DE19858435C1

DE19858435C1 - Deckhaut-Steg-Struktur

Info

Publication number: DE19858435C1
Application number: DE19858435A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Mueller
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2018-12-18
Also published as: ITMI992267A0; US6273367B1; FR2787415B1; FR2787415A1; GB2346355A; IT1313982B1; GB9929961D0; ITMI992267A1

Abstract

Deckhaut-Steg-Struktur für den Einsatz in Strömungsprofilen, insbesondere Tragflügeln oder deren Komponenten, mit einer druckseitigen und einer saugseitigen Deckhaut, verbunden über in Spannweitenrichtung verlaufende im wesentlichen aus Faserverbundmaterial bestehende Stege, die einen oder mehrere im wesentlichen von der saugseitigen zur druckseitigen Deckhaut verlaufende(n) Stegausschnitt(e) aufweisen, wobei die Stege im Bereich der Stegausschnitte metallisch sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Deckhaut-Steg-Struktur für den Einsatz in Strömungsprofilen, insbesondere Tragflügeln oder deren Komponenten, mit einer druckseitigen und einer saugseitigen Deckhaut, verbunden über in Spannweitenrichtung verlaufende Stege, die einen oder mehrere im wesentlichen von der saugseitigen zur druckseitigen Deckhaut verlaufende(n) Stegausschnitt(e) aufweisen.

Moderne Flügelprofile sind in vielen Fällen modular aufgebaut, um bei Wartungsarbeiten einen guten und schnellen Zugang zu den einzelnen Bereichen der Struktur zu gewährleisten. Auf diese Weise kommen Deckhaut-Steg-Strukturen zum Einsatz, bei denen die saug- bzw. druckseitigen Deckhäute über in Spannweitenrichtung verlaufende Stege verbunden sind. Die Deckhaut-Steg-Struktur wird über die an tragenden Teilen befestigten und in Strömungsrichtung verlaufenden Rippen geschoben.

Aus DE 196 43 222 A1 ist eine gattungsgemäße Deckhaut-Steg-Struktur aus Faserverbundmaterial für eine Landeklappe eines Tragflügels bekannt, bei der eine saug- und druckseitige Deckhaut über in Spannweitenrichtung verlaufende Stege verbunden sind. Die Stege weisen in Spannweitenrichtung versetzt Stegausschnitte auf, durch die in Strömungsrichtung verlaufende und an tragenden Teilen befestigte Rippen in die Struktur eingreifen, um eine Stabilisierung der Struktur unter aerodynamischen Lasten in Strömungsrichtung zu gewährleisten. Diese Struktur ist modular aufgebaut, besitzt aufgrund der Herstellung aus Faserverbundmaterial ein geringes Gewicht und kann, wenn eine Profiländerung gewünscht ist, mit geringem Kraftaufwand gewölbt werden.

Nachteilig wirkt sich bei diesem Aufbau aus, daß das Faserverbundmaterial der Stege im Bereich der Stegausschnitte den großen Belastungen nicht standhält, die durch die hohen aerodynamischen Lasten an den Deckhäuten über die Stege in die Rippen eingeleitet werden. Mit Faserverbundmaterialien fassen sich hohe Materialdehnungen erzielen, wenn das Material längs der Faserrichtung belastet wird. Da sich aber eine derartige Fasergeometrie im Grenzbereich der Stegausschnitte zu den Rippen nicht realisieren läßt, sind die erreichbaren Dehnungen zu gering, um die aerodynamischen Lasten im Grenzbereich ohne Beschädigung des Faserverbundmaterials von den Stegen auf die Rippen zu übertragen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Deckhaut-Steg-Struktur dahingehend weiterzuentwickeln, daß sie bei geringem Gewicht stabil genug ist, um die hohen Belastungen der aerodynamischen Lasten von den Deckhäuten über die Stege in die Rippen einzuleiten, ohne daß die Dehnungsgrenzwerte des Materials im Übergangsbereich von den Stegen zu den Rippen überschritten werden. Dabei soll sie kostengünstig fertigbar sein.

Zur Lösung der Aufgabe ist eine Deckhaut-Steg-Struktur der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Stege im Bereich der Stegausschnitte metallisch sind.

Bei der erfindungsgemäßen Deckhaut-Steg-Struktur sind im Bereich der Stegausschnitte größere Materialdehnungen möglich, ohne daß die Stege beschädigt werden, da durch den Einsatz metallischer Materialien deren isotrope Eigenschaften zum Tragen kommen und kein gesonderter Lagenaufbau einer Faserverbundkonstruktion zu beachten ist. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau, wodurch die Herstellung kostengünstig wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Deckhaut-Steg-Struktur flexibel, so daß in dem Bereich des Tragflügels, in dem die Deckhaut-Steg-Struktur angebracht wird, eine knickfreie Wölbungsänderung, d. h. eine Änderung des Tragflügelprofils durchgeführt werden kann. Durch die Wölbungsänderung flexibler Strukturen kann der Einsatzbereich des Flügels auf die jeweiligen Flugkonditionen angepaßt werden, wodurch eine höhere Flexibilität im Einsatz erzielt wird.

Besonders vorteilhaft ist hierzu der Einsatz von Verstelleinrichtungen, die sich anstelle der Rippen durch die Stegausschnitte in die Deckhaut-Steg-Struktur erstrecken und zu einer Wölbungsänderung der Struktur führen. Durch die Verstelleinrichtungen, deren Kräfte im Inneren der Struktur angreifen, bleibt die Aerodynamik des Profils im Gegensatz zu außen am Tragflügel angebrachten Betätigungsvorrichtungen erhalten. Bei letzteren ist eine strömungsgünstige Verkleidung notwendig, was zu einer ungünstigen Luftströmung am Tragflügel führt. Allerdings wirken bei einem derart ausgestalteten Aufbau hohe Schub- und Zugbelastungen auf die Stege, da durch das ungünstige Hebelverhältnis zwischen Verstelleinrichtung und Deckhaut-Steg-Struktur sowohl bei der Übertragung der aerodynamischen Lasten als auch beim Verwölben der Struktur hohe Kräfte übertragen werden müssen. Bei einer zusätzlichen Verwölbung der Deckhaut-Steg-Struktur treten zu den aerodynamischen Lasten noch Rückstellkräfte der elastischen Struktur, so daß hier eine zusätzliche Belastung des Materials auftritt. Bei derart hohen Belastungen der Stege ist es notwendig, diese durch den Einsatz von Metall im Bereich der Stegausschnitte an die maximal auftretenden Dehnungen anzupassen. Dies gilt allerdings auch schon für Ausgestaltungen mit durch die Stegausschnitte eingreifenden Verstelleinrichtungen und solche, bei denen Rippen durch die Stegausschnitte geführt werden, wenn eine konstante Wölbung der Struktur gehalten wird nur die aerodynamischen Lasten übertragen werden. Die Saug- bzw. Druckkräfte an den jeweiligen Deckhäuten müssen über die Stege in die Rippen bzw. Verstelleinrichtungen übertragen werden. Hierbei werden die Stege im wesentlichen längs ihrer Ausdehnung beansprucht.

Beim Einsatz metallischer Deckhäute ist ein Verschweißen der Deckhäute mit den metallischen Bereichen der Stege möglich. Ebenso können unabhängig vom Deckhautmaterial die metallischen Bereiche der Stege mit den Deckhäuten verklebt werden, doch ist es für eine gute Kraftübertragung zwischen den Deckhäuten und den Stegen vorteilhaft, daß die metallischen Bereiche der Stege mit den Deckhäuten vernietet sind. Dadurch können eventuell auftretende Scherkräfte zwischen den Komponenten am besten abgefangen werden, so daß sich die Deckhäute in den stark beanspruchten metallischen Bereichen nicht von den Stegen ablösen.

Bevorzugt bestehen die metallischen Bereiche der Stege aus Titan. Titan weist eine sehr hohe maximale Dehnungsgrenze auf, so daß die Stege im Bereich der Stegausschnitte an der Kontaktfläche zu den Rippen bzw. Verstelleinrichtungen den hohen Belastungen standhalten. Außerdem besitzt Titan eine hohe Flexibilität, um im Fall einer Wölbungsänderung eine leichte Verbiegung der Stege möglich zu machen, ohne daß das Material bricht.

Die Deckhäute der Deckhaut-Steg-Struktur können aus einem Metall oder einer Legierung hergestellt werden, doch ist es besonders vorteilhaft, Deckhäute einzusetzen, die aus Faserverbundmaterial bestehen. Dies gewährleistet ein extrem geringes Gewicht der gesamten Struktur. Außerdem ist im Falle des Einsatzes von Verstelleinrichtungen und somit der Verwölbung der Struktur eine hohe Flexibilität der Deckhäute bei gleichzeitiger Festigkeit gegeben, da in diesem Fall die Fasern in den Deckhäuten derart ausgerichtet werden können, daß eine Belastung entlang der Faserrichtung stattfindet. Auf diese Weise wird eine hohe Dehnfestigkeit der Deckhäute erreicht.

Da die Belastung der Stege außerhalb der Bereiche mit den Stegausschnitten abnimmt, bestehen die Stege in diesen Abschnitten im wesentlichen aus Faserverbundmaterial. Hierdurch wird eine weitere Gewichtsreduzierung der Deckhaut-Steg-Struktur realisiert. Bei einen Einsatz von Deckhäuten aus Faserverbundmaterial ist es zusätzlich möglich, im Herstellprozeß die Stegabschnitte aus Faserverbundmaterial und die Deckhäute gleichzeitig zu fertigen und die metallischen Stegbereiche separat einzufügen.

Die aus Faserverbundmaterial bestehenden Stegabschnitte und die metallischen Bereiche der Stege sind bevorzugt in Strömungsrichtung versetzt zueinander angeordnet. Hierdurch wird zwar der Verlauf des gesamten Steges in Spannweitenrichtung unterbrochen, doch entstehen im Übergangsbereich zwischen Metall und Faserverbundmaterial keine Kontaktprobleme, die zu einer Korrosion im metallischen Bereich führen können. Der Verlauf der Stege in Spannweitenrichtung wird nur unmerklich unterbrochen, wenn die Stegbereiche nur um Stegbreite versetzt angeordnet werden und dies sukzessive in bzw. gegen die Strömungsrichtung korrigiert wird. Außerdem bringt eine derartige Ausführungsform Vorteile bei der Fertigung, da die Toleranzen bei der Anordnung der metallischen Bereiche und der Stegabschnitte untereinander größer gewählt werden können.

Vorteilhaft befinden sich zwischen den Stegen sogenannte Stringer. Diese verlaufen in Spannweitenrichtung parallel zu den Stegen und sind entweder an der saug- oder an der druckseitigen Deckhaut befestigt. Sie erstrecken sich von den Deckhäuten bis in einen Bereich in die Struktur hinein, der zwischen den Deckhäuten liegt. Da die saug- und deckseitigen Stringer sich nicht berühren, können sie an entsprechenden Stellen in Strömungsrichtung an beiden Deckhäuten befestigt sein, oder teilweise versetzt. Um weiterhin Rippen bzw. Verstelleinrichtungen durch die Stegausschnitte in die Deckhaut- Steg-Struktur eingreifen lassen zu können, sind die Stringer im Bereich der Stegausschnitte unterbrochen. Bei einer derartigen Ausführungsform ergibt sich sowohl bei einer steifen wie auch bei einer wölbbaren Struktur ein geänderten Kraftfluß, der die Stegausschnitte entlastet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorzüge ergeben.

Die Figur zeigt einen Auschnitt der in einem Tragflügel eingesetzten erfindungsgemäßen Deckhaut-Steg-Struktur 10, die durch eine saugseitige Deckhaut 11 und eine druckseitige Deckhaut 12 aus Faserverbundmaterial begrenzt wird, welche durch mehrere in Strömungsrichtung II-II versetzt angeordnete Stege 20 verbunden sind (der Übersicht halber ist hier nur ein Steg dargestellt). Die Stege 20 verlaufen entlang der Spannweitenrichtung I-I und haben die Form einer Doppel-T-Trägers. Sie bestehen abwechselnd aus metallischen Bereichen 21, die aus Titan hergestellt sind, und Stegabschnitten 22 aus Faserverbundwerkstoff. Die metallischen Bereiche 21 weisen Stegausschnitte 30 auf, die von der saugseitigen Deckhaut 11 zur druckseitigen Deckhaut 12 verlaufen und im wesentlichen eine runde Form aufweisen. Durch diese werden im Betrieb in Strömungsrichtung verlaufende Verstelleinrichtungen geführt (nicht dargestellt), die ein unbeabsichtigtes Verbiegen der Struktur in Strömungsrichtung aufgrund der aerodynamischen Lasten verhindern und Kräfte in die tragenden Abschnitte des Tragflügels einleiten, wobei sie gleichzeitig eine Verwölbung der Struktur zur Anpassung des Profils an die gegebenen Flugkonditionen bewerkstelligen.

Die metallischen Bereiche 21 der Stege 20 sind an ihren Deckflächen 23 mit den Innenseiten der druckseitigen Deckhaut 12 und der saugseitigen Deckhaut 11 mittels Nieten 16 verbunden. In den Stegabschnitte 22 aus Faserverbundwerkstoff sind die Stege 20 an die Deckhäute 11, 12 geklebt.

Parallel zu den Stegen verlaufen in Spannweitenrichtung sogenannte Stringer 15 aus Faserverbundwerkstoff, die integral mit den Deckhäuten 11, 12 gefertigt sind. Allerdings ist hier auch eine Ausführungsform möglich, bei der die Stringer 15 über eine Klebe- oder Nietfahne mit den Deckhäuten 11, 12 verbunden sind.

Claims

1. Deckhaut-Steg-Struktur (10) für den Einsatz in Stömungsprofilen, insbesondere Tragflügeln oder deren Komponenten, mit einer druckseitigen (12) und einer saugseitigen Deckhaut (11), verbunden über in Spannweitenrichtung verlaufende im wesentlichen aus Faserverbundmaterial bestehende Stege (20), die einen oder mehrere im wesentlichen von der saugseitigen zur druckseitigen Deckhaut verlaufende(n) Stegausschnitt(e) (30) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (20) im Bereich der Stegausschnitte (30) metallisch sind.

2. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckhaut-Steg-Struktur (10) flexibel ist.

3. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich in die Stegausschnitte (30) Verstelleinrichtungen zur Verwölbung der Deckhaut-Steg- Struktur (10) hindurch erstrecken.

4. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Bereiche (21) der Stege (20) mit den Deckhäuten (11, 12) vernietet sind.

5. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Bereiche (21) der Stege (20) aus Titan bestehen.

6. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckhäute (11, 12) aus Faserverbundmaterial bestehen.

7. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Bereiche (21) und die im wesentlichen aus Faserverbundmaterial bestehenden Abschnitte (22) der Stege (20) in Strömungsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.

8. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Stegen (20) Stringer (15) in Spannweitenrichtung verlaufen, die sich von der saugseitigen (11) und/oder der druckseitigen Deckhaut (12) bis in einen Bereich zwischen den Deckhäuten erstrecken und im Bereich der Stegausschnitte (30) unterbrochen sind.