DE102006049616A1

DE102006049616A1 - Aerodynamisches Bauteil mit einer geschlitzten Hinter- oder Seitenkante

Info

Publication number: DE102006049616A1
Application number: DE102006049616A
Authority: DE
Inventors: Jan Dr.-Ing. Delfs
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2026-10-21
Also published as: DE102006049616B4

Abstract

Ein aerodynamisches Bauteil (2) weist eine turbulent überströmte Kante (1) auf, an der zwei Hauptflächen (4, 5) des Bauteils (2) aneinander stoßen und eine Strömung teilen oder zwei getrennte Teilströme zu einer Strömung zusammenführen. Im Bereich der Hinterkante (1) ist das Bauteil (2) mit Schlitzen (3) versehen, die von der einen Hauptfläche (4) bis auf die andere Hauptfläche (5) durchlaufen.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein aerodynamisches Bauteil mit einer turbulent überströmten Kante, an der zwei Hauptfläche des Bauteils aneinander stoßen und eine Strömung teilen oder zwei getrennte Teilströme zu einer Strömung zusammenführen, wobei das Bauteil im Bereich der Kante mit Schlitzen versehen ist.
Bei der turbulent überströmten Kante handelt es sich insbesondere um eine Hinter- oder Abströmkante des aerodynamischen Bauteils; es kann sich aber auch um eine turbulent überströmte Seiten- oder sogar eine turbulent überströmte Vorder- oder Zuströmkante des Bauteils handeln.
An der Kante stoßen zwei Hauptflächen des Bauteils aneinander. Bei diesen Hauptflächen handelt es sich in der Regel um eine Überdruckseite und eine Unterdruckseite des Bauteils. Die vorliegende Erfindung ist aber auch dann anwendbar, wenn keine Druckunterschiede vorliegen.
Konkret geht es bei der vorliegenden Erfindung um die Minderung der Schallabstrahlung von aerodynamischen Bauteilen, bei denen Kanten turbulent überströmt werden. Unter einer Kante eines aerodynamischen Bauteils wird ein knickartiges Geometrieelement an dem umströmten aerodynamischen Bauteil verstanden, das scharfkantig, stumpf oder abgerundet sein kann und an dem zwei Hauptflächen des Bauteils derart aneinander stoßen, dass eine Strömung geteilt oder zwei getrennte Teilströme zu einer Strömung zusammengeführt werden.
STAND DER TECHNIK
Der von turbulent überströmten Hinterkanten aerodynamisch erzeugte Schall stellt einen ganz wesentlichen Anteil der Schallabstrahlung von umströmten aerodynamischen Bauteilen dar. Diese Hinterkantengeräusche produzieren dominante Lärmanteile etwa bei Hochauftriebsklappen an Flugzeugtragflügeln, Lüfterblättern, Windkraftanlagen usw. Die physikalischen Zusammenhänge bei der Entstehung von Hinterkantengeräuschen sind erstmals von Ffowcs-Williams, J. E.; Hall, L. H.: "Aerodynamic sound generation by turbulent flow in the vicinity of a scattering half plane", J. Fluid Mech. (1970); vol. 40, Part 4, S. 657-670 theoretisch beschrieben worden. Die Intensität des an der Hinterkante entstehenden Schalls ist danach einerseits abhängig von der Intensität der turbulenten Geschwindigkeitsschwankung in der unmittelbaren Nähe der Hinterkante. Andererseits bestimmt auch die Ausgestaltung der Hinterkante selbst den Grad der Umsetzung von turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen in Schall.
In der EP 1 314 642 B1 ist offenbart, dass durch eine an der Hinterkante angebrachte Bürstenreihe eine erhebliche Lärmminderung erreicht werden kann, wenn die einzelnen Borsten der Bürstenreihe entlang der Hauptströmung ausgerichtet sind und nach stromab von der Hinterkante weisen. Detaillierte Parameterstudien hierzu sind von Herr, M., and Dobrzynski, W.: "Experimental Investigations in Low-Noise Trailing-Edge Design", AIAA-Journal, 43, 6, (2005), S. 1167-1175, Juni 2005 durchgeführt worden. Insbesondere haben auch nicht flexible Borsten einen Minderungserfolg erbracht. Die Hauptwirkung der Borsten wird in einer graduellen Dämpfung der turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen in Strömungsrichtung vermutet. Eine ähnliche Lärmminderung ist auch mit Bauteilen, die zumindest teilweise aus porösen Materialien ausgeführt worden, wie etwa an der Landeklappenseitenkante oder der turbulent angeströmten Klappenvorderkante erreicht worden.
Bedingte Erfolge wurden auch mit gezackten Hinterkanten, wie sie aus der US 5,088,665 bekannt sind, erzielt.
Ein aerodynamisches Bauteil mit den Merkmalen der eingangs beschriebenen Art ist aus der EP 1 112 928 A2 bekannt. Hier ist die Hinterkante gegenüber dem in Strömungsrichtung davor liegenden Profil des Bauteils zur Unterdruckseite hin abgewinkelt oder verdickt. Im Bereich der Verdickung sind von der Unterdruckseite her Schlitze eingebracht. Die Länge der Schlitze soll etwa 3% bis 5% der Profiltiefe des aerodynamischen Bauteils nicht übersteigen. Der Anteil der Schlitztiefe in Bezug auf die Höhe der Hinterkante soll der Wirbelbildung entsprechend abgepasst werden und ein Maß von etwa 8% der Profiltiefe nicht übersteigen. Die Schlitze sind längs der Profilkante in vergleichsweise großen Abständen vorgesehen und ihrerseits auch vergleichsweise breit. Zur Reduzierung von turbulenzbedingten Kantengeräuschen ist diese Anordnung allerdings weder vorgesehen noch geeignet.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aerodynamisches Bauteil mit den Merkmalen der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, bei dem die Schallabstrahlung von der turbulent überströmten Kante deutlich reduziert ist, ohne dass es notwendig ist, die Kante für das Anbringen von Bürsten dicker als aerodynamisch gewünscht auszubilden und Bürsten an der Kante anzubringen bzw. nach ihrem Verschleiß zu ersetzen, wobei eine Bauteilintegration in ein adaptives System keine Nachteile gegenüber einer herkömmlichen Ausführung aufweist und aerodynamische Nachteile beim Einsatz an Auftriebsflächen minimal bleiben.
LÖSUNG
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein aerodynamisches Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele des neuen aerodynamischen Bauteils sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 11 definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei dem neuen aerodynamischen Bauteil verlaufen die Schlitze im Bereich der turbulent überströmten Kante durchgängig von der einen Hauptfläche bis an die andere Hauptfläche des Bauteils die in der Kante aneinander stoßen. Die Schlitze können im Gegensatz zu Bürsten neben Hinterkanten auch problemlos an anderen turbulent angeströmten Kanten, d. h. Vorderkanten und seitlich umströmten Kanten (so genannten Seitenkanten) von aerodynamischen Bauteilen vorgesehen werden. Die Anwendung der Schlitze ist auch nicht nur auf flächenartig auslaufende Kanten mit geringem Zuspitzungswinkel beschränkt, sondern weitgehend beliebig. Im Gegensatz zu angebrachten Bürsten sind die Schlitze in dem neuen aerodynamischen Bauteil überdies verschleißfrei und wartungsarm. Es ist allenfalls dafür zu sorgen, dass sich die Schlitze nicht durch Verunreinigungen zusetzen.
Auswirkungen auf die aerodynamischen Leistungen des aerodynamischen Bauteils aufgrund der Schlitze sind nicht zu erwarten, anders als dies aus Orthmann, J.; Wild, J.: "Auswirkung auf die Aerodynamik durch akustische Maßnahmen an den Tragflächen"; Vortrag DAGA 2006, TU Braunschweig, im Tagungsband der DAGA 2006 für die aerodynamischen Leistungen eines mit Bürsten versehenen Vorflügels bekannt ist. Im Gegensatz zu Bürsten mit Borsten oder Nadeln von kreisrundem Querschnitt verbleiben zwischen den Schlitzen Stege mit rechteckigem Querschnitt, deren Kanten eine wohl definierte Oberflächenstromrichtung erzwingen und damit die Freiheitsgrade der unerwünschten turbulenten Strömungsschwankungen einschränken. Überdies wird eine potentiell turbulenzerhöhende, der gewünschten Lärmreduzierung entgegenwirkende rückspringende Stufung beim Übergang der Kante auf Borsten oder Nadeln einer Bürste vermieden. Dennoch werden die für Bürsten nachgewiesenen Lärmminderungen auch bei dem neuen aerodynamischen Bauteil erzielt. Bei Bürsten resultiert die Lärmminderung vermutlich aus der Reibungsdämpfung der turbulenten Strömungsfluktuation in den sehr engen Spalten, die sich als kleinster Abstand zwischen den nebeneinander liegenden Borsten ergeben. Die Schlitze in dem neuen aerodynamischen Bauteil erhöhen diese Reibungswirkung durch ihre größere Erstreckung (Schlitzhöhe) zwischen den die Kante bildenden Hauptflächen des aerodynamischen Bauteils. Ebenso wie Kanten mit Bürsten vermeiden geschlitzte Kanten nicht nur breitbandigen Schall, sondern auch tonale, hiebtonartige Anteile, wie sie z. B. an turbulent überströmten stumpfen Hinterkanten auftreten, weil die Schlitze die Kohärenz der Strömungsschwankungen in Kantenrichtung zerstören. Die Schlitze verändern die Gesamtgeometrie der jeweiligen Kante nicht. Die Form der Kante bleibt insgesamt erhalten, was insbesondere für adaptive Elemente, die Vorflügel, wesentlich sein kann.
Die Schlitzweite jedes Schlitzes bei dem neuen aerodynamischen Bauteil ist vorzugsweise an jeder Stelle konstant über der jeweilige Schlitzhöhe des Schlitzes. Es sollen hier keine Düseneffekte erzielt werden. Vielmehr kommt es auf die Reibung für die turbulenten Strömungsfluktuationen in den Schlitzen an.
Die Schlitze können an der jeweiligen Kante offen sein, so dass die unmittelbare Kante nur durch die zwischen den Schlitzen stehen gelassenen Stege ausgebildet wird. Die Schlitze können an der jeweiligen Kante aber auch geschlossen sein, um die Stabilität der Kante und die Steifigkeit der einzelnen Stege aus dem zwischen den Schlitzen belassenen Material zu erhöhen.
Ganz vorzugsweise sind die Schlitze bei dem neuen aerodynamischen Bauteil in der Überströmungsrichtung der turbulent überströmten Kante ausgerichtet. Sie erreichen so ihren höchsten Wirkungsgrad, weil relevante Anteile der Strömung zwanglos in die Schlitze eintreten, wodurch ihre turbulenten Strömungsfluktuationen gedämpft werden.
Neben der konstanten Schlitzweite über der jeweiligen Schlitzhöhe ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Schlitze auch in der Überströmungsrichtung der Kante eine konstante Schlitzweite aufweisen. Diese Schlitzweite der Schlitze kann konkret zwischen 0,05 mm und 0,5 mm betragen. Sie sollte dabei viel kleiner sein als eine in Kantenrichtung gebildete Korrelationslänge der die Kante überströmenden Turbulenz.
Die Schlitze sind vorzugsweise in der Überströmungsrichtung der Kante parallel zueinander ausgerichtet. Ein Schlitzabstand der Schlitze untereinander ist vorzugsweise nicht größer als das 10-fache, noch mehr bevorzugt nicht größer als das 5-fache der Schlitzbreite der einzelnen Schlitze. Dabei müssen weder die Schlitzweiten aller Schlitze noch ihre Abstände konstant sein. sie können vielmehr an die örtlichen Besonderheiten insbesondere einer längeren Kante angepasst sein.
Von den Schlitzen definierte Schlitzebenen können, müssen aber nicht senkrecht zu den Hauptflächen des Bauteils verlaufen, die an der jeweiligen Kante zusammenstoßen. Ein Winkel zwischen den Schlitzebenen und den kantenbildenden Hauptflächen sollte jedoch mindestens 45° betragen. Eine schräge Anstellung der Schlitzebenen gegenüber den kantenbildenden Hauptflächen ist z. B. dann sinnvoll, wenn hierdurch eine bessere Anpassung an der Richtung der turbulenten Überströmung der Kante erzielt wird.
Die Schlitzlänge liegt typischerweise in einem Bereich von 1 bis 10 cm. In jedem Fall sollte die Schlitzlänge der Schlitze größer sein als, vorzugsweise mehr als doppelt so groß sein wie die Korrelationslänge der Turbulenz entlang der Richtung der Schlitze in den kantenbildenden Hauptflächen des Bauteils.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert und beschrieben, dabei zeigt
1 eine perspektivische Ansicht der Hinterkante eines erfindungsgemäßen aerodynamischen Bauteils.
2 einen Längsschnitt durch die Hinterkante im Bereich eines Schlitzes gemäß 1.
3-5 Längsschnitte durch verschiedene Abwandlungen der geschlitzten Hinterkante des erfindungsgemäßen aerodynamischen Bauteils gemäß den 1 und 2; und
6 eine perspektivische Ansicht einer mit Schlitzen versehenen Seitenkante eines erfindungsgemäßen aerodynamischen Bauteils.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die in den 1 und 2 gezeigte Hinterkante 1 eines aerodynamischen Bauteils 2 ist mit Schlitzen 3 versehen, die in Richtung einer turbulenten Umströmung U der Hinterkante 1 verlaufen. Dabei wird eine Schlitzebene der Schlitze 3 beschrieben durch einen Richtungsvektor e_a der Kantenzu- oder -abströmung und e_n, einen über 90° um e_a gedrehten Richtungsvektor e_k, der entlang der Hinterkante 1 verläuft. Dabei ist auch eine Verkippung der so definierten Schnittebene E der Schlitze 3 um e_a von bis zu +/- 45° zulässig, so dass sich der die Schltzebene definierende Richtungsvektor e_n durch eine 45 bis 135° Drehung von e_k um e_a ergäbe. Eine Schlitzweite s der Schlitze ist viel kleiner als die Korrelationslänge der die Hinterkante 1 überströmenden Turbulenz in Kantenrichtung e_k. Für typische Anwendungen liegt sie zwischen 0,05 und 0,5 mm. Ein Schlitzabstand a zwischen den einzelnen Schlitzen, der die Breite der zwischen den Schlitzen 3 stehen bleibenden Stege bestimmt, ist möglichst gering zu wählen, d. h. so gering wie bautechnisch machbar. Zumindest sollte er nicht wesentlich größer als 5- bis 10-mal so groß wie die Schlitzweite s sein. Eine Schlitzlänge 1 sollte deutlich größer als eine Korrelationslänge der die Hinterkante 1 überströmenden Turbulenz in der Strömungsrichtung U sein. Diese Lauflänge entlang der Schlitze 3 wird benötigt, um die turbulenten Fluktuationen graduell abzubauen. Das vordere Ende der Schlitze kann, wie in 1 und 2 dargestellt ist, senkrecht zu einer der kantenbildenden Hauptflächen 4, 5 des aerodynamischen Bauteils verlaufen, bei der es sich hier um eine Unterdruckseite 14 handelt. Wie die 3 und 4 andeuten, kann hier aber auch ein anderer Verlauf vorgesehen sein. So kann jeder Schlitz 3 nach vorne an beiden kantenbildenden Hauptflächen 4 und 5 des aerodynamischen Bauteils 2 spitz auslaufen. Die Schlitze 3 müssen auch nicht bis an die äußerste Hinterkante 1 reichen. Sie können vielmehr vor dieser äußersten Hinterkante 1 enden, wie dies in 5 skizziert ist, um den Einfluss der Schlitze 3 auf die Stabilität der Hinterkante 1 zu begrenzen.
6 skizziert die erfindungsgemäßen Schlitze 3 an einer Seitenkante 6 eines aerodynamischen Bauteils 2. Die Schlitze 3 verlaufen hier nicht senkrecht zu der Seitenkante 6 sondern derart zu der Seitenkante 6 angestellt, wie es der turbulenten Überströmung U der Seitenkante 6 entspricht. Bei Bedarf, d. h. bei auftretender Schallerzeugung aufgrund turbulenter Überströmung könnten die Schlitze 3 auch in der Vorderkante 7 des aerodynamischen Bauteils 2 vorgesehen werden.

1: Hinterkante
2: Bauteil
3: Schlitz
4: Hauptfläche
5: Hauptfläche
6: Seitenkante
7: Vorderkante
14: Unterdruckseite
15: Überdruckseite

Claims

Aerodynamisches Bauteil mit einer turbulent überströmten Kante, an der zwei Hauptflächen des Bauteils aneinander stoßen und eine Strömung teilen oder zwei getrennte Teilströme zu einer Strömung zusammenführen, wobei das Bauteil im Bereich der Kante mit Schlitzen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (3) von der einen Hauptfläche (4) bis auf die andere Hauptfläche (5) durchlaufen.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzweite jedes Schlitzes (3) an jeder Stelle konstant über der jeweiligen Schlitzhöhe des Schlitzes (3) zwischen den beiden Hauptflächen (4, 5) ist.
Bauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (3) an der Kante (1, 6, 7) offen auslaufen.
Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (3) an der Kante (1, 6, 7) geschlossen auslaufen.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (3) in der Überströmungsrichtung (U) der Kante (1, 6, 7) ausgerichtet sind.
Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (3) in der Überströmungsrichtung (U) eine konstante Schlitzweite (s) aufweisen.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlitzweite (s) der Schlitze (3) zwischen 0,05 mm und 0,5 mm beträgt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (3) parallel zueinander ausgerichtet sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schlitzabstand (a) der Schlitze (3) untereinander nicht größer als das 10-fache, vorzugsweise nicht größer als das 5-fache einer Schlitzweite (s) der Schlitze (3) ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel zwischen von den Schlitzen (3) definierten Schlitzebenen und den Hauptflächen (4, 5) mindestens 45° und höchstens 135° beträgt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlitzlänge (I) der Schlitze (3) zwischen 1 und 10 cm beträgt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlitzlänge (I) der Schlitze (3) größer als eine Korrelationslänge der Turbulenzen in Richtung der Überströmung der Kante ist.