CH684588A5 - Flügel mit Flügelgitter als Endabschnitt zur Verringerung der Gleitzahl. - Google Patents

Description

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CH 684 588 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Flügel mit einem Flügelgitter als Endabschnitt. Der Flügel weist einen Hauptteil mit einer geschlossen umströmten Oberfläche auf, wobei das Ende des Hauptteils eine Profilsehne t aufweist. An den Hauptteil wird ein Flügelgitter gemäss des Patentanspruches 1 angefügt, das den gleichen spezifischen Auftrieb pro Längeneinheit der Spannweite erzeugt, wie der Hauptteil an der Anfügestelle hätte. Eine obere Grenze für diesen spezifischen Auftrieb ist der Wert, der an dieser Stelle ohne die Wirkung von Flügelendwirbeln erzeugt würde. Eine untere Grenze, die nur einen geringen Teil des Verbesserungspotentials realisiert, wird bewirkt durch die Vorgabe des an der Anfügesteile vorgängig der erfindungs-gemässen Modifikation erzeugten spezifischen Auftriebs mit Flügelendwirbel. Beim Flügel kann es sich z.B. um den Flügel eines Flugkörpers, eines Propellers, das Segel oder Schwert eines Bootes usw. handeln.

Flügel zu bauen ist immer ein Kompromiss zwischen der Festigkeit, die ein kleines Seitenverhältnis bevorzugt und dem induzierten Widerstand, der ein grosses Seitenverhältnis des Flügels erfordert und zusammen mit dem Profilwiderstand die Gleitzahl bestimmt.

Aus theoretischen Überlegungen wäre es wünschbar einen Teil der Energie, die im seitlichen Wirbel am freien Flügelende dem Strömungsmedium abgegeben wird und den induzierten Widerstand bestimmt, zu rekuperieren oder deren Abgabe ganz zu vermeiden.

Eine Rekuperation mit einem Propeller ist bekannt. Eine teilweise Reduktion mit geeignet geformten Endplatten ist bekannt. Dem Stand der Technik entsprechen auch verschiedene Anordnungen von einzelnen Flügelchen, auch Winglets genannt (z.B. OS DE 3 242 584 A1; B64C3/38), oder von mehreren solchen Flügelchen mit einem gegenüber der Profilsehne des Flügels negativen Anstellwinkel in Reihe (OS DE 3 621 800 A1; B64C5/08), die zur Aufgabe haben, aus dem vorhandenen Flügelendwirbel eines Flügels durch individuell ange-passte Teilumlenkung nützliche Vortriebs- und oder Auftriebskraft zu gewinnen. Bekannt ist auch die Anwendung einer spreizflügelartigen Unterteilung vorzugsweise des äusseren Drittels der Lange eines Flügels zur Verbesserung des Wirkungsgrades (EP 0 282 830 A2; B64C11/18) durch Aufteilung der Grenzschichtlauflängen auf möglichst laminare Teilstücke. Bekannt ist auch die Aufteilung eines Flügels in parallele, gitterartige Einzelflügel mit va-rierender Länge (demande de brevet 7 612 470, pubi. no. 2 349 494; B63H9/04; B64C3/38) zur besseren Steuerung der Flügelwirkung. Bekannt ist ferner die Anwendung einer sogenannten Luftwaffel, eines Flügelgitters mit überlappenden Flügelchen als Flügel (DE 3 730 798 A1; B64C3/38), dessen Gesamtanstellwinkel während des Fluges bei Beibehaltung der Anstellwinkel der Flügelchen zur Veränderung des Auftriebes verändert wird bis zu einer Endstellung, wo sich die Flügelchen überlappend berühren. Auch der Ersatz eines Flugzeugflügels durch ein überlappendes Flügelgitter auf der ganzen Spannweite ist bekannt (DE 2 657 714 A; B64C003/06), zwecks Steigerung des Wirkungsgrades.

Das Problem besteht darin das Flügelende eine, tiefen und kurzen Flügels mit kleinem Seitenverhältnis so zu gestalten oder zu ergänzen, dass damit Gleitzahlen erreicht werden die sonst nur mit viel schlankeren Flügeln mit grossem Seitenverhältnis zu erreichen sind, oder für einen vorhandenen Flügel durch Einbau einer geeigneten Vorrichtung noch kleinere Gleitzahlen durch Verringerung des induzierten Widerstandes zu erreichen.

Die erfindungsgemässe Lösung des Problems geht einen wesentlichen Schritt weiter als die Ausnutzung des Flügelendwirbels des Flügels durch die bekannten individuell angepassten Winglets und vermeidet die unvollständige Nutzung eines Mehr-deckereffektes durch die vorgeschlagenen Spreizflügel und überdeckenden Flügelgitter. Dazu wird die Wirkung eines Ersatzes einer Teilspannweite des Flügels durch ein Flügelgitters angewendet, das die Zirkulation um das Flügelprofil an der Stelle voll übernimmt, wo der Flügel in das angesetzte Flügelgitter übergeht. Ausgegangen wird dabei als Obergrenze von der Zirkulation um das Flügelprofil ohne Flügelendwirbel, der ja durch die Flügelendwirbel des Flügelgitters ersetzt wird. Die einzelnen Flügelchen müssen deshalb einen gleichen oder grösseren Anstellwinkel gegenüber der Profilsehne am Ende des Hauptteils haben, weil ja der gleiche spezifische Auttrieb pro Längeneinheit der Spannweite b wie am Hauptteil erreicht werden muss. Solcher-massen angefügte und eingestellte Flügelgitter geben an ihrem freien Ende als Flügelendwirbel nur die Energie entsprechend der Summe der Wirkungen der einzelnen Flügelchen des Flügelgitters ab. Es wird erstens die ganze übernommenen Zirkulation weiter aussen am Ende des Flügelgitters abgegeben und zweitens über die Spannweite des Flügelgitters durch die Aufteilung des Auftriebs auf die Flügelchen ein geringerer örtlicher induzierter Widerstand erzeugt. Der im Stand der Technik erwähnte Spreizflügel ist eine für die erfindungsgemässe Lösung des Problems wenig geeignete Anordnung, weil zur Erzielung eines maximalen Mehrdeckereffekt die Spreizung eine für einen gegebenen Spreizungsgrad festliegende Anpassung der Profile und Anstellwinkel der Spaltflügel auf ihrer Länge erfordert, das resultierende Flügelgitter bereichsweise überdeckend ist und diese Anpassungen nur für einen kleinen Bereich des Anstellwinkels der Strömung an den Hauptflügel wirksam sind. Zudem ist dabei gerade im Bereich der Spreizflügelenden die Gitterteilung maximal gross, was der Ausnutzung des erfindungsgemässen Effektes eines Mehrdeckereffektes entgegensteht. Ein erfindungs-gemässes Flügelgitter mit konstanten Gitterparametern hat diese Nachteile nicht und kann als Ganzes Änderungen des Anstellwinkels gegenüber der An-strömung v nachgeführt werden, ohne dass die Gitterparameter verändert werden müssten und ist, weil nicht überlappend, ohne Nachführung für einen grösseren Bereich des Anstellwinkels wirksam. Die ferner erwähnten gitterartig aufgelösten Flügel mit

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varierender Länge der Einzelflügel lassen den erfin-dungsgemässen Mehrdeckereffekt für einen Teil der Spannweite nicht zu, umsomehr als beim entsprechenden Vorschlag noch vorgesehen ist, Flügelchen bei der Steuerung individuell zu bewegen. Die weiter erwähnte Luftwaffel, eine Gesamtragfläche aus vielen Einzelflügeln, verändert bei ihrer Verstellung die verteilte Wirbelableitung und die überlappenden Flügelchen führen zu einem engen Bereich des für eine Einstellung jeweils nutzbaren Anstellwinkels der Anordnung, dazu wird durch den Ersatz des ganzen Flügels das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Flügel mit kleinem Seitenverhältnis und trotzdem kleiner Gleitzahl zu ermöglichen, nicht realisiert. Die gleichen Mängel zur erfindungsgemässen Lösung weist auch das erwähnte überlappende Flügelgitter über der ganzen Spannweite auf.

Zur erfindungsgemässen Lösung des Problems wird das Ende eines konventionellen Flügelhauptteiles mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 ergänzt.

Zum besseren Verständnis werden nachfolgend Ausführungen beschrieben, wobei auf die folgenden Figuren Bezug genommen wird:

Fig. 1 zeigt die klassische Kräfteaufteilung in Auftrieb und Widerstand am angeströmten Flügelprofil zur Definition der Gleitzahl.

Fig. 2 zeigt das Grundschema eines Flügels mit einem an den konventionellen Hauptteil als tragender Abschnitt angefügten Flügelgitter gleichen spezifischen Auftriebs pro Längeneinheit der Spannweite an der Anfügesteile zum Hauptteil.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung mit Abdeckklappen

Fig. 4 zeigt ein Flügelgitter, das aus dem Hauptprofil ausfahrbar ist.

Fig. 5 zeigt eine Anwendung bei einem Segelboot am Hauptsegel

Fig. 6 zeigt eine Anwendung bei einem Flugzeug

Fig. 7 zeigt eine Pfeilung des Flügelgitters zur Strömungsrichtung wie sie hohe Unterschallgeschwindigkeiten erfordern.

Fig. 8 zeigt die Struktur der Wirbelableitung am Flügelabschnitt mit Flügelgitter

Fig. 9 zeigt die Bezeichnungen der Gitterparameter eines Flügelgitters in einer senkrechten Schnittdarstellung

Die Fig. 1 zeigt die Anströmung v eines Flügelprofils mit endlicher Spannweite, wobei ein Auftrieb A und ein Widerstand W entstehen. Das Verhältnis dieser Kräfte gibt die Gleitzahl nach der Formel

Gleitzahl = tg(a) = W/A wo: W = Wi + Wr Wi = induzierter Widerstand Wr = Reibungswiderstand

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, um den Anteil Wi, den durch Umströmung der Flügelenden verursachten induzierten Widerstand zu verringern.

Auf der Fig. 2 sehen wir einen Flügel mit einem Hauptteil 1, der an der Symmetrieebene in der Mitte beginnt. An den Hauptteil ist ein Teilabschnitt der totalen tragenden Flügelspannweite b mit einem

Flügelgitter bestehend aus Flügelchen 2 ähnlicher Ausrichtung angefügt. Die Flügelchen 2 sind mit konstanten Gitterparametern über die Profilsehne t angeordnet.

Die erfindungsgemässe Wirkung wird dann erzielt, wenn die Zirkulation in den Profilschnitten S und S' von gleicher Grösse und ähnlicher Drehaxe ist und die Flügelchen ein regelmässiges Flügelgitter bilden. Die Anfügestelle des Flügelgitters kann wie gezeigt mit einer Trennwand 3 versehen sein.

Auf der Fig. 3 sehen wir, dass die äusseren Enden der Flügelchen 2 auch in einem Halterahmen 4 gehalten werden können. Wahlweise können Klappen 5 vorgesehen werden, welche den Rahmen abdecken oder weggeschoben sind, um die Flügelchen der Strömung auszusetzen. Auf dieser Figur ist nur die obere, weggeschobene Klappe sichtbar, die andere befindet sich an der Unterseite des Hauptteils und ist nicht sichtbar oder in anspruchsloseren Ausführungen weggelassen.

In der Fig. 4 sehen wir ausfahrbare Flügelgitter, die an einer Platte 6 befestigt sind und als ganze Gruppe bewegt werden.

In Fig. 5 sehen wir die Verlängerung der Oberkante des Hauptsegels 1 am Mast 7 mit Flügelgitter bei einem Segelboot 8.

In Fig. 6 sehen wir eine Ausführung mit Halterahmen 4 der Flügelchen 2 mit Trennwand 3, als Gruppe 6 aus dem Hauptteil ausfahrbar bei einem Flugzeug mit Dreieckflügel.

In Fig. 7 sehen wir die Anwendung der Flügelgitter für einen gepfeilten Flügel 1, wie er für hohe Unterschallgeschwindigkeiten verwendet wird. Das Gesetz zur Pfeilung gilt auch für die Flügelchen 2. Dieses Gesetz (z.B. die Prandtl-ß-Quadrat-Regel) beinhaltet, dass für gleiche Anstellwinkel und relative Profildicken von Hauptflügel und Flügelgitter die geometrische Pfeilung für eine vorgegebene höchste Betriebsgeschwindigkeit gleich gross wird wie als Beispiel gezeichnet. Vom Hauptflügel abweichende Verhältnisse beim Flügelgitter ergeben geometrisch verschiedene Werte der Pfeilung für die gleiche höchste Betriebsgeschwindigkeit, die der Auslegung zugrunde gelegt wird.

In Fig. 8 sehen wir die prinzipielle Struktur der Abwinde am Abschnitt des Flügels gebildet durch ein Flügelgitter mit Flügelchen 2 in regelmässiger Anordnung. Dabei übernehmen die entlang dem Ende des Hauptteiles angeordneten Flügelchen die über die Profilsehne des Hauptteiles erzeugte Zirkulation abschnittweise und geben sie an ihren Enden an den resultierenden Flügelendwirbel ab.

Fig. 9 sehen wir die Bezeichnungen der Gitterparameter eines Flügelgitters. Die Überlappung ist das Verhältnis von Profilsehne c der Flügelchen 2 zur Gitterteilung g. Nicht überlappend heisst, dass die Länge der Profilsehne kleiner ist als die Gitterteilung unabhängig von der Staffelungsrichtung 0. Die Staffelungsrichtung des Flügelgitters zur Anströmrichtung v kann prinzipiell beliebig gewählt werden, ausschlaggebend für die Wirkung ist der Anstellwinkel ß bezogen auf die Profilsehnen der Flügelchen, die Staffelung quer zur Anströmrichtung v und die Verteilung der Flügelchen entlang der Profilsehne des Hauptteiles.

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Claims (9)

Patentansprüche

1. Flügel, dessen Hauptteil (1) eine geschlossen umströmte Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende des Hauptteiles, das am entferntesten von der Befestigungsseite liegt, ein Flügelgitter angefügt ist, bestehend aus mindestens drei dimensionsgleichen Flügelchen (2), die untereinander in identischer Ausrichtung und in annähernd gleicher Ausrichtung wie der Hauptteil angeordnet sind, mit einer Profilsehne (c) kleiner als die Gitterteilung (g) des Flügelgitters und über die Profilsehne am Ende des Hauptteiles (1) gestaffelt sind, wobei die Profilsehne der Flügelchen (2) im Vergleich mit der Profilsehne (t) am Ende des Hauptteils gleichen oder grösseren Anstellwinkel (ß) in bezug auf die Anströmung (v) hat und wobei die die Struktur des Flügelgitters definierenden Parameter des Flügelgitters so bestimmt sind, dass bei der Betriebsanströmung die Zirkulation um das Flügelprofil am Ende des Hauptteils und die Zirkulation um das Flügelgitter gleich sind und wobei am Ende des Hauptteils eine zum Hauptteil senkrechte und in Anströmung (v) liegende Wand (3) angebracht ist.

2. Flügel gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelchen (2) verwindungs-frei sind.

3. Flügel gemäss einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelgitter gesamthaft oder einzelne Flügelchen aus dem Hauptteil (1 ) ausfahrbar ist, respektive sind.

4. Flügel gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelchen (2) innerhalb eines Halterahmens (4) angeordnet sind, der das Flügelgitter am Flügelende ab-schliesst.

5. Flügel gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelgitter eine geschlossene Oberfläche mit steuerbaren Klappen (5) aufweist, um wählbar die Flügelchen (2) abzudecken oder freizugeben.

6. Flügel gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel der Flügelchen (2) im Flügelgitter veränderbar ist.

7. Flügel gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Drehung des Flügelgitters als Ganzes der Anstellwinkel der Flügelchen veränderbar ist.

8. Flügel gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelchen eine Pfeilung zur Anströmung (v) haben gleich wie der Hauptteil.

9. Segelwerk mit einem Flügel gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 7.

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