DE3836673A1 - Verfahren und anordnung zur verminderung des induzierten widerstandes eines fluegels - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren und eine Anordnung zur Verminderung des induzierten Widerstan­ des eines von einem Medium angeströmten Flügels, der einen Überdruck auf der Unterseite und einen Unter­ druck auf der Oberseite aufweist, die sich durch eine unter der Unterseite in Richtung zum Flügelende ge­ richtete Querströmung des Mediums unter Bildung von Randwirbeln am Flügelende ausgleichen.

Der Widerstand des Tragflügels eines Flugzeuges setzt sich zusammen aus einem auftriebsunabhängigen Wider­ stand, dem Profilwiderstand des Flügels und einem auf­ triebsabhängigen Widerstand, dem induzierten Wider­ stand des Flügels. Der induzierte Widerstand ergibt sich aus dem Strömungsverlauf des Mediums an einem Flügel. Bedingt durch die Profilform eines Tragflügels eines Flugzeuges liegt auf seiner Oberseite ein Unter­ druck vor, während auf der Unterseite ein Überdruck vorliegt. Diese Drücke gleichen sich am Ende des Tragflügels aus bei Bildung einer Randströmung bzw. einer Querströmungskomponente auf der Unterseite des Flügels in Richtung Flügelende, um den Rand des Flü­ gels auf die Oberseite des Flügels. Dies setzt voraus, daß am Ende des Tragflügels auf seiner Unterseite zu der nach außen gerichteten Querströmung auf der Ober­ seite eine nach innen gerichtete Querströmung auf­ tritt. Die dadurch an der Hinterkante eines Tragflü­ gels zusammentreffenden Strömungen verlaufen demzu­ folge nicht parallel besonders im Flügelrandbereich, sondern führen vielmehr zur Ausbildung von Randwirbe­ ln, welche fortlaufend neu erzeugt werden und einen Widerstand bilden, welcher der kinetischen Energie proportional ist, die in diesen Wirbeln steckt.

Um den induzierten Widerstand zu vermindern, sind in vergangener Zeit verschiedenartige Maßnahmen ergriffen worden. So ist es bekannt, am Flügelende beispiels­ weise senkrecht oder schrägstehende Leitflächen anzu­ ordnen oder keulenförmige Ansätze am Tragflügelende anzuordnen oder das Tragflügelende nach unten gewölbt auszubilden, um dadurch die Entstehung von Randwirbeln zu unterdrücken. Einem Erfolg solcher bekannter Maß­ nahmen sind jedoch enge Grenzen durch den Nachteil ge­ setzt, daß durch derartige konstruktive Gestaltungen der Profilwiderstand des Tragflügels wesentlich erhöht wird, so daß diese bekannten Maßnahmen letzthin nur zu geringen Kraftstoffersparnissen führen, welche sich aus einer Verminderung des Gesamtwiderstandes ergeben. Dies gilt auch für eine weitere bekannte Lösung, nach welcher mit einem am Ende eines Tragflügels angeordne­ ten Randkörper versucht wird, durch seine künstlich erzeugte Rotation einen Gegenwirbel zu erzeugen, da für seinen Antrieb mehr Energie aufzuwenden ist, als durch die Unterdrückung von Randwirbeln gewonnen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zu schaffen, durch die der induzierte Wider­ stand eines Flügels vermindert wird, ohne daß dafür der Profilwiderstand des Flügels wesentlich vergrößert wird oder eine zusätzliche Leistung aufgebracht zu werden braucht. Gemäß der Erfindung ist dafür vorgese­ hen, daß ein Anteil der Querströmung unter dem Flügel durch einen Spalt in einen Leitkanal abgelenkt wird und in diesem zu einer am Auslaß des Leitkanals auf der Unterseite am Ende des Flügels nach unten gerich­ teten Strömung umgelenkt wird. Durch diese Maßnahme wird ebenfalls ein Gegenwirbel erzeugt, welcher die Ausbildung von Randwirbeln reduziert und der in seiner Stärke einstellbar ist, um sich den jeweils gegebenen Betriebsbedingungen anpassen zu können. Diese Ein­ stellbarkeit der Größe des zusätzlich umgelenkten Querstromanteiles ergibt sich aus einer Veränderung seines Leitkanales, die insbesondere möglich ist unter Verwendung einer in ihrer Stellung zu verändernden Leitplatte, wie sich im einzelnen noch aus der nach­ folgenden Beschreibung ergibt.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt unter an­ derem darin, daß mit ihr für die Verminderung des in­ duzierten Widerstandes Strömungen ausgenutzt werden, die sich ansich negativ auf den Auftrieb und das Wi­ derstandsverhalten des Flügels auswirken und für die Entstehung der Randwirbel ursächlich verantwortlich sind.

Wenn vorstehend allgemein von Auftrieb gesprochen ist, so ist das im weitestgehenden Sinne zu verstehen, denn die Erfindung ist nicht beschränkt auf die Ausgestal­ tung eines Flugzeug-Tragflügels, sondern kann von ih­ rem Prinzip her ebenfalls Anwendung finden bei der Ausbildung beispielsweise eines rotierenden angetrie­ benen Flügels, wie einem Hubschrauberflügel oder dem Flügel einer Schiffsschraube, weil dort hinsichtlich des induzierten Widerstandes am Flügelende grundsätz­ lich gleiche Probleme vorliegen, wie bei dem Tragflü­ gel eines Flugzeuges, denen mit der erfindungsgemäßen Lösung begegnet werden kann.

Dementsprechend kann also die Erfindung Anwendung fin­ den bei allen aerodynamisch auftriebserzeugenden Kör­ pern, die dadurch charakterisiert sind, daß senkrecht zu der Anströmrichtung eine Kraftkomponente erzeugt wird.

Ausgestaltungen der Erfindung sind nachstehend erläu­ tert unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel an dem Tragflügel eines Flugzeuges unter Bezugnahme auf eine Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 die Strömungsverhältnisse an einem Tragflü­ gel;

Fig. 2 den Schnitt durch ein Tragflügelende mit er­ findungsgemäßer Leitplatte;

Fig. 3 die Leitplatte nach Fig. 2 in verschiedenen Arbeitsstellungen;

Fig. 4 ein Längsschnitt durch eine Leitplatte in drei verschiedenen Arbeitsstellungen und

Fig. 5 und 6 eine Modellausführung für die Verstell­ barkeit einer Leitplatte.

Wird ein profilierter Tragflügel 1 entsprechend Fig. 1c in Richtung der Pfeile 5 von vorn angeströmt, so bildet sich entsprechend seinem Profil auf seiner Ob­ erseite ein Unterdruck aus und auf seiner Unterseite ein Überdruck. Dabei treten entsprechend Fig. 2b auf der Oberseite nach innen gerichtete Querströme und auf der Unterseite nach außen gerichtete Querströme 3 auf. Diese sind bedingt durch einen Druckausgleich an den Tragflügelenden, bei dem die Luft entsprechend den Pfeilen 4 in einer Randströmung die Enden des Tragflü­ gels 1 umströmt. Diese Randströmung führt zu der Aus­ bildung von Wirbeln, welche den Auftrieb vermindern und den Widerstand vergrößern.

Um die Größe dieses induzierten Widerstandes zu ver­ mindern ist entsprechend den nachfolgenden Figuren vorgesehen, einen Anteil 3′ des Querluftstromes 3 auf der Unterseite eines Tragflügels 1 am Tragflügelende 2 abzuleiten in einen Leitkanal 6, in dem eine Umlen­ kung stattfindet in dem Sinne, daß dieser Querstroman­ teil 3′ am Tragflügelende nach unten ausgerichtet im Bereich des Auslaßspaltes 8 auf den nicht abgeleiteten Querstromanteil in nahezu entgegengesetzter Richtung auftrifft. Durch den nach außen hin zunehmend stärker gekrümmten Leitkanal 6 hat die Querluftströmkomponente 3′ am Auslaßspalt 8 außerdem einen dem normalerweise abgehenden Wirbel entgegengesetzten Drehsinn und wirkt damit insgesamt der Wirbelbildung entgegen.

Für die Ausbildung des Leitkanales 6 ist eine als Pro­ filkörper ausgebildete Leitplatte 7 vorgesehen, die in Richtung der Hochachse Z höhenverstellbar ist, so­ wie um die Längsachse X und die Querachse Y verdrehbar ist. Dadurch ergeben sich Einstellmöglichkeiten wie sie unter anderem in den Fig. 3 und 4 wiedergegeben sind. Mit diesen verschiedenen Einstellmöglichkeiten lassen sich unterschiedliche Betriebszustände des Flugzeuges vorteilhaft ausnutzen. Danach ist es unter anderem möglich (Fig. 3d) den Leitkanal 6 durch ein Anheben der Leitplatte 7 abzusperren, um beispiels­ weise bei einem Hochgeschwindigkeitsflug, bei dem der Profilwiderstand gegenüber dem induzierten Widerstand relativ groß ist, den Profilwiderstand des Flügels nicht unnötig zu vergrößern. Demgegenüber ist bei der Anordnung nach Fig. 3b vorgesehen, den Einlaßspalt 9 weit geöffnet zu halten durch eine entsprechende Drehbewegung der Leitplatte 7 um die Achse X, um bei­ spielsweise beim Langsamflug oder Steigflug mit großem Anstellwinkel des Flügels die Ausbildung von Wirbeln, welche den Auftrieb vermindern, soweitgehend als mög­ lich zu verhindern. Eine geringfügige Erhöhung des Profilwiderstandes kann zugunsten einer wesentlichen Verringerung des induzierten Widerstandes bei diesem Flugzustand in Kauf genommen werden. Durch weitere Zwischenstellungen, wie sie beispielsweise die Fig. 3a und 3c zeigen, lassen sich weitere Strömungsver­ hältnisse und Strömungsgeschwindigkeiten am Auslaß­ spalt 8 erzielen in Anpassung an den jeweiligen Flug­ zustand.

In diesem Sinne tragen auch mögliche Drehbewegungen der Leitplatte 7 um ihre Querachse Y bei, wie es in den drei Stellungen nach Fig. 4 erkennbar ist. Danach ist es möglich, sowohl die Spaltbreite an der Hinter­ kante des Flügelprofils wie auch eine Spaltbreite an der Vorderkante des Flügels durch ein Schwenken der Leitplatte 7 zu verändern und damit wesentlich Einfluß zu nehmen auf das Ausmaß der Strömung.

Nach den Fig. 3 und 4 ist erkennbar, daß die Leitplatte im Schnitt einen Profilkörper bildet, der im wesentlichen dem Profil des Tragflügels 1 angepaßt ist. Dementsprechend ist auch der Tragflügel 1 bzw. das Tragflügelende 2 mit einer Ausnehmung 17 versehen, die im Querschnitt dem Querschnitt der Leitplatte 7 entspricht, wobei es als wesentlich angesehen wird, wenn der Leitkanal von der Eingangsseite bzw. vom Ein­ laßspalt 9 in Richtung auf den Auslaßspalt 8 eine fortlaufend stärkere Krümmung aufweist, um den Querst­ romanteil 3′ um etwa 90° in seiner Richtung abzulenken beim Durchtritt durch den Leitkanal 6, so daß er als eine nach unten gerichtete Strömung 11 in den nichtab­ geleiteten Querluftstrom eintritt mit einem dem norma­ len Wirbel entgegengesetzten Drehsinn.

Mit der Verstellbarkeit der Sehne der Leitplatte 7 zu der Profilsehne des Tragflügels 1 durch eine Drehbewe­ gung der Leitplatte 7 um die Querachse Y läßt sich entsprechend Fig. 4 insbesondere eine Anpassung an die verschiedenen möglichen Anstellwinkel des Tragflü­ gel durchführen, der entsprechend dem Pfeil angeströmt wird.

Die Fig. 5 und 6 zeigen konstruktive Ausgestaltun­ gen, die getroffen wurden an einem Versuchsmodell für die Verstellbarkeit der Leitplatte 7. Bei dieser An­ ordnung wurde die Leitplatte 7 an ihrer Vorder- und Rückseite mit jeweils einer Scheibe 14 versehen, wel­ che eine radial in Richtung der Z Achse ausgerichtete Gewindebohrung aufweist. In diese Gewindebohrung er­ streckt sich jeweils eine hintere Welle 12 bzw. vor­ dere Welle 13, die über einen Antrieb 15 in eine Rota­ tion zu versetzen sind, so daß sowohl eine Absenkung der Leitplatte 7 unter gleichzeitiger Betätigung bei­ der Wellen 12 und 13 herbeizuführen ist, wie auch eine Verstellung um die Y Achse durch Verstellung der Welle 12. Ergänzend kann eine Schwenkbewegung um die Welle X vorgenommen werden im Bereich des Schlitzes 16 nach Fig. 6.

Abweichend zu den in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispielen können im Leitkanal 6 Leitwände angeordnet sein, die den Leitkanal in mehrere nebenei­ nander liegende Leitkanäle unterteilen und dazu bei­ tragen, daß beispielsweise die von der Flügelnase her eintretende Luft stärker zum Flügelende hin abgelenkt wird.

Claims (18)

1. Verfahren zur Verminderung des induzierten Wider­ standes eines von einem Medium angeströmten Flügels (1) mit einem Überdruck auf der Unterseite und einem Unterdruck auf der Oberseite, die sich durch eine un­ ter der Unterseite zum Flügelende (2) gerichtete Querströmung (3) unter Bildung von Randwirbeln (4) ausgleichen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil (3′) der Querströmung (3) durch einen Spalt (9) an der Unterseite des Flügels (1) in einen Leitkanal (6) ab­ gelenkt und in diesem zu einer am Auslaß (8) des Leit­ kanals (6) auf der Unterseite des Flügels (1) nach un­ ten gerichteten Strömung (11) mit einem dem normalen Wirbel entgegengesetztem Drehimpuls umgelenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Querstromanteiles (3′) durch eine Veränderung der Ausbildung des Einlaßspaltes (9) ver­ ändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Einlaßspaltes (9) verändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Querschnitt des Leitkanals (6) durch Verstellung einer Leitplatte (7) verändert wird, die den Boden des Leitkanals (6) bildet und im eingefahre­ nen Zustand der Kontur der Profilunterseite ent­ spricht.

5. Anordnung an einem Flügel (1) mit einem Überdruck auf der Unterseite und einem Unterdruck auf der Ober­ seite, die sich durch eine unter der Unterseite zum Flügelende gerichtete Querströmung (3) unter Bildung von Randwirbeln (4) ausgleichen, dadurch gekennzeich­ net, daß auf der Unterseite des Flügels (1) am Flüge­ lende (2) ein Leitkanal (6) für einen Anteil (3′) des Querstromes (3) angeordnet ist, der durch einen bogen­ förmigen Verlauf den Querstromanteil (3′) zu einer am Auslaß (8) des Leitkanals (6) nach unten gerichteten Strömung (11) umlenkt, die einen dem normalerweise vorhandenen Wirbel entgegengesetzten Drehimpuls be­ sitzt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Leitkanal (6) von der Vorderseite des Flügels (1) bis an die Flügelhinterkante erstreckt.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der bogenförmige Leitkanal (6) von seinem spalt­ förmigen Einlaß (9) zum Auslaß (8) fortlaufend stärker gekrümmt ist.

8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitkanal (6) in mehrere nebeneinander liegen­ de Leitkanäle (6) unterteilt ist.

9. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite des Leitkanals (6) von einer als Profilkörper ausgebildeten Leitplatte (7) gebildet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der Leitplatte (7) dem Profil des Flü­ gels (1) angepaßt ist.

11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatte (7) zum Flügel (1) höhenverstellbar (Z) gelagert ist.

12. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatte (7) um ihre Längsachse (X) drehbar gelagert ist.

13. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatte (7) um eine Querachse (Y) verstell­ bar ist.

14. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatte (7) in einer Ausnehmung (17) an der Unterseite des Flügelendes (2) liegt, die dem Profil der Leitplatte (7) so angepaßt ist, daß ein nahezu gleichbleibender Querschnitt von Profilnase bis Pro­ filhinterkante im Leitkanal (6) vorhanden ist.

15. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatte (7) in angehobener Stellung den Leitkanal (6) absperrt und ihre Unterseite die Profil­ kontur des Tragflügelprofiles bildet.

16. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (1) ein Flugzeugtragflügel ist.

17. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel ein angetriebener Rotationsflügel wie ein Propeller- oder Hubschrauberflügel ist.

18. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (1) Bestandteil eines Schiffspropellers oder der Rotor einer Windenergieanlage ist.