CAD-Darstellung des Aufbaus
Wissenschaftlicher Projekthintergrund
Im Rahmen des DLR-Projekts FaUSST (Fortschrittliche aerodynamische Stabilitäts- und Steuerungs - Technologien) soll das instationäre Verhalten von Wirbeln an runden Vorderkanten hochgepfeilter Flügel, wie sie bei Lambdaflüglern vorkommen, untersucht werden. Hierbei müssen die aeroelastischen Eigenschaften und Rückwirkungen im subsonischen bis transsonischen Geschwindigkeitsbereich berücksichtigt und gemessen werden. Dafür wird das IWEX-Halbmodell (Instationäres Wirbelexperiment) entwickelt und speziell für zwangserregte Nickbewegungen ausgelegt. Es soll im TWG (Transsonischer Windkanal Göttingen) des DNW (Deutsch-Niederländische Windkanäle) instationären Untersuchungen unterzogen werden. Der Versuch wird durch numerische Simulationen begleitet und soll eine Datenbasis für die Simulation hinsichtlich aeroelastischer Stabilität derartiger Konfigurationen in Realgröße liefern.
Herausforderungen in der Konstruktion und Fertigung
Der Transsonische Windkanal Göttingen (TWG) verfügt über eine adaptive Messstrecke, in die ein vorhandener Nickversuchsstand eingebaut wird, um Messungen an zweiseitig eingespannten Modellen vorzunehmen. Für die Messungen am IWEX Halbmodell, das nur einseitig eingespannt wird, kann dieser nicht verwendet werden, da er die Zugänglichkeit für optische Messverfahren (PIV, PSP, PicColor usw.) behindert. Um diese zu gewährleisten musste nicht nur der Nickversuchsaufbau optimiert sondern auch die Kanalwände mit großen Fenstern aus lasertauglichem Glas versehen werden.
Dazu wurde der IWEX Halbmodellaufbau in drei Gruppen, IWEX Halbmodell, Nickversuchsaufbau und Kanalwände, unterteilt.
IWEX Halbmodell
Das IWEX Halbmodell, ähnlich dem UCAV F17 Modell, weist eine Spannweite von 510 mm auf. Um bei dynamischer Anregung mit einer Frequenz von 24 Hz eine möglichst geringe Belastungen der Bauteile zu erhalten, muss das Modell ein geringes Gewicht bei hoher Steifigkeit aufweisen. Zur Erfüllung dieser Vorgabe wurde es mit einer passenden Rippen- und Holmstruktur, die mittels FEM-Berech-nungen optimiert worden ist, ausgestattet. Der sich dadurch ergebende, geringe innere Bauraum erschwerte die Instrumentierung des IWEX Halbmodells. Es ist insgesamt mit ca. 100 Drucksensoren, zwei Temperatursensoren, elf Beschleunigungssensoren und zwei Dehnmessstreifen ausgestattet. Um die Verstellung des Anstellwinkels am Modell zu gewährleisten, besteht die Aufnahme aus einem Drehteller. Die Reduzierung der Einflüsse durch die Windkanalgrenzschicht erfolgt über einen Abstand des IWEX Halbmodells zur inneren Kanalwand, welcher mit einem Peniche verschlossen wird. Mit Distanzstücken lässt sich der Drehteller quer zur Kanalrichtung verstellen, da der Abstand zwischen dem Modell und der Kanalwand zwischen 30 mm und 50 mm variabel ist. Der Rand des Drehtellers ist in Form einer Labyrinthdichtung ausgeführt und sorgt für die Abdichtung der Modellaufnahme zum Plenum.
Kanalwände
Der Drehteller wird in einem Metallring positioniert, der nach innen das Gegenstück zur Labyrinthdichtung bildet und nach aussen zum Fenstereinsatz übergeht. Der Fenstereinsatz besteht aus einem Grundrahmen, in den Aussparungen für vier großflächige, um den Drehteller positionierte Fenster eingelassen sind. Der Grundrahmen wird in einem Traggerüsst, das als Schweißkonstruktion aufgebaut ist, positioniert und justiert. Das Traggerüsst wird von der Tragkonstruktion der Seitenwand aufgenommen. Dort muss der Grundrahmen mit der inneren Seitenwand des Kanals bündig und eben ausgerichtet sein. Auf der gegenüber liegenden Seite befinden sich zwei gleichgroße und ein kleineres Fenster in der Kanalwand. Die Fenstereinsätze müssen gegeneinander austauschbar sein und werden in einem Traggerüsst, das von der plenumsseitigen Tragkonstruktion aufgenommen wird, montiert. Die Kanalwand soll durch die Einsätze dicht und bündig verschlossen werden, was bei drei Rahmen zu langen Justierarbeiten bei jedem Wechsel führen würde. Um lange Versuchsvorbereitungen zu vermeiden, werden Justierarbeiten mittels Zug- und Druckschrauben nur beim ersten Wechsel durchgeführt. Sind die Rahmen einmal ausgerichtet, so wird die Position der Fensterrahmen zueinander verstiftet. Dies wird zu Beginn für jede Anordnung der Fenster durchgeführt. Bei jedem weiteren Wechsel kann über die Verstiftung die benötigte Position ohne hohen Justageaufwand exakt wiedergefunden werden. Die Rahmenpositionen werden zusätzlich durch Querträger, die in der Höhe verstellt werden können, gesichert. Für den Austausch der Fensterrahmen wird das Traggerüst mittels eines Deckenkrans aus der Kanalwand herausgehoben und an einem passenden Montageplatz abgesetzt, wo die Fensterrahmen problemlos ausgetauscht werden können.
Nickversuchsaufbau
Die Lagerung und der Hydraulikmotor, mit dessen Hilfe der Anstellwinkel des IWEX Halbmodells eingestellt und das Modell mit 24 Hz angeregt werden kann, sind auf dem Nickversuchsaufbau montiert. Um eine genau Position der Wellenlagerung des Modells zu gewährleisten, sind der Motor und das Lager auf einer Höhenverstellung positioniert. Diese kann mittels einer integrierten Verstellplatte auf der Deckplatte des oberen Bockes des Nickversuchsaufbaus in der x-y-Ebene ausgerichtet werden. Um den Einfluss des oszillierenden Motors zu minimieren, erfolgte eine Optimierung der Steifigkeit und der Eigenfrequenz des Nickversuchsaufbaus auf über 120 Hz. Dies ist mittels einer massiven Schweißkonstruktion aus Hohlprofilen erreicht worden. Aufgrund des relativ geringen Bauraums bei recht großen und dickwandigen Profilen, die für eine ausreichende Steifigkeit der Konstruktion sorgen, ist der Nickversuchsaufbau für die Fertigung eine Herausforderung. Durch die Aufteilung des Bockes in zwei Baugruppen, Ober- und Unterbock, lässt sich die optische Zugänglichkeit realisieren. Der breite Unterbock endet knapp unter dem Kanalboden. Darauf wird der schmale Oberbock montiert. Um den eingestellten Anstellwinkel mittels Triangulatoren bestimmen zu können, wurden dafür seitlich am Oberbock verstellbare Halterungen vorgesehen.
Nach dem Abschluss der Detaillierungs- und Fertigungsphase, sind die Windkanaluntersuchungen für den FaUSST IWEX Halbmodellaufbau für Anfang 2013 geplant.