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Stand der Technik
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Profile von Tragflächen, Propellern etc. erzeugen üblicherweise Auftrieb durch Anströmung eines aerodynamischen Profils, das je nach Einsatzzweck u.a. durch Dicke, Wölbung und Einstellwinkel charakterisiert ist. Dabei werden die von Newton und Bernoulli formulierten aerodynamischen Gesetzmäßigkeiten genutzt.
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Der Auftrieb kommt zum einen Teil durch den Druckunterschied zwischen Ober und Unterseite des Profils zustande, das durch die spezifische Kombination von Dicke, Wölbung und anderen seiner Parameter charakterisiert ist. Zum anderen Teil trifft bei entsprechendem Anstellwinkel Luft auf die Unterseite des Profils auf und wird dadurch nach unten abgelenkt, wodurch das Profil als Gegenreaktion angehoben wird.
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Ausführungsbeispiel
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1 zeigt den Auftrieb bei einem gewöhnlichen Flugzeugtragflügel. Das Profil (1) befindet sich im von links kommenden Fluidstrom (2) und wird wird dadurch angehoben, dass zum einen auf der Oberseite der statische Druck abnimmt und zum anderen auf der Unterseite Luftpartikelchen auftreffen.
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Nachteile
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Durch die Dicke üblicher aerodynamischer Profile steht den auftreffenden Luftpartikelchen immer vergleichsweise viel Fläche im Weg, an der sie abprallen, wodurch sie die Vorwärtsbewegung bremsen. Dem Auftrieb steht somit immer ein vergleichsweise hoher Widerstand entgegen.
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Ein Teil der auftreffenden Luftteilchen - etwa an der Vorderkante oder bei erhöhtem Anstellwinkel an der Unterseite - wird zu einer abrupten Richtungsänderung veranlasst, was wiederum zu Wirbeln und Widerständen führt.
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Durch den Druckunterschied zwischen Flügelober- und Unterseite entstehen außerdem Randwirbel, die dem Auftrieb deutlich entgegenwirken und - im Falle von Flugzeugtragflächen - außerdem nachfolgenden Luftverkehr erheblich gefährden können.
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Lösung
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Der Kelchflügel ist im Gegensatz zum herkömmlichen Flügel über das gesamte Profil hinweg vergleichsweise dünn. Er muss so dick sein, wie es konstruktiv bedingt nötig ist, um ausreichende Stabilität aufzuweisen, aber nicht unbedingt dicker. Die Dicke kann, muss sich aber nicht im Verlauf des Profils ändern. Dadurch bietet er der anströmenden Luft deutlich weniger Widerstand als ein traditionelles Profil. Nach hinten hin ist der Flügel zunehmend nach unten gewölbt. Dadurch wird die anströmende Luft sanft und langsam zunehmend nach unten abgelenkt. Es kommt das Auftriebsprinzip nach Newton und nicht das von Bernoulli zum Einsatz: Die Ablenkung der Luft bildet die Aktion und als Gegenreaktion entsteht am Tragflügel ein Auftrieb.
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In 2 ist ein Kelchflügel (1) im Querschnitt (und damit im Vergleich zu dem im 1 beschriebenen gewöhnlichen Tragflügel) zu sehen. Das Fluid (2) strömt von links an und wird durch das Profil zunehmend nach unten abgelenkt. Am Flügel kommt ein Auftrieb zustande.
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Wirbelbildungen durch abrupte Richtungsänderung der Luftpartikelchen - wie an der Vorderkante eines herkömmlichen Tragflügels oder dessen Unterkante bei erhöhtem Anstellwinkel - werden somit weitgehend vermieden.
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Die Wölbung nach hinten setzt sich aber auch zu den Tragflächenspitzen hin fort, die also ebenfalls nach unten gewölbt sind. 3 zeigt den Kelchflügel von schräg vorne mit der Flügelvorderkante (1), den Flügelspitzen (2) und der Hinterkante (3). Dadurch wird auch die zur Seite wegströmende Luft nach unten abgelenkt und somit zur Auftriebserzeugung genutzt. Somit wird auch der Bildung von Randwirbeln entgegengewirkt, die anderenfalls dem Auftrieb entgegenwirken und nachfolgenden Verkehr gefährden würden.
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4 zeigt schließlich ein Flugzeug mit Kelchflügeln von vorne mit dem Rumpf (1), dem Profil (2) und der um Druckausgleich bemühten, zur Seite wegströmenden Luft (3).
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Es werden somit also alle Hauptströmungen, die am Tragflügel auftreten für die Auftriebserzeugung genutzt. Durch die Dünne des Profils und die sanfte Ablenkung werden aber Widerstand reduziert und Wirbelbildungen vermieden.
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Es ist zu beachten, dass bei dieser Art von Auftriebserzeugung beim Flugzeug ein Nickmoment entstehen kann, das z.B. mittels Höhenruderausschlags oder durch konstruktive Maßnahmen - etwa der Anbringung der Tragflächen weiter vorne am Flugzeugrumpf als sonst üblich - auszugleichen ist.
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Ausführungsbeispiel
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In einer einfachen Ausführung kann man sich den Kelchflügel wie einen umgedrehten antiken Kelch oder eine Frisbee vorstellen, der / die ungefähr in der Mitte (oder zumindest in einiger Entfernung vom Rand) vertikal durchgeschnitten und von dem / der nur noch der kleinere Teil übrig ist. Die Schnittfläche bildet die Flügelvorderkante und die Wölbung verläuft nach hinten und zur Seite hin nach unten. Das entspricht dem im 3 abgebildeten Beispiel.
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Vorteile
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- 1. Dem Auftrieb steht ein deutlich verringerter Widerstand entgegen.
- 2. Verwirbelungen der Luft durch abrupte Richtungsänderung der Luftteilchen werden stark reduziert.
- 3. Die seitlich abströmende Luft wird zusätzlichen zur Auftriebserzeugung genutzt.
- 4. Randwirbeln wird entgegengewirkt, was folgende Vorteile mit sich bringt
- 1. Erhöhung der Sicherheit für den nachfolgenden Verkehr
- 2. Weitere Erhöhung des Auftriebs, da die Fläche nicht durch auftreffende Wirbelschleppen nach unten gedrückt wird.
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Dadurch wird
- 1. ein wesentlich energieeffizienteres und dadurch ökonomisch und ökologisch weit vertretbareres Fliegen möglich
- 2. die Sicherheit im Luftverkehr erhöht
- 3. die Auslastung und Wirtschaftlichkeit von Flughäfen erhöht, die durch verminderte Wirbelschleppenbildung die Abflugfrequenzen erhöhen können.
- 4. Der Luftraum potentiell besser nutzbar, weil auch Teile des Luftraumes genutzt werden können, die zuvor durch Wirbelschleppen nicht durchfliegbar gewesen waren.
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Variationsmöglichkeiten
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Formgebung
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Die oben beschriebene Grundform kann beliebig variiert werden, solange das Profil in der Normalkonfiguration durch eine nach hinten und zu den Seiten hin jeweils zunehmende Wölbung charakterisiert ist.
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Pfeilung
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Flügelspitzen sind beim Kelchflügel naturgemäß höheren Belastungen als bei herkömmlichen Tragflächen ausgesetzt, weil sie ja auch zur Auftriebserzeugung genutzt werden. Dem kann durch negative Pfeilung der Flügelhinterkante entgegengewirkt werden, wodurch die seitlich abströmende Luft zumindest teilweise auch über die Tragflächenhinterkante abströmt. 5 und 6 zeigen Flugzeuge mit solchen Flügeln in der Draufsicht. In 7 zeigt noch einmal nur die Tragfläche des Flugzeugs aus 6 von vorne und schräg unten.
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Vorteil
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Der Entstehung und den Auswirkungen von Randwirbeln - insbesondere auf den Aufrieb - wird maximal entgegengewirkt.
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Variable Wölbung
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Wenn die Wölbung an der Hinterseite des Kelchflügels oder Teilen davon (Klappen) variabel und steuerbar gemacht wird, lässt sich der Auftrieb beliebig regulieren. Dadurch kann einerseits die Funktion von Landeklappen, andererseits die der Querruder ausgeführt werden - abhängig davon, ob die Wölbung an beiden Seiten gleich- oder gegensinnig eingeleitet wird.
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Für die Verwendung als Tragfläche für Flugzeuge sollte die Wölbungen auf beiden Seiten der Tragfläche unabhängig voneinander steuerbar sein, damit koordinierter Kurvenflug möglich ist.
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Realisiert werden kann eine variable Wölbung - entweder ganz oder zumindest annäherungsweise - z.B. durch die Verwendung
- 1. von Fowlerklappen
- 2. von ähnlichen Klappen oder gesamten Flügelhinterkanten, die - wie Fowlerklappen - aus mehreren Gliedern bestehen, aber nicht ausgefahren werden müssen, sondern nur zueinander ausschlagen, in einer Weise dass näherungsweise eine nach hinten zunehmende Wölbung erreicht wird. Das kann z.B.
- a. durch Gliedflächen mit nach hinten abnehmender Länge geschehen - 8 zeigt ein solches Profil im Reiseflug und 9 eines mit verstärkter Wölbung in z.B. Start-, Steigflug- oder Landekonfiguration - oder
- b. durch solche, die, je weiter sie sich am Tragflächenende befinden, stärker ausschlagen als die Vorausliegenden.
- 3. eines biegsamen Materials, das sich - wenn es gekrümmt wird - zum Tragflächenende stärker krümmt. 10 zeigt ein solches Profil in Reiseflug- und 11 in Start-, Steiglfug- oder Landekonfiguration.
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Die Wölbung muss v.a. an den Tragflächenhinterkanten variabel gemacht werden. Die Tragflächenspitzen hingegen können über eine weiterhin konstante Wölbung verfügen, denn immer wenn ein Auftrieb entsteht, kommt auch ein Druckunterschied zustande, der an der Tragflächenspitze nach Ausgleich sucht und umgelenkt werden muss, um Randwirbel zu vermeiden und für zusätzlichen Auftrieb zu sorgen.
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Vorteile
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- · Der Auftrieb kann stufenlos reguliert werden
- · Der Anstellwinkel muss zur Erhöhung des Auftriebs nicht verändert werden, was bessere Sicht bei Steigflug und Landung und dadurch deutlich mehr Sicherheit bewirkt.
- · So gut wie jedes Flugzeug kann dadurch mit Kurzstart und -landeeigenschaften (STOL) versehen werden.
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Übergangskante
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Am Profilende und an seine Spitzen geht der nach unten abgelenkte Luftstrom in den Regulärvorbeiströmenden über. Dabei trifft Luft höheren Drucks unter dem Profil mit solcher niedrigeren Drucks über dem Profil zusammen. Dabei können - gerade bei hohem Auftrieb durch starke Wölbung - wieder Wirbel entstehen. Dem kann durch eine Übergangskante entgegengewirkt werden, die den Luftstrom sanft ein stückweit in die Richtung zurückleitet, in die er ohnehin strömen würde, dabei aber ein zu frühes Zusammentreffen der Luftströme über und unter dem Profil verhindert. Dadurch lassen sich auch diese Wirbel reduzieren.
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Die Kante kann starr sein, aus einem flexiblen Material oder aus mehreren bzw. - wie bei den Federn eines Vogels - vielen flexiblen oder teilflexiblen Elementen bestehen. 12 zeigt als Beispiel den Schnitt durch ein Kelchflügelprofil, an dessen hinterer Kante eine Übergangskante angebracht ist.
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Einsatzbereiche
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Tragfläche für Flugzeuge
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Bei der Gestaltung dieses Profils wurde zuallererst an Flugzeugtragflächen gedacht, um einen energieeffiezienten Auftrieb zu ermöglichen.
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Propeller- und Rotorblätter und Verdichterschaufeln
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Blätter von Luftschrauben (z.B. für Flugzeuge oder Ventilatoren), Helikopterrotoren, Schiffsschrauben und Verdichterschaufeln in Turbinentriebwerken können genauso nach dem Kelchflügelprinzip gebaut werden, um Leistung zu optimieren und dadurch höheren Durchsatz und / oder geringeren Energieverbrauch zu ermöglichen und weiterhin - außer im Fall von Verdichterschaufeln - die Beeinflussung der Umwelt durch Wirbelbildung zu minimieren.
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Die Flügelvorderkante muss in Drehrichtung zeigen.
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Turbinen
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In Turbinen können Kelchflügel für eine optimierte Ausnutzung des Fluidstroms eingesetzt werden. Die Flügelvorderkante muss hierbei gerade in Richtung des anströmenden Fluids zeigen.
