DE19964114A1 - Aerofoil section with lift-increasing trailing edge, in which trailing edge has spoilers on one or both sides to cause flow breakaway - Google Patents
Aerofoil section with lift-increasing trailing edge, in which trailing edge has spoilers on one or both sides to cause flow breakawayInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft die Verbesserung eines Flügelprofiles, an dem sich bei Anströmung durch ein Fluid eine Unterdruckseite und eine Druckseite ausbildet, insbesondere Flugzeugtragflügel, Schaufeln von Verdichtern, Pumpen oder Turbinen, und das eine verdickte oder divergente Hinterkante oder das als Hinterkante zur Druckseite hin eine Abwinkelung (Gurney-Flap) aufweist.The invention relates to the improvement of a wing profile on which Inflow through a fluid forms a vacuum side and a pressure side, in particular aircraft wings, blades of compressors, pumps or Turbines, and that a thickened or divergent trailing edge or that as Has an angled edge (Gurney flap) towards the pressure side.
Die Erfindung kann auf folgenden Gebieten zum Einsatz kommen:
The invention can be used in the following areas:
- - Subsonische und transsonische Tragflügelprofile für den Reiseflug von Verkehrflugzeugen- Subsonic and transonic wing profiles for the cruise of Commercial aircraft
- - Flügelklappenprofile für Start bzw. Landung von Flugzeugen- Wing flap profiles for take-off and landing of aircraft
- - Beschaufelungen von Strömungsmaschinen wie Kompressoren, Pumpen und Turbinen- Blading of flow machines such as compressors, pumps and turbines
Die Forderung nach höheren Transportleistungen bei Flugzeugen und damit nach höheren Flug-Machzahlen hat zur Entwicklung transsonischer Tragflügelprofile geführt. Einige moderne transsonische Profile weisen eine divergente Hinterkante auf, die sowohl aerodynamische wie auch strukturmechanische Vorteile hat.The demand for higher transport services for aircraft and thus after higher flight mach numbers has led to the development of transonic Wing profiles guided. Some modern transonic profiles have one divergent trailing edge that is both aerodynamic and has structural mechanical advantages.
Neben dem Streben nach einer Leistungssteigerung von Tragflügelprofilen gibt es die Notwendigkeit, Verkehrsflugzeuge leiser zu machen. Durch Verbesserungen auf dem Gebiet der Aeroakustik sind Strahltriebwerke als allein dominante Lärmquelle verdrängt worden. So werden Umströmungsgeräusche, die an Flügelhinterkanten und Klappen des Hochauftriebssystems bei Start und Landung entstehen, immer wichtiger. Leistungssteigerungen sind auch bei Strömungsmaschinen erwünscht. Der Auftrieb z. B. einer Kompressorschaufel wird durch eine kleine abgeknickte Hinterkante um 10-15% gesteigert. Dadurch wird der Leistungsumsatz der Kompressorstufe einer Gasturbine entsprechend erhöht. Bisher störten jedoch die zusätzlichen Vibrationen, die hinter abgeknickten Hinterkanten in der Nachlaufströmung entstehen. Diese belasten die Schaufel und können zu vorzeitigen Ermüdungsbrüchen führen.In addition to striving for an increase in performance of wing profiles there there is a need to make commercial aircraft quieter. By Improvements in the field of aeroacoustics are considered jet engines dominant noise source alone has been displaced. So be Circumferential noises at the trailing edge of the wing and flaps of the High lift systems during takeoff and landing are becoming increasingly important. Increases in performance are also desirable for turbomachines. The Buoyancy z. B. a compressor blade is kinked by a small one Trailing edge increased by 10-15%. As a result, the power turnover of the Compressor stage of a gas turbine increased accordingly. So far, however the additional vibrations behind the bent rear edges in the Follow-up flow arise. These strain the bucket and can cause premature fatigue fractures.
Bei Windkraftanlagen sind kleine abgeknickte Hinterkanten an den Flügeln bereits zur Leistungserhöhung erfolgreich eingesetzt worden. Hier stört die zusätzliche Lärmerzeugung der Nachlaufströmung hinter der abgeknickten Flügel-Hinterkante.In the case of wind turbines, there are small kinked trailing edges on the wings have already been successfully used to increase performance. Here it bothers additional noise generation of the wake behind the kinked Wing trailing edge.
Der Rennfahrer und Konstrukteur Dan Gurney hatte in den siebziger Jahren kleine stark abgewinkelte Klappen an der Hinterkante von Abtrieb erzeugenden Flügeln von Rennwagen angebracht, um die Bodenhaftung dieser Fahrzeuge verbessern. Seine "Gurney-Flaps" werden seitdem bei Rennwagen-Flügeln eingesetzt. Aus einem Aufsatz von Liebeck, "Design of subsonic airfoils for high lift" in der US-Zeitschrift Journal of Aircraft, Vol. 15, No. 9, Sept. 1978, S. 547-561, ist bekannt, daß "Gurney-Flaps" auch bei Flugzeug-Tragflügeln zur Auftriebserhöhung erfolgversprechend eingesetzt werden können. Im Gegensatz zu den sonst bisher eingesetzten Klappen bei Flugzeugflügeln sind "Gurney-Flaps" sehr klein, mit einer typischen Klappenlänge von nur 0,3-2% der Flügeltiefe. Es wird hier die Tatsache ausgenützt, daß die hintere Abströmkante eines Flügels eine besonders starke Wirkung auf dessen aerodynamische Eigenschaften hat, insbesondere auf den Auftrieb.The racing driver and designer Dan Gurney had in the 1970s small strongly angled flaps on the trailing edge of downforce-producing Wings of racing cars are attached to the traction of these vehicles improve. His "Gurney flaps" have been used on racing car wings ever since used. From an essay by Liebeck, "Design of subsonic airfoils for high lift "in the Journal of Aircraft, Vol. 15, No. 9, Sept. 1978, pp. 547-561, it is known that "Gurney flaps" are also used in aircraft hydrofoils Buoyancy increase can be used promisingly. in the Contrary to the flaps used previously in aircraft wings "Gurney flaps" very small, with a typical flap length of only 0.3-2% the wing depth. The fact is used here that the rear one Trailing edge of a wing has a particularly strong effect on it has aerodynamic properties, especially on lift.
Bei Flugzeugen interessieren besonders die Hochauftriebs-Konfigurationen der Tragflügel für Landung und Start und außerdem der Flug bei hoher Unterschallgeschwindigkeit. Bei der Landung von Flugzeugen ist klar, daß hoher Auftrieb wünschenswert ist, um die Landegeschwindigkeit niedrig halten zu können. Der zusätzliche Widerstand einer kleinen, steil bis hin zu rechtwinklig angestellten Klappe spielt dagegen hier keine Rolle. Beim Reiseflug eines Flugzeugs bei hoher Unterschallgeschwindigkeit ist jedoch zusätzlicher Widerstand unerwünscht. Hier führt eine "Gurney-Flap" oder eine divergierende Flügelhinterkante zu einer Verbesserung, obwohl diese Hinterkantengestaltung an sich zu einer geringfügigen Widerstandserhöhung beiträgt. Diese Widerstandserhöhung wird durch eine begrenzte Strömungsablösung an der Hinterkante verursacht.The high-lift configurations of aircraft are of particular interest Wing for landing and takeoff and also the flight at high Subsonic speed. When aircraft land, it is clear that high lift is desirable to keep landing speed low to be able to. The additional resistance of a small, steep all the way up right-angled flap, however, does not matter here. At the However, an airplane's cruise at high subsonic speed is additional resistance undesirable. Here is a "Gurney flap" or one divergent trailing wing edge to an improvement, though this Trailing edge design in itself to a slight increase in resistance contributes. This increase in resistance is limited by a Flow separation caused at the rear edge.
Unter divergierender Hinterkante ist in diesem Zusammenhang eine Hinterkante eines Tragflügels oder seiner hinteren Klappen oder einer Schaufel bei einer Strömungsmaschine oder eines Flügels eines Propellers zu verstehen, bei der das Flügelprofil in seinem End-Querschnitt dicker ist, als an einer Stelle vor der Hinterkante; die Saug- und Druckseite des Profiles entfernen sich wieder von einander und die Hinterkante weist als Abschluß quasi eine zweidimensionale Ebene auf. In der Praxis bemühte man sich dagegen in der Regel, den Hinterkantenquerschnitt so schmal und spitz wie materialbedingt möglich zu gestalten.In this context, there is a trailing edge under the diverging trailing edge a wing or its rear flaps or a shovel on one To understand turbomachine or a wing of a propeller, in which the wing profile in its end cross-section is thicker than at a point in front of the Trailing edge; the suction and pressure side of the profile move away from each other and the trailing edge quasi has a two-dimensional finish Level on. In practice, however, efforts were usually made to Trailing edge cross section as narrow and pointed as possible due to the material shape.
Die "Gurney-Flap" bzw. die divergente Flügelhinterkante erzeugt eine Druckerhöhung auf dem hinteren Teil der Flügelunterseite. Dadurch wird der Flügelauftrieb deutlich vergrößert. Andererseits kann so der gleiche Auftrieb bei niedrigerem Flügel-Anstellwinkel erreicht werden. Das entlastet die Flügel- Oberseite, deren Umströmung bei Fluggeschwindigkeiten in der Nähe der Schallgeschwindigkeit besonders verlustreich ist. Dort ist nämlich die Auftriebserzeugung mit einer örtlichen Überschallströmung auf der vorderen Flügeloberseite verbunden. Im hinteren Teil der Flügeloberseite muß diese Überschallströmung wieder zu einer Unterschallströmung werden. Dieser Übergang ist mit mehr oder weniger großen Verlusten durch Verdichtungsstöße verbunden. Diese Verluste werden einerseits durch die Verdichtungsstöße selbst hervorgerufen und andererseits durch Strömungsablösungen, die durch diese verursacht werden. Hoher Auftrieb heißt also hohe Überschallgeschwindigkeit auf der Flügeloberseite, die hohe Verluste nach sich zieht. Eine stärkere Beteiligung der Profil-Unterseite am Gesamtauftrieb kann daher eine Senkung des Gesamt-Widerstandes bedeuten.The "Gurney flap" or the divergent trailing edge of the wing creates one Pressure increase on the rear part of the wing underside. This will make the Wing lift significantly increased. On the other hand, the same buoyancy can lower wing pitch angle can be achieved. This relieves the wing Top, whose flow around at flight speeds near the Speed of sound is particularly lossy. That's where it is Buoyancy generation with a local supersonic flow on the front Wing top connected. This must be in the rear part of the top of the wing Supersonic flow again become a subsonic flow. This Transition is with more or less large losses due to compression shocks connected. On the one hand, these losses are caused by the shock waves itself caused and on the other hand by flow separations caused by these are caused. So high buoyancy means high Supersonic speed on the wing top, which results in high losses pulls. A stronger participation of the bottom of the profile in the overall buoyancy can therefore mean a reduction in overall resistance.
In einem Beitrag von Henne: "Innovation with computational aerodynamics: The divergent trailing-edge airfoil" in "Applied Computational Aerodynamics", Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 125 (1990), S. 221-261, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., Washington, wurde aufgezeigt, wie ein solches Profil mit divergenter Hinterkante sinnvoll ausgelegt werden kann. Seine Forschungsarbeit hat zur praktischen Anwendung einer divergenten Flügelhinterkante bei dem Verkehrsflugzeug MD 11 des Flugzeugherstellers McDonnell-Douglas geführt.In a contribution by Henne: "Innovation with computational aerodynamics: The divergent trailing-edge airfoil "in" Applied Computational Aerodynamics ", Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 125 (1990), pp. 221-261, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., Washington demonstrated how such a profile with a divergent trailing edge is meaningfully designed can be. His research work has a practical application divergent trailing edge of the wing in the MD 11 commercial aircraft Aircraft manufacturer McDonnell-Douglas led.
Die Anwendung von Gurney-Flaps auf Windturbinen ist ebenfalls schon weit fortgeschritten. Meßdaten von erreichten Leistungsverbesserungen sind ersichtlich aus einem Aufsatz von Kentfield, "Theoretically and experimentally obtained performances of Gurney-Flap equipped wind turbines", US- Zeitschrift: Wind Engineering Vol. 18, No. 2, S. 63-74 (1994). Hier ist jedoch besonders die zusätzliche Geräuscherzeugung störend, die divergente oder auch abgeknickte Hinterkanten verursachen. Ungünstig an "Gurney-Flaps" und divergenten Hinterkanten ist nach wie vor, daß sie selbst zusätzlichen Widerstand erzeugen. Außerdem tritt in ihrem Nachlaufgebiet eine Instabilität auf, die der Karman'schen Wirbelstraße im Nachlauf eines querangeströmten Zylinders ähnelt. Dort wie hier tritt eine Schwingung in der Strömung auf, die Vibrationen und Geräusche verursacht. Die Bekämpfung dieser Art von Instabilität kann darin bestehen, daß man die zweidimensionale Geometrie der Strömungsanordnung stört. Bei einem quer angeströmten Zylinder windet man z. B. eine Spirale um den Zylinder, wie man das bei Industrie-Schornstein-Rohren heute häufig sieht. Dies ist bereits dargestellt worden von Dubs, "Aerodynamik der reinen Unterschallströmung", 6. Auflage, 1990, S. 60-66, Birkhäuser Verlag, Basel - Boston - Berlin.The use of Gurney flaps on wind turbines is also a long way off advanced. Measured data of performance improvements achieved are evident from an essay by Kentfield, "Theoretically and experimentally obtained performances of Gurney-Flap equipped wind turbines ", US Journal: Wind Engineering Vol. 18, No. 2, pp. 63-74 (1994). Here, however, the additional generation of noise is particularly disruptive cause divergent or kinked trailing edges. The disadvantage of "Gurney flaps" and divergent trailing edges is still that they create additional resistance themselves. It also occurs in her Trail area an instability that the Karman vortex in Caster of a cross-flow cylinder resembles. There occurs one like here Vibration in the flow, which causes vibrations and noises. Tackling this type of instability can consist of: two-dimensional geometry of the flow arrangement disturbs. With one across flowed cylinder one z. B. a spiral around the cylinder how to that is often seen in industrial chimney pipes today. It is already presented by Dubs, "Aerodynamics of pure subsonic flow", 6th edition, 1990, pp. 60-66, Birkhäuser Verlag, Basel - Boston - Berlin.
Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, die Erkenntnisse des Standes der Technik zu nutzen und geeignete Konfigurationen für verbesserte Flügelprofilhinterkanten vorzuschlagen.Therefore, the invention is based on the problem, the knowledge of Use the state of the art and suitable configurations for improved To propose wing profile trailing edges.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erfaßt und ergeben sich aus der Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Erläuterung der Zeichnung und der Ausführungsbeispiele. The problem is solved according to the invention by the features of claims 1 and 2 solved. Developments of the invention are covered in the dependent claims and result from the description, in particular in connection with the Explanation of the drawing and the exemplary embodiments.
Bei den gattungsgemäßen Fügelprofilen sind die divergente, verdickte Hinterkante oder abgewinkelte kleinste Kanten an der Hinterkante (Gurney Flap) mit Mitteln zur Störung einer periodischen Strömungsablösung ausgestattet, wobei jedoch andere Lösungen als die für sich aus der Praxis bekannten Windungseinrichtungen um angeströmte Zylinder (Schornsteine) gefunden wurden.In the generic wing profiles, the divergent, thickened Trailing edge or angled smallest edges on the trailing edge (Gurney Flap) with means for disturbing a periodic flow separation equipped, however, other solutions than the ones from practice known winding devices around flowed cylinders (chimneys) were found.
Diese Mittel umfassen im wesentlichen an der Druckseite vor der Hinterkante angeordnete oder sich bis dorthin erstreckende periodische oder unperiodische Einschnitte oder Stege, zur Druckseite und/oder von der Hinterkante weg sich erstreckende Einzelelemente oder Perforationen der Abwinkelung oder der Löcher in der ebenen Hinterkante oder in vertikaler Richtung druckseitig und zugleich horizontal z. B. über die Spannweite eines Flügels sich erstreckende sägezahnförmige oder wellenförmige Elemente.These means essentially comprise on the pressure side in front of the rear edge arranged or extending periodic or non-periodic Incisions or webs to the pressure side and / or away from the rear edge extending individual elements or perforations of the bend or Holes in the flat rear edge or in the vertical direction on the pressure side and at the same time horizontally z. B. extending over the span of a wing sawtooth or wavy elements.
Dabei sollen die Mittel sich über eine Höhe von bis zu etwa 3% der durch den Abstand von Vorderkante zur Hinterkante definierten Flügeltiefe bzw. über eine Länge in Strömungsrichtung von bis zu 5% der Flügeltiefe erstrecken.The funds are to be up to an amount of up to about 3% of the total Distance from leading edge to trailing edge defined wing depth or over a Extend the length in the direction of flow up to 5% of the wing depth.
Die Mittel können als rechteckige, dreieckige, trapezförmige oder abgerundete wellenförmige Einschnitte ausgebildet sein oder sie bestehen aus senkrecht oder in einem Winkel schräg zur Druckseite weisenden Einzelelementen. Alternativ, insbesondere an Gurney-Flaps, sind Stege als der Hinterkante vorgelagerte Rippen angeordnet, ausgerichtet in Strömungsrichtung. Die Erfindung bewirkt zum einen eine Leistungssteigerung eines Profils mit einer divergenten oder abgewinkelten Hinterkante, in dem der Widerstand verringert wird.The means can be rectangular, triangular, trapezoidal or rounded wavy incisions may be formed or they consist of perpendicular or individual elements pointing at an angle to the pressure side. Alternatively, especially on Gurney flaps, webs are as the trailing edge upstream ribs arranged, aligned in the direction of flow. The invention brings about an increase in the performance of a profile a divergent or angled trailing edge in which the resistance is reduced.
Zum anderen wird eine Verminderung von Vibrationen, die strukturschädigend wirken können, sowie eine Lärmminderung des aerodynamischen Geräuschs erreicht.On the other hand, there is a reduction in vibrations that damage the structure can act, as well as a reduction in noise of the aerodynamic noise reached.
Die Erfindung bewirkt auch eine Widerstandsverminderung transsonischer Profile und bringt neben leistungssteigernden Eigenschaften auch akustische und strukturmechanische Vorteile mit sich. The invention also causes a reduction in transonic resistance Profiles and brings not only performance-enhancing properties but also acoustic and structural mechanical advantages.
Die Erfindung vermeidet des weiteren Vibrationen durch eine geeignete dreidimensionale Struktur der Hinterkante von Strömungsmaschinen-Schaufeln und erreicht überdies wird eine größere Steifigkeit und Schwingungsfestigkeit der Schaufel.The invention further avoids vibration by a suitable one three-dimensional structure of the trailing edge of turbomachine blades and also achieves greater rigidity and vibration resistance the shovel.
Die Erfindung reduziert bei Windkraftanlagen durch Stabilisierung der Nachlaufströmung die Lärmerzeugung.The invention reduces wind turbines by stabilizing the Wake the noise generation.
Allgemein gelingt es mit der Erfindung, die Strömungs-Instabilität in der Karman'schen Wirbelstraße erfolgreich zu bekämpfen, es sinkt damit auch der Strömungswiderstand.In general, the invention succeeds in reducing the flow instability in the To successfully fight Karman's vortex street, it will also decrease Flow resistance.
Die Tragflügelprofile, hier stellvertretend für die eingangs bereits dargestellten weiteren Anwendungsfälle definiert, an denen die Erfindung wirksam wird, werden durch folgende Eigenschaften charakterisiert: Die Flügelhinterkante hat im Gegensatz zu einem konventionellen Tragflügelentwurf eine endliche Dicke. Die Ober- und Unterseiten - Saug- und Druckseiten des Flügels - der Profilhinterkante sind divergent. Auf der Unterseite ist zur Hinterkante hin ein kleiner Radius oder ein stumpfer bis rechter Winkel ausgebildet. Der Tragflügel kann jedoch auch ein konventionelles Profil mit einer dünnen Hinterkante sein, an dem nachträglich eine verdickte Hinterkante oder ein kleiner nach unten ragender Winkel angebracht wurde.The wing profiles, here representative of the ones already shown defined further use cases in which the invention takes effect, are characterized by the following properties: The trailing edge of the wing has in contrast to a conventional wing design, a finite thickness. The top and bottom sides - suction and pressure sides of the wing - the The trailing edge of the profile is divergent. On the bottom is towards the rear edge small radius or an obtuse to right angle. The wing can also be a conventional profile with a thin trailing edge, subsequently a thickened trailing edge or a small one downwards protruding angle was attached.
Durch diese divergente Hinterkante kommt es zu einer veränderten Abflußbedingung für die Strömung. Diese führt zu einer Auftriebserhöhung des Profils und dabei jedoch auch zu einer leichten Widerstandserhöhung. Bei geeigneter Profilauslegung ist aber wegen der besseren Gleitzahl - dem Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand - die Bilanz des neuen Profilentwurfs positiv.This divergent trailing edge leads to a change Outflow condition for the flow. This leads to an increase in lift of the Profiles and also a slight increase in resistance. At suitable profile design is because of the better glide ratio - the Buoyancy to resistance ratio - the balance of the new profile design positive.
Gleichzeitig kommt es zu periodischen Ablösungen (Karman'sche Wirbelstraße) an dieser im Vergleich zu einem herkömmlichen Profil aufgedickten Profilhinterkante. Dieses Phänomen wird auch in geringerem Maß an konventionellen Profilen beobachtet, die ja auch keine wirklich spitz auslaufende Hinterkante haben, sondern immer noch eine endliche Dicke an der Hinterkante aufweisen. Das führt zu Vibrationen und Lärmentwicklung. Die dafür verantwortliche periodische Ablösung läßt sich im Spektrum der Geschwindigkeitsschwankungen des Nachlaufs eines solchen Profils als diskrete Frequenz nachweisen.At the same time, there are periodic detachments (Karman Vortex street) on this in comparison to a conventional profile thickened rear profile edge. This phenomenon is also to a lesser extent observed on conventional profiles, which are not really pointed either trailing trailing edge, but still have a finite thickness the rear edge. This leads to vibrations and noise. The periodic replacement responsible for this can be seen in the spectrum of Speed fluctuations in the wake of such a profile as demonstrate discrete frequency.
Die Erfindung besteht nun darin, die quasi zweidimensionale Geometrie der Hinterkante, der hinteren Fläche, des Profils, welche periodische Strömungsvorgänge begünstigt, schwingungsstabilisierend zu verändern, ohne die günstigen Eigenschaften der Hinterkantengestaltung des Profils zu verlieren. Dies wird erreicht, in dem die zweidimensionale Geometrie der Hinterkante in geeigneter Weise in eine dreidimensionale Geometrie überführt wird. Dabei werden die aerodynamischen und strukturmechanischen Eigenschaften nicht negativ beeinflußt.The invention now consists in the quasi two-dimensional geometry of the Trailing edge, the rear surface, the profile, which periodic Flow processes favored to change vibration stabilizing without the favorable properties of the rear edge design of the profile to lose. This is achieved by using the two-dimensional geometry of the Trailing edge converted into a three-dimensional geometry in a suitable manner becomes. The aerodynamic and structural mechanics Properties not negatively affected.
Die erfindungsgemäße widerstandsvermindernde dreidimensionale Hinterkante eliminiert die periodischen Vorgänge fast vollständig. Dies ist durch Messungen im Windkanal nachgewiesen worden. Besonders bei kleinem Anstellwinkel, bei dem die periodische Ablösung besonders ausgeprägt ist, ist der widerstandsvermindernde Effekt der dreidimensionalen Hinterkante besonders wirksam. Durch die Erfindung wird die Entstehung der periodischen Ablösung derart gestört, daß die Nachlaufdelle in der Geschwindigkeitsverteilung am Flügelprofil verkleinert wird und somit der Widerstand des Profils verringert wird. Durch Kraftmessungen mit einer Windkanalwaage ist diese Widerstandsverminderung ebenfalls bestätigt worden. Durch den relativ einfachen Aufbau der Erfindung eignet sich diese auch zu einer Nachrüstung an einem bereits vorhandenem Flügel.The resistance-reducing three-dimensional trailing edge according to the invention almost completely eliminates the periodic processes. This is through measurements have been demonstrated in the wind tunnel. Especially with a small angle of attack The periodic replacement is particularly pronounced resistance-reducing effect of the three-dimensional trailing edge in particular effective. Through the invention, the emergence of periodic detachment so disturbed that the wake in the speed distribution on Sash profile is reduced and thus the resistance of the profile is reduced. This is due to force measurements with a wind tunnel balance Resistance reduction has also been confirmed. Due to the relatively simple structure of the invention, this is also suitable retrofitting to an existing wing.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung mit theoretischen Erläuterungen und diversen Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Es zeigen:In the following, the invention is based on a drawing with theoretical Illustrations and various embodiments illustrated. Show it:
Fig. 1 Polaren mit zweidimensionaler und dreidimensionaler Hinterkante, Fig. 1 polars with two-dimensional and three-dimensional trailing edge,
Fig. 2 Strömungsverlauf und Spektren der Geschwindigkeitsschwankungen an der Flügelhinterkante, Fig. 2 flow path and spectra of the velocity fluctuations at the wing trailing edge,
Fig. 3-5 Hinterkante mit erfindungsgemäßen Einschnitten, Fig. 3-5 trailing edge with notches according to the invention,
Fig. 6-8 Hinterkante mit erfindungsgemäßen druckseitig angeordneten Elementen, Fig. 6-8 trailing edge with the pressure side according to the invention arranged elements,
Fig. 9-14 Gurney-Flaps in erfindungsgemäßen Varianten, Fig. 9-14 Gurney flaps in inventive variations,
Fig. 15-16 Flügel mit nachträglich aufgebrachter erfindungsgemäßer Hinterkante, Fig. 15-16 wings with subsequently applied according to the invention the rear edge,
Fig. 17 Abgeknickte Hinterkante mit Loch - Perforation, Fig. 17 Angled back edge with hole - perforation,
Fig. 18 Abgeknickte Hinterkante mit Wellung in Spannweitenrichtung, Fig. 18 Angled back edge with corrugation spanwise
Fig. 19 Flügel mit abgeknickter Hinterkante und Versteifungen. Fig. 19 wing with bent rear edge and stiffeners.
Fig. 1 zeigt die Meßergebnisse einer Widerstandspolare eines Flügels mit dreidimensionaler Hinterkante (Strich-Punkt-Linie) im Vergleich zu einer Widerstandspolare eines Flügels mit zweidimensionaler Hinterkante (durchgezogene Linie). Auf der Abszisse ist der Auftrieb L und auf der Ordinate der Widerstand D der jeweiligen Flügel aufgetragen. Bei konstantem Auftrieb L0 sinkt der Widerstand D eines mit dreidimensionaler Hinterkante ausgerüsteten Flügels um den Betrag ΔD ab. Fig. 1 shows the measurement results of a resistance of a wing with three-dimensional polar trailing edge (dot-dash line) as compared to a resistance of a wing with two-dimensional polar trailing edge (solid line). The lift L is plotted on the abscissa and the resistance D of the respective wing is plotted on the ordinate. With constant buoyancy L 0 , the resistance D of a wing equipped with a three-dimensional trailing edge decreases by the amount ΔD.
Fig. 2 zeigt schematisch das im Nachlauf des Flügels mit dreidimensionaler Hinterkante gemessene Spektrum der Geschwindigkeitsschwankungen (oberes Teilbild c) im Vergleich zu dem Spektrum des Nachlaufs des Flügels mit zweidimensionaler Hinterkante (unteres Teilbild c). Die Spektren wurden mittels Fourier-Analyse aus den Daten von Hitzdrahtmessungen der Geschwindigkeitsverteilung (Teilbild b) im Nachlauf der untersuchten Flügelprofile ermittelt. Gegenüber einem Flügel mit zweidimensionaler Hinterkante wird die diskrete Frequenz f0, die die periodische Strömungsablösung einer nicht erfindungsgemäß ausgebildeten Hinterkante - unten im Teilbild c) mit einer Frequenzdarstellung von 0-10 kHz - kennzeichnet, bei einem Flügel mit dreidimensionaler Hinterkante, hier weisen im Teilbild a) die Pfeile auf die erfindungsgemäßen Schlitze und im oberen Teilbild c) sind die zugehörigen Frequenzen zu sehen, nahezu vollständig unterdrückt. Dieser Effekt ist über die gesamte Spannweite des Flügels ausgeprägt, besonders direkt hinter dem Schlitz, der die zweidimensionale Hinterkante in eine dreidimensionale Struktur abändert. Fig. 2 schematically shows the measured in the wake of the wing trailing edge with three-dimensional spectrum of velocity fluctuations (top field c) compared to the spectrum of the wake of the wing with two-dimensional trailing edge (bottom field c). The spectra were determined by means of Fourier analysis from the data from hot wire measurements of the speed distribution (partial image b) in the wake of the wing profiles examined. Compared to a wing with a two-dimensional trailing edge, the discrete frequency f 0 , which characterizes the periodic flow separation of a trailing edge not designed according to the invention - at the bottom in partial image c) with a frequency representation of 0-10 kHz - in a wing with three-dimensional trailing edge, here in the partial image a) the arrows on the slots according to the invention and in the upper sub-picture c) the associated frequencies can be seen, almost completely suppressed. This effect is pronounced over the entire span of the wing, especially directly behind the slot, which changes the two-dimensional trailing edge into a three-dimensional structure.
Die Gestaltung der dreidimensionalen Hinterkante zeichnet sich dadurch aus, daß die vormals durchgehend ausgeführte Hinterkante durch Unterbrechung in eine neue Form überführt wird. Dies kann durch Einschnitte in die bestehende Gestaltung der Hinterkanten erfolgen.The design of the three-dimensional trailing edge is characterized by that the trailing edge, which was previously carried out continuously, by interruption in a new form is transferred. This can be done by cutting into the existing one Design of the rear edges.
Einige mögliche Gestaltungen der erfindungsgemäßen Einschnitte sind in den folgenden Fig. 3-5 dargestellt, in Fig. 3 als rechteckiger, in Fig. 4 als trapezförmiger und in Fig. 5 als sanft gerundeter Einschnitt, der jeweils an der Druckseite des Profiles, in der Regel der Unterseite des Tragflügels eines Flugzeuges, in die Hinterkante eingelassen ist und sich von der Hinterkante in die Flügeltiefe erstreckt, wobei die Länge des Einschnittes etwa 3%-5% der Flügeltiefe nicht übersteigt. Der Anteil der Schnittiefe in Bezug auf die Höhe der Hinterkante wird der Wirbelbildung entsprechend angepaßt und überschreitet ein Maß von etwa 3% der Flügeltiefe nicht. Die Einschnitte in der Hinterkante nach Fig. 3-5 können auch nach vorne aufgeweitet sein, um durch eine Düsenform die Strömungsverluste zu vermindern.Some possible designs of the incisions according to the invention are shown in the following Fig. 3-5, in Fig. 3 as a rectangular, in Fig. 4 as a trapezoidal and in Fig. 5 as a gently rounded incision, each on the pressure side of the profile in the Usually the underside of the wing of an aircraft, into which the trailing edge is embedded and which extends from the trailing edge to the depth of the wing, the length of the incision not exceeding about 3% -5% of the wing depth. The proportion of the depth of cut in relation to the height of the trailing edge is adapted accordingly to the eddy formation and does not exceed a dimension of approximately 3% of the wing depth. The cuts in the trailing edge of FIG. 3-5 may also be flared forwardly in order to reduce by a nozzle shape, the flow losses.
Außerdem besteht die Möglichkeit, durch Aufsetzen von kleinen Strukturen auf das bestehende Profil die gewünschte Gestaltung zu erreichen. Dadurch wird eine mechanische Schwächung der Hinterkante vermieden.There is also the possibility of putting on small structures the existing profile to achieve the desired design. This will avoided mechanical weakening of the rear edge.
Die nach unten weisenden Elemente in Fig. 6 können ihrerseits einen Winkel zu der verdickten Hinterkante oder der abgewinkelten Hinterkante einnehmen. Diese Gestaltung ist perspektivisch in Fig. 7 und als Seitenansicht A zu Fig. 7 in Fig. 8 dargestellt; die Elemente sind unter einem spitzen Winkel γ nach unten - zur Druckseite - angestellt.The downward facing elements in FIG. 6 can in turn take an angle to the thickened trailing edge or the angled trailing edge. This configuration is shown in perspective in FIG. 7 and as side view A of FIG. 7 in FIG. 8; the elements are positioned at an acute angle γ downwards - towards the pressure side.
Ähnliche Ausführungsformen sind möglich, wenn es sich um eine abgewinkelte Hinterkante (Gurney-Flap) handelt. Mögliche Gestaltungen der Einschnitte für diese Konfiguration sind in den Fig. 9, mit vertikalen, rechteckigen Einschnitten, Fig. 10, mit dreieckigen Einschnitten, Fig. 11, mit gerundeten oder welllenförmigen Einschnitten dargestellt.Similar embodiments are possible if it is an angled trailing edge (Gurney flap). Possible configurations of the incisions for this configuration are shown in FIG. 9, with vertical, rectangular incisions, FIG. 10, with triangular incisions, FIG. 11, with rounded or corrugated incisions.
Es ist von besonderem Interesse, die Abströmung der Gurney-Flap nicht ungünstig zu verändern. Dies wird dadurch erreicht, daß die dreidimensionale Hinterkante eine mittlere effektive Höhe hat, die derjenigen der bisherigen zweidimensionalen Gurney-Flap entspricht. Dies wird durch zusätzliche Ansätze, gemäß Fig. 12 beispielsweise als Dreiecke, oder gemäß Fig. 13 komplexere Ansätze mit leichten Einschnitte in die sonst zweidimensionale Hinterkante, erreicht. Dies ist in Fig. 14, mit einem Anstell-Winkel γ, als vertikaler Teilschnitt 14-14 durch eine Gestaltung gemäß Fig. 13, abgebildet.It is of particular interest not to adversely change the flow of the Gurney flap. This is achieved in that the three-dimensional trailing edge has an average effective height which corresponds to that of the previous two-dimensional Gurney flap. This is achieved by additional approaches, for example as triangles according to FIG. 12, or more complex approaches with slight incisions in the otherwise two-dimensional trailing edge according to FIG. 13. This is shown in FIG. 14, with an angle of attack γ, as a vertical partial section 14-14 through a design according to FIG. 13.
Bei nachträglicher Anbringung einer abgeknickten Hinterkante an ein vorhandenes Flügelprofil ist es vorteilhaft, diese auf die Oberseite des Flügels (Fig. 15) aufzukleben. Da die Grenzschicht auf der Oberseite des Flügelprofils dicker ist, stört eine kleine Stufe, wie sie durch das Aufbringen, bzw. Aufkleben eines abgewinkelten Blechs auftritt, nicht so stark. Ferner ist es vorteilhaft, ein solches abgewinkeltes Blech etwas nach hinten versetzt aufzukleben, sodaß die Abwinkelung nicht direkt am Fügelendprofil liegt, da dann der negative Effekt der Profilendkantendicke des ursprünglichen Profils nicht so sehr ins Gewicht fällt (Fig. 16, eine Seitenansicht des Profiles gemäß Fig. 15).If a bent rear edge is subsequently attached to an existing sash profile, it is advantageous to glue it to the top of the sash ( FIG. 15). Since the boundary layer on the top of the airfoil is thicker, a small step, such as occurs due to the application or gluing of an angled sheet, does not interfere as much. Furthermore, it is advantageous to glue such an angled sheet metal offset to the rear so that the bend is not directly on the wing end profile, since then the negative effect of the profile end edge thickness of the original profile is not so important ( FIG. 16, a side view of the profile according to Fig. 15).
Bei Anwendung z. B. in Strömungsmaschinen kann es erwünscht sein, die abgeknickte Hinterkante durchgehend aus einem Stück zu fertigen, um eine hohe Zuverlässigkeit des Bauteils zu erreichen. Außerdem ist es günstig, die erhöhte Steifigkeit und Festigkeit zu nutzen, die sich durch die größere Dicke der Flügelhinterkante ergibt. Dann sind Schlitze in der Flügel-Hinterkante jedoch ungünstig, weil sie die Steifigkeit vermindern, als Kerben wirken, und Ermüdungsbrüche begünstigen können. Trotzdem muß erreicht werden, daß die Nachlaufströmung hinter der Flügelhinterkante so dreidimensional verändert wird, daß eine strömungsmechanische Instabilität (Karman'sche Wirbelstraße) nicht mehr auftritt. Dieses Ziel kann durch verschiedene Konfigurationen erreicht werden. Fig. 17 zeigt eine abgeknickte Hinterkante, die durch Lochung perforiert ist.When using z. B. in turbomachines, it may be desirable to manufacture the kinked trailing edge continuously from one piece in order to achieve high reliability of the component. It is also beneficial to take advantage of the increased stiffness and strength that results from the greater thickness of the trailing edge of the wing. Then slits in the trailing edge of the wing are unfavorable because they reduce stiffness, act as notches, and can promote fatigue fractures. Nevertheless, it must be achieved that the wake flow behind the wing trailing edge is changed so three-dimensionally that fluid-mechanical instability (Karman's vortex street) no longer occurs. This goal can be achieved through various configurations. Fig. 17 shows a kinked trailing edge which is perforated by perforation.
Eine Dreidimensionalität der Hinterkanten-Abströmung kann auch durch eine zusätzliche gewellte Hinterkante (Fig. 18) erreicht werden.A three-dimensionality of the trailing edge outflow can also be achieved by an additional corrugated trailing edge ( FIG. 18).
Besonders günstig ist eine Konfiguration, bei der die Anforderungen nach guter Steifigkeit, Festigkeit und Nachlaufströmungs-Stabilisierung kombiniert erfüllt sind. Eine solche Hinterkanten-Konfiguration zeigt Fig. 19. Die dreidimensionale Störung der Nachlaufströmung wird durch druckseitig in Richtung der Hauptströmung angeordnete Stege erreicht, die an die abgeknickte Hinterkante - hier als Gurney-Flap ausgebildet - anschließen und mit ihr mechanisch verbunden sind. Eine solche Struktur kann z. B. durch Gießen oder durch galvanische Abtragungs-Formung hergestellt werden. Sie kann auch als vorgeformte Einheit, z. B. aus Faserkunststoff gefertigt, auf einen Flugzeugtragflügel von unten aufgebracht werden.A configuration in which the requirements for good rigidity, strength and wake flow stabilization are combined are particularly favorable. Such a trailing edge configuration is shown in FIG. 19. The three-dimensional perturbation of the wake flow is achieved by webs arranged on the pressure side in the direction of the main flow, which are connected to the bent trailing edge - here designed as a Gurney flap - and mechanically connected to it. Such a structure can e.g. B. can be produced by casting or by electroplating. It can also be used as a preformed unit, e.g. B. made of fiber plastic, applied to an aircraft wing from below.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DEUTSCHES ZENTRUM FUER LUFT-UND RAUMFAHRT E.V., 51 |
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| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DEUTSCHES ZENTRUM FUER LUFT- UND RAUMFAHRT E.V. |
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| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DEUTSCHES ZENTRUM FUER LUFT- UND RAUMFAHRT E.V. |
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| R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
| R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20121214 |