DE19637348A1 - Strömungsleitendes Bauteil mit variablem Querschnitt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein strömungsleitendes Bauteil, insbesonde­ re für eine Luftströmung, mit zumindest einer die Strömung beein­ flussenden Leitfläche.

Strömungsleitende Bauteile für Fluidströmungen, seien dies Flüs­ sigkeitsströmungen, seien dies gasförmige Strömungen, werden in zahlreichen Gebieten der Technik eingesetzt. Insbesondere bei gro­ ßen Anlagen sind strömungsleitende Bauteile von oft erheblichen Dimensionen und dementsprechend mit hohen Investitionskosten bela­ stet. Nachträgliche Änderungen solcher strömungsleitender Bautei­ le, um die entsprechende Strömung an geänderte Verhältnisse anzu­ passen, sind mit hohen Investitionskosten und unter Umständen Aus­ fallzeiten für die betreffende Anlage verbunden.

Ein Beispiel für Großanlagen, in denen strömungsleitende Bauteile von erheblichen Abmessungen zu finden sind, sind sogenannte Klima- Wind-Kanäle, die insbesondere in der Automobilindustrie zur Simu­ lation der Anströmung von Fahrzeugen verwendet werden.

In einem Windkanal der angesprochenen Art wird die von einer gro­ ßen Turbine, die beispielsweise eine Leistung von 400 kW haben kann, erzeugte Luftströmung im Kreis geführt und strömt in einem Untersuchungsraum eine zu testende Fahrzeugkarosserie an. Um die Versuchsbedingungen reproduzierbar zu machen, ist es erforderlich, daß die Luftströmung vor dem Eintritt in den Untersuchungsraum gleichmäßig ausgebildet ist.

Dies wird unter anderem dadurch erreicht, daß die Luft vor dem Eintritt in den Versuchsraum durch eine Düse geleitet wird, deren Austrittsquerschnitt eine definierte Größe aufweist. Die Düse bzw. ihre Wandungen bilden dabei ein strömungsleitendes Bauteil.

Es hat sich nun herausgestellt, daß es im Hinblick auf verschiede­ ne zu untersuchende Fahrzeuggrößen wünschenswert wäre, die Düse hinsichtlich ihrer Strömungsform und insbesondere hinsichtlich ihres Austrittsquerschnitts an zu untersuchende Fahrzeuge anzupas­ sen. So ist die Simulation der Anströmung eines Kleinwagens genau­ er und effizienter durchzuführen, wenn der Düsenaustrittsquer­ schnitt entsprechend kleiner ist als bei der Untersuchung der An­ strömung eines Lastkraftwagens.

Es besteht daher ein Bedarf, eine aus strömungsleitenden Wänden gebildete große Düse, d. h. ein strömungsleitendes Bauteil mit zu­ mindest einer die Strömung beeinflussenden Leitfläche, so zu ge­ stalten, daß die Lage der Leitfläche und/oder ihr Profil veränder­ bar ist.

Dabei sollen die vorzunehmenden konstruktiven Maßnahmen aufgaben­ gemäß so gestaltet sein, daß die notwendigen Veränderungen am be­ reits vorhandenen Bauteilen minimal sind und Einbauzeiten mög­ lichst kurz gehalten werden, um Betriebsausfälle zu minimieren.

Im Rahmen dieser Aufgabenstellung sind verschiedene Lösungskonzep­ te entwickelt worden. So sind Rolladen angedacht worden, die, in Führungsschienen geführt, in eine große Düse eines Windkanals ein­ gezogen werden und so den Strömungsquerschnitt verringern. Auch starre segmentartige Bauteile, die, in Führungsschienen ge­ führt, kaskadenartig hintereinander gehängt den Düsenquerschnitt reduzieren, sind diskutiert worden.

Weiterhin ist ein Lösungskonzept angedacht, jedoch verworfen wor­ den, bei dem eine elastische Innenhaut über Spanten gespannt ist, entsprechend dem biologischen Äquivalent Haut, Knochen, Muskeln, und durch Verändern der Lage der biegsamen Spanten entsprechend der gewünschten Düsengeometrie geformt wird.

Diese Lösungskonzepte sind verworfen worden, da sie einen zu hohen konstruktiven Aufwand bedeuten und der Umbau eines Luft-Wind-Ka­ nals unter Zugrundelegung solcher aufwendiger mechanischer Konzep­ te mit zu hohen Ausfallzeiten verbunden wäre.

Die beiden erstgenannten Lösungen sind auch insofern unvorteil­ haft, als die strömungsleitenden Flächen nicht glatt genug sind, sondern durch die notwendigen Spalte etc. unterbrochen werden.

Schließlich ist vorgeschlagen worden, den Düsenquerschnitt durch Einbauten, beispielsweise in Form von Styroporblöcken, zu verän­ dern. Auch dieses Lösungskonzept ist verworfen worden, da bei ei­ ner solchen Lösung der Umbau auf die jeweils gewünschte Düsengeo­ metrie mit zu großen Rüstzeiten verbunden wäre.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein strömungslei­ tendes Bauteil zu schaffen, insbesondere für eine Luftströmung, insbesondere als Wandbauteil für die Düse eines Klima-Wind-Kanals, bei dem die Lage der der Strömung zugewandten Leitfläche schnell und unkompliziert verändert werden kann, wobei die anliegende Strömung im jeweiligen Leitzustand möglichst wenig durch Oberflä­ chenfehler, wie beispielsweise Spalte etc., beeinflußt werden soll.

Das zu schaffende strömungsleitende Bauteil soll sich schließlich bei einer bereits vorhandenen Düse so einfach realisieren lassen, daß Investitionskosten und Ausfallzeiten der jeweiligen Anlage auf ein Minimum reduziert werden. Schließlich soll das zu schaffende strömungsleitende Bauteil die mit den oben andiskutierten Lösungen verbundenen Nachteile vermeiden.

Die Lösung der Aufgabe ist durch ein strömungsleitendes Bauteil gegeben, das dadurch gekennzeichnet ist, daß seine Leitfläche zu­ mindest teilweise durch eine Wandung eines aufblasbaren Hohlkör­ pers gebildet wird.

Der so prinzipiell geschaffenen Lösung haftet der Nachteil an, daß bekannte aufblasbare Hohlkörper, beispielsweise aus gummierten Gewebe, im aufgeblasenen Zustand wegen des hohen Innendrucks von beispielsweise 18 bar gerundete Oberflächen aufweisen, deren Quer­ schnitte sich so weit wie möglich der Kreisform anzunähern trach­ ten.

Solche runde Oberflächen sind als Leitflächen ungeeignet, da bei­ spielsweise in einem Klima-Wind-Kanal die dem zu untersuchenden Fahrzeug zugeführte Strömung möglichst gleichmäßig und unverwir­ belt sein soll.

In einer bevorzugten Ausführungsform eines strömungsleitenden Bau­ teiles ist daher vorgesehen, daß der Hohlkörper aus zumindest zwei miteinander verbundenen Lagen besteht, zwischen deren Innenseiten auf Zug beanspruchte Verbindungen angeordnet sind. Die auf Zug be­ anspruchten Verbindungen sorgen dabei dafür, daß die der Luftströ­ mung zugewandte Lage, d. h. die die Leitfläche bildende Lage gegen den im Hohlkörper herrschenden Innendruck in einer Form gehalten wird, die der gewünschten Luftströmung entspricht. Dabei sind zahlreiche Zugverbindungen notwendig, da sich ansonsten eine Ober­ flächenform einstellen würde, die aus einer Vielzahl von sich ab­ wechselnden Hügeln und Tälern besteht.

Um eine möglichst ebene Leitfläche zu realisieren, ist daher be­ vorzugt vorgesehen, daß die beiden den Hohlkörper bildenden Lagen, beispielsweise aus luftdicht beschichtetem Gewebe, durch ein zug­ belastetes Abstandsgewebe miteinander verbunden sind, das zwischen zwei Gewebelagen verlaufende Zugfäden in hoher Anzahl aufweist. Eine bevorzugte Fadendichte ist dabei vorteilhafterweise 5 bis 10 Fäden/cm².

Abstandsgewebe dieser Art werden in anderen Bereichen der Technik bereits für aufblasbare Profilkörper, insbesondere Tragbahren, verwendet.

Bisher sind jedoch auch in diesen abliegenden Bereichen der Tech­ nik verwandte Abstandsgewebe nur in einer Form bekannt, bei der die beiden durch die zugbelasteten Fäden miteinander verbundenen Lagen parallel zueinander verlaufen, d. h. alle Zugfäden gleiche Länge aufweisen.

Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, die Länge der Zugfä­ den in verschiedenen Bereichen des Hohlkörpers so zu variieren, daß die gewünschte Form des strömungsleitenden Bauteils, insbeson­ dere der Wandung einer Düse eines Klima-Wind-Kanals, im aufgebla­ senen Zustand erreicht wird. Die Länge der einzelnen Zugfäden des Abstandsgewebes, das die beiden luftdichten Lagen des Hohlkörpers miteinander verbindet, sind mit anderen Worten so gewählt, daß die beiden Lagen im aufgeblasenen Zustand ein definiertes Profil bil­ den.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, daß in die als Leitfläche wirkende Lage eine biegesteife Platte, beispiels­ weise eine Blechplatte, integriert ist, um die Lage gegen den In­ nendruck zu stabilisieren.

Um eine stufenweise Verringerung des Düsenquerschnitts bzw. damit verbunden eine stufenweise Veränderung der Lage der Leitfläche zu ermöglichen, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung vorgesehen, daß der Hohlkörper aus mehreren übereinander angeordneten, getrennt voneinander mit Druckluft beaufschlagbaren Luftkammern besteht.

Bevorzugt ist weiter vorgesehen, daß jede einzelne Luftkammer mit zumindest einer Vakuumpumpe und einem Druckluftanschluß versehen ist. Damit läßt sich jede einzelne Luftkammer getrennt voneinander evakuieren oder mit Druckluft beaufschlagen, so daß die Lage der der Luftströmung zugewandten Leitfläche in mehreren Schritten kom­ fortabel und schnell zu beeinflussen ist.

Beispielsweise im Klima-Wind-Kanal eines Automobilkonzerns kann so mit minimalen Rüstzeiten ein Umbau von einer Lkw-Vermessung auf die Vermessung eines Kleinwagens vorgenommen werden.

Damit ein evakuierter Hohlkörper sich mit seiner äußeren Lage in definierter Weise an die feste Wandung des strömungsleitenden Bau­ teils, bzw. an die Düsenwandung, anschmiegt, kann erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen sein, daß zwischen den Lagen elastische Zug­ elemente angeordnet sind. Diese, beispielsweise in Form von Gum­ mibändern, sorgen dafür, daß bestimmte Bereiche der der Luftströ­ mung zugewandten Lage des Hohlkörpers beim Entweichen der den Hohlkörper aufblasenden Druckluft an einen bestimmten Platz gezo­ gen werden, so daß der Hohlkörper in definierter Weise zusammen­ gefaltet wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen senkrecht zur Strömungsrichtung gelegten Querschnitt durch die Düse eines Windkanals,

Fig. 2 bis 5 jeweils einen in der senkrechten Mittelebene lie­ genden Querschnitt durch die Düse gemäß Fig. 1, wobei der erfindungsgemäße Hohlkörper in verschie­ denen Zuständen dargestellt ist,

Fig. 6 einen Schnitt durch eine einzelne Luftkammer des erfindungsgemäßen Hohlkörpers im aufgeblasenen Zu­ stand,

Fig. 7 den Schnitt gemäß Fig. 6 im evakuierten Zustand,

Fig. 8 eine Ansicht gemäß Fig. 6 einer alternativen und bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hohlkörpers, und

Fig. 9 einen entsprechenden Schnitt gemäß Fig. 7 des Hohlkörpers gemäß Fig. 8 im evakuierten Zustand.

Fig. 1 zeigt eine Düse 10 eines Windkanals im Querschnitt, d. h. in Fig. 1 verläuft die Strömungsrichtung senkrecht zur Zeichen­ ebene. Die Düse ist symmetrisch zu einer senkrechten Mittelebene 12 aufgebaut und weist einen polygonenförmigen Querschnitt auf.

Rechts und links eines Bodens 14 verlaufen Seitenwände 16L und 16R, an die sich Eckwände 18L und 18R anschließen, die ihrerseits durch eine Oberwand 20 miteinander verbunden werden.

In Fig. 2 ist der oberhalb einer waagerechten Bezugsebene 22 lie­ gende Teil der Düse, begrenzt von der rechten Seitenwand 16R, der rechten Eckwand 18R und der oberen Wand 20 dargestellt. Die Wind­ richtung ist durch einen Pfeil 23 dargestellt. Wie ein Vergleich der Fig. 2 und 5 in Zusammenschau mit Fig. 1 zeigt, sind auf allen als strömungsleitenden Bauteilen dienenden Wandungen der Düse 10 aufblasbare Hohlkörper angeordnet, mit Ausnahme des Bodens 14. Wie in den Fig. 2 bis 5 exemplarisch dargestellt ist, be­ steht jeder Hohlkörper aus drei Luftkammern A, B, C, die durch unterschiedliche Schraffur (Fig. 1, Fig. 5) deutlich gemacht sind. Jede Luftkammer ist über eine eigene Leitung 24a, 24b, 24c wahlweise mit einer Vakuumpumpe 26 oder einem Druckluftquelle 28 verbindbar. Die Umschaltung zwischen Vakuumpumpe 26 und Druckluft­ quelle 28 wird für jede Leitung 24a, 24b, 24c durch ein eigenes 3/2-Wege-Ventil 30a, 30b, 30c ermöglicht.

Die in den Fig. 2 bis 5 dargestellte Konstruktion, bei der sich auf der entsprechenden Leitfläche 20 ein - wie die Fig. 3 bis 5 zeigen - in drei Stufen aufblasbarer Hohlkörper befindet, und so die Leitfläche insgesamt vier verschiedene Lagen und unterschied­ liche Krümmungen einnehmen kann, ist sinngemäß nicht nur für die obere Wandung 20, sondern wie Fig. 1 zeigt, auch für die Seiten­ wandungen 16L und 16R sowie für die Eckwandungen 18L und 18R ver­ wirklicht.

Fig. 2 zeigt den größtmöglichen Querschnitt. Alle 3/2-Wege-Ven­ tile 30a, 30b und 30c sind auf die Vakuumpumpe 26 geschaltet, so daß die Luftkammern evakuiert werden und der Hohlkörper an der Leitfläche 20 der strömungsleitenden Wandung anliegt. Die strö­ mungsleitende Fläche 20 nimmt so eine erste Lage ein und der Dü­ senquerschnitt ist - wie ein Vergleich mit Fig. 1 zeigt - am größten. In Fig. 3 ist das Ventil 30a auf die Druckluftquelle 28 geschaltet, so daß die Luftkammer A mit Druckluft beaufschlagt wird und die Leitfläche entsprechend die Stellung 20A einnimmt.

Entsprechend ist in Fig. 4 zusätzlich das Ventil 30b auf Druck­ luft geschaltet, so daß die Leitfläche die Lage 20B einnimmt. Da­ bei kann vorgesehen sein, daß sich auch die Krümmung, d. h. das Profil, der Leitfläche in der Stellung 20B von dem in Stellung 20A bzw. Stellung 20 gezeigten anforderungsgemäß unterscheidet.

In Fig. 5 schließlich sind alle drei Ventile 30a, 30b und 30c auf die Druckluftquelle 28 geschaltet, so daß durch die Leitungen 24a, 24b und 24c Druck auf alle drei Luftkammer A, B, C geleitet wird. Die drei Luftkammern A, B, C bilden zusammen den Hohlkörper 32.

Mit einfachen Maßnahmen werden so vier verschiedene Düsenformen der Düse 10 realisiert. Um im Falle der Leitflächen 20a, 20b, 20c und dementsprechend der Leitflächen 16L, 16R und 18L, 18R in den verschiedenen Zuständen eine definierte Form der Leitfläche zu gewährleisten, die sich unter dem Einfluß des Innendruckes in den Luftkammern A, B, C nicht auswölbt, sind verschiedene Möglichkei­ ten denkbar.

Fig. 6 zeigt einen lediglich einkammerig ausgebildeten Hohlkörper 34, der von zwei Lagen 36 und 38 begrenzt wird. Die Lagen 36 und 38 sind durch auf Zug beanspruchte Verbindungselemente 40, bei­ spielsweise Bänder, miteinander verbunden. Der Abstand jeweils zweier Bänder 40 voneinander ist jedoch so groß, daß sich die der Strömung zugewandte Lage 38 unter dem im Hohlkörper 34 herrschen­ den Innendruck P_i auswölben würde.

Um dies zu vermeiden, ist eine biegesteife Platte 42 in das aus einem gummierten Gewebe bestehende Material der Lage 38 einvulka­ nisiert.

Fig. 7 zeigt den Hohlkörper 34 im evakuierten Zustand. Um eine korrekte Faltung zu erreichen und damit Faltenwurf an ungewollter Stelle zu verhindern, können elastische Zugelemente (44) vorgese­ hen sein.

Die Dicke d der in Fig. 7 gezeigten Luftkammer bzw. des einkamme­ rigen Hohlkörpers 34 im evakuierten Zustand beträgt beispielsweise 4 mm.

Um auf die biegesteife Platte 42, d. h. das Blechbauteil, das im evakuierten Zustand aufträgt, verzichten zu können, kann alterna­ tiv eine Ausführungsform gemäß Fig. 8 vorgesehen sein, bei der die beiden Lagen 36 und 38 durch Vielzahl von Zugfäden 46 mitein­ ander verbunden sind. Die Länge der Zugfäden 46 kann im Gegensatz zu Fig. 8, wo die Lagen 36 und 38 parallel zueinander verlaufend dargestellt sind, in Strömungsrichtung ansteigend oder abnehmend ausgebildet sein, so daß der Hohlkörper 34 im aufgeblasenen Zu­ stand eine bestimmte Außenkontur für die Strömungsbeeinflussung zur Verfügung stellt.

Fig. 9 zeigt den Hohlkörper 35 im evakuierten Zustand. Die Dicke d ist gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 7 um zirka 25% reduziert und beträgt etwa 3 mm.

Bezugszeichenliste

10 Düse
12 senkrechte Mittelebene
14 Boden
16L, 16R Seitenwände
18L, 18R Eckwände
20 obere Wand
22 waagerechte Bezugsebene
23 Windrichtung
24a, b, c Leitungen
26 Vakuumpumpe
28 Druckluftquelle
30a, b, c Ventile
32 Hohlkörper
34 Hohlkörper
35 Hohlkörper
36 der Strömung abgewandte Lage (von 34, 35)
38 der Strömung zugewandte Lage (von 34, 35)
40 Zugelement
42 biegesteife Platte, Blech
44 Spannband
46 Zugfaden
d Dicke (von 34, 35 im evakuierten Zustand)
A, B, C Luftkammern (von 32)

Claims (13)

1. Strömungsleitendes Bauteil, insbesondere für eine Luftströ­ mung, mit zumindest einer die Strömung beeinflussenden Leit­ fläche (20), dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfläche zu­ mindest teilweise durch eine Wandung eines aufblasbaren Hohl­ körpers (32, 34, 35) gebildet wird.

2. Strömungsleitendes Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hohlkörper (34, 35) aus zumindest zwei mit­ einander verbundenen Lagen (36, 38) besteht, zwischen deren Innenseiten auf Zug beanspruchte Verbindungen (40, 46) ange­ ordnet sind.

3. Strömungsleitendes Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lagen (36, 38) aus luftdicht beschichtetem Gewebe bestehen.

4. Strömungsleitendes Bauteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lagen durch ein zugbelastetes Abstandsgewebe miteinander verbunden sind, das zwischen zwei Gewebelagen verlaufende Zugfäden (46) aufweist.

5. Strömungsleitendes Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zugbelastete Abstandsgewebe eine hohe Fa­ dendichte an Zugfäden (46) aufweist.

6. Strömungsleitendes Bauteil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der einzelnen Zugfäden des Ab­ standsgewebes so gewählt sind, daß die beiden Lagen (36, 38) im aufgeblasenen Zustand des Hohlkörpers (35) ein definiertes Profil bilden.

7. Strömungsleitendes Bauteil nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (32) aus mehreren übereinander angeordneten, getrennt voneinander mit Druckluft beaufschlagbaren Luftkammern (A, B, C) besteht.

8. Strömungsleitendes Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede einzelne Luftkammer (A, B, C) mit einer Vakuumpumpe (26) und einer Druckluftquelle (28) verbunden ist.

9. Strömungsleitendes Bauteil nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zusammenfal­ ten des evakuierten Hohlkörpers (34) zwischen den Lagen (36, 38) elastische Zugelemente (44) angeordnet sind.

10. Strömungsleitendes Bauteil nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die die Leitfläche bildende Lage (38) plattenförmige, biegesteife Elemente (42) integriert sind.

11. Düse eines Windkanals, gebildet aus strömungsleitenden Bau­ teilen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10.

12. Düse nach Anspruch 11 mit im wesentlichen polygonen Quer­ schnitten, dadurch gekennzeichnet, daß jede zu jeweils einer Seite des Polygons gehörende Wandung (16R, 16L, 18R, 18L, 20) durch ein strömungsleitendes Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 gebildet wird.

13. Düse nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedes strömungsleitende Bauteil drei überein­ ander angeordnete Luftkammern (A, B, C) aufweist, deren der Luftströmung zugewandte Kontur im aufgeblasenen Zustand je­ weils durch zugbelastetes Abstandsgewebe (46) definiert wird.