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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberDE19964114 A1
Publication typeApplication
Application numberDE1999164114
Publication date19 Jul 2001
Filing date31 Dec 1999
Priority date31 Dec 1999
Publication number1999164114, 99164114, DE 19964114 A1, DE 19964114A1, DE-A1-19964114, DE19964114 A1, DE19964114A1, DE1999164114, DE99164114
InventorsDietrich W Bechert, Robert Meyer, Wolfram Hage
ApplicantDlr Ev
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: DPMA, Espacenet
Aerofoil section with lift-increasing trailing edge, in which trailing edge has spoilers on one or both sides to cause flow breakaway
DE 19964114 A1
Abstract
The aerofoil section has a suction side and a compression side when a flow passes round it. The trailing edge (2) diverges or is angled away from the rest of the section. The trailing edge has spoilers on both sides to produce a periodic flow breakaway or to stabilize the flow. Anti-backflow spoilers may also be included.
Claims(7)  translated from German
1. Flügelprofil, an dem sich bei Anströmung durch ein Fluid eine Unterdruckseite und eine Druckseite ausbildet, insbesondere Flugzeugtragflügel, Schaufel von Verdichtern, Pumpen oder Turbinen, und das eine verdickte oder divergente Hinterkante aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß die Hinterkante mit Mitteln zur Störung einer periodischen Strömungsablösung ausgestattet ist. First wing profile, on which is formed with the incident flow by a fluid, a vacuum side and a pressure side, in particular aircraft wing, the blade of compressors, pumps or turbines, and a thickened or divergent trailing edge, characterized in that the trailing edge of a with means for fault periodic flow separation is provided.
2. Flügelprofil, an dem sich bei Anströmung durch ein Fluid eine Unterdruckseite und eine Druckseite ausbildet, insbesondere Flugzeugtragflügel, Schaufel von Verdichtern, Pumpen oder Turbinen, und das als Hinterkante zur Druckseite hin eine Abwinkelung (Gurney- Flap) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwinkelung mit Mitteln zur Störung einer periodischen Strömungsablösung ausgestattet ist. 2. airfoil on which is formed with the flow through a fluid, a low pressure side and a pressure side, especially aircraft wing, blade of compressors, pumps and turbines, and a trailing edge towards the pressure side a bend (Gurney Flap), characterized in that the articulation is provided with means for a periodic disturbance flow separation.
3. Flügelprofil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel ausgewählt sind aus einer Gruppe von Mitteln, umfassend: an der Druckseite vor der Hinterkante angeordnete oder sich bis dorthin erstreckende Einschnitte oder Stege, zur Druckseite und/oder von der Hinterkante weg sich erstreckende Einzelelemente, Perforationen der Abwinkelung, in vertikaler Richtung druckseitig und zugleich horizontal sich erstreckende sägezahnförmige oder wellenförmige Elemente. 3. wing profile according to one of the preceding claims, characterized in that the means are selected from a group of means comprising: at the pressure side in front of the rear edge disposed or away until there extending incisions or webs, to the pressure side and / or from the trailing edge extending single, perforation of the angling pressure side in the vertical direction and at the same time horizontally extending saw-toothed or wavy elements.
4. Flügelprofil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel sich über eine Länge bzw. Höhe von bis zu etwa 5% der, durch den Abstand von Vorderkante zur Hinterkante eines Flügels definierten, Flügeltiefe erstrecken. 4. wing profile according to one of the preceding claims, characterized in that the means, the defined over a length or height of up to about 5% by the distance from the leading edge to the trailing edge of a wing chord length extend.
5. Flügelprofil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Mittel als rechteckige, dreieckige, trapezförmige oder abgerundete wellenförmige Einschnitte oder Elemente ausgebildet sind. 5. wing profile according to one of the preceding claims, characterized in that the means are designed as rectangular, triangular, trapezoidal or rounded undulating incisions or elements.
6. Flügelprofils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch senkrecht oder unter einem Winkel schräg zur Druckseite weisende Einzelelemente. 6. airfoil according to one of the preceding claims, characterized by perpendicular or at an angle obliquely facing the pressure side of the individual elements.
7. Flügelprofil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege als der Hinterkante vorgelagerte Rippen ausgestaltet sind, ausgerichtet in Strömungsrichtung. 7. wing profile according to one of the preceding claims, characterized in that the webs are configured as the rear edge of the upstream rib, oriented in the flow direction.
Description  translated from German

Die Erfindung betrifft die Verbesserung eines Flügelprofiles, an dem sich bei Anströmung durch ein Fluid eine Unterdruckseite und eine Druckseite ausbildet, insbesondere Flugzeugtragflügel, Schaufeln von Verdichtern, Pumpen oder Turbinen, und das eine verdickte oder divergente Hinterkante oder das als Hinterkante zur Druckseite hin eine Abwinkelung (Gurney-Flap) aufweist. The invention relates to the improvement of a wing profile, on which is formed with the flow through a fluid, a low pressure side and a pressure side, especially aircraft wing, blades of compressors, pumps and turbines, and a thickened or divergent trailing edge or the trailing edge towards the pressure side a bend (Gurney flap) has.

Die Erfindung kann auf folgenden Gebieten zum Einsatz kommen: The invention may be used in the following areas:

  • - Subsonische und transsonische Tragflügelprofile für den Reiseflug von Verkehrflugzeugen - Subsonic and transonic airfoil sections for cruise passenger aircraft
  • - Flügelklappenprofile für Start bzw. Landung von Flugzeugen - Wing flaps profiles for off and landing of aircraft
  • - Beschaufelungen von Strömungsmaschinen wie Kompressoren, Pumpen und Turbinen - Blading of machines such as compressors, pumps and turbines

Die Forderung nach höheren Transportleistungen bei Flugzeugen und damit nach höheren Flug-Machzahlen hat zur Entwicklung transsonischer Tragflügelprofile geführt. The demand for higher transport services for aircraft and thus for higher flight Mach numbers has led to the development of transonic airfoil sections. Einige moderne transsonische Profile weisen eine divergente Hinterkante auf, die sowohl aerodynamische wie auch strukturmechanische Vorteile hat. Some modern transonic profiles have a divergent trailing edge has both aerodynamic and mechanical and structural advantages.

Neben dem Streben nach einer Leistungssteigerung von Tragflügelprofilen gibt es die Notwendigkeit, Verkehrsflugzeuge leiser zu machen. In addition to the pursuit of a performance increase of wing sections, there is the need to make commercial aircraft quieter. Durch Verbesserungen auf dem Gebiet der Aeroakustik sind Strahltriebwerke als allein dominante Lärmquelle verdrängt worden. Improvements in the field of aeroacoustics jet engines have been displaced as a single dominant noise source. So werden Umströmungsgeräusche, die an Flügelhinterkanten und Klappen des Hochauftriebssystems bei Start und Landung entstehen, immer wichtiger. Thus Umströmungsgeräusche caused to wing trailing edge flaps and the high lift system during takeoff and landing, and more important. Leistungssteigerungen sind auch bei Strömungsmaschinen erwünscht. Performance improvements are also desirable in turbomachines. Der Auftrieb z. B. einer Kompressorschaufel wird durch eine kleine abgeknickte Hinterkante um 10-15% gesteigert. The buoyancy z. B. a compressor blade is increased by a small bent rear edge by 10-15%. Dadurch wird der Leistungsumsatz der Kompressorstufe einer Gasturbine entsprechend erhöht. Thus, the power dissipation of the compressor stage of a gas turbine is increased accordingly. Bisher störten jedoch die zusätzlichen Vibrationen, die hinter abgeknickten Hinterkanten in der Nachlaufströmung entstehen. So far, however, interfered with the additional vibrations generated in the wake flow behind bent trailing edges. Diese belasten die Schaufel und können zu vorzeitigen Ermüdungsbrüchen führen. This strain the blade and can lead to premature fatigue failure.

Bei Windkraftanlagen sind kleine abgeknickte Hinterkanten an den Flügeln bereits zur Leistungserhöhung erfolgreich eingesetzt worden. For wind turbines small bent trailing edges have been used in the wings for increased power already successful. Hier stört die zusätzliche Lärmerzeugung der Nachlaufströmung hinter der abgeknickten Flügel-Hinterkante. This interferes with the extra noise generation of wake flow behind the bent wing trailing edge.

Der Rennfahrer und Konstrukteur Dan Gurney hatte in den siebziger Jahren kleine stark abgewinkelte Klappen an der Hinterkante von Abtrieb erzeugenden Flügeln von Rennwagen angebracht, um die Bodenhaftung dieser Fahrzeuge verbessern. The racer and designer Dan Gurney had mounted in the seventies small strongly angled flaps on the trailing edge of output produced wings of racing cars to improve the grip of these vehicles. Seine "Gurney-Flaps" werden seitdem bei Rennwagen-Flügeln eingesetzt. His "Gurney Flaps" have since been used in racing car wings. Aus einem Aufsatz von Liebeck, "Design of subsonic airfoils for high lift" in der US-Zeitschrift Journal of Aircraft, Vol. 15, No. From an article by Liebeck, "Design of subsonic airfoils for high lift" in the US journal Journal of Aircraft, Vol. 15, No. 9, Sept. 1978, S. 547-561, ist bekannt, daß "Gurney-Flaps" auch bei Flugzeug-Tragflügeln zur Auftriebserhöhung erfolgversprechend eingesetzt werden können. 9, Sept. 1978, pp 547-561 is known that "Gurney Flaps" can be used successfully even in aircraft wings to increase lift. Im Gegensatz zu den sonst bisher eingesetzten Klappen bei Flugzeugflügeln sind "Gurney-Flaps" sehr klein, mit einer typischen Klappenlänge von nur 0,3-2% der Flügeltiefe. In contrast to other previously used in aircraft wings flap "Gurney flaps" are very small, with a typical flap length of only 0.3-2% of the wing chord. Es wird hier die Tatsache ausgenützt, daß die hintere Abströmkante eines Flügels eine besonders starke Wirkung auf dessen aerodynamische Eigenschaften hat, insbesondere auf den Auftrieb. There, the fact is exploited here, that the rear trailing edge of a blade has a particularly strong effect on the aerodynamic properties, and in particular the lift.

Bei Flugzeugen interessieren besonders die Hochauftriebs-Konfigurationen der Tragflügel für Landung und Start und außerdem der Flug bei hoher Unterschallgeschwindigkeit. For airplanes are particularly interested in the high-lift configurations of the wings for landing and takeoff and also the flight at high subsonic speed. Bei der Landung von Flugzeugen ist klar, daß hoher Auftrieb wünschenswert ist, um die Landegeschwindigkeit niedrig halten zu können. On landing aircraft is clear that high buoyancy is desirable to keep the landing speed low can. Der zusätzliche Widerstand einer kleinen, steil bis hin zu rechtwinklig angestellten Klappe spielt dagegen hier keine Rolle. The additional resistance of a small, steep to perpendicular flap employed here does not matter, however. Beim Reiseflug eines Flugzeugs bei hoher Unterschallgeschwindigkeit ist jedoch zusätzlicher Widerstand unerwünscht. During cruise flight of an aircraft at high subsonic speeds, however, additional resistance is undesirable. Hier führt eine "Gurney-Flap" oder eine divergierende Flügelhinterkante zu einer Verbesserung, obwohl diese Hinterkantengestaltung an sich zu einer geringfügigen Widerstandserhöhung beiträgt. This results in a "Gurney Flap" or a divergent trailing edge to an improvement, although this trailing edge design helps itself to a slight increase in resistance. Diese Widerstandserhöhung wird durch eine begrenzte Strömungsablösung an der Hinterkante verursacht. This increase in resistance is caused by a limited flow separation at the trailing edge.

Unter divergierender Hinterkante ist in diesem Zusammenhang eine Hinterkante eines Tragflügels oder seiner hinteren Klappen oder einer Schaufel bei einer Strömungsmaschine oder eines Flügels eines Propellers zu verstehen, bei der das Flügelprofil in seinem End-Querschnitt dicker ist, als an einer Stelle vor der Hinterkante; Among divergent trailing edge is in this context a trailing edge of a wing or its rear flap or a vane in a turbomachine or a wing of a propeller to be understood, wherein the wing profile is thicker in its end cross-section than at a point before the rear edge; die Saug- und Druckseite des Profiles entfernen sich wieder von einander und die Hinterkante weist als Abschluß quasi eine zweidimensionale Ebene auf. the suction and pressure side of the profile move away from each other again and the trailing edge has as a final quasi two-dimensional plane. In der Praxis bemühte man sich dagegen in der Regel, den Hinterkantenquerschnitt so schmal und spitz wie materialbedingt möglich zu gestalten. In practice, however, efforts were made in the rule is that the trailing edge cross-section so narrow and sharp as possible due to the material.

Die "Gurney-Flap" bzw. die divergente Flügelhinterkante erzeugt eine Druckerhöhung auf dem hinteren Teil der Flügelunterseite. The "Gurney Flap" or the divergent trailing edge creates a pressure increase on the rear of the wing underside. Dadurch wird der Flügelauftrieb deutlich vergrößert. Thus, the wing lift is significantly increased. Andererseits kann so der gleiche Auftrieb bei niedrigerem Flügel-Anstellwinkel erreicht werden. On the other hand, it can be arranged the same lift at lower wing angle of attack. Das entlastet die Flügel- Oberseite, deren Umströmung bei Fluggeschwindigkeiten in der Nähe der Schallgeschwindigkeit besonders verlustreich ist. This relieves the wing upper surface, the flow around is very lossy at flight speeds close to the speed of sound. Dort ist nämlich die Auftriebserzeugung mit einer örtlichen Überschallströmung auf der vorderen Flügeloberseite verbunden. There, namely the generation of lift is connected to a local supersonic flow on the front upper wing surface. Im hinteren Teil der Flügeloberseite muß diese Überschallströmung wieder zu einer Unterschallströmung werden. In the back of the upper wing surface, this supersonic flow must become a subsonic flow again. Dieser Übergang ist mit mehr oder weniger großen Verlusten durch Verdichtungsstöße verbunden. This transition is associated with more or less large losses due to shocks. Diese Verluste werden einerseits durch die Verdichtungsstöße selbst hervorgerufen und andererseits durch Strömungsablösungen, die durch diese verursacht werden. These losses are on the one hand caused by the shocks itself and the other by flow separations that are caused by these. Hoher Auftrieb heißt also hohe Überschallgeschwindigkeit auf der Flügeloberseite, die hohe Verluste nach sich zieht. So High Lift's high supersonic speed on the upper wing surface, which results in high losses. Eine stärkere Beteiligung der Profil-Unterseite am Gesamtauftrieb kann daher eine Senkung des Gesamt-Widerstandes bedeuten. Greater participation of profile underside of the total buoyancy may therefore entail a reduction of the total resistance.

In einem Beitrag von Henne: "Innovation with computational aerodynamics: The divergent trailing-edge airfoil" in "Applied Computational Aerodynamics", Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 125 (1990), S. 221-261, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., Washington, wurde aufgezeigt, wie ein solches Profil mit divergenter Hinterkante sinnvoll ausgelegt werden kann. In an article from hen: "Innovation with computational aerodynamics: The divergent trailing-edge airfoil." In "Applied Computational Aerodynamics", Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol 125 (1990), pp 221-261, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., Washington, has shown how such a profile with divergent trailing edge can be interpreted useful. Seine Forschungsarbeit hat zur praktischen Anwendung einer divergenten Flügelhinterkante bei dem Verkehrsflugzeug MD 11 des Flugzeugherstellers McDonnell-Douglas geführt. His research has led to the practical application of a divergent trailing edge at the airliner MD 11 aircraft manufacturer McDonnell Douglas.

Die Anwendung von Gurney-Flaps auf Windturbinen ist ebenfalls schon weit fortgeschritten. The application of Gurney flaps on wind turbines is also well advanced. Meßdaten von erreichten Leistungsverbesserungen sind ersichtlich aus einem Aufsatz von Kentfield, "Theoretically and experimentally obtained performances of Gurney-Flap equipped wind turbines", US- Zeitschrift: Wind Engineering Vol. 18, No. Measurement data on achieved performance improvements are seen in an article by Kentfield, "Theoretically and Experimentally Obtained performances of Gurney flap equipped wind turbines," US magazine. Wind Engineering Vol 18, No. 2, S. 63-74 (1994). 2, pp 63-74 (1994). Hier ist jedoch besonders die zusätzliche Geräuscherzeugung störend, die divergente oder auch abgeknickte Hinterkanten verursachen. Here, however, especially the additional noise generation disturbing cause divergent or even bent trailing edges. Ungünstig an "Gurney-Flaps" und divergenten Hinterkanten ist nach wie vor, daß sie selbst zusätzlichen Widerstand erzeugen. Unfavorable to "Gurney Flaps" and divergent trailing edge remains that they generate additional resistance itself. Außerdem tritt in ihrem Nachlaufgebiet eine Instabilität auf, die der Karman'schen Wirbelstraße im Nachlauf eines querangeströmten Zylinders ähnelt. Also, in their wake region occurs instability, similar to the Karman vortex street in the wake of a cylinder in cross flow. Dort wie hier tritt eine Schwingung in der Strömung auf, die Vibrationen und Geräusche verursacht. There, as here comes a vibration on the flow, causing the vibration and noise. Die Bekämpfung dieser Art von Instabilität kann darin bestehen, daß man die zweidimensionale Geometrie der Strömungsanordnung stört. The fight against this type of instability may be that it interferes with the two-dimensional geometry of the flow arrangement. Bei einem quer angeströmten Zylinder windet man z. B. eine Spirale um den Zylinder, wie man das bei Industrie-Schornstein-Rohren heute häufig sieht. In a cross flow cylinder to overcome z. B. a spiral around the cylinder, as one often sees today in industrial chimney pipes. Dies ist bereits dargestellt worden von Dubs, "Aerodynamik der reinen Unterschallströmung", 6. Auflage, 1990, S. 60-66, Birkhäuser Verlag, Basel - Boston - Berlin. This has already been shown by Dubs, "Aerodynamics of pure subsonic flow", 6th edition, 1990, pp 60-66, Birkhauser Verlag, Basel - Boston - Berlin.

Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, die Erkenntnisse des Standes der Technik zu nutzen und geeignete Konfigurationen für verbesserte Flügelprofilhinterkanten vorzuschlagen. Therefore, the invention is based on the problem to use the findings of the prior art and to propose appropriate configurations for improved airfoil trailing edge.

Das Problem wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst. The problem is inventively solved by the features of claims 1 and 2. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erfaßt und ergeben sich aus der Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Erläuterung der Zeichnung und der Ausführungsbeispiele. Developments of the invention are detected in the dependent claims and emerge from the description, in particular in connection with the explanation of the drawing and the embodiments.

Bei den gattungsgemäßen Fügelprofilen sind die divergente, verdickte Hinterkante oder abgewinkelte kleinste Kanten an der Hinterkante (Gurney Flap) mit Mitteln zur Störung einer periodischen Strömungsablösung ausgestattet, wobei jedoch andere Lösungen als die für sich aus der Praxis bekannten Windungseinrichtungen um angeströmte Zylinder (Schornsteine) gefunden wurden. In the generic Fügelprofilen divergent, thickened trailing edge or angled edges with low on the trailing edge (Gurney flap) equipped with means for disturbing a periodic flow separation, but found solutions other than itself known in practice coil means to be flowed cylinder (chimneys) were.

Diese Mittel umfassen im wesentlichen an der Druckseite vor der Hinterkante angeordnete oder sich bis dorthin erstreckende periodische oder unperiodische Einschnitte oder Stege, zur Druckseite und/oder von der Hinterkante weg sich erstreckende Einzelelemente oder Perforationen der Abwinkelung oder der Löcher in der ebenen Hinterkante oder in vertikaler Richtung druckseitig und zugleich horizontal z. B. über die Spannweite eines Flügels sich erstreckende sägezahnförmige oder wellenförmige Elemente. These agents include substantially at the pressure side from the trailing edge arranged or until there extending periodic or non-periodic grooves or ridges, to the pressure side and / or from the trailing edge away extending individual elements or perforations in the angulation or holes in the flat trailing edge or vertical direction of the pressure side and at the same time horizontally z. B. over the span of a wing extending sawtooth or wavy elements.

Dabei sollen die Mittel sich über eine Höhe von bis zu etwa 3% der durch den Abstand von Vorderkante zur Hinterkante definierten Flügeltiefe bzw. über eine Länge in Strömungsrichtung von bis zu 5% der Flügeltiefe erstrecken. In this case, the funds should extend over a height of up to about 3% of the defined by the distance from leading edge to the trailing edge of the wing chord and a length in the direction of flow of up to 5% of the wing chord.

Die Mittel können als rechteckige, dreieckige, trapezförmige oder abgerundete wellenförmige Einschnitte ausgebildet sein oder sie bestehen aus senkrecht oder in einem Winkel schräg zur Druckseite weisenden Einzelelementen. The agents can be designed as rectangular, triangular, trapezoidal or rounded wavy cuts or they consist of vertically or obliquely at an angle pointing towards the pressure side of individual elements. Alternativ, insbesondere an Gurney-Flaps, sind Stege als der Hinterkante vorgelagerte Rippen angeordnet, ausgerichtet in Strömungsrichtung. Alternatively, in particular at Gurney flaps, webs are arranged as the rear edge upstream ribs oriented in the flow direction. Die Erfindung bewirkt zum einen eine Leistungssteigerung eines Profils mit einer divergenten oder abgewinkelten Hinterkante, in dem der Widerstand verringert wird. The invention provides for an improved performance of a profile with a divergent or angled trailing edge, in which the resistance is reduced.

Zum anderen wird eine Verminderung von Vibrationen, die strukturschädigend wirken können, sowie eine Lärmminderung des aerodynamischen Geräuschs erreicht. On the other hand, a reduction of vibrations which can affect structural damaging and a noise reducing aerodynamic noise is achieved.

Die Erfindung bewirkt auch eine Widerstandsverminderung transsonischer Profile und bringt neben leistungssteigernden Eigenschaften auch akustische und strukturmechanische Vorteile mit sich. The invention also causes a reduction in drag transonic profiles plays as performance-enhancing properties, acoustic and structural mechanical advantages.

Die Erfindung vermeidet des weiteren Vibrationen durch eine geeignete dreidimensionale Struktur der Hinterkante von Strömungsmaschinen-Schaufeln und erreicht überdies wird eine größere Steifigkeit und Schwingungsfestigkeit der Schaufel. The invention avoids further vibration by a suitable three-dimensional structure of the trailing edge of turbo machinery blades and also achieved a greater rigidity and vibration of the blade.

Die Erfindung reduziert bei Windkraftanlagen durch Stabilisierung der Nachlaufströmung die Lärmerzeugung. The invention reduces wind power plants by stabilizing the slipstream noise generation.

Allgemein gelingt es mit der Erfindung, die Strömungs-Instabilität in der Karman'schen Wirbelstraße erfolgreich zu bekämpfen, es sinkt damit auch der Strömungswiderstand. General succeeds with the invention, to combat the flow instability in the Karman vortex street successful, it sinks so that the flow resistance.

Die Tragflügelprofile, hier stellvertretend für die eingangs bereits dargestellten weiteren Anwendungsfälle definiert, an denen die Erfindung wirksam wird, werden durch folgende Eigenschaften charakterisiert: Die Flügelhinterkante hat im Gegensatz zu einem konventionellen Tragflügelentwurf eine endliche Dicke. The airfoil sections, here is representative of the other applications already initially defined illustrated in which the invention is effective, are characterized by the following properties: the wing trailing edge, in contrast to a conventional airfoil design a finite thickness. Die Ober- und Unterseiten - Saug- und Druckseiten des Flügels - der Profilhinterkante sind divergent. The upper and lower sides - the suction and discharge sides of the wing - the trailing edge are divergent. Auf der Unterseite ist zur Hinterkante hin ein kleiner Radius oder ein stumpfer bis rechter Winkel ausgebildet. On the underside of a small radius or an obtuse angle is formed to the right toward the trailing edge. Der Tragflügel kann jedoch auch ein konventionelles Profil mit einer dünnen Hinterkante sein, an dem nachträglich eine verdickte Hinterkante oder ein kleiner nach unten ragender Winkel angebracht wurde. However, the wing may also be a conventional profile with a thin trailing edge at which subsequently a thickened rear edge or a smaller downwardly projecting angle was installed.

Durch diese divergente Hinterkante kommt es zu einer veränderten Abflußbedingung für die Strömung. By this divergent trailing edge, there is a change in effluent condition for the flow. Diese führt zu einer Auftriebserhöhung des Profils und dabei jedoch auch zu einer leichten Widerstandserhöhung. This leads to an increase in lift of the profile, while, however, a slight increase in resistance. Bei geeigneter Profilauslegung ist aber wegen der besseren Gleitzahl - dem Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand - die Bilanz des neuen Profilentwurfs positiv. The balance of the new profile design positive - With a suitable profile design but because of better glide ratio - the ratio of lift to drag.

Gleichzeitig kommt es zu periodischen Ablösungen (Karman'sche Wirbelstraße) an dieser im Vergleich zu einem herkömmlichen Profil aufgedickten Profilhinterkante. At the same time there will be periodic separations (Karman vortex street) on this compared to a conventional profile thickened trailing edge. Dieses Phänomen wird auch in geringerem Maß an konventionellen Profilen beobachtet, die ja auch keine wirklich spitz auslaufende Hinterkante haben, sondern immer noch eine endliche Dicke an der Hinterkante aufweisen. This phenomenon is also observed to a lesser degree of conventional profiles which indeed do not really have pointed expiring trailing edge, but still have a finite thickness at the trailing edge. Das führt zu Vibrationen und Lärmentwicklung. This leads to vibrations and noise. Die dafür verantwortliche periodische Ablösung läßt sich im Spektrum der Geschwindigkeitsschwankungen des Nachlaufs eines solchen Profils als diskrete Frequenz nachweisen. The responsible for periodic replacement can be detected as discrete frequency in the spectrum of velocity fluctuations of the wake of such a profile.

Die Erfindung besteht nun darin, die quasi zweidimensionale Geometrie der Hinterkante, der hinteren Fläche, des Profils, welche periodische Strömungsvorgänge begünstigt, schwingungsstabilisierend zu verändern, ohne die günstigen Eigenschaften der Hinterkantengestaltung des Profils zu verlieren. The invention now consists, stabilizing vibration to change the quasi-two-dimensional geometry of the trailing edge, the rear surface of the profile, which favors periodic flow processes, without losing the favorable properties of the trailing edge of the profile design. Dies wird erreicht, in dem die zweidimensionale Geometrie der Hinterkante in geeigneter Weise in eine dreidimensionale Geometrie überführt wird. This is achieved, in which the two-dimensional geometry of the trailing edge is transferred into a suitable manner in a three-dimensional geometry. Dabei werden die aerodynamischen und strukturmechanischen Eigenschaften nicht negativ beeinflußt. The aerodynamic and structural mechanical properties are not adversely affected.

Die erfindungsgemäße widerstandsvermindernde dreidimensionale Hinterkante eliminiert die periodischen Vorgänge fast vollständig. The invention widerstandsvermindernde three-dimensional trailing edge eliminates the periodic operations almost entirely. Dies ist durch Messungen im Windkanal nachgewiesen worden. This has been proven by measurements in the wind tunnel. Besonders bei kleinem Anstellwinkel, bei dem die periodische Ablösung besonders ausgeprägt ist, ist der widerstandsvermindernde Effekt der dreidimensionalen Hinterkante besonders wirksam. Especially at a small angle of attack, wherein the periodic detachment is particularly pronounced three-dimensional effect of the widerstandsvermindernde trailing edge is particularly effective. Durch die Erfindung wird die Entstehung der periodischen Ablösung derart gestört, daß die Nachlaufdelle in der Geschwindigkeitsverteilung am Flügelprofil verkleinert wird und somit der Widerstand des Profils verringert wird. The invention enables the formation of the periodic detachment is disturbed in such a way that the run-dent is reduced in the velocity distribution on the wing profile, and thus the resistance of the profile is reduced. Durch Kraftmessungen mit einer Windkanalwaage ist diese Widerstandsverminderung ebenfalls bestätigt worden. Force measurements with a wind tunnel balance this drag reduction has also been confirmed. Durch den relativ einfachen Aufbau der Erfindung eignet sich diese auch zu einer Nachrüstung an einem bereits vorhandenem Flügel. Due to the relatively simple structure of the invention, it is suitable also for retrofitting to an already existing wings.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung mit theoretischen Erläuterungen und diversen Ausführungsbeispielen veranschaulicht. The invention is illustrated by a drawing with theoretical explanations and various embodiments. Es zeigen: In the drawings:

Fig. 1 Polaren mit zweidimensionaler und dreidimensionaler Hinterkante, Fig. 1 polars with two-dimensional and three-dimensional trailing edge,

Fig. 2 Strömungsverlauf und Spektren der Geschwindigkeitsschwankungen an der Flügelhinterkante, Fig. 2 flow pattern and spectra of velocity fluctuations at the wing trailing edge,

Fig. 3-5 Hinterkante mit erfindungsgemäßen Einschnitten, Fig. 3-5 trailing edge with incisions according to the invention,

Fig. 6-8 Hinterkante mit erfindungsgemäßen druckseitig angeordneten Elementen, Fig. 6-8 trailing edge with the invention the discharge side elements,

Fig. 9-14 Gurney-Flaps in erfindungsgemäßen Varianten, Fig. 9-14 Gurney flaps in variants of the invention,

Fig. 15-16 Flügel mit nachträglich aufgebrachter erfindungsgemäßer Hinterkante, Fig. 15-16 wings with subsequently applied according to the invention trailing edge,

Fig. 17 Abgeknickte Hinterkante mit Loch - Perforation, Fig. 17 Angled rear edge with hole - perforation,

Fig. 18 Abgeknickte Hinterkante mit Wellung in Spannweitenrichtung, Fig. 18 Angled rear edge with curl in the spanwise direction,

Fig. 19 Flügel mit abgeknickter Hinterkante und Versteifungen. Fig. 19 with wing snapped off trailing edge and stiffeners.

Fig. 1 zeigt die Meßergebnisse einer Widerstandspolare eines Flügels mit dreidimensionaler Hinterkante (Strich-Punkt-Linie) im Vergleich zu einer Widerstandspolare eines Flügels mit zweidimensionaler Hinterkante (durchgezogene Linie). Fig. 1 shows the measurement results of a resistance of a wing with three-dimensional polar trailing edge (dot-dash line) as compared to a resistance of a wing with two-dimensional polar trailing edge (solid line). Auf der Abszisse ist der Auftrieb L und auf der Ordinate der Widerstand D der jeweiligen Flügel aufgetragen. On the abscissa and the lift L is plotted on the ordinate the resistance D of the respective wings. Bei konstantem Auftrieb L 0 sinkt der Widerstand D eines mit dreidimensionaler Hinterkante ausgerüsteten Flügels um den Betrag ΔD ab. At constant lift L 0 D resistance of a vehicle equipped with three-dimensional trailing edge of the wing by the amount .DELTA.D decreases.

Fig. 2 zeigt schematisch das im Nachlauf des Flügels mit dreidimensionaler Hinterkante gemessene Spektrum der Geschwindigkeitsschwankungen (oberes Teilbild c) im Vergleich zu dem Spektrum des Nachlaufs des Flügels mit zweidimensionaler Hinterkante (unteres Teilbild c). Fig. 2 schematically shows the measured in the wake of the vane rear edge with three-dimensional spectrum of the speed fluctuations (top field c) compared to the spectrum of the wake of the vane rear edge with two-dimensional (bottom field c). Die Spektren wurden mittels Fourier-Analyse aus den Daten von Hitzdrahtmessungen der Geschwindigkeitsverteilung (Teilbild b) im Nachlauf der untersuchten Flügelprofile ermittelt. The spectra were determined by Fourier analysis of the data from Hitzdrahtmessungen the velocity distribution (panel b) in the wake of the investigated airfoils. Gegenüber einem Flügel mit zweidimensionaler Hinterkante wird die diskrete Frequenz f 0 , die die periodische Strömungsablösung einer nicht erfindungsgemäß ausgebildeten Hinterkante - unten im Teilbild c) mit einer Frequenzdarstellung von 0-10 kHz - kennzeichnet, bei einem Flügel mit dreidimensionaler Hinterkante, hier weisen im Teilbild a) die Pfeile auf die erfindungsgemäßen Schlitze und im oberen Teilbild c) sind die zugehörigen Frequenzen zu sehen, nahezu vollständig unterdrückt. Compared to a wing with two-dimensional trailing edge is the discrete frequency f 0, the periodic flow separation of a non-inventive design trailing edge - the bottom of the frame c) with a frequency representation of 0-10 kHz - featuring a grand piano with three-dimensional rear edge are provided here in the field a) the arrows on the invention and slots in the upper part of image c) to see the associated frequencies, almost completely suppressed. Dieser Effekt ist über die gesamte Spannweite des Flügels ausgeprägt, besonders direkt hinter dem Schlitz, der die zweidimensionale Hinterkante in eine dreidimensionale Struktur abändert. This effect is pronounced over the entire span of the wing, especially directly behind the slot that modifies the two-dimensional trailing edge in a three-dimensional structure.

Die Gestaltung der dreidimensionalen Hinterkante zeichnet sich dadurch aus, daß die vormals durchgehend ausgeführte Hinterkante durch Unterbrechung in eine neue Form überführt wird. The design of the three-dimensional trailing edge characterized by the fact that the former continuously executed trailing edge is converted by the interruption into a new form. Dies kann durch Einschnitte in die bestehende Gestaltung der Hinterkanten erfolgen. This can be done by means of incisions in the existing design of the trailing edge.

Einige mögliche Gestaltungen der erfindungsgemäßen Einschnitte sind in den folgenden Fig. 3-5 dargestellt, in Fig. 3 als rechteckiger, in Fig. 4 als trapezförmiger und in Fig. 5 als sanft gerundeter Einschnitt, der jeweils an der Druckseite des Profiles, in der Regel der Unterseite des Tragflügels eines Flugzeuges, in die Hinterkante eingelassen ist und sich von der Hinterkante in die Flügeltiefe erstreckt, wobei die Länge des Einschnittes etwa 3%-5% der Flügeltiefe nicht übersteigt. Some possible shapes of the cuts according to the invention are in the following FIGS. 3-5, in Fig. 3 as a rectangular, in FIG. 4 as trapezoidal and in FIG. 5 as a gently rounded incision of each of the pressure side of the profile, in Typically, the underside of the wing of an aircraft, is inserted in the trailing edge and extending from the trailing edge in the chord length, wherein the length of the incision does not exceed about 3% -5% of the wing chord. Der Anteil der Schnittiefe in Bezug auf die Höhe der Hinterkante wird der Wirbelbildung entsprechend angepaßt und überschreitet ein Maß von etwa 3% der Flügeltiefe nicht. The proportion of the depth of cut in relation to the height of the rear edge is adapted to the formation of vortices and correspondingly does not exceed a level of about 3% of the wing chord. Die Einschnitte in der Hinterkante nach Fig. 3-5 können auch nach vorne aufgeweitet sein, um durch eine Düsenform die Strömungsverluste zu vermindern. The cuts in the trailing edge of FIG. 3-5 may also be expanded forward so as to reduce by a nozzle shape, the flow losses.

Außerdem besteht die Möglichkeit, durch Aufsetzen von kleinen Strukturen auf das bestehende Profil die gewünschte Gestaltung zu erreichen. It is also possible to achieve by fitting of small structures on the existing profile of the desired design. Dadurch wird eine mechanische Schwächung der Hinterkante vermieden. Characterized a mechanical weakening of the trailing edge is avoided.

Die nach unten weisenden Elemente in Fig. 6 können ihrerseits einen Winkel zu der verdickten Hinterkante oder der abgewinkelten Hinterkante einnehmen. The downwardly facing elements in Fig. 6 may themselves form an angle to the thickened rear edge or the trailing edge angled. Diese Gestaltung ist perspektivisch in Fig. 7 und als Seitenansicht A zu Fig. 7 in Fig. 8 dargestellt; This configuration is shown in perspective in Figure 7 and in side view A of FIG 7 in Fig. 8..; die Elemente sind unter einem spitzen Winkel γ nach unten - zur Druckseite - angestellt. the elements are at an acute angle γ down - to the pressure side - employed.

Ähnliche Ausführungsformen sind möglich, wenn es sich um eine abgewinkelte Hinterkante (Gurney-Flap) handelt. Similar embodiments are possible, if it is an angled trailing edge (Gurney flap). Mögliche Gestaltungen der Einschnitte für diese Konfiguration sind in den Fig. 9, mit vertikalen, rechteckigen Einschnitten, Fig. 10, mit dreieckigen Einschnitten, Fig. 11, mit gerundeten oder welllenförmigen Einschnitten dargestellt. Possible configurations of the cuts for this configuration are shown in Fig. 9, with vertical rectangular notches, Fig. 10, with triangular indentations, Fig. 11, with rounded or welllenförmigen incisions.

Es ist von besonderem Interesse, die Abströmung der Gurney-Flap nicht ungünstig zu verändern. It is of particular interest not adversely alter the discharge of the Gurney flap. Dies wird dadurch erreicht, daß die dreidimensionale Hinterkante eine mittlere effektive Höhe hat, die derjenigen der bisherigen zweidimensionalen Gurney-Flap entspricht. This is achieved in that the three-dimensional trailing edge has an average effective height corresponding to that of the previous two-dimensional Gurney flap. Dies wird durch zusätzliche Ansätze, gemäß Fig. 12 beispielsweise als Dreiecke, oder gemäß Fig. 13 komplexere Ansätze mit leichten Einschnitte in die sonst zweidimensionale Hinterkante, erreicht. This is achieved through additional approaches, as shown in FIG. 12, for example as triangles, or according to FIG. 13 complex approaches with slight indentations in the otherwise two-dimensional trailing edge. Dies ist in Fig. 14, mit einem Anstell-Winkel γ, als vertikaler Teilschnitt 14-14 durch eine Gestaltung gemäß Fig. 13, abgebildet. This is shown in Fig. 14, γ with an angle of attack, as a vertical section through a 14-14 embodiment according to FIG. 13, illustrated.

Bei nachträglicher Anbringung einer abgeknickten Hinterkante an ein vorhandenes Flügelprofil ist es vorteilhaft, diese auf die Oberseite des Flügels ( Fig. 15) aufzukleben. For subsequent attachment of a trailing edge bent to an existing wing profile, it is advantageous to the top of the wing (Fig. 15) to stick. Da die Grenzschicht auf der Oberseite des Flügelprofils dicker ist, stört eine kleine Stufe, wie sie durch das Aufbringen, bzw. Aufkleben eines abgewinkelten Blechs auftritt, nicht so stark. Since the boundary layer on the upper side of the airfoil is thicker, disturbs a small step, as occurs by the application or adhering of an angled plate, not so strong. Ferner ist es vorteilhaft, ein solches abgewinkeltes Blech etwas nach hinten versetzt aufzukleben, sodaß die Abwinkelung nicht direkt am Fügelendprofil liegt, da dann der negative Effekt der Profilendkantendicke des ursprünglichen Profils nicht so sehr ins Gewicht fällt ( Fig. 16, eine Seitenansicht des Profiles gemäß Fig. 15). It is also advantageous, such a bent plate slightly behind stick so that the bend is not directly on Fügelendprofil because then the negative effect of Profilendkantendicke the original profile is not so much falls into weight (Fig. 16, a side view of the profile according to FIG. 15).

Bei Anwendung z. B. in Strömungsmaschinen kann es erwünscht sein, die abgeknickte Hinterkante durchgehend aus einem Stück zu fertigen, um eine hohe Zuverlässigkeit des Bauteils zu erreichen. When applying for. Example in turbomachines, it may be desirable to continuously produce the bent trailing edge of a piece in order to achieve high reliability of the device. Außerdem ist es günstig, die erhöhte Steifigkeit und Festigkeit zu nutzen, die sich durch die größere Dicke der Flügelhinterkante ergibt. Moreover, it is advantageous to utilize the increased stiffness and strength, which results from the greater thickness of the blade trailing edge. Dann sind Schlitze in der Flügel-Hinterkante jedoch ungünstig, weil sie die Steifigkeit vermindern, als Kerben wirken, und Ermüdungsbrüche begünstigen können. Then, however, the slots are unfavorable in the wing trailing edge, because they reduce the stiffness, act as notches, and may promote stress fractures. Trotzdem muß erreicht werden, daß die Nachlaufströmung hinter der Flügelhinterkante so dreidimensional verändert wird, daß eine strömungsmechanische Instabilität (Karman'sche Wirbelstraße) nicht mehr auftritt. Nevertheless, it must be ensured that the wake flow is changed as a three-dimensional behind the trailing edge that a fluid mechanical instability (Karman vortex street) no longer occurs. Dieses Ziel kann durch verschiedene Konfigurationen erreicht werden. Fig. 17 zeigt eine abgeknickte Hinterkante, die durch Lochung perforiert ist. This objective can be achieved by various configurations. FIG. 17 shows a bent rear edge, which is perforated by perforation.

Eine Dreidimensionalität der Hinterkanten-Abströmung kann auch durch eine zusätzliche gewellte Hinterkante ( Fig. 18) erreicht werden. A three-dimensionality of the trailing edge outlet flow can also be achieved by an additional corrugated trailing edge (Fig. 18).

Besonders günstig ist eine Konfiguration, bei der die Anforderungen nach guter Steifigkeit, Festigkeit und Nachlaufströmungs-Stabilisierung kombiniert erfüllt sind. Is particularly favorable a configuration in which the requirements are met by combining good stiffness, strength and post-flow stabilization. Eine solche Hinterkanten-Konfiguration zeigt Fig. 19. Such a trailing edge configuration is shown in FIG. Nineteenth Die dreidimensionale Störung der Nachlaufströmung wird durch druckseitig in Richtung der Hauptströmung angeordnete Stege erreicht, die an die abgeknickte Hinterkante - hier als Gurney-Flap ausgebildet - anschließen und mit ihr mechanisch verbunden sind. The three-dimensional disturbance of the wake flow is achieved by pressure-side, in the direction of the main flow webs which the bent trailing edge - here as a Gurney flap - Connect and mechanically associated with it. Eine solche Struktur kann z. B. durch Gießen oder durch galvanische Abtragungs-Formung hergestellt werden. Such a structure may, for. Example, be produced by casting or by galvanic ablative molding. Sie kann auch als vorgeformte Einheit, z. B. aus Faserkunststoff gefertigt, auf einen Flugzeugtragflügel von unten aufgebracht werden. It can also made as a preformed unit, for. Example, from plastic fiber be applied to an aircraft wing from below.

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Classifications
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Cooperative ClassificationY02T50/166, B64C2003/145, Y02T50/162, B64C9/18, B64C21/00, B64C23/06, Y02T50/12
European ClassificationB64C23/06, B64C9/18, B64C21/00
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19 Jul 2001OP8Request for examination as to paragraph 44 patent law
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Effective date: 20121214