DE19925560A1 - Zusatzflügel für Hauptflügel von Flugzeugen - Google Patents

Abstract

Bei einem Zusatzflügel für Hauptflügel (3) von Flugzeugen, der an den Hauptflügel (3) angelenkt und ausfahrbar ist, ist eine Trennfläche (6) an dem Zusatzflügel angeordnet, die sich in Richtung des Hauptflügels (3) erstreckt und entlang einer Trennstromlinie (9) zwischen einem Wirbelströmungsgebiet (8) und einer Spaltströmung (7) der zwischen dem Zusatzflügel und dem Hauptflügel (3) strömenden Luft angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zusatzflügel für Hauptflügel von Flugzeugen, wobei der Zusatzflügel an den Hauptflügel angelenkt und ausfahrbar ist.

Zur Steigerung des Auftriebs im Landeanflug bei reduzierter Fluggeschwindigkeit werden Zusatzflügel, z. B. Vorflügel und Landeklappen, an die Hauptflügel von Flugzeugen angebracht. Im Landeanflug werden diese Zusatzflügel ausgefahren, so daß die effektive Profilwölbung und Auftriebsfläche des Hauptflügels erhöht wird. Bei heutigen Verkehrsflugzeugen werden i. d. R. Vorflügel vom Typ "Handley page slats" und bei den Landeklappen sogenannte "Fowlerflaps" eingesetzt.

In von den Berg, B.: An experimental investigation on an airfoil with a slat into the effect of the seperation bubble in the slat cove, NLR memorandum AL-85-001 U, February 1985 ist ein Versuch mit Vorflügeln beschrieben, bei denen die Vorflügelrückseiten verschiedene Formen aufweisen. In der "Basic slat configuration" ist die Querschnittsform des Vorflügels so bemessen, daß die Kontur der Vorflügelrückseite das negative Abbild der Kontur der Hauptflügelnase darstellt. Wenn der Vorflügel während des Reise­ fluges eingefahren ist, liegt der Vorflügel somit bündig an dem Hauptflügel an. Bei einer anderen Querschnittsform, "Slat hook rounded off" genannt, ist der untere Bereich der Vorflügelrück­ seite abgerundet und liegt nicht bündig an dem Hauptflügel an, wenn der Vorflügel eingefahren ist. Eine andere Querschnitts­ form, die sogenannte "Fairing in slat cove" hat eine Überhöhung im unteren Bereich der Vorflügelrückseite, so daß die Quer­ schnittsform des Vorflügels eine Blasenkontur aufweist. Bei die­ ser Querschnittsform wird im ausgefahrenen Zustand des Vorflü­ gels der Auftrieb erhöht, da höhere Strömungsgeschwindigkeiten der Spaltströmung zwischen dem Vorflügel und dem Hauptflügel auftreten.

Ausgehend von diesen Erkenntnissen und den bekannten Flügelkom­ binationen war es Aufgabe der Erfindung, die Lärmemission von Verkehrsflugzeugen im Landeanflug zu mindern. Hierbei war zu beachten, daß das Umströmungsgeräusch der Flügel und der Zelle meist größer als das Geräusch der Triebwerke ist, da Maßnahmen zur Triebwerkslärmminderung in der Phase des Landeanflugs be­ reits erfolgreich umgesetzt wurden. Die wesentlichsten Strö­ mungsgeräuschquellen sind die Fahrwerke, die Vorflügel und die Landeklappenseitenkanten.

Die Aufgabe wird durch die Zusatzflügel für Hauptflügel von Flugzeugen gemäß Patentanspruch 1 gelöst, indem eine Trennfläche an dem Zusatzflügel, die sich in Richtung des Hauptflügels er­ streckt und entlang einer Trennstromlinie zwischen einem Wirbel­ strömungsgebiet und einer Spaltströmung der zwischen dem Zusatz­ flügel und dem Hauptflügel strömenden Luft angeordnet ist.

Auf der Rückseite des Vorflügels entsteht im ausgefahrenen Zu­ stand eine Strömungsablösung der Spaltströmung zwischen dem Vor­ flügel und dem Hauptflügel in Form eines ausgeprägten Wirbels. Dieser Wirbel wird durch die angrenzende Spaltströmung ständig mit neuer Energie versorgt. Es wurde erkannt, daß über die Tren­ nstromlinie zwischen dem Wirbelströmungsgebiet und der Spalt­ strömung kontinuierlich Turbulenzballen in die beschleunigte Spaltströmung gelangen, wodurch Lärm entsteht. Es wurde weiter­ hin erkannt, daß Lärm auch durch die Abströmung der Turbu­ lenzballen über die Hinterkante des Vorflügels entsteht. Es wur­ de weiter erkannt, daß die geometrische Lage des Wirbels nicht stabil ist, so daß durch die oszillatorische Lage der Wirbelach­ se eine zusätzliche instationäre Geschwindigkeitskomponente überlagert wird, wodurch ebenfalls ein Strömungsgeräusch verur­ sacht wird.

Es hat sich herausgestellt, daß durch Einbringen einer Trennflä­ che entlang der Trennstromlinie zwischen dem Wirbel und der Spaltströmung diese vorgenannten Strömungsquellen minimiert wer­ den können, ohne den Auftrieb zu beeinflussen. Durch diese Trennfläche wird der Impulsaustausch quer zur Richtung der Spaltströmung verhindert.

Es ist ausreichend, wenn das Wirbelgebiet nur teilweise abge­ deckt wird und die Trennfläche nicht das gesamte rückwärtige Vorflügelprofil umschließt. Hierdurch kann das Umströmungsge­ räusch des Gesamtflugzeugs um etwa 3 dB vermindert werden.

Die Trennfläche kann starr sein und sollte an den Zusatzflügel angelenkt und einschwenkbar sein, wenn der Zusatzflügel in Rich­ tung des Hauptflügels eingefahren wird. Hierdurch wird gewähr­ leistet, daß der Vorflügel im Reiseflug bündig an den Hauptflü­ gel angelegt werden kann und keine nennenswerten Strömungsver­ luste auftreten.

Die Trennfläche kann aber auch flexibel sein und während des Einfahrens des Vorflügels in den Spalt zwischen Vorflügel und Hauptflügel gedrückt werden. Allerdings hat sich herausgestellt, daß eine flexible Trennfläche im ausgefahrenen Zustand des Vor­ flügels durch den Wirbel gegen die Vorflügelrückseite gedrückt werden kann und sich aufgrund dieses Kräfteverhältnis nicht au­ tomatisch in der Trennstromlinie einstellt.

Es ist daher vorteilhaft, wenn die Trennfläche aus einem auf­ blasbaren Ballon gebildet wird, der an dem Zusatzflügel ange­ bracht und mit Druck beaufschlagbar ist. Wenn der Zusatzflügel ausgefahren wird, kann der Ballon mit Druckkraft aufgebläht wer­ den, so daß er das Wirbelströmungsgebiet vollständig ersetzt. Beim Einfahren des Vorflügels wird der Druck abgelassen und der Ballon in den Spalt zwischen Vorflügel und Hauptflügel gedrückt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnun­ gen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Querschnittsansicht eines Vorflügels vom Typ "Handley page" mit Trennfläche im ausgefahrenen Zustand;

Fig. 2 Querschnittsansicht des Vorflügels vom Typ "Hand­ ley page" mit Trennfläche im eingefahrenen Zustand;

Fig. 3 Stromlinienbild für die Umströmung eines Vorflü­ gels;

Fig. 4 Vergleich des relativen Quellgeräuschpegels bei einem Vorflügel mit und ohne Trennfläche;

Fig. 5 Geräuschpegel bei einem Vorflügel mit und ohne Trennfläche in Abhängigkeit von dem Anstellwinkel des Vorflügels.

Die Fig. 1 läßt einen Vorflügel 1 vom Typ "Handley page" im Querschnitt erkennen, der an die Nase 2 eines Hauptflügels 3 angelenkt ist. Der Vorflügel 1 befindet sich im ausgefahrenen Zustand. Diese Einstellung wird für den Landeanflug gewählt, um den Auftrieb zu steigern. Es ist erkennbar, daß die Kontur der Vorflügelrückseite 5 an die Nase 2 des Hauptflügels 3 angepaßt ist. Die Trennfläche 6 ist an die Unterkante der Vorflügelrück­ seite 5 angelenkt und erstreckt sich von dieser etwa parabelför­ mig in Richtung der Nase 2 des Hauptflügels 3. Vorzugsweise ist die Trennfläche 6 einklappbar oder einfahrbar, wenn der Vorflü­ gel 1 an den Hauptflügel 3 gefahren ist, wie in der Fig. 2 skizziert ist.

Die Trennfläche 6 muß, wie in der Fig. 2 skizziert ist, soweit z. B. in einen Stauraum in der Vorflügelrückseite 5 eingeklappt werden, daß der Vorflügel 1 bündig an dem Hauptflügel 3 anliegt, und damit die Kontur der Gesamtanordnung von Vor- und Hauptflü­ gel 1 und 3 (Reisekonfiguration) keine Spalte mehr aufweist.

Die Fig. 3 zeigt ein typisches Stromlinienbild für die Umströ­ mung eines Vorflügels 1, der für einen Landeanflug ausgefahren ist. Es ist erkennbar, daß eine Spaltströmung 7 zwischen dem Vorflügel 1 und dem Hauptflügel 3 hindurch läuft, so daß trotz starker Wölbung der Gesamtanordnung Strömungsablösungen am Hauptflügel 3 vermieden werden. Zwischen der Vorflügelrückseite 5 und der Spaltströmung 7 befindet sich ein Wirbelströmungsge­ biet 8. Über die Trennstromlinie 9 zwischen dem Wirbelströmungs­ gebiet 8 und der Spaltströmung 7, die auch als Scherschicht be­ zeichnet werden kann, gelangen Turbulenzballen in die Spaltströ­ mung 7, die aufgrund der Spaltverengung im oberen Bereich zwi­ schen Vorflügel 1 und Hauptflügel 3 beschleunigt werden. Zudem bewegt sich die Wirbelachse oszillatorisch. Hierdurch wird ein Strömungsgeräusch verursacht. Wenn nun in die Trennstromlinie 9 eine Trennfläche 6 eingebracht wird, wird ein Impulsaustausch quer zur Richtung der Spaltströmung 7 verhindert und die oszil­ latorische Bewegung der Wirbelachse verringert.

Die Fig. 4 läßt ein Diagramm erkennen, bei dem ein relativer Quellgeräuschpegel über einer dimensionslosen Frequenz bei einem Strömungsversuch mit einem Vorflügel 1 mit und ohne Trennfläche 6 in der Trennstromlinie 9 aufgetragen ist. Aus dem Diagramm ist erkennbar, daß durch eine teilweise Abdeckung der Vorflügel­ rückseite 5 der Vorflügellärm vermindert werden kann. Die Trenn­ fläche 6 hat einen etwa parabelförmigen Verlauf. Sie deckt die in der Fig. 3 skizzierte Trennstromlinie 9 nur etwa zur Hälfte ab.

Der relative Quellgeräuschpegel ist für einen Vorflügel 1 ohne Trennfläche 6 als durchgezogene Linie über einer dimensionslosen Frequenz in dB aufgetragen. Es ist erkennbar, daß die Kurve für den relativen Quellgeräuschpegel für die Versuchsanordnungen mit Trennfläche 6, d. h. mit slat-cove-cover, unterhalb von der durchgezogenen Linie liegen. Der Quellgeräuschpegel konnte er­ sichtlich verringert werden.

Die Fig. 5 zeigt das Ergebnis eines Experiments, bei dem der gemessene Geräuschpegel eines Modells über die auf die Original­ ausführung der Tragflächen umgerechneten Frequenz aufgetragen ist. Der Versuch wurde bei verschiedenen Anstellwinkeln der Flugzeuglängsachse, nämlich bei α = 5°, 7° und 9° durchgeführt. Die durchgezogene Linie zeigt jeweils den Geräuschpegel bei ei­ nem Vorflügel 1 ohne Trennfläche 6 und die gepunktete Linie den Geräuschpegel für einen Vorflügel 1 mit einer Trennfläche 6, die entsprechend der Fig. 3 teilweise entlang der Trennstromlinie 9 verläuft. Es ist aus dem Diagramm ersichtlich, daß der Geräusch­ pegel bei jedem Anstellwinkel durch die Trennfläche 6 verringert werden kann. Die Größenordnung der Geräuschpegelminderung be­ trägt ca. 3 dB.

Claims (9)

1. Zusatzflügel für Hauptflügel (3) von Flugzeugen, wobei der Zusatzflügel an den Hauptflügel (3) angelenkt und ausfahr­ bar ist, gekennzeichnet durch eine Trennfläche (6) an dem Zusatzflügel, die sich in Richtung des Hauptflügels (3) er­ streckt und entlang einer Trennstromlinie (9) zwischen ei­ nem Wirbelströmungsgebiet (8) und einer Spaltströmung (7) der zwischen dem Zusatzflügel und dem Hauptflügel (3) strö­ menden Luft angeordnet ist.

2. Zusatzflügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennfläche (6) die Trennstromlinie (9) nur teilweise überdeckt.

3. Zusatzflügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennfläche (6) die Trennstromlinie (9) vollständig überdeckt.

4. Zusatzflügel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Trennfläche (6) starr ist.

5. Zusatzflügel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Trennfläche (6) an den Zusatzflügel angelenkt und einschwenkbar ist, wenn der Zusatzflügel in Richtung des Hauptflügels (3) eingefahren wird oder bei veränderten Flugzeuganstellwinkel eine Anpassung der Winkelstellung der Trennfläche (6) erforderlich ist.

6. Zusatzflügel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Trennfläche (6) flexibel ist.

7. Zusatzflügel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennfläche (6) ein aufblasbarer Ballon ist, wobei der Ballon an dem Zusatzflügel angebracht und mit Druck beauf­ schlagbar ist, wenn der Zusatzflügel ausgefahren wird.

8. Zusatzflügel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ballon so geformt ist, daß er im aufgeblasenen Zustand das Wirbelströmungsgebiet (8) ersetzt.

9. Zusatzflügel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Zusatzflügel ein Vorflügel (1) ist.