TECHNISCHES GEBIET Die vorliegende E findung betrifft eine Oberfläche , die von einem Fluid überströmt wird und die eine. Rillenstruk ur mit mehreren nebeneinander in der Oberfläche verlaufenden Rillen aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Windrad und ein Fahrzeug mit einer solchen Oberfläche.

STAND DER TECHNIK

Windräder oder Windmühlen sind im Stand der Technik gut bekannt . Hierbei handelt es sich am häufigsten um solche mit horizontaler Rotationsachse , bei denen der Wind das Windrad antreibt , indem durch die Umstromung von Windradflügeln oder Rotorblättern, die Teile eines Rotors sind, eine Rotation des Rotors bewirkt wird. Die Rotationsgeschwindigkeit eines solchen Windrades hängt unter anderem von der

Windgeschwindigkeit, dem Anstellwinkel der einzelnen

Rotorblätter gegen den Wind, der Ausrichtung des Rotors gegenüber der indrich ung und verschiedenen Reibungsgrößen ab . Schließlich kann die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors insbesondere durch die auf einen Generator zu übertragene Kraft beeinflusst werden, indem die Last des Generators und damit der Rotationswiderstand des Windrads erhöht wird . Bei höherer zu leistender elektrischer Energie steigt die Last und damit auch der Widerstand des Generators . Zusätzlich zu den oben genannten Größen hängt die

Rotationsgeschwindigkeit eines solchen Windrades auch von dem Strömungswiderstand ab , den die Rotorblätter oder Flügel des Rotors dem Wind entgegensetzen . DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Allgemein besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine von einem Fluid überströmte Oberfläche mit einer Rillenstruktur aus dem obigen technischen Gebiet bereitzustellen, die einen reduzierten Oberflächenwiderstand beim Überströmen durch das Fluid bilde . Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gegenüber dem bekannten Stand der Technik liegt insbesondere darin, die Effizienz eines

Windrades zu erhöhen, indem die Reibung des Windes gegenüber der Oberfläche eines Rotorblatts reduziert wird.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 sowie die Gegenstände der Ansprüche 8 bis 10 gelöst . Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen .

Erfindungsgemäß weist die Rillenstruktur konkave und konvexe Abschnitte auf, die quer zu den Verlaufsrichtungen auf der

Oberfläche j eweils abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet sind. Ferner sind die Verlaufsrichtungen der Rillenstruk ur im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Fluids über die Oberfläche ausgerichtet.

Die Rillen der Rillenstruktur können dabei fächerförmig ausgebildet sein, d.h. sie können einen spitzen, von 0° verschiedenen Winkel zueinander bilden, um jeweils senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Fluids über die Oberfläche ausgerichtet zu sein. Dies ist insbesondere bei Rotorblättern eines Windrades oder Helikopters oder bei Propellern von Bedeutung, wo aufgrund der Rotationsbewegung des Rotors und des entlang des Rotorblatts zunehmenden Abstands vom

RotationsZentrum eine immer höhere lokale Bahngeschwindigkeit des Flügels gegenüber der Luf auftritt . Dadurch verändert sich mit zunehmendem Abstand vom Rotationszentrum lokal die rela ive Bewegungsrichtung der Luft gegenüber dem Flügel , und die Rillen können zum Ausgleich dieses Effekts entsprechend geneigt oder gekrümmt sein.

Dabei können sich die Rillen auch bezüglich ihrer Tiefe und/oder Breite entlang ihrer Ver1aufsricht.ung und damit im esent1ichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids verändern, insbesondere in linearem Verhältnis zum größer werdenden lokalen Abstand vom Rota ionsZentrum breiter und/oder tiefer werde .

Die nebeneinander im Wesentlichen senkrecht zu einer

Strömungsrichtung verlaufenden Rillen werden vorliegend als lokal parallel angesehen. Zusätzlich ist es auch möglich, insbesondere falls die Oberfläche nicht auf einem

Windradflügel, Rotor oder Propeller , sondern beispielsweise auf einem Fahrzeug , Flugzeug, Wasserfahrzeug oder in einer Rohrleitung angebracht ist, dass die Rillen nicht nur lokal , sondern auch global parallel zueinander angeordnet sind . Die Rillenstruktur mit ihren konkaven und konvexen

aufeinanderfo1genden Abschnitten kann beispielsweise durch aufeinanderfolgende abwechselnde Ausnehmungen und Vorsprünge einer Oberfläche realisiert werden . Konkave Abschnitte sind dabei solche Abschnitte der Oberfläche, die insbesondere durch eine Ausnehmung realisiert werden können, weil sie einen von der Oberfläche zumindest teilweise umschlossenen und begrenzten Hohlraum definieren, während konvexe

Abschnitte eher durch Vorsprünge ausgebildet sein können, die von einer ebenen Oberfläche aus nach außen gewölbt sind.

Die Verlaufsrichtung der in der Oberfläche verlaufenden Rillen ist die Richtung, entlang der 1 eweils eine Rille verläuft . Senkrecht zu dieser Ver1aufsrichtung sind,

aufeinanderfolgend und abwechselnd mit konkaven und konvexen Abschnitten versehene Rillen angeordne . Die Rillen verlaufen dabei bevorzugt geradlinig, können edoch auch gebogen oder gekrümmt verlaufen .

Die Verlaufsrichtung ist dabei im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Fluids über die Oberfläche ausgerichtet . Dies bedeutet , dass das über die Oberfläche strömende Fluid neben einer möglichen zur Oberfläche senkrechten Komponente hauptsächlich eine senkrecht zur

Verlaufsrichtung verlaufende Geschwindigkeitskomponente parallel zur Oberfläche aufweist. Die Verlaufsrichtung ist dann im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung des Fluids über die Oberfläche ausgerichtet , wenn die

Strömungsrichtung des Fluids über die Oberfläche derart in zwei linear unabhängige Komponenten zerlegt werden kann, dass die senkrecht zur Ver1aufsrich ung der Rillen ausgerichtete Komponente einen größeren Betrag aufv/eist als die parallel zur Ver1aufsrichtung ausgerichtete Komponente .

Dabei weisen die konkaven Abschnitte einen halbkreisförmigen Querschnitt mit einem ersten Radius auf. Ein

halbkreisförmiger konkaver Abschnitt hat sich als besonders vorteilhaft bei der Reibungsreduktion erwiesen . Dabei ist unter einem halbkreisförmigen Querschnitt ein solcher

Querschnitt zu verstehen, der im Wesentlichen halbkreisförmig ist. Dies ist erfindungsgemäß dann der Fall, wenn das Gradmaß des konkaven Abschnitts einen Wert von zwischen 170° und 190° , bevorzugt von etwa 180°, hat . Mit anderen Worten hat die Ausnehmung einen Öffnungswinkel von zwischen 190° und 170° , bevorzugt 180° .

Mit Vorteil weisen alternativ oder zusätzlich die konvexen Abschnitte einen halbkreisförmigen Querschnitt mit einem zweiten Radius auf . Ein halbkreisförmiger konvexer Abschnitt hat sich als besonders vorteilhaft bei der Reibungsreduktion erwiesen . Besonders bevorzugt sind dabei der erste Radius und der zweite Radius zweier benachbarter konkaver und konvexer

Abschnitte an einer in Ver1aufsrichtung definierten Stelle gleich . In dieser Ausführungsform sind also die Querschnitte der konkaven und konvexen Abschnitte, abgesehen von ihrer konvexen bzw . konkaven Form, im Wesentlichen gleich . Mit anderen Worten entspricht die Ausnehmung des konkaven

Abschnitts im Wesentlichen genau dem Vorsprung des konvexen Abschnitts. Eine solche Oberfiächenform hat sich in Modellversuchen als besonders vorteilhaft für die

Reibungsreduktion der Oberflächenströmung und die

Effizienzerhöhung des Windrades herausgestellt .

In diesem Zusammenhang ist eine in Verlaufsrichtung

definierte Stelle ein Ort , der durch seine Position entlang der Verlaufsrichtung eines konkaven oder konvexen Abschnitts definiert sein kann. Anders ausgedrückt liegen ein Ort an einem konkaven Abschnitt an einer in Ver1aufsri tung

definier en ersten Stelle und ein Ort an einem konvexen

Abschnitt an derselben in Verlaufsrichtung definierten ersten Stelle im Fall benachbarter konkaver und konvexer Abschnitte unmittelbar nebeneinander . Das bedeutet , die kürzeste

Verbindung zwischen diesen beiden Punkten verläuft genau senkrecht zur Verlaufsrichtung .

In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Radius und/oder der zweite Radius in Verlaufsrichtung der Rillen veränderlich ausgestalte . Dies bedeutet , dass sich der Radius des konkaven Abschnitts und/oder der Radius des konvexen Abschnitts bei einer lokalen Betrachtung der

Rillenstruktur entlang der Ver1aufsrichtung verändert, also größer oder kleiner werden .

Insbesondere wird bevorzugt, dass der erste Radius und der zweite Radius in Abhängigkeit von einer erwarteten

Überströmgeschwindigkeit des Fluids über die Oberfläche an einer bestimmten Stelle in Verlaufsrichtung zu höheren

Geschwindigkeiten hin größer werden.

Alternativ und zusätzlich ist es möglich, dass sich der erste Radius und der zweite Radius senkrecht zur Verlaufsrichtung , d.h. im Wesentlichen parallel zur Strömungsriehtung des Fluids über die Oberfläche, voneinander unterscheiden. Das bedeute , dass benachbarte konkave und konvexe Abschnitte an derselben Steile entlang der Ver1a fsrichtung unterschiedliche Radien aufweisen können . Es ist alternativ j edoch auch möglich, dass der erste Radius und der zweite Radius senkrech zur Verlaufsrichtung gleich groß sind. Mit Vorteil ist die Oberfläche als BeSchichtung ausgebildet . Dies ermöglicht es besonders gut, dass eine bereits

vorhandene Oberfläche nachträglich mit der Rillenstruktur z einer erfindungsgemäßen Oberfläche gemacht werden kann . Dies kann beispielsweise auch durch eine selbstklebende Folie realisiert werden.

Eine besonders bevorzugte Anwendung der Erfindung ist ein Windrad mit einer erfindungsgemäßen Oberfläche auf zumindest einem Flügel eines Rotors oder Rotorblatts des Windrads. Ein solches Windrad konnte in Modellversuchen untersucht werden.

Es wurde in Modellversuchen herausgefunden, dass die Reibung zwischen der Oberfläche und dem Fluid um bis zu 30% reduziert v/erden kann. Dies führt dazu, dass das Fluid wesentlich schneller über die Flügeloberfläche strömen kann . Dies wiederum ermöglicht einen Erhöhung des über der

Flügeloberfläche aufgrund des Bernoullieffektes erzeugten Sogs /Unterdrucks und damit letztlich eine gesteigerte

Effizienz des Windrades bei der 31romerzeugung gegenüber Windrädern mit konventioneller Oberfläche .

Mit anderen Worten wird durch die erfindungsgemäße

Oberfläche, die auch als „Wirbelteppich" bezeichnet werden kann, der Wind auf dem Flügelprofil weniger abgebremst und erhöht damit die Druckdifferenz zwischen der dem Wind zugewandten Seite des Flügelprofiis und der dem Wind

abgewandten Seite erhöht . Dies erhöht die Effizienz und deshalb , bei gleicher Windgeschwindigkeit, die

Rotationsgeschwindigkeit oder den Energieeintrag in den

Generator . Andererseits ermöglicht die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur , dass sich Windräder bereits bei niedrigeren Windgeschwindigkeiten drehen und damit auch bei schwachwindigen We terlagen Strom erzeugen können.

Eine weitere bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen

Oberfläche liegt in einem Fahrzeug mit einer außen liegenden erfindungsgemäßen Oberfläche . In diesem Zusammenhang sind unter einem Fahrzeug insbesondere ein Kraftfahrzeug, zum Beispiel ein Automobil, ein Lastkraftwagen oder Bus, ein Zug, ein Flugzeug, ein Schiff oder eine Rakete zu verstehen.

Ferner lässt sich die Erfindung auch auf Oberflächen von Gebäuden, Hellkopterr toren und Masten realisieren,

insbesondere auch auf dem Mast eines Windrotors oder einem Strommast . Auc bei Innenflächen von Rohr1eitungen, die

Fluide führen, wurde die Erfindung erfolgreich getestet und derar ige Rohrleitungen stellen deshalb ebenfalls eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Oberfläche dar .

Die Reduktion des Strömungswiderstandes resultiert bei den Fahrzeugen insbesondere in einer Energie- und damit

Treibstoffersparnis oder einer Geschwindigkeitserhöhung bei gleichbleibendem Energiebedarf . Im Falle der feststehenden Objekte, beispielsweise den Gebäuden oder Masten, führt die erfindungsgemäße Oberfläche zu einer geringeren Windlast auf das Gebäude, bei den Rohrleitungen zu einer verbesserten Durchflussleistung.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche .

KURZE FIGURENBESCHREIBUNG

Die Figur zeigt eine schematische Ansicht eines Flügels eines Windrades mit einer bevorzugten Oberfläche . WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die in der Figur gezeigte schematische Darstellung eines Windradflüge1s 10 soll eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung illustrieren. Der Windradflügel 10 umfasst eine Oberfläche 12 , die beim Betrieb des Windrades von einem

Fluid, nämlich von Luft, überströmt wird. Die Oberfläche 12 weist eine Rillenstruktur auf , die entlang einer

Verlaufsrichtung V ausgerichtete , linear ausgebildete Rillen umfasst.

Senkrecht zur Verlaufsrichtung V ist eine Strömungsrichtung S des Fluids über die Oberfläche 12 angedeutet . Die

Strömungsrichtung S ergibt sich unter anderem daraus, dass sich das Windrad, z dem der Windradflügel 10 gehört , in einer Drehrichtung R dreht, die in der Figur ebenfalls eingezeichnet ist.

Der in der Figur unten dargestellte Teil des Windradflügels 10 zeigt eine Flügelwurzel 18 , während der in der Figur obere Teil des Windradflüge1s 10 einen Randbogen 20 des Flügels zeigt .

Die im Wesentlichen linear ausgedehnten Rillen der Oberfläche 12 verlaufen in einem Winkel α von ca. 45° zur

HaupterStreckungsrichtung des Windradflügels 10. Diese

Ausrichtung entspricht der idealen Ausrichtung beim

Rotationsbetrieb des Windrades, sodass die Luft entlang der Strömungsrichtung S über die Oberfläche 12 strömen kan .

Je nach Konfiguration des Windrades sind j edoch auch andere Winkel als der Winkel o: = 45° denkbar und es ist sogar möglich, dass sich dieser Winkel im Verlauf des

Windradflüge1s 10 von der Flügelwurze.1 18 zum Randbogen 20 analog zu einem Einstellwinkel des Flügelrades ändert .

Daneben ist es auch möglich, dass sich die Größe der Rillen, deren Tiefe und/oder Breite , im Verlauf des Windradflügels 10 von der Flügelwurzel 18 zum Randbogen 20 hin ändert,

beispielsweise linear zunimmt. Es hat sich als für den

Einsatz auf einem Rotor, z.B. auf einem Windradflügel, als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn sich die Tiefe und Breite der Rillen von 1 mm an der Flügelwurzel zu 6 mm am Randbogen vergrößern.

Die in der Figur illustrierte Oberfläche 12 weist sowohl an ihrer Flügelwurzel 18 als auch am Randbogen 20 konkave

Abschnitte 14.1, 14.2 und konvexe Abschnitte 16.1, 16.2 auf. Sowohl die konkaven Abschnitte 14.1, 14.2 als auch die konvexen Abschnitte 16.1, 16.2 sind halbkreisförmig

ausgestaltet und haben jeweils an der Flügelwurzel 18 und am Randbogen 20 die gleichen Radien.

Der Radius der konkaven und konvexen Abschnitte der

Oberfläche 12 verändert sich jedoch von der Flügelwurzel 18 zum Randbogen 20 hin. An der Flügelwurzel 18 betragen der Radius des konkaven Abschnitts 14.2 und der Radius des konvexen Abschnitts 16.2 jeweils 2 mm, während sie am

Randbogen 20 sowohl beim konkaven Abschnitt 14.1 als auch beim konvexen Abschnitt 16.1 jeweils 5 mm betragen. Diese Variation der Radien der Oberflächenstruktur berücksichtigt insbesondere die veränderten Fluidgeschwindigkeiten gegenüber der Oberfläche 12. Hieraus kann eine Fächerform der

Rillenstruktur resultieren, weil durch die vergrößerten Radien und damit vergrößerten Tiefen und Breiten der Rillen auch die Abstände der Rillenmitten zunehmen.