DE10305973B3 - Anordnung zur Reduktion von Verlusten, die mit einem starken Verdichtungsstoß verbunden sind - Google Patents

Anordnung zur Reduktion von Verlusten, die mit einem starken Verdichtungsstoß verbunden sind Download PDF

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Abstract

Eine Anordnung dient zur Reduktion von Verlusten, die mit einem Überschallströmungsgebiet (6) einer eine Oberfläche (5) überströmenden Strömung verbunden sind, das mit einem starken Verdichtungsstoß (7) abschließt. Es sind stoßinduzierende Mittel vorgesehen, die mindestens einen schwachen Stoß (10) in der Strömung induzieren, so dass mindestens ein Anteil der Strömung, der 20% des Querschnitts der durch das Überschallströmungsgebiet (6) hindurchtretenden Strömung ausmacht, vor dem Erreichen des starken Verdichtungsstoßes (7) durch mindestens einen der schwachen Stöße (10) abgebremst wird. Die stoßinduzierenden Mittel umfassen mindestens einen stoßinduzierenden Körper (9), der mit Abstand zu der Oberfläche (5) in dem Überschallströmungsgebiet (6) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Reduktion von Verlusten mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Mit Verlusten sind dabei insbesondere erhöhte Strömungswiderstände der überströmten Oberfläche gemeint.
  • Ein starker Verdichtungsstoß zeichnet sich dadurch aus, dass die Strömung beim Hindurchtreten durch den Verdichtungsstoß von Überschall- auf Unterschallgeschwindigkeit abgebremst wird. Ein starker Verdichtungsstoß verläuft im Wesentlichen senkrecht zu der Strömung. Demgegenüber weist die Strömung nach dem Hindurchtreten durch einen schwachen Stoß in einem Überschallströmungsgebiet regelmäßig weiterhin Überschallgeschwindigkeit auf. Ein schwacher Stoß verläuft zudem im wesentlichen schief zu der Strömung. Es wird daher auch zwischen senkrechten Verdichtungsstößen und schiefen Stößen unterschieden.
  • Bei einem Flug mit hohen Unterschallmachzahlen kommt es bei der Umströmung von Tragflügeln zur Ausbildung lokaler Überschallströmungsgebiete an der Oberseite der Tragflügel. Ein solches Überschallströmungsgebiet wird, insbesondere bei Flugbedingungen, für die das jeweilige Flugzeug nicht ausgelegt ist, durch einen ausgeprägten Verdichtungsstoß abgeschlossen. Neben dem Druck steigt die Entropie des Strömungsmediums über den Verdichtungsstoß an, und gleichzeitig sinkt der Ruhedruck. Dies verursacht einen sogenannten Wellenwiderstand. Die Wechselwirkung des Verdichtungsstoßes mit der Grenzschicht an der Oberfläche des Tragflügels kann zu einer Grenzschichtablösung führen, was weitere Verluste bedingt. Außerdem können als Folge des Verdichtungsstoßes sogenannte Buffetschwingungen der Strömung angeregt werden.
  • Eine entsprechende Problematik tritt auch bei Einlauf- und Gitterströmungen auf. Ein Beispiel hierfür ist der Lufteinlauf eines luftatmenden Triebwerks für ein Flugzeug.
  • Die Auswirkungen eines starken Verdichtungsstoßes können dadurch reduziert werden, dass die Überschallströmungvor dem Verdichtungsstoß durch schwache Stöße hindurchtritt und durch diese abgebremst wird. Die stufenweise Abbremsung der Strömung führt zu insgesamt geringeren Verlusten. Entsprechende Maßnahmen zeigen aber nur dann einen nutzbaren Effekt, wenn wenigstens 20 % der Strömung vor dem Verdichtungsstoß durch schwache Stöße abgebremst wird.
  • Bei einer Gruppe von bekannten Anordnungen zur Reduktion von Verlusten mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bewirken die stoßinduzierenden Mittel eine passive Ventilation an der Oberfläche, die mit perforierten Platten oder Rillen in der überströmten Oberfläche erreicht wird.
  • Bei einer anderen bekannten Anordnung zur Reduktion von Verlusten mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 umfassen die stoßinduzierenden Mittel Konturbeulen in der überströmten Oberfläche. Auch hierbei handelt es sich um eine passive Maßnahme.
  • Bei bekannten aktiven Anordnungen zur Reduktion von Verlusten mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 wird mit den stoßinduzierenden Mittel an der Oberfläche abgesaugt und ausgeblasen, was z.B. periodisch geschehen kann, oder die überströmte Oberfläche wird aktiv verformt.
  • Übersichten über die voranstehend als bekannt beschriebenen Anordnungen sind in den folgenden Druckschriften zu finden: E. Stanewsky et.al.: Drag Reduction by passive Shock Control – Results of the Project EUROSHOCK, AER2-CT92-0049 supported by the European Union 1993 – 1995. Vol. 56 of Notes on Numerical Fluid Mechanics , Viehweg Verlag, 1997, und Stanewsky, Egon, et.al.: Drag Reduction by Shock and Boundary Layer Control – Results of the Project EUROSHOCK II, Supported by the European Union 1996 – 1999, Springer Verlag, 2002.
  • Alle bekannten Anordnungen wirken unmittelbar an der überströmten Oberfläche am Rand des Strömungsfelds und damit primär auf die Grenzschicht der Strömung an der Oberfläche. Dabei hängen die erzielten Reduktionen bei den mit dem Verdichtungsstoß verbundenen Verlusten stark von einer genauen Formgebung und exakten Positionierung der an der überströmten Oberfläche vorgesehenen Anordnungen ab.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, bei der die erzielte Reduktion der Verluste, die mit einem ein Überschallströmungsgebiet abschließenden starken Verdichtungsstoß verbunden sind, weniger stark von einer genauen Formgebung und exakten Positionierung der einzelnen Bestandteile der Anordnung abhängt.
  • LÖSUNG
  • Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß durch die Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sind in den Unteransprüchen 2 bis 16 beschrieben.
  • Bei der Erfindung wird die angestrebte Reduzierung der Verluste dadurch erreicht, dass in das Überschallströmungsgebiet oberhalb der Oberfläche ein oder mehrere direkt oder indirekt stoßinduzierende Körper eingebracht werden. Bei geeigneter Formgebung der Körper rufen diese direkt an ihrer Oberfläche bzw. an einer dort anliegenden Grenzschicht der Strömung und/oder am Rand einer von den Körpern ausgehenden Ablöseblase der Strömung schwache Stöße hervor, die die Strömung abbremsen. Diese Stöße erfassen leicht einen relativ großen Querschnitt der Strömung, da sie von den mit Abstand über der Oberfläche angeordneten Körpern ausgehen, und reduzieren so erheblich die Verluste aufgrund des starken Verdichtungsstoßes, der das Überschallströmungsgebiet abschließt. Der Druckanstieg wird mit Hilfe der schwachen Stöße allmählich statt über einen einzigen starken Verdichtungsstoß erreicht. Die Ruhedruckverluste bzw. der Entropieanstieg über den starken Verdichtungsstoß und damit der Wellenwiderstand werden dadurch kleiner.
  • Im Gegensatz zum Stand der Technik stört die neue Anordnung die Grenzschicht an der Oberfläche nicht oder nur indirekt. Gleichzeitig ist die exakte Lage jedes stoßinduzierenden Körpers für die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Anordnung von relativ geringer Bedeutung, da die verlustreduzierende Wirkung der induzierten Stöße nicht von einer exakten geometrischen Zuordnung der stoßinduzierenden Körper zu dem Verdichtungsstoß abhängt. Dies bedeutet in der Praxis, dass die neue Anordnung für die angestrebte Reduktion von Verlusten über eine große Varianz von unterschiedlichen Strömungsbedingungen wirksam ist, wie sie beispielsweise unter unterschiedlichen Anströmgeschwindigkeiten und Anströmwinkel an dem Tragflügel eines Flugzeugs oder auch an einem Lufteinlauf eines luftatmenden Triebwerks auftreten können. Das Einhalten der Anforderung, das der stoßinduzierende Körper in dem Überschallströmungsgebiet angeordnet ist, kann in der Regel für alle relevanten Strömungsbedingungen mit einer festen Anordnung des Körpers gegenüber der Oberfläche realisiert werden.
  • Die Grenze von 20 % des Querschnitts der durch das Überschallströmungsgebiet hindurchtretenden Strömung ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung durch die Lage der stoßinduzierenden Körper oberhalb der überströmten Oberfläche besonders leicht einzuhalten. Problemlos wird mehr als ein Drittel des Querschnitts erfasst. Besonders bevorzugt ist es, wenn die gesamte durch die untere, d.h. oberflächennahe Hälfte der Fläche des Verdichtungsstoßes hindurchtretende Strömung von jeweils mehreren schwachen Stößen in der Anströmungsrichtung der Strömung abgedeckt ist.
  • In einer konkreten Ausführungsform der neuen Anordnung kann der Körper ein langgestreckter, quer zu der Anströmungsrichtung über der Oberfläche verlaufender Körper sein. Ein solcher Körper kann durch ein über der Oberfläche gespanntes Seil oder eine Stange realisiert werden. Dabei kann der Körper einen runden Querschnitt aufweisen. Der Querschnitt kann aber auch profiliert sein, um über das Profil des Körpers Einfluss auf die von ihm direkt induzierten Stöße und die Form der Ablöseblase zu nehmen, die weitere Stöße induziert. Ein langgestreckter, quer zu der Anströmungsrichtung über der Oberfläche verlaufender Körper wird über der überströmten Oberfläche durch lokale, von der Oberfläche abstehende Halter gehalten. Die Anzahl dieser Halter ist unter Berücksichtigung der Stabilität der Anordnung möglichst klein zu halten, um eine möglichst große Nettoreduktion bei den Verlusten zu erzielen.
  • Statt eines quer zu der Anströmungsrichtung durchgehenden Körpers können auch mehrere Körper quer zu der Anströmungsrichtung nebeneinander über der Oberfläche angeordnet sein. Die Körper können dabei in der Anströmungsrichtung und/oder über der Oberfläche versetzt zueinander angeordnet sein. Durch eine solche versetzte Anordnung kann die Unempfindlichkeit der Anordnung gegenüber unterschiedlichen Strömungsbedingungen noch weiter erhöht werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der neuen Anordnung sind die Körper jeweils als entgegen der Anströmungsrichtung orientierte Spikes ausgebildet. D.h., sie sind nadelförmig, wobei ihre Nadelspitze von dem Verdichtungsstoß weg zeigt. Dabei stehen Halter, die die Spikes über der Oberfläche halten, vorzugsweise außerhalb des Überschallströmungsgebiets, hinter dem Verdichtungsstoß von der Oberfläche ab. So ragen nur die Spikes selbst in das Überschallströmungsgebiet hinein. Die Länge der Spikes ist dabei so zu wählen, dass sich die von ihnen ausgehenden Stöße so weit in Querrichtung zu der Anströmungsrichtung ausbreiten, dass sie die Strömung vor dem Verdichtungsstoß im Wesentlichen über ihre gesamte Breite abbremsen.
  • Ein Halter für mehrere Spikes kann eine quer über der Oberfläche verlaufende Stange aufweisen, von der die Spikes entgegen der Anströmungsrichtung abstehen.
  • Die Spitze eines Spikes muss nicht zwingend spitz sein. Sie kann auch anders, beispielsweise als Kugel geformt sein.
  • Es sind auch Körper als stoßinduzierende Mittel in der erfindungsgemäßen Anordnung einsetzbar, die von einem Halter mit Abstand über der Oberfläche gehalten werden, der innerhalb des Überschallströmungsgebiets, d.h. vor dem Verdichtungsstoß, von der Oberfläche absteht. Die entsprechenden Körper mit ihren Haltern können die Form überdimensionierter Stecknadeln aufweisen, die in der Oberfläche stecken. Bei in der Anströmungsrichtung relativ kurzen stoßinduzierenden Körpern werden die schwachen Stöße vor allem durch die von den Körpern ausgehende Ablöseblasen der Strömung, d.h. indirekt, induziert.
  • Wichtige Anwendungen der neuen Anordnung betreffen die Reduktion von Verlusten bei Verdichtungsstoßen an der Oberseite von Tragflügeln von Flugzeugen und an der Unterdruckseite von Turbinenschaufeln. Tragflügel und Turbinenschaufeln sind durch eine Profiltiefe c in Anströmungsrichtung gekennzeichnet. Im folgenden wird exemplarisch der Fall des Tragflügels näher betrachtet.
  • Der starke Verdichtungsstoß bildet sich typischerweise bei 70 % der Profiltiefe c aus. Die Erstreckung des Verdichtungsstoßes von der Oberseite des Tragflügels weg beträgt typischerweise 0,5 c. Dabei muss insbesondere die untere Hälfte des Verdichtungsstoßes, die näher an dem Tragflügel liegt, beeinflusst werden. Hieraus resultiert für die erwünschte Einflusshöhe ein Wert von 0,25 *c. Wenn man davon ausgeht, dass die Körper der erfindungsgemäßen Anordnung Stöße induzieren, die sich von ihnen sowohl zu der Oberfläche hin als auch von dieser weg erstrecken, liegt die ideale Höhe H des Körpers über der Oberfläche bei 0,125 *c. Allgemein liegt sie zwischen 0,05 *c und 0,25 *c. Sie kann aber auch bis zu 0,01 * c hinab gehen, sofern der entsprechende Ort über der Grenzschicht an der Oberfläche in dem Überschallströmungsgebiet bleibt.. Für den Ort x des Körpers bzw. seiner der Strömung entgegengerichteten Spitze in der Anströmungsrichtung von der Flügelvorderkante ist zu beachten, dass er vor dem Verdichtungsstoß liegt, also x in jedem Fall kleiner als 0,7 *c sein muss. Außerdem muss er so weit vor dem Verdichtungsstoß liegen, dass sich die induzierten Stöße bereits so weit quer zu der Anströmungsrichtung ausgeweitet haben, dass der Verdichtungsstoß in wesentlichen Teilen abgedeckt ist. Damit gilt x < 0,69 * c. Vorzugsweise ist x < 0,65 * c.
  • Für die Länge L von Spikes, die von hinten durch den Verdichtungsstoß in das Überschallströmungsgebiet hineinragen, gilt entsprechend L > 0,01 * c und vorzugsweise L > 0,05 * c.
  • Der seitliche Abstand S von einzelnen quer zu der Anströmungsrichtung angeordneten stoßinduzierenden Körpern ist typischerweise größer als 0,1 * c, vorzugsweise größer als 0,25 * c, einzustellen.
  • Eine andere wesentliche Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung betrifft Lufteinläufe, insbesondere bei einem Verdichter. Als Beispiel hierfür kann der Lufteinlauf eines luftatmenden Flugzeugtriebwerks angegeben werden. Ein von einem starken Verdichtungsstoß abgeschlossenes Überschallströmungsgebiet kann nicht nur bei einem mit Überschall sondern auch bei einem mit Unterschall angeströmten Lufteinlauf auftreten.
  • Ein Lufteinlauf weist typischerweise einen Ringspalt zwischen einem Zentralkörper und einem diesen umgebenden Gehäuse auf, der auch als Einlaufkanal bezeichnet wird. Die Positionierung der stoßinduzierenden Körper in dem Einlaufkanal erfolgt typischerweise in einem Bereich von 0,1 bis 0,9 HE zwischen dem Zentralkörper und dem Gehäuse, wobei HE die Höhe des Einlaufkanals ist. Die Lagerung der stoßinduzierenden Körper kann dabei an dem Zentralkörper und/oder dem Gehäuse erfolgen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
  • 1 zeigt die Ausbildung eines Verdichtungsstoßes über einen im Querschnitt dargestellten Tragflügel,
  • 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Reduktion der mit dem Verdichtungsstoß gemäß 1 verbundenen Verluste,
  • 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Reduktion der mit dem Verdichtungsstoß gemäß 1 verbundenen Verluste,
  • 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Reduktion der mit dem Verdichtungsstoß gemäß 1 verbundenen Verluste,
  • 5 zeigt ein Detail der Anordnung gemäß 3,
  • 6 zeigt die geometrischen Verhältnisse bei dem Detail gemäß 5,
  • 7 zeigt weitere geometrische Verhältnisse bei dem Detail gemäß 5 und
  • 8 zeigt einen weiteren Anwendungsfall für die erfindungsgemäße Anordnung zur Reduktion der mit einem Verdichtungsstoß verbundenen Verluste.
  • FIGURENBESCHREIBUNG
  • In 1 ist ein Tragflügel 1 im Querschnitt wiedergegeben. Der Tragflügel 1 weist eine Oberseite 2, eine Unterseite 3 und eine Profiltiefe c in einer Anströmungsrichtung 4 auf. Bei einer Anströmung des Tragflügels im Bereich hoher Unterschallgeschwindigkeiten bildet sich über der Oberfläche 5 des Tragflügels 1 an seiner Oberseite 2 ein Überschallströmungsgebiet 6 der Strömung aus. Das Überschallströmungsgebiet 6 schließt in der Anströmungsrichtung 4 mit einem Verdichtungsstoß 7 ab. Der Verdichtungsstoß 7 ist neben einem schnellen Druckanstieg durch einen Anstieg der Entropie des Strömungsmediums und einen Abfall des Ruhedrucks des Strömungsmediums gekennzeichnet. Er führt deshalb zu einem sogenannten Wellenwiderstand. Weiterhin kann die Wechselwirkung des Verdichtungsstoßes mit einer Grenzschicht 8 an der Oberfläche 5 des Tragflügels 1 zu einer Grenzschichtablösung führen, was hier durch eine abgelöste Grenzschicht 18 hinter dem Verdichtungsstoß 7 angedeutet ist und weitere Verluste bedingt. Durch die Grenzschichtablösung werden schwache Stöße 10 in der Strömung induziert, die jedoch nur einen unwesentlichen Teil der durch das Überschallströmungsgebiet 6 hindurchtretenden Strömung erfassen. Außerdem ist auch das Auftreten von Strömungsschwingungen, das sogenannte Buffetting möglich.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung eines Körpers 9 in dem Überschallströmungsgebiet 6 vor dem Verdichtungsstoß 7. Von dem Körper 9, bei dem es sich hier um einen quer zu der Anströmungsrichtung 4 über der Oberfläche 5 verlaufenden Stab 11 mit kreisrundem Querschnitt handelt, löst sich eine Ablöseblase 20 ab, die schwache Stöße 10 induziert, welche die Strömung über eine wesentliche Fläche des Verdichtungsstoßes vor dem Verdichtungsstoß 7 abbremst. In der Folge wird der Druckanstieg nicht mehr schnell sondern allmählich erreicht. Der Ruhedruckverlust, der Entropieanstieg und der Wellenwiderstand werden entsprechend verringert. Die negativen Einflüsse des Verdichtungsstoßes 7 auf die Grenzschicht 8 werden ebenfalls reduziert. Gleichzeitig gibt es keine direkten negativen Einflüsse des Körpers 9 auf die Grenzschicht 8, so dass insgesamt ihre Ablösung verhindert werden kann. Die schwachen Stöße 10 werden hier also oberhalb der Grenzschicht 8 und nicht mehr wie in 1 durch die Grenzschichtablösung induziert. Der Körper 9 wird über untereinander beabstandete Halter, die von der Oberfläche 5 abstehen und die hier nicht dargestellt sind, über der Oberfläche gehalten.
  • 3 skizziert eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der als Körper 9 ein Spike 12 vorgesehen ist. Die Spitze 13 des Spikes 12 zeigt entgegen der Anströmungsrichtung 4. Ein Halter 14 für den Spike 12 ist außerhalb des Überschallströmungsgebiets 6, hinter dem Verdichtungsstoß 7 an der Oberfläche 5 befestigt. Von diesem ragt der Spike 12 durch den Verdichtungsstoß 7 hindurch in das Überschallströmungsgebiet 6 hinein. Die von dem Spike 7 direkt und durch die von ihm ausgehende Ablöseblase 20 indirekt induzierten Stöße 10 bremsen die Strömung vor dem Verdichtungsstoß 7 ab und reduzieren so die mit diesem Verdichtungsschutz 7 typischerweise verbundenen Verluste. Die geometrischen Einzelheiten der Anordnung gemäß 3 werden noch näher im Zusammenhang mit den 5 bis 7 beschrieben werden.
  • 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der der Körper 9 von einem Halter 15 über der Oberfläche 5 des Tragflügels 1 gehalten wird, der innerhalb des Überschallströmungsgebiets 6 von der Oberfläche 5 absteht. Hierdurch kommt es zwar zu einer gewissen Beeinflussung der Grenzschicht 8 an der Oberfläche 5 durch den Halter 15. Primär werden aber auch hier durch den Körper 9 bzw. die von ihm ausgehende Ablöseblase 20 schwache Stöße 10 induziert, die die Strömung bereits vor dem Durchlaufen des starken Verdichtungsstoßes 7 abbremsen, um die typischerweise mit dem Verdichtungsstoß 7 verbundenen Verluste zu reduzieren.
  • 5 zeigt als Detail von 3, jedoch ohne Berücksichtigung der dort ebenfalls wiedergegebenen Grenzschicht 8, die Oberfläche 5 an der Oberseite 2 des Tragflügels 1 mit dem von dieser abstehenden Halter 14 für den Spike 12 als Ausführungsform des Körpers 9, von dem Stöße 10 ausgehen, die die Strömung vor dem Verdichtungsstoß 7 in erheblichem Umfang abbremsen. Dabei ist aus 5 zu entnehmen, dass die Lage der Spitze 13 des Spikes 12 so abgestimmt ist, dass der Verdichtungsstoß 7 in seinem gesamten oberflächennahen Bereich in der Anströmungsrichtung 4 von den Stößen 10 abgedeckt ist.
  • In Verbindung mit den nachfolgenden 6 und 7 wird jetzt erläutert, wie der Spike 12 zu dimensionieren und anzuordnen ist, damit dieses Ergebnis erzielt wird. Dabei besteht die erfindungsgemäße Anordnung aus einer Reihe von in der Blickrichtung gemäß 5 hintereinander liegenden Spikes, wie aus der Draufsicht von oben auf zwei solche Spikes gemäß 7 deutlich wird. Betrachtet werden möge die transsonische Umströmung eines Tragflügels der Profiltiefe c. In dem lokalen Überschallströmungsgebiet 6 sollen Machzahlen M von M ≥ 1,3 vor dem das Überstrahlströmungsgebiet abschließenden Verdichtungsstoß 7 erreicht werden. Der Verdichtungsstoß 7 liegt typischerweise bei etwa 0,7 *c, also bei 70 % der Profiltiefe c stromab der Tragflügelvorderkante. Nach oben erstreckt sich das Überschallströmungsgebiet 6 ca. 0,5 * c über der Oberseite 2 des Tragflügels 1. Dasselbe gilt für den Verdichtungsstoß 7. Insbesondere die untere Hälfte des Verdichtungsstoßes 7 sollte erfasst werden. Somit ergibt sich eine gewünschte Einflusshöhe von etwa 0,25 *c. Die erfindungsgemäße Beeinflussung der Strömung vor dem Verdichtungsstoß 7 erfolgt hier durch die Stöße 10, die von den Spikes 12 induziert werden. Dabei ist davon auszugehen, dass die genaue Struktur der induzierten Stöße 10 kompliziert ist. Für eine Abschätzung kann diese Stoßstruktur vereinfacht wie in Bild 6 dargestellt werden, wonach von der Spitze 13 der Spikes 12 in einem Winkel α ein Stoße 10 ausgeht. Das Einflussgebiet des Spikes 12 ist dann durch den Winkel α gegeben, der seinerseits von der Machzahl und der Stoßintensität abhängig ist. Zur Abschätzung der notwendigen Lage der Spitze 13 des Spikes 12 kann der ungünstigste Fall angenommen werden, in dem der kleinstmögliche Winkel α für die gegebene Machzahl auftritt. Es wird somit die Ausbreitung einer sogenannten Mach'schen Welle betrachtet. Bei einer Machzahl M ist der Ausbreitungswinkel der Mach'schen Welle durch α = arcsin (1/M) gegeben. Die notwendige Höhe H der Spitze 13 über der Oberfläche 5 (6) sollte die Hälfte der Einflusshöhe betragen, also H = 0,125 * c. Die Länge L des Spikes zwischen der Spitze 13 und dem Halter 14 sollte über dem notwendigen Abstand H / tanα = 0,125 * c / tanα liegen, damit der Halter 14 auch bei erwarteten Bewegungen des Verdichtungsstoßes 7 in der Anströmungsrichtung 4 hinter dem Verdichtungsstoß 7 bleibt. Bei größeren Bewegungen des Verdichtungsstoßes 7 und wenn der Stoß dabei hinter den Halter tritt, wirkt der Spike 12 zwar immer noch als Nachlaufgenerator, bei dem die schwachen Stöße 7 im wesentlichen von der Ablöseblase 20 induziert werden. Ansonsten aber ist L = 0,125 * c / tan α die Untergrenze. Der Abstand S zwischen den Spikes in Richtung quer zu der Anströmungsrichtung 4 (s. 7) würde sich hier zu S = 0,25 * c ergeben. Bei Berücksichtigung möglicher Bewegungen des Verdichtungsstoßes in Richtung der Anströmungsrichtung 4 müsste der Wert von S verkleinert werden.
  • Bei einer Machzahl von M = 1,3, dies entspricht α = 50°, und einer Profiltiefe c = 1 m kommt man zu den folgenden Abmessungen für den Spike: H = 0,125 * c = 0,125 m, L > 0,125 * c / 1,2 = 0,105 m, S < 0,25 *c = 0,25 m. Dies sind schon vergleichsweise ungünstige, d.h. große Abmessungen für die Spikes 12, da bei reellen Konfigurationen wegen des in Wirklichkeit größeren Winkels α hinsichtlich der Höhe H und der Länge L auch kleinere Werte und hinsichtlich des Abstands S auch größere Werte möglich sind.
  • 8 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Anordnung an dem Lufteinlauf eines Verdichters eines luftatmenden Triebwerks für ein Flugzeug. In dem Lufteinlauf wird eine in der Anströmungsrichtung 4 mit Überschall ankommende Strömung abgebremst. Dieser Vorgang führt unvermeidbar zu einem starken Verdichtungsstoß 7 im Eingangsbereich des Gehäuses 16 des Lufteinlaufs. Unterhalb der Achse 17 ist in 8 dargestellt, dass der Verdichtungsstoß 7 zu einer Ablösung der Grenzschicht 8 von der Oberfläche 5 des Zentralkörpers 19 in dem Lufteinlauf 16 führt. Das Ablösen der Grenzschicht 8 (die bereits abgelöste Grenzschicht ist in 8, unten mit 18 bezeichnet) ist mit hohen Verlusten, d.h. einem erhöhten Strömungswiderstand des Lufteinlaufs verbunden. Durch den erfindungsgemäß angeordneten Körper 9, der oberhalb der Achse 17 in Form der Spikes 12 gemäß den 3 sowie 5 und 7 dargestellt ist, kann der Verdichtungsstoß 7 soweit in seiner Stärke herabgesetzt werden, dass die Grenzschicht 8 nicht von der Oberfläche 5 des Zentralkörpers 19 ablöst.
  • Die Erfindung ist generell überall dort einsetzbar, wo Verdichtungsstöße zwischen einem Überschallströmungsgebiet und einem Unterschallströmungsgebiet zu Verlusten bzw. Strömungswiderständen führen.
  • 1
    Tragflügel
    2
    Oberseite
    3
    Unterseite
    4
    Anströmungsrichtung
    5
    Oberfläche
    6
    Überschallströmungsgebie
    7
    Starker Verdichtungsstoß
    8
    Grenzschicht
    9
    Körper
    10
    Schwacher Stoß
    11
    Stab
    12
    Spike
    13
    Spitze
    14
    Halter
    15
    Halter
    16
    Gehäuse
    17
    Achse
    18
    Abgelöste Grenzschicht
    19
    Zentralkörper
    20
    Ablöseblase

Claims (16)

  1. Anordnung zur Reduktion von Verlusten, die mit einem Überschallströmungsgebiet einer eine Oberfläche überströmenden Strömung verbunden sind, das mit einem starken Verdichtungsstoß abschließt, wobei stoßinduzierende Mittel vorgesehen sind, die mindestens einen schwachen Stoß in der Strömung induzieren, wobei mindestens ein Anteil der Strömung, der 20 % des Querschnitts der durch das Überschallströmungsgebiet hindurchtretenden Strömung ausmacht, vor dem Erreichen des starken Verdichtungsstoßes durch mindestens einen der schwachen Stöße abgebremst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die stoßinduzierenden Mittel mindestens einen stoßinduzierenden Körper (9) umfassen, der mit Abstand zu der Oberfläche (5) in dem Überschallströmungsgebiet (6) angeordnet ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der stoßinduzierende Körper (9) mit Abstand oberhalb einer Grenzschicht (8) der Strömung an der Oberfläche (5) angeordnet ist.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der stoßinduzierende Körper (9) mindestens einen schwachen Stoß (10) direkt induziert.
  4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der stoßinduzierende Körper (9) mindestens einen schwachen Stoß (10) indirekt durch eine Ablöseblase (20) induziert.
  5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der stoßinduzierende Körper (9) ein langgestreckter, quer zu der Anströmungsrichtung (4) über der Oberfläche (5) verlaufender Körper (9) ist.
  6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass quer zu der Anströmungsrichtung (4) mehrere stoßinduzierende Körper (9) nebeneinander über der Oberfläche (5) angeordnet sind.
  7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die stoßindizierenden Körper (9) in der Anströmungsrichtung (4) und/oder bezüglich ihres Abstands zu der Oberfläche (5) versetzt zueinander angeordnet sind.
  8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper (9) entgegen der Anströmungsrichtung (4) orientierte Spikes (12) umfassen.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spikes (12) von Haltern (14) über der Oberfläche (5) gehalten werden, die außerhalb des Überschallströmungsgebiets (6), hinter dem Verdichtungsstoß (7) von der Oberfläche (5) abstehen.
  10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Körper (9) von einem Halter (15) über der Oberfläche (5) gehalten wird, der innerhalb des Überschallströmungsgebiets (6), vor dem Verdichtungsstoß (7) von der Oberfläche (5) absteht.
  11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (5) die Oberfläche eines Tragflügels (1) oder einer Turbinenschaufel mit der Profiltiefe c ist.
  12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Höhe H des Körpers (9) über der Oberfläche 0,01*c < H < 0,25*c gilt.
  13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass für den Ort x der der Strömung entgegengerichteten Spitze des Körpers (9) in der Anströmungsrichtung (4) von der Flügelvorderkante x < 0,69*c gilt.
  14. Anordnung nach den Ansprüchen 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Länge L der Spikes (12) L > 0,015*c gilt.
  15. Anordnung nach den Ansprüchen 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass für den seitlichen Abstand S der Körper (9) S > 0,1*c gilt.
  16. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (5) eine Oberfläche eines Lufteinlaufs (16), insbesondere bei einem Verdichter, ist.
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