DE602004010867T2

DE602004010867T2 - Wirksame Flügelspitzenvorrichtung und Verfahren zum Einbau solcher Vorrichtungen in existierende Tragflächen

Info

Publication number: DE602004010867T2
Application number: DE602004010867T
Authority: DE
Inventors: James D. Mclean
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: US20040262451A1; DE602004010867D1; EP1493660B2; US6886778B2; EP1493660A1; DE602004010867T3; EP1493660B1

Description

Die folgende Beschreibung bezieht sich allgemein auf Flügelspitzenvorrichtungen wie beispielsweise Winglets und im Besonderen auf Flügelspitzenvorrichtungen für die Verwendung mit vorhandenen Flugzeugflügelkonstruktionen.
Die Idee der Verwendung von Winglets zur Reduzierung des induzierten Widerstands bei Flugzeugflügeln wurde in den 1970ern von Richard Whitcomb von der NASA und von anderen untersucht. Seit damals wurde eine Anzahl von Variationen dieser Idee patentiert (siehe beispielsweise das U.S. Patent Nr. 4,205,810 für Ishimitsu und das U.S. Patent Nr. 5,275,358 für Goldhammer et al.). Zusätzlich sind gegenwärtig eine Anzahl von Wingletvariationen im Gebrauch. Derartige Winglets umfassen horizontale Spannweitenvergrößerungen wie die der Boeing 767-400 und 777-400 und rückgepfeilte Spannweitenvergrößerungen, die in unterschiedlichen Winkeln aufwärts oder abwärts abgeschrägt sind. Diese Vorrichtungen können während der anfänglichen Konstruktionsphase eines neuen Flugzeugs einem neuen Flügel hinzugefügt werden, oder sie können einem existierenden Flügel als Nachrüstung oder während der Entwicklung eines abgeleiteten Modells hinzugefügt werden.
Der induzierte Widerstand eines Flügels oder einer Flügel-Wingletkombination kann durch Anwendung der klassischen „Trefftz plane theory" (Theorie der Trefftzebene) mit einer akzeptablen Genauigkeit berechnet werden. Gemäß dieser Theorie hängt der induzierte Widerstand eines Fluzgzeugflügels nur ab von der „Abströmkantenspur" (trailing edge trace) des „Lifting Systems" (d. h. der Flügel plus Spitzenvorrichtung), direkt von der Vorder- oder Rückseite des Flügels gesehen, und dem „Spanload". Der Spanload ist die Verteilung aerodynamischer Last lotrecht zur „Abströmkantenspur" des Flügels. (Aerodynamiker bezeichnen diese aerodynamische Lastverteilung oft als „Lift", obwohl die Last nicht vertikal ist, wenn die „Abströmkantenspur" aus der Horizontalen geneigt ist). Das Hinzufügen eines Winglet oder einer anderen Flügelspitzenvorrichtung zu einem Flügel verändert sowohl die „Abströmkantenspur" (d. h. die Geometrie der Trefftz-Ebene) als auch den Spanload. Das Ergebnis ist, dass das Hinzufügen einer derartigen Vorrichtung auch den induzierten Widerstand des Flügels verändert.
Für eine gegebene Geometrie der Trefftz-Ebene und einen gegebenen Gesamt-Vertikalauftrieb existiert gewöhnlich ein Spanload, der einen geringstmöglichen induzierten Widerstand bewirkt. Dies ist der „ideale Spanload", und der sich aus dem idealen Spanload ergebende induzierte Widerstand ist der „ideale induzierte Widerstand". Bei einem ebenen Flügel, bei dem die Geometrie der Trefftz-Ebene eine horizontale Linie ist, ist der ideale Spanload elliptisch. Herkömmliche Flugzeugflügel ohne Winglets kommen der ebenen Form in der Trefftz-Ebene so nahe, dass ihre idealen Spanloads beinahe elliptisch sind. Bei herkömmlichen Flugzeugflügeln mit vertikalen oder beinahe vertikalen Winglets (d. h. nicht ebenen Lifting Systemen) ist der ideale Spanload für gewöhnlich nicht elliptisch, aber der ideale Spanload kann mit konventioneller Tragflächentheorie leicht berechnet werden.
Herkömmliche Flugzeugflügel sind gewöhnlich nicht mit idealen oder elliptischen Spanloads konstruiert. Stattdessen sind sie als Kompromiss mit „dreieckigen" Spanloads konstruiert, die strukturelle Biegebelastungen an der Flügelwurzel reduzieren. Derartige Konstruktionen nehmen eine geringe Zunahme des induzierten Widerstands für eine Verringerung des Flugzeugzellengewichts in Kauf. Das Ausmaß des Kompromisses variiert von einem Flugzeugmodell zum nächsten beträchtlich. Um einen derartigen dreieckigen Spanload zu erzeugen, ist die Flügelspitze typischerweise verdreht, um eine Schränkung (Washout) zu erzeugen. „Washout" bezieht sich auf eine Flügelspitze, die so geschränkt ist, dass die Anströmkante sich im Verhältnis zur Flügelwurzel nach unten bewegt und die Abströmkante sich nach oben bewegt. Die Flügelspitze auf diese Weise zu schränken, verkleinert den Angriffswinkel der Flügelspitze gegenüber der Flügelwurzel, wobei die Auftriebsverteilung in Richtung zur Flügelspitze reduziert wird.
Konventionelle Winglets sind typischerweise rückwärts gepfeilt, um eine schädliche Schockwellen-Wechselwirkung zwischen dem Flügel und dem Winglet zu vermeiden. Wird ein solches Winglet zu einem existierenden oder Grundlinienflügel hinzugefügt, weicht der resultierende Spanload von dem idealen Spanload ab, da der Grundlinienflügel ursprünglich dafür konstruiert war, ohne Winglet effizient zu funktionieren. Dieser Unterschied wird durch die als Kompromiss dreieckige Auftriebsverteilung betont, wie sie gewöhnlich mit konventionellen Flügeln verbunden ist. Als Ergebnis bleibt der Nutzen des hinzugefügten Winglets oft sehr zurück hinter dem Nutzen, der theoretisch aus dem idealen Spanload zu ziehen wäre.
Der technische Bericht AFFDL-TR-76-6 mit dem Titel „Design and Analysis of Winglets for Military Aircraft" („Konstruktion und Analyse von Winglets für Militärflugzeuge"), veröffentlicht 1976 von der Boeing Commercial Airplane Company, enthält die Resultate einer parametrischen Studie verschiedener Winglettypen. Die Studie umfasste eine Spanne von Winglet-Pfeilungswinkeln, eingeschlossen Vorwärts-Pfeilungswinkel (siehe beispielsweise 43 des Berichts). Offensichtlich wurden jedoch die Winglets in dieser Studie nur mit ebenen (d. h. nicht geschränkten) Flügeln mit optimalen oder beinahe optimalen elliptischen Spanloads kombiniert. Die Winglets wurden offenbar nicht mit konventionellen geschränkten Flügeln mit dreieckigen Spanloads kombiniert. Als Konsequenz gelang es in dieser Studie nicht, irgendwelche signifikanten, mit vorgepfeilten Winglets verbundenen Vorteile auszumachen.
EP-A-0094064 offenbart eine Tragflächen-/Winglet-Kombination, die umfasst: eine Tragfläche mit einem Tragflächenwurzelteil und einem von dem Tragflächenwurzelteil beabstandeten Tragflächenspitzenteil und zwei Winglets, die sich von dem Tragflächenspitzenteil der Tragfläche auswärts erstrecken, wobei jedes Winglet im Vergleich zur Tragfläche rückgepfeilt ist, und wobei die Winglets durch einen aerodynamisch geformten Körper an dem Tragflächenspitzenteil angebracht sind. In einer alternativen Ausführungsform ist ein sich aufwärts erstreckendes Winglet rückgepfeilt und ein anderes, sich abwärts erstreckendes Winglet, vorgepfeilt.
US-A-5,634,613 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung eines im Wesentlichen in Strömungsrichtung gerichteten vorteilhaften Wirbels in der Nähe des Außenbord-Endes einer Tragfläche. Eine Schränkung entlang der Tragflächenspanne wird genauso offenbart, wie rückgepfeilte Flügelspitzen zur Erzeugung, Nutzung und Steuerung dieser Wirbelmuster.
HEYSON HARRY H, RIEBE GREGORY D, FULTON CYNTHIA I: „Theoretical Parametric Study of the Relative Advantages of Winglets and Wing-Tip Extensions" NASA TECHNICAL PAPER 1020, September 1977 (1977-09), XP009069389, Langley Research Center, Hampton, Virginia, liefert eine theoretische Studie der Vorteile von Winglets und Flügelspitzenverlängerungen.
ISHIMITSU K K, ET al.: „Design and Analysis of Winglets for Military Aircraft", TECHNICAL REPORT AFFDL-TR-76-6, BOEING COMMERCIAL AIRPLANE COMPANY, Februar 1976 (1976-02), XP001247002, Seattle, Washington, liefert eine Studie der potenziellen Verbesserung des Leistungsverhaltens von Winglets für Militärflugzeuge.
US 6142 738 beschreibt einen Flügel für einen Drehflügler mit einem Flügelspitzenwinglet, das fortlaufend ist zu und eben mit dem Flügel, um das Geräusch der Wechselwirkung zwischen Flügel und Wirbel beim Sinkflug zu verringern.
Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, den oben erwähnten Stand der Technik zu verbessern, besonders im Hinblick auf die Verringerung des Widerstands bei einer Tragflächen-/Wingletkombination.
Die vorliegende Erfindung ist gemäß Anspruch 1 ausgerichtet auf Flügelspitzenvorrichtungen zur Benutzung mit Flugzeugflügeln und Verfahren zum Einbau solcher Vorrichtungen in existierende Tragflächen.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Flugzeugflügel-/Wingletkombination in Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung umfasst das Zur-Verfügung-Stellen eines Flügels mit einem Flügelwurzelteil und einem Flügelspitzenteil. Das Flügelwurzelteil kann einen Flügelwurzelsehne definieren und das Flügelspitzenteil kann eine Flügelspitzensehne definieren. Die Flügelspitzensehne kann gegenüber der Flügelwurzelsehne entlang einer Flügel-Quarter-Chord-Linie versetzt sein und kann in Bezug auf die Flügelwurzelsehne eine Schränkung aufweisen. In einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Verfahren ferner das Zur-Verfügung-Stellen eines Winglets mit einem Wingletwurzelteil und einem Wingletspitzenteil umfassen. Das Wingletwurzelteil kann eine Wingletwurzelsehne definieren, und das Wingletspitzenteil kann eine Wingletspitzensehne definieren. Die Wingletspitzensehne kann gegenüber der Wingletwurzelsehne entlang einer Winglet-Quarter-Chord-Linie versetzt sein. In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Verfahren ferner umfassen, das Wingletwurzelteil zumindest in der Nähe des Flügelspitzenteils starr zu befestigen, so dass die Winglet-Quarter- Chord-Linie zumindest im Grundsatz in Bezug auf die Flügel-Quarter-Chord-Linie vorgepfeilt ist. Die Tragfläche erstreckt sich in einer ersten Richtung und das Winglet (110) erstreckt sich in einer zweiten Richtung, wobei die zweite Richtung im Wesentlichen lotrecht zu der ersten Richtung verläuft.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine isometrische Draufsicht auf ein Flugzeug mit einer Flügel-/Wingletkombination, die entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung konfiguriert ist.
2 ist eine vergrößerte explodierte isometrische Ansicht der Flügel-/Wingletkombination aus 1, die entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung konfiguriert ist.
3 ist eine Draufsicht einer Abwicklung der Flügel-/Wingletkombination aus 2, die relative Pfeilungswinkel der Flügel-Quarter-Chord-Linie und der Flügel-Quarter-Chord-Linie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
4 ist eine vergrößerte Rückansicht des Winglets aus 2, das gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konfiguriert ist.
Die 5A und 5B sind Seitenansichten von Teilsehnen-Winglets (partial-chord winglets), die gemäß Ausführungsformen der Erfindung konfiguriert sind.
6 stellt ein Diagramm dar, das eine Reduzierung des induzierten Widerstands zeigt, die durch ein vorgepfeiltes Winglet erreicht werden kann, das gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konfiguriert ist.
7 stellt eine Tabelle dar, die die Widerstandsreduzierung eines rückgepfeilten Winglets mit der Widerstandsreduzierung eines vorgepfeilten Winglets gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vergleicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Offenbarung beschreibt Spitzenvorrichtungen zur Verwendung mit Tragflächen wie beispielsweise Flugzeugflügeln, und Verfahren, derartige Spitzenvorrichtungen in existierende Flügelkonstruktionen einzubauen. Bestimmte spezifische Details werden in der folgenden Beschreibung und in den 1–7 dargelegt, um ein umfassendes Verständnis verschiedener Ausführungsformen der Erfindung zu ermöglichen. Andere Details, die bekannte Strukturen und Systeme beschreiben, wie sie oft mit Flugzeugen und Flugzeugflügeln verbunden sind, sind in der folgenden Beschreibung nicht dargelegt, um eine unnötige Komplizierung der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung zu vermeiden.
Viele der Details, Maße, Winkel und anderer in den Figuren gezeigten Spezifikationen sind nur zur Erläuterung bestimmter Ausführungsformen der Erfindung gedacht. Dementsprechend können andere Ausführungsformen andere Details, Maße und Spezifikationen aufweisen. Außerdem können andere Ausführungsformen der Erfindung auch ohne einige der oben beschriebenen Details genutzt werden.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder zumindest im Grundsatz gleiche Elemente. Um die Erörterung eines jeden besonderen Elementes zu erleichtern, bezieht sich die wesentlichste Zahl (oder Zahlen) jedes Bezugszeichens, auf das Bezug genommen wird, auf die Figur, in der dieses Element zuerst eingeführt wird. Beispielsweise wird das Element 110 mit Bezug auf 1 als erstes eingeführt und erörtert.
1 ist eine isometrische Draufsicht auf ein Flugzeug 100 mit einer Flügel-/Wingletkombination 105, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konfiguriert ist. In einem Aspekt dieser Ausführungsform verfügt das Flugzeug 100 über eine Tragfläche wie beispielsweise einen Flügel 104, der sich von einem Flugzeugrumpf 102 auswärts erstreckt. Der Flugzeugrumpf 102 kann entlang einer Längsachse 101 ausgerichtet sein und eine Passagierkabine 103 umfassen, die dafür konfiguriert ist, eine Vielzahl von Passagieren (nicht dargestellt) zu befördern. In einer Ausführungsform kann die Passagierkabine 103 dafür ausgelegt sein, mindestens 50 Passagiere zu befördern. In einer anderen Ausführungsform kann die Passagierkabine 103 dafür ausgelegt sein, mindestens 150 Passagiere zu befördern. In weiteren Ausführungsformen kann die Passagierkabine 103 dafür ausgelegt sein, eine andere Anzahl Passagiere zu befördern. In wieder anderen Ausführungsformen (wie beispielsweise militärischen Ausführungsformen) kann die Passagierkabine 103 ganz fehlen.
In einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform kann der Flügel 104 eine existierende Flügelkonfiguration sein, zu der vorgepfeilte Winglets 110 hinzugefügt wurden, um die Flügel-/Wingletkombination 105 zu bilden. Der Ausdruck „existierende Flügelkonfiguration" bedeutet in diesem Zusammenhang eine existierende oder Grundlinienflügelkonfiguration, die ursprünglich für den Betrieb ohne Flügelspitzenvorrichtungen konstruiert wurde. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform ein existierender Flügel nachträglich mit den vorgepfeilten Winglets 110 („Winglets 110") ausgerüstet werden, um den induzierten Widerstand zu reduzieren und die Treibstoffeffizienz zu verbessern. In einer anderen Ausführungsform können die Winglets 110 in die Konstruktion eines neuen verbesserten Flugzeugmodells eingebaut werden, das eine existierende Flügelkonfiguration verwendet.
Obwohl das Winglet 110 der dargestellten Ausführungsform mit einem Flügel kombiniert ist, kann das Winglet 110 in anderen Ausführungsformen mit anderen Tragflächenarten kombiniert sein, um den aerodynamischen Widerstand zu reduzieren und/oder anderen Zwecken zu dienen. Beispielsweise kann in einer anderen Ausführungsform das Winglet 110 mit einem hinten montierten Höhenleitwerk kombiniert werden. In einer anderen Ausführungsform kann das Winglet 110 mit einem Vorderflügel oder Entenflügel kombiniert werden, um den aerodynamischen Widerstand des Entenflügels zu reduzieren. In weiteren Ausführungsformen kann das Winglet 110 mit anderen Tragflächen kombiniert sein. Darüber hinaus soll in der gesamten Of fenbarung und den ihr folgenden Ansprüchen der Begriff „Winglets" sich auf jede gemäß dieser Offenbarung konfigurierte Flügelspitzenvorrichtung beziehen.
In einem weiteren Aspekt dieser Ausführungsform definiert der Flügel 104 eine Flügel-Quarter-Chord-Linie 114, die zumindest im Grundsatz gegenüber der Langsachse 101 rückgepfeilt ist, und das Winglet 110 definiert eine Winglet-Quarter-Chord-Linie 112, die zumindest im Grundsatz gegenüber der Flügel-Quarter-Chord-Linie 114 vorgepfeilt ist. Wie unten detaillierter beschrieben wird, kann das Vorpfeilen der Winglet-Quarter-Chord-Linie 112 auf diese Weise die Spanload der Kombination des Flügels 104 und des Winglets 110 vorteilhaft verändern, um gegenüber einem konventionellen rückgepfeilten Winglet eine erhöhte Widerstandsreduzierung zu bieten.
2 ist eine vergrößerte explodierte isometrische Ansicht der Flügel-/Wingletkombination 105 aus 1, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konfiguriert ist. In einem Aspekt dieser Ausführungsform umfasst der Flügel 104 ein Flügelspitzenteil 238 und ein Flügelwurzelteil 236. Das Flügelwurzelteil 236 kann für eine starre Befestigung an dem Flugzeugrumpf 102 (1) konfiguriert sein und kann eine Flügelwurzelsehne 256 definieren. Das Flügelspitzenteil 238 kann gleichermaßen eine Flügelspitzensehne 258 definieren, die gegenüber der Flügelwurzelsehne 256 entlang der Flügel-Quarter-Chord-Linie 114 versetzt ist. Die Flügelspitzensehne 258 kann gegenüber der Flügelwurzelsehne 256 eine Schränkung (wash out) aufweisen, wie sie der Schränkungswinkel 259 zeigt. Konventionelle Flugzeug flügel ohne Flügelspitzenvorrichtungen benutzen eine derartige Schränkung typischerweise zur Reduzierung der Auftriebsverteilung in Richtung der Flügelspitze und zur Reduzierung der Biegebeanspruchung an der Flügelwurzel. Die Reduzierung der Biegebeanspruchung an der Flügelwurzel kann das Strukturgewicht des Flügels vorteilhaft verringern, allerdings zum Preis einer geringfügigen Vergrößerung des Widerstands.
In einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform umfasst das Winglet 110 ein Wingletspitzenteil 218 und ein Wingletwurzelteil 216. Das Wingletwurzelteil 216 kann für die starre Befestigung an dem Flügelspitzenteil 238 des Flügels 104 konfiguriert sein und kann eine Wingletwurzelsehne 226 definieren. Das Wingletspitzenteil 218 kann gleichermaßen eine Wingletspitzensehne 228 definieren, die gegenüber der Wingletwurzelsehne 226 entlang der Winglet-Quarter-Chord-Linie 112 versetzt ist. In einem weiteren Aspekt dieser Ausführungsform, der unten detaillierter beschrieben wird, ist die Winglet-Quarter-Chord-Linie 112 zumindest im Grundsatz vorgepfeilt gegenüber der Flügel-Quarter-Chord-Linie 114, um den Spanload (spannweitenbezogenen Auftrieb) des Flügels 104 positiv zu verändern und den induzierten Widerstand des Flügels 104 zu reduzieren.
In einem weiteren Aspekt dieser Ausführungsform umfasst der Flügel 104 ein Flügelanströmkantenteil 262 und ein Flügelabströmkantenteil 263. Gleichermaßen kann das Winglet 110 ein Winglet-Anströmkantenteil 242 und ein Winglet-Abströmkantenteil 243 umfassen. Obwohl das Winglet 110 über die gesamte Länge der Flügelspitzenwurzelsehne gehen kann (full-chord winglet), wobei das Winglet-Anströmkantenteil 242 zumindest nahe dem Flügelanströmkantenteil 262 positioniert ist und das Winglet-Abströmkantenteil 243 zumindest nahe dem Flügelabströmkantenteil 263 positioniert ist, wie in den 1, 2 und 3 dargestellt, können jedoch gemäß Ausführungsformen der Erfindung konfigurierte „Teilsehnen-Winglets" (partialchord winglets), auf eine solche Weise starr an dem Flügel 104 angebracht werden, dass das Winglet-Anströmkantenteil 242 und/oder das Winglet-Abströmkantenteil 243 sich nicht nahe dem Flügelabströmkantenteil 263 befinden.
In einem weiteren Aspekt dieser Ausführungsform kann der Flügel 104 eine im Grundsatz trapezförmige Planform mit einer Streckung von circa 10 und einer Zuspitzung von circa 0,25 aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann der Flügel 104 andere Streckungen und andere Zuspitzungen aufweisen. Beispielsweise kann der Flügel 104 in einer anderen Ausführungsform eine Streckung größer 10 und/oder eine Zuspitzung größer 0,25 aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Flügel 104 eine Streckung kleiner 10 und/oder eine Zuspitzung kleiner 0,25 aufweisen. In einem weiteren Aspekt dieser Ausführungsform kann die Flügel-Quarter-Chord-Linie 114 gegenüber der Langsachse 101 in einem Winkel 291 von 35° rückgepfeilt sein. In anderen Ausführungsformen kann die Flügel-Quarter-Chord-Linie 114 gegenüber der Langsachse 101 in anderen Winkeln positioniert sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Flügel 104 beispielsweise zumindest im Grundsatz ungepfeilt sein. In einer weiteren Ausführungsform kann der Flügel 104 vorgepfeilt sein.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform kann das Winglet 110 eine Länge von 15% einer halben Flügelspanne des Flügels 104 und eine Zuspitzung von circa 0,50 aufweisen. Zusätzlich kann in dieser Ausführungsform die Winglet-Quarter-Chord-Linie 112 in einem Winkel 292 von circa 35° gegenüber der Flügelspitzensehne 258 vorgepfeilt sein. In anderen Ausführungsformen kann das Winglet 110 andere Längen, Zuspitzungen und Pfeilungswinkel aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann beispielsweise das Winglet 110 eine Länge von circa 10% der halben Flügelspanne des Flügels 104, eine Zuspitzung von circa 0,40 und einen Vorpfeilungswinkel von circa 25° gegenüber der Flügelspitzensehne 258 aufweisen.
3 ist eine Draufsicht einer Abwicklung der Flügel-/Wingletkombination 105 aus 2, die die relativen Pfeilungswinkel der Flügel-Quarter-Chord-Linie 114 und der Winglet-Quarter-Chord-Linie 112 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt. Aus Gründen der Anschaulichkeit ist das Winglet 110 in 3 nach außen und unten um die Flügelspitzensehne 258 gefaltet, so dass es mit dem Flügel 104 in derselben Ebene liegt. Diese abgewickelte Konfiguration veranschaulicht, dass die Winglet-Quarter-Chord-Linie 112 gegenüber der Flügel-Quarter-Chord-Linie 114 vorgepfeilt ist, wie durch den Vorpfeilungswinkel 359 gezeigt wird. Daher soll in dieser gesamten Offenbarung der Begriff „vorgepfeiltes Winglet" ein Winglet bezeichnen, das eine Quarter-Chord-Linie aufweist, die gegenüber der Flügel-Quarter-Chord-Linie vorgepfeilt ist, wenn das Winglet, wie in 3 dargestellt, in eine Ebene mit dem Flügel gebracht wird. Es ist zu beachten, dass in einigen Ausführungsformen die Winglet-Quarter-Chord-Linie 112 gegenüber der Längsachse 101 rückgepfeilt sein kann, wobei das Winglet 110 dennoch ein „vorgepfeiltes Winglet" sein kann, da die Winglet-Quarter-Chord-Linie 112 gegenüber der Flügel-Quarter-Chord-Linie 114 vorgepfeilt ist.
4 ist eine vergrößerte Rückansicht des Winglets 110 aus 2, das gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konfiguriert ist. In einem Aspekt dieser Ausführungsform erstreckt sich das Winglet 110 zumindest im Grundsatz im Verhältnis zu dem Flügel 104 aufwärts, so dass das Winglet 110 zumindest im Grundsatz lotrecht zu dem Flügel 104 ist. Jedoch kann sich das Winglet 110 vergleichsweise im Verhältnis zu dem Flügel 104 auch in anderen Richtungen erstrecken. Wie beispielsweise durch eine erste Phantomposition 471 gezeigt wird, kann sich das Winglet 110 zumindest im Grundsatz in horizontaler Richtung von dem Flügel 104 auswärts erstrecken, und es kann sich ebenfalls, wie durch eine zweite Phantomposition 472 gezeigt wird, bezogen auf den Flügel 104 zumindest im Grundsatz aufwärts und nach innen erstrecken, und darüber hinaus kann es sich, wie durch eine dritte Phantomposition 473 gezeigt wird, bezogen auf den Flügel 104 zumindest im Grundsatz abwärts und nach innen erstrecken, und weiterhin kann das Winglet 110 eine Spanne unterschiedlicher Neigungswinkel zwischen der zweiten Position 472 und der dritten Position 473 einnehmen. Derartige Neigungswinkel können von einer Anzahl von Faktoren abhängen, darunter beispielsweise die Milderung der Überschallschock-Wechselwirkung, Verringerung der Strukturgewichte und/oder Optimierung der Verringerung des aerodynamischen Widerstands.
In weiteren Ausführungsformen können Winglets gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einer großen Bandbreite von Flügelkonfigurationen kombiniert werden, um eine Verringerung des aerodynamischen Widerstands zu bewirken. In einer Ausführungsform können derartige Winglets beispielsweise mit Flügeln kombiniert sein, die eine geringe oder keine positive V-Form (dihedral) aufweisen. In einer anderen Ausführungsform können derartige Winglets mit Flügeln kombiniert sein, die in einem gewissen Ausmaß eine positive V-Form (dihedral) aufweisen. In weiteren Ausführungsformen können derartige Winglets beispielsweise mit Flügeln kombiniert sein, die in einem gewissen Ausmaß eine negative V-Form (anhedral) aufweisen.
Die 5A und 5B sind Seitenansichten der „Teilsehnen-Winglets" (partial-chord winglets) 510a und entsprechend 510b.
Mit Bezug auf 5A: In einem Aspekt dieser Ausführungsform weist das Teilsehnen-Winglet 510a eine Winglet-Wurzelsehne 526a auf, die kürzer ist als die angrenzende Flügelspitzensehne 258. In einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform umfasst das Teilsehnen-Winglet 510a ein Wingletanströmkantenteil 542a und ein Wingletabströmkantenteil 543a. Das Wingletanströmkantenteil 542a kann zumindest nahe dem Flügelanströmkantenteil 262 positioniert werden, und das Wingletabströmkantenteil 543a kann gegenüber dem Flügelabströmkantenteil 263 in Richtung auf das Flügelanströmkantenteil 262 versetzt sein. In der Ausführungsform in der 5A ist das Teisehnen-Winglet 510a vorgepfeilt. Vergleichsweise können jedoch Teilsehnen-Winglets, die dafür konfiguriert sind, rückgepfeilt sein. Beispielsweise weist, wie in 5B gezeigt, das Teilsehnen-Winglet 510b eine Quarter-Chord-Linie 512 auf, die zumindest im Grundsatz rückgepfeilt ist. Es wird erwartet, dass die vordere Position des Teilsehnen-Winglets 510b gegenüber einem ähnlich konfigurierten rückgepfeilten Winglet, das näher dem Abströmkantenteil 263 des Flügels 104 positioniert ist, einen zusätzlichen Gewinn an Widerstandsreduzierung bietet.
6 stellt ein Diagramm 600 dar, das eine Reduzierung des induzierten Widerstands zeigt, die durch ein vorgepfeiltes Winglet erreicht werden kann, das gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konfiguriert ist. Die Spanloads (spannweitenbezogener Auftrieb) 1–5 für verschiedene Flügel und Flügel-/Wingletkombinationen, gemessen entlang einer Vertikalachse 692, werden aufgetragen über einer dimensionslosen spannweitigen Koordinate eta, die entlang der Horizontalachse 694 gemessen wird. Ein eta-Wert von 1,00 entspricht der Spitze des Flügels 104 (1–3), und ein eta von 1,15 entspricht der Spitze des Winglets 110 (ebenfalls in den 1-3 gezeigt). Die in 6 präsentierten Daten sind theoretischer Natur und basieren auf Berechnungen. Dementsprechend stellt 6 eine erwartete induzierte Widerstandsverringerung dar, im Gegensatz zu einer gemessenen Verringerung.
Der Gesamt-Vertikalauftrieb ist für jeden der in 6 gezeigten Spanloads 1–5 derselbe. Der Spanload 1 ist ein theoretischer I deal-Spanload (d. h. ein elliptischer Spanload) für einen ebenen Flügel mit derselben Spannweite wie der Flügel 104. Der Spanload 2 ist ein kompromittierter (d. h. dreieckiger) Spanload für den Flügel 104 mit konventioneller Flügelspitzenschränkung. Aus Gründen der Anschaulichkeit kann die in 6 bei dem Spanload 2 dargestellte reduzierte Beanspruchung der Spitze gegenüber dem typischerweise in der Praxis anzutreffenden Wert etwas übertrieben sein. Der Spanload 3 ist ein theoretischer Ideal-Spanload für einen Flügel mit einem vertikalen Winglet. Die mit dem Spanload 3 verbundene Flügel-/Wingletkombination wurde dementsprechend optimiert, um den dargestellten optimalen Spanload zu bieten. Diese Optimierung umfasst notwendigerweise die Änderung der Schränkung (wash-out) des Flügels 104, da, wie oben angemerkt, diese Schränkung ansonsten einen Spanload mit einer viel geringeren Beanspruchung des Außenbordteils des Flügels (z. B. die eta-Spanne zwischen 0,5 und 1,0), ähnlich wie bei dem Spanload 4, erzeugen würde. Der Spanload 4 ist ein theoretisch am besten erreichbarer Spanload, der durch Anbringen eines um 35 Grad rückgepfeilten Winglets an dem Flügel 104 erreicht werden kann, ohne die Schränkung des Flügels 104 zu verändern. Für die beiden Spanloads 4 und 5 wird die Schränkung des Winglets optimiert, um den niedrigstmöglichen induzierten Widerstand im Einklang mit der Schränkung des existierenden Flügels zu erhalten. Zum Vergleich: Der Spanload 5 ist ein theoretisch am besten erreichbarer Spanload, der durch Anbringen eines um 35 Grad vorgepfeilten Winglets an dem Flügel 104 erreicht werden kann, ohne die Schränkung des Flügels 104 zu verändern. Ein Vergleich der Spanloads 4 und 5 zeigt, dass ein vorgepfeiltes Winglet den Spanload des Spitzenteils des Grundlinienflügels und des Winglets im Vergleich zu einem vergleichbaren rückgepfeilten Winglet erhöhen kann. Ein Vorteil dieses Merkmals ist es, dass eine derartige Erhöhung des Spanload für eine entsprechende Verringerung des induzierten Widerstands sorgen kann.
7 stellt eine Tabelle 700 dar, die die Widerstandsverringerung bei dem Spanload 4 (rückgepfeiltes Winglet) mit der Widerstandsverringerung bei dem Spanload 5 (vorgepfeiltes Winglet) vergleicht. Die Spanload-Kennzeichner sind in der Spalte 702 gezeigt, die Wingletpfeilung in der Spalte 704 und die induzierten Widerstandszuwächse relativ zu dem Grundlinien-Flügel 104 ohne Winglet und als Prozentanteile des idealen induzierten Widerstands des Grundlinienflügels 104 ohne Winglet sind in der Spalte 706 dargestellt. Mit Bezug auf den Spanload 4 ist zu erkennen, dass das rückgepfeilte Winglet eine Verringerung des induzierten Widerstands in Höhe von 6,3% des idealen induzierten Widerstands (Spanload 1) zeigt, verglichen mit dem Grundlinien-Flügel 104 ohne Winglet (Spanload 2). Mit Bezug auf den Spanload 5 ist jedoch zu erkennen, dass das vorgepfeilte Winglet eine Verringerung des induzierten Widerstands in Höhe von 7,9% des idealen induzierten Widerstands zeigt, verglichen mit dem Grundlinien-Flügel 104 ohne Winglet. Dementsprechend legen in der dargestellten Ausführungsform die Daten in der Tabelle 700 nahe, dass ein vorgepfeiltes Winglet, das gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist, im Vergleich zu einem vergleichbaren rückgepfeilten Winglet eine circa 25%ige Verbesserung der Widerstandsverringerung bieten kann.
Aus dem Vorhergehenden ist ersichtlich, dass hier zur Erläuterung spezifische Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, an denen aber verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können. Dementsprechend ist die Erfindung außer durch die angefügten Ansprüche nicht beschränkt.

Claims

Tragflächen-/Wingletkombination, umfassend: – eine Tragfläche mit einem Tragflächenwurzelteil und einem von dem Tragflächenwurzelteil beabstandeten Tragflächenspitzenteil, wobei das Tragflächenspitzenteil eine Schränkung in Bezug auf das Tragflächenwurzelteil aufweist und – ein einzelnes Winglet (110), das sich von dem Tragflächenspitzenteil der Tragfläche auswärts erstreckt, wobei die Winglet-Quarter-Chord-Linie (112), so eingerichtet ist, dass sie im Verhältnis zur Quarter-Chord-Linie (114) der Tragfläche, mit der das Winglet (110) verbunden ist, vorgepfeilt ist, wobei das Winglet direkt an dem Tragflächenspitzenteil starr befestigt ist, und wobei die Tragfläche ein Tragflächenabströmkantenteil aufweist und das Winglet (110) ein Wingletabströmkantenteil (243) aufweist, wobei die Tragfläche sich in einer ersten Richtung erstreckt und das Winglet (110) sich in einer zweiten Richtung erstreckt und wobei die zweite Richtung im Wesentlichen rechtwinklig zur ersten Richtung ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wingletabströmkantenteil (243) vor dem Tragflächenabströmkantenteil positioniert ist.
Tragflächen-/Wingletkombination nach Anspruch 1, wobei das Winglet (110) ein Wingletwurzelteil (216) umfasst, das zumindest nahe dem Tragflächenspitzenteil befestigt ist, wobei das Wingletwurzelteil (216) eine Wingletwurzelsehne (226) definiert und das Tragflächenspitzenteil eine Tragflächenspitzensehne definiert, und wobei die Wingletwurzelsehne (226) von der Tragflächenspitzensehne verschieden ist.
Tragflächen-/Wingletkombination nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Tragfläche ein Tragflächenanströmkantenteil aufweist und das Winglet (110) ein Wingletanströmkantenteil (242) aufweist, und wobei das ein Wingletanströmkantenteil (242) zumindest nahe dem Tragflächenanströmkantenteil positioniert ist.
Tragflächen-/Wingletkombination nach Anspruch 3, wobei das Winglet (110) ferner ein Wingletwurzelteil (216) umfasst, das eine Wingletwurzelsehne (226) definiert, wobei das Tragflächenspitzenteil der Tragfläche eine Tragflächenspitzensehne definiert, die größer ist als die Wingletwurzelsehne (226).
Tragflächen-/Wingletkombination nach Anspruch 3, wobei das Winglet (110) ferner ein Wingletwurzelteil (216) umfasst, das eine Wingletwurzelsehne (226) definiert, wobei das Tragflächenspitzenteil der Tragfläche eine Tragflächenspitzensehne definiert, die circa doppelt so lang ist wie die Wingletwurzelsehne (226).
Tragflächen-/Wingletkombination nach den Ansprüchen 1–5, wobei sich die Tragfläche in einer ersten Richtung erstreckt und das Winglet (110) sich in einer zweiten Richtung erstreckt, und wobei die zweite Richtung im Wesentlichen rechtwinklig und aufwärts im Verhältnis zur ersten Richtung verläuft.
Tragflächen-/Wingletkombination nach einem der Ansprüche 1–6, wobei die Tragfläche einen Tragflügel (104) enthält, und wobei der Tragflügel (104) ein Flügelwurzelteil (236) aufweist, das dafür konfiguriert ist, an einem Flugzeugrumpf (102) befestigt zu werden, und ein von dem Flügelwurzelteil (236) beabstandetes Flügelspitzenteil (238), wobei das Flügelspitzenteil (238) eine Schränkung in Bezug auf das Flügelwurzelteil (236) aufweist.
Tragflächen-/Wingletkombination nach einem der Ansprüche 1–6, wobei die Tragfläche einen Entenflügel enthält und der Entenflügel ein Entenflügelwurzelteil aufweist, das dafür konfiguriert ist, an einem Flugzeugrumpf (102) befestigt zu werden, und ein von dem Entenflügelwurzelteil beabstandetes Entenflügelspitzenteil, wobei das Entenflügelspitzenteil eine Schränkung in Bezug auf das Entenflügelwurzelteil aufweist.
Flugzeugsystem (100) mit der Tragflächen-/Wingletkombination nach einem der Ansprüche 1–8, wobei die Tragfläche umfasst: – einen Flügel (104) mit einem Flügelspitzenteil (238) und einem Flügelwurzelteil (236), wobei das Flügelwurzelteil (236) eine Flügelwurzelsehne (256) definiert und das Flügelspitzenteil (238) eine Flügelspitzensehne (258) definiert, und wobei die Flügelspitzensehne (258) eine Schränkung in Bezug auf die Flügelwurzelsehne (256) aufweist und gegenüber der Flügelwurzelsehne (256) entlang einer Flügel-Quarter-Chord-Linie (114) versetzt ist und – ein Winglet (110) mit einem Wingletspitzenteil (218) und einem Wingletwurzelteil (216), wobei das Wingletwurzelteil (216) eine Wingletwurzelsehne (226) definiert und direkt am Flügelspitzenteil (238) des Flügels (104) starr befestigt ist, bei Abwesenheit eines zweiten, sich von dem Flügelspitzenteil (238) auswärts erstreckenden Winglets, wobei das Wingletspitzenteil (218) eine Wingletspitzensehne (228) definiert und gegenüber der Wingletwurzelsehne (226) entlang einer Winglet-Quarter-Chord-Linie (112) versetzt ist und die Winglet-Quarter-Chord-Linie (112) zumindest im Grundsatz in Bezug auf die Flügel-Quarter-Chord-Linie (114) vorgepfeilt ist, wobei der Flügel (104) ein Flügelabströmkantenteil (263) aufweist und das Winglet (110) ein Wingletabströmkantenteil (243) aufweist, wobei das Wingletabströmkantenteil (243) vor dem Flügelabströmkantenteil (263) positioniert ist und einen Abstand zwischen beiden definiert, wobei der Flügel (104) sich in einer ersten Richtung erstreckt und das Winglet (110) sich in einer zweiten Richtung erstreckt und die zweite Richtung im Wesentlichen rechtwinklig zur ersten Richtung verläuft.
Flugzeugsystem nach Anspruch 9, wobei die Winglet-Quarter-Chord-Linie (112) vorgepfeilt ist, um einen Winkel (292) von circa 55 Grad zur Flügelspitzensehne (258) zu bilden.
Flugzeugsystem nach Anspruch 9 oder 10, ferner einen Flugzeugrumpf (102) umfassend, wobei der Flügel (104) sich vom Flugzeugrumpf (102) auswärts erstreckt.
Flugzeugsystem nach Anspruch 11, wobei der Flugzeugrumpf (102) entlang einer Langsachse (101) ausgerichtet ist, wobei die Flügel-Quarter-Chord-Linie (114) zumindest im Grundsatz in Bezug auf die Langsachse (101) rückgepfeilt ist, und wobei die Winglet-Quarter-Chord-Linie (112) zumindest im Grundsatz in Bezug auf die Langsachse (101) vorgepfeilt ist.
Flugzeugsystem nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Flugzeugrumpf (102) über eine Passagierkabine (103) verfügt, um mindestens 50 Passagiere zu befördern.
Verfahren zur Herstellung einer Tragflügel-/Wingletkombination (105), wobei das Verfahren umfasst: – das Zur-Verfügung-Stellen eines Flügels (104) mit einem Flügelwurzelteil (236) und einem Flügelspitzenteil (238), wobei das Flügelwurzelteil (236) dafür konfiguriert ist, am Rumpf (102) eines Flugzeugs (100) angebracht zu werden und eine Flügelwurzelsehne (256) zu definieren, wobei das Flügelspitzenteil (238) eine Flügelspitzensehne (258) definiert und gegenüber der Flügelwurzelsehne (256) entlang einer Flügel-Quarter-Chord-Linie (114) versetzt ist, und wobei die Flügelspitzensehne (258) eine Schränkung in Bezug auf die Flügelwurzelsehne (256) aufweist; – das Zur-Verfügung-Stellen eines ein Winglets (110) mit einem Wingletwurzelteil (216) und einem Wingletspitzenteil (218), wobei das Wingletwurzelteil (216) eine Wingletwurzelsehne (226) definiert, und wobei das Wingletspitzenteil (218) eine Wingletspitzensehne (228) definiert, wobei die Wingletspitzen sehne (228) gegenüber der Wingletwurzelsehne (226) entlang einer Winglet-Quarter-Chord-Linie (112) versetzt ist und – das starre Anbringen des Wingletwurzelteils (216) direkt am Flügelspitzenteil (238), bei Abwesenheit eines zweiten Winglets, das sich von dem Flügelspitzenteil (238) auswärts erstreckt, und zwar derart, dass die Winglet-Quarter-Chord-Linie (112) zumindest im Grundsatz in Bezug auf die Flügel-Quarter-Chord-Linie (114) vorgepfeilt ist, wobei der Flügel (104) ein Flügelabströmkantenteil (263) aufweist und das Winglet (110) ein Wingletabströmkantenteil (243) aufweist, und wobei der Flügel (104) sich in einer ersten Richtung erstreckt und das Winglet (110) sich in einer zweiten Richtung erstreckt, wobei die zweite Richtung im Wesentlichen rechtwinklig zur ersten Richtung ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wingletabströmkantenteil (243) vor dem Flügelabströmkantenteil (263) positioniert ist und einen Abstand zwischen beiden definiert.
Verfahren zur Verbesserung der Luftwiderstandseigenschaften eines Flügels (104) mit einem Flügelwurzelteil (236) und einem Flügelspitzenteil (238), wobei das Flügelwurzelteil (236) eine Flügelwurzelsehne (256) definiert und dafür konfiguriert ist, an einem Rumpf (102) eines Flugzeugs (100) befestigt zu werden, wobei das Flügelspitzenteil (238) eine Flügelspitzensehne (258) definiert, die gegenüber der Flügelwurzelsehne (256) entlang einer Flügel-Quarter-Chord-Linie (114) versetzt ist, wobei das Verfahren umfasst: – Veränderung der Tragflächenform (planform) des Flügels (104) durch: – Zur-Verfügung-Stellen eines Winglets (110) mit einem Wingletwurzelteil (216) und einem Wingletspitzenteil (218), wobei das Wingletwurzelteil (216) eine Wingletwurzelsehne (226) definiert und das Wingletspitzenteil (218) eine Wingletspitzensehne (228) definiert, und wobei die Wingletspitzensehne (228) gegenüber der Wingletwurzelsehne (226) entlang einer Winglet-Quarter-Chord-Linie (112) versetzt ist und – die starre Befestigung des Winglets (110) am Flügel (104) durch Befestigen des Wingletwurzelteils (216) direkt am Flügelspitzenteil (238) bei Abwesenheit eines zweiten, sich von dem Flügelspitzenteil (238) auswärts erstreckenden Winglets, wobei, wenn das Winglet (110) starr am Flügel (104) befestigt ist, die Winglet-Quarter-Chord-Linie (112) zumindest im Grundsatz in Bezug auf die Flügel-Quarter-Chord-Linie (114) vorgepfeilt ist, und wobei der Flügel (104) ein Flügelabströmkantenteil (263) aufweist und das Winglet (110) ein Wingletabströmkantenteil (243) aufweist, wobei der Flügel (104) sich in einer ersten Richtung erstreckt und das Winglet (110) sich in einer zweiten Richtung erstreckt, und wobei die zweite Richtung im Wesentlichen rechtwinklig zur ersten Richtung verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass das Wingletabströmkantenteil (243) vor dem Flügelabströmkantenteil (263) positioniert ist und einen Abstand zwischen beiden definiert.