DE19804308A1

DE19804308A1 - Thin-walled hollow variable-profile section, eg. aerofoil sections such as propeller blades

Info

Publication number: DE19804308A1
Application number: DE19804308A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bueter; Elmar Prof Dr Breitbach; Ulf-Carsten Ehlert
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1998-02-04
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2018-02-05
Also published as: DE19804308C2

Abstract

The profile (1) comprises anisotropic materials or structural elements (12,13) which are incorporated to obtain locally required profiles, and linear or torsional actuators to distribute forces evenly across the profile, or to direct forces into the elements. The elements, which can be eg. box sections with helical windings (14,15) oriented to cause change of curvature of the chord (4) under load so that radial tension causes torsional deflection in rotor blades.

Description

Die Erfindung betrifft ein dünnwandiges Profil mit Profilvariation unter Nutzung von material- oder konstruktionsbedingten Anisotropien.The invention relates to a thin-walled profile with profile variation using of material or construction-related anisotropies.

Es ist bekannt, material- oder konstruktionsbedingte Anisotropien zur Erzeugung globaler, also den Gesamtquerschnitt eines Profils betreffend er Verformungs kopplungen zu nutzen, wie beispielsweise die Zug-Torsions- oder Biege-Tor sions-Kopplung.It is known to generate anisotropies due to material or construction more global, i.e. the total cross section of a profile relating to deformation to use couplings, such as the train-torsion or bending gate sions coupling.

Aerodynamisch wirksame Konturen, wie beispielsweise Flügel, Rotorblätter, Propellerblätter, Verdichter- und Turbinenschaufeln oder andere werden ständig hinsichtlich der Aerodynamik optimiert. Zu berücksichtigen sind dabei aber auch, ständig wechselnde Belastungen, die durch instationäre und inhomogene Strö mungen verursacht werden und instationäre Auftriebs- und Widerstandskräfte bewirken. Zur Kontrolle dieser Kräfte können bekannterweise Klappen oder Vorflügel verwendet werden. Bei der Verwendung von Blättern von Hubschrau berrotoren werden diese instationär angeströmt. Mit zunehmender Flugge schwindigkeit steigt dabei die Komplexität der Strömungsverhältnisse an. Im Blattspitzenbereich treten am vorlaufenden Blatt mit einem Winkel von Ψ un gefähr gleich 90° Verdichtungsstöße zusammen mit einem starken Widerstandsanstieg infolge transsonischer Strömung auf, wohingegen es am rücklaufenden Blatt bei einem Winkel Ψ ungefähr gleich 270° bei einer maxi malen Vorwärtsfluggeschwindigkeit zu instationären Wirbelablösungen kommt, was als dynamischer Strömungsabriß bezeichnet wird. Aufgrund des letzteren bricht der Auftrieb schlagartig zusammen, wodurch eine kurzfristige, sehr starke Momentenbelastung auftritt, die das Rotorblatt kopflastig um die Rotordreh achse verdreht und eine strukturmechanische Belastung bewirkt.Aerodynamically effective contours, such as wings, rotor blades, Propeller blades, compressor and turbine blades or others are constantly changing optimized in terms of aerodynamics. However, the following must also be taken into account constantly changing loads caused by transient and inhomogeneous currents caused and unsteady buoyancy and resistance forces cause. Known flaps or Slats are used. When using helicopter blades The rotors are blown onto them transiently. With increasing flight speed increases the complexity of the flow conditions. in the Leaf tip area occur on the leading leaf at an angle of Ψ un Danger equal to 90 ° impacts together with a strong one Resistance increase due to transonic flow, whereas on returning sheet at an angle Ψ approximately equal to 270 ° at a maxi paint forward flight speed comes to transient vortex detachments, what is called dynamic stall. Because of the latter The buoyancy suddenly breaks down, creating a short-term, very strong Torque load occurs, which makes the rotor blade top-heavy around the rotor rotation twisted axis and causes a structural mechanical load.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein dünnwandiges Profil mit Profilvariation unter Nutzung von material- oder konstruktionsbedingten Ani sotropien zu schaffen, durch das eine weitere Steigerung der aerodynamischen Effizienz, eine Reduzierung der mechanischen Lasten und Verringerung der Ge räuschemissionen geschaffen wird.The invention is therefore based on the object of having a thin-walled profile Profile variation using material or construction-related ani to create sotropies by further increasing the aerodynamic Efficiency, a reduction in mechanical loads and a reduction in Ge noise emissions is created.

Die Aufgabe wird mit einem dünnwandigen Profil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß die materialbedingten oder konstruktionsbe dingten Anisotropien zum Erzeugen gezielter Konturveränderungen lokal in dem Profil angeordnet sind. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen definiert.The task is done with a thin-walled profile according to the generic term of Claim 1 solved in that the material-related or construction conditioned anisotropies for generating targeted contour changes locally in the Profile are arranged. Further developments of the invention are in the Unteran sayings defined.

Dadurch wird ein dünnwandiges Profil mit Profiladaption geschaffen, bei dem im Unterschied zum Stand der Technik die material- oder konstruktionsbedingten Anisotropien nicht global, sondern lokal in dem Profil vorgesehen sind. Aufgrund der Anisotropien entstehen Verformungskopplungen, welche durch die lokale Anbringung der Anisotropien lediglich an einzelnen Teilelementen des Profils benutzt werden, um den Profilquerschnitt in seiner Form gezielt aktiv zu defor mieren. Profil kann dabei beispielsweise eine ein- oder mehrzellige insbeson dere dünnwandige Stabschale sein, an deren einzelnen Plattenstreifen lokal die Anisotropien vorgesehen sind.This creates a thin-walled profile with profile adaptation, in which Difference from the prior art, the material or construction-related Anisotropies are not provided globally, but locally in the profile. Because of The anisotropies cause deformation couplings, which are caused by the local Applying the anisotropies only to individual sub-elements of the profile be used to actively deforge the profile cross section in its shape lubricate. Profile can be, for example, a single or multi-cell in particular be thin-walled rod shell, on the individual plate strips locally Anisotropies are provided.

Vorzugsweise sind Aktuatormittel vorgesehen. Diese leiten bevorzugt die Ak tuatorkräfte global in den gesamten Profilquerschnitt ein. Sie können aber auch die Aktuatorkräfte lokal an einzelnen anisotropen Elementen einleiten, wie bei spielsweise Plattenstreifenelementen oder ähnlichen. Alternativ hierzu können die Aktuatorkräfte auch über Einzelkräfte oder Flächenkräfte eingeleitet werden.Actuator means are preferably provided. They prefer to lead the Ak tuator forces globally in the entire profile cross-section. But you can too initiate the actuator forces locally on individual anisotropic elements, as in for example plate strip elements or the like. Alternatively, you can the actuator forces are also introduced via individual forces or surface forces.

Besonders bevorzugt werden piezoelektrische, magnetostriktive, elektrische, elektromagnetische, elektrostriktive, hydraulische oder pneumatische Aktuator mittel verwendet oder solche, welche auf Formgedächtnislegierungen basieren. Diese dienen bevorzugt der Längskrafterzeugung.Piezoelectric, magnetostrictive, electrical, electromagnetic, electrostrictive, hydraulic or pneumatic actuator agents used or those based on shape memory alloys. These are preferably used to generate the longitudinal force.

Zur besonders vorteilhaften Kontrolle der instationären Auftriebs- und Wider standskräfte, welche durch instationäre und inhomogene Strömungen auf einem aerodynamisch wirksamen Profil auftreten, sind für die Veränderung der Profil kontur keine Klappen oder Vorflügel erforderlich, da die gewünschte Konturver änderung durch materialbedingte oder konstruktive lokal angeordnete Ani sotropien erzeugt wird. Durch besonders bevorzugtes Verändern der Krümmung der Konturmittellinie oder Skelettlinie ist eine solche Verwölbung der Profilkontur möglich, daß dabei der Profilquerschnitt gegenüber der Achse eines insbesondere schlanken Bauteiles in erster Näherung senkrecht bleibt. Dies kann besonders bevorzugt durch eine lokale Zug-Torsions-Kopplung oder eine lokale Zug-Biege-Kopplung erfolgen.For particularly advantageous control of the transient buoyancy and contra steady-state forces caused by unsteady and inhomogeneous flows on a aerodynamically effective profile occur are for changing the profile contour no flaps or slats required, as the desired contour ver Change due to material-related or constructive locally arranged ani sotropia is generated. By changing the curvature in a particularly preferred manner the contour center line or skeleton line is such a warping of the profile contour possible that the profile cross section relative to the axis of a in particular slim component remains vertical at first approximation. This can particularly preferably by a local train-torsion coupling or local train-bend coupling.

Besonders vorteilhaft entstehen an strömungsmechanisch wirksamen Profil konturen aufgrund der erfindungsgemäßen Konturveränderungen stetig ge krümmte, sprung- und knickfreie glatte Oberflächen des Profils. Eine Störung der Strömung wird gegenüber den herkömmlichen Klappensystemen erheblich reduziert. Besonders bevorzugt kann eine Steuerung der aerodynamischen Eigenschaften der Profilkonturen ebenso wie eine gezielte Veränderung der Flächenträgheitsmomente und damit der Steifigkeiten dünnwandiger Profile, insbesondere Stabschalen, erzeugt werden.A particularly advantageous result is a fluid mechanically effective profile contours ge due to the contour changes according to the invention curved, crack-free and kink-free smooth surfaces of the profile. A disturbance the flow becomes significant compared to conventional valve systems reduced. Control of the aerodynamic can be particularly preferred Properties of the profile contours as well as a targeted change in the Moments of inertia and thus the stiffness of thin-walled profiles, especially rod shells can be generated.

Besonders bevorzugt werden als Aktuatormittel Linearaktuatoren bzw. Linear antriebe verwendet. Die Aktuatormittel werden dabei jeweils auf die anwen dungsgemäß verfügbaren Bau räume, Stellkräfte und Stellwege angepaßt.Linear actuators or linear are particularly preferred as actuator means drives used. The actuator means are each applied to the Appropriate construction spaces, actuating forces and travel ranges adapted.

Besonders vorteilhaft wird bei Verwendung der erfindungsgemäßen lokalen ak tiven Konturverformung im Nasenbereich eines Hubschrauber-Rotorblattprofiles das Auftreten und die Effekte des dynamischen Strömungsabrisses am rück laufenden Rotorblatt vermindert. Besonders bevorzugt wird dabei eine Profilva riation in Form einer über eine Nasenabsenkung realisierbaren Krümmungsän derung im vorderen Profilbereich des Rotorblattes vorgesehen.Is particularly advantageous when using the local ak tive contour deformation in the nose area of a helicopter rotor blade profile the occurrence and effects of dynamic stall at the back running rotor blade reduced. A Profilva is particularly preferred riation in the form of a curvature that can be achieved by lowering the nose Change provided in the front profile area of the rotor blade.

Durch den erfindungsgemäßen Aufbau eines dünnwandigen Profils in Form eines Rotorblattes kann besonders vorteilhaft der dynamische Strömungsabriß zu höheren Anstellwinkeln verschoben und damit der sonst unvermeidbare Auf triebsverlust vermieden, starke, impulsartige Momentenbelastungen des Rotor blattes verringert, die maximale Vorwärtsfluggeschwindigkeit gesteigert, das dynamische Verhalten des Rotorblattes optimiert und die Druckpunktlage und damit ebenfalls die aeroelastische Kopplung beeinflußt werden.The inventive construction of a thin-walled profile in shape The dynamic stall of a rotor blade can be particularly advantageous shifted to higher angles of attack and thus the otherwise inevitable up Loss of drive avoided, strong, impulsive torque loads on the rotor reduced, the maximum forward flight speed increased, the dynamic behavior of the rotor blade optimized and the pressure point position and thus also influencing the aeroelastic coupling.

Besonders bevorzugt werden bei einem dünnwandigen Rotorblattprofil lokale materialbedingte Anisotropien durch einen geeigneten Wandaufbau des Na senbereiches des Rotorblattes realisiert. Dadurch wird durch Einleiten von Längs- und/oder Querkräften eine Schubverformung, Verbiegung oder Verwin dung erzeugt, welche die gewünschte Nasenabsenkung verursacht. Beispiels weise wird ein Wandaufbau mit +/-45°-Lage, 30°-Lage und +/-45°-Lage ver wendet. Es können auch Lagen mit beliebigen anderen Orientierungswinkeln verwendet werden.Local are particularly preferred in the case of a thin-walled rotor blade profile Material-related anisotropies due to a suitable wall structure of the Na area of the rotor blade. This is done by initiating Longitudinal and / or transverse forces a shear deformation, bending or twisting generated, which causes the desired nose lowering. Example a wall structure with +/- 45 ° position, 30 ° position and +/- 45 ° position is used turns. Layers with any other orientation angle can also be used be used.

Besonders bevorzugt kann mit dem erfindungsgemäß aufgebauten dünnwandi gen Profil auch eine lokale Profilverdickung oder -verjüngung durch Verände rung der Krümmungen der Profilwandung erzeugt werden. Durch derartige lo kale Profilverdickungen oder -verjüngungen kann Einfluß auf die transsonischen Strömungsverhältnisse am Profil genommen werden. Durch lokale Profilverdic kungen oder -verjüngungen im Nasenbereich des Profils kann eine Verschie bung der Druckpunktlage und damit der aerodynamischen Kopplung des Profils erzeugt werden, wodurch Einfluß auf das aeroelastische Verhalten des Profils genommen wird.Particularly preferably, the thin-walled construction constructed according to the invention local profile thickening or tapering due to changes tion of the curvatures of the profile wall are generated. Through such lo kale profile thickening or tapering can influence the transonic Flow conditions can be taken on the profile. Through local profile verdic Tilting or tapering in the nose area of the profile can result in a shift Exercise the pressure point position and thus the aerodynamic coupling of the profile are generated, which influences the aeroelastic behavior of the profile is taken.

Besonders bevorzugt wird eine Verkopplung zwischen Dehnungen und Sche rungen vorgesehen. Es können aber auch beliebige Kopplungen zwischen Dehnungen, Scherungen, Krümmungen und Drillungen genutzt werden.A coupling between strains and Sche is particularly preferred provided for. But there can also be any couplings between Strains, shears, curvatures and twists can be used.

Das erfindungsgemäße dünnwandige Profil kann beispielsweise Tragflügel von Starrflüglern, ein Rotorblatt für Drehflügler oder Windkraftanlagen sein. Ebenso kann das Profil aber auch eine strömungsmechanisch wirksame Komponente von Turbinen oder Verdichtern bzw. Pumpen beliebiger Art sein, wie beispiels weise Schiffsschrauben und Blättern oder Schaufeln von Windkraftwerken oder Turbinen, Ventilatoren und Lüftern, Propellerblättern, Propfans, Fan-, Verdich ter- und Turbinenschaufeln. Das Profil kann aber auch ein Balken oder Träger beliebiger Ausformung oder aber ganz allgemein eine Stabschalenstruktur sein. The thin-walled profile according to the invention can, for example, wings of Fixed-wing aircraft, a rotor blade for rotary-wing aircraft or wind turbines. As well the profile can also be a fluid mechanically effective component of turbines or compressors or pumps of any kind, such as wise propellers and blades or blades of wind power plants or Turbines, fans and fans, propeller blades, prop fans, fan, compression ter and turbine blades. The profile can also be a bar or beam any shape or in general a rod shell structure.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden Ausführungsbei spiele anhand der Zeichnungen beschrieben.In order to explain the invention in more detail, the following are examples games described using the drawings.

Diese zeigen in:These show in:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfin dungsgemäßen dünnwandigen Profils mit lokaler Zug-Torsions-Kopp lung, Fig. 1 is a perspective view of a first embodiment of a lung OF INVENTION to the invention thin-walled profile with local train torsional Kopp,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß ausgestalteten dünnwandigen Profils mit lokaler Zug-Biege-Kopplung, Fig. 2 is a perspective view of a thin-walled profile according to the invention embodied with a local train-bending coupling,

Fig. 3 eine perspektivische Prinzipskizze der Darstellung des Dehnungs- Scherungsverformungsverhaltens, Fig. 3 is a perspective schematic diagram of the representation of the strain Scherungsverformungsverhaltens,

Fig. 4 eine perspektivische Prinzipskizze zur Darstellung des Krümmungs- Verwindungs-Verformungsverhaltens, und Fig. 4 is a perspective schematic diagram to show the curvature-distortion-deformation behavior, and

Fig. 5 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen dünnwandigen Profils in alternativer Ausführungsform mit materialbedingter, lokaler Anisotropie. Fig. 5 is a schematic diagram of a thin-walled profile according to the invention in an alternative embodiment with material-related, local anisotropy.

In Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Profils in Form einer ein- oder mehrzelligen Stabschale 10 dargestellt. Die Stabschale 10 weist eine dünne Wandung 11 auf. Die dünne Wandung ummantelt einzelne Zellen 12, 13. Außer den beiden in Fig. 1 dargestellten Zellen 12, 13 können auch noch weitere innerhalb der Stabschale 10 vorgesehen sein.In Fig. 1 a perspective view is shown of a profile according to the invention in the form of a single- or multi-cell tray 10 bar. The rod shell 10 has a thin wall 11 . The thin wall encases individual cells 12 , 13 . In addition to the two cells 12 , 13 shown in FIG. 1, further cells can also be provided within the rod shell 10 .

Die beiden Zellen 12, 13 sind jeweils mit einer Wicklung 14, 15 versehen. Diese ist vorzugsweise in entgegengesetzter Richtung helikal gewickelt. Vorzugsweise ist die Stabschale vollständig in Faserverbundbauweise aufgebaut, ebenso auch die Wicklungen 14, 15. Sind die beiden Wicklungen 14, 15 in entgegenge setzter Richtung angelegt, ergibt sich bei Einleiten einer Kraft in axialer Richtung für den Nasenbereich 2 und den Hinterkantenbereich 3 des Profils eine gleich zeitige Aufwärts- oder Abwärtsbewegung. Durch die axiale Belastung wird gleichzeitig in beiden Zellen 12, 13 eine jeweilige Torsion erzeugt, die zu der Krümmungsänderung führt. In Fig. 1 ist das unverformte Profil hierbei ge strichelt und das bereits durch die Torsion verformte Profil mit durchgezogener Linie dargestellt. Die entgegengesetzt wirkenden Torsionskräfte sind durch ent gegengesetzt gerichtete Pfeile skizziert. Die Krümmungsänderung ist auch be reits aus der geänderten Positionierung der Konturmittellinie 4 bzw. Skelettlinie des Profils erkennbar.The two cells 12 , 13 are each provided with a winding 14 , 15 . This is preferably helically wound in the opposite direction. The rod shell is preferably constructed entirely of fiber composite construction, as are the windings 14 , 15 . If the two windings 14 , 15 are applied in the opposite direction, there is a simultaneous upward or downward movement when a force is introduced in the axial direction for the nose region 2 and the rear edge region 3 of the profile. Due to the axial load, a respective torsion is generated in both cells 12 , 13 , which leads to the change in curvature. In Fig. 1, the undeformed profile is dashed ge and the already deformed by the torsion profile is shown with a solid line. The opposing torsional forces are outlined by arrows pointing in opposite directions. The change in curvature can already be seen from the changed positioning of the contour center line 4 or skeleton line of the profile.

Würde anstelle der beiden entgegengesetzt gerichteten helikalen Wicklungen eine gleichsinnige helikale Wicklung für beide Zellen vorgesehen, würde zum Erreichen einer gleichmäßigen Profilverwölbung die eine Zelle 12 beispielsweise mit Zug und die andere Zelle 13 mit Druck beaufschlagt. Bei einer solchen Be lastung ergäbe sich jedoch zusätzlich eine Biegung des Profils innerhalb der Profilebene. Es erweist sich daher bei vielen Anwendungen als sinnvoller, die beiden helikalen Wicklungen entgegengesetzt gerichtet vorzusehen.If, instead of the two oppositely directed helical windings, a helical winding in the same direction was provided for both cells, one cell 12 would be subjected to tension and the other cell 13 to pressure in order to achieve a uniform profile curvature. With such a load, however, there would additionally be a bending of the profile within the profile plane. In many applications, it therefore proves more sensible to provide the two helical windings in opposite directions.

Da neben dem Anstellwinkel des Profils auch dessen Verwölbung zu den aero dynamischen Eigenschaften beiträgt, stellt die adaptive Verwölbung unter Ver wendung der Verkrümmung eines Rotorblattes als dünnwandiges Profil in loka ler Anpassung an die vorherrschenden Strömungsverhältnisse eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der aerodynamischen Effizienz beispielsweise einer Windkraftanlage dar. Im Unterschied zu einer adaptiven Verwindung können bei der adaptiven Verwölbung aus den Betriebsbedingungen einer Windkraftanlage nicht unmittelbar die Leistungsanforderungen an das gesamte System hergelei tet werden. Für eine genaue Auslegung einer adaptiven Verwölbung sind ein gehende aerodynamische Untersuchungen erforderlich, die Aufschluß darüber geben, welche Profile sich für eine solche Konzeption eignen und welche Parameter der Verwölbung variiert werden sollen. Es sind hier eine maximale Verwölbung, eine Wölbungsrücklage, flexible Vorder- und/oder Hinterkanten zu berücksichtigen. Beispielsweise wird hierzu ein Tragflügelprofil bei hohen An strömgeschwindigkeiten von Ma < 0,7 untersucht. Since in addition to the angle of attack of the profile, its curvature to the aero contributes to dynamic properties, the adaptive warping under ver application of the curvature of a rotor blade as a thin-walled profile in loka Another adaptation to the prevailing flow conditions Possibility to increase aerodynamic efficiency, for example one Wind turbine represents. In contrast to an adaptive torsion can the adaptive warping from the operating conditions of a wind turbine not immediately the performance requirements for the entire system be tested. For a precise interpretation of an adaptive warping are a Thorough aerodynamic investigations required, the information about it give which profiles are suitable for such a conception and which Warping parameters should be varied. There is a maximum here Warping, a bulge reserve, flexible leading and / or trailing edges consider. For example, this is a wing profile at high An flow velocities of Ma <0.7 were investigated.

Vorzugsweise können für das Erzeugen einer adaptiven Verwölbung die glei chen Aktuatormittel verwendet werden, wie sie für eine adaptive Verwindung vorgesehen werden können.Preferably, the same can be used to generate an adaptive warping Chen actuator means are used as they are for adaptive torsion can be provided.

Anstelle einer Zug-Torsions-Kopplung durch Vorsehen einer Stabschale mit zwei Zellen 12, 13, wie zu Fig. 1 beschrieben, kann eine adaptive Verwölbung auch durch eine Zug-Biege-Kopplung realisiert werden, wie sie Fig. 2 zeigt. Darin ist eine perspektivische Ansicht einer Stabschale 20 mit dünner Wandung 21 dargestellt. Die dünne Wandung 21 ummantelt eine Zelle 22, welche eine obere Faserlage 23 und eine untere Faserlage 24 aufweist. Die obere Faserlage ist beispielsweise eine +1-45°-Faserlage, wohingegen die untere Faserlage 24 beispielsweise eine unidirektionale 90°- oder 0°-Faserlage ist.Instead of a tension-torsion coupling by providing a rod shell with two cells 12 , 13 , as described in relation to FIG. 1, an adaptive warping can also be realized by a tension-bending coupling, as shown in FIG. 2. This shows a perspective view of a rod shell 20 with a thin wall 21 . The thin wall 21 encases a cell 22 which has an upper fiber layer 23 and a lower fiber layer 24 . The upper fiber layer is, for example, a + 1-45 ° fiber layer, whereas the lower fiber layer 24 is, for example, a unidirectional 90 ° or 0 ° fiber layer.

Senkrecht zur Querschnittsfläche des Profils ist in der Profilachse ein nicht dar gestellter Linearaktuator als Aktuatormittel vorgesehen. Diese Anordnungsform gilt für eine unidirektionale 90°-Faserlage 24. Das Aktivieren des Linearaktua tors, welcher an der Wandung der Zelle 22 angreift, ebenso also auch an der Wandung 21 der Stabschale 20, bewirkt eine Biegung in Pfeilrichtung. Dadurch tritt die gewünschte Verwölbung des Profils auf.Perpendicular to the cross-sectional area of the profile, a linear actuator (not shown) is provided as actuator means in the profile axis. This form of arrangement applies to a unidirectional 90 ° fiber layer 24 . The activation of the Linearaktua gate, which acts on the wall of the cell 22 , as well as on the wall 21 of the rod shell 20 , causes a bend in the direction of the arrow. This causes the profile to warp.

Ist die Faserlage 24 eine unidirektionale 0°-Lage, wird der Linearaktuator zur Erzeugung der aktiven Verwölbung innerhalb des Profilquerschnitts senkrecht zur Profilachse angeordnet. In beiden Fällen führt die axiale Belastung durch den Linearaktuator direkt zu der gewünschten Durchbiegung des Profils.If the fiber layer 24 is a unidirectional 0 ° position, the linear actuator for generating the active curvature is arranged perpendicular to the profile axis within the profile cross section. In both cases, the axial load from the linear actuator leads directly to the desired deflection of the profile.

Die Zelle 22 ist beispielsweise biegesteif. Die Faserverbundlagen, welche die Biegung erzeugen, sind in deren Oberseite 25 und Unterseite 26 als asymmetri scher Lagenaufbau integriert.The cell 22 is, for example, rigid. The fiber composite layers that produce the bend are integrated in their top 25 and bottom 26 as an asymmetrical layer structure.

Die maximal mögliche Verwölbung des Profils ist abhängig von den Abmaßen der Stabschale sowie der Dicke, Steifigkeit und Verteilung der einzelnen Schichten oder Lagen, welche die einzelnen Zellen ummanteln. Besonders be vorzugt ist die lokale Zug-Biege-Kopplung als Verformungskopplung in den Hinterkantenbereich 3 eines aerodynamischen Profils integriert, wodurch eine flexible Hinterkante realisiert wird. Ebenso kann die lokale Zug-Biege-Kopplung im Nasenbereich 2 des Profils angeordnet werden.The maximum possible warping of the profile depends on the dimensions of the rod shell as well as the thickness, rigidity and distribution of the individual layers or layers that encase the individual cells. The local tension-bending coupling is particularly preferably integrated as a deformation coupling in the trailing edge region 3 of an aerodynamic profile, as a result of which a flexible trailing edge is realized. The local tension-bending coupling can also be arranged in the nose area 2 of the profile.

Fig. 3 und Fig. 4 stellen die verschiedenen Möglichkeiten des Verformungs verhaltens eines Elementes mit konstruktiver oder materialbedingter Anisotropie bei Angreifen von verschiedenen Kräften dar. Fig. 3 zeigt dabei ein im wesent lichen quaderförmiges Element, an welchem Zugkräfte N_x beidseitig angreifen. Das Element wird dadurch gedehnt. Bedingt durch die Anisotropie tritt auch eine Scherung eines solchen Elementes auf, welche durch gestrichelte Linien ange deutet ist. Fig. 3 and Fig. 4 illustrate the various possibilities of deformation behavior of an element with a constructive or material-related anisotropy when attacking different forces. Fig. 3 shows an essentially union-shaped element in which tensile forces attack N _x on both sides. This stretches the element. Due to the anisotropy, shear of such an element also occurs, which is indicated by dashed lines.

Fig. 4 zeigt eine Verformung des Elementes durch Angreifen von Momenten M_x. Dadurch tritt zum einen eine Krümmung, zum anderen aber auch eine Ver windung des Elementes auf, wie dies mit durchgezogenen Linien dargestellt ist. Fig. 4 shows a deformation of the element by attacking moments M _x . This results in a curvature, on the one hand, but also a twisting of the element, as shown by solid lines.

Die Verkopplungen von einem anisotropen Laminat, wie es für die erfindungs gemäßen Zellen gemäß Fig. 1 und 2 verwendet werden kann, sind beispiels weise durch folgendes Gleichungssystem darstellbar.
The coupling of an anisotropic laminate, as can be used for the cells according to the Invention according to FIGS. 1 and 2, can be represented, for example, by the following system of equations.

Die in das Laminat eingeleitete Belastung (Längs- und Querkräfte n_z, n_s, Tor sionskräfte t_zs sowie Momente m_z, m_s, m_zs) ist hier vektoriell dargestellt. Sie entspricht einer laminatabhängigen Steifigkeitsmatrix multipliziert mit einem Vektor, welcher die entsprechende Verformung wiedergibt. Die erste Variable im Vektor gibt dabei die Längsdehnung ε_z, die zweite die Querdehnung ε_s, die dritte die Verzerrung γ_zs, die vierte die Längskrümmung κ_z, die fünfte die Quer krümmung κ_s sowie die sechste die Drillung κ_zs wieder.The load introduced into the laminate (longitudinal and lateral forces n _z , n _s , torsional forces t _zs and moments m _z , m _s , m _zs ) is shown here vectorially. It corresponds to a laminate-dependent stiffness matrix multiplied by a vector, which reflects the corresponding deformation. The first variable in the vector represents the longitudinal expansion ε _z , the second the transverse expansion ε _s , the third the distortion γ _zs , the fourth the longitudinal curvature κ _z , the fifth the transverse curvature κ _s and the sixth the twist κ _zs .

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht sowie eine Seitenansicht einer weite ren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen dünnwandigen Profils 1. In dem dargestellten Fall soll der Nasenbereich 2 des Profils 1 aktiv verformt werden können. Dadurch können beispielsweise beim Hubschrauber das Auftreten und die Effekte des dynamischen Strömungsabrisses am rücklaufenden Blatt im Hinterkantenbereich 3 vermindert werden. Fig. 5 is a perspective view and a side view of a wide ren embodiment shows a thin-walled profile 1 according to the invention. In the case shown, it should be possible to actively deform the nose area 2 of the profile 1 . As a result, the occurrence and the effects of the dynamic stall on the returning blade in the trailing edge region 3 can be reduced, for example, in the helicopter.

Zur Realisierung der aktiven Verformbarkeit des Nasenbereiches durch ma terialbedingte Anisotropien ist der Aufbau einer Wandung 41, welche das Profil 1 ummantelt, geeignet vorgesehen. In dem dargestellten Fall sind eine innere Lage 43 aus einem +/-45°-Gewebe, eine mittlere Lage 44 aus einer 30°-Unidi rektionalschicht sowie eine äußere Ummantelungslage 45 aus einem +/-45°- Gewebe vorgesehen.In order to realize the active deformability of the nose area by material-related anisotropies, the construction of a wall 41 which encases the profile 1 is suitably provided. In the case shown, an inner layer 43 made of a +/- 45 ° fabric, a middle layer 44 made of a 30 ° unidirectional layer and an outer covering layer 45 made of a +/- 45 ° fabric are provided.

Wird das Profil nun in Längsrichtung durch Eingreifen bzw. Angreifen eines Ak tuatormittels verformt, wird in der Wandung 41 dadurch eine Zugverformung erzeugt. Diese wiederum verursacht die gewünschte Deformation des Nasenbe reichs.If the profile is now deformed in the longitudinal direction by engaging or engaging an actuator means, a tensile deformation is thereby generated in the wall 41 . This in turn causes the desired deformation of the nose area.

Mit einem ähnlichen Aufbau, wie er in Fig. 5 dargestellt ist, können lokale Pro filverdickungen oder -verjüngungen erzeugt werden. Die Dickenverteilung des Profils ist eine bestimmende Größe für die aerodynamischen Eigenschaften des aerodynamischen Profils.With a similar structure, as shown in Fig. 5, local profile thickening or tapering can be generated. The thickness distribution of the profile is a determining variable for the aerodynamic properties of the aerodynamic profile.

Das Aktuatormittel kann dabei wiederum im Nasenbereich des Profils eingesetzt werden, um dadurch die Druckpunktlage des Profils zu steuern. Dadurch wird es ermöglicht, gezielt Einfluß auf die Auswirkungen aeroelastischer Effekte zu nehmen.The actuator means can in turn be used in the nose area of the profile to control the pressure point position of the profile. It will allows to specifically influence the effects of aeroelastic effects to take.

Durch axialen Zug kann das Profil in diesem Bereich lokal aufgedickt werden. Eine Druckbelastung führt in diesem Bereich hingegen zu einer Reduzierung der Profildicke. Mit einem solchen Aufbau können geringe Dickenänderungen im Bereich von wenigen Millimetern, insbesondere etwa einem Millimeter, er möglicht werden. Für größere Aufdickungen werden vorzugsweise entspre chende Aktuatoren verwendet.The profile can be thickened locally in this area by axial pulling. A pressure load leads to a reduction in this area the profile thickness. With such a structure, small changes in thickness can Range of a few millimeters, especially about a millimeter, he be possible. For larger thickenings are preferably appropriate Actuators used.

Bei Vorsehen einer erfindungsgemäßen adaptiven Profilvariation des dünnwan digen Profils kann auch eine Lärmminderung beispielsweise bei Windkraftanla gen erzeugt werden. Die Profilveränderung kann dabei nämlich auf die akustisch relevante Profilspitze, insbesondere Rotorblattspitze, beschränkt werden, so daß die unvermeidbare Leistungsreduzierung dadurch minimiert wird. Im Rahmen der Untersuchung der Profilakustik, insbesondere Rotorblatt akustik, wird dann vorzugsweise festgelegt, welche Profilparameter besonders geeignet sind, eine Schallentstehung zu minimieren. Durch entsprechende An passung von Regelalgorithmen ist es dadurch möglich, die adaptive Profilvaria tion auch zur Reduzierung der Schallemissionen zu nutzen. If an adaptive profile variation of the thin wall is provided profile can also reduce noise, for example in wind turbines gene generated. The profile change can namely on the acoustically relevant profile tip, in particular rotor blade tip, limited so that the inevitable reduction in performance is minimized becomes. As part of the examination of the profile acoustics, especially the rotor blade acoustics, it is then preferably determined which profile parameters are special are suitable for minimizing sound generation. By corresponding to This makes it possible to adapt control algorithms to adaptive profile variants tion can also be used to reduce noise emissions.

Reference list

11

Profil
profile

22nd

Nasenbereich
Nose area

33rd

Hinterkantenbereich
Trailing edge area

44th

Konturmittellinie/Skelettlinie
Contour center line / skeleton line

1010th

ein- oder mehrzellige Stabschale
single or multi-cell rod shell

1111

Wandung
Wall

1212th

Zelle
cell

1313

Zelle
cell

1414

Wicklung
Winding

1515

Wicklung
Winding

2020th

ein- oder mehrzellige Stabschicht
single or multi-cell rod layer

2121

Wandung
Wall

2222

Zelle
cell

2323

Faserlage, obere
Fiber layer, upper

2424th

Faserlage, untere
Fiber layer, lower

2525th

Oberseite
Top

2626

Unterseite
bottom

4141

Wandung
Wall

4343

Lage, innere
Location, inner

4444

Lage, mittlere
Location, medium

4545

Lage, äußere
Location, exterior

Claims

1. Thin-walled profile with profile variation using material or design-related anisotropies, characterized in that the material-related or design-related anisotropies for generating targeted contour changes are arranged locally in the profile ( 1 ).

2. Profile according to claim 1, characterized, that actuator means are provided and arranged so that they glo Introduce bal over the entire profile cross-section.

3. Profile according to claim 1, characterized in that actuator means are provided and arranged so that they locally introduce forces on individual anisotropic elements ( 12 , 13 , 22 ).

4. Profile according to claim 1, characterized in that actuator means are provided and arranged so that they introduce forces over individual forces or surface forces in the profile ( 1 ).

5. Profile according to one of the preceding claims, characterized, that the actuator means piezoelectric, magnetostrictive, electrical, electro are magnetic, electrostrictive, hydraulic or pneumatic or on Shape memory alloys are based.

6. Profile according to claim 5, characterized, that the actuator means is a linear or torsion actuator.

7. Profile according to one of the preceding claims, characterized in that the profile is a thin-walled slim profile in the form of a single or multi-cell rod shell ( 10 , 20 ) with individual cells ( 12 , 13 ), the walls of which are helical windings ( 14 , 15th ) which are arranged and dimensioned such that a predetermined change in curvature of the profile contour, in particular the contour center line or skeleton line ( 4 ) of the profile ( 1 ) occurs when the force is applied.

8. Profile according to claim 7, characterized, that a winding or windings encasing the cells is so arranged net and designed that an axial force introduced into the cells the change in profile curvature in the cells counter sets directed torsional moment.

9. Profile according to one of the preceding claims, characterized in that the profile is a slim profile in the form of a single or multi-cell rod shell ( 20 ), wherein one of the cells ( 22 ) with layers ( 23 , 24 ) is provided with a predetermined orientation and these layers are firmly connected to the wall ( 21 ) or the skin field of the rod shell ( 20 ) such that when an axial force is introduced into the profile, the contour skin field ( 21 ) bends and the curvature of the contour center line or skeleton line ( 4 ) changes.

10. Profile according to one of the preceding claims, characterized, that the cells of the single or multi-cell rod shell as layers one or several +/- 45 ° fabric layers with above and / or below arranged unidirectional 90 ° and / or 0 ° positions and / or others Layers with a suitable orientation.

11. Profile according to one of the preceding claims, characterized, that the degree of curvature of the profile depends on the dimensions the rod shell and the thickness and rigidity of the individual layers or layers of the walls of the cell or cells.

12. Profile according to one of the preceding claims, characterized, that the profile is a thin-walled rod shell that changes targeted experienced moments of inertia and stiffness and their aerodynamic properties by changing the bend of the skin are controllable.

13. Profile according to one of claims 1 to 10, characterized in that the profile has a nose area ( 2 ), the lo lo in its wall has different, a material-related anisotropy-generating layers, wherein introduced longitudinal and / or transverse forces a deformation and create a nasal depression.

14. Profile according to one of the preceding claims, characterized, that to create local thickening or tapering the Curvature of the surrounding wall of the profile actively through material or design-related anisotropies can be changed.

15. Profile according to one of the preceding claims, characterized, that the profile is a wing of fixed-wing aircraft, rotor blade for a turn wing or wind turbines.

16. Profile according to one of claims 1 to 14, characterized, that the profile fluid-mechanically effective component of turbines, Compressing or pumping, especially of propellers, is of Blades or blades of wind turbines or turbines, from Ventila gates or fans, of propeller blades, prop fans, fan, compressor and Turbine blades.

17. Profile according to one of claims 1 to 14, characterized, that the profile is a beam, beam or any shape of rod shells structure is.