DE3127257A1

DE3127257A1 - "verfahren zur verminderung des induzierten widestandes eines auftriebserzeugenden tragfluegels sowie vorrichtung zu seiner durchfuehrung"

Info

Publication number: DE3127257A1
Application number: DE19813127257
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 2870 Delmenhorst Brix
Original assignee: Vereinigte Flugtechnische Werke 2800 Bremen GmbH; Vereinigte Flugtechnische Werke GmbH; Vereinigte Flugtechnische Werke Fokker GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1981-07-10
Filing date: 1981-07-10
Publication date: 1983-01-27

Description

Verfahren zur Verminderung des induzierten Widerstandes eines auftriebs-
erzeugenden Tragflügels sowie Vorrichtung zu seiner Durchführung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung des infolge des Auftretens freier Wirbel induzierten Widerstandes eines aufiriebserzeugenden Tragflügels, bei dem im Bereich der Wirbelentstehung angeordnete Zusatzkörper die Wirbelströmung gestört wird. Ferner betrifft sie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Der induzierte Widerstand eines Tragflügels läßt sich, vereinfacht gesehen, auf die Ausgleichsströmung zwischen dem Gebiet hohen Drucks, d.h. der Profilunterseite , und dem Gebiet niedrigen Drucks, d.h. der Profiloberseite, an den Enden des Tragflügels zurückführen. Diese Ausgleichsströmung führt zur Bildung von Wirbeln hinter den Tragflügelenden. Letztere induzieren ihrerseits ein Strömungsfeld, das in Tragflügelnähe zu Abwärtsgeschwindigkeiten führt, die über eine Änderung der effektiven Anströmrichtung für das Profil und eine daraus resultierende Rückwärtsneigung der ins- gesamt auf das Profil wirkenden Kraft den induzierten Widerstand bewirken.
Um den durch den induzierten Widerstand des Tragflüoels verursachten Leistungsverlust zu vermindern, ist es bereits bekannt, Flugzeuge an den Flügelenden mit Endscheiben, besonders geformten Zusalzflügeln (winglets) oder auch mit stromlinienförmigen Flügelspitzentanks (tip tanks) zu versehen. Darüber hinaus ist es aus der DE-OS 29 o5 555 bekannt, an den Flügelenden stromlinienförmig ausgebildete rotierende Körper anzuordnen, deren Drehachse in etwa parallel zur Profilsehne des Flügels liegt.
Weiterhin ist es für den gleichen Zweck bereits bekannt ( J Aircraft, Vol. 6, No. 5, 1969, S. 392 -*397), Propeller an den Flügelenden anzuordnen. Ferner ist es in diesem Zusammenhang bereits bekannt (NASA SP-372, 1974), an den Flügelenden Zweikreis-Sirahltriebwerke anzuordnen, wobei in dieser Veröffentlichung vorgeschlagen wird, dem Gebläse-Auslaß (fan-exhaust) eine Vordrehung zu erteilen, deren Drehsinn demjenigen des freien Wirbels entgegengerichtet ist.
Schließlich ist es bekannt (NASA SP-409, 1976)an an den Flügelenden zylindrische Drehkörper mit einer zentrischen Durchgangsöffnung anzuordnen, die eine Vermischung des freien.Wirbels mit der durch den Drehkörper strömenden Luft und damit die Auflösung des Wirbels bewirken sollen. In diesem Zusammenhang wird auch eine Anordnung beschrieben, bei der im Interesse einer besseren Vermischung im Drehkörper zusätzliche Leitschaufeln angeordnet sind, um einen entgegengesetzten Drall zu erzeugen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, durch das für jeden Fiugzustand der induzierte Widerstand des Tragflügels auf ein Minimum reduziert wird. Weiterhin soll durch die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitgestellt werden.
Die Erfindung löst die erste Aufgabe durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch, daß die Stärke der er- zeugten künstlichen Wirbel in Abhängigkeit von den jeweils herrschenden Flugbedingungen und damit den unterschiedlichen Anströmbedingungen für den Tragflügel variiert wird, ist eine optimale Anpassung der Wirbelerzeugung und damit eine Minimierung des induzierten Tragflügelwiderstandes möglich.
Die zweite Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Vorrichtung, sowohl im Hinblick auf eine optimale Wirksamkeit als auch im Hinblick auf einen möglichst einfachen Aufbau, sind in den weiteren Ansprüchen 4 bis 13 wiedergegeben. Dabei betrifft insbesondere der Anspruch 13 eine Anordnung, bei der über die Minimierung des.induzierten Widerstandes hinaus ein weiterer positiver Effekt dadurch erzielt wird, daß an den Flügelenden Aufwärtsgeschwindigkeiten erzielt werden, wodurch die aerodynamischen Eigenschaften weiter verbessert werden.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung: Fig. 1 einen ersten Tragflügel in perspektivischer Darstellung, Fig. 2 den Tragflügel gemäß Fig. 1 mit einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 3 und Fig. 4 Darstellungen gemäß den Fig. 1 und 2 für einen zweiten Tragflügel, Fig. 5 einen Teil einer ersten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 6 die Anordnung gemäß Fig. 5 in perspektivischer Darstellung, Fig. 7 einen Teil einer zweiten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 8 ein Tragflügelende mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 7.
in den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Tragflügel 1 ist der theoretische Extremfall einer absolut konstanten Verteilung der Zirkulation g(y) über die gesamte Spannweite b des Tragflügels 1 angenommen (Fig. lb), der mit der konstanten Geschwindigkeit ## angeströmt wird. Dieser Verteilung entspricht ein sogenannter Hufeisenwirbel, der sich aus einem "gebundenen".
Wirbel #9 am Tragflügel 1 sowie aus zwei "freien" wirbeln #f, #f' zusammensetzt.
Letztere weisen von den Tragflügelenden aus nach hinten, entgegengesetzt zur Flugrichtung x, und besitzen die gleiche absolute Zirkulation wie der gebundene Wirbel flg Die Stärke des Wirbels ist dabei abhängig vom jeweiligen Flugzustand.
Zur Verminderung des negativen Einflusses, den die freien Winkel Pf, Pf' auf die aerodynamischen Eigenschaften des Tragflügels 1 in Form eines induzierten Widerstandes ausüben, sind an den Flügelenden Wirbelerzeuger 2 bzw. 3 angebracht (Fig. 2). Diese Wirbelerzeuger 2, 3 auf deren Aufbau im folgenden noch näher eingegangen wird, liefern Wirbelströmungen der Zirkulation P p deren Drehsinn jeweils demjenigen der freien Wirk' k bei #f, #f, entgegengesetzt ist. Erfindungsgemäß werden die Wirbelerzeuger dabei so gesteuert, daß die künstlich erzeugten Wirbel #k, #k' stets in etwa die gleiche Wirbelstärke (Zirkulation) wie die jeweils zugehörigen freien Wirbel rf, rf' aufweisen und die diese somit weitgehend kompensieren, so daß der induzierte Widerstand des Tragflügels 1 auf ein Minimum zurückgeht.
Die in Fig. 3 gezeigte Zirkulationsverteilung r(y) entspricht dem in der Praxis auftretenden Normalfall, in der die Zirkulationsverteilung über die Flügeibreite variiert. Der Maximalwert der Zirkulation Pmax kann dabei angenähert als aus den Einzelkomponenten #1 bis #3 zusammengesetzt angenommen werden. Dementsprechend ist der Tragflügel auf jeder Flügelhäfte jeweils mit mehreren Wirbelerzeugern 5, 6, 7 bzw. 8, 9, 10 versehen, die an diskreten Punkten im Bereich zwischen Tragflügelmitte und den Flügelenden angeordnet sind. Dabei sind hier die einzelnen Wirbelerzeuger so angeordnet und werden in Abhängigkeit vom jeweiligen Flugzustand so angesteuert, daß sie die Verteilung der Wirbelstärke der freien Wirbel über der gesamten Spannweite approximieren, so daß die von ihnen produzierten künstlichen Wirbel rik bis P 3k bzw. P bis P 1k 3k 1k 3k die jeweils zugehörigen freien Wirbel in etwa kompensieren und so den induzierten Widerstand -des Tragflügels 4 auf ein Minimum absenken.
Bei den in den Figuren 5 bis 8 dargestellten Wirbelerzeugern 11 bzw. 12 handelt es sich um zwei verschiedene Typen, die als Gemeinsamkeit jedoch jeweils ein verstellbares drallerzeugendes Luftleitsystem 13 bzw. 14 aufweisen. Die Figuren 5 bzw. 6 zeigen ein Strahltriebwerk 15 beliebiger Bauart, dessen Abgasstrahl vor Austritt aus der Düse 16 mit Hilfe des Luftleitsystems ein Drall erteilt wird, dessen Drehsinn demjenigen des freien Wirbels P am Ort des Wirbelerzeugers 11 engegengerichtet ist.
f Infolge der Verstellbarkeit des drallerzeugenden Luftleitsystems 13, realisiert durch verstellbare Leitschaufeln, läßt sich die Stärke des Dralls bzw. die Zirkulation der austretenden Strömung variieren, so daß sie den unterschiedlichen Flugzuständen und den daraus sich ergebenden unterschiedlichen Anströmbedingungen des Tragflügels angepaßt werden kann. Die Verstellmöglichkeiten der Leitschaufeln sind im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung so ausgelegt, daß der Umlenkwinkel der Strömung, d.h. der Winkel zwischen der Axialkomponente Cx und der Umfangskomponente Cu der Strömungsgeschwindigkeit c in einem Winkelbereich von etwa 0 bis 60° variiert werden kann.
Bei dem in den Figuren 7 und 8 dargestellten Wirbelerzeuger 12 handelt es sich um eine Durchflußgondel, die in Flugrichtung installiert ist. Ihr Öffnungsquerschnitt ist so ausgelegt, daß sie einen vorgegebenen Anteil der auf die Vorderseite des Tragflügels auftreffenden Strömung aufnimmt.
Dieser wird mittels des Luftleitsystems 14, das auch hier aus verstellbaren Leitschaufeln besteht, ein Drall erteilt, so daß-sie als Wirbelströmung mit der Zirkulation-P rk die Auslaßõffnung der-Durchflußgondel-12 verk läßt.
Wie Fig. 8 zeigt, ist im Fall des hier dargestellten Ausführungsbeispiels die Durchflußgondel 12 so in den Tragflügel 1 integriert, daß das Flügelende zugleich die Nabe 17 der Durchflußgondel bildet. Ferner zeigt diese Abbildung in Draufsicht die verstellbaren Leitschaufeln 18 des dralLerzeugendenLufttei tsYstetns:14. : Die Wirbelerzeuger können auch so am Tragflügel angeordnet sein, daß sie in Richtung der Anströmgeschwindigkeit entweder vor oder hinter dem Tragflügel liegen. Im erstgenannten Fall ist es dabei besonders vorteilhaft, wenn die Stärke der künstlich erzeugten Wirbelströmung deutlich über derjenigen der freien Wirbel liegt, um auf diesen Fall an den Tragflügelenden eine resultierende, aufwärts gerichtete Strömung zu erzeugen.

Claims

Verfahren zur Verminderung des induzierten Widerstandes eines auftriebserzeugenden Tragflügels sowie Vorrichtung zu seiner Durchführung PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Verminderung des infolge des Auftretens freier Wirbel induzierten Widerstandes eines auftriebserzeugenden Tragflügels, bei dem durch im Bereich der Wirbelentstehung angeordnete Zusatzkörper die Wirbelströmung gestört wird, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß an diskreten Stellen des Tragflügels (1, 4) mittels der Zusatzkörper (2, 3, 5-12) künstliche Wirbel <.-Pk) erzeugt werden, deren Drehsinn jeweils demjenigen des in gleicher Spannweitenlage befindlichen freien Wirbels ( ruf) entgegengerichtet ist, wobei ihre Stärke so geregelt wird, daß sie mindestens in etwa gleich derjenigen der freien Wirbel (Pf) in gleicher Spannweitenlage ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Anordnung und Stärke der künstlich erzeugten Wirbel (r ) k ( rk) so gewählt wird, daß sie die Verteilung der Wirbelstärke der freien Wirbel ( ruf) über der Spannweite approximieren.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c h n e t durch am TragflügeL (1, 4) angeordnete Wirbelerzeuger (2, 3, 5-12) in Form von Strömungsapparaten mit Luftdurchsatz, in deren Innern jeweils ein drallerzeugendes, verstellbares Luftleitsystem (13, 14) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Luftleitsystem (13, 14) aus ringförmig angeordneten verstellbaren Leitschaufeln (18) besteht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Verstellbereich der Luftleitsysteme (13, 14) so gewählt ist, daß der Winkel zwischen der Axial- und der Umfangskomponente der erzeugten Wirbelströmung am Außenradius in einem Winkelbereich zwischen etwa 0 und 60 Grad varrierbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wirbelerzeuger als Strahltriebwerke (11) mit nachgeschaltetem Luftleitsystem (13) ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wirbelerzeuger als Durchflußgondeln (12) ausgebildet sind, in denen ein Luftleitsystem (14) installiert ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gek e n n z e i c h ne t, daß die Wirbelerzeuger (2,3, 5-12) an den Tragflügelenden angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Wirbelerzeuger (12) derart in den Tragflügel (11) integriert sind, daß die Tragflügelenden zugleich die Naben (17) der Durchflußgondeln (12) bilden.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gek e n n z e i c h ne t, daß an jeder Tragflügelhälfte wenigstens zwei Wirbelkörper (5, 6, 7, 8) angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bzw. Anspruch 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wirbelerzeuger (2, 3, 5-12) in Richtung der Anströmgeschwindigkeit hinter dem Tragflügel (1, 4) angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bzw. Anspruch 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wirbelerzeuger (2, 3, 5-12) in Richtung der Anströmgeschwindigkeit vor dem Tragflügel (1, 4) angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Wirbelerzeuger ausschließlich an den Tragflügelenden angeordnet sind, dadurch g e k e n n z e i c h ne t, daß die Wirbelerzeuger.(2, 3, 5-12) so ausgelegt sind, daß die von ihnen erzeugten künstlichen Wirbel eine größere Wirbelstärke aufweisen als die in gleicher Spannweitenlage vorhandenen freien Wirbel <Pf).