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Vorrichtung zur Unterdrückung von Wirbelablenkungen an der Oberseite
von Tragflächen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Wirbelablenkungen
an der Oberseite von Tragflächen, an denen einander störende und gleichsinnig rotierende
Wirbel entstehen.
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Bei dünnen, scharf rückgepfeilten Tragflächen wird der Auftrieb schon
bei kleinen Anströmwinkeln in erheblichem Maße von Wirbeln erzeugt, die an der Oberseite
der Tragfläche entstehen. Die Wirbel entstehen durch die Auftrennung der Luftströmung
an den dünnen, rückgepfeilten Vorderkanten der Tragflächen. Wenn die Tragflächen
gerade Vorderkanten haben, bildet sich an jeder Kante nur ein Wirbel.
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Bei einer echten Delta-Tragfläche mit geraden Vorderkanten läßt sich
jeder Wirbel vorteilhafterweise in zwei oder mehr gleichsinnig rotierende Kantenwirbel
unterteilen, wie es näher in der schwedischen Patentschrift 1.60 134 ausgeführt
ist. Eine solche Unterteilung geschieht mit Wirbelteilern, die z. B. in der Gestalt
von Trenngittern an der Druckseite der Tragfläche an oder in der Nähe der Vorderkanten
angeordnet werden.
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In F i g. 1 der Zeichnungen ist eine Tragfläche der vorerwähnten
Art dargestellt, bei der mit zwei durch gestrichelte Linien angedeuteten Wirbelteilern
1 an jeder Vorderkante zwei gleichsinnig rotierende Wirbel 2 und
3 erzeugt werden.
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Eine andere Hauptflügelfonn ist die Delta-Tragfläche mit gebrochenen
Vorderkanten gemäß F i g. 2 und 3. Die Vorderkanten der Tragfläche
sind in der Flügelebene abgeknickt. Der eine sprungartige Änderung des Rückpfeilungswinkels
der Tragfläche verursachende Vorderkantenknick führt an der Knickstelle auch zu
einer plötzlichen Änderung der Scherkraftvergrößerung durch die von der Vorderkante
abgetrennte Wirbelschicht. Wenn die Änderung des Rückpfeilwinkels an, der Knickstelle
ausreichend groß ist, kann die Wirbelschicht in zwei konzentrierte, voneinander
getrennte Vorderkantenwirbel aufgerollt werden, anstatt nur einen Wirbel zu bilden,
wie es bei geradlinigen Vorderkanten der Fall ist. So entstehen an jeder Vorderkante
dieser Tragflächenform in übereinstimmung mit der Tragfläche gemäß F i
g. 1 zwei gleichsinnig rotierende Wirbel 4, 5 und 6, 7.
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Außer den vorerwähnten Einfachflächen bestelit auch die Möglichkeit,
eine Haupttragfläche mit einer vor ihr angebrachten Sekundärtragfläche zu kombinieren.
Die Kombination von zwei solchen Tragflächen mit geraden Kanten ist in F i
g. 4 der Zeichnungen dargestellt. Diese Tragflächenanordnung entspricht dem
schwedischen Patent 201303,
dem USA.-Patent 3 188 022 und dem schweizerischen
Patent 410 645. Die Zeichnungen lassen erkennen, wie die zwei Vorderkantenwirbel
der vorderen Tragfläche über die Haupttragfläche hinweggehen und mit den zwei Vorderkantenwirbeln
der Haupttragfläche zusammentreffen, so daß an gegenüberliegenden Seiten der Symmetrielängslinie
der Tragfläche je ein Paar von gleichsinnig rotierenden Wirbeln
8, 9
entsteht.
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Das Abtrennen und Zusammenwirken der Wirbel auf den Oberseiten der
Tragflächen führt, wie in den vorgenannten Patenten ausgeführt, zu einer wesentlichen
Verbesserung der Stabilität und des Wirkungsgrades eines Flugzeuges. Es kann jedoch
geschehen, daß die in Verbindung mit den F i g. 1 bis 4 beschriebenen gleichsinnig
umlaufenden Wirbel auf Grund von Interferenzkräften zwischen den Wirbeln eines Paares
von der Oberseite der Tragfläche abgelenkt werden. Dies ist in F i g. 5 dargestellt,
die einem Querschnitt gemäß der Schnittlinie V-V der F i g. 1,
2,
3 und 4 entspricht. Die Interferenzkräfte zwischen den Wirbeln eines jeden
Paares sind mit Pfeilen 10,
11 nach Größe und Richtung angegeben, wobei
die Kraft des einen Wirbels nach oben und die Kraft des anderen Wirbels nach unten
gerichtet ist. Es sei angenommen, daß der Anströmwinkel al einen solchen Wert hat,
daß die Wirbel fest an der Oberseite der Tragfläche haften. Wenn jedoch der Anströmwinkel
auf einen Wert von mehr als o#2 ansteigt, werden auch die Interferenzkräfte größer,
wie
es der Querschnitt der F i g. 6 zeigt. Sobald die Interferenz zwischen den
gleichsinnig umlaufenden Wirbeln über einen gewissen Wert ansteigt, beginnen die
Wirbel um eine gemeinsame Achse zu kreisen. Sobald nun einer der gleichsinnig umlaufenden
Wirbel von der Oberseite der Tragfläche abgelenkt wird, verliert der letztere einen
Teil seiner Hubkraft, so daß gleichzeitig auch der Hubmittelpunkt verschoben wird
und es zu Störungen bezüglich der Momente um die Quer- und bzw. oder Längsachse
des Flugzeuges kommt.
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Das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der ernsten Gefahren, die
sich durch einen Verlust an Auftrieb und durch Störungen der Flugzeugbewegungen
um die Quer- und bzw. oder Längsachse des Flugzeuges ergeben. Dies wird gemäß der
Erfindung dadurch erreicht, daß zwischen einem Paar gleichsinnig rotierender Wirbel
in der Nähe des einen Wirbels mindestens ein zusätzlicher Wirbel eingefügt wird,
dessen Rotationsrichtung der Rotationsrichtung des Wirbelpaares entgegengesetzt
ist.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen.
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F i g. 7 und 8 zeigen Querschnitte durch die gleichsinnig
umlaufenden Wirbelpaare gemäß F i g. 5 und 6,
zwischen denen gemäß
der Erfindung ein entgegen-2, Cresetzt umlaufender Wirbel eingefügt ist.
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Während F i g. 7 nur den Grundgedanken der Erfindung bezüglich
der F i g. 5, d. h. die Einfügung der gegensinnig rotierenden Wirbel
und die dadurch bedingte Kraftverteilung, zeigt, läßt F i g. 8 im Vergleich
mit der F i a. 6 erkennen, wie die entgegengesetzt rotierenden Wirbel in
der kritischen Phase die in F i g. 6 gezeigte Wirbelablenkung unterdrücken.
Die entgegengesetzt rotierenden Wirbel interferieren mit den zwei Nachbarwirbeln,
so daß am äußeren Wirbel eine nach unten gerichtete Kraft 20 und am inneren Wirbel
gleichzeitig eine nach oben gerichtete Kraft 21 entsteht, wenn die zwei gleichsinnig
rotierenden Wirbel auf den entgegengesetzten Wirbel mit Kräften einwirken, wie es
die nach oben und nach unten gerichteten Pfeile 22 und 23 angeben. Auf diese
Weise halten sich die Wirbel gewissermaßen gegenseitig im Schach, so daß eine Wirbelablenkung
verhindert wird.
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F i g. 9 zeigt in Diagrammform die Verbesserung des Auftriebs
und des Kippmoments um die Querachse mit einer erfindungsgemäßen Tragfläche, die
nach innen abgeknickte Vorderkanten gemäß F i g. 3
aufweist. Das Diagramm
zeigt den Auftriebskoeffizienten CL und den Kippmomentkoeffizienten
C, der Tragfläche als Funktion des Anströmwinkels "". Oberhalb eines
kritischen Anströmwinkels,ic, werden der Auftrieb und das Kippmoment der Tragfläche
stark gestört durch die in F i g. 6
dargestellte Wirbelablenkung. Die in ausgezogenen
Linien dargestellten Kurven 25 und 26 der Figur verlaufen für Anströmwinkel
bis zum Wert cci so, daß die Werte CL, C. gleichmäßig wachsen. Bei
Werten zwischen x, und oc, zeigen die Kurven plötzlich große Unstetigkeiten, so
daß die Werte CL und C. im wesentlichen konstant bleiben oder sogar beachtlich
kleiner werden. Durch die erfindungsgemäße Einfügung eines gegensinnig rotierenden
Wirbels zwischen den zwei gleichsinnig rotierenden Wirbeln gemäß F i g. 8
wird erreicht, daß die Kurven für Werte, die größer als cx, sind, nun den gestrichelten
Linien 27 und 28 folgen. Die Werte von CL und
C.
werden nun also gleichförmig größer, so daß die einleitend erwähnte Gefahr
bezüglich unstetiger Auftriebs- und Kippinomentänderungen beseitigt wird. Die Einfügung
des gegensinnig rotierenden Wirbels beseitigt auch Rollmomentstörungen, die sonst
bei Seitenlage und über dem Wert cc, liegenden Anströmwinkeln durch eine unsymmetrische
Wirbelablenkung hervorgerufen werden. Die gemäß der Erfindung erzielte Verbesserung
des Rollmoments bei Tragflächen gemäß F i g. 3 ergibt sich aus dem Diagramm
der F i g. 10. In diesem Diagramm ist der Rollmomentkoeffizient
CL als Funktion des Seitenneigungswinkels ß im unterkritischen Bereich
beim Anströmwinkel cc, und auch bei dem überkritischen Anströmwinkel *2 dargestellt.
Ähnlich wie beim Diagramm der F i g. 9 zeigen die Kurven in ausgezogenen
Linien 29 und in gestrichelten Linien 30 das sich mit und ohne Anwendung
des gegensinnig rotierenden Wirbels ergebende Resultat.
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Zur Erzeugung des gegensinnig rotierenden Wirbels wird die Tragfläche
mit einem Wirbelerzeuger versehen, der die Geschwindigkeit der Luftströmung derart
unstetig macht, daß die vorerwähnten, gegensinnig rotierenden Wirbel entstehen.
Hierfür eignen sich die verschiedensten Anordnungen, von denen einige Beispiele
nachfolgend noch näher in Verbindung mit einem Flugzeug beschrieben werden.
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F i g. 11 zeigt ein Flugzeug, dessen Tragfläche 31
eine
nach innen eingeknickte Vorderkante aufweist. Um die Spitzenströmung an der Tragfläche
bei Überschallgeschwindigkeiten zu verbessern, ist der an der Knickstelle
32 entstehende äußere Vorderkantenwirbel mit Wirbelteilern in vier Vorderkantenwirbel
33 aufgespalten. Bei geringen Geschwindigkeiten und großen Anströmwinkeln
werden die äußeren kleinen Wirbel gestört durch den großen innersten Wirbel 34,
der an dem vor der Knickstelle liegenden Teil der Tragflächenvorderkante erzeugt
wird, so daß einer oder mehrere der äußeren kleineren Wirbel 33 von der Oberseite
der Tragfläche abgelenkt werden. Gemäß der Erfindung wird die Tragfläche an jeder
Seite mit einem Wirbelerzeuger 35 versehen, der einen Wirbel 36 mit
bezüglich der Wirbel 33, 34 entgegengesetzter Rotationsrichtung erzeugt.
Der Wirbelerzeuger besteht aus einer vertikalen dreieckigen Wand oder Platte, deren
Spitze neben der Knickstelle der Tragfläche liegt, und erstreckt sich innerhalb
der Knickstelle und unmittelbar außerhalb des Wirbels 34 über die Tragfläche nach
hinten in der bei größeren Anströmwinkeln vorhandenen, von dem Wirbel 34 erzeugten
äußeren Strömung. Die nach oben von einer wirbelerzeugenden freien Kante
37 begrenzte Platte, die den entgegengesetzt rotierenden Wirbel
36 erzeugt, kann bei hohen Geschwindigkeiten weggeklappt werden, um vor allem
im überschallbereich nicht die Stabilität des Flugzeuges zu stören. Durch Einfügung
des gegensinnig rotierenden Wirbels 36 und dadurch, daß die zu seiner Erzeugung
erforderliche Energie von dem innersten Wirbel 34 entnommen ist und der letztere
auf seinem Weg nach hinten eine Störung und Schwächung erleidet, wird dem störenden
Einfluß des innersten Wirbels auf die äußeren kleinen Wirbel, die für die Lage und
den Auftrieb und damit für die Stabilität und die Steuereigenschaften des Flugzeuges
entscheidend sind, in wirksamer Weise begegnet. i
F i
g. 12 ist eine schematische Darstellung von übereinander angeordneten Tragflächen
gemäß F ig. 3
und 4. Diese Figur zeigt die zuvor beschriebenen plattenförmigen
Wirbelerzeuger 35 und auch Wirbelerzeuger in Form mehrerer eine Luftströmung
durchlassender Tragflächenschlitze 39, an deren wirbelerzeugenden Kanten
40 die Luftströmung geteilt wird.
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Es ist besonders wichtig, daß die Wirbelerzeuger die Stabilität des
Flugzeuges, insbesondere im überschallbereich, nicht stören können. Zu diesem Zweck
sind die Wirbelerzeuger so einziehbar oder abdeckbar, daß ein Strömungsangriff an
der freien wirbelerzeugenden Kante und andere Strömungsstörungen an der Tragfläche
im wesentlichen nicht auftreten können.
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F i g. 13 zeigt einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie XIII-XIII
der F i g. 12 und F i g. 14 einen Längsschnitt gemäß der Schnittlinie
XIV-XIV der F i g. 12. Diese schematischen Darstellungen zeigen, wie die
wirbelerzeugende Platte 38 auf zwei verschiedene Arten einziehbar ist. Gemäß
F i g. 13
läßt sich die Platte um eine Längsachse 41 so umklappen, daß ihre
flache Seite die Tragfläche beaufschlagt, während die Platte in F i g. 14
mit Hilfe einer durch die Spitze der Platte hindurchgehenden Querachse 42 in ihrer
eigenen Ebene verschwenkbar ist, um in einem Längsschnittschlitz 43 der Tragfläche
zu verschwinden. In beiden Fällen wird die Ein- und Ausklappbewegung der Platte
mit hydraulischen Kolben 44 gesteuert.
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Die andere Art eines Wirbelerzeugers in der Gestalt von Schlitzen
ist deutlicher in F i g. 15 dargestellt. F i g. 15 zeigt einen Querschnitt
gemäß der Schnittlinie XV-XV der F i g. 12. Der Tragflächenschlitz weist
eine Außenwand 45 auf, die an der Oberseite der Tragfläche an einer scharfen wirbelerzeugenden
Kante 40 endet, während die Kante der anderen Schlitzwand abgerundet ist, so daß
hier kein Wirbel entsteht. Wenn der Luftstrom in Pfeilrichtung von der Druckseite
der Tragfläche durch den Schlitz zur Unterdruckseite der Tragfläche strömt, wird
die Luftströmung an der Kante 40 aufgetrennt, so daß ein gegensinnig rotierender
Wirbel entsteht.
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F i g. 16 und 17 zeigen ähnliche Schlitze wie F i
g. 15. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 16
ist der Schlitz
ergänzt durch eine Abdeckung in Gestalt umlegbarer Klappen 46, 47, die im ausgeklappten
Zustand die Luftströmung durch den Schlitz ermöglichen. Die obere Klappe 46 wirkt
im ausgeklappten Zustand genauso als Wirbelerzeuger wie die Klappe 38, während
die untere Platte 47 die Luftströmung durch den Schlitz vergrößert, indem an der
Druckseite der Tragfläche der nach außen gerichtete Luftstrom, der bei großen Anströmwinkeln
oc an Tragflächen der fraglichen Form recht erheblich ist, unterbunden wird. In
F i g. 17 besteht die Abdeckung aus Deckeln 48 und 49, die in den beiden
Außenflächen des Flügels verschiebbar sind.
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Anstatt zur Wirbelerzeugung die Luft von der Druckseite der Tragfläche
zu entnehmen, kann man auch Druckluft zuführen, die die Strömungsgeschwindigkeit
unstetig macht oder deren Unstetigkeit vergrößert und hierdurch die gegensinnig
rotierenden Wirbel erzeugt oder verstärkt.
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F i g. 18 zeigt schematisch eine in der Tragfläche angeordnete
Druckluftleitung 50, die die Druckluft aus einer nicht dargestellten Druckluftquelle
zuführt.