DE3210498A1

DE3210498A1 - Grenzschichtbeeinflussung von fluiddynamischen wirkflaechen

Info

Publication number: DE3210498A1
Application number: DE19823210498
Authority: DE
Inventors: Hans Raehmer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-03-23
Filing date: 1982-03-23
Publication date: 1983-10-06

Description

Hans Rähmer März 1982

Patentanmeldung

Grenzschichtbeeinflussung von fluiddynamischen Wirkflächen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Grenzschichtbeeinflussung von fluiddynamischen Uirkflächen, zu denen außer Luft-und Wasser-Vortriebsschrauben, Trag- und Leitflächen auch Turbinenschaufeln aller Art, uie auch gewisse Pumpen gehören.

Die heute üblichen fluiddynamischen Wirkflächen sind als klassische "Drachenflächen" starre stationäre Tragflächenprofile, die demgemäß eine stationäre Umströ'mung aufweisen, die mit steigendem Anstellwinkel einehhöheren Widerstand bieten, siehe ein Polardiagramm. Der höhere Widerstand kommt von zunehmender Turbulenz und Grenzschichtablösungen. Theoretisch ist nun seit langem klar, daß man diesen fluid*· dynamischen Widerstand durch Grenzschichtbeeinflussung beeinflussen könnte.

Mit Strahlmitteln arbeitende Grenzschichtbeeinfluss-Mittel sind in großer Zahl bekannt. Einseitig und konstant arbeitende Ausblasdüsen oder Schlitze haben bisher nur geringe Nutzeffekte gezeigt.

Eine andere Möglichkeit der Grenzschichtbeeinflussung ist die Bildung von geuellten Abströmungen an den umströmten Körpern, uas als Umkehrung des KNOLLER-BETZ-Effekts anzusehen ist, der besagt, daß der Widerstand eines umströmten Körpers in einer geuellten Strömung sich verringert, uie dies auch von KATZMEIER experimentell bestätigt uurde.Effektiv entsteht dabei je nach Intensität und Güte der geuellten Abströmung, hier "Welluirkstrom" genannt, eine geringere Turbulenz und damit ein geringerer fluiddynamischer Widerstand, der sich aus der Bildung einer zweireihigen KARMAN'schen Wirbelstraße erklärt, deren Widerstand sich aus den Wirbelkerndurchmessern errechnet.

Theoretisch bedeutet dies, daß dar Uiderstand gegen Null geht, wenn der Uirbelkerndurchmesset sehr klein wird« Auf ein bestimmtes Polardiagraira einer Uirkfläche bezogen besagt dies, daß bein Ansteigen d@s Anstelluinkels der Bereich des induzierten Widerstandes eingeschränkt wird,und durch die damit bewirkte spätere Ablösung der.Strömung größere Anstellwinkel und damit-größere Auftriebs-bzu. Fortschrittsgrad-Uerte möglich sind.

Diesen KNOLLER-BETZ-Effekt zu nutzen yurde, außer mit Schlagflügeln, wie es die Natur macht«, auch nit Uellpropellern also Vortriebsflächen nit translatorischer Bewegung verschiedener Art bisher vergeblich versucht. Hier ist offensichtlich die Beherrschung der oszillierenden Massen schwierig. Überraschender Ueise wurde nun gefunden, daß man den KNOLLER-BETZ-Effekt auch ohne schwingende Rassen erreichen kann, nämlich durch Verwendung einer laminerisierten alternierendpulsierenden Fluidströmung, einen sogenanntem ^MUelluirkstromⁿ. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Widerstand von fluiddynamischen Uirkflächen wesentlich zu verringern und dies ohne größereroezillierende nassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgenäe dadurch gelöst, daß zur Grenzschichtbeeinflussung fluiddynamischer Uirkflächen an deren Hinterkante an den entgegengesetzten Oberflächen laminarisierte alternierend-pulsiarende Fluidströmungen ausgestoßen oder abgesaugt werden, die eine Fließgeschwindigkeit aufweisen die 1,2 bis 1o mal so groß ist als die Relativgeschwindigkeit des umgebenden Radiums* Dies kann auch als einseitige Uellung der Umströmung einer Oberfläche variiert werden. Die erzieltearen Vorteile des Verfahrens wie der Vorrichtungen sind eine wesentliche Verringerung des Gesamtuiderstandes einee damit ausgerüsteten Fahrzeugs oder Geräts und damit das Leistungsbedarfs, eine Erhöhung des Auftriebbeiuertes und daraus resultierend z.B. beim Fliegen, eine größere Sicherheit und kürzere Start-und Landestrecken, wobei durch Stromumschaltung bei der gleichen Anordnung auch ein bedeutender Bremseffekt erzielt werden kann»

Folgende Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zeichnerisch dargestellt und im folgenden beschrieben: In den Fig. 1 bis 3 sind drei Grundausführungen von Uirkflächen 1 nach diesem Patent dargestellt. In Fig. 1 wird alternierend aus den Druckkanälen 2 und 3 ausgeblasen, in Fig. 2 alternierend abgesaugt, in Fig. 3 uird durch Profilkörper 4 ein COANDA-Effekt beuirkt, der ein besseres Anliegen der Ablaufströmung 5 beuirkt.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine typische Ausblaseinrichtung nach Fig. 1 und 3. Darin sind die Druckkanäle 2 und jeueils mit einem Druckvorverteiler 6, so einer geschlitzten oder gelochten Trennwand, versehen, von denen das Druckmittel in Laminiervorrichtungen 7 fließt, die aus schmalen Schlitzen, Uaben-oder Röhrchenbündel-Gleichrichtern 8 bestehen, die in den beiden letzten Fällen verschieden lang sein können 9 a und 9 b, wodurch verschieden lange Uirkströmungen 1o a und 1o b bei einem Impuls resultieren, die einen abuechselnden Drehimpuls 11 bewirken und dadurch eine weitgehend laminarisierte gewellte Abströmung 5 gegeben ist.

In Fig. 5 ist der Schnitt durch eine aus Uabengleichrichtern θ gebildete Laminiervorrichtung 7 gezeigt.

In Fig. 6 uird die Anwendung des Prinzips an einer umströmtBn Uandung 12 , der nicht sogleich eine Ablösekante 13 folgt(s. Fig. 4) gezeigt, wobei ebenfalls eine uiderstandsuerringernde gewellte Strömung beuirkt uird. In Fig. 7 ist eine typische laminarisierende alternierendpulsierende Anordnung mit COANDA-Effekt dargestellt. Hierbei bilden der Holm 14 und die Zwischenfläche 15 mit den Profiloberflächen und einer als Druckvorverteiler 6 wirkenden durchbrochenen Holmuand die Druckkanäle 2 und 3. Die aus der Laminieranordnung 7 austretende pulsierende Druckströmung 1o verläßt ohne COANDA-Körper 4 schräg austretend die Profilaberfläche 16 und ergibt dabei eine ueniger gute Uellung der Ablauf strömung 5. Flit COAND A-Körpern 4 legt sich die Ausblasströmung 1o an diesen an, wobei eine bessere Uellströmung bei geringerem Leistungsaufwand errreicht wird.

Die COANOA-Körper 4 können aus rel. steifen Material, z.B. GFK, mittels Druckleitungen 16 aufblasbar gemacht werden, wobei diese bei Segelstellung im eingefahrenen Zustand ueniger Widerstand geben.

Als Beispiel der Anwendung des Uirkprinzips auf rotierende Uirkflächen ist in der Fig. θ eine Propellernabe 1? eines über Zahnriementrieb 18 angetriebenen Propellers gezeigt. In der stehenden Uelle 19 sind zwei getrennte Bohrungen, die den Druckkanälen 2 und 3 entsprechen und die mit extern erzeugten alternierend-pulsierenden Druckströmungen beaufschlagt werden, während in der rotierenden Propellernabe 17 mit Ueilendichtringen 2o abgedichtete Druckräume 21 gebildet sind, die in die in den Propellerblattern weiterführenden Druckkanälen 2 und 3 einmünden.

In Fig. 9 ist eine andere Möglichkeit mit ebenfalls stehender Uelle und rotierender Propellernabe 17 dargestellt, wobei zwei alternierend-pulsierende Strömungen aus einer konstanten Druckströmung 22 mittels einer Drehschieberanordnung 23 erzeugt werden, und wobei die Laminierdüsen so ausgelegt sind, daß diese den Propellerschub erzeugen können.

Diese Beispiele sind nur zur Andeutung der vielfachen technischen möglichen Lösungen gebracht, so lassen sich selbstredend durch bekannte technische Mittel rotierende Antriebswellen nach dem Verfahren und den Vorrichtungen dieses Patents modifizieren.

Angezogene Literatur:

DBP	11	18	612
DA5	12	51	662
DAS	17	81	3o3
OLS	27	37	016
OLS	3o	23	948
U.	Schmidt

Der Uellpropeller
Z.Flugwiss. 13 (1969) 472-9

C. Clauss

Schlagflügel und Uirbelstraße

VDI-Fortschrittsberichte Reihe 7 Nr. 7 (1969)

«Ι Λ/ ο

Anmeldung

—3 · Grenzschichtbeeinflussung von fluiddynamischen Uirkflächen

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen :

1 Uell-Uirkflache , fluidische

2 Druck- bzw. Saug-Kanal A

3 Druck- bzw Saug-Kanal

4 COANDA-Profilkörper

5 gewellte Ablaufströmung

6 Druckvorverteiler

7 Laminarisieranordnung

8 gleichrichtende Düsen

9a u.b Lange der Gleichrichterdüsen 10a+b resultierende Uirkströmungen

11 Drehimpuls

12 umströmte Wandung

13 Ablösekante

14 Holm

15 Zwischenfläche

16 Profiloberfläche

17 Propellernabe

18 Zahnriementrieb

19 stehende Welle

20 Uellendichtring

21 Druckraum

22 konstante Druckströmung

23 Drehschieberanordnung

24 federbelastete Zuganker

Leerseite

Claims

Grenzschichtbeeinfluesung von fluiddynamischen Uirkflächen

Patentansprüche

(j_y Verfahren zur Grenzschichtbeeinflussung von fluiddynamischen Uirkflächen, dadurch gekennzeichnet, daß an zuei entgegengesetzten Oberflächen, die an einer Linie zusammenlaufen,uie z. B. an einer Tragfläche oder einem Propellerblatt vorliegen, eine laminarisierte alternierend-pulsierende Fluidströmung mit einer Fließgeschuindigkeit, die 1,2 bis 1o mal so groß ist als die Geschuindigkeit des das Uirkprofil umgebenden Fließmediums, herausgedrückt oder abgesaugt uird.
2. Verfahren zur Grenzschichtbeeinflussung an einer von einer Strömung umflossenen Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß an einer solchen Oberfläche eine laminarisierte alternierend-pulsierende Fluidströmung unter einem flachen Neigungsuinkel dh. ueitgehend tangierend, mit einer Fließgeschuindigkeit, die 1,2 bis 1o mal so groß ist als die des umgebenden Mediums, ausgestoßen oder abgesaugt uird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fließdruck durch Staudruck erzeugt uird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Fließgeschuindigkeit des umgebenden Mediums ein übliches Druckerhöhungsmittel Anuendung findet.
5. Verfahren zur Verringerung des Gesamtuiderstandes eines Fahrzeugs mittels Grenzschichtbeeinflussung, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Antriebssystem, das einen Druckstromerzeuger aufueist, bei dem notuendigerueise auch ein Saugstrom auftritt, mittels Druckstrahlen alternierend-pulsierend die Uirkflächen beaufschlagt uerden, die eine höhere Relativ-Geschuindigkeit haben, uie die Antriebsschrauben, uährend mit dem ebenfalls alternierend-pulsierend gemachten Saugstrahl die relaiiv langsameren Uirkflächen wie Tragflächen und Leituerke beaufschlagt uerden.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß an jeder einzelnen Uirkflache,an deren Uurzel zuei Druckmediumeinlauföffnungen angeordnet sind„ dia zu zuei getrennten Verteilerräumen führen, die an der Hinterkante des Profils zu getrennten, oberhalb und unterhalb derselben angeordneten, Austrittsschlitzen führen.
7. Druckmedium-Laminarisier-Vorrichtung zum Einbau in Uirkflächen gemäß den Ansprüchen 1 bis 2 _f dadurch gekennzeichnet, daß diese aus schmalen Schlitzen bzu. vielen parallelen engen Kammern bestehen, dia ζ. B. aus Uaben oder Röhrchen gebildet sein können, wobei das Längen-/Durchmesser-Verhältnis größer als 5 bis zu 15 sein soll, uobei uiederum bei einem Ausblasschlitz verschieden lange Schlitze oder Kammern kombiniert werden und zudem den Schlitzen oder Kammern vor dem Mediumzufluß eine Trennwand mit Durchbrüchen vorgeschaltet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Hinterkanten von Uirkflächen nach einer Laminierdüsenanordnung Verdickungen, sog. COAMDfi-Körper angebracht sind, die souohl fest angeordnet als auch versenkbar und mit Stellmitteln beliebig veränderbar sein können.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses auf mehr-und vielflügelige Vortriebsschrauben, Hubschrauben und sonstige vielflügelige Strömungsmaschinen angewendet uird.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 u„6-9 dadurch gekennzeichnet, daß auf einer stehenden Uelle mittels einer rotierende Propellernabe Propellerblätter frei drehbar gelagert sind, uobei in der stehenden Uelle ein oder zuei Druckmedium-Zuführungsbohrungen vorgesehen sind, während in der Propellernabe gegeneinander abgedichtete Druckmediumaufnahmeräume angeordnet sind, uobei jedes Propellerblatt zuei getrennte Eingänge aufweist, die zu den an der Hinterkante der Propeller angeordneten Schlitzdüsen führen.

> ft *

• * ο *

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11. Verfahren zum Antreiben von Propellern oder Hubschrauben, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment zur Erzeugung des Propellerschubs durch Antreiben mit einem üblichen Motor aufgebracht wird, während eine laminarisierte alternierend-pulsierende Strömumg zur Grenzschichtberuhigung und gewellten Ablösung der Strömung von der Ablaufkante dient.
12. Propeller oder Hubschraube gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem solchen Propeller die laminarisierten alternierend-pulsierenden Strömungen neben der Erzeugung der gewellten Strömung gleichzeitig zur Erzeugung eines Propellerschubs genutzt werden.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1o bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktung und Dosierung des in einem konstanten Strom und Druck zugeführten Druckmediums über eine Drehschieberanordnung erfolgt.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1o bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der stehenden Uelle zwei getrennte Druckmedienkanäle vorgesehen sind, die über getrennte druckabgedichtete Sammelräume zwischen Uelle und Nabe den Ausblasleitungen in der umlaufenden Propellernabe führen, wobei die Taktung und Dosierung extern vorgenommen wird.
15. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1,1° und14_f dadurch gekennzeichnet, daß an einer rotierenden PropellerantriebsuellBjdie mit Bohrungen versehen ist, über mit Radialdichtringen abgedichteten Druckmittelanschlüssen, auf der Uelle das dosierte und getaktete Druckmedium zugeführt wird.
16. Vorrichtung zur Erzeugung einer pulsierenden Druckströmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dazu eine nockengesteuerte Kolben-oder Membran-Pumpe mit zwei druckerzeugenden Räumen verwendet wird, die in Pulsdauer und Hub in gewissen Grenzen einstellbar sind.

- H-
17. Verfahren und Vorrichtung zum Bremsen von Fahrzeugen die mit Grenzschichtbeeinflussung der fluiddynamischen
Uirkflachen nach den Ansprüchen 1 ' ausgestattet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß sonst patentgemäß alternierendpulsisrend-arbeitenden Uirkdüsen durch externe Stromumstellung auf gleichzeitige und konstante Ausströmung mit veränderter Austrittsgeschuindigkeit gestellt uerden_s uobei - uenn vorhanden - die COANDA-Körper ausgefahren sind«