beheizten Stimfläche zusammen mit dem engeren
Querschnittsbereich direkt hinter dieser wird das Eis jedoch vollständig abgelöst
und haftet nicht an dem Hauptteil des Bauelements 10, 18, 30 oder 40, der
eine wesentlich größere Querschnittsbreite aufweist als der beheizte Vorderrand.
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Die symmetrischen Außenformen gemäß F i g. 2 und 4 ermöglichen
jedoch auch eine Enteisung vorzugsweise nach einer Seite hin, indem man die Stirnfläche
unsymmetrisch zur ProfilmitteRinie beheizt. Wenn das Eis auf einer Seite des Elements
schmilzt, verfestigt der Luftstrom die verbleibende Eisschicht und zwingt dadurch
das Eis, sich über die gegenüberliegende Seite des Bauelements abzuheben, auf der
es zuerst geschmolzen ist. Das Heizelement kann unsymmetrisch zur Profilmittellinie
angeordnet sein oder das Element oder ein Teil von diesem können aus Materialien
mit unterschiedlichen Wärmeleiteigenschaften hergestellt sein, so daß die Wärme
unsymmetrisch zur Profilmittellinie zur Stirnfläche geleitet wird. Wird die Wärme
fast ausschließlich auf die Stirnseite des Vorderrandes entweder symmetrisch oder
asymmetrisch geleitet, bleibt das Eis an den Seiten des Bauelementes haften, bis
das Eis an der Vorderseite verdampft ist. Der Dampf kann dann so geleitet werden,
daß er den Eisblock von dem Bauelement absprengt.
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Die Triebwerke und andere Geräte, die durch losaelöste Eisblöcke beschädigt
werden können, sind auf der Seite des Bauelements angeordnet, auf der sich das Eis
vorzugsweise nicht loslöst. Die Vorrichtung kann jedoch allgemein zur Enteisung
aller bekannten Ausführungsformen von Stimkanten bei Flugzeugen Anwendung finden
und insbesondere auch an Seitenflossen bzw. Tragflächen. In den letztgenannten Fällen
ist es vorteilhaft, wenn das Eis nach beiden Seiten hin abgeführt wird. Um scharfe
Stirnkanten sicherzustellen, müssen die Heizelemente schmal ausgebildet sein.
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Ein Heizelement weist vorzugsweise mindestens zwei Drähte unterschiedlicher
Leitfähigkeit auf, die an ihren Enden verbunden und mit einer isolierenden Hülse
armiert sowie in ein fortlaufendes Metallrohr eingelassen sind, das über die Drähte
und die Ummantelung gezogen ist. Der Hauptanteil an Wärme wird von dem Element abgegeben,
das den Draht höheren Widerstands aufweist. Die weniger leitenden Abschnitte stellen
bei dem Heizelement die Anschlüsse mit niedrigem Widerstand dar.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel weist das Element einen einzigen
durchlaufenden elektrisch leitfähigen Draht auf mit einem elektrisch leitenden Rohr,
das über einen oder mehrere Abschnitte des Drahtes gezogen ist und in eine isolierende
Ummantelung eingelassen ist, die innerhalb eines äußeren fortlaufenden Metallrohres
vorgesehen ist, das über den Draht, das innere Rohr und die Ummantelung gezogen
ist. Der Hauptanteil der Wärme wird von dem Abschnitt des Drahtes abgegeben, der
nicht von dem inneren leitenden Rohr umgeben ist.