WO2017067968A1 - Aerodynamischer körper und seine verwendung - Google Patents

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WO2017067968A1 PCT/EP2016/075057 EP2016075057W WO2017067968A1 WO 2017067968 A1 WO2017067968 A1 WO 2017067968A1 EP 2016075057 W EP2016075057 W EP 2016075057W WO 2017067968 A1 WO2017067968 A1 WO 2017067968A1
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aerodynamic body
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aerodynamic
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Johannes Zahn
Ulrich Rist
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Universität Stuttgart
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Definitions

  • the present invention relates to an aerodynamic body and its use in particular as aircraft wing, ship propeller, turbomachinery blade or rotor blade of a wind turbine.
  • the invention further relates to a method for aspirating a portion of a fluid which overflows a surface of the aerodynamic body.
  • the prior art discloses aerodynamic bodies, their use and methods adapted to aspirate a portion of a fluid overflowing a surface of the aerodynamic body.
  • Such aerodynamic bodies are used in particular in aircraft, ships, turbomachines or wind turbines and, depending on the purpose, usually referred to as a wing, hydrofoil, propeller, turbomachinery blade or rotor blade. Further names are possible.
  • the present invention without limiting the generality, using the example of airfoils will be presented by way of example. However, this does not exclude that the aerodynamic bodies presented here by way of example in the form of airfoils can also be used in other areas, if appropriate after the implementation of expertly familiar adjustments.
  • a goal of current aircraft developments is to reduce fuel consumption during aircraft operation, in particular to reduce fuel costs and to generally take into account increased environmental awareness.
  • a high potential for this is attributed to a reduction of a flow resistance, which is established in a flow boundary layer along the surface of the wing, in particular as a result of friction between a surface of the wing of an aircraft and a fluid flowing over the surface of the wing, in this case atmospheric air.
  • laminar flow and turbulent flow
  • turbulent flow While in the case of the presence of the laminar flow, an ordered movement of particles in the fluid overflowing the surface does not cross over.
  • turbulent flow there is generally considerable mixing of the particles of the fluid in layers of the fluid arranged essentially parallel to one another. From this it follows that a state of the laminar flow is characterized by a lower friction compared to the state of the turbulent flow, so that it is generally desired to obtain the state of the laminar flow over the longest possible running distance on the associated surface.
  • the boundary layer - suction can be used.
  • This method is characterized in particular by the fact that by removing a low-momentum portion of the fluid near the surface of the aerodynamic body, the flow boundary layer present there can be stabilized, thus shifting from the desired state of the low-friction laminar flow into the undesirable laminar flow Delay state of the turbulence with a higher friction turbulent flow along the flow direction or, preferably, completely prevent.
  • a pulse-poor part of the fluid near the surface of the aerodynamic body can thus be separated from and discharged from the flowing fluid called the main air flow, the aspirated fluid preferably being blown out again at a location of the aerodynamic body different from the suction point can be.
  • new energy can be supplied to a low-energy fluid in the flow boundary layer so as to reduce or, preferably, completely eliminate by a supply of kinetic energy a possible risk of separation of the flow boundary layer from the surface of the aerodynamic body.
  • such a portion of the fluid may be passively exhausted at an area of the leading edge of the wing and blown out at an outlet at the apex of the wing since the pressure at the leading edge of the wing is typically higher relative to the pressure at the apex of the wing is.
  • rotorcraft such as helicopters or wind turbines, can also be used to exploit the centrifugal forces occurring here as a possible passive drive the suction.
  • the applicability of such methods is limited, since there must be a pressure gradient between a desired suction point and a possible outlet point, which is often not the case at particularly critical points of the wing.
  • DE 603 04 513 T2 discloses a bearing surface which has at least one leading edge structure and a wing center structure which are coupled to one another such that a reduction of the air resistance is made possible. To this end, it is proposed that an increase in air resistance by means of a small gap and a small step, which are generated by coupling the two sections due to manufacturing tolerances between the two coupled portions such that the surface of the leading edge structure protrudes from the surface of the wing center structure at the step , to reduce.
  • the object of the present invention is to propose an aerodynamic body and its use, as well as a method for sucking off a part of a fluid which overflows a surface of the aerodynamic body, which at least partially overcome the disadvantages and limitations known from the prior art ,
  • a free choice of the suction for sucking a portion of a fluid and, preferably, the outlet point should be possible without there being a requirement of an additional suction device in the aerodynamic body.
  • the present invention relates to an aerodynamic body having the features that - It has a base body which has a surface which is adapted to the flow through a fluid;
  • the base body has along its surface over at least one projecting into the flow boundary layer step;
  • the height of the step relative to the surface of the base body is arranged such that at the opening for sucking the part of the fluid, a pressure is adjustable, which exceeds the pressure prevailing at the further opening pressure.
  • the aerodynamic body has a main body which has a surface which is adapted to be overflowed by a fluid.
  • base body is understood to mean a mechanically stable, three-dimensional structure which may be designed in one piece or in several parts Especially for use as a wing, it is advantageous if the base body is designed essentially as a hollow shape; However, an at least partially massive design is also possible, especially for applications in which the weight of the body is of minor importance.
  • the main body also has an outer shape, the surface of which is provided for as low-friction as possible flow around a fluid provided for this purpose.
  • the base body has a cross section in the direction of flow which is usually designated as a "profile” and whose specific shape is suitable for producing a dynamic buoyancy with the flow resistance being as low as possible, as a result of the flow around the fluid or hydrofoils on aircraft, propellers of ships, blades in turbomachinery or rotor blades in wind turbines
  • the term "fluid” as used herein includes, in particular, depending on the intended use of the aerodynamic body around it, a liquid, a gas or a homogeneous or non-aerodynamic homogeneous mixture of a liquid and a gas, wherein the liquid and / or the gas may further contain a proportion of particles.
  • the main body also has at least one, preferably exactly one, step along its surface, which protrudes into the flow boundary layer.
  • flow boundary layer is generally understood to mean a fluidic boundary layer present close to the surface of the main body, in which an interaction between the surface of the main body and of the fluid, in particular caused by friction, dominates the surface of the base body which is intended without a step is understood to mean a device which is mounted on the base body within the flow boundary layer and / or applied to the base body so that at least part of the fluid movable in the flow boundary layer acts on the step in the flow direction can, whereby a pressure can be generated immediately prior to impingement of the relevant part of the fluid on the stage.
  • the step is always arranged within the boundary layer, the step in particular a perpendicular to the flow direction, vorspr may have in front.
  • a height of the step may thus be limited to a value of 10% to 90%, preferably 25% to 75%, of the height of the boundary layer.
  • the step can have an edge which can project into the flow boundary layer, wherein the configuration of the edge can be largely freely selectable, in particular in the form of a pointed edge or a blunt, rounded edge.
  • the configuration of the edge can be largely freely selectable, in particular in the form of a pointed edge or a blunt, rounded edge.
  • further embodiments are possible.
  • the accumulation at the step upstream in the direction of flow can thus lead locally to an overpressure, the strength of which can preferably be adjustable by selecting the height of the step relative to the surface of the main body.
  • the pressure generated in this way can preferably be used to produce a pressure gradient, which can in particular serve to make a suction of the desired part of the fluid can.
  • the flow can be deflected, in particular by a value of 60 ° to 120 °, wherein a deflection of the flow may preferably be such that the flow is sucked off and not split off.
  • the step projecting into the flow boundary layer can be carried out by applying at least one sheet which is preferably adapted to the surface of the base body in a form-fitting manner.
  • a height which has the step relative to the surface of the base body, can be freely selected within wide limits, preferably by setting a number of sheets and / or by adjusting a thickness of the sheet.
  • the sheet may in this case have a thickness of 0.05 mm to 2 mm, preferably of 0.1 mm to 0.5 mm. Depending on the chosen application of the aerodynamic body, however, other values for the thickness of the sheet may be suitable.
  • the step can be designed as a shoulder attached to the main body, which can preferably connect directly to an opening described in more detail below for sucking off a portion of the fluid from the flow boundary layer.
  • the term "heel” refers in particular to a shape of the basic body which has an immediate increase in relation to the surface of the basic body which is not provided with a step. as in the case of the application of at least one sheet on the base body, be attached later to the body.
  • the surface of the main body also has at least one opening for sucking off a part of the fluid from the flow boundary layer.
  • opening here means a device on the surface of the base body, which is introduced into the base body for receiving the part of the fluid, for which purpose a part of the body can be provided at the relevant point provided for the opening
  • a multi-part base body can be joined together at the intended location in such a way that an opening, preferably in the form of a slot or gap, is formed at a joint occurring between the parts of the base body
  • two metal sheets which form the surface of the multi-part main body could be used in such a way that a gap can be provided at the common joint which serves as a suction slot segmented
  • This is understood to mean an embodiment of the slot in which the slot in front of the step has at least two, close to each other. may have, but spatially separated sub-slots. In this case, the spatial separation can take place, for example, in that a web made of the material of
  • the slot may be inclined in the flow direction.
  • an inclination angle can be set, which can lie in an angular range of 90 ° to 30 ° to the surface.
  • the opening located in the surface of the base body is introduced into the surface of the base body on a step-facing side of the base, in such a way that the opening, preferably directly, adjoins the step.
  • a local overpressure forming by the air accumulation upstream of the stage can be used as extensively as possible, preferably completely, for the extraction of the part of the fluid provided for this purpose.
  • the opening can be made rounded on the opposite, stuffenabgewandten side. As a result, any flow losses occurring on this side of the opening can be reduced, if possible completely avoided.
  • one or more baffles may be provided in the slot and / or slightly outside the slot, which may be arranged in particular to redirect at least a portion of the flow.
  • one or more separating plates can be introduced into the slot and / or slightly outside the slot, which in particular can be arranged to prevent a deflection of at least part of the flow, thereby increasing unintentional, generally turbulent, fluctuations in the flow avoid. In this way, a deflection and / or separation of the aspirated flow or the extracted flow can be made possible in a low-loss manner.
  • at least one opening for blowing out at least a portion of the extracted fluid is located on the surface of the base body.
  • urging is understood to mean feeding a portion of the fluid, preferably the aspirated fluid, to at least one location of the aerodynamic body that differs from the port for aspiration. As described above, this may introduce new energy to a low-energy fluid in the flow boundary layer Be supplied with energy, so as to at least reduce a risk of separation of the flow boundary layer from the surface of the aerodynamic body and / or, as also described in H. Schlichting and K. Gersten, see above, a friction between the fluid and the surface in the case to reduce the state of turbulent flow.
  • the opening for blowing at least a portion of the extracted fluid adjacent to a recessed step may thus preferably be located downstream with respect to the recessed step and thus be in the slipstream of the recessed step, thus particularly favorable aerodynamic conditions for the further transport of the fluid along the surface of the body create.
  • the recessed step may in this case preferably be formed by an end of at least one sheet applied to the base body.
  • a height which has the recessed level with respect to the surface of the base body, within wide limits can be freely selected, preferably by setting a number of sheets and / or by adjusting a thickness of the sheet.
  • the sheet may in this case have a thickness of 0.05 mm to 2 mm, preferably of 0.1 mm to 0.5 mm.
  • the recessed step may be designed as a paragraph attached to the base body, which may preferably be directly adjacent to the opening for blowing at least a portion of the extracted fluid.
  • the height of the step relative to the surface of the base body is arranged such that at the opening for sucking off the part of the fluid, a pressure is adjustable, which exceeds the pressure prevailing at the opening for blowing out the part of the extracted fluid pressure.
  • a strength of the suction can preferably increase with increasing step height and thus be easily adjusted accordingly.
  • a diffuser-like geometry may be provided in the suction channel, which can be used by providing kinetic energy from the aspirated portion of the fluid to set a pressure curve or a velocity profile of the suction.
  • the present invention relates to a preferred use of the aerodynamic body as aircraft wings, ship propeller, turbomachinery or rotor blade in a wind turbine.
  • the present invention relates to a method of aspirating a portion of a fluid overflowing a surface of the aerodynamic body.
  • the aerodynamic body in a flow boundary layer along its surface at least one, in the flow boundary layer into projecting stage on which an overpressure, in particular a local overpressure immediately before the stage, forms.
  • an overpressure in particular a local overpressure immediately before the stage, forms.
  • the desired part of the fluid is sucked through at least one opening which is introduced into the surface of the aerodynamic body on the step subsequent to a step-facing side.
  • the step has a height relative to the surface of the main body, which is set up such that a pressure can be set at the opening for sucking off the part of the fluid, which pressure is at one on the surface of the Main body continues to exist existing opening for blowing out the part of the extracted fluid exceeds.
  • the pressure generated in this way at the opening for sucking off the part of the fluid can preferably be used to produce therewith a pressure gradient, which can preferably serve to be able to carry out an aspiration of the desired part of the fluid.
  • the portion of the fluid accumulated by the step before the stage can be separated and discharged from the main air stream crossing the stage, the discharge preferably being to the described aperture for blowing out the portion of the extracted fluid.
  • an electronically controllable device in particular an aircraft-bound computer, which has a program code which is set up to carry out the method.
  • the aerodynamic body according to the invention and the present method for sucking off a part of a fluid overflowing a surface of the aerodynamic body make it possible to form a driving pressure gradient between a suction inlet and an outlet by means of a small change on the surface of the body Provide projecting stage at almost any point on the surface of the body. Since the suction of the air via an opening, preferably in the form of a slot or gap, which, in the flow direction, is located directly in front of the stage takes place, in this way a generated by air accumulation before the stage overpressure can be used almost completely. In addition, a strength of the pressure gradient and thus the strength of the suction can be determined by the height of the step.
  • the proposed aerodynamic body and the method according to the invention can preferably be used in an airplane, a ship, a turbomachine or in a wind power plant, but in principle for currents and solid surfaces of all kinds, optionally after making expertly familiar adjustments.
  • An advantage of the present invention is that this allows a nearly free choice of suction points and outlet points, without having to rely on one of the above-mentioned active suction devices, such as a fan.
  • This allows extraction to be made at particularly critical locations on the surface of the aerodynamic body, particularly at locations where the boundary layer tends to turn from the desired state of laminar flow to the undesirable state of turbulent flow.
  • a blower for carrying out an active suction is already provided, the extraction of a part of the flow which is possible by the present invention can be assisted, in particular in order to reduce the work of the blower and to save energy.
  • blowing out extracted air at suitable positions On the surface of the aerodynamic body an improvement of flow properties can be achieved by known methods.
  • a surface-tangential blowing which is furthermore described in H. Schlichting and K. Gersten, see above, can be used to reduce flow separation or, preferably, to avoid it as completely as possible.
  • a vertical blowing out likewise shown in H. Schlichting and K. Gersten, see above, into an already turbulent boundary layer can be used to further reduce the frictional resistance.
  • the proposed aerodynamic body are thin wings of an aircraft, which have a surface with a small curvature, above all because in this case a sufficient overpressure can already be generated when a small height of the step is selected.
  • an overpressure generated thereby can be used according to the invention by introducing an opening immediately before the stage.
  • Figure 1 is a schematic representation of a profile of a wing as a preferred embodiment of an inventive proposed aerodynamic body
  • FIG. 2 is an enlarged view of a detail from FIG. 1.
  • Figure 1 shows schematically a profile 1 10 of a wing 1 12 as a preferred embodiment of an inventive proposed aerodynamic body 1 14.
  • the profile shown here 1 10 has a profile depth 1 16, which is usually the longest line from a profile nose 1 18 to a Profile trailing edge 120 is designated.
  • the wing 1 12 has a base body 122, which has a surface 124, the lowest possible laminar overflow 126 by a fluid 128th is set up.
  • the base body 122 shown here has a step 132 projecting into the flow boundary layer 130 in a flow boundary layer 130 along its surface 124.
  • the height of the projecting step 132 is shown in Figures 1 and 2 only schematically, but not to scale.
  • FIG. 2 shows an area 134 of the aerodynamic body 14 of FIG. 1 in an enlarged form.
  • a step-facing side 136 on the surface 124 of the base body 122 closes according to the invention immediately adjacent to the step 132 adjacent to an opening 138, which is provided for the suction of a portion 140 of the fluid 128.
  • a part of a material on the surface 124 of the base body 122 can be removed, preferably in the form of a slot, at the relevant location provided for the opening 138.
  • the base body 122 which is designed for this purpose in a multi-part manner, are joined together at the location provided for the opening 138 so that the opening 138 at a joint occurring between the parts of the multi-part main body 122 preferably in the form of a slot or gap remains, which can be segmented perpendicular to the flow direction 146 for structural reasons.
  • the opening 138 on the opposite side facing away from the step 144 is also rounded off, in particular in order to reduce or avoid flow losses at this side of the opening 138.
  • the step 132 represents a protruding elevation 142 with respect to the surface 124 of the body 122, which has no stop 132.
  • a portion of the fluid 128 moved in the flow boundary layer 130 can thus constitute the step 132 in the flow direction 146 apply an overpressure in an area on the step-facing side 136 immediately before the impact of the part 140 of the fluid 128 onto the step 132, the thickness of which in this embodiment is greater than the height of the projecting step 132
  • Surface 124 of the body 122 can be adjusted.
  • the step 132 projecting into the flow boundary layer 130 can be embodied, for example, by applying a sheet 148 or two sheets 148 arranged one above the other, which are here adapted in a form-fitting manner to the surface of the base body.
  • the sheet 148 may therefore assume a thickness of 0.05 mm to 2 mm, preferably from 0.1 mm to 0.5 mm.
  • other values for the thickness of the sheet may also be suitable for the aerodynamic body.
  • the portion 140 of the fluid 128 accumulated by the stage 132 can be separated from the stage 132 by a main air stream 150 crossing the stage 132 and diverted separately from the main air stream 150 through the opening 138 ,
  • the part 140 of the extracted fluid 128 is fed by means of one or more connecting lines 152 to one or more further openings 154 provided on the surface 124 of the main body 122 as an outlet for blowing at least part of the extracted fluid 128.
  • the outlet site may preferably be located at a location on the surface 124 of the body 122 at which it is desirable to stabilize and re-energize the flow boundary layer 130 there to provide a risk of separation of the flow boundary layer 130 from the aerodynamic surface 124 Body 122 at least or at a point downstream of the stage 132, at which there is already a turbulent flow, by surface normal blowing, the friction between the surface 124 and the fluid 128 to reduce.
  • the height of the step 132 relative to the surface 124 of the base body 122 is set such that adjusts a pressure at the opening 138 for sucking the portion 140 of the fluid 128, which at the opening 154 for blowing out the portion of the extracted fluid 128th prevailing pressure exceeds.
  • the connecting conduits 152 may also have a diffuser-like geometry by which the kinetic energy of the aspirated and expelled fluid 128 may be utilized for further pressure increase.

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  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen aerodynamischen Körper (114), umfassend einen Grundkörper (122), der über eine Oberfläche (124) verfügt, welche zur Überströmung (126) durch ein Fluid (128) in einer Strömungsgrenzschicht (130) eingerichtet ist. Der Grundkörper (122) weist entlang seiner Oberfläche (124) mindestens eine in die Strömungsgrenzschicht (130) hinein vorspringende Stufe (132) auf, wobei auf der Oberfläche (124) des Grundkörpers (122) an einer stufenzugewandten Seite (136) an die Stufe (132) anschließend weiterhin mindestens eine Öffnung (138) zum Absaugen eines Teils (140) des Fluids (128) vorgesehen ist. Weiterhin ist auf der Oberfläche (124) des Grundkörpers (122) mindestens eine weitere Öffnung (154) zum Ausblasen zumindest des Teils (140) des abgesaugten Fluids (128) vorgesehen, wobei die Höhe der Stufe (132) gegenüber der Oberfläche (124) des Grundkörpers (122) derart eingerichtet ist, dass an der Öffnung (138) zum Absaugen des Teils (140) des Fluids (128) ein Druck einstellbar ist, welcher den an der weiteren Öffnung (154) herrschenden Druck übersteigt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung des aerodynamischen Körpers (114) als Flugzeugflügel, Schiffspropeller, Turbomaschinenschaufel oder Rotorblatt einer Windkraftanlage sowie ein Verfahren zum Absaugen eines Teils (140) eines Fluids (128), welches eine Oberfläche (124) des aerodynamischen Körpers (114) überströmt.

Description

Aerodynamischer Körper und seine Verwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen aerodynamischen Körper und seine Verwendung insbesondere als Flugzeugflügel, Schiffspropeller, Turbomaschinenschaufel oder Rotor- blatt einer Windkraftanlage. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Absaugen eines Teils eines Fluids, welches eine Oberfläche des aerodynamischen Körpers überströmt.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind aerodynamische Körper, ihre Verwendung und Verfahren, welche zum Absaugen eines Teils eines Fluids, das eine Oberfläche des aerodynamischen Körpers überströmt, eingerichtet sind, bekannt. Derartige aerodynamische Körper finden Verwendung insbesondere in Flugzeugen, Schiffen, Turbomaschinen oder Windkraftanlagen und werden, je nach Verwendungszweck, üblicherweise als Tragfläche, Tragflügel, Propeller, Turbomaschinenschaufel oder Rotorblatt bezeichnet. Weitere Bezeichnungen sind möglich. Im Folgenden soll die vorliegende Erfindung, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, am Beispiel von Tragflügeln exemplarisch vorgestellt werden. Dies schließt jedoch nicht aus, dass die hier beispielhaft in Form von Tragflügeln vorge- stellten aerodynamischen Körper auch in anderen Bereichen, gegebenenfalls nach Vornahme von fachmännisch geläufigen Anpassungen, einsetzbar sind.
Ein Ziel aktueller Flugzeugentwicklungen liegt in einer Verringerung eines Verbrauchs an Treibstoff während eines Betriebs des Flugzeugs, insbesondere um eine Senkung an Kosten für den Treibstoff zu erzielen und allgemein einem gestiegenen Umweltbewusst- sein Rechnung zu tragen. Ein hohes Potential hierfür wird einer Verringerung eines Strömungswiderstandes zugeschrieben, welcher sich insbesondere in Folge von Reibung zwischen einer Oberfläche des Tragflügels eines Flugzeugs und eines die Oberfläche des Tragflügels überströmenden Fluids, hier atmosphärische Luft, in einer Strömungsgrenz- schicht entlang der Oberfläche des Tragflügels einstellt.
Es ist allgemein bekannt, dass in der oberflächennahen, reibungsbehaftetenen Strömungsgrenzschicht im Wesentlichen zwei unterschiedliche Strömungszustände auftreten können, welche als„laminare Strömung" und als„turbulente Strömung" bezeichnet wer- den. Während im Falle des Vorliegens der laminaren Strömung eine geordnete Bewegung von Partikeln in dem die Oberfläche überströmenden Fluid innerhalb sich nicht überkreu- zender, im wesentlich parallel zueinander angeordneter Schichten des Fluids auftritt, liegt im Falle der turbulenten Strömung eine im Allgemeinen beträchtliche Vermischung der Partikeln des Fluids vor. Hieraus ergibt sich, dass sich ein Zustand der laminaren Strömung im Vergleich zu dem Zustand der turbulenten Strömung durch eine geringere Rei- bung auszeichnet, so dass generell angestrebt wird, den Zustand der laminaren Strömung über eine möglichst lange Laufstrecke auf der zugehörigen Oberfläche zu erhalten.
Um dieses Ziel zu erreichen, kann vorzugsweise das in H. Schlichting und K. Gersten, Grenzschicht-Theorie, Kapitel 1 1 , Grenzschichtbeeinflussung (Absaugen/ Ausblasen), Springer, 10. Auflage, 2006, Seiten 295-314, beschriebene Verfahren zur Grenzschicht- absaugung eingesetzt werden. Dieses Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass durch Entnahme eines impulsarmen Teils des Fluids nahe der Oberfläche des aerodynamischen Körpers die dort vorhandene Strömungsgrenzschicht stabilisiert werden kann, indem sich auf diese Weise ein Umschlag von dem erwünschten Zustand der rei- bungsarmen laminaren Strömung in den unerwünschten Zustand der mit einer höheren Reibung behafteten turbulenten Strömung entlang der Strömungsrichtung verzögern oder, vorzugsweise, vollständig verhindern lässt.
Um ein Absaugen des Teils des Fluids vornehmen zu können, ist jedoch in aller Regel ein Auftreten eines Druckgefälles erforderlich. Bei Vorliegen eines für diesen Zweck ausreichenden Druckgefälles lässt sich somit ein impulsarmer Teil des Fluids nahe der Oberfläche des aerodynamischen Körpers von dem als Hauptluftstrom bezeichneten strömenden Fluid abtrennen und ableiten, wobei das abgesaugte Fluid vorzugsweise an einer von der Ansaugstelle verschiedenen Stelle des aerodynamischen Körpers wieder ausgeblasen werden kann. Auf diese Weise kann zum Beispiel einem energieschwachen Fluid in der Strömungsgrenzschicht neue Energie zugeführt werden, um so durch eine Zufuhr von kinetischer Energie eine möglicherweise auftretende Ablösungsgefahr der Strömungsgrenzschicht von der Oberfläche des aerodynamischen Körpers zu verringern oder, vorzugsweise, vollständig zu beseitigen.
Aus der DE 24 30 885 A1 ist bekannt, zur Erzeugung des erforderlichen Druckgefälles zu einer Steuerung eines Ansaugdruckes Ansaugöffnungen in der Oberfläche eines Tragflügels anzubringen, welche mit einer Saugseite eines Gebläses als Absaugvorrichtung verbunden sind. Auf diese Weise kann ein Teil des Fluids aus der Strömungsgrenzschicht entlang der Oberfläche des Flugzeugs aktiv entnommen werden. Nachteilig an diesem aktiven Verfahren sind das Erfordernis des Einbringens des Gebläses in den Tragflügel als zusätzliche Absaugvorrichtung sowie die für den Betrieb der Absaugvorrichtung erforderliche Energie, wodurch die durch die verringerte Luftreibung an der Oberfläche erzielte Energieeinsparung teilweise wieder vermindert wird. In der DE 700625 A wird vorgeschlagen, aus konstruktiven Gründen auf der Oberfläche eines Flugzeugs bereits vorhandene Druckunterschiede entsprechend einzusetzen. Beispielhaft kann so ein Teil des Fluids an einem Bereich der Vorderkante des Tragflügels passiv abgesaugt und an einem Auslass an der Spitze des Tragflügels ausgeblasen werden, da der Druck an der Vorderkante des Tragflügels im Vergleich zu dem Druck an der Spitze des Tragflügels in der Regel höher ist. Bei Drehflüglern, wie Hubschraubern oder Windkraftanlagen, kann zudem eine Ausnutzung von hier auftretenden Zentrifugalkräften als möglicher passiver Antrieb der Absaugung eingesetzt werden. Allerdings ist die Anwendbarkeit derartiger Verfahren nur eingeschränkt möglich, da hierzu ein Druckgefälle zwischen einer gewünschten Absaugstelle und einer möglichen Auslassstelle vorhanden sein muss, was an besonders kritischen Stellen des Tragflügels oftmals nicht der Fall ist. Darüber hinaus können zwischen der Absaugstelle und der Auslassstelle lange Verbindungsleitungen erforderlich sein, wodurch sich Platzprobleme innerhalb des Tragflügels ergeben und Druckverluste in den Verbindungsleitungen auftreten können. Die DE 603 04 513 T2 offenbart eine Tragfläche, welche wenigstens eine Vorderkantenstruktur und eine Flügelmittenstruktur aufweist, die derart miteinander gekoppelt sind, dass eine Verringerung des Luftwiderstands ermöglicht wird. Hierzu wird vorgeschlagen, einen Anstieg des Luftwiderstands mittels eines kleinen Spalts und einer kleinen Stufe, welche durch ein Ankoppeln der beiden Abschnitte aufgrund von Herstellungstoleranzen derart zwischen den beiden gekoppelten Abschnitten erzeugt werden, dass die Oberfläche der Vorderkantenstruktur gegenüber der Oberfläche der Flügelmittenstruktur an der Stufe vorsteht, zu verringern. In Strömungsrichtung erfährt somit die Strömung des Fluids durch eine Verringerung einer Höhe der Oberfläche an der Stufe einen geringen Druckabfall, welcher sich gegebenenfalls zur Stabilisierung der Strömungsgrenzschicht im Zu- stand der laminaren Strömung einsetzen lässt. Nachteilig hieran ist, dass hier eine rückspringende Stufe an der Tragfläche vorgesehen ist, für welche es sich gezeigt hat, dass bei Fehlen einer Möglichkeit der Absaugung des Fluids der Zustand der laminaren Strömung auf der Oberfläche der Flügelstruktur beeinträchtigt werden kann. Die DE 15 31 422 A offenbart einen aerodynamischen Körper, welcher jeweils vor oder hinter einem Umschlagort einer laminare Grenzschicht einen Spalt aufweist, welcher zum vollständigen oder teilweisen Absaugen der Grenzschicht eingerichtet ist. Die Absaugung erfolgt derart, dass die Grenzschicht hinter dem Spalt weiterhin oder wieder laminar ist.
Aus der EP 0926 064 B1 ist es bekannt, zum Vermeiden von strömungsbedingten Hohl- raumresonanzen in einem aerodynamischen Körper eine Öffnung zwischen einer stromaufwärts befindlichen Einlasskante und einer stromabwärts befindlichen Einlasskante vorzusehen, wobei die einer stromaufwärts befindliche Einlasskante die Scherschicht der äußeren Strömung unterbricht. Die US 3,624,751 A offenbart einen aerodynamischen Körper, welcher über eine erste Öffnung zum Einbringen eines Hochgeschwindigkeitsstrahls in einen Luftstrom verfügt. Auf diese Weise bildet sich stromaufwärts eine Schockwelle aus, wodurch der sich vor der Schockwelle befindliche Luftstrom einem höheren Druck ausgesetzt ist und daher in eine zweite, an dieser Stelle des aerodynamischen Körper befindliche Öffnung gelenkt wird.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen aerodynamischen Körper und seine Verwendung sowie ein Verfahren zum Absaugen eines Teils eines Fluids, welches eine Oberfläche des aerodynamischen Körpers überströmt, vorzuschlagen, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile und Einschränkungen zumindest teilweise überwinden.
Insbesondere soll hierbei eine freie Wahl der Absaugstelle zum Absaugen eines Teils eines Fluids und, vorzugsweise, auch der Auslassstelle möglich sein, ohne dass ein Erfordernis einer zusätzlichen Absaugvorrichtung in den aerodynamischen Körper besteht.
Offenbarung der Erfindung Diese Aufgabe wird gelöst durch einen aerodynamischen Körper und seine Verwendung sowie ein Verfahren zum Absaugen eines Teils eines Fluids, welches eine Oberfläche des aerodynamischen Körpers überströmt, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen. In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen aerodynamischen Körper- mit den Merkmalen, dass - er einen Grundkörper aufweist, welcher über eine Oberfläche verfügt, die zur Überströmung durch ein Fluid eingerichtet ist;
- der Grundkörper entlang seiner Oberfläche über mindestens eine in die Strömungsgrenzschicht hinein vorspringende Stufe verfügt;
- auf der Oberfläche des Grundkörpers an einer stufenzugewandten Seite an die Stufe anschließend weiterhin mindestens eine Öffnung zum Absaugen eines Teils des Fluids vorgesehen ist;
- auf der Oberfläche des Grundkörpers mindestens eine weitere Öffnung zum Ausblasen zumindest des Teils des abgesaugten Fluids vorgesehen ist; und
- die Höhe der Stufe gegenüber der Oberfläche des Grundkörpers derart eingerichtet ist, dass an der Öffnung zum Absaugen des Teils des Fluids ein Druck einstellbar ist, weicher den an der weiteren Öffnung herrschenden Druck übersteigt.
Erfindungsgemäß weist der aerodynamische Körper einen Grundkörper auf, der über eine Oberfläche verfügt, welche zur Überströmung durch ein Fluid eingerichtet ist. In Bezug auf die vorliegende Erfindung wird unter dem Begriff des „Grundkörpers" ein mechanisch stabiles, dreidimensionales Gebilde verstanden, welches einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein kann. Insbesondere für die Verwendung als Tragflügel ist es vorteilhaft, wenn der Grundköper im Wesentlichen als Hohlform ausgeführt ist; eine zumindest teilweise massive Ausgestaltung ist jedoch ebenfalls möglich, insbesondere für Einsatzzwecke, bei welchen das Gewicht des Grundkörpers von untergeordneter Bedeutung ist.
Der Grundkörper weist weiterhin eine äußere Form auf, deren Oberfläche für eine möglichst reibungsarme Umströmung durch ein hierfür vorgesehenes Fluid vorgesehen ist. Zu diesem Zweck verfügt der Grundkörper über einen üblicherweise als„Profil" bezeichneten Querschnitt in Strömungsrichtung, dessen spezifische Form sich bei erfolgender Umströmung durch das Fluid in Strömungsrichtung insbesondere für eine Erzeugung eines dynamischen Auftriebs bei möglichst geringem Strömungswiderstand eignet. Als Grundkörper dienen daher insbesondere bekannte Tragflächen oder Tragflügel an Flugzeugen, Propeller von Schiffen, Schaufeln in Turbomaschinen oder Rotorblätter in Windkraftan lagen. Der hierbei verwendete Begriff des„Fluids" umfasst, insbesondere je nach gewähltem Verwendungszweck des damit umströmten aerodynamischen Körpers, eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein homogenes oder nicht-homogenes Gemisch aus einer Flüssigkeit und einem Gas, wobei die Flüssigkeit und/oder das Gas darüber hinaus einen Anteil an Partikeln enthalten können. Erfindungsgemäß verfügt der Grundkörper entlang seiner Oberfläche weiterhin über mindestens eine, vorzugsweise genau eine Stufe, welche in die Strömungsgrenzschicht hinein vorspringt. Unter dem Begriff der„Strömungsgrenzschicht" wird allgemein eine nahe der Oberfläche des Grundkörpers vorhandene fluidische Grenzschicht verstanden, in der eine insbesondere durch Reibung hervorgerufene Wechselwirkung zwischen der Oberfläche des Grundkörpers und des Fluids dominiert. Die vorspringende Stufe, unter welcher hierbei eine Erhöhung in Bezug auf die ohne Stufe gedachte Oberfläche des Grundkörpers verstanden wird, bezeichnet hierbei eine Einrichtung, welche derart innerhalb der Strömungsgrenzschicht am Grundkörper angebracht und/oder auf den Grundkörper auf- gebracht ist, dass dadurch zumindest ein Teil des in der Strömungsgrenzschicht bewegbaren Fluids die Stufe in Strömungsrichtung beaufschlagen kann, wodurch unmittelbar vor einem Auftreffen des betreffenden Teils des Fluids auf die Stufe ein Druck erzeugt werden kann. Die Stufe ist hierbei stets innerhalb der Grenzschicht angeordnet, wobei die Stufe insbesondere eine zur Strömungsrichtung senkrechte, vorspringende Front aufweisen kann. Eine Höhe der Stufe kann somit auf einen Wert von 10 % bis 90 %, bevorzugt von 25 % bis 75 %, der Höhe der Grenzschicht beschränkt sein. Dadurch erfolgt keine vollständige Absaugung der Grenzschicht an der Stufe. Die Stufe kann hierbei über eine Kante verfügen, welche in die Strömungsgrenzschicht hineinragen kann, wobei die Ausgestaltung der Kante weitgehend frei wählbar sein kann, insbesondere in Former einer spitzen Kante oder einer stumpfen, abgerundeten Kante. Weitere Ausgestaltungen sind jedoch möglich.
Der stromaufwärts in Strömungsrichtung erzeugte Aufstau an der Stufe kann somit lokal zu einem Überdruck führen, dessen Stärke bevorzugt über eine Wahl der Höhe der Stufe gegenüber der Oberfläche des Grundkörpers einstellbar sein kann. Wie nachstehend näher beschrieben, kann sich der auf diese Weise erzeugte Druck vorzugsweise dazu einsetzen lassen, um damit ein Druckgefälle herzustellen, welches insbesondere dazu dienen kann, um ein Absaugen des gewünschten Teils des Fluids vornehmen zu können. Bei Vorliegen eines für diesen Zweck ausreichenden Druckgefälles kann somit der durch die Stufe aufgestaute Teil des Fluids vor der Stufe von dem Hauptluftstrom, welcher die Stufe überquert, abgetrennt und abgeleitet werden. Hierdurch kann folglich die Strömung umgelenkt werden, insbesondere um einen Wert von 60° bis 120°, wobei eine Umlenkung der Strömung vorzugsweise derart erfolgen kann, dass die Strömung abgesaugt und nicht abgespalten wird. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann die in die Strömungsgrenzschicht hinein vorspringende Stufe durch Aufbringen mindestens eines, vorzugsweise formschlüssig an die Oberfläche des Grundkörpers angepassten Bleches ausgeführt sein. Hierbei kann insbesondere eine Höhe, welche die Stufe gegenüber der Oberfläche des Grundkörpers aufweist, in weiten Grenzen frei wählbar sein, vorzugsweise durch Festlegen einer Anzahl an Blechen und/oder durch Einstellen einer Dicke des Bleches. Für den hier beispielhaft behandelten Fall der Tragfläche kann das Blech hierbei eine Dicke von 0,05 mm bis 2 mm, vorzugsweise von 0,1 mm bis 0,5 mm, aufweisen. Je nach gewähltem Anwendungszweck des aerodynamischen Körpers können jedoch auch andere Werte für die Dicke des Bleches geeignet sein.
In einer alternativen Ausgestaltung kann die Stufe als ein am Grundkörper angebrachter Absatz ausgestaltet sein, welcher sich vorzugsweise unmittelbar an eine unten näher beschriebenen Öffnung zum Absaugen eines Teils des Fluids aus der Strömungsgrenz- schicht anschließen kann. Der Begriff des „Absatzes" bezeichnet hierbei insbesondere eine Form des Grundkörpers, welche unmittelbar über eine Erhöhung in Bezug auf die ohne Stufe gedachte Oberfläche des Grundkörpers verfügt. Der Absatz kann in dieser Ausgestaltung somit bevorzugt bereits bei der Herstellung des Grundkörpers bereitgestellt werden und nicht, wie im Falle der Aufbringung mindestens eines Bleches auf den Grund- körper, erst nachträglich an den Grundkörper angebracht werden.
Erfindungsgemäß weist die Oberfläche des Grundkörpers weiterhin mindestens eine Öffnung zum Absaugen eines Teils des Fluids aus der Strömungsgrenzschicht auf. Unter dem Begriff der„Öffnung" wird hierbei eine Einrichtung auf der Oberfläche des Grundkör- pers verstanden, welche zur Aufnahme des Teils des Fluids in den Grundkörper eingebracht ist. Hierzu kann an der betreffenden Stelle, welche für die Öffnung vorgesehen ist, ein Teil des Materials des Grundkörpers entfernt werden, vorzugsweise in Form eines Schlitzes (Absaugschlitz). Alternativ oder zusätzlich kann ein mehrteiliger Grundkörper an der vorgesehenen Stelle derart zusammengefügt werden, dass an einer zwischen den Teilen des Grundkörpers auftretenden Fügestelle eine Öffnung, vorzugsweise in Form eines Schlitzes oder Spaltes, verbleibt. Beispielsweise könnten hierzu zwei Bleche, welche die Oberfläche des mehrteiligen Grundkörpers ausbilden, derart eingesetzt werden, dass an der gemeinsamen Fügestelle ein Spalt vorgesehen sein kann, welcher als Absaugschlitz dient. Die Öffnung kann, konstruktiv bedingt, in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung segmentiert sein. Hierunter wird eine Ausgestaltung des Schlitzes verstanden, bei welcher der Schlitz vor der Stufe mindestens zwei, nahe beieinander lie- gende, jedoch räumlich voneinander getrennte Teilschlitze aufweisen kann. Die räumliche Trennung kann hierbei beispielsweise dadurch erfolgen, dass zwischen zwei benachbarten Teilschlitzen ein Steg aus dem Material des Grundkörpers verbleiben kann. Weitere Ausgestaltungen sind jedoch denkbar.
In einer besonderen Ausgestaltung kann der Schlitz in Strömungsrichtung geneigt sein. Hierbei kann in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung ein Neigungswinkel eingestellt werden, welcher in einem Winkelbereich von 90° bis 30° zur Oberfläche liegen kann. Durch Einstellung des Neigungswinkels kann der Strömungswiderstand im Bereich der schlitzförmigen Öffnung reduziert werden.
Erfindungsgemäß ist die in der Oberfläche des Grundkörpers befindliche Öffnung an einer stufenzugewandten Seite der Stufe in die Oberfläche des Grundkörpers eingebracht und zwar in einer Weise, dass die Öffnung, vorzugsweise direkt, an die Stufe angrenzt. Dadurch kann für die Absaugung des dafür vorgesehenen Teils des Fluids ein sich durch die Luftaufstauung vor der Stufe ausbildender lokaler Überdruck möglichst weitgehend, bevorzugt vollständig, genutzt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Öffnung an der gegenüberliegenden, stu- fenabgewandten Seite abgerundet ausgeführt sein. Hierdurch lassen sich etwaige, an dieser Seite der Öffnung auftretende Strömungsverluste verringern, möglichst vorzugsweise vollständig vermeiden.
In einer weiteren Ausgestaltung können im Schlitz und/oder geringfügig außerhalb des Schlitzes ein oder mehrere Umlenkbleche angebracht werden, welche insbesondere dazu eingerichtet sein können, um zumindest einen Teil der Strömung umzulenken. Alternativ oder zusätzlich können im Schlitz und/oder geringfügig außerhalb des Schlitzes ein oder mehrere Trennbleche eingebracht werden, welche insbesondere dazu eingerichtet sein können, um eine Umlenkung zumindest eines Teils der Strömung zu verhindern, um dadurch unbeabsichtigte, in der Regel turbulente Schwankungen der Strömung zu vermeiden. Auf diese Weise kann eine Umlenkung und/oder Abtrennung der abzusaugenden Strömung bzw. der abgesaugten Strömung auf möglichst verlustarme Weise ermöglicht werden. Weiterhin befindet sich auf der Oberfläche des Grundkörpers mindestens eine Öffnung zum Ausblasen zumindest eines Teils des abgesaugten Fluids. Hierbei wird unter dem Begriff des„Ausblasens" ein Zuführen eines Teils des Fluids, vorzugsweise des abgesaugten Fluids, an mindestens einer Stelle des aerodynamischen Körpers, welche sich von der Öffnung zum Ansaugen unterscheidet, verstanden. Wie oben bereits beschrieben, kann dadurch einem energieschwachen Fluid in der Strömungsgrenzschicht neue Energie zugeführt werden, um so eine Ablösungsgefahr der Strömungsgrenzschicht von der Oberfläche des aerodynamischen Körpers zumindest zu verringern und/oder um, wie ebenfalls in H. Schlichting und K. Gersten, siehe oben, beschrieben, eine Reibung zwischen dem Fluid und der Oberfläche im Falle des Zustandes von turbulenter Strömung zu verringern.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann die Öffnung zum Ausblasen zumindest eines Teils des abgesaugten Fluids an eine rückspringende Stufe angrenzen. Die Öffnung zum Ausblasen zumindest eines Teils des abgesaugten Fluids kann somit vorzugsweise stromabwärts in Bezug auf die rückspringende Stufe angeordnet sein und sich damit im Windschatten der rückspringenden Stufe befinden, um somit insbesondere günstige aerodynamische Bedingungen für den weiteren Transport des Fluids entlang der Oberfläche des Grundkörpers zu schaffen. Die rückspringende Stufe kann hierbei bevorzugt durch ein Ende mindestens eines auf dem Grundkörper aufgebrachten Bleches gebildet werden. Hierbei kann insbesondere eine Höhe, welche die rückspringende Stufe gegenüber der Oberfläche des Grundkörpers aufweist, in weiten Grenzen frei wählbar sein, vorzugsweise durch Festlegen einer Anzahl an Blechen und/oder durch Einstellen einer Dicke des Bleches. Für den hier beispielhaft behandelten Fall der Tragfläche kann das Blech hierbei eine Dicke von 0,05 mm bis 2 mm, vorzugsweise von 0,1 mm bis 0,5 mm, aufweisen. Je nach gewähltem Anwendungszweck des aerodynamischen Körpers können jedoch auch andere Werte für die Dicke des Bleches geeignet sein. In einer alternativen Ausgestaltung kann auch die rückspringende Stufe als ein am Grundkörper angebrachter Absatz ausgestaltet sein, der vorzugsweise unmittelbar an die Öffnung zum Ausblasen zumindest eines Teils des abgesaugten Fluids angrenzen kann. Erfindungsgemäß ist die Höhe der Stufe gegenüber der Oberfläche des Grundkörpers derart eingerichtet, dass an der Öffnung zum Absaugen des Teils des Fluids ein Druck einstellbar ist, welcher den an der Öffnung zum Ausblasen des Teils des abgesaugten Fluids herrschenden Druck übersteigt. Dies kann bereits für geringe Höhen der Stufe dann gegeben sein, wenn sich beispielsweise die Absaugstelle und Auslassstelle auf ei- ner zusammenhängenden, ebenen Oberfläche befinden, auf welcher, abgesehen vom dem durch die Stufe hervorgerufenen Überdruck, ansonsten Umgebungsdruck herrscht. In diesem Fall kann eine Stärke der Absaugung vorzugsweise mit steigender Stufenhöhe zunehmen und somit auf einfache Weise entsprechend eingestellt werden. Zusätzlich kann hierbei, wie zum Beispiel in der DE 45 84 28 A vorgeschlagen, eine diffusorartige Geometrie im Absaugkanal vorgesehen sein, welche durch Bereitstellung von kinetischer Energie aus dem abgesaugten Teil des Fluids zur Einstellung eines Druckverlaufs bzw. eines Geschwindigkeitsverlaufs des Absaugstroms verwendet werden kann.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine bevorzugte Verwendung des aerodynamischen Körpers als Flugzeugflügel, Schiffspropeller, Turbomaschinen- schaufei oder Rotorblatt in einer Windkraftanlage.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die vorliegende Verwendung wird auf die oben und/oder unten stehende Beschreibung des aerodynamischen Körpers verwiesen. In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Absaugen eines Teils eines Fluids, welches eine Oberfläche des aerodynamischen Körpers überströmt. Hierbei weist der aerodynamische Körper in einer Strömungsgrenzschicht entlang seiner Oberfläche mindestens eine, in die Strömungsgrenzschicht hinein vorspringende Stufe auf, an welcher sich ein Überdruck, insbesondere ein lokaler Überdruck unmittelbar vor der Stufe, ausbildet. Dadurch wird der gewünschte Teil des Fluids durch mindestens eine Öffnung, welche an die Stufe anschließend an einer stufenzugewandten Seite in die Oberfläche des aerodynamischen Körpers eingebracht ist, abgesaugt.
In einer besonderen Ausgestaltung weist hierbei die Stufe eine Höhe gegenüber der Oberfläche des Grundkörpers auf, welche derart eingerichtet wird, dass an der Öffnung zum Absaugen des Teils des Fluids ein Druck eingestellt werden kann, welcher den Druck, der an einer, auf der Oberfläche des Grundkörpers weiterhin vorhandenen Öffnung zum Ausblasen des Teils des abgesaugten Fluids herrscht, übersteigt. Der auf diese Weise an der Öffnung zum Absaugen des Teils des Fluids erzeugte Druck kann vorzugsweise dazu eingesetzt werden, um damit ein Druckgefälle herzustellen, welches bevorzugt dazu dienen kann, um ein Absaugen des gewünschten Teils des Fluids vornehmen zu können. Bei Vorliegen eines für diesen Zweck ausreichenden Druckgefälles kann somit der durch die Stufe aufgestaute Teil des Fluids vor der Stufe von dem die Stufe überquerenden Hauptluftstrom abgetrennt und abgeleitet werden, wobei das Ableiten bevorzugt an die beschriebene Öffnung zum Ausblasen des Teils des abgesaugten Fluids erfolgen kann. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine elektronisch steuerbare Einrichtung, insbesondere ein flugzeuggebundener Computer, vorgesehen sein, welcher einen Programmcode, der zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist, aufweist. Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das vorliegende Verfahren wird auf die übrige Beschreibung und das Ausführungsbeispiel verwiesen.
Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße aerodynamische Körper und das vorliegende Verfahren zum Absaugen eines Teils eines Fluids, welches eine Oberfläche des aerodynamischen Körpers überströmt, ermöglichen es, ein treibendes Druckgefälle zwischen einem Absaugeinlass und einem Auslass mittels einer kleinen Änderung auf der Oberfläche des Grundkörpers in Form einer vorspringenden Stufe an einer nahezu beliebigen Stelle auf der Oberfläche des Grundkörpers bereitzustellen. Da die Absaugung der Luft über eine Öffnung, vorzugsweise in Form eines Schlitzes oder Spaltes, welcher sich, in Strömungsrichtung, direkt vor der Stufe befindet, erfolgt, kann auf diese Weise ein durch Luftaufstauung vor der Stufe erzeugter Überdruck praktisch vollständig genutzt werden. Darüber hinaus lassen sich eine Stärke des Druckgefälles und damit die Stärke der Absaugung über die Höhe der Stufe festlegen. Der vorgeschlagene aerodynamische Körper und das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich vorzugsweise in einem Flugzeug, einem Schiff, einer Turbomaschine oder in einer Windkraftanlage einsetzen, grundsätzlich jedoch bei Strömungen und festen Oberflachen aller Art, gegebenenfalls nach einer Vornahme von fachmännisch geläufigen Anpassungen.
Vorteilhaft an der vorliegenden Erfindung ist, dass hierdurch eine nahezu freie Wahl von Absaugstellen und Auslassstellen möglich wird, ohne dabei auf eine der oben genannten aktiven Absaugvorrichtungen, wie zum Beispiel einem Gebläse, angewiesen zu sein. Dadurch kann eine Absaugung an besonders kritischen Stellen auf der Oberfläche des aerodynamischen Körpers vorgenommen werden, insbesondere an Stellen, an welchen die Grenzschicht dazu neigt, von dem erwünschten Zustand der laminaren Strömung zu dem unerwünschten Zustand der turbulenten Strömung umzuschlagen. Ist hierbei bereits ein Gebläse zur Vornahme einer aktiven Absaugung vorgesehen, kann die durch die vorliegende Erfindung mögliche Absaugung eines Teils der Strömung unterstützt werden, insbesondere um auf diese Weise dem Gebläse Arbeit abzunehmen und Energie einzusparen. Gleichzeitig kann durch ein Ausblasen von abgesaugter Luft an geeigneten Stel- len auf der Oberfläche des aerodynamischen Körpers eine Verbesserung von Strömungseigenschaften durch bekannte Verfahren erreicht werden. So kann zum Beispiel ein in H. Schlichting und K. Gersten, siehe oben, weiterhin beschriebenes oberflächen- tangentiales Ausblasen dazu eingesetzt werden, um Strömungsablösungen zu vermindern oder, vorzugsweise, möglichst vollständig vermeiden. Alternativ oder zusätzlich kann ein ebenfalls in H. Schlichting und K. Gersten, siehe oben, dargestelltes senkrechtes Ausblasen in eine bereits turbulente Grenzschicht zu einer weiteren Reduzierung des Reibungswiderstands Verwendung finden.
Für den vorgeschlagenen aerodynamischen Körper eignen sich insbesondere dünne Tragflügel eines Flugzeugs, welche über eine Oberfläche mit einer geringen Krümmung verfügen, vor allem da in diesem Falle bereits bei Wahl einer geringen Höhe der Stufe ein ausreichender Überdruck erzeugt werden kann. In einem Fall, in welchem ein aerodynamischer Körper bereits über eine oder mehrere konstruktiv vorhandene Stufen verfügt, kann ein dadurch erzeugter Überdruck mittels Einbringen einer Öffnung unmittelbar vor der Stufe erfindungsgemäß verwendet werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist den Figuren dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung ohne Beschränkung der Allgemeinheit näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Profils eines Tragflügels als bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäß vorgeschlagenen aerodynamischen Körper; und
Figur 2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts aus der Figur 1 .
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt schematisch ein Profil 1 10 eines Tragflügels 1 12 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäß vorgeschlagenen aerodynamischen Körper 1 14. Das hier dargestellte Profil 1 10 weist eine Profiltiefe 1 16 auf, welche üblicherweise als längste Linie von einer Profilnase 1 18 bis zu einer Profilhinterkante 120 bezeichnet wird. Der Tragflügel 1 12 besitzt einen Grundkörper 122, welcher über eine Oberfläche 124 verfügt, die zur möglichst reibungsarmen laminaren Überströmung 126 durch ein Fluid 128 eingerichtet ist. Erfindungsgemäß weist der hier dargestellte Grundkörper 122 in einer Strömungsgrenzschicht 130 entlang seiner Oberfläche 124 eine in die Strömungsgrenzschicht 130 hinein vorspringende Stufe 132 auf. Die Höhe der vorspringenden Stufe 132 ist in den Figuren 1 und 2 nur schematisch, jedoch nicht maßstäblich dargestellt.
Zur besseren Darstellung zeigt Figur 2 einen Bereich 134 des aerodynamischen Körpers 1 14 aus der Figur 1 in vergrößerter Form. An einer stufenzugewandten Seite 136 auf der Oberfläche 124 des Grundkörpers 122 schließt sich erfindungsgemäß unmittelbar an die Stufe 132 angrenzend eine Öffnung 138 an, welche zum Absaugen eines Teils 140 des Fluids 128 vorgesehen ist. An der betreffenden Stelle, welche für die Öffnung 138 vorgesehen ist, kann hierzu ein Teil eines Materials an der Oberfläche 124 des Grundkörpers 122 entfernt werden, vorzugsweise in Form eines Schlitzes. Alternativ oder zusätzlich kann der Grundkörper 122, der hierzu in mehrteiliger Weise ausgeführt ist, an der für die Öffnung 138 vorgesehenen Stelle so zusammengefügt werden, dass die Öffnung 138 an einer zwischen den Teilen des mehrteiligen Grundkörpers 122 auftretenden Fügestelle bevorzugt in Form eines Schlitzes oder Spaltes verbleibt, welcher senkrecht zur Strömungsrichtung 146 aus konstruktiven Gründen segmentiert sein kann.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 138 an der gegenüberlie- genden, stufenabgewandten Seite 144 zudem abgerundet ausgeführt, insbesondere um an dieser Seite der Öffnung 138 Strömungsverluste zu verringern oder zu vermeiden.
Wie aus Figur 2 weiterhin hervorgeht, stellt die Stufe 132 eine vorspringende Erhöhung 142 in Bezug auf die ohne Stufe 132 gedachte Oberfläche 124 des Grundkörpers 122 dar. Erfindungsgemäß kann hierdurch ein Teil des in der Strömungsgrenzschicht 130 bewegten Fluids 128 die Stufe 132 in Strömungsrichtung 146 so beaufschlagen, dass in einem Bereich an der stufenzugewandten Seite 136 unmittelbar vor einem Auftreffen des Teils 140 des Fluids 128 auf die Stufe 132 lokal ein Überdruck erzeugt werden kann, dessen Stärke in dieser Ausführung über eine Wahl der Höhe der vorspringenden Stufe 132 ge- genüber der Oberfläche 124 des Grundkörpers 122 eingestellt werden. Wie Figur 2 schematisch zeigt, kann die in die Strömungsgrenzschicht 130 hinein vorspringende Stufe 132 beispielsweise durch ein Aufbringen eines Bleches 148 oder von zwei übereinander angeordneten Blechen 148, welche hier formschlüssig an die Oberfläche des Grundkörpers angepasst sind, ausgeführt sein. Für das hier vorgestellte Ausführungsbeispiel des Tragflügels 1 12 kann das Blech 148 daher eine Dicke von 0,05 mm bis 2 mm, vorzugsweise von 0,1 mm bis 0,5 mm, annehmen. Je nach gewähltem Anwendungszweck des aerodynamischen Körpers können jedoch auch andere Werte für die Dicke des Bleches geeignet sein.
Wie Figur 2 schematisch zeigt, kann bei Vorliegen eines Druckgefälles der durch die Stufe 132 aufgestaute Teil 140 des Fluids 128 vor der Stufe 132 von einem Hauptluftstrom 150, welcher die Stufe 132 überquert, abgetrennt und gesondert von dem Hauptluftstrom 150 durch die Öffnung 138 abgeleitet werden. Hierbei wird der Teil 140 des abgesaugten Fluids 128 mittels einer oder mehrerer Verbindungsleitungen 152 einer oder mehrerer auf der Oberfläche 124 des Grundkörpers 122 vorhandenen weiteren Öffnung 154 als Auslass- stelle zum Ausblasen zumindest eines Teils des abgesaugten Fluids 128 zugeleitet. Die Auslassstelle kann bevorzugt an einer Stelle der Oberfläche 124 des Grundkörpers 122 eingerichtet sein, an welcher es wünschenswert ist, die dort vorhandene Strömungsgrenzschicht 130 zu stabilisieren und dort neue Energie zuzuführen, um so eine Ablösungsgefahr der Strömungsgrenzschicht 130 von der Oberfläche 124 des aerodynami- sehen Grundkörpers 122 zumindest zu verringern oder an einer Stelle stromabwärts der Stufe 132, an welcher bereits eine turbulente Strömung vorliegt, durch oberflächennormales Ausblasen die Reibung zwischen der Oberfläche 124 und dem Fluid 128 zu verringern. Erfindungsgemäß wird hierzu die Höhe der Stufe 132 gegenüber der Oberfläche 124 des Grundkörpers 122 derart festgelegt, dass sich an der Öffnung 138 zum Absaugen des Teils 140 des Fluids 128 ein Druck einstellt, welcher den an der Öffnung 154 zum Ausblasen des Teils des abgesaugten Fluids 128 herrschenden Druck übersteigt. Befinden sich die Absaugstelle an der Öffnung 138 und die Auslassstelle auf einer zusammenhängen- den, ebenen Fläche, auf der, abgesehen vom dem durch die Stufe 132 hervorgerufenen Überdruck, ansonsten Umgebungsdruck herrscht, kann hierfür bereits eine geringe Höhe der Stufe 132 ausreichend sein. Die Verbindungsleitungen 152 können darüber hinaus eine diffusorartige Geometrie aufweisen, durch welche die kinetische Energie des abgesaugten und zum Ausblasen vorgesehenen Fluids 128 für eine weitere Druckerhöhung genutzt werden kann.
Der hier in den Figuren 1 und 2 als Tragflügel 1 12 für eine Verwendung in einem Flugzeug beispielhaft vorgestellte aerodynamische Körper 1 14 kann, gegebenenfalls nach Vornahme von fachmännisch geläufigen Anpassungen, grundsätzlich auch als Propeller in einem Schiff, als Schaufel in einer Turbomaschine oder als Rotorblatt in einer Windkraftanlage eingesetzt werden. Liste der Bezugszeichen
1 10 Profil
1 12 Tragflügel
1 14 aerodynamischer Körper
1 16 Profil tiefe
1 18 Profilnase
120 Profilhinterkante
122 Grundkörper
124 Oberfläche
126 Überströmung
128 Fluid
130 Strömungsgrenzschicht
132 Stufe
134 Ausschnitt
136 stufenzugewandte Seite
138 Öffnung (zum Ansaugen)
140 Teil des Fluids
142 vorspringende Erhöhung
144 stufenabgewandte Seite
146 Strömungsrichtung
148 Blech
150 Hauptluftstrom
152 Verbindungsleitungen
154 Öffnung (zum Ausblasen)

Claims

Patentansprüche
1 . Aerodynamischer Körper (1 14), umfassend einen Grundkörper (122), der über eine Oberfläche (124) verfügt, welche zur Überströmung (126) durch ein Fluid (128) in einer Strömungsgrenzschicht (130) eingerichtet ist, wobei der Grundkörper (122) entlang seiner Oberfläche (124) mindestens eine in die Strömungsgrenzschicht (130) hinein vorspringende Stufe (132) aufweist, wobei auf der Oberfläche (124) des Grundkörpers (122) an einer stufenzugewandten Seite (136) an die Stufe (132) anschließend weiterhin mindestens eine Öffnung (138) zum Absaugen eines Teils (140) des Fluids (128) vorgesehen ist, wobei auf der Oberfläche (124) des Grundkörpers (122) mindestens eine weitere Öffnung (154) zum Ausblasen zumindest des Teils (140) des abgesaugten Fluids (128) vorgesehen ist, wobei die Höhe der Stufe (132) gegenüber der Oberfläche (124) des Grundkörpers (122) derart eingerichtet ist, dass an der Öffnung (138) zum Absaugen des Teils (140) des Fluids (128) ein Druck einstellbar ist, welcher den an der weiteren Öffnung (154) herrschenden Druck übersteigt.
2. Aerodynamischer Körper (1 14) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Stufe (132) innerhalb der Strömungsgrenzschicht (130) am Grundkörper (122) angebracht ist und/oder auf den Grundkörper (122) aufgebracht ist,
3. Aerodynamischer Körper (1 14) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Öffnung (138) in Form eines Schlitzes ausgeführt ist.
4. Aerodynamischer Körper (1 14) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der Schlitz in Bezug auf die Strömungsrichtung (146) geneigt ist.
5. Aerodynamischer Körper (1 14) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der Schlitz derart in Bezug auf die Strömungsrichtung (146) geneigt ist, dass ein Neigungswinkel eingestellt wird, welcher in einem Winkelbereich von 90° bis 30° zur Oberfläche liegt.
6. Aerodynamischer Körper (1 14) nach einem der drei vorangehenden Ansprüche, wobei der Schlitz senkrecht zur Strömungsrichtung (146) segmentiert ist.
7. Aerodynamischer Körper (1 14) nach einem der vier vorangehenden Ansprüche, wobei im Schlitz und/oder unmittelbar außerhalb des Schlitzes mindestens ein Umlenkblech und/oder mindestens ein Trennblech vorhanden ist.
8. Aerodynamischer Körper (1 14) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Öffnung (138) an einer stufenabgewandten Seite (144) abgerundet ausgeführt ist.
9. Aerodynamischer Körper (1 14) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die in die Strömungsgrenzschicht (130) hinein vorspringende Stufe (132) durch Aufbringen mindestens eines, an die Oberfläche (124) des Grundkörpers (122) angepassten Bleches (148) ausgeführt ist.
10. Aerodynamischer Körper (1 14) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Stufe (132) eine Höhe gegenüber der Oberfläche (124) des Grundkörpers (122) aufweist, welche durch Wahl einer Anzahl und/oder einer Dicke des mindestens einen Bleches (148) einstellbar ist.
1 1 . Aerodynamischer Körper (1 14) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Blech eine Dicke von 0,05 mm bis 2 mm aufweist.
12. Aerodynamischer Körper (1 14) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Öffnung (138) zum Absaugen eines Teils (140) des Fluids (128) und die weitere Öffnung (154) zum Ausblasen zumindest des Teils (140) des abgesaugten Fluids (128) auf einer zusammenhängenden, ebenen Oberfläche befinden, auf welcher, abgesehen vom dem durch die Stufe hervorgerufenen Überdruck, ansonsten Umgebungsdruck herrscht.
13. Aerodynamischer Körper (1 14) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (122) einen Tragflügel (1 12) für ein Flugzeug, einen Schiffspropeller, eine Turbomaschinenschaufel oder ein Rotorblatt einer Windkraftanlage umfasst.
14. Verwendung eines aerodynamischen Körpers (1 14) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als Tragflügel (1 12) für ein Flugzeug, als Schiffspropeller, als Turbomaschinenschaufel oder als Rotorblatt in einer Windkraftanlage.
15. Verfahren zum Absaugen eines Teils (140) eines Fluids (128), welches eine Oberfläche (124) eines aerodynamischen Körpers (1 14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 überströmt, wobei sich in einer Strömungsgrenzschicht (130) entlang der Oberfläche (124) des aerodynamischen Körpers (1 14) an mindestens einer, in die Strömungsgrenzschicht (130) hinein vorspringenden Stufe (132) ein Überdruck ausbildet und wobei der Teil (140) des Fluids (128) durch mindestens eine Öffnung (138) abgesaugt wird, wobei die Öffnung (138) an einer stufenzugewandten Seite (136), an die Stufe (132) anschließend, in die Oberfläche (124) des aerodynamischen Körpers (1 14) eingebracht ist, wobei die Stufe (132) eine Höhe gegenüber der Oberfläche (124) des aerodynamischen Körpers (1 14) aufweist, welche derart eingerichtet wird, dass an der Öffnung (138) zum Absaugen des Teils (140) des Fluids (128) ein Druck eingestellt wird, welcher den an mindestens einer auf der Oberfläche (124) des aerodynamischen Körpers (1 14) vorhandenen weiteren Öffnung (154) zum Ausblasen eines Teils (140) des abgesaugten Fluids (128) herrschenden Druck übersteigt.
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