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Die Erfindung betrifft eine Anordnung
zur Reduktion von Verlusten mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Mit Verlusten sind dabei insbesondere
erhöhte
Strömungswiderstände der überströmten Oberfläche gemeint.
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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.
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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.
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Eine entsprechende Problematik tritt
auch bei Einlauf- und Gitterströmungen
auf. Ein Beispiel hierfür
ist der Lufteinlauf eines luftatmenden Triebwerks für ein Flugzeug.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß durch
die Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Anordnung sind in den Unteransprüchen
2 bis 16 beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein Halter für mehrere Spikes kann eine
quer über
der Oberfläche
verlaufende Stange aufweisen, von der die Spikes entgegen der Anströmungsrichtung
abstehen.
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Die Spitze eines Spikes muss nicht
zwingend spitz sein. Sie kann auch anders, beispielsweise als Kugel
geformt sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand
von in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele
weiter erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
die Ausbildung eines Verdichtungsstoßes über einen im Querschnitt dargestellten Tragflügel,
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Anordnung
zur Reduktion der mit dem Verdichtungsstoß gemäß 1 verbundenen Verluste,
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Anordnung
zur Reduktion der mit dem Verdichtungsstoß gemäß 1 verbundenen Verluste,
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4 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Anordnung
zur Reduktion der mit dem Verdichtungsstoß gemäß 1 verbundenen Verluste,
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5 zeigt
ein Detail der Anordnung gemäß 3,
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6 zeigt
die geometrischen Verhältnisse bei
dem Detail gemäß 5,
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7 zeigt
weitere geometrische Verhältnisse
bei dem Detail gemäß 5 und
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8 zeigt
einen weiteren Anwendungsfall für
die erfindungsgemäße Anordnung
zur Reduktion der mit einem Verdichtungsstoß verbundenen Verluste.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung ist generell überall dort
einsetzbar, wo Verdichtungsstöße zwischen
einem Überschallströmungsgebiet
und einem Unterschallströmungsgebiet
zu Verlusten bzw. Strömungswiderständen führen.
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- 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