WILDSCHEK, Andreas (Dorfstrasse 62, Taufkirchen, 82024, DE)
PATENTANSPRüCHE
1. Aerodynamisches Profil (400), das an einer einer Anströmung abzuwenden- den Seite einen eine Hinterkante (412) bildenden Hinterkantenbereich (410) hat, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktor (418), der ein gesteuert kontrahierbares oder expandierbares Material oder Element (432) aufweist, im Inneren des Hinterkantenbereichs (410) zur zumindest teilweisen Lageveränderung und/oder Verformung der Hinterkante (412) und/oder des des Hinterkantenbereichs (410) vorgesehen ist.
2. Profil (400) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es ein Flügel- oder Leitwerkprofil für ein Luftfahrzeug, ein Profil eines Rotors oder Propellers eines Luftfahrzeuges, wie insbesondere Rotor eines Hubschraubers ist, oder ein Profil einer Schaufel einer Turbine ist.
3. Profil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterkantenbereich (410) elastisch ausgebildet ist.
4. Profil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterkantenbereich (410) eine Flügelhinterkante (412) oder Rotorhinter- kante bildet, dessen Form und/oder Ausrichtung insgesamt oder in Teilbereichen mittels des Aktors (418) gesteuert veränderbar ist.
5. Profil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gesteuert kontrahierbare oder expandierbare Material ein piezoelektrisches Material (432) ist.
6. Profil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (418) mit einem elastisch verformbaren Flächenelement, insbesondere platten- oder streifenförmiges Element (420), versehen ist, das wenigstens auf einem Teilbereich wenigstens einer seiner Breitflächen mit einer gesteuert kontrahierbaren oder expandierbaren Schicht (432) versehen ist, so dass sich das Flächenelement gesteuert verformen lässt.
7. Profil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das platten- oder streifenförmige Element (432) gewölbt ist.
8. Profil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das platten- oder streifenförmige Element (420) sich im Inneren (416) des Hinterkantenbereichs (410) im wesentlichen in Längsrichtung sowie in einer in An- strömungsrichtung (S) auszurichtenden Querrichtung des Profils (400) erstreckt.
9. Profil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein hinterer Kantenbereich (428) des platten- oder streifenförmigen Elements (420) mit der Innenseite der Hinterkante (412) verbunden ist.
10. Profil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorderer Kantenbereich (422) des platten- oder streifenförmigen Elements (420) an einer gegenüber dem Hinterkantenbereich (410) starrer ausgebildeten Haltestruktur (424) befestigt ist.
11. Profil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Seite des Flächenelements (420) mit wenigstens einer piezoelektrischen Schicht (432) versehen ist, so dass sich das Flächenelement (420) abhängig von einer angelegten Spannung (U) mehr oder weniger wölbt.
12. Profil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenelement (420) als Wegverstärkung zum Verstärken eines durch die Kontraktion oder Expansion erreichbaren Verstellweges dient.
13. Aktor (418) für ein Profil (400) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (418) mit einem elastisch verformbaren Flächenelement (420), insbesondere platten- oder streifenförmiges Element, versehen ist, das wenigstens auf einem Teilbereich wenigstens einer seiner Breitflächen mit einer gesteuert kontrahierbaren oder expandierbaren Schicht (432) versehen ist, so dass sich das Flächenelement (420) gesteuert verformen lässt.
14. Aktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das platten- oder streifenförmige Element (432) gewölbt ist.
15. Aktor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor ein Piezoaktor (418) ist.
16. Aktor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Seite des Flächenelements (420) mit wenigstens einer piezoelektrischen Schicht (432) versehen ist, so dass sich das Flächenelement abhängig von einer angelegten Spannung (U) mehr oder weniger wölbt.
17. Aktor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenelement (420) als Wegverstärkung zum Verstärken eines durch die Kontraktion oder Expansion erreichbaren Verstellweges dient.
18. Windkanal-Modell, insbesondere für ein Luftfahrzeug oder ein Teil eines Luft- fahrzeugs, zur Untersuchung von strömungsmechanischen Eigenschaften von
Formen und/oder Strukturen in einem Windkanal oder dergleichen, gekennzeichnet durch ein Profil (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und/oder einen Aktor (418) nach einem der Ansprüche 4 bis 8.
19. Modell nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (418) im Inneren eines Rotorhinterkantenbereichs oder Flügelhinterkantenbereich des Modells zur Veränderung oder Verlagerung einer Rotor- o- der Flügelhinterkante angeordnet ist. |
AERODYNAMISCHES PROFIL, AKTOR ZUR VERWENDUNG DARIN SOWIE DAMIT VERSEHENES VERSUCHSMODELL
Die Erfindung betrifft ein aerodynamisches Profil, das an einer einer Abströmung abzuwendenden Seite einen eine Hinterkante bildenden Hinterkantenbereich hat. Weiter betrifft die Erfindung einen Aktuator oder Aktor zur Verwendung an oder in einem solchen Profil sowie ein mit einem solchen Profil und/oder einem solchen Aktor versehenes Windkanalmodell.
Die flugmechanischen Eigenschaften von Luftfahrzeugen sowie deren Teilen sowie strömungsmechanische Eigenschaften von anderen einer Luftströmung ausgesetzten Teilen werden im Laufe der Produktentwicklung und zu Forschungszwecken häufig in Windkanälen untersucht. Insbesondere im Falle von größeren Luftfahrzeugen werden hierzu miniaturisierte Modelle eingesetzt.
Um Flug- oder Regelprozesse zu untersuchen, müssen Teile der Modelle, wie beispielsweise Flügelhinterkanten oder Leitwerke oder dergleichen, zur Simulation von tatsächlichen Vorgängen bewegbar sein, wozu Aktuatoren oder Aktoren eingesetzt werden.
Beispielsweise werden solche Aktoren an aerodynamischen Profilen verwendet, die Modelle von Flügeln, Leitwerken oder dergleichen von Flugzeugen oder von Rotoren von Propellern oder von Turbinenschaufeln darstellen.
Die Realisierung in Aktuatorik in Windkanalmodellen ist aufgrund von oft sehr kleinen Baugrößen sehr schwierig und kostenaufwendig. Beispielsweise wurden Klappenantriebe mit Exzentermotoren für Windkanalmodelle mit oszillierenden
Klappen verwendet. Dies hat allerdings den Nachteil, dass Phasen und Frequenz von Klappenausschlägen nur sehr langsam verändert werden können. Für eine Variation von Amplituden müsste jedes Mal ein Umbau erfolgen.
Für Windkanalversuche mit Regelungen, beispielsweise zur Untersuchung eines Regelmechanismus zum Ausregeln von Strukturschwingungen, sind solche Antriebe in ihrer Funktionsfähigkeit viel zu eingeschränkt.
Prinzipiell könnte die Verwendung von hydraulischen Klappenantrieben eine Lö- sung darstellen, die aber sehr aufwendig und teuer ist und nur bei niedrigen Frequenzen nutzbar ist.
Aus der DE 103 04 530 B4 ist ein aerodynamisches Profil, beispielsweise eines Luftfahrzeuges, bekannt, wobei Piezoaktuatoren auf der äußeren Profil-Deckhaut eingesetzt sind. Dadurch wird die Strömung gestört. Außerdem sind die erzielbaren Verformungen stark begrenzt und eine Miniatuhsierbarkeit wäre schwierig und kostenaufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein insbesondere für ein (Windkanal-) Modell, oder für die späteren Produkte selbst verwendbares aerodynamisches Profil zu schaffen, von dem ein Bereich, insbesondere ein Hinterkantenbereich, sehr schnell und mit genügend großer Amplitude zur Veränderung von strömungsmechanischen Eigenschaften verstell- oder veränderbar ist, und das dennoch einfach und kostengünstig aufgebaut und stark miniaturisierbar ist. Außer- dem soll ein hierfür geeigneter Aktuator oder Aktor sowie ein damit versehenes Windkanal-Versuchsmodell geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der beigefügten unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist ein Aktor (dieser Begriff schließt Aktuatoren ein) im Inneren des Hinterkantenbereichs so vorgesehen, dass damit zumindest ein Teilbereich des hinteren Kantenbereiches oder der daran ausgebildeten Hinterkante bezüglich Lage und/oder Form veränderbar ist. Durch die Anordnung im Innern hat diese Aktuatoranordnung keinen störenden Einfluss auf die mit dem aerodynamischen Profil zu untersuchende oder zu erreichende Strömungseigenschaft. Dadurch, dass ein mittels Steuersignalen oder dergleichen steuerbar kontrahier- oder expandierbares Material oder Element, beispielsweise aus einem solchen Material, für den Aktor verwendet wird, lässt sich dieser schnell ansteuern und gut miniaturisieren.
Als Beispiel für das aerodynamische Profil kommen Flügel- oder Leitwerkprofile von Luftfahrzeugen, Profile von Rotoren oder Propellern von Luftfahrzeugen, Profile von Rotoren von Hubschrauben oder Profile von Turbinenteilen, wie beispielsweise das Profil einer Schaufel einer Turbine oder dergleichen, in Betracht.
Insbesondere ist die Erfindung zum Aufbau von Modellen für solche Produktprofile oder für Teilbereiche von Luftfahrzeug- oder Maschinenmodellen verwendbar.
Wenn der Hinterkantenbereich elastisch ausgebildet ist, lässt er sich durch den Aktor insgesamt verformen, so dass durch die Verformung beispielsweise ein Ef- fekt wie eine Klappeneinstellung an Flügelhinterkanten von Luftfahrzeugen untersuchbar ist, ohne solche aufwendige Klappen und entsprechende Stellmotoren hierfür vorsehen zu müssen.
Besonders bevorzugt weist der Aktor als gesteuert kontrahierbares oder expandierbares Material ein piezoelektrisches Material auf. Solche Materialien sind auch mit sehr hohen Frequenzen, beispielsweise im kHz-Bereich ansteuerbar. Der Aktor reagiert somit sehr schnell und ist auch sehr gut miniaturisierbar. Er ist auch, beispielsweise in Versuchsmodellen, als Aktor einer Regelvorrichtung einsetzbar. Beispielsweise lassen sich damit Regelungsvorrichtungen zum Vermindern von Strukturschwingungen in Luftfahrzeugen aufbauen und/oder testen.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist eine Piezoaktorik in einer Flügelhin- terkante - dies kann auch eine Rotorhinterkante, beispielsweise einer Turbine o- der eines Hubschrauberrotors sein - integriert. Die so integrierte Aktorik stört somit die Strömung nicht.
Weiter ist gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein einfacher Wegverstärker vorgesehen, mit dem große Ausschläge realisiert werden können. In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist auch der Wegverstärker aufgrund seiner Einfachheit stark miniaturisierbar. So ausgestattete Aktoren können z.B. für Aktuatorik von Windkanalmodellen eingesetzt werden.
Ein solcher Wegverstärker wird besonders bevorzugt durch ein elastisch verformbares flaches Element oder Flächenelement gebildet. Beispielsweise ist ein plat- tenförmiges Element oder streifenförmiges Element vorgesehen. Dieses Flächenelement ist auf einer seiner Breitflächen zumindest teilweise mit einer Schicht versehen, die - beispielsweise unter Anlegung einer Spannung oder von sonstigen Steuersignalen - gesteuert kontrahierbar oder expandierbar ist.
Die Schicht ist mit dem Flächenelement verbunden; eine Ausdehnung an einer Seite der Breitflächen bewirkt - ähnlich wie bei einem Bimetall - eine Verbiegung
des Flächenelements. Dadurch kann auch bei einer geringen Kontraktion oder Extraktion ein weitaus größerer Verstellweg erreicht werden.
Auf diese Weise lässt sich das Flächenelement gesteuert verformen. Wird daran ein beweglicher Hinterkantenbereich angeschlossen, so lässt sich damit der Hinterkantenbereich verformen oder in seiner Lage verändern.
Das mit einem solchen Aktor versehene Profil sowie der entsprechende Aktor können stark miniaturisiert werden, arbeiten bis zu Frequenzen in kHz-Bereich, sind einfach, nicht kostenaufwendig und reagieren praktisch ohne Zeitverzug auf Phasen-, Frequenz- und Amplitudenänderungen.
Entsprechende Aktoren können natürlich auch in Profilen von Flugzeugflügeln, Hubschrauberrotoren, Turbinenschaufeln usw. eingebaut werden.
Durch eine Wölbung des Flächenelements kann die Wegverstärkung beeinflusst werden. Insbesondere können bei entsprechender Wölbung die Stellkraft und der Stellweg eingestellt werden, die bzw. der bei einer bestimmten Spannung erzielbar ist, die an einem piezoelektrischen Material, mit dem das Flächenelement einseitig oder zweiseitig beschichtet ist, angelegt wird.
Das Flächenelement kann zusätzlich zur Verstärkung und Versteifung der Struktur des zu steuernden Kantenbereiches dienen.
Beispielsweise erstreckt sich hierzu ein als Flächenelement verwendetes platten- oder streifenförmiges Element im Inneren des Hinterkantenbereiches im Wesentlichen in Längsrichtung sowie in einer hierzu senkrechten Querrichtung des Profils, die im Wesentlichen der Hauptanströmungshchtung, für dieses Profil ausgebildet ist, entspricht. Das vordere und hintere Ende des platten- oder streifenförmige E-
lements ist dann entsprechend an eine Haltestruktur bzw. die Innenseite der Hinterkante angeschlossen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer piezoelektrisch verformbaren Flügelhinterkante eines Windkanalmodells eines Luftfahrzeuges oder eines Flügels oder Rotors davon.
Die Figur zeigt ein bezüglich einer Anströmungshchtung S hinteren Bereich eines aerodynamischen Profils am Beispiel des Profils 400 eines Flügels eines nicht dargestellten Windkanal-Modells eines Flugzeuges. Das Profil hat einen von der Anströmung S weg gerichteten Hinterkantenbereich 410, an dem eine Flügelhin- terkante 412 ausgebildet ist. Der Hinterkantenbereich 410 ist elastisch ausgebildet und weist hierzu eine Mantelfläche 414 aus elastischem Material, beispielsweise einem elastisch verformbaren Kunststoff auf. Die Mantelfläche umschließt ein hohlen Innenraum 416 des Hinterkantenbereichs 410, indem ein Piezoaktor 418 untergebraucht ist. In anderen, hier nicht näher dargestellten Ausführungsformen ist der Innenraum ganz oder teilweise mit einer elastischen Füllmasse, beispielsweise einem Elastomer, Schaumstoff oder elastischen Kunststoff befüllt. Der Hinterkantenbereich 414 könnte auch als Vollkörper aus einem Elastomer ausgebildet sein.
Der Piezoaktor 418 weist ein platten- oder streifenförmiges Flächenelement, hier in Form einer - bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel gewölbt ausgebildeten - Platte 420 aus elastisch verformbaren Material, beispielsweise elastisch verformbaren Metallblech oder dergleichen auf. Die Platte 420 ist im Hinterkantenbereich 410 des Profils 400 integriert. Sie gewährleistet die Stabilität der Flügelhinterkante 412 und gibt auch die Form der Flügelhinterkante 412 sowie des Hinter-
kantenbereichs 410 vor. Hierzu ist ein bezüglich der Strömungsrichtung S vorderer Kantenbereich 422 der Platte 420 an einer Haltestruktur 424 befestigt, die beispielsweise eine versteifte Querwand 426 des Profils 400 aufweist.
Ein bezüglich der Strömungsrichtung S hinterer Kantenbereich 428 der Platte 420 ist mit der Flügelhinterkante 412 verbunden, beispielsweise indem sie in das spitze Ende des hohlen Innenraums 416 an der Flügelhinterkante 412 eingesteckt und/oder dort befestigt, beispielsweise verklebt ist.
Die Platte 420 ist auf wenigstens einer ihrer Breitflächen oder auch auf beiden Breitflächen mit einer piezoelektrischen Schicht allgemeiner durch irgendeine gesteuert kontrahierend oder expandierende Schicht) überzogen.
über einen bei 430 angedeuteten Spannungsanschluss lässt sich eine Spannung U an die wenigstens eine piezoelektrische Schicht 432 anlegen.
Hierzu ist eine bevorzugte Ausgestaltung die Platte 420 aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Metallblech, insbesondere aus Federstahl, ausgebildet. Die gegenüberliegende Seite der piezoelektrischen Schicht 432 ist ent- sprechend mit einer Metallfolie zum Bilden der anderen Elektrode beschichtet.
Bei Anlegen der elektrischen Spannung U kontrahiert sich die wenigstens eine piezoelektrische Schicht 432. Die (gewölbte) Platte 420 dient dabei als Wegverstärkter zur Verstärkung der in der piezoelektrischen Schicht auftretenden örtli- chen änderungen. über die Wölbung der Platte 420 kann man die Wegverstärkung beeinflussen.
Durch Verformung der Platte 420 wird der flexible Hinterkantenbereich 410 insgesamt verformt. Die Verformung der Flügelhinterkante 412 kann zur Strömungsbeeinflussung benutzt werden.
über die Länge des Profils 400 gesehen können mehrere solcher Platten 420 eingesetzt sein, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind (nicht dargestellt). In einer anderen Ausgestaltung ist eine Platte an unterschiedlichen Bereichen mit unterschiedlich ansteuerbaren piezoelektrischen Schichten versehen. über die Spannweite des Flügels kann die Verformung der Hinterkante 412 unabhängig gesteuert werden.
Anstelle des Beispieles eines Flügels, insbesondere einer Tragfläche eines Flugzeugs könnte auch ein Hinterkantenbereich eines Rotorblattes oder ein sonstiger Kantenbereich eines Profils, beispielsweise eine Kante einer Turbinenschaufel mit einem entsprechenden Piezoaktor 418 versehen sein.
Besonders bevorzugt wird der Piezoaktor 418 aufgrund seiner extremen Miniaturi- sierbarkeit in Windkanal-Versuchsmodellen oder sonstigen Modellen verwendet. Der Aktor 418 kann natürlich aber auch in Profile von realen Flugzeugflügeln, Hub- schrauberroteren, Turbinenschaufeln usw. eingebaut werden.
Bezugszeichenliste
400 Aerodynamisches Profil
410 Hinterkantenbereich
412 Flügelhinterkante
414 Mantelfläche
416 hohler Innenraum
418 Piezoaktor
420 Platte
422 vorderer Kantenbereich
424 Haltestruktur
426 Querwand
428 hinterer Kantenbereich
430 Spannungsanschluss
432 piezoelektrische Schicht
U Spannung