DE2923463A1

DE2923463A1 - Fluegel, insbesondere zur verwendung an rotoren zur windkraftumsetzung

Info

Publication number: DE2923463A1
Application number: DE19792923463
Authority: DE
Inventors: Erich Herter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-06-09
Filing date: 1979-06-09
Publication date: 1980-12-18

Description

Flügel
Die Erfindung betrifft einen Flügel, insbesondere zur Verwendung an Rotoren zur Windkraftumsetzung, bestehend aus einer Flügelhaut und einer inneren Stütz- bzw. Tragkonstruktion für die Flügelhaut. Flügel der genannten Art sind allgemein bekannt. Da bei größeren Abmessungen und Belastungen von Flügeln deren Flügelhaut die auftretenden Kräfte nicht allein aufnehmen kann, ohne zu knicken bzw. zu Bruch zu gehen, ist es notwendig, die Flügelhaut aus dem Innenraum des Flügelprofiles heraus durch eine Stütz- und Tragkonstruktion zu versteifen und zu tragen. Solche Stütz- und Tragkonstruktion bestehen aus mehreren Längsholmen und aus einer Vielzahl von rechtwinklig dazu stehenden Flügelspanten, die in ihrem Zuschnitt jeweils dem Flügelprofilquerschnitt entsprechen müssen, indem sie angeordnet sind. Um Gewicht zu sparen, sind sowohl die Längsholme als auch die Querspanten, soweit dies die Festigkeitsanforderungen zulassen, mit Durchbrechungen bzw. Materialaussparungen versehen.
Eine solche Konstruktion ist mit einem beträchtlichen Herstellungsaufwand verbunden. Außerdem ist der ganze Flügel innenraum streng genommen nicht im Sinne eines frei verfUgbaren Raumes hohl, sondern der ganze Innenraum ist durch die Holme und Querspanten gewissermaßen in Einzelzellen aufgegliedert.
An dieser prinzipiellen Bauweise von Flügeln, soweit es sich nicht gerade um Flügel von Spielflugzeugen mit kleinen Abmessungen handelt, hat sich bis heute nichts geändert, d.h. die Flügelhaut ist immer nur unter dem Gesichtspunkt in die Gesamtkonstruktion einbezogen worden, die Stütz- und Tragkonstruktion mit den gewünschten undaeroynamisch erforderlichen Profilflächen zu umhüllen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flügel zu schaffen, bei dem die innere Stütz- und Tragkonstruktion auf ein Minimum reduziert und damit der Flügelinnenraum im Sinne einer Großzellenbildung möglichst wenig gegliedert ist und bei dem insbesondere die Flügelhaut derart ausgebildet sein soll, daß sie selbst wesentliche Festigkeits-und Tragfunktionen selbst zu übernehmen in der Lage ist. Diese Aufgabe ist mit einem Flügel der eingangs genannten Art nach der Erfindung gemäß Kennzeichen des Hauptanspruches gelöst.
Diese erfindungsgemäße Flügelausbildung führt, wie ohne weiteres erkennbar, zu einem im wesentlichen nur aus der Flügelhaut bestehenden Flügel mit praktisch freiem Innenraum, da die Flügelhaut aus einem Hautzuschnitt aus spannungsaufnehmendem Material gebildet und dieser Zuschnitt im Sinne einer Profilkontur gebogen ist.
Inwieweit man dabei die Flügelhaut aus mehreren Hautzuschnitten zusammensetzt, hängt letztlich nur von der Flügelgröße und von der Herstellbarkeit entsprechend großer Hautzuschnitte ab. "Spannungsaufnehmendes Material" bedeutet dabei, daß es sich um ein federnd elastisches, d.h. sich selbstätig in seine spannungsfreie Lage zurückstellendes blattartiges Material handeln soll. Hierfür können bspw.
dünne Kunststoffhäute oder federnde Eigenschaften aufweisende metallische Häute infrage kommen.
Da die zu einem "Eineck" im Sinne eines Flügelprofiles gebogene Flügelhaut allein noch nicht bei Anströmbelastungen formstabil wäre, sind unter der Flügelhaut Spannelemente angeordnet, die schraubenlinienförmig verlaufen, wobei die Länge eines Spannelementes einer Ganglänge entspricht und wobei schraubenlinienförmig entgegen gesetzt verlaufende Spannelemente vorgesehen werden können, wodurch unter der Haut gewissermaßen ein Traggitter entsteht, was noch näher beschrieben wird.
Die gestellte Aufgabe ist aber auch noch auf andere Arten lesbar und zwar im Sinne der Kennzeichen der unabhängigen Ansprüche 8 und 13.
Vorteilhafte Weiterbildungsformen zu den erfindungsgemäßen Lösungen ergeben sich nach den jeweiligen Unteransprüchen.
Gemeinsam und wesentlich ist allen drei Lösungen, daß die Flügelhaut, in Strömungsrichtung gesehen, in einem Stück die Profilkontur durchläuft, daß die wesentlich aussteifenden Elemente bzw. aussteifende Ausbildung ebenfalls in der mehr oder weniger gekrümmten Fläche der Flügelhaut selbst angeordnet sind und daß der Flügelinnenraum im wesentlichen frei von Trag- bzw. Aussteifungselementen, insbesondere Querspanten ist.
Durch den Freiraum im Flügel ist die Möglichkeit geschaffen, eine oder mehrere Zellen anzuordnen, die mit einem auftriebsfördernden Gas gefüllt werden können, was für besondere Anwendungsfälle eines solchen Flügels von Interesse ist, die noch beschrieben werden.
Der erfindungsgemäße Flügel ist insbesondere für Rotoren zur Windkraftumsetzung bestimmt, was jedoch die Verwendung im Flugzeugbau nicht ausschließen soll, bei welcher Verwendung nur dafür zu sorgen ist, daß ein Auftriebsprofil entsteht, was ohne weiteres möglich ist.
Der erfindungsgemäße Flügel wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 in perspektivischer Ansicht den Aufbau des erfindungsgemäßen Flügels im Sinne der ersten Lö sungsmöglichkeit; Fig. 2 in Draufsicht den Flügel in besonderer AusfUhrungsform; Fig. 3 das Profil des Flügels nach Fig. 2; Fig. 4 in Draufsicht eine weitere Ausführungsform des Flügels; Fig. 5 das Profil des Flügels nach Fig. 4; Fig. 6 einen Schnitt durch die Flügelhaut, ausgebildet im Sinr.e der zweiten Lösungsmöglichkeit; Fig. 7 perspektivisch und schematisch einen Flügel mit einer Flügelhautausbildung im Sinne der Fig. 6; Fig. 8 perspektivisch einen Flügel im Sinne der dritten Lösungsmöglichkeit und Fig. 9 ein Flügelelement des Flügels gemäß Fig. 8.
Gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besteht der Flügel aus zwei Flügelhäuten 1, 2, die aus Einzelzuschnitten 1', 2' gebildet sein können, wobei zwischen den Flügelhäuten 1, 2 schraubenlinienförmig verlaufend, streifenförmige Spannelemente 3 angeordnet sind.
Je nach erwartbarer Belastung kann gegebenenfalls auch auf die innere Flügelhaut 1 verzichtet werden. Schraubenlinienförmig verlaufend bedeutet dabei, daß jedes Spannelement 3 mit einem Ende an einer abströmseitigen Halteleiste 4 befestigt ist und nach Durchlauf einer Ganghöhe bzw. eines Teiles einer Ganghöhe entweder wieder an der Halteleiste 4 befestigt oder, wie erkennbar, mit einem dazu quer verlaufenden anderen Spannelement verbunden ist.
Eine solche Konstruktion hat sich als so stabil und widerstandsfähig erwiesen, daß man als Stütz- und Tragkonstruktion mit nur einem Längsholm 5 auskommt.
Um ein Auftriebsprofil im Sinne der Fig. 2, 3 zu erhalten, ist lediglich noch ein Vorderholm 5' erforderlich, wobei die Flügelhaut 10 an einigen Stellen so mit den Holmen 5, 5' zu verbinden ist, daß sich das Auftriebsprofil gemäß Fig. 3 ergibt.
Wesentlich bei dieser Konstruktion nach Fig. 1 bis 4 ist, daß aufgrund der sich ergebenden großen Steifigkeit der unter Spannung stehenden Flügelhaut 10 auf Querspanten (in Anströmrichtung verlaufend) völlig verzichtet werden kann und im Flügel große Freiräume entstehen, die gegf. mit einer Gasfüllung versehen werden können und zwar entweder bei dichter Haut direkt oder in eingebrachten gasdichten, elastischen Zellen (nicht dargestellt). Ein solcher Flügel ist außerordentlich leicht und mit wesentlich geringerem Aufwand herstellbar. Mit einer Gasfüllung kann dem Flügel noch ein gewisser Eigenauftrieb und damit eine Entlastung vom Eigengewicht vermittelt werden und auch ein zusätzlicher Aussteifungseffekt. Die Anordnung einer Steuerfläche 11 (Fig. 4) am Flügelende ist ohne weiteres möglich. Durch die Leichtkonstruktion ist ein solcher Flügel insbesondere für die Verwendung an Windkraftumsetzern besonders geeignet.
Bei der Konstruktion nach Fig. 6, 7 ist die Steifigkeit der Flügelhaut 10 auf andere Weise erreicht.
Die Flügelhaut 10 besteht hier aus zwei Hautzuschnitten 12, 13, wobei als Stütz- und Tragkonstruktion zwischen den Hautzuschnitten in ihrer Lage fixierte kleine Hohlkörperzellen 14 angeordnet sind, die entweder gegeneinander verklebt sind oder wobei die Resthohlräume mit einer Ausschäumung 15 gefüllt werden, welche Ausschäumung dann auch die Verbindung der Hohlkörperzellen 14 übernimmt.
Die Anbringung leichtgewichtiger Verspannungen 16 in Längs-und/oder Querrichtung ist erforderlichenfalls durchaus möglich. Auch hierbei bleiben genügend Freiräume zur Unterbringung von mit Gas zu füllenden Hüllen. Auch Auftriebsprofile im Sinne der Fig. 3 - gegf. über einem entsprechenden Flügelformkörper vorgeformt - können in dieser Bauart ausgebildet werden.
Einen ebenfalls sehr leichtgewichtigen Flügel kann man im Sinne der Fig. 8, 9 dadurch erhalten, daß der Längsrand 17 des die untere Fläche 18 bildenden Hautzuschnittes 19 gekrümmt zugeschnitten und durch gewölbte Verbindung mit dem oberen Teil 20 des Hautzuschnittes 19 verbunden wird. Dadurch entsteht ein insich steifes Element, das je nach gewünschter Flügellänge und nach Größe des Elementes zu einem oder mehreren, den Flügel bildet.
Bei Nebeneinanderreihung mehrerer solcher Elemente 21, die auch in Bezug auf die Anströmrichtung schräg angestellt sein können, wird mindestens ein sie tragender Längsholm 5" vorgesehen und das freie Ende mit einem Flügelendglied 22 (gegf. mit Steuerelement 11 versehen) verschlossen, wobei eine Verspannung 23 zum anderen Flügelende bzw. zum Flügelansatz vorgesehen werden kann. Selbst wenn kein Längsholm 5" vorgesehen ist, ist die Stütz- und Tragkonstruktion in diesem Fall praktisch durch die gekrümmte Verbindung der abströmseitigen Längsränder repräsentiert.
Was die rein konstruktive Verbindung der Hautzuschnitte untereinander mit den Längsholmen oder dergl. betrifft, aber auch der Spannelemente, überlappende Zuordnung der Hautzuschnitte u.dgl., so kommen dafür die bekannten Techniken aus dem Flugzeug - bzw. Flugkörperbau zur Anwendung, so daß eine nähere Erläuterung diesbezüglich entbehrlich ist.

Claims

PatentansprUche: Flügel, insbesondere zur Verwendung an Rotoren zur Windkraftumsetzung, bestehend aus einer Flügelhaut und einer inneren Stütz- bzw. Tragkonstruktion für die Flügelhaut, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelhaut (10) aus einem Hautzuschnitt aus spannungsaufnehmenden Material gebildet und um die innere, sich längs erstreckende Stütz- bzw. Tragkonstruktion unter Spannungsausbildung in der Haut in Form eines Flügelprofiles gebogen ist, wobei die beiden Längsränder (6) des Zuschnittes abströmseitig fest miteinander verbunden sind und wobei unter der Flügelhaut schraubenlinienförmig verlaufende Spannelemente (3), wie Streifen, Schnurzüge oder dergl. angeordnet und diese mit ihren Enden an dem abströmseitigen Rand des Flügelprofiles befestigt sind.
2. Flügel nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t daß die Flügelhaut aus zwei Hautzuschnitten (1, 2) gebildet ist, zwischen denen die Spannelemente (3) angeordnet sind.
3. Flügel nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelhaut bzw. deren Hautzuschnitte (1, 2) aus einzelnen Streifenzuschnitten (1', 2') gebildet und diese in Bezug auf die abströmseitige Flügelkante (7) schraubenlinienförmig und sich mit ihren Rändern überlappt, verlaufend angeordnet sind.
4. Flügel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bildung der Flügelhaut aus einem inneren und einem äußeren Hautzuschnitt (1, 2) der schraubenlinienförmige Verlauf der Streifenzuschnitte (1', 2') entgegengesetzt zu dem des anderen Hautzuschnittes ausgebildet ist.
Flügel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelhaut im Profil und zwar mindestens in der Längsebene der kleinen Hauptachse des Profil querschnittes mit einer Verspannung versehen ist.
6. Flügel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Profil, und zwar in der Längsebene der kleinen Hauptachse des Profilquerschnittes ein Flügellängsholm (5) angeordnet ist.
7. Flügel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß mindestens ein Teil der Spannelemente (3) mit ihren Enden (8) und zwar zum freien Flügelende (9) hin in Abstand zur abströmseitigen Flügelkante (7) mit sich kreuzenden Elementen (3) fest verbunden sind.
8. Flügel, insbesondere zur Verwendung an Rotoren zur Windkraftumsetzung, bestehend aus einer Flügelhaut und einer inneren Stütz- bzw. Tragkonstruktion für die Flügelhaut, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelhaut (10) aus mindestens zwei Haut zuschnitten (12, 13) aus spannungsaufnehmendem Material gebildet und die Hautzuschnitte in ubereinanderlage in Form eines Flügelprofiles gebogen und die Längsränder der Hautzuschnitte abströmseitig fest miteinander verbunden sind und daß zwischen den Hautzuschnitten als Stütz- bzw. Tragkonstruktion in ihrer Lage fixierte Hohlkörperzellen (14), wie Kugelhohlkörper oder dergl. angeordnet sind.
9. Flügel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörperzellen (14) miteinander verklebt sind.
10. Flügel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen den Hohlkörperzellen (14) und den Hautzuschnitten mit einer Ausschäumung (15) ausgefüllt ist.
11. Flügel nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelhaut im Profil, und zwar mindestens in der Längsebene der kleinen Hauptachse des Profil querschnittes mit einer Verspannung (16) versehen ist.
12. Flügel nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Profil und zwar in der Längsebene der kleinen Hauptachse des YProfilquerschnittes ein Flügellängsholm (5) angeordnet ist.
13. Flügel, insbesondere zur Verwendung an Rotoren zur Windkraftumsetzung, bestehend aus einer Flügelhaut und einer inneren Stütz- bzw. Tragkonstruktion für die Flügelhaut, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelhaut aus einem Hautzuschnitt (19) aus spannungs aufnehmenden Material gebildet und der Hautzuschnitt in Form eines Flügelprofiles gebogen ist, wobei der Längsrand (17) des die untere Fläche (18) des Profiles bildenden Teiles des Hautzuschnittes gekrümmt zugeschnitten und durch gewölbte Verbindung mit dem anderen Teil (20) des Hautzuschnittes (19) die Stütz- bzw. Tragkonstruktion bildet.
14. Flügel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Flügel nebeneinander auf einem Längsholm gegeneinander fixiert angeordnet sind und der aus Einzelflügeln gebildete Flügel am freien Ende mit einem Flügelendglied verschlossen ist.
15. Flügel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß am Flügelendglied (22) ein verstellbares Steuerelement (11) angeordnet ist.
16. Flügel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelendglied (22) in Richtung auf das andere Ende des Flügels verspannt ist.
17. Flügel nach jedem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügelinnenraum mit einem luftleichteren Gas gefüllt ist.
18. Flügel nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Flügelinnenraum mindestens eine Hülle für die Gasfüllung angeordnet ist.