DE202014104042U1

DE202014104042U1 - Winglet for inflated surfaces

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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).Winglet surfaces, such as wings or propellers of aircraft of all kinds, rotors of helicopters or wind turbines or the like, which terminates in at least two angularly to the surface part surfaces, characterized by its design as a multi-winglet (2) with at least two in Direction of flow of successive, with respect to the top of the surface (1) upwardly curved and successive in the direction of the flow AS partial surfaces (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.The invention relates to a winglet impacted surfaces, such as wings or propellers of aircraft of all kinds, rotors of helicopters or wind turbines or the like, which terminates in at least two angularly to the surface part-surfaces.

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.The flow around aerodynamically trained surfaces, such as wings of aircraft is for their economic and energy-saving operation of considerable importance. The same applies to the propulsion generating propeller or the propulsion and buoyancy generating rotors of helicopters. Depending on the profile, the surfaces which have flowed over have an upper side and a lower side, at which different pressure regions develop depending on the speed of the flow.

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.At the ends of the surfaces it comes to an overflow of air, which leads to end vortices. These continue behind the air moving surface as a vortex and contain the energy lost through this vortex.

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.This pressure difference seeks its compensation in vortices, which occur at outer wing ends as edge vortex. To reduce such energy-consuming end vortices at the ends of the wing of aircraft, at these ends after the US 4,595,160 flow-conducting surfaces provided, the wing end plates or winglets. Thus, the induced resistance of a wing and thus the loss of energy can be reduced. Spreading the winglets produces several small vortices instead of a large edge vortex - according to the number of winglets. The energy balance shows that such multiple vortex systems contain less energy loss than the single vortex of a conventional wing.

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.This leads, as in DE 197 06 668 A1 disclosed for the development of multi-winglets, which cause a discrete splitting of the edge vortex. These end vortices, which detach on both sides of the flying machine, form a vortex train following the machine, which contains the energy losses due to this. The winglets influence the end vortices caused by the flow around the surface ends and thus reduce the energy losses. However, residual energy remains in the wake vortices, whose length, which is determined by the energy content and its conversion into thermal energy, significantly determines the safety distance of in an airway on the same flight surface of successive machines. The shortening of these wake vortices thus allows a reduction in the safety distances to be maintained and thus the profitability-enhancing compression of air traffic. A disadvantage is to be considered that although the use of such multi-winglets, the length of the wake turbulence but significantly decrease, the loss of energy is influenced only to a small extent.

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.From this follows the task underlying this invention, which is seen to reduce the wake turbulence to almost the depth of the winglets with further reduction of energy losses. In addition to the Winglet conditional, acting on the structure of the wing additional forces should be kept low.

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.This task is solved for a flowed surface of an area defined by the features of the preamble of the main claim flowing surface by the characterizing features of the main claim; Advantageous embodiments and preferred embodiments describe the dependent claims.

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.Due to the shape of the individual surfaces of the multi-winglet so that the first part of the faces seen in the direction of the flow meets with its upflowing region on the outflowing region of the vortex separating from the second of the partial surfaces, both interfere, resulting in their at least substantial extinction. The vortex energy disappears into thermal energy, which is absorbed and taken away by the flowing air.

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.During this process, the first part-surface, seen in the direction of flow, forms a vortex, which removes a wake. The following part-surface forms a second vortex of the same sense of rotation, which separates into a wake. In this case, the projection of the second partial surface with respect to the projection of the first partial surface is such that the upwardly flowing vortex part of the first vortex strikes the downward flowing part of the second vortex and the oppositely directed flows cancel each other out. A wake is thus effectively prevented with two successive sub-areas. A third sub-surface is arranged in its curvature and projection so that uncompensated vertebral remnants of the first two sub-surfaces are intercepted. The same applies to a fourth part area. In addition, this interference of the successively detached vortices also significantly reduces the noise that occurs.

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.The multi-winglet may be provided as an original part of the wing in the construction of the aircraft. Alternatively, it can be used as a retrofit kit to replace a wing tails or a conventional multi-winglets. Especially the latter is significant, towering over However, conventional winglets, the wing-top by a considerable amount and burden by their large mass, the structure of the wing, in addition to the buoyancy forces obtained by the conventional winglets, which must also be absorbed by the structure of the wing.

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.The multi-winglet is provided with at least two successive in the flow direction, opposite the top of the flowed-up curved surface and successive in the direction of the flow AS successive part-surfaces. Preferably, three or four partial areas are used.

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.The radius of curvature of the first seen in the direction of flow of the part surface forms an arc. This protrudes beyond the top of the flown surface by at least half a radius of curvature. The radii of curvature of the following partial surfaces are at least equal to half the radius of curvature of the first partial surface. Advantageously, they increase successively in the sequence.

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.The upward curvature of each of the sub-surfaces each forms a separate vortex forms and the extent of the successive sub-areas increases successively so that the eddies forming thereon meet each other so that the inflowing part of the vortex vorstehende the outflowing part of the subsequent vortex so that both are at least partially canceled by interference.

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.The successive partial surfaces of at least the first and the second partial surface are formed in such a way that the following partial surface has, compared to the preceding one, a larger projection pointing in the axial direction of the surfaces which have been flowed on. As a result, the axis of the vortex forming at this point is displaced outwards such that the downward part of the vortex flow strikes the upwardly directed part of the vortex flow of the preceding partial surface and can thus compensate for it.

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.In a preferred embodiment, each of the partial surfaces is elastically deformable with respect to curvature and / or projection. To adjust the curvature or the projection of the flow around the surface electronically controllable actuators are provided. Alternatively, the partial surfaces are designed so that the curvature and / or projection can be adapted to the requirements of the flow state by the aerodynamic forces of the flow around.

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.Preferably, the trained as a multi-winglet winglet is provided as an integral part of the flowed surface and is installed in the assembly of the flowed surface, the wings, the propeller, the rotors or the like. For retrofitting the trained as a multi-winglet winglet can also be provided as a retrofit kit for the surfaces.

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 zeigenThe essence of the invention will become apparent in the following 1 to 3 exemplified by hand on the wing of modern aircraft, which does not exclude an application for propellers, rotors or the like. Show in detail

1: Ein Tragflächenende mit einem Multi-Winglet nach der Erfindung (Aufsicht); 1 : A wing end with a multi-winglet according to the invention (supervision);

2: Das Multi-Winglet nach 1 (In Anströmrichtung gesehen); 2 : The multi-winglet after 1 (Seen in the direction of flow);

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.The 1 and 2 show by way of example the end of a wing 1 of an aircraft (not shown) with ailerons 1.2 and slats 1.1 , At the end of the wing is designed as a multi-winglet winglet 2 set, with three faces. In the direction of the flow, these are the faces 3 . 4 and 5 , These subareas 3 . 4 and 5 have an upward curvature, so that the partial surface 3 a vortex III shaped. The subarea 4 forms a vortex IV , and the subarea 5 finally the vortex V , These vortices rotate in the same direction of rotation, but are offset from each other so that the downstream vortex flow of the wake vortex meets the upward flow of the vortex. These oppositely directed flows compensate each other, so that at best a strongly weakened wake can form. This is essentially caused by the first two of the partial surfaces viewed in the direction of the flow AS. The following subarea 5 With its downwards swirling flow, it is able to compensate for residual vortexes of the preceding partial surfaces. The projection of the faces is chosen so that the curvatures of the faces correspond to the thickness of the vertebrae. This ensures that the opposing flows can interfere with each other in a compensating way.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: angeströmte Fläche/Tragflächeflowed surface / wing
1.11.1: Vorflügelvane
1.21.2: Querruderaileron
22: Wingletwinglet
33: Teil-Fläche des WingletPartial area of the winglet
44: Teil-Fläche des WingletPartial area of the winglet
55: Teil-Fläche des WingletPartial area of the winglet
IIIIII: Wirbel der ersten Teil-Fläche 3 Whirl of the first part area 3
IVIV: Wirbel der zweiten Teil-Fläche 4 Whirl of the second part area 4
VV: Wirbel der dritten Teil-Fläche 5 Whirl of the third part surface 5
ASAS: Richtung der AnströmungDirection of the flow

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 4595160 [0004]
DE 19706668 A1 [0005]

Claims

Winglet surfaces, such as wings or propellers of airplanes of all kinds, rotors of helicopters or wind turbines or the like, which terminates in at least two angled to the surface part surfaces, characterized by its design as a multi-winglet ( 2 ) with at least two consecutive in the direction of flow, opposite the top of the flowed surface ( 1 ) upward curved and in the direction of the flow AS successive part surfaces ( 3 ; 4 ; 5 ).

Winglet according to claim 1, characterized by three or four sub-areas ( 3 ; 4 ; 5 ).

Winglet according to Claim 1 or 2, characterized in that the radius of curvature of the first partial area (in the direction of flow) ( 3 ) specifies an arc that covers the top of the surface ( 1 ) surmounted by at least half a radius of curvature, and the radii of curvature of the following partial surfaces ( 4 . 5 ) at most equal to the radius of curvature of the first partial area ( 3 ) and increase successively in the sequence.

Winglet according to one of claims 1 to 3, characterized in that the successive partial surfaces ( 3 . 4 . 5 ) are formed such that the respective following of the partial surfaces ( 4 . 5 ) compared to the previous ( 3 . 4 ) one in the axial direction of the surface ( 1 ) has larger pointing.

Winglet according to claim 4, characterized in that the upward curvature of each of the sub-areas ( 3 . 4 . 5 ) each have a separate vortex ( III . IV . V ) and the projection of the successive sub-areas ( 3 . 4.5 ) successively increase so that the eddies forming thereon ( III . IV . V ) meet one another so that the outflowing part of the subsequent vortex ( IV . V ) on the upstream part of the vortex ( III . IV ) so that both are at least partially canceled by interference.

Winglet according to one of claims 1 to 5, characterized in that each of the partial surfaces ( 3 . 4 . 5 ) are elastically deformable with respect to curvature and / or projection.

Winglet according to claim 6, characterized in that the curvature and / or projection of the partial surfaces ( 3 . 4 . 5 ) is adjusted by electronically controllable actuators according to the requirements of the flow state.

Winglet according to claim 6, characterized in that the curvature and / or projection of the partial surfaces ( 3 . 4 . 5 ) is adaptable to the requirements of the flow state by aerodynamic forces of the flow.

Winglet according to one of claims 1 to 5, characterized in that the trained as a multi-winglet winglet ( 2 ) as an integral part of the surface ( 1 ) is provided.

Winglet according to one of claims 1 to 5, characterized in that the trained as a multi-winglet winglet ( 2 ) as a retrofit kit for the surface ( 1 ) is provided.