DE202014104042U1

DE202014104042U1 - Winglet für angeströmte Flächen

Info

Publication number: DE202014104042U1
Application number: DE202014104042.0U
Authority: DE
Original assignee: Cfd Consultants GmbH; Ct Line Design GmbH; Centerline Design GmbH
Current assignee: Cfd Consultants GmbH; Ct Line Design GmbH; Centerline Design GmbH
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2015-09-01
Anticipated expiration: 2024-08-29

Abstract

Winglet angeströmter Flächen, wie Tragflächen oder Propeller von Flugzeugen aller Art, Rotoren von Hubschraubern oder Windkraftanlagen oder dergleichen, das in zumindest zwei im Winkel zur Fläche stehenden Teil-Flächen ausläuft, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Multi-Winglet (2) mit mindestens zwei in Anströmrichtung aufeinander folgender, gegenüber der Oberseite der angeströmten Fläche (1) aufwärts gekrümmter und in Richtung der Anströmung AS aufeinander folgernder Teil-Flächen (3; 4; 5).

Description

Die Erfindung betrifft einen Winglet angeströmter Flächen, wie Tragflächen oder Propeller von Flugzeugen aller Art, Rotoren von Hubschraubern oder Windkraftanlagen oder dergleichen, das in zumindest zwei im Winkel zur Fläche stehenden Teil-Flächen ausläuft.
Die Umströmung aerodynamisch ausgebildeter Flächen, wie beispielsweise von Tragflächen von Fluggeräten ist für deren wirtschaftlichen und energiesparenden Betrieb von erheblicher Bedeutung. Gleiches gilt auch für den Vortrieb erzeugenden Propeller oder die Vortrieb und Auftrieb erzeugenden Rotoren von Hubschraubern. Die angeströmten Flächen weisen je nach Profil eine Oberseite und eine Unterseite auf, an denen sich je nach Geschwindigkeit der Strömung unterschiedliche Druckgebiete entwickeln.
An den Enden der Flächen kommt es dabei zu einem Überströmen von Luft, die zu Endwirbeln führt. Diese setzen sich hinter der durch die Luft bewegten Fläche als Wirbelzopf fort und enthalten die durch diese Verwirblung verloren gegangene Energie.
Dieser Druckunterschied sucht seinen Ausgleich in Wirbeln, die an äußeren Flügelenden als Randwirbel auftreten. Um solche energiefressenden Endwirbel an den Enden der Tragfläche von Flugzeugen zu verringern, werden an diesen Enden nach der US 4.595.160 stömungs-leitende Flächen vorgesehen, die Flächenendplatten oder Winglets. Damit kann der induzierte Widerstand einer Tragfläche und damit der Energieverlust gemindert werden. Durch ein Aufspreizen der Winglets werden statt eines großen Randwirbels mehrere kleine Wirbel erzeugt – entsprechend der Anzahl der Winglets. Die Energiebilanz zeigt, dass solche Mehrfachwirbelsysteme weniger Verlustenergie enthalten, als der einzelne Wirbel eines konventionellen Flügels.
Dies führt, wie in DE 197 06 668 A1 offenbart zur Entwicklung von Multi-Winglets, die eine diskrete Aufspaltung der Randwirbel bewirken. Diese sich auf beiden Seiten der fliegenden Maschine ablösenden Endwirbel bilden eine der Maschine nachfolgende Wirbelschleppe, die die dadurch bedingten Energieverluste enthält. Die Winglets beeinflussen die durch das Umströmen der Flächenenden bedingten Endwirbel und senken so die Energieverluste. Restliche Energie bleibt jedoch in den Wirbelschleppen, deren Länge, die durch den Energieinhalt und dessen Umsetzung in thermische Energie bestimmt wird, wesentlich den Sicherheitsabstand von in einer Luftstraße auf gleicher Flugfläche aufeinander folgender Maschinen bestimmt. Die Verkürzung dieser Wirbelschleppen erlaubt somit eine Verringerung der einzuhaltenden Sicherheitsabstände und somit die Rentabilität steigernde Verdichtung des Flugverkehrs. Als nachteilig ist dabei anzusehen, dass obwohl beim Einsatz derartiger Multi-Winglets die Länge der Wirbelschleppen jedoch deutlich abnehmen, die Verlust-Energie lediglich in geringem Maße beeinflusst wird.
Daraus folgt die dieser Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung, die darin gesehen wird, unterweiterer Reduktion der Energieverluste die Wirbelschleppe auf nahezu der Tiefe der Winglets zu reduzieren. Darüber hinaus sollen vom Winglet bedingte, auf die Struktur der Tragfläche einwirkende Zusatzkräfte gering gehalten werden.
Diese Aufgabenstellung wird für eine angeströmte Fläche einer durch die Merkmale des Oberbegriffs des Hauptanspruchs definierten angeströmten Fläche durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhaft Ausbildungen und bevorzugte Ausführungsformen beschreiben die Unteransprüche.
Durch die Ausformung der Einzel-Flächen des Multi-Winglets so, dass der sich an der in Richtung der Strömung gesehen ersten der Teil-Flächen ablösende Wirbel mit seinem aufströmenden Bereich auf den abströmenden Bereich des an der zweiten der Teil-Flächen ablösenden Wirbels trifft, interferieren beide, was zu deren zumindest weitgehenden Auslöschung führt. Die Wirbelenergie disappiert in thermische Energie, die von der strömenden Luft auf- und mitgenommen wird.
Bei diesem Vorgang formt die in Anströmrichtung gesehen erste Teil-Fläche einen Wirbel, der eine Wirbelschleppe bildend ablöst. Die folgende Teil-Fläche formt einen sich in eine Wirbelschleppe ablösenden zweiten Wirbel gleichen Drehsinnes. Dabei ist die Ausladung der zweiten Teilfläche gegenüber der Ausladung der ersten Teilfläche so, dass der aufwärts strömende Wirbelteil des ersten Wirbels auf den abwärts strömenden Teil des zweiten Wirbels trifft und sich die gegeneinander gerichteten Strömungen aufheben. Eine Wirbelschleppe wird so bereits mit zwei aufeinander folgenden Teil-Flächen wirksam unterbunden. Eine dritte Teil-Fläche wird in ihrer Krümmung und Ausladung so angeordnet, dass von den ersten beiden Teil-Flächen nicht kompensierte Wirbelreste abgefangen werden. Gleiches gilt auch für eine vierte Teil-Fläche. Diese Interferenz der nacheinander sich ablösenden Wirbel verringert darüber hinaus auch die auftretenden Geräusche in bedeutsamer Weise.
Das Multi-Winglet kann als ursprünglicher Bestandteil der Tragfläche beim Bau des Flugzeugs vorgesehen sein. Alternativ kann es als Nachrüstsatz zum Ersatz eines Tragflächen-Endstücke oder eines konventionellen Multi-Winglets eingesetzt sein. Besonders letzteres ist von Bedeutung, überragen doch konventionelle Winglets die Tragflächen-Oberseite um ein Beträchtliches und belasten durch ihre große Masse die Struktur der Tragfläche, wozu noch die durch die konventionellen Winglets erzielten Auftriebskräfte kommen, die ebenfalls von der Struktur der Tragfläche aufgenommen werden müssen.
Das Mult-Winglet ist mit mindestens zwei in Anströmrichtung aufeinander folgender, gegenüber der Oberseite der angeströmten Fläche aufwärts gekrümmter und in Richtung der Anströmung AS aufeinander folgernder Teil-Flächen versehen. Bevorzugt werden drei oder vier Teil-Flächen eingesetzt.
Der Krümmungsradius der in Anströmrichtung gesehen ersten der Teil-Fläche bildet einen Bogen. Dieser überragt die Oberseite der angeströmten Fläche um mindestens einen halben Krümmungsradius. Die Krümmungsradien der folgenden Teil-Flächen sind mindestens gleich dem halben Krümmungsradius der ersten Teil-Fläche. Vorteilhaft vergrößern sie sich in der Folge sukzessive.
Die aufwärts gerichtete Krümmung jeder der Teil-Flächen formt jeweils einen separaten Wirbel formt und die Ausdehnung der aufeinander folgenden Teil-Flächen nimmt sukzessiv so zu, dass die sich daran bildenden Wirbel so aufeinander treffen, dass der aufströmende Teil des vorgehenden Wirbels auf den abströmenden Teil des nachfolgenden Wirbels trifft, so dass beide durch Interferenz zumindest teilweise aufgehoben sind.
Die aufeinander folgenden Teil-Flächen zumindest der ersten und der zweiten Teilfläche sind derart ausgebildet, dass die folgende Teil-Fläche gegenüber der vorgehenden eine in Achsrichtung der angeströmten Flächen weisende größere Ausladung aufweist. Dadurch wird die Achse des sich an dieser bildenden Wirbels nach außen so verlagert, dass der abwärts gerichtete Teil der Wirbelströmung auf den aufwärts gerichteten Teil der Wirbelströmung der vorgehenden Teilfläche trifft und diese so kompensieren kann.
In einer bevorzugten Ausbildung ist jede der Teilflächen in Bezug auf Krümmung und/oder Ausladung elastisch verformbar. Zur Anpassung der Krümmung bzw. der Ausladung an die Umströmung der Fläche sind elektronisch ansteuerbare Stellglieder vorgesehen. Alternativ sind die Teil-Flächen so ausgebildet, dass Krümmung und/oder Ausladung durch die auftretenden aerodynamischen Kräfte der Umströmung den Erfordernissen des Strömungszustands anpassbar sind.
Vorzugsweise ist das als Multi-Winglet ausgebildete Winglet als integraler Teil der angeströmten Fläche vorgesehen und wird bei der Montage der angeströmten Fläche, der Tragflächen, der Propeller, der Rotoren oder dergleichen mit verbaut. Zur Nachrüstung kann das als Multi-Winglet ausgebildete Winglet auch als Nachrüstsatz für die angeströmten Flächen vorgesehen werden.
Das Wesen der Erfindung wird an Hand nachfolgender 1 bis 3 beispielhaft an Hand einer Tragfläche moderner Flugzeuge näher erläutert, was eine Anwendung für Propeller, Rotoren oder dergleichen nicht ausschließt. Im Einzelnen zeigen
1: Ein Tragflächenende mit einem Multi-Winglet nach der Erfindung (Aufsicht);
2: Das Multi-Winglet nach 1 (In Anströmrichtung gesehen);
Die 1 und 2 zeigen beispielhaft das Ende einer Tragfläche 1 eines (nicht näher dargestellten) Flugzeugs mit Querruder 1.2 und Vorflügel 1.1. An das Tragflächen-Ende ist ein als Multi-Winglet ausgebildetes Winglet 2 angesetzt, mit drei Teilflächen. In Richtung der Strömung sind dies die Teilflächen 3, 4 und 5. Diese Teilflächen 3, 4 und 5 weisen eine nach oben gerichtete Krümmung auf, so dass die Teilfläche 3 einen Wirbel III formt. Die Teilfläche 4 formt einen Wirbel IV, und die Teilfläche 5 schließlich den Wirbel V. Diese Wirbel drehen in gleichen Drehsinn, sind jedoch so gegeneinander versetzt, das die abwärts gerichtete Wirbelströmung des Folge-Wirbels auf die aufwärts gerichtete Strömung des vorgehenen Wirbels trifft. Diese gegeneinander gerichteten Strömungen kompensieren sich gegenseitig, so dass sich allenfalls eine stark geschwächte Wirbelschleppe ausbilden kann. Dies wird im Wesentlichen durch die in Richtung der Anströmung AS gesehen ersten beiden der Teilflächen bewirkt. Die folgende Teilfläche 5 ist mit ihrer abwärts gerichteten Wirbelströmung in der Lage, Restwirbel der vorgehenden Teilflächen zu kompensieren. Dabei ist die Ausladung der Teilflächen so gewählt, dass die Krümmungen der Teilflächen der Mächtigkeit der Wirbel entsprechen. So wird sicher gestellt, dass die gegeneinander gerichteten Strömungen sich gegenseitig kompensierend interferieren können.
Bezugszeichenliste

1: angeströmte Fläche/Tragfläche
1.1: Vorflügel
1.2: Querruder
2: Winglet
3: Teil-Fläche des Winglet
4: Teil-Fläche des Winglet
5: Teil-Fläche des Winglet
III: Wirbel der ersten Teil-Fläche 3
IV: Wirbel der zweiten Teil-Fläche 4
V: Wirbel der dritten Teil-Fläche 5
AS: Richtung der Anströmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4595160 [0004]
DE 19706668 A1 [0005]

Claims

Winglet angeströmter Flächen, wie Tragflächen oder Propeller von Flugzeugen aller Art, Rotoren von Hubschraubern oder Windkraftanlagen oder dergleichen, das in zumindest zwei im Winkel zur Fläche stehenden Teil-Flächen ausläuft, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Multi-Winglet (2) mit mindestens zwei in Anströmrichtung aufeinander folgender, gegenüber der Oberseite der angeströmten Fläche (1) aufwärts gekrümmter und in Richtung der Anströmung AS aufeinander folgernder Teil-Flächen (3; 4; 5).
Winglet nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch drei oder vier Teil-Flächen (3; 4; 5).
Winglet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius der in Anströmrichtung gesehen ersten Teil-Fläche (3) einen Bogen vorgibt, der die Oberseite der angeströmten Fläche (1) um mindestens einen halben Krümmungsradius überragt, und die Krümmungsradien der folgenden Teil-Flächen (4, 5) höchstens gleich dem Krümmungsradius der ersten Teil-Fläche (3) sind und sich in der Folge sukzessiv vergrößern.
Winglet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinander folgenden Teil-Flächen (3, 4, 5) derart ausgebildet sind, dass die jeweils folgende der Teil-Flächen (4, 5) gegenüber der vorgehenden (3, 4) eine in Achsrichtung der angeströmten Fläche (1) weisende größere Ausladung aufweist.
Winglet nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aufwärts gerichtet Krümmung jeder der Teil-Flächen (3, 4, 5) jeweils einen separaten Wirbel (III, IV, V) formt und die Ausladung der aufeinander folgenden Teil-Flächen (3, 4.5) sukzessiv so zunehmen, dass die sich daran bildenden Wirbel (III, IV, V) so aufeinander treffen, dass der abströmende Teil des nachfolgenden Wirbels (IV, V) auf den aufströmenden Teil des vorgehenden Wirbels (III, IV) trifft, so dass beide durch Interferenz zumindest teilweise aufgehoben sind.
Winglet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Teilflächen (3, 4, 5) in Bezug auf Krümmung und/oder Ausladung elastisch verformbar sind.
Winglet nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, das die Krümmung und/oder Ausladung der Teil-Flächen (3, 4, 5) durch elektronisch ansteuerbare Stellglieder den Erfordernissen des Strömungszustands entsprechend anpassbar ist.
Winglet nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, das Krümmung und/oder Ausladung der Teil-Flächen (3, 4, 5) durch aerodynamische Kräfte der Anströmung den Erfordernissen des Strömungszustands entsprechend anpassbar ist.
Winglet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das als Multi-Winglet ausgebildete Winglet (2) als integraler Teil der angeströmten Fläche (1) vorgesehen ist.
Winglet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das als Multi-Winglet ausgebildete Winglet (2) als Nachrüstsatz für die angeströmte Fläche (1) vorgesehen ist.