Miniaturized piezoelectric actuators for high-speed flow control applications

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von miniaturisierten piezoelektrischen Aktoren zur Strömungsbeeinflussung auf Tragflächen. Durch Einkopplung gegenphasiger Wellen zur Auslöschung sogenannter Tollmien-Schlichting Wellen soll der laminar-turbulente Umschlag stromab verschoben werden. Aus aerodynamischen Gesichtspunkten ist dies mit der verminderten Wandreibung von laminaren Grenzschichten gegenüber turbulenten Grenzschichten um den Faktor zehn zu erklären, wodurch Treibstoff eingespart werden kann. Für die aktive Transitionskontrolle werden robuste Aktoren mit großem nutzbaren Frequenzbereich und möglichst großen Amplituden bei geringen Abmessungen benötigt. Die Konzeptentwicklung und Modellierung der Aktoren erfolgte anhand von Finite-Elemente-Simulationsmethoden. Das erste Konzept, ein mechanisch hubverstärkter Aktor, besteht aus einer piezoelektischen Scheibe, die ein darüber befestigtes elastisches Hebelelement betätigt. Durch Variation des Kraftübertragungspunktes kann der Verstärkungsfaktor und somit die maximale Amplitude in der Membranmitte eingestellt werden. Der hubverstärkte Aktor zeichnet sich durch eine direkte Ansteuerbarkeit, eine lineare Übertragungsfunktion und ein schnelles Ansprechverhalten aus, welches die Integration in ein Regelsystem erleichtert. Das zweite Aktorkonzept, ein Ultraschallaktor, besteht aus einer konischen Membran, die durch ein piezoelektrisches Ringelement in Resonanz betrieben wird. Die konische Form fokussiert die Anregungsenergie des Piezoelements zur Membranmitte hin, wodurch eine Amplitudenverstärkung realisiert wird. Für axialsymmetrische Eigenmoden höherer Ordnung wird eine punktförmige Maximalamplitude kleinster Abmessung erreicht, da die Nebenkeulen durch die konische Form weniger stark ausgeprägt sind. Dies kann als Trägersignal einer Amplitudenmodulation eingesetzt werden, um den großen Frequenzbereich zur Auslöschung von Tollmien-Schlichting Wellen zu erreichen. Das robuste Design mit geschlossener planer Oberfläche, einfache Herstellung und ein geringer Energieverbrauch zeichnen diesen Aktor aus. Der Einfluss beider Aktorkonzepte auf eine transitionale Strömung wurde im offenen Regelkreis mit Heißfilmsensoren im Windkanal untersucht. Bei idealer Anpassung der Aktormaße zeigen beide Aktoren den gewünschten Effekt auf die Strömung. Im Falle des Ultraschallaktors konnte gezeigt werden, dass die Amplitudenmodulation zur aktiven Strömungsbeeinflussung herangezogen werden kann, wenn die Trägerfrequenz ausreichend hoch (> 40 kHz) angesetzt wird.