-
Die Erfindung betrifft Tragflügelabschnitte
und insbesondere solche, die auf die Bewältigung von turbulenten Luftströmen, d.
h. von Luftströmen
mit hoher Reynoldscher Zahl, ausgelegt sind. Sie findet insbesondere
bei großen,
zivilen Flugzeugen Anwendung.
-
Es ist ein immer präsenter Wunsch,
Tragflächen
mit verbesserten Widerstandskennlinien zu entwerfen, die gleichzeitig
die Auftriebskennlinien nicht auf ein nicht wünschenswertes Niveau reduzieren.
Der parasitäre
Widerstand an einem Flugzeug schließt sowohl den aus der Viskosität der Luft
resultierenden Viskositätswiderstand
als auch den aus einem Ungleichgewicht des auf die Oberflächen eines
Flugzeugs einwirkenden Drucks resultierenden Druckwiderstand ein.
Bei Unterschallgeschwindigkeit ist der Viskositätswiderstand hinsichtlich des
parasitären
Widerstands der dominierende Faktor. Wenn sich das Flugzeug jedoch
Mach 1,0 nähert,
bilden sich auf der Oberfläche
des Flugzeugs lokale Bereiche mit Überschallströmung. Bei
lokalen Machzahlen von nahezu 1,0 kann die sich die Luft wieder
verdichten (in Unterschallbedingungen zurückkehren), ohne lokale Sprungdiskontinuitäten des
Luftdrucks oder Verdichtungsstöße an der
Oberfläche
des Flugzeugs zu erzeugen. In der
US
5,318,249 ist ein transsonischer Tragflügel beschrieben, bei dem der
absolute Wert der negativen Neigung der Kammer über die hinteren 4% der Profilsehne
um mindestens 50% zunimmt.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
einen Tragflügel
mit noch weiter verbesserten, verringerten Widerstandskennlinien
als bei Tragflügeln
gemäß dem Stand
der Technik zu schaffen.
-
Die Erfinder haben festgestellt,
daß das
Anwenden einer Druckverteilung auf die obere Oberfläche eines
Tragflügels
mit einer sanften ungünstigen
Druckgradientenwiederherstellung gefolgt von einer raschen Drucksteigerung
kurz vor der Hinterkante die Konstruktion von Tragflügeln mit
geringerem Widerstand bei hohen Reynoldschen Zahlen ermöglicht.
Die Wirkung hiervon ist die Maximierung des Verhältnisses des Auftriebs zum
Widerstand durch möglichst
starkes Drücken
der Grenzschicht, d. h. bis nahe an eine Ablösung. Die Erfinder haben eine
Reihe von Druckverteilungen auf der oberen Oberfläche definiert,
die aus Bereichen mit einem Druckgradienten von Null, ausgeglichenen
Bereichen und Bereichen mit ungünstigen
Gradienten und Drucksprüngen
bestehen. Durch Anwenden einer vereinfachten Grenzschichtberechnung
auf die Druckverteilungen auf der oberen Oberfläche haben die Erfinder gezeigt,
daß Verbesserungen
des Verhältnisses zwischen
Auftrieb und Widerstand gegenüber
Tragflügeln
gemäß dem Stand
der Technik möglich
sind. Die Erfinder haben auch festgestellt, daß für den Parameter des ungünstigen
Druckgradienten ein Wert existiert, über dem die Strömung empfindlich
auf die Reynoldsche Zahl reagieren würde.
-
Erfindungsgemäß umfaßt ein Tragflügel eine
untere und eine obere Oberfläche,
die sich an der Vorder- und an der Hinterkante treffen, und eine
Skelettlinie, die die Krümmung
des Tragflügels
repräsentiert,
und ist dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens zwei Bereiche
mit einer im wesentlichen linearen Zunahme der Krümmung aufweist,
wobei in einem ersten Bereich die maximale Abweichung der Krümmung von
einer entlang einem Bereich von mindestens 20% der Profilsehne gezogenen,
geraden Linie ± 1/Profilsehne
beträgt,
in einem zweiten Bereich die maximale Abweichung der Krümmung von
einer über
den Bereich gezogenen geraden Linie bei einer eine Steigerung von
mindestens –3 ± 1,5 beträgt und die
Steigerungen der Krümmung von
monoton zunehmender Größe sind.
-
Vorzugsweise weist die Krümmung des
Tragflügels
eine im wesentlichen lineare erste Steigerung zwischen –0,2 und –1,4, eine
im wesentlichen lineare zweite Steigerung zwischen –3 und –30 und
eine im wesentlichen lineare dritte Steigerung zwischen –3 und –40 auf.
-
Die Erfindung wird unter Bezugnahme
auf die folgenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
-
Figur ein Diagramm der gewünschten
Druckverteilung, die aus der Strömung über einem
erfindungsgemäßen Tragflügel resultiert;
-
die 2a und b den Aufbau eines erfindungsgemäßen Tragflügels im
Vergleich zu einem herkömmlichen
Tragflügel;
-
3 einen
Vergleich der Oberflächenneigungen
eines herkömmlichen
und eines erfindungsgemäßen Tragflügels;
-
die 4a–j verschiedene
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Tragflügels in
Begriffen der Krümmung
der Skelettlinie;
-
5 eine
verallgemeinerte Darstellung der Tragflügel gemäß 4 in Begriffen der Krümmung der Skelettlinie;
-
6 einen
Vergleich der Verteilung der halben Dicken bei einem herkömmlichen
und zwei erfindungsgemäßen Tragflügeln; und
-
die 7, 8, 9, 10 jeweils Diagramme des Widerstandskoeffizienten
in bezug auf den Auftriebskoeffizienten bei jeweiligen Machzahlen
von 0,74 und 0,77 für
zwei erfindungsgemäße Tragflügel und
zum Vergleich einen herkömmlichen
Tragflügel.
-
1 zeigt
die von den Erfindern zur Verringerung des Widerstands bei hohen
Reynoldschen Zahlen bestimmte, gewünschte Druckverteilung über einen
Tragflügel.
Die Druckverteilung auf der oberen Oberfläche 1 des Tragflügels besteht
aus einem „sonischen" oder flachen Dach
AB, auf das eine sanfte Wiederherstellung des ungünstigen
Drucks BC folgt, die von einem raschen Druckanstieg CD beschlossen
wird. Die Form des Tragflügels
ist im Bereich AB in ge wissem Maße durch die Notwendigkeit
einer guten, superkritischen Strömungsentwicklung
beschränkt,
wie durch die gestrichelte Linie dargestellt. Die Position B auf
der Profilsehne kann zwischen 5% und 90% variieren. Die Position
C des Beginns des Druckanstiegs liegt bei ca. 98,5% der Profilsehne.
Der Anstieg des Druckkoeffizienten bei dem raschen Drucksprung CD
wurde von 0 bis 0,465 verändert,
die Größe wird
gewählt,
um einen raschen Anstieg des Viskositätswiderstands zu vermeiden.
Bei einigen besonderen Anwendungen kann es jedoch vorteilhaft sein,
einen höheren
Wert zuzulassen. Die untere Oberfläche 2 des Tragflügels hat
einen günstigen
Druckgradienten A'B', worauf eine sanfte
Wiederherstellung des ungünstigen
Drucks B'C' folgt, die von einer
raschen Beschleunigung C'D
beschlossen wird. Die Position von B' wird die Position der maximalen Dicke
des Tragflügelschnitts
bestimmt. Veränderungen
des Aufbaus der unteren Oberfläche
sind auch in der Skizze dargestellt, die eine herkömmliche
hintere Belastung und eine lokale hintere Belastung zeigt. Der Zweck
der lokalen hinteren Belastung ist die Verringerung des Winkels
der Hinterkante des Tragflügels
zur Minimierung der Gefahr einer Steigerung des Niveaus des Viskositätswiderstands.
Die rasche Beschleunigung C'D
verringert den Wert der Dicke des Moments der Grenzschicht nach dem
Anwachsen im Bereich der Druckwiederherstellung an der unteren Oberfläche.
-
Bevor die Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Tragflügel beschrieben
werden, ist die Definition einiger Begriffe erforderlich. Der Begriff „Skelettlinie" bezeichnet die Linie,
die den Mittelpunkt zwischen der oberen und der unteren Oberfläche des
Tragflügels
definiert und sich von der Vorder- bis zur Hinterkante erstreckt,
d. h. ZSkelettlinie (Skelettlinie) = (Zunten + Zunten)/2,
wobei Z die vertikale Position der Oberfläche an einer bestimmten Position
auf der Profilsehne ist.
-
Der Begriff Neigung Λ ist durch
dz/dx definiert, und der Begriff Krümmung κ ist durch dΛ/ds = (d2zSkelettitnie/dx2)/(1
+ (zSkelettlinie/ dx)2)3/2, definiert, wobei x die Position auf
der Profilsehne ist, die durch die Länge der Profilsehne nicht dimensioniert
ist, Λ die
Neigung der Skelettlinie an der Position x auf der Profilsehne und s
die Strecke entlang der Skelettlinie ist.
-
2a zeigt
ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Tragflügels im
Vergleich mit einem herkömmlichen Tragflügel 4,
der in der Figur durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist.
Der Schnitt der Hinterkante des neuartigen Tragflügels zeigt
eine wesentliche Vergrößerung der
Wölbung
hinter 97% der Profilsehne. Zum Verständnis der Erfindung ist es
jedoch erheblich zweckmäßiger, die
Erfindung unter Betrachtung der Neigung der Skelettlinie zu beschreiben.
-
3 zeigt
einen Vergleich der Neigung der Skelettlinie eines bekannten Tragflügels 5 gemäß dem Stand
der Technik mit der eines erfindungsgemäßen Tragflügels 6 mit einem verringerten
Grad an Neigung zwischen 50% und 78% der Profilsehne, gefolgt von
einer Steigerung der negativen Neigung über die hinteren 3% der Profilsehne.
Die Steigerung der negativen Neigung an der Hinterkante nähert sich
dem Dreifachen des Werts bei 97% der Profilsehne eines Tragflügels gemäß dem Stand
der Technik. Die negative Wölbung
des Schnitts steigt an der Hinterkante von –0.175 auf ca. 0,50 an.
-
Die 4a bis 4j zeigen die Krümmung in
bezug auf die Position auf der Skelettlinie bei zehn Beispielen
von Tragflügeln,
die in den Rahmen der Erfindung fallen.
-
5 zeigt
eine allgemeine Darstellung dieser Figuren, die drei unterschiedliche
Bereiche einer negativen, linearen Steigerung der Krümmung in
der hinteren Hälfte
der Profilsehne des Tragflügels
zeigt. Daher kann von jedem erfindungsgemäßen Tragflügel gesagt werden, daß er drei
unterschiedliche Neigungen mit monoton linear zunehmenden negativen Änderungen
der Krümmung
aufweist. Der erste Bereich 7 weist im allgemeinen eine
flachere, lineare Zunahme der negativen Krümmung auf, wie von der Position
a zur Position b auf der Profilsehne gezeigt, im zweiten Bereich 8 zwischen
den Positionen c und d nimmt die Krümmung steiler zu, und im dritten
Bereich 9 zwischen e und f ist die Steigerung der Krümmung sogar
noch steiler.
-
Die nachstehende Tabelle liefert
weitere Informationen zu den Krümmungskennlinien
der vorgenannten Beispiele unter besonderer Bezugnahme auf die vorstehend
beschriebenen drei Bereiche 7, 8, 9 der
linearen Zunahme der Krümmung.
Die Tabelle enthält
jeweils die Größe der Krümmung der
Skelettlinie am Anfang und am Ende des ersten (a–b), des zweiten (c–d) und
des dritten Bereichs (e–f)
sowie die Positionen des Anfangs und des Endes dieser Bereiche auf
der Profilsehne. Das Bezugszeichen λ bezeichnet die Veränderung der
Krümmung
der Skelettlinie pro Profilsehneneinheit.
-
-
Die vorstehende Tabelle zeigt für jeden
Abschnitt des Tragflügels
den Anfangs- und den Endpunkt jedes Bereichs 7, 8, 9 als
Prozentzahl auf der Profilsehne sowie die Krümmung an diesen Punkten pro
Profilsehneneinheit. Wie ersichtlich, erstreckt sich der erste Bereich
mit linear zunehmender Krümmung über einen großen Teil
der Skelettlinie von ca. 65% der Profilsehne bis ca. 95% der Profilsehne.
Die Steigerung der negativen Krümmung
ist verhältnismäßig flach,
und die Krümmung
nimmt in diesem Bereich um einen Betrag zwischen –0,3 und –1,2 zu.
Die zweite Steigerung der negativen Krümmung erfolgt im allgemeinen
von dem Bereich von 95 bis 98% der Profilsehne bis 98 bis 99% der
Profilsehne und ist eine steilere Zunahme im Bereich von –3 bis –20,5. Die
dritte Steigerung der negativen Krümmung erfolgt im allgemeinen
auf dem letzten 1% der Profilsehne ab 99% der Profilsehne und ist
eine weitere Steigerung im Bereich von –3 bis m37.
-
6 ist
ein Vergleich der Verteilung der halben Dicken zt/c bei einem herkömmlichen
Tragflügel
A und zwei erfindungsgemäßen Tragflügeln C und
B, wobei „c" die Profilsehne
des Abschnitts/des Flügels
und „t" die Dicke des Abschnitts/des
Flügels
bezeichnet. Der Tragflügel
A weist auf der oberen Oberfläche
eine Druckverteilung mit einer herkömmlichen, niedrigeren Belastung
der hinteren Oberfläche
auf. Der Tragflügel
B weist eine sanfte Wiederherstellung des ungünstigen Drucks auf der unteren
Oberfläche
mit einer lokalen hinteren Belastung auf. Die Figur zeigt, daß bei den
Tragflügeln
C und B eine erhebliche Steigerung des Flügelkastenvolumens vorliegt,
insbesondere ab 50% bis ca. 95% der Profilsehne. Das Flügelkastenvolumen
bei 65% der Profilsehne ist bezogen auf den herkömmlichen Tragflügel bei
den Tragflügeln
C und B jeweils um 20% bzw. 30 % größer. Bei dem Tragflügel B ist
der Unterschied zu dem herkömmlichen
Tragflügel
bei 80% der Profilsehne mit einem Wert zt/c von ca. 0,024 sogar
noch deutlicher, und bei 87% der Profilsehne beträgt dieser
Wert 0,017 verglichen mit weniger als 0,01 bei dem herkömmlichen
Tragflügel.
Dies ist eine Steigerung des Flügelkastenvolumens von
ca. 70%. Die Steigerung der hinteren Tiefe ermöglicht verbesserte Klappenkonstruktionen
für die
Leistung bei niedrigen Geschwindigkeiten, ein geringeres strukturelles
Gewicht und ein gesteigertes Kraftstoffvolumen. Daher kann ein auf
dem Tragflügel
B basierender Aufbau genutzt werden, um zu Lasten des Auftriebs
eine Steigerung der Tiefe zu erzielen und dabei eine akzeptable
aerodynamische Leistung aufrechtzuerhalten.
-
Die 7, 8, 9 und 10 sind Diagramme, die für zwei erfindungsgemäße Tragflügelhinterkanten 10, 11 den
Widerstandskoeffizienten in bezug auf den Auftriebskoeffizienten
jeweils bei Machzahlen von 0,74 und 0,77 zeigen. Beide Tragflügel sind
Konstruktionen der oberen Oberfläche
mit Unterschieden beim Anfang der Wiederherstellung des Drucks.
Der Beginn der Wiederherstellung des Drucks liegt beim Tragflügel 10 bei
70% der Profilsehne und beim Tragflügel 11 bei 65% der
Profilsehne. Allgemein ähneln
die Widerstandsniveaus denen herkömmlicher Tragflügel, wobei
der Tragflügel 10 eine
leichte Widerstandserhöhung
und der Tragflügel 11 eine
geringfügige
Widerstandsverringerung bei Mach 0,74 aufweist.
Der Aufbau des Tragflügels 10 ergibt einen
höheren
Auftriebskoeffizienten und bietet bei Reinoldschen Zahlen von 40·106 und 60·106 bei
0,9 CL, einen geringeren Widerstand. Bei
Mach 0,77 sind beide Tragflügel aufgrund eines im Vergleich
zu dem herkömmlichen
Abschnitt verringerten Widerstands vorteilhaft.
-
Die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung betrifft einen Tragflügel mit einer oberen und einer
unteren Oberfläche,
die einander an der Vorder- und der Hinterkante treffen, einer Profilsehne,
die sich von der Vorder- zur Hinterkante erstreckt, und einer Skelettlinie,
die die Wölbung
des Tragflügels
repräsentiert,
wobei die Skelettlinie in den hinteren 50% der Profilsehne drei
im wesentlichen lineare Steigerungen der negativen Skelettlinienkrümmung aufweist.
-
Die in den Figuren dargestellten
Beispiele verdeutlichen diesen Anspruch. Zum Definieren der drei
Bereiche mit einer im wesentlichen linearen Steigerung der Krümmung ist
es erforderlich, einige Definitionen vorzunehmen.
-
Diese linearen Bereiche erstrecken
sich entweder über
20% der Profilsehne oder weisen eine Krümmungssteigerung von mindestens –3 auf.
Es ist daher beabsichtigt, kleine Steigerungen der negativen Skelettlinienkrümmung auszuschließen, die
sich über
einen kleinen Abschnitt der Länge
der Profilsehne erstrecken. Zudem muß der Begriff linear definiert
werden. Der Begriff linear bedeutet für den ersten Bereich, daß die maximale
Abweichung der Krümmung
von einer über
einen Bereich von mindestens 20% der Profilsehne gezogenen geraden
Linie ±1/die
Profilsehne ist. Sowohl für
den zweiten als auch für
den dritten Bereich bedeutet der Begriff linear, daß die maximale
Abweichung der Krümmung
von einer über
den Bereich gezogenen geraden Linie bei einer Steigerung von mindestens –3 ± 1,5 beträgt.
