DE102013109249A1

DE102013109249A1 - Tragflügel

Info

Publication number: DE102013109249A1
Application number: DE102013109249.7A
Authority: DE
Inventors: Rainer Michael Buffo; Eike Stumpf
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Betterflow De GmbH
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2015-03-05
Also published as: WO2015027990A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Tragflügel, umfassend eine Flügelvorderkante (1), eine Flügelhinterkante (2) und am freien Ende einen zwischen Flügelvorderkante (1) und Flügelhinterkante (2) verlaufenden Flügelrand (3). Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass am flügelhinterkantenseitigen Ende des Flügelrands (3) ein röhrenförmiges Element (4) zur Aufnahme und Durchleitung mindestens eines Teils eines vom Flügelrand (3) erzeugten Flügelrandwirbels angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Tragflügel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Tragflügel der eingangs genannten Art ist allgemein bekannt, so dass es diesbezüglich keines besonderen druckschriftlichen Nachweises bedarf. Ein solcher Tragflügel besteht aus einer Flügelvorderkante, einer Flügelhinterkante und am freien Ende einem zwischen Flügelvorderkante und Flügelhinterkante verlaufenden Flügelrand. Der Begriff Tragflügel umfasst dabei alle Auftrieb erzeugenden Flächen, also insbesondere solche von Flugzeugen, Hubschraubern oder Windkraftanlagen, und damit letztlich zum Beispiel auch ein Rotorblatt oder eine Landeklappe.
Der Auftrieb eines Tragflügels entsteht durch einen Druckunterschied zwischen der Flügeloberseite und der Flügelunterseite. Am freien Ende des Flügels (also am Flügelrand) kommt es zu einem Druckausgleich, welcher eine beschleunigte Strömung von der Flügelunterseite auf die Flügeloberseite erzeugt. Durch diese Umströmung der Tragflügelspitze bzw. des Flügelrandes entsteht eine intensive Wirbelbewegung, welche wenige Flugzeuglängen hinter dem Tragflügel eine voll ausgebildete Wirbelschleppe produziert. Entlang einer Wirbelachse hat diese ein drehungsbehaftetes Wirbelzentrum. Diese Wirbelachse geht von der Flügelspitze aus und bleibt in der Umgebung des Flugpfades näherungsweise horizontal bzw. sinkt mit der Zeit leicht ab. Durch Dissipation bzw. instabile Effekte löst sich der Wirbel erst nach einigen Minuten nach Passieren des Flugzeugs auf. Die in den beiden Wirbeln vorhandene Tangentialgeschwindigkeit ist gerade bei Starts und Landungen derart hoch, dass sie eine große Gefahr für nachfolgende Flugzeuge darstellen kann; daher existieren internationale Vorschriften über mindestens einzuhaltende Folgeabstände.
Die Herabsetzung der Gefahr durch Wirbelschleppen ist dementsprechend ein wichtiges Ziel seitens der Forschung, der Flugzeughersteller und der Behörden. Prinzipiell gibt es zwei Ansätze: (1) Es wird an operativen Maßnahmen gearbeitet, wie man das Einfliegen in Wirbel vermeiden kann. (2) Es wird an technischen Lösungen gearbeitet, mit denen die Wirbelintensität verringert werden kann. Dieser Ansatz lässt sich wiederum zweifach unterteilen: (2.1) Man versucht, mehrere Wirbel miteinander in Interaktion zu bringen. Dadurch vereinen sich die Wirbel entweder, so dass sich die gesamte Drehung verteilt und reduziert, oder sie regen wellenartige Bewegungen der Wirbelachsen an, so dass sich die Wirbel schließlich umschlingen und an den Knotenpunkten unterbrochen werden und der gesamte Wirbel spontan zerfällt. (2.2) Es werden vorzugsweise Vorrichtungen an der Flügelspitze angebracht, die bereits zu Beginn für einen weniger intensiven Wirbel sorgen sollen. Zu dieser Gruppe gehört die nachfolgend vorgestellte Erfindung.
Bekannt sind innerhalb der Gruppe (2.2) Teile, die als Winglets bezeichnet werden. Dieses sind Flügel oder flügelartige Verlängerungen an der Flügelspitze, welche in erster Linie einer höheren Auftriebseffizienz dienen. Ein Nebeneffekt dieser Wirkung ist, dass sie die Wirbelstärke im Flügelspitzenbereich auf zwei oder auch mehr Wirbel verteilen und diese dadurch insgesamt weniger intensiv sind.
Bekannt ist auch eine Reihe von Anbauteilen am Flügel. Ihre Aufgabe ist es entweder, Turbulenz in den Wirbel einzuleiten, ihn aufzuweiten oder ein sich umschlingendes Wirbelsystem zu erzeugen oder anzuregen. Speziell für die Flügelspitze werden hier die bekannten Winglets aber auch poröse Flügelspitzen und in den Wirbel senkrecht gestellte Zylinder verwendet. Bekannt sind weiterhin Ausblasungen jeder Art, welche an der Flügelspitze Luftströmungen in den Wirbel einleiten sollen, um ihn zu stören.
Bekannt sind des Weiteren diverse (verworfene) Konzepte zur Wirbelbeeinflussung durch Anbauteile. Darunter sind ein an der Flügelspitze angebrachtes Triebwerk, dessen Strahl den Wirbel destabilisieren soll, Mittel zur Ausblasung an der Flügelspitze, oszillierende Bleche, Endplatten an der Flügelspitze, Turbulenz erzeugende Spoiler und ein System aus Einzelflügeln, welche an der Flügelspitze angebracht sind.
Weiterhin gibt es eine Vorrichtung, die ”Body of Revolution” genannt wird und bei der es sich um eine so genannte ”Ducted Tip” handelt, welche eine zwischen Flügelvorderkante und Flügelhinterkante am Flügelrand angebrachte Röhre darstellt. Dabei soll beim Wirbelaufrollen die Luft außen über die zylindrische Röhre strömen und durch den vergrößerten Radius der Röhre im Vergleich zum Radius einer herkömmlichen Flügelspitze verlangsamt fließen, weshalb der Wirbel weniger intensiv werden soll. Der Innenströmung der Röhre kommt dabei keinerlei Bedeutung zu.
Folgende Nachteile kann man am vorgenannten Stand der Technik feststellen:
Die bekannten Vorrichtung bezwecken, den Wirbel weniger intensiv zu machen. Alle Lösungen mit Ausnahme der Winglets werden im Flugzeugbau trotz eines möglichen Potentials nicht angewandt, da die Wirbelstörung auf in den Wirbel einzubringende Turbulenzen beruht und dies ein nicht ausgleichbares hohes Maß an zusätzlichem aerodynamischen Widerstand bedeutet, wenn die Lösungen dauerhaft montiert sind. Diesen Widerstand könnte man in Flugsituationen in Kauf nehmen, in denen der Wirbel gestört werden soll, jedoch nicht in solchen, in denen die Wirbelgefahr nicht groß ist, etwa im weiträumigen Reiseflug.
Um diesen hohen Widerstand zu umgehen, könnten Lösungen in Frage kommen, welche das Ausfahren und Verstauen dieser Vorrichtungen vorsehen. Da bisher nur Störkörper oder flügelartige Vorrichtungen bekannt sind, ist ein hoher Systemaufwand zu betreiben, um neben Stauraum und Antrieben auch für Verstellmechanismen, Steuerungen, Regelungen, Überwachungen, Ausfallsysteme etc. zu sorgen. Dies bringt erhöhte Komplexität und Gewicht mit sich. Ungewöhnliche Lösungen wie etwa die Ausblasung an der Flügelspitze sind wegen des hohen zusätzlichen Energieeintrags aus wirtschaftlichen und systembedingten Gründen nicht umsetzbar.
Winglets sind als einzige potentielle Lösung zur Gefahrenminderung gebräuchlich, dienen aber in erster Linie einer höheren Auftriebseffizienz. Man kann beide Ziele gleichzeitig nur unter Kompromissen verfolgen: Winglets haben deshalb eine günstige Nebenwirkung auf die Wirbelintensität, da am Knick und an der Spitze des Winglets ein abgeschwächtes System von Wirbeln entsteht. Demnach würde eine bloße Vergrößerung der Wingletfläche nicht zum Erfolg führen, sondern eher die Anbringung zusätzlicher Wingletflächen. Beide Maßnahmen bringen eine Erhöhung des Gewichts, des Reibungswiderstands und des Interferenzwiderstands (eine Widerstandsart aufgrund von Verwirbelungen an kantigen Übergängen) mit sich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tragflügel der eingangs genannten Art zu verbessern. Insbesondere soll ein Tragflügel geschaffen werden, mit dem sich die Bildung eines Wirbels am Flügelrand auf möglichst einfache Weise möglichst wirksam reduzieren bzw. die von Wirbelschleppen ausgehende Gefahr für nachfolgende Flugzeuge herabsetzen lässt.
Diese Aufgabe ist mit einem Tragflügel der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass am flügelhinterkantenseitigen Ende des Flügelrands ein röhrenförmiges Element zur Aufnahme und Durchleitung mindestens eines Teils eines vom Flügelrand erzeugten Flügelrandwirbels angeordnet ist.
Mit anderen Worten zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung im Prinzip durch eine durchströmbare Röhre hinter der Flügelspitze aus, die die Wirbelströmung in sich aufnehmen bzw. um sich herumführen und dadurch insgesamt verlangsamen kann.
Die Wirkungsweise des röhrenförmigen Elements beruht dabei auf dem Prinzip der Drehimpulserhaltung durch Vergrößerung des Wirbelradius bei gleichzeitiger Verkleinerung der Tangentialgeschwindigkeit. So ergab sich bei durchgeführten laborwissenschaftlichen Versuchen (im Wasserkanal), dass durch die erfindungsgemäße Lösung die maximale Tangentialgeschwindigkeit bei 18 Spannweiten hinter dem röhrenförmigen Element um 60% im Vergleich zum Referenzwirbel verringert werden kann, wobei aus physikalischen Gründen davon auszugehen ist, dass die relative Wirkung auch weiterer Entfernungen hinter dem röhrenförmigen Element bestehen bleibt. Die Reduktion des auf ein nachfolgendes Flugzeug induzierten Rollmoments ist das Maß für die Herabsetzung der Gefahr. Bei 18 Spannweiten hinter dem röhrenförmigen Element konnte beispielsweise eine Reduktion von 25% zur Referenz ermittelt werden.
Die Erfindung umfasst somit eine durchströmbare Röhrenvorrichtung, vorzugsweise, was noch genauer erläutert wird, mit einer konischen Aufweitung an der Spitze eines Flugzeugflügels. Sie ist so hinter der Flügelspitze platziert, dass die von der Flügelspitze ausgehende Wirbelkernströmung in die Röhre hineingelangt. Aufgrund der vorzugsweise konischen Form des röhrenförmigen Elements wird der Wirbelkern stark geweitet, ohne dass die Wirbelströmung von den Innenwänden der Röhre ablöst. Der Wirbelkern verliert dadurch an Tangentialgeschwindigkeit. Die übrige Wirbelströmung wird um die Außenhaut der Röhre geführt und durch den gleichen Effekt ebenfalls verlangsamt. Gleichzeitig wird durch die Aufweitung im Kern die axiale Geschwindigkeitskomponente, welche je nach Auftrieb und Randbogenform langsamer, aber auch schneller als die Anströmgeschwindigkeit sein kann, herabgesetzt. Insgesamt werden also die axiale sowie die tangentiale Geschwindigkeit verändert. Der Quotient aus beiden bildet die sogenannte Swirl-Zahl q, welche als Maß für die Wirbelinstabilität eines Einzelwirbels herangezogen wird. Dabei ist q bekannt als q = 1,56·V_t,maxl|ΔU| und der Wirbel neigt zur Instabilität bzw. zur Zersetzung, wenn der Wert q < 1,44 wird. Hierbei ist ΔU das Maß für eine Über- oder Untergeschwindigkeit. Insofern kann es gelingen, bei gegebenen Randbedingungen und Wahl der Aufweitung nicht nur durch den Effekt der Aufweitung alleine eine Herabsetzung der Wirbelintensität zu erreichen, sondern auch durch die Erzeugung dieses kritischen Geschwindigkeitsverhältnisses. Interessanter Weise wurde dabei auch eine Herabsetzung der Wirbelintensität beobachtet, wenn das röhrenförmige Element lediglich zylindrisch ist. Dies ist auf eine Verlangsamung der Axialströmung innerhalb der Röhre aufgrund der innenliegenden Grenzschicht zurückzuführen. Aus diesem Grund umfasst die Erfindung eine konische Geometrie mit unterschiedlichen Aufweitungen und Längen bzw. eine Vorrichtung, die dazu in der Lage ist, die Aufweitung adaptiv zu verändern. Wichtig ist dabei, dass die Röhre hinter der Hinterkante des Flügels beginnt und damit die Kernströmung nach ihrem Übergang auf die Flügeloberseite in die Röhre hineingelangen kann. Es versteht sich von selbst, dass das röhrenförmige Element an einer oder an beiden Flügelspitzen des Tragflügels oder auch an allen anderen Flügelspitzen eines Flugzeugs zu finden sein kann.
Nachfolgend wird die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen röhrenförmigen Elements nochmals genauer betrachtet:
Es ist bekannt, dass Wirbel, die einem axialen Druckfeld entgegenlaufen, zum sogenannten Aufplatzen neigen. Dabei kommt es zu einer spontanen Aufweitung des Wirbels bis hin zu einer völligen Zersetzung seiner konzentrierten Vorticitystruktur. Die Aufweitung hat eine starke Verringerung der Axialgeschwindigkeit bis hin zum Ausbilden eines freien Staupunktes zur Folge. Dieser Vorgang hat instabilen Charakter, da er durch Erhaltungsmechanismen des Wirbels selbst hervorgerufen wird:

1. Ein Wirbel läuft einem axialen Druckfeld entgegen.
2. Daraufhin verlangsamt sich seine axiale Geschwindigkeitskomponente.
3. Wegen der Bedingung der Massenerhaltung weitet sich der Wirbel.
4. Wegen der Bedingung der Drehimpulserhaltung verringert sich die tangentiale Geschwindigkeit des Wirbels bzw. die axiale Vorticity.
5. Wegen der Wirbeltransportgleichung (die zeitliche Änderung der Vorticity erfolgt nur durch räumliche Umverteilung [Krümmung der Wirbellinie] und Diffusion) verteilt sich die axiale Vorticity in umlaufende Vorticity um. Man kann diese als eine Art Ringwirbel verstehen.
6. Dieser Ringwirbel induziert eine zusätzliche axiale Geschwindigkeitskomponente, sorgt also für eine zusätzliche Verlangsamung der axialen Strömung. Der Prozess beginnt wieder bei 1.

Es gibt hierbei auch einen stabilisierenden Mechanismus. Dabei wird die Außenströmung am sich weitenden Wirbel vorbei beschleunigt. Dies wiederum begrenzt das Wirbelwachstum und die damit verbundenen Prozesse werden umgekehrt.
Für das erfindungsgemäße röhrenförmige Element bedeutet dies: Die Aufweitung und die axiale Verlangsamung werden durch die Form des Körpers vorgegeben. Durch die Drehbewegung und die damit verbundenen Effekte kann die Aufweitung ablösefrei stärker erfolgen als bei einer geraden, wirbelfreien Strömung durch eine konische Röhre. Dabei ist es günstig, dass das Maß der Aufweitung begrenzt ist durch eine entsprechende Vorgabe der Länge der Röhre, das heißt, der Wirbel soll erfindungsgemäß nicht unendlich wachsen bzw. die axiale Geschwindigkeit soll nicht zu null werden und damit zu einer Blockade der Röhre durch den Wirbel führen. Insgesamt kommt es aber aufgrund des erwähnten Mechanismus zu einer zusätzlichen Verlangsamung der Durchströmung der Röhre.
Außerdem führt die Röhre dazu, dass die bereits erwähnte Swirl-Zahl sehr tief wird. Es ist bekannt, dass tiefe Swirl-Zahlen den Transport von turbulenten Störungen vom Inneren eines Wirbels über die Kerngrenze hinaus nach außen begünstigen. Dies ist bei normalen Swirl-Zahlen nicht der Fall. Die erfindungsgemäße Röhre vermag somit, Turbulenz nach außen zu befördern, was die Diffusion der Vorticity auch hinter der Röhre begünstigt. Dadurch ist es möglich, dass der Wirbel auch nach der Röhre schneller wächst.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich gegenüber dem bekannten Stand der Technik, wie folgt, aus:
Röhrenlösungen, die der beschriebenen Erfindung am nächsten kommen und die sich über große Bereiche der Seitenkante oder komplett über die Seitenkante des Flügels (Flügelrand) erstrecken, können aus strömungsphysikalischen Gründen nicht zu einer substantiellen Verringerung der Wirbelintensität beitragen. Der Hauptgrund ist dabei die ungünstige Platzierung der Vorrichtung. Der Wirbel entsteht, sobald die Strömung beginnt um die Flügelspitze herum zu streichen. Die Wirbelstärke ist somit erst auf Höhe der Hinterkante des Flügels voll formiert. Da die oben genannte Röhrenlösung schon unmittelbar am Beginn bzw. ungefähr auf der Hälfte der Flügelseitenkante beginnt, kann sie keine Wirbelströmung in ihrem Innern aufnehmen. Daher ist die Idee einer solchen, bekannten Röhre nicht, die Kernströmung aufzunehmen und zu beeinflussen, sondern den vergrößerten Radius für die Außenströmung zu nutzen, und zwar bei gleichzeitig geringem Strömungswiderstand in Flugrichtung. Der Effekt der Strömungsbeeinflussung beruht vielmehr rein auf einer Verlangsamung der tangentialen Geschwindigkeitskomponente um die Außenhaut der Röhre herum. Diese Beeinflussung kann jedoch nur mäßig sein, da der Durchmesser der Röhre nicht wesentlich größer ist als der Rundungsradius der Flügelseitenkante. Beginnt die Röhre weiter hinten entlang der Seitenkante, hat sie immer noch keinen größeren Effekt, da der Wirbelkern über die Seitenkante auf der Flügeloberseite gelangt und daher nicht an der Seitenkante eingefangen werden kann.
Die erfindungsgemäße Lösung hat folgende Vorteile:

– Das röhrenförmige Element reduziert effektiv und nachhaltig die maximale Tangentialgeschwindigkeit des Wirbels und das auf nachfolgende Flugzeuge wirkende induzierte Rollmoment.
– Das röhrenförmige Element erzeugt wenig Druckwiderstand, wenn der Wirbel ohne das Element bereits eine hohe Axialgeschwindigkeit im Wirbel induziert. Durch eine bevorzugt vorgesehene Aufweitung kann die Axialgeschwindigkeit im Wirbel auf die Geschwindigkeit der Außenströmung reduziert werden und die Widerstandsbilanz bleibt dadurch neutral. Das röhrenförmige Element kann bei entsprechender Wahl des Randbogens, des Anstellwinkels und der Geschwindigkeit aber auch bewusst Widerstand bieten, was im Landefall von großem Nutzen ist.
– Das röhrenförmige Element erzeugt wenig induzierten Widerstand, da die Geschwindigkeit des Wirbels deutlich verringert wird. Die Produktion bzw. Induktion von kinetischer Wirbelenergie ist der Grund für diese Widerstandskomponente.
– Das röhrenförmige Element arbeitet passiv und muss nicht aktiv angeregt werden, um zu funktionieren.
– Das röhrenförmige Element ist nachrüstbar.
– Das röhrenförmige Element kann auch fest an Rotorblättern von Windkrafträdern oder Hubschraubern montiert werden, um durch die verminderte Tangentialgeschwindigkeit Lärm und Vibrationen zu verringern, welche durch den Kontakt des Wirbels mit den nachfolgenden Blättern normalweise entstehen.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Tragflügels ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Der erfindungsgemäße Tragflügel einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt
1 perspektivisch eine Grundform des erfindungsgemäßen Tragflügels mit einem röhrenförmigen Element;
2 in Seitenansicht und in Draufsicht eine sogenannte ”Faltlösung” des erfindungsgemäßen Tragflügels;
3 perspektivisch die Lösung gemäß 2;
4 in Draufsicht eine sogenannte ”Integrallösung” des erfindungsgemäßen Tragflügels;
5 in Draufsicht eine erste, sogenannte ”Schiebelösung” des erfindungsgemäßen Tragflügels in eingefahrener Position;
6 in Draufsicht die erste Schiebelösung gemäß 5 in ausgefahrener Position;
7 perspektivisch eine zweite, sogenannte ”Schiebelösung” des erfindungsgemäßen Tragflügels in eingefahrener Position; und
8 perspektivisch die zweite Schiebelösung gemäß 7 in ausgefahrener Position.
Die in den Figuren dargestellten Tragflügel umfassen in bekannter Weise eine Flügelvorderkante 1, eine Flügelhinterkante 2 und am freien Ende einen zwischen Flügelvorderkante 1 und Flügelhinterkante 2 verlaufenden Flügelrand 3.
Wesentlich für alle in den Figuren dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Tragflügels ist nun, dass am flügelhinterkantenseitigen Ende des Flügelrands 3 ein röhrenförmiges Element 4 zur Aufnahme und Durchleitung mindestens eines Teils eines vom Flügelrand 3 erzeugten Flügelrandwirbels angeordnet ist.
Wie eingangs erläutert, ist dabei besonders bevorzugt vorgesehen, dass das röhrenförmige Element 4 eine Innenquerschnittsfläche aufweist, die mit zunehmendem Abstand von der Flügelhinterkante 2 größer wird (bzw. zumindest gleich groß bleibt).
Weiterhin ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass der Flügelrandwirbel einen Wirbelkerndurchmesser aufweist, dass ein Eintrittsdurchmesser des röhrenförmigen Elements 4 größer als der Wirbelkerndurchmesser und dass ein Austrittsdurchmesser des röhrenförmigen Elements 4 gleich groß oder größer als der Eintrittsdurchmesser des röhrenförmigen Elements 4 ausgebildet ist.
Wie zum Beispiel aus 1 ersichtlich, führen diese Maßgaben dazu, dass die intensive Wirbelkernströmung zentral in die Eingangsöffnung der Röhre hineingelangt. Dabei nimmt die Röhre die komplette drehungsbehaftete Strömung des Seitenkantenwirbels auf. Der Wirbelkerndurchmesser hat dabei üblicherweise die Dimension der Dicke der Flügelseitenkante (des Flügelrandes 3) bzw. es gilt im Allgemeinen d_c/b – 0,03, wobei d_c der Wirbelkerndurchmesser und b die Spannweite des Tragflügels ist. Der Austrittsdurchmesser wird beispielsweise etwa doppelt so groß wie der Wirbelkerndurchmesser gewählt bzw. so groß, dass bei gegebener Länge der Röhre (der Flügelrand 3 und das röhrenförmige Element 4 sind bevorzugt angenähert gleich lang ausgebildet) die Strömung im Inneren gerade nicht abreißt. Der Einlauf der Röhre ist weiterhin leicht verrundet, so dass es auf der Innenseite der Röhre nicht zu Ablösungserscheinungen kommt.
Insgesamt betrachtet, reduziert das röhrenförmige Element die maximale Tangentialgeschwindigkeit des Wirbels. Hieraufhin wird das tangentiale Geschwindigkeitsprofil in radialer Richtung deutlich flacher. Die Integration der Vertikalkomponente dieser Geschwindigkeit multipliziert mit dem Hebelarm ergibt das auf ein nachfolgendes Flugzeug induzierte Rollmoment, welches ebenfalls verringert wird.
Durch die verminderte Tangentialgeschwindigkeit des Wirbels sinken die Intensität des Wirbels und damit der Unterdruck im Kerngebiet und daher auch die Beschleunigung der Axialgeschwindigkeit im Wirbelkern. Bei herkömmlichen Flügeln kann die axiale Geschwindigkeit einen Wert erreichen, der höher ist als der der freien Anströmung. Durch die Konturform wird das Maß der Aufweitung des röhrenförmigen Elements so gesteuert, dass die axiale Strömungsgeschwindigkeit nicht unter den Wert der freien Außenströmung fällt und damit keinen zusätzlichen Widerstand erzeugt.
Mit dem röhrenförmigen Element 4 kann bis mindestens 150 Spannweiten hinter dem Flugzeug eine messbare Verringerung der maximalen Tangentialgeschwindigkeit erreicht und damit das induzierte Rollmoment auf andere Flugzeuge verringert werden. Die maximale Tangentialgeschwindigkeit wird maximal um 99% reduziert, mindestens um 1%. Im besten Fall beträgt die maximale Reduktion 70%, im schlechtesten Fall 20%, und zwar jeweils bei 18 Spannweiten hinter dem Flugzeug.
Mit Verweis auf die 2, 3 und 5 bis 8 ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass das röhrenförmige Element 4 in den Tragflügel ein- und aus dem Tragflügel ausfahrbar ausgebildet ist, um den Wirbel vorzugsweise bei Starts und Landungen weniger intensiv zu machen. Danach kann das Element 4 wieder eingefahren werden, wenn im Reiseflug oder beim Manövrieren des Flugzeugs auf dem Boden der Wirbel für den allgemeinen Verkehr ungefährlich ist.
Die 2 und 3 zeigen dabei eine Lösung, bei der das röhrenförmige Element 4 zusammenfaltbar und aus einem texilen Material gebildet ist. Außerdem ist am Tragflügel ein Aufnahmebereich 5 für das röhrenförmige Element 4 vorgesehen, der vorzugsweise mit einem Deckel oder dergleichen verschließbar ausgebildet ist. Weiterhin ist das röhrenförmige Element 4 (im ausgefahrenen Zustand) mit einem Seil 6 oder dergleichen am Tragflügel befestigt, wobei ferner im Tragflügel eine Einrichtung zum Aufwickeln des Seils 6 angeordnet ist. Das Seil 6 ist dabei drehbar am Tragflügel gelagert, damit es sich nicht verdrillen (und damit letztlich verkürzen) kann.
Mit anderen Worten ausgedrückt lässt sich bei dieser Ausführungsform, die auch ”Faltlösung” genannt wird, das röhrenförmige Element 4 in einem dafür vorzugsweise auf der Flügeloberseite vorgesehenen Fach im Bereich der Flügelspitze unterbringen, mittels einer Seilwinde in den Wirbel hineinbefördern, nach Gebrauch wieder einziehen und im Fach wieder verstauen. Das zusammengefaltete, dann nicht mehr röhrenförmige Element 4 wird zum Lande- und Startvorgang aus der Öffnung mittels Seilwinde herausgelassen. Es wird dabei durch die Strömung kontrolliert herausgesogen. Das Element 4 wird sich kontrolliert ausfalten, und zwar vorzugsweise über eine geordnete spiralförmige Bewegung. Durch die flexible Aufhängung, den runden Einlauf, die Nähe zur Flügelspitze und das Kräftefeld des Drehungsfeldes positioniert es sich selbstständig im Wirbelzentrum. Nach Gebrauch (nach der Landung bzw. nach dem Start) wird es wieder eingefahren. Dabei zieht die Seilwinde das Element 4 wieder Richtung Tragflügel und in das für das Element 4 vorgesehene und durch einen Deckel verschließbare Fach hinein. Das Element rollt sich während des Einziehens wieder (spiralförmig) zusammen, da die textilen Flächen vorzugsweise über eine Schiene geleitet werden. Das Element 4 besteht dabei vorzugsweise aus dünnem, teilweise auch versteiftem Material und wird sich mit Hilfe der Wirbelströmung und vorzugsweise integrierten Federn spiralförmig entfalten.
Alternativ kann das röhrenförmige Element gemäß 2 und 3 auch aufblasbar ausgebildet sein. Ein solcher geschlossener Schlauch wird bei Bedarf mit Hilfe eines aus dem Triebwerk abgeleiteten Luftstroms aufgeblassen, und zwar vorzugsweise über das vorerwähnte, in diesem Fall schlauchartig ausgebildete Seil oder dergleichen.
Eingefaltet kann das Element 4 ein zylindrisches längliches Gebilde sein. Die Menge an Faltungen ermöglicht unterschiedliche Aufweitungen je nach gewünschtem Betriebspunkt oder Effekt. Der Antrieb für die erwähnte Seilwinde kann mit dem Spindelantrieb des Slats (Vorflügels) gekoppelt sein. Somit wird das Element 4 gleichzeitig mit dem für Start und Landung nötigen Vorflügel aus- und eingefahren.
Weiterhin ist ganz allgemein besonders bevorzugt vorgesehen, dass das röhrenförmige Element 4 einen Eintritts- 4.1 und einen Austrittsquerschnitt 4.2 aufweist, deren Verhältnis zueinander verstellbar ausgebildet ist.
4 zeigt in diesem Zusammenhang eine besonders bevorzugte Ausführungsform, die auch ”Integrallösung” genannt wird und bei der die Röhre direkt und dauerhaft in die Flügelstruktur integriert ist. Man kann sich dabei die Form als spiralförmige Fortsetzung der Flügelspitze vorstellen, welche bei neueren Flugzeugen planar und nach hinten hin spitz zulaufend ausgeführt wird (vgl. Boing 787 Dreamliner Grundriss). Um verschiedene Aufweitungen (von stark konisch bis zylindrisch) einstellen und auch im Reiseflug möglichst widerstandsfrei fliegen zu können, erfolgt eine Verstellung der Aufweitung durch eine Veränderung der Überlappung der Röhrenflächen an ihren Kanten (siehe die gestrichelten Linien in 4). Hierzu ist das röhrenförmige Element 4 vorzugsweise in sich elastisch ausgebildet.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 5 bis 8, die ebenfalls im Tragflügel einen Aufnahmebereich 5 für das röhrenförmige Element 4 aufweisen, ist vorgesehen, dass das röhrenförmige Element 4 flächig in den Aufnahmebereich 5 einziehbar ausgebildet ist. Hierzu ist es elastisch und vorzugsweise im eingezogenen Zustand den Aufnahmebereich 5 nach außen verschließend ausgebildet.
Mit anderen Worten ausgedrückt, ist bei den Lösungen nach den 5 bis 8, die auch als ”Schiebelösung” bezeichnet werden, vorgesehen, dass die Flächen, die für die Röhre benötigt werden, aus der Flügelstruktur herausgefahren werden und sich während des Ausfahrens spiralförmig zu einer Röhre aufrollen. Dies geschieht darüber, dass sich die flexiblen bzw. elastischen Flächen im eingefahren Zustand in einer flachen und in den Flügel passenden Zwangsform befinden, um sich dann beim Ausfahren in ihre natürliche, vorgekrümmte Form zu verstellen. Dabei ist es mittels dieser Ausgestaltung möglich, über die Weite des Ausfahrens das Maß der Aufweitung der Röhre zu beeinflussen.
5 zeigt dabei die innenliegende Röhrenfläche des Elements 4 in Zwangsform (gestrichelte Linie). 6 zeigt die aufgerollte Endposition der Fläche (und gestrichelt die ursprüngliche Lage der Fläche gemäß 5). Bei 7 ist ebenfalls gestrichelt die innenliegende Röhrenfläche des Elements 4 in Zangsform dargestellt. 8 zeigt die ausgestellte Endposition der Fläche.
Wie aus den Beschreibungen zu den verschiedenen Ausführungsbeispielen ersichtlich, ist stets vorgesehen, dass das röhrenförmige Element 4 innen hohl ausgebildet ist.
Weiterhin weist das röhrenförmige Element 4 vorzugsweise eine parallel zum Flügelrand 3 verlaufende Röhrenhauptachse auf, die kongruent zur Hauptachse des Flügelrandwirbels angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren, nicht dargestellten Ausgestaltung kann das röhrenförmige Element 4 bei den fest angebrachten bzw. stabil angebrachten Lösungen aber auch nicht koaxial mit der Referenzwirbelachse verlaufend angeordnet, sondern bewusst nach oben bzw. nach unten gekippt sein. Dadurch wird der Wirbelkern weggelenkt und verkrümmt sich wieder, nachdem er aus dem Element 4 herauskommt. Dabei ist bekannt, dass Krümmungen der Wirbelachse zu Geschwindigkeitsinduktionen führen und dadurch den Wirbel schwächen bzw. dass starke axiale Geschwindigkeiten entgegen und entlang der Anströmung im Wirbelkern ausgelöst werden. Orientiert man beispielsweise die Röhrenhauptachse bewusst nach oben, also von der Scherschicht weg geneigt, so wird der Wirbel daraufhin weit von der Scherschicht abgelenkt. Sobald er das röhrenförmige Element verlässt, wird er wieder zur Scherschicht hingelenkt, woraufhin sich die Wirbelachse stark krümmt und der oben genannte Effekt eintritt.
In einer weiteren, ebenfalls nicht dargestellten Ausführung ist es denkbar, dass die Röhre umlaufende schlitzartige oder ringartige Ventilierungsöffnungen aufweist, um die zusätzlich verlangsamte axiale Strömung wieder zu beschleunigen. Die sich dann ergebenden ringartigen Kreisabschnitte an der Röhre sind profiliert ausgebildet und es entstehen somit umlaufende Spalte, wie man es von einer Klappenanordnung an der Hinterkante eines Tragflügels eines Flugzeugs kennt. Es ist dabei weiterhin vorgesehen, dass die ringartigen Kreisabschnitte zusammenschiebbar ausgebildet sind, so dass sich eine weitere Möglichkeit des Zusammenfaltens ergibt, indem die ringartigen Elemente übereinander geschoben werden.
Darüber hinaus kann zusätzlich zum erwähnten Effekt der geringen Swirl-Zahlen vorgesehen sein, dass an einer Hinterkante der erfindungsgemäßen Röhre abstrebende Turbulenzerzeuger angeordnet sind, welche in den Kernbereich mit seinen hohen Geschwindigkeitsgradienten Turbulenz einbringen und die Geschwindigkeitsgradienten verkleinern. Dadurch weitet sich der Kern weiter, nachdem die Strömung die Röhre verlassen hat.
Prinzipiell wird durch die Anbringung, den Einbau, das Nachrüsten des röhrenförmigen Elements 4 bei gleichbleibenden Flugzeugfolgeabständen das Risiko beim Einfliegen in eine Wirbelschleppe deutlich herabgesetzt. Umgekehrt können bei gleichem Risiko die Folgeabstände von Flugzeugen reduziert werden, wenn sie das röhrenförmige Element 4 mit sich führen und benutzen. Auf diese Weise ist es möglich, die Start- und Landetaktung an Flughäfen zu erhöhen und damit deren Auslastung zu optimieren.
Zur Positionierung des erfindungsgemäßen röhrenförmige Elements 4 wird noch auf Folgendes hingewiesen:
Es ist gebräuchlich, dass Flugzeuge in Landekonfigurationen Vorderkanten- und Hinterkantenflügel ausfahren. Letztere sind eine hintereinander liegende Anordnung von einzelnen Tragflügeln bzw. Klappen. Diese führen zu einer großen Steigerung des Auftriebsbeiwertes und des Auftriebs. Wegen der hohen Auftriebsgradienten kann es vorkommen, dass die stärksten Wirbel an der Klappenseitenkante abgehen. Dementsprechend kann auch vorgesehen sein, dass das röhrenförmige Element an der Seitenkante der Klappe, die selbst einen Tragflügel bildet, angeordnet ist. Hierbei ist es denkbar, dass die Röhre in der stromlinienförmigen Verkleidung (Fairing) der Klappe oder in der Triebwerksaufhängung untergebracht ist.
Nochmals in anderen Worten zusammengefasst, sind folgende Merkmale für den erfindungsgemäßen Tragflügel mit seinen vorteilhaften Weiterbildungen charakteristisch:

– Die Form des röhrenförmige Elements (kurz: die Röhre) ist gerade, aber auch konisch, wobei dann der vordere Durchmesser kleiner als der hintere ist.
– Die Röhre wird direkt hinter dem Flügel positioniert.
– Die Röhre ist dazu ausgelegt, eine rotierende Strömung in sich aufzunehmen und zu verlangsamen.
– Die Röhre ist dazu ausgelegt, eine rotierende Strömung um sich herum zu führen und zu verlangsamen.
– Die Röhre richtet sich stabil im Wirbel (konzentrisch) aus oder zwingt die Wirbelachse zu einem abgekrümmten Verlauf.
– Die Röhre kann an beiden Flügelspitzen oder nur an einer Flügelspitze angebracht werden. Beim ersten Fall wird das gesamte Wirbelsystem weniger intensiv. Beim zweiten Fall wird der eine Wirbel weniger intensiv, während der andere gleich intensiv bleibt. Das dadurch entstehende asymmetrische Wirbelpaar induziert ungleichmäßige Geschwindigkeiten im Nachlauffeld, wobei der intensive Wirbel den weniger intensiven Wirbel zu einer wellenartigen Form anregt, wodurch das Wirbelsystem insgesamt stark gestört und geschwächt wird.
– Die Röhre kann ausgefahren, speziell entfaltet und wieder eingefahren werden. Der Ausfahrmechanismus sieht zum einen einen ausfahrbaren textilen Schirm vor. Dieser wird mittels einer Leine und Winde hinausbefördert und entfaltet sich dann. Als Stabilisierung können integrierte Stangen oder dergleichen dienen oder der Körper ist mit Kammern versehen, welche durch die Zapfluft des Triebwerks gefüllt werden, wodurch der Körper seine Form erhält. Zum anderen wird die Röhrenform über gebogene Flächen erzeugt, welche aus der Flügelstruktur spiralförmig nach hinten ausgefahren werden.
– Die Röhre kann in ihrer Aufweitung verstellt werden. In einer Ausgestaltung der Erfindung (siehe 4) ist es auch möglich, die spiralförmig nach hinten gestalteten Flächen als Verlängerung der nach hinten spitz zulaufenden Flügelspitze dauerhaft mitzuführen.

Aus alledem ergeben sich folgende Vorteile:

– Die Röhre als textile Faltlösung ist leicht. Röhre, Seil, Seilwinde (oder ähnliche Vorrichtung zum Ausfahren), Integration und Steuerung wiegen zusammen und an beiden Flügelspitzen angebracht grob geschätzt nicht mehr als 50 kg.
– Alle vorgestellten Ausgestaltungen sind wenig komplex, die Ausfallwahrscheinlichkeit ist gering.
– Es bedarf keiner Regelung, sondern nur einer Steuerung, welche das System vorzugsweise gleichzeitig zum Aus- und Einfahren der Landeklappen betätigt.
– Die Röhre samt allen Teilen benötigt wenig Stauraum und kann daher in vorhandene Flügelspitzenkonstruktionen integriert werden.
– Die Röhre als Faltlösung bedarf keiner tragenden Teile.
Für die Schiebelösung bedarf es Flächen sehr geringer Dicke, da die angreifenden Kräfte sehr gering sind.
– Die Röhre kann bei Start oder Landung oder nur bei der Landung eingesetzt werden, wenn sie Widerstand produziert. Der Luftraum während des Startens (freie Trajektorie nach dem Start) ist wesentlich flexibler als bei der Landung (feste Trajektorie und Folgeabstände vor der Landung). Daher ist die Flughafenkapazität durch die Lande- und nicht durch die Startfrequenz begrenzt. Eine Erhöhung der Landefrequenz durch die erfindungsgemäße Röhre ist bereits von großem Vorteil.
– Die Röhre richtet sich nach der Wirbelachse aus und ist somit bei verschiedenen Anstellwinkeln und Böen ohne zusätzliche Regelung oder Steuerflächen anwendbar.
– Die Röhre kann auch eine feste Erweiterung von bestehenden Flügelspitzen oder Winglets sein, wenn der äußerste Bogen des Flügels nach hinten hin spiralförmig der Erfindung entsprechend fortgeführt wird.

Bezugszeichenliste

1: Flügelvorderkante
2: Flügelhinterkante
3: Flügelrand
4: röhrenförmiges Element
4.1: Eintrittsquerschnitt
4.2: Austrittsdurchmesser
5: Aufnahmebereich
6: Seil

Claims

Tragflügel, umfassend eine Flügelvorderkante (1), eine Flügelhinterkante (2) und am freien Ende einen zwischen Flügelvorderkante (1) und Flügelhinterkante (2) verlaufenden Flügelrand (3), dadurch gekennzeichnet, dass am flügelhinterkantenseitigen Ende des Flügelrands (3) ein röhrenförmiges Element (4) zur Aufnahme und Durchleitung mindestens eines Teils eines vom Flügelrand (3) erzeugten Flügelrandwirbels angeordnet ist.
Tragflügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das röhrenförmige Element (4) eine Innenquerschnittsfläche aufweist, die mit zunehmendem Abstand von der Flügelhinterkante (2) größer wird.
Tragflügel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügelrandwirbel einen Wirbelkerndurchmesser aufweist und dass ein Eintrittsdurchmesser des röhrenförmigen Elements (4) größer als der Wirbelkerndurchmesser ausgebildet ist.
Tragflügel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Austrittsdurchmesser des röhrenförmigen Elements (4) gleich groß oder größer als der Eintrittsdurchmesser des röhrenförmigen Elements (4) ausgebildet ist.
Tragflügel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das röhrenförmige Element (4) elastisch ausgebildet ist.
Tragflügel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das röhrenförmige Element (4) zusammenfaltbar ausgebildet ist.
Tragflügel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das röhrenförmige Element (4) in den Tragflügel ein- und aus dem Tragflügel ausfahrbar ausgebildet ist.
Tragflügel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das röhrenförmige Element (4) einen Eintritts- (4.1) und einen Austrittsquerschnitt (4.2) aufweist, deren Verhältnis zueinander verstellbar ausgebildet ist.
Tragflügel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für das röhrenförmige Element (4) ein Aufnahmebereich (5) im Tragflügel vorgesehen ist.
Tragflügel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das röhrenförmige Element (4) flächig in den Aufnahmebereich (5) einziehbar ausgebildet ist.