DE102007060253B4

DE102007060253B4 - Flügel und Verfahren zum Reduzieren von Effekten des Propellerstrahls auf die Flügelauftriebsverteilung

Info

Publication number: DE102007060253B4
Application number: DE102007060253A
Authority: DE
Inventors: Roland Kelm
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2027-12-15
Also published as: US8136757B2; US20090152405A1; DE102007060253A1

Abstract

Flügel (2), an dem eine Antriebseinheit (4) mit einem Propeller (6) angeordnet ist, für ein Flugzeug und wobei der zum Reduzieren eines induzierten Widerstands, der durch einen auf den Flügel (2) strömenden Propellerstrahl erhöht wird, einen ersten Bereich (8) mit verminderter lokaler Flügelwölbung und/oder verminderter lokaler Verwindung und einen zweiten Bereich (12) mit erhöhter lokaler Flügelwölbung und/oder erhöhter lokaler Verwindung aufweist, wobei der erste Bereich (8) als eine dem Propellerstrahl stromabwärts gelegene Flügelfläche definiert ist, vor der sich stromaufwärts betrachtet die Blätter des Propellers (6) nach oben bewegen und wobei der zweite Bereich (12) als eine dem Propellerstrahl stromabwärts gelegene Flügelfläche definiert ist, vor der sich stromaufwärts betrachtet die Blätter des Propellers (6) nach unten bewegen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flügel und ein Verfahren zum Reduzieren des durch mindestens einen auf einen Flügel strömenden Propellerstrahl erhöhten induzierten Widerstands.
Bei Flugzeugen mit Propellerantrieb kommt es zu einer aerodynamischen Wechselwirkung zwischen Propellerstrahl und Flügelumströmung. Dies ist insbesondere dann von großer Bedeutung, wenn der/die Propeller sich vor dem Flügel befinden, etwa bei Flugzeugen mit Turbopropantrieb, wie beispielsweise die A400M. Die Propeller erzeugen beim Betrieb nicht nur eine schuberzeugende in Flugzeuglängsrichtung wirkende Strömungskomponente, sondern auch eine Strömungskomponente in Umfangsrichtung des Propellers. Dies führt zu einem Propellerluftstrom (im folgenden auch mit „Propellerstrahl” bezeichnet), der schnecken- bzw. spiralförmig auf die dahinter liegende Flügelfläche trifft. Je nach Drehrichtung des jeweiligen Propellers führt dies zu einer Erhöhung bzw. Reduzierung des lokalen Anstellwinkels am Flügel. Als Folge davon zeigt die Auftriebsverteilung des Flügels lokale Erhöhungen bzw. Reduzierungen des Auftriebs. Durch diese Ungleichmäßigkeiten der Auftriebsverteilung wird der induzierte Widerstand des Flügels erhöht.
Im Stand der Technik sind Modifikationen an der Flügelvorderkante bekannt, die von einem Propellerstrahl hervorgerufene Störungen reduzieren. Diese haben hauptsächlich das Ziel, Strömungsablösungen zu verzögern. Der Einfluss auf die Flügelauftriebsverteilung ist jedoch bei nicht abgelöster Strömung gering. Infolgedessen ist die Reduzierung des induzierten Widerstands ebenfalls relativ gering.
DE 396 621 A offenbart ein Flugzeug mit Propellerantrieb, der zwei oder mehr Hilfsflügel aufweist, die wahlweise als Höhenruder oder Querruder einsetzbar sind.
US 934 771 A zeigt ein Flugzeug mit Propellerantrieb, bei dem das Höhenleitwerk kippbar ist.
US 3 166 271 A offenbart einen schwenkbar um eine Längsachse verschwenkbar gelagerten Flugzeugflügel, an dem an jeder Tragflächenhälfte eine Antriebseinheit mit einem Propeller und zwei Propellerblättern angeordnet ist. Jeweils symmetrisch zu der Propellerachse befindet sich je eine als Steuerfläche ausgebildete Klappe, die dazu dienen, den Flügel um seine Längsachse in eine Senkrechtstartposition oder eine Normalposition zu verschwenken.
Eine Aufgabe der Erfindung ist daher, diesen Nachteil zu verringern oder gänzlich zu eliminieren. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, eine geeignete Modifikation eines Flügels vorzuschlagen, die dazu führt, den durch mindestens einen auf den Flügel strömenden Propellerstrahl erhöhten induzierten Widerstand zu reduzieren.
Die Aufgabe wird durch einen Flügel für ein Flugzeug wie in Anspruch 1 angegeben gelöst, der zum Reduzieren des durch mindestens einen auf den Flügel strömenden Propellerstrahl erhöhten induzierten Widerstands einen ersten Bereich mit verminderter lokaler Flügelwölbung und/oder verminderter lokaler Verwindung und einen zweiten Bereich mit erhöhter lokaler Flügelwölbung und/oder erhöhter lokaler Verwindung aufweist, wobei der erste Bereich als eine dem Propellerstrahlstrom abwärts gelegene Flügelfläche definiert ist, vor der sich stromaufwärts betrachtet die Blätter des Propellers nach oben bewegen und wobei der zweite Bereich als einer dem Propellerstrahlstrom abwärts gelegene Flügelfläche definiert ist, vor der sich stromaufwärts betrachtet die Blätter des Propellers nach unten bewegen.
Eine Verminderung der lokalen Flügelwölbung bzw. eine Verminderung der lokalen Verwindung eines Flügels hat zur Folge, dass der Auftriebsbeiwert des Flügels an dieser Stelle sinkt. Der erste Bereich, in dem diese ersten Modifikationen durchgeführt sind, befindet sich stromabwärts hinter den sich nach oben bewegenden Propellerblättern. Die sich nach oben bewegenden Propellerblätter erzeugen, wie eingangs erwähnt, nicht nur eine Strömungskomponente in Längs- bzw. Schubrichtung, sondern auch eine nach oben gerichtete Strömungskomponente, die an der dahinter liegenden Fläche einen erhöhten lokalen Anstellwinkel und damit einen erhöhten Auftrieb zur Folge hat. Dieser erhöhte Auftrieb wird durch gleichzeitige Verringerung des Auftriebsbeiwerts dieser Fläche in einem spezifischen Betriebspunkt idealerweise kompensiert. Dieser Betriebspunkt könnte beispielsweise als Reiseflugzustand vorliegen. Gleichermaßen muss in dem zweiten Bereich durch Erhöhung der lokalen Flügelwölbung bzw. Erhöhung der lokalen Verwindung des Flügels der lokale Auftriebsbeiwert erhöht werden, da sich in diesem zweiten Bereich durch die vor diesem Bereich nach unten bewegenden Propellerblätter und die daraus resultierende nach unten gerichtete Strömungskomponente der Anstellwinkel verringert.
Durch die gezielte Kompensierung der durch die Propellerstrahleffekte hervorgerufenen Auftriebsüberhöhung bzw. -reduzierung kommt es in einem spezifischen Betriebspunkt zu einer ausgeglichenen Auftriebsverteilung, so dass die Erhöhung des induzierten Widerstands zumindest in diesem Bereich wegfällt.
Wie in den Unteransprüchen angegeben, lässt sich diese Modifikation vorteilhaft weiterbilden. Beispielsweise führt eine Weiterbildung dahin, dass die Modifikation des Flügels in Form einer ausschließlichen Verminderung oder Erhöhung der lokalen Flügelwölbung durchgeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass diese Änderung der lokalen Flügelwölbung nicht zu einer völligen Neukonstruktion des Flügels führen muss, sondern durch eine Hinterkantenklappe bereitgestellt werden könnte. Die Verwendung einer Hinterkantenklappe führt vorteilhafterweise auch dazu, dass die Anpassung der lokalen Flügelwölbung nicht nur für einen festgelegten Betriebspunkt (beispielsweise der Reiseflug) durchgeführt werden kann, sondern auch für andere Betriebspunkte, im Optimalfall für jeden beliebigen Betriebspunkt. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung dieses Flügels besteht darin, dass der Flügel im ersten Bereich negativ und im zweiten Bereich positiv gegenüber den umgebenden Bereichen des Flügels verwunden ist. Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Reduzieren des durch mindestens einen auf einen Flügel strömenden Propellerstrahl erhöhten induzierten Widerstands gelöst, wie im unabhängigen Verfahrensanspruch 7 angegeben. Schließlich löst auch ein Flugzeug mit einem Flügel nach den vorangegangenen Ausführungen gemäß Anspruch 9 die Aufgabe der Erfindung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. In den Figuren werden gleiche Objekte durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:
1a: Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Flügels;
1b: eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Flügel;
1c: Auftriebskurve über die Flügelspannweite ohne Propeller, mit Propeller und mit Propeller und erfindungsgemäßen Modifikationen.
1a stellt einen Flügel 2 dar, an dem eine Antriebseinheit 4 mit einem Propeller 6 angeordnet ist. Die Drehrichtung des Propellers ist in der Zeichnungsebene mathematisch positiv, das heißt, der Propeller ist linksdrehend. Am Flügel 2 gekennzeichnet sind der erste Bereich 8, der sich hinter der rechten Hälfte der Propellerebene 10 befindet und der zweite Bereich 12, der sich hinter der linken Hälfte der Propellerebene 10 befindet. Aufgrund der Drehrichtung des Propellers 6 wirkt eine nach oben gerichtete Strömungskomponente auf den ersten Bereich 8 und eine nach unten gerichtete Strömungskomponente auf den zweiten Bereich 12. Diese beiden vertikalen Strömungskomponenten überlagern sich in der horizontalen und im Wesentlichen in einer Längsrichtung parallel zur Flugzeuglängsachse 14 vorliegenden Hauptströmung.
In der Zeichnungsebene von 1a ist eine negative Verwindung im ersten Bereich 8 durch eine gestrichelte Linie 16 dargestellt, im zweiten Bereich ist die positive Verwindung durch die gestrichelte Linie 18 gekennzeichnet. Dies ist exemplarisch eine der Möglichkeiten, wie der lokale Anstellwinkel des ersten Bereichs 8 und des zweiten Bereichs 12 an die gegebene Situation angepasst werden kann.
1b zeigt eine Draufsicht auf den Flügel 2, an dessen Hinterkante 20 sich zwei Klappen 22 und 24 befinden, die dazu dienen, die Flügelwölbung im ersten Bereich zu senken und im zweiten Bereich zu erhöhen. Auch hierdurch ist es möglich, durch Änderung der Auftriebsbeiwerte des ersten Bereichs 8 und des zweiten Bereichs 12 die Effekte des Propellerstrahls zu kompensieren.
Die 1c zeigt schließlich in einer Gegenüberstellung, wie die erfindungsgemäßen Maßnahmen die Auftriebsverteilung über den Flügel beeinflussen. Die eigentliche Auftriebsverteilung des Flügels 2 ist durch eine sehr kontinuierlich gekrümmte Kurve 26 dargestellt. Der Einfluss des Propellers 6 auf die Auftriebsverteilung wird durch die überlagerte Kurve 28 hervorgehoben, die in ihrer linken Hälfte den ursprünglichen Auftriebswert der Kurve 26 verringert und in ihrer rechten Hälfte den Auftriebswert erhöht. Durch eine geeignete Modifikation des ersten Bereichs 8 und des zweiten Bereichs 12 können Auftriebsverteilungen 30 gewonnen werden, die zwischen den Kurven 26 und 28 liegen.
Idealerweise nähert sich die Kurve 30 der Kurve 26 im jeweiligen Betriebspunkt an, so dass durch das erfindungsgemäße Prinzip die Auftriebsverteilung ausgeglichen wird.
Ausführungsbeispiele der vorgestellten Erfindung sind keineswegs als Beschränkungen zu verstehen. Vielmehr sind alle Modifikationen denkbar, die zu einer Erhöhung oder Reduzierung des Anstellwinkels bzw. Auftriebsbeiwerts infolge von modifizierter Wölbung oder modifizierter lokaler Verwindung führen. Weiterhin ist der Gegenstand der Erfindung nicht auf die Verwendung eines Propellers pro Flugzeug/Flügel beschränkt, jede beliebige Anzahl von Propeller ist vorstellbar, so dass für jeden verwendeten Propeller propellerstrahlstromabwärts gelegene Modifikation an einem Flügel durchgeführt werden kann, was zu einem erfindungsgemäßen Flügel bzw. einem erfindungsgemäßen Verfahren führt.

Claims

Flügel (2), an dem eine Antriebseinheit (4) mit einem Propeller (6) angeordnet ist, für ein Flugzeug und wobei der zum Reduzieren eines induzierten Widerstands, der durch einen auf den Flügel (2) strömenden Propellerstrahl erhöht wird, einen ersten Bereich (8) mit verminderter lokaler Flügelwölbung und/oder verminderter lokaler Verwindung und einen zweiten Bereich (12) mit erhöhter lokaler Flügelwölbung und/oder erhöhter lokaler Verwindung aufweist, wobei der erste Bereich (8) als eine dem Propellerstrahl stromabwärts gelegene Flügelfläche definiert ist, vor der sich stromaufwärts betrachtet die Blätter des Propellers (6) nach oben bewegen und wobei der zweite Bereich (12) als eine dem Propellerstrahl stromabwärts gelegene Flügelfläche definiert ist, vor der sich stromaufwärts betrachtet die Blätter des Propellers (6) nach unten bewegen.
Flügel (2) nach Anspruch 1, bei dem der erste Bereich (8) eine verminderte lokale Flügelwölbung und der zweite Bereich (12) eine erhöhte lokale Flügelwölbung aufweist.
Flügel (2) nach Anspruch 2, der mindestens eine Hinterkantenklappe (22, 24) zum Bereitstellen der verminderten lokalen Flügelwölbung des ersten Bereichs (8) und/oder der erhöhten lokalen Flügelwölbung des zweiten Bereichs (12) aufweist.
Flügel (2) nach Anspruch 3, bei dem die mindestens eine Hinterkantenklappe (22, 24) dazu eingerichtet ist, zum Einstellen an einen Flugbetriebspunkt die verminderte lokale Flügelwölbung des ersten Bereichs (8) und/oder die erhöhte lokale Flügelwölbung des zweiten Bereichs (12) zu variieren.
Flügel (2) nach Anspruch 3 oder 4, der zum Bewegen der mindestens einen Hinterkantenklappe (22, 24) einen mit der Hinterkantenklappe (22, 24) verbundenen Aktuator aufweist.
Flügel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Flügel (2) im ersten Bereich (8) negativ (Flügelvorderkante nach unten) und im zweiten Bereich (12) positiv (Flügelvorderkante nach oben) gegenüber den umgebenden Bereichen des Flügels (2) verwunden ist.
Verfahren zum Reduzieren des durch mindestens einen auf den Flügel (2) strömenden Propellerstrahl erhöhten induzierten Widerstands, wobei der Propellerstrahl von einer Antriebseinheit (4) des Flügels, die einen Propeller (6) aufweist, hervorgerufen wird, wobei bei dem Verfahren in einem ersten Bereich (8) mittels verminderter lokaler Flügelwölbung und/oder verminderter lokaler Verwindung der lokale Auftriebsbeiwert des Flügels (2) gesenkt wird und in einem zweiten Bereich (12) mittels erhöhter lokaler Flügelwölbung und/oder erhöhter lokaler Verwindung der lokale Auftriebsbeiwert erhöht wird, wobei der erste Bereich (8) als eine dem Propellerstrahl stromabwärts gelegene Flügelfläche definiert ist, vor der sich stromaufwärts betrachtet die Blätter des Propellers (6) nach oben bewegen und wobei der zweite Bereich (12) als eine dem Propellerstrahl stromabwärts gelegene Flügelfläche definiert ist, vor der sich stromaufwärts betrachtet die Blätter des Propellers (6) nach unten bewegen.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem mindestens eine Hinterkantenklappe (22, 24) die lokale Flügelwölbung des ersten Bereichs (8) reduziert und/oder die lokale Flügelwölbung des zweiten Bereichs (12) reduziert.
Flugzeug mit einem Flügel (2) nach einem der Ansprüche 1–6 zum Reduzieren des durch mindestens einen auf den Flügel (2) strömenden Propellerstrahl erhöhten induzierten Widerstands.