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Patent Searching and Data


Title:
WING WITH A WING GRID AS THE END SECTION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1994/022713
Kind Code:
A1
Abstract:
The wing of the invention with a span (b) has a main section (1) which has a virtually closed surface in relation to the flow (v) and has an end section at its free end in the form of a wing grid. The wing grid has at least two parallel and mutually staggered winglets (2). As part of the span (b) of the wing, such a wing grid assumes the contour circulation at the joint with the main section and distributes it virtually evenly to the winglets. Thus the circulation distribution for the wing becomes more complete with a lower induced resistance. An upper or lower limit for the effect is set depending on whether a rectangular circulation distribution is generated by the attached wing grid for the entire wing or only for the part of the full span replaced by the wing grid. Thus, in a wing with a wing grid, there is a corresponding reduction in the induced resistance by comparison with a conventional wing without a wing grid for the same resulting lateral ratio.

Inventors:
LA ROCHE ULRICH (CH)
Application Number:
PCT/CH1994/000067
Publication Date:
October 13, 1994
Filing Date:
March 30, 1994
Export Citation:
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Assignee:
ROCHE ULRICH (CH)
International Classes:
B64C23/06; (IPC1-7): B64C5/08; B64C23/06
Foreign References:
US4671473A1987-06-09
GB196410A1923-04-26
GB846322A1960-08-31
US1466551A1923-08-28
FR2349494A11977-11-25
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Claims:
P A T E N T A N S P R U C H E
1. Rügel, dessen Hauptteil (1) eine geschlossen umströmte Oberfläche auf¬ weist, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende des Hauptteils, das am ent¬ ferntesten von der Befestigungsseite liegt und wo die Profilsehne die Länge (t) aufweist, ein Rügelgitter angefügt ist, bestehend aus mindestens zwei Rügelchen (2), die im Auslegungspunkt untereinander mit paralleler Staffelung und in annähernd gleicher Ausrichtung wie der Hauptteil angeordnet sind, wobei der Gesamtauftrieb pro Spannweite des Rügelgitters so bestimmt ist, dass bei der Anströmung im Auslegungspunkt die Zirkulation um das Rügelprofil am Ende des Hauptteils und die Zirkulation um das Flügelgitter gleich sind und wobei am Ende des Hauptteils eine zum Hauptteil senkrechte und in Anströmung (v) liegende Wand (3) angebracht ist.
2. Rügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelgitter mindestens zwei Rügelchen (2) aufweist, die an einer Profilsehne (t) des Rügeis zueinander parallel gestaffelt angeordnet sind und im wesentlichen die gleiche Ausrichtung haben wie der Hauptteil (1) und die derart ausgestaltet sind, dass sich für das Rügelgitter ein Gesamtauftrieb pro Längeneinheit der Spannweite ergibt, derart, dass die Zirkulation um das Rügelprofil am freien Ende des Hauptteils (1) gleich ist wie die Zirkulation um das Rügelgitter.
3. Flügel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rü¬ gelchen (2) verwindungsfrei sind.
4. Rügel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelgitter als Ganzes oder einzelne Rügelchen aus dem Hauptteil (1) ausfahrbar ist bzw. sind.
5. Rügel nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rügelgitter einen Halterahmen (4) aufweist, durch den die Rügelchen (2) an ihren freien Enden miteinander verbunden sind.
6. Rügel nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rügelgitter im Auslegungspunkt festgelegte, pro Flügelchen einzeln bestimmte Gitterparameter, wenigstens für Profilsehne, Anstellwinkel und Staffelungsdistanz aufweist.
7. Rügel nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel der Rügelchen (2) im Flügelgitter ausgehend vom Auslegungspunkt gemeinsam um gleiche Beträge veränderbar ist.
8. Rügel nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Drehung des Rügelgitters als Ganzes der Anstellwinkel der Flügel¬ chen veränderbar ist.
9. Flügel nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelchen eine der gleichen Machzahl entsprechende Pfeilung zur Anströmung (v) haben wie der Hauptteil (1).
10. Rügel nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das vorderste, resp. das hinterste Flügelchen im Flügelgitter einzeln ver¬ stellt werden kann.
11. Verwendung des Rügeis nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für ein Segelwerk mit einem Hauptsegel (1) und einem Segelgitter.
Description:
FLUGEL MIT FLUGELGITTER ALS ENDABSCHNITT

Die Erfindung betrifft einen Flügel, dessen Hauptteil eine umströmte Oberfläche aufweist.

Erfindungsgemäss weist ein solcher Flügel am Ende des Hauptteils ein Rügelgitter als Endabschnitt auf. Am Ende des Hauptteils, an einer Profil¬ sehne t ist das Flügelgitter angefügt, das den gleichen spezifischen Auftrieb pro Längeneinheit der Spannweite erzeugt, wie der Hauptteil an der Anfügesteile hat. Beim Flügel kann es sich z.B. um den Flügel eines Flugkör- pers oder eines Propellers, um das Segel oder Schwert eines Bootes usw. handeln.

Flügel zu bauen ist immer ein Kompromiss zwischen der Festigkeit, die ein kleines Seitenverhältnis bevorzugt und dem induzierten Widerstand, der ein grosses Seitenverhältnis des Rügeis erfordert und zusammen mit dem Profil¬ widerstand die Gleitzahl bestimmt.

Aus theoretischen Überlegungen wäre es wünschbar, einen Teil der Energie, die im seitlichen Wirbel am freien Flügelende dem Strömungsmedium abge-

geben wird und den induzierten Widerstand bestimmt, zu rekuperieren oder deren Abgabe ganz zu vermeiden.

Stand der Technik

Eine Rekuperation mit einem Propeller ist bekannt. Eine teilweise Reduktion mit geeignet geformten Endplatten ist bekannt. Dem Stand der Technik ent¬ sprechen auch verschiedene Anordnungen von einzelnen Flügelchen, auch Winglets genannt, (z.B. DE-OS 3242584) oder von mehreren solchen Flügel¬ chen mit einem gegenüber der Profilsehne des Flügels negativen Anstellwin¬ kel in Reihe (DE-OS 3621800), die zur Aufgabe haben, aus dem vorhandenen Flügelendwirbel eines Rügeis durch individuell angepasste Teilumlenkung nützliche Vortriebs- und/oder Auftriebskraft zu gewinnen.

Bekannt ist auch die Anwendung einer spreizflügelartigen Unterteilung vor¬ zugsweise des äusseren Drittels der Länge eines Rügeis zur Verbesserung des Wirkungsgrades (EP 0 282 830) durch Aufteilung der Grenzschichtlauflängen auf möglichst laminare Teilstücke.

Bekannt ist auch die Aufteilung eines Flügels in parallele, gitterartige Einzel¬ flügel mit varierender Länge (FR 7612470, publ.no.2349494) zur besseren Steuerung der Rügelwirkung.

Bekannt ist ferner die Anwendung einer sogenannten Luftwaffel, eines

Flügelgitters mit überlappenden Flügelchen, als Flügel (DE 37 30 798), dessen Gesamtanstellwinkel während des Fluges bei Beibehaltung der Anstellwinkel

der Rügelchen zur Veränderung des Auftriebes verändert wird bis zu einer Endstellung, in der sich die Flügelchen überlappend berühren.

Auch der Ersatz eines Flugzeugflügels durch ein überlappendes Flügelgitter auf der ganzen Spannweite ist bekannt (DE 2657714), was ebenfalls eine Stei¬ gerung des Wirkungsgrades bewirkt.

Ferner ist bekannt geworden, eine Vorrichtung mittels einer oder mehrerer spiralförmiger Schlaufen, die gleichmässig über die Profilsehne des Haupt¬ flügels verteilt, die örtliche Profilzirkulation übernehmen und an ihrem aus¬ sein Ende abgeben (Aviation Partners, Dr. Louis B. Gratzer, Seattle).

Die Erfindung

Die erfindungsgemäss zu lösende Aufgabe besteht darin, das Rügelende eines tiefen und kurzen Rügeis mit kleinem Seitenverhältnis so zu gestalten oder zu ergänzen, dass damit Gleitzahlen erreicht werden, die sonst nur mit viel schlankeren Flügeln mit grossem Seitenverhältnis zu erreichen sind, oder die Gleitzahlen eines vorhandenen Flügels durch Verringerung des induzierten Widerstandes zu verkleinern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den oben skizzierten Flügel mit Flügelgitter, und wie er vollumfänglich als Erfindung in den Patentansprüchen definiert ist.

Gemäss Erfindung wird eine Teilspannweite des Flügels durch ein Flügelgitter aus mindestens zwei parallel gestaffelten Rügelchen ersetzt. Dieses Flügelgit¬ ter übernimmt die Zirkulation um das Flügelprofil an derjenigen Stelle voll, an der der Rügel in das angesetzte Flügelgitter übergeht. Ausgegangen wird dabei als Obergrenze von der Zirkulation um das Flügelprofil ohne Rügelendwirbel, der ja durch die Rügelendwirbel des Flügelgitters ersetzt wird. Die Rügelchen des erfindungsgemässen Flügels sind vorzugsweise verwindungsfrei und ihr Anstellungswinkel vorzugsweise gemeinsam oder auch einzeln verstellbar.

Diese erfindungsgemässe Lösung des Problems geht einen wesentlichen Schritt weiter als die bekannten Lösungen, bei denen durch individuell an- gepasste Winglets der Rügelendwirbel ausgenutzt wird, sie vermeidet die unvollständige Nutzung des Effektes gemäss bekannten Lösungen mit meh¬ reren angesetzten Rügelchen vorgeschlagener Spreizflügel.

Gegenüber der näherliegenden Lösung mit einem regelmässigen Flügelgitter mit mindestens drei Rügelchen kommen in der bevorzugten Ausführungsform nur mindestens zwei Rügelchen zur Anwendung, die nur noch parallel gestaf¬ felt sein müssen- Die Wirkung des erfindungsgemässen Rügeis könnte mit einem bekannten Spreizflügel höchstens erreicht werden, wenn die Profile und Anstellwinkel der Spaltflügel über ihre Länge an einen gegebenen Spreizungsgrad angepasst werden könnten. Auch die im Bereich der bekannten Spreizflügelenden maximal grosse Gitterteilung, die sich negativ auswirkt, wird mit der parallelen Staffelung der Rügelchen gemäss Erfindung vermieden.

Das Flügelgitter des erfindungsgemässen Flügels mit seinen parallel gestaffelten, mindestens zwei Rügelchen kann bei Änderungen des Anstell¬ winkels gegenüber der Anströmung v als Ganzes nachgeführt werden, ohne dass die Gitterparameter verändert werden müssten, und ist, besonders wenn nicht überlappend, ohne Nachführung für einen grossen Bereich des Anstellwinkels wirksam. Demgegenüber verändert bspw. eine Luftwaffel, die eine Gesamttragfläche aus vielen Einzelflügeln darstellt, bei ihrer Verstellung den Mehrdeckereffekt und die überlappenden Rügelchen führen zu einem engen Bereich des für eine Einstellung jeweils nutzbaren Anstellwinkels der Anordnung. Auch kann mit einer derartigen Flugwaffel im Gegensatz zum erfindungsgemässen Rügel für einen Rügel mit kleinem Seitenverhältnis eine kleinere Gleitzahl nicht erreicht werden. Das bekannte, überlappende Rügelgitter über der ganzen Spannweite, das eigentlich einen reinen Mehr- decker mit kleiner Staffelung darstellt, ergibt praktisch keinen Mehrdeckereffekt für den induzierten Widerstand, wohl aber eine be¬ trächtliche Vergrδsserung des Profilwiderstandes. Die gitterartig aufgelösten Flügel mit varierender Länge der Einzelflügel weisen diesen Nachteil ebenfalls auf, weil die Einzelflügel sich ebenfalls über die ganze Spannweite erstrecken. Gegenüber einem Rügel mit den bekannten Spiralschleifen zur Ableitung der öπlichen Profilzirkulation hat der erfindungsgemässe Rügel mit einer ebenen und daher weniger seitenwindempfindlichen und konstruktiv einfacheren Anordnung dieselbe Wirkung.

Werden die mindestens zwei Flügelchen des erfindungsgemässen Flügels mit Hilfe eines Halterahmens verbunden, wird die Wirkung eines Flügelgitters aus sehr vielen Rügelchen ohne Halterahmen angenähert und ein Rügelgitter aus mindestens drei Flügelchen um einen wirksamen Bereich ergänzt und erweitert.

Da nur die Staffelung der Flügelchen der erfindungsgemässen Flügels parallel sein muss, die anderen Gitterparameter aber der abzuführenden Zirkulationsverteilung über die Profilsehne des Hauptteils angepasst werden können, ist eine weitere Optimierung der Anpassung an die Verhältnisse des Hauptteiles möglich.

Im Detail werden nachfolgend beispielsweise Ausführungsformen des erfindungsgemässen Rügeis beschrieben, wobei auf die folgenden Figuren Bezug genommen wird. Diese zeigen:

Fig.l die klassische Kräfteaufteilung in Auftrieb und Widerstand am angeströmten Rügelprofil zur Definition der Gleitzahl;

Fig.2 das Grundschema des erfindungsgemässen Rügeis mit einem an den konventionellen Hauptteil als tragender Abschnitt angefügten Rü¬ gelgitter gleichen spezifischen Auftriebs pro Längeneinheit der Spannweite an der Anfügestelle zum Hauptteil;

Fig.3 eine beispielhafte Ausführungsform des Flügelgitters mit Halterahmen;

Fig.4 ein Rügelgitter, das aus dem Hauptteil ausfahrbar ist;

Fig.5 eine Anwendung des erfindungsgemässen Flügels am Hauptsegel eines Segelboots;

Fig.6 eine Anwendung des erfindungsgemässen Rügeis an einem Flugzeug;

Fig.7 eine Pfeilung des Rügelgitters zur Strömungsrichtung, wie sie hohe Unterschallgeschwindigkeiten erfordern;

Fig.8 die Bezeichnungen der Gitterparameter eines allgemeinen Flügelgitters in einer senkrechten Schnittdarstellung.

Fig. 1 zeigt die Anströmung v eines Rügelprofils mit endlicher Spannweite, wobei ein Auftrieb A und ein Widerstand W entstehen. Das Verhältms dieser Kräfte gibt die Gleitzahl nach der Formel:

Gleitzahl = tg(α) = W/A wobei: W = Wi + Wr = induzierter Widerstand + Reibungswiderstand

Mit dem erfindungsgemässen Rügel wird der Anteil Wi, der durch Um¬ strömung der Rügelenden verursachte, induzierte Widerstand verringert.

Fig. 2 zeigt einen Rügel mit einem Hauptteil 1, der an der Symmetrieebene in der Mitte beginnt. An den Hauptteil 1 ist ein Teilabschnitt der totalen tragenden Flügelspannweite b mit einem Rügelgitter bestehend aus Flügelchen 2 ähnlicher Ausrichtung und paralleler Staffelung angefügt. Die Flügelchen 2 sind über die Profilsehne t angeordnet.

Die gewünschte Wirkung für den Auslegungspunkt wird erreicht, wenn die

Zirkulation in den Profilschnitten S und S' von gleicher Grosse und ähnlicher Drehaxe ist und wenn die Flügelchen ein Flügelgitter bilden, das ab-

schnittweise entlang der Profilsehne des Hauptteiles die Zirkulation übernimmt. Die Anfügesteile des Rügelgitters ist, wie gezeigt, als Trennwand 3 ausgebildet.

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemässen Rügeis, bei der die äusseren Enden der Rügelchen 2 in einem Halterahmen 4 gehalten sind. Der Halterahmen hat dabei für den Strömungsverlauf die Funktion einer Abschlussfläche.

Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemässen Rügeis mit einem ausfahrbaren Rügelgitter, dessen Flügelchen an einer Plat¬ te 6 befestigt sind und als ganze Gruppe bewegt werden. Es sind auch Ausführungsformen denkbar mit einzeln ausfahrbaren Flügelchen.

Fig. 5 zeigt als Anwendung des erfindungsgemässen Rügeis ein Segelboot 8 mit einem Mast 7 und einem Hauptsegel 1, dessen Oberkante mit einem Rügelgitter (2, 4) versehen ist.

Fig. 6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemässen Rügeis mit Rügelgitter bestehend aus Flügelchen 2, Trennwand 3 und Halterahmen 4, wobei die Rügelchen als Gruppe mit Platte 6 aus dem Hauptteil 1 eines dreieckförmigen Rugzeugflügels ausfahrbar sind.

Fig. 7 zeigt die Anwendung eines gepfeilten Flügelgitters, wie es bei- spielsweise für hohe Unterschallgeschwindigkeiten verwendet wird. Je nach

Ausführung der Flügelchen 2 ist dabei abhängig von Anstellwinkel und Profil¬ dicke der Rügelchen die resultierende, für die gleiche Machzahl ausgelegte Pfeilung verschieden von der Pfeilung des Hauptflügelteils 1.

Fig. 8 zeigt die Bezeichnungen der Gitterparameter eines Flügelgitters für einen erfindungsgemässen Rügel. Die Staffelungsrichtung O des Flügelgitters zur Anströmrichtung v kann prinzipiell beliebig gewählt werden, ausschlaggebend für die Wirkung ist der Anstellwinkel ß bezogen auf die Profilsehnen, wie in der Figur gezeigt, genauer den NuUanströmungswinkel der Rügelchen, die Länge der Profilsehnen c und die Staffelung s quer zur Anströmrichtung v. Die Grosse g ist die Gitterteilung in der mit O bezeichneten Staffelungsrichtung.