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Vorrichtung zur Erhöhung der Windgeschwindigkeit in Windkanalanlagen
Die zur Vorausberechnung der Flugeigenschaften von Flugzeugen nötigen Beiwerte können
nur zum Teil auf rein theoretischem Wege gefunden werden. Meist werden sie aus Versuchen
mit Modellen ganzer Flugzeuge oder von deren Einzelteilen in Windkanalanlagen ermittelt.
Die Brauchbarkeit der durch Modellversuche gewonnenen Ergebisse, d. h. die Möglichkeit
ihrer -Verwertung auf den praktischen Fall und ihrer Verallgemeinerung hängt im
wesentlichen davon ab, daß bei der Aufstellung der Versuchsbedingungen das Prinzip
der mechanischen Ähnlichkeit (nach Reynolds und Mach) berücksichtigt wurde. Als
praktische Folgerung dieser Forderung ergibt sich im wesentlichen, daß die Anblaseversuche
mit möglichst großen Modellen und mit möglichst hohen Windgeschwindigkeiten durchgeführt
werden.
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Die größte in einer Windkanalanlage erreichbare Windgeslchv, 1indigkeit
ist von der verfügbaren Höchstleistung der eingebauten Gebläsemotore und dem Querschnitt
des Windstromes an der Meßstelle abhängig.
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Letzterer ist wieder durch die Modellgröße bestimmt, die um so größer
sein muß, je größer die Abmessungen des Luftfahrzeuges sind, dessen Modell geprüft
werden soll.
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Mit zunehmender flug- oder Windgeschwindigkeit treten infolge der
Zusammendrückbarkeit der Luft örtlich derart große Dichteänderungen auf, daß das
einfache Newtonsche Widerstandsgesetz seine Gültigkeit verliert.
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Die Gewähr der Übertragbarkeit der Meßergebnisse auf die naturgroßen
Ausführungen der Luftfahrzeuge hängt daher ab Erreichen von etwa der halben Schallgeschwindigkeit
wesentlich von der Erfüllung des Machschen Gesetzes ab, das angibt, daß das Verhältnis
der Flug- oder Windgeschwindigkeit zur Schallgeschwindigkeit konstant sein soll.
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Da in Wirklichkeit immer größere Fluggeschwindigkeiten praktisch
erreicht werden, sind auch die Versuchsanstalten genötigt, alles daran zu setzen,
möglichst hohe Windgeschwindigkeiten
zu verwirklichen. Sie sind
dann in der Lage, die bei hohen Geschwindigkeiten auftretenden Erscheinungen planmäßig
zu beobachten und zu klären.
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Am einfachsten wird eine Erhöhung dies Windgeschwindigkeit bei bestimmter
bläseleistung dadurch erreicht, daß man dF Windstromquerschnitt an der Meßstelle
verringert. Dies geschieht dadurch, daß man die Düse der Windkanalanlage auswechselbar
macht. DieDüse ist jener Teil derAnlage,in dem die Umwandlung der Druck in Bewegungsenergie.
erfolgt. Am D üseneintritt herrscht gegenüber dem Düsenaustritt der größte Druck.
Der Druckunterschied zwischen Düsenein- und -austritt ist bei bestimmter Gebläseleistung
um so größer, je kleiner der Düsenaustritt- gegenüber dem Düseneintrittquerschnitt
ist. Man kann also durch Austausch einer vorhandenen Düse gegen eine solche kleineren
Querschnittes am Austritt die Windgeschwindigkeit einer Anlage an der Meßstelle
erhöhen. Dieses Verfahren kann jedoch praktisch nicht beliebig weit getrieben werden,
da der Wirkungsgrad einer Windkanalanlage sehr rasch abnimmt, wenn nicht dafür gesorgt
wird, daß die Luftführung hinter dem Düsenaustritt gleichfalls geordnet erfolgt.
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Aus Billigkeitsrücksichten begnügt man sich aber meist damit, nur
die Düse auswechselbar zu machen und nicht auch das an dei Düse anschließende oder
gegenüberstehende Rohr, dens og. Effusor.
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Diese Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung beseitigt.
Sie kann in jede vorhandene Windkanaianlage eingebaut werden und ermöglicht eine
beliebige Steigerung der Windgeschwindigkeit, soweit die verfübgbare Gebläselsistung
dazu ausreicht, ohne daß ihr Wirkungsgrad zu sehr herabgesetzt wird. die Erfindung
ist im weentilichen durch ein koaxial in die bei jeder Windkanalanlage vorhandene
Düse einzusetzendes Venturirohr gekennzeichnet, das nur einen Teil des Luftstromes
erfaßt und in dessen engstem Querschnitt die Meßstelle liegt. Die Düse, die hinfort
als Hauptdüse bezeichnet werden möge, braucht nicht ausgetauscht zu werden.
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Das Venturirohr wird zweckmäßigerweise derart in der hauptdüse angeordent,
daß der gesamte in ihr vorhandene Druckunterschied ausgenutzt werden kann. Der Eintrittsquer
schnitt des Venturirohres soll demnach am Ort des Eintrittsquerschnittes der Hauptdüse
zu liegen kommen, während der Austrittsquerschnitt in der Zone der höchsten Windgeschwindigkeit
liegen soll. Der Restteil der nicht durch das Venturirohr strömenden Luft fließt
durch den zwischen dem Venturirohr und der Hauptdüse verbleibenden Ringraum ab.
Um diese Nebenströmung möglichst wirbelfrei und damit verlustarm zu gestalten, ist
es zweckmäßig. das venturirohr erfindungsgemäß mit einem Hüllmantel zu umgeben.
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@ Fig. 1 ist beispielsweise eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichling für eine sog. Freistrahlanlage schematisch dargestellt. 1 ist die Hauptdüse
und 2 der Auffangtrichter des Efrfusors der Eindkanalanlage. 3 ist das koaxial in
die Düse I einzusetzende Venturirohr, und 4 ist dessen Hüllmantel. Die Luft strömt
bei 5 in das Venturirohr und erreicht bei 6 im engsten Querschnitt die größte Geschwindigkeit.
Bei 7 strömt sie wieder aus und gelangt gemeinsam mit der außerhalb des Venturirohres
3 durch den Ringraum 8 strömenden Luft in den Auffangtrichter 2.
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Die in Fig. I dargestellte Vorrichtung kann auch bei einer Windkanalanlage
mit gesehlossener Meßstelle Verwendung finden.
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Ebenso ist es möglich, die Lage der Querschnitte 5 und 7 des Venturirohres
oder jeden für sich axial zu verschieben, ohne daß sich am Erfindungsgedanken dadurch
eine Änderung ergeben würde.
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In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsmäßigen Vorrichtung
mit dem ein fachen Venturirohr dargestellt. Diese Ausführungsform findet Verwendung,
solange man an der Meßstelle 6 Windgeschwindigkeiten erreichen will, die nicht größer
sind als die Schallgeschwindigkeit. Zur Erzielungvon Überschallgeschwindigkeiten
wird an die Stelle des einfachen Venturirohres erfindungsgemäß die bekannte Kombinaiton
einer Lavaldüse mit einem Venturirohr gesetzt, wie dies beispielsweise Fig. 2 darstellt.
Diese von P rand t 1 angegebene Rohrkombination ist erforderlich, um die im erweiterten
Rohrquerschnitt der Lavaldüse auftretende Überschallgeschwindigkeit in dem anschließenden
Venturirohr, und zwar in dessen sich verengenden Querschnüten, zunächst wieder auf
Schallgeschwindigkeit abzubremsen. In dem anschließenden sich erweiternden Rohrteil
steigt dann der Druck weiter an. Diese Rohrteile sind in gleichfalls bekannter Art
und Weise verstellbar eingerichtet, um durch Veränderung der Querschnittsgrößen
die Größe der Oberschallgeschwindigkeit regeln zu können.
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In Fig. 2 ist I wieder die Hauptdüse einer in diesem Falle beispielsweise
mit geschlossener Meßstelle dargestellten Windkanalanlage schematisch abgebildet.
2' ist der Effusor.
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9 ist die Lavaldüse, an die sich das Venturirohr 3 anschließt. 4
ist der gemeinsame Hüllmantel. 5 ist der Eintritts- und 7 der Austrittsquerschnitt
der Rohrkombiantion. 6ist die Meßstelle, in der die Überschallgeschwindigkeit herrscht,
Auch bei dieser Anordnung
strömt durch die Rohrkombination 9 und
3 nur einen Teil. der Luft der Winkelkanalanlage, Der Rest fließt durch den Ringraum
8 ab.
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Bei der praktischen Ausführung des Erflndungsgedankens ist die Größe
der erreichbaren Erhöhung der Windgeschwindigkeit im Venturirohr unter sonst gleichen
Verhältnisse nur vom Verhältnis der Querschnittsgröße des Austritts der Hauptdüse
zum engsten Querschnitt des eingeschobenen Venturirohres abhängig. Es zeigt sich
aber, daß mit zunelunender Verkleinentng des. engsten Querschnittes des Venturirohres
die Länge steines Effusors sehr rasch zunimmt, wenn rnan nicht die Gefahr der Ablösung
der Strömung infolge zu starker Erweiterung des Effusors in Kauf nehmen will. Auch
steigen die Reibungsverluste infolge der rasch zunehmenden Größe der benetzten Oberfläche.
In solchen Fällen ist es zweckmäßiger, an Stelle eines Venturirohres erfindungsgemäß
mehrere axial hintereinandergestellte Venturirohre zu verwenden, wie dies Fig. 3
für zwei Rohre beispielsweise zeigt.
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I stellt die Hauptdüse dar, in die koaxial das Venturirohr 3 eingeschoben
ist. 3' ist ein zweites koaxial liegendes Venturirohr, dessen engster Querschnitt
bei 6' liegt, Das Rohr 3' ist axial derart gegenüber dem Rohr 3 angeordnet, daß
das Druckgefälle im Einströmtrichter des ersten Venturirohres 3, also zwischen den
Querschnitten 5 und 6 möglichst vollkommen ausgenutzt wird. Daher ist der Ausströmquerschnitt
7' des Rohres 3' in den Querschnitt 6 des Rohres 3 verlegt, wo die größte Strömungsgeschwindigkeit
in diesem Rohr herrscht. Die Strömungsgeschwindigkeit im Querschnitt 6' des Venturirohres
3' ist ein Vielfaches jener im Querschnitt 6 und damit ein um so größeres Vielfaches
der Ströniungsgeschwindigkeit am Austritt der Hauptdüse 1.
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Die in Fig. 3 beispielsweise dargestellte Kombination zweier koaxial
angeordneter Venrurirohre kann zweicks weiterer Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit
im jeweils engsten Querschnitt beliebig vervielfacht werden, ohne am Erfindungsgedanken
etwas zu ändern.
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Auch eine entsprechende Kombination der Ausführungsform nach den
Fig. 2 und 3 ist möglich.