Rotationsaktuator

Wie in Abschnitt 2.5.3 beschrieben, sollte eine spannweitig periodische An-ordnung rotierender Scheiben in der Lage sein, eine geeignete Störung in die Grenzschichtströmung einzubringen, um eine stationäre QSI-Mode anzuregen.

Die spannweitige Wellenlänge λ = 6 mm der ausgewählten Kontrollmode schränkt dabei den zur Verfügung stehenden Bauraum für die nötigen

mecha-4.5 Aktuatoren

(a) (b)

Abbildung 4.5.4:(a) Foto des geöffneten Hohlraums auf der Unterseite des Rotati-onsaktuator-Naseneinsatzes mit eingebauten Motoren und elektrischen Zuleitungen (b) Ausschnitt des Querschnitts des Rotationsaktuator-Naseneinsatzes mit einer ein-zelnen rotierenden Scheibe, welche durch einen Miniatur-Elektromotor angetrieben wird.

nischen Elemente eines solchen Aktuators ein. Die im Rahmen dieser Arbeit realisierte technische Lösung ist in Abbildung 4.5.4(b) als Querschnittsskizze dargestellt.

Es wurde ein spezieller Naseneinsatz aus einer Aluminium-Legierung gefertigt, in dem an der Plattentiefenpositionxc/c= 0.1auf der Modelloberseite 50 spannweitig periodisch verteilte Bohrungen mit einem Abstand vonλ= 6 mm zueinander angeordnet sind (Abb. 4.5.5). Diese Bohrungen besitzen einen Durchmesser von2.10 mm, in dem die rotierenden Scheiben mit einem leicht geringerem Durchmesser vond= 2.0 mmPlatz finden. Unter jeder Bohrung befindet sich ein Sackloch mit einem Durchmesser von 4.2 mm, welches in einen Hohlraum mündet, der auf der Modellunterseite mit einem Deckel luftdicht verschlossen werden kann.

Die rotierenden Scheiben sind als sog. Drehteller realisiert. Jeder Drehteller ist aus einer Aluminium-Legierung gefertigt und besitzt auf der zur Strömung exponierten Seite einen Durchmesser vond= 2.0 mmund auf der unteren Sei-te einen Durchmesser von3 mm, wodurch ein Kragen entsteht. Der Drehteller wird mithilfe eines Miniatur-Elektromotors in Rotation versetzt, an dessen Motorachse der Drehteller fixiert ist. Zum Einbau der Motoren wird der Naseneinsatz mit seiner Unterseite nach oben orientiert, sodass der Hohlraum von oben zugänglich ist. Der geöffnete Hohlraum mit eingebauten Motoren und verbundenen elektrischen Anschlüssen ist als Fotografie in Abbildung 4.5.4(a) dargestellt. Der Elektromotor und der an der Achse fixierte Drehteller werden im Hohlraum in das Sackloch gesetzt, während der Motor in Betrieb

4.5 Aktuatoren

Abbildung 4.5.5:Dreidimensionale Skizze eines spannweitigen Ausschnitts des aufgeschnittenen Rotationsaktuator-Naseneinsatzes mit rotierenden Scheiben

ist und der Drehteller rotiert. Der Drehteller wird dabei so in die Durchgangs-bohrung zur Oberseite des Naseneinsatzes geführt, dass der Teil geringeren Durchmessers frei rotiert und seine Oberseite bündig mit der Oberseite des Einsatzes abschließt. In dieser Position schleift der Kragen des Drehtellers auf der Unterseite der Sacklochdecke, wobei Graphitpulver als Schmiermittel dient. Das Eigengewicht des Motors drückt dabei den Drehteller an. Bei rotierendem Drehteller wird ein Klebstoff zwischen dem Gehäuse des Motors und der Wand des Sackloches appliziert, der den Motor in seiner Position fixiert. Damit wird erreicht, dass der trocknende Klebstoff den Motor in einer Position fixiert, in der die freie Rotation des Drehtellers möglich bleibt.

Um eine spektral möglichst reine Anregung der stationären Kontrollmode mit einer spannweitigen Wellenlänge vonλ= 6 mmzu erreichen, wurden 50 der beschriebenen Anordnungen in einer spannweitigen Reihe mit diesem periodischen Abstand eingesetzt.

Eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des Naseneinsatzes ist zur Verdeutlichung dieser Anordnung in Abbildung 4.5.5 dargestellt. In dem Hohlraum unterhalb der Motoren sind die elektrischen Anschlussleitungen der Motoren verlegt, welche durch seitliche Kanäle spannweitig aus dem Modell geführt werden. Der Hohlraum wird an der Unterseite des Einsatzes durch einen konturierten Deckel verschlossen. Um zu vermeiden, dass durch die oben beschriebenen Spaltmaße und durch den Hohlraum ein Druckausgleich zwischen der Oberseite und der Unterseite der Modellplatte stattfindet, wird der Hohlraum mithilfe von Vakuumfett am Deckel abgedichtet. Die seitlichen Kanäle mit den elektrischen Zuleitungen werden mit flüssigem Kerzenwachs abgedichtet.

4.5 Aktuatoren

Regelung der Rotationsfrequenz

Um stationäre QSI mit einer reproduzierbaren Amplitude anzuregen, müs-sen die Elektromotoren mit einer zeitlich konstanten, reproduzierbaren und bekannten Rotationsfrequenzfrot betrieben werden. In ersten Tests wurde festgestellt, dass die Rotationsfrequenz der Motoren mit fixierten Drehtel-lern im eingebauten Zustand nicht wie im freilaufenden Zustand in einem einfachen linearen Zusammenhang zur Betriebsspannung des Motors stand.

Bei gleicher Betriebsspannung stellte sich bei unterschiedlichen Drehtellern eine verschiedene Rotationsfrequenz ein, welche zudem nicht reproduzierbar war. Denkbare relevante Einflüsse auf dieses Verhalten sind die unterschied-liche Einbaulage der Drehteller, Effekte von thermischer Ausdehnung oder ein Einfluss vom Abrieb der Drehtellerkragen. Daher musste jeder der 50 Motoren einzeln in seiner Rotationsfrequenz geregelt werden. Dafür war keine kommerzielle Lösung verfügbar, weshalb eigens eine Regelung entwickelt wurde.

Die verwendeten Elektromotoren sind Gleichstrommotoren mit einem Drei-Segment-Kommutator und Schleifkontakten. Pro Umdrehung wird der elek-trische Stromfluss also drei Mal unterbrochen. Es wird die an einem Vorwider-stand vor jedem einzelnen Motor abfallende Spannung zeitlich hochaufgelöst mit einem Datenerfassungsgerät (Analog-Digital-Wandler) erfasst und aus der Periodizität des Signals mittels Auswertung des Frequenzspektrums die Rotationsfrequenzf_rot bestimmt. Die korrekte Erkennung der Rotationsfre-quenz wurde vor den Windkanalexperimenten mithilfe eines Stroboskops mit einstellbarer Blitzfrequenz und Markierungen auf den rotierenden Drehtel-lern verifiziert. Die so erkannte Rotationsfrequenz wird in einer inLabView geschriebenen Software einem digitalen Proportional-Integral-Derivativ-Re-gelalgorithmus als Eingangsgröße zugeführt, welcher sie mit einem Sollwert vergleicht und eine Stellgröße regelt. Als Stellgröße dient die Betriebsspan-nung des Motors, welche ohne Last bzw. im nicht eingebauten Zustand in einem linearen Zusammenhang mit der Rotationsfrequenz steht. Da in den verwendeten Spannungsausgabegeräten (Digital-Analog-Wandler) nur ein sehr geringer Strom fließen darf, ist für jeden Motor eine Transistor-Emitterschaltung nötig, welche den geringen Steuerstrom auf den nötigen Betriebsstrom des Motors verstärkt. Die so einzeln regelbaren Motoren er-lauben es, zusätzlich zur Anregung einer Störung mit der spannweitigen Auslegungswellenlängeλ= 6 mmeine Anregung mit einem ganzzahligen Viel-fachen dieser Wellenlänge oder eine Anregung durch einen einzeln betriebenen Drehteller zu untersuchen. Der beschriebene Regelkreislauf ist schematisch

4.5 Aktuatoren

Über Vorwiderstand abfallende Spannung des Motors i A/D-Wandler

LabView-Software mit PID-Regelalgorithmus

D/A-Wandler Emitterschaltung

zur Stromverstärkung Betriebsspannung

Regelspannung

Abbildung 4.5.6:Schematische Darstellung der individuellen Regelung der Mo-toren bzgl. ihrer Rotationsfrequenz

in Abbildung 4.5.6 dargestellt. Die so geregelte Rotationsfrequenz wurde im Bereich166.67 Hz≤f_rot≤1083.33 Hzvariiert. Leider ergaben sich durch die einfache Lagerung der Drehteller trotz der Regelung teilweise Einschränkun-gen bzgl. der konstanten Rotationsfrequenz mit dem Sollwert. Daher musste bei den Untersuchungen der spannweitige Messbereich auf den Nachlauf der längsten ununterbrochenen spannweitigen Reihe von einwandfrei rotierenden Drehtellern eingeschränkt werden, siehe Abschnitt 8.1.1.

Kapitel 5

Experimentelle Methoden und Versuchstechnik

In diesem Kapitel werden die im Rahmen der Arbeit verwendeten experimen-tellen Methoden, Abläufe und Versuchstechniken beschrieben und mögliche Fehler diskutiert. Des Weiteren werden im Folgenden Ergebnisse entsprechen-der Voruntersuchungen zu entsprechen-deren Charakterisierung präsentiert.