DE3640780A1 - Ideales fluegelprofil fuer die fluegel der stroemungstechnischen anlagen - Google Patents

Ideales fluegelprofil fuer die fluegel der stroemungstechnischen anlagen

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Description

1. Titel und technisches Gebiet
Ideales Flügelprofil für die Flügel der strömungstechnischen Anlagen, wie Flugzeuge, Luft- und Wasserpropeller, Kraftanlagen, Pumpen, Kompressoren, Ventilatoren, usw.
2. Stand der Technik
Nach dem heutigen Stand der Technik nimmt man an, daß am Flügel der Flugzeuge sogenannte "Bernoulli-Kräfte" auftreten, und zwar in Zusammenhang mit dem bekannten physischen Gesetz Bernoullis, was aussagt, daß der Druck bei der Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit sich vergrößert und umgekehrt (strömungstechnischer Ausdruck des Gesetzes von der Erhaltung der Energie). Es wurde dazu behauptet, daß wegen der langsamen Umströmunng des unteren Profilteils der Flugzeuge da Druckkräfte und wegen der schnellen Umströmung des oberen Profilteils da Sogkräfte auftreten werden und das Fliegen wird durch die Resultierende von diesen Kräften bestimmt (Abb. 1.). Die bisher existierenden Flügelprofile waren aufgrund dieser Vermutung gestaltet. Dabei wollte man den Strömungswiderstand möglichst kleinhalten, weil sich die Flügel schnell bewegen und die Kraft des Strömungswiderstandes ist dem Quadrat von der Strömungsgeschwindigkeit proportional.
Die Kraft des Strömungswiderstandes in N:
F = C W · A · p · v² (F. 25.)
wo
C W -Strömungswiderstandsbeiwert; A  -Durchschnittsfläche des Körpers in m², senkrecht zur Strömung; ρ  -Dichte des Mediens in kg/m³; v  -Strömungsgeschwindikgeit in m/s.
Also, bei gleichen Werten "A", "ρ" und "v" gibt den Ausschlag nur das Maß von "C W ".
Werte von "C W " bei unterschiedlichen Konfigurationen des Körpers nach dem heutigen Stand der Technik (Seite 347 vom Taschenbuch in ungarischer Sprache: Dr. Bela Szalay - "Fizika", Technischer Herausgeber Budapest, Ausgabe 1979):
Demzufolge nimmt also der heutige Stand der Technik an, daß (nicht nur das Flügelprofil, sondern auch) der stromlinienförmige Körper keine spitze Eintrittskante hat, weil die aus einer Halbkugel besteht und der Körper hat dabei eine Verlängerung, wobei die Proportionen dessen unbekannt sind.
Diese Überlegungen erstrecken sich auf die gesamte Strömungstechnik.
3. Die Aufgabe der Erfindung
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe von der Widerlegung des heutigen Standes der Technik, d. h. die Erfindung behauptet zunächst, das am Flügel der Flugzeuge keine "Bernoulli- Kräfte" auftreten und das Flügelprofil soll spitze Eintrittskante und Austrittskante (jedoch mit Rücksicht auf die praktischen Herstellungsmöglichkeiten) besitzen, wobei der Strömungsweg von der Eintrittskante bis zur Austrittskante an beiden Seiten des Profils gleich sein soll und wegen der Kleinhaltung der Strömungswiderstandes sind die Profilseiten mit Hilfe von größtmöglichsten Radien (bzw. Kurven und Kurvenkombinationen, wobei die Gerade einer Kurve von unendlich großem Radius gleicht) zu gestalten. Somit löst die Erfindung die Aufgabe der Konstruktion von den strömungstechnisch "idealen Flügelprofilen", sowie sie gleichzeitig die richtigen Hinweise für den Bau des "idealen stromlinienförmigen Körpers" gibt (ein Zusatzpatent wird dazu gestellt).
Übrigens, die Flugzeuge fliegen erfolgreich "mit Kopf runter" und dieser Umstand hätte seit jeher die Unhaltbarkeit der "Bernoulli-Theorie des Fliegens" bedeuten müssen.
Die Erfindung behauptet also, daß am Flügel der Flugzeuge ausschließlich nur die Newtonschen Kräfte wirken, wobei die Reaktionskraft des Auftriebes in N für eine Platte, die unter einem Einstellwinkel "ϕ°" zur Strömungsrichtung gestellt ist (Abb. 8.):
R = F · tg ϕ°; (F. 82)
wo: F - Kraft nach (F. 25) mit C W = 1,0;
Dieselbe Behauptung gilt auch für jeden Strömungskörper, der bei entsprechenden Einstellung zur Strömung einen Einstellwinkel in sich aufweist.
Für die strömungstechnische Beweisführung der obigen Behauptungen sowie die Widerlegung von der "Bernoulli-Theorie des Fliegens" muß man einen durch gleiche Radien gestalteten Körperschnitt betrachten, der sich in einem geschlossenen Strömungsraum befindet, wobei die Strömungsquerschnitte am Körper um dessen jeden Profilpunkt gleich sind (Abb 2.).
Bis zur Ebene "E-E" ist alles symmetrisch gestaltet, deswegen könnte man auf den ersten Blick erwarten, daß der Trennungspunkt der zweier Zweigströme um den Körper sich im Punkt "A" befindet, jedoch wegen der gleichen Strömungsquerschnitte um den Körper wird die Strömungsgeschwindigkeit laut des bereits erwähnten physischen Gesetzes Bernoullis in jedem Profilpunkt gleich bleiben und dementsprechend soll sich der praktische Trennungspunkt der zweier Zweigströme in den Punkt "P" verschieben lassen, weil zu gleichen Strömungsgeschwindigkeiten gleiche Strömungswege gehören.
Die Bestimmung der Position vom Punkt "P" geschieht durch die Gleichung:
Dabei AB = AD wegen der symmetrischen Gestaltung, also AP wird gleichen der Hälfte vom Unterschied zwischen BC und DC:
Die Geraden PC und DC bestimmen dabei den Einstellwinkel "ϕ°" des Körpers für die Berechnung des Auftriebes laut (F. 82).
Man muß dabei bemerken, daß es im Bereich von QAP Turbulenzen gibt, die energieaufzehrend wirken.
Mit Hilfe der obigen Überlegungen ist die Widerlegung der veralteten und falschen "Bernoulli-Theorie des Fliegens" (sowie der damit verwandten "Zirkulationstheorie des Fliegens) perfekt.
Die im Mittelpunkt der Erfindung stehende, eben neugeschriebene strömungstechnische Theorie hat ihre Gültigkeit nicht nur in der Fliegerei, sondern auch in anderen Bereichen der Strömungstechnik, wie bei der Gestaltung von Flügeln für die Luft- und Wasserpropeller, Wind- und Wasserkraftanlagen, Dampf- und Gasturbinen, Pumpen, Kompressoren, Ventilatoren usw.
Der notwendige Auftrieb für ein Flugzeug ergibt sich also als Unterschied zwischen dem Gewicht des Flugzeuges und der Kraft vom Strömungswiderstand beim freien Fall nach (F. 25) und daher sei die Grundgleichung des Fliegens:
(P schub/v -W) · tg ϕ° F = G-C wh · A h · ρ · v² h ; (F. 133)
wo
P schub/v - die kleinste Schubkraft der Triebwerke bei der Reisegeschwindigkeit in ruhender Luft in N; W- Kraft des Strömungswiderstandes vom Flugzeug bei der Reisegeschwindigkeit "v" in der Vertikalebene nach (F. 25); ϕ° F - der abgeleitete Einstellwinkel für die gesamte Maschine (Falls der Rumpf keinen Auftrieb erzeugt, dann er gleicht dem Einstellwinkel der Flügel); G- das Gesamtgewicht des Flugzeuges in N; C wh - Strömungswiderstandsbeiwert für die gesamte horizontale Fläche des Flugzeuges beim freien Fall; A h - die gesamte horizontale Querschnittsfläche des Flugzeuges in m²; v h - Fallgeschwindigkeit der gesamten horizontalen Querschnittsfläche des Flugzeuges vom Gewicht "G" in m/s;
Bemerkung: die obigen Überlegungen haben ihre Gültigkeit im Segelwesen auch, d. h. ein Segelboot fährt ausschließlich nur wegen des Zusammenwirkens der am Segel auftretenden Aktions- und Reaktionskräfte.
Mit Rücksicht auf die Obigen und besonders auf die Gleichung (F. 107) soll der Bau eines Profils davon ausgehen, daß:
  • - der Strömungsweg des oberen Profilteils gleich mit dem vom Unteren sein soll;
  • - die einzelnen Strömungswegteile strömungsgünstig gestaltet werden sollen, d. h. die müssen möglichst aus Kreisbogen von großem Radius bestehen, weil die kleineren Widerstand erzeugen;
  • - die einzelnen Profilbogen so zur Strömungsrichtung gerichtet werden sollen, damit kein zusätzlicher Widerstand und keine energieverzehrende Turbulenz entstehen.
Mit Hilfe von diesen Richtlinien kann man eine traditionelle Flügelprofilvariante wesentlich verbessern (Abb. 3.). Aufgrund der Gleichung (F. 107) gilt für dieses Profil die Gleichung:
r · β = R · α+ρ · γ; (F. 172)
wo:
r, R und ρsind die entsprechenden Radien; α, β und γsind die entsprechenden Winkel.
Die Gleichung (F. 172) war aufgrund derjenigen Gleichung aufgestellt, daß PBQC = PADEC (und OC = DEC).
Die Nachteile des gegebenen Profils:
  • - der Profilteil PB liegt unter der Tangente "g-g" und dadurch wirkt er gegen den Auftrieb, wobei diese Erkennung gleichzeitig die Tatsache bedeutet, daß der eigentliche Eintrittspunkt im Punkt "B" sein sollte, wo die Tangente "g-g" vom Radius "r" senkrecht zur Vertikalebene "e-e" gerichtet sei;
  • - der Profilteil PA liegt hinter der Tangente "f-f", deswegen wirkt die horizontale Komponente der Strömung in diesem Bereich gegen die Mediengeschwindigkeit, was eine energieverzehrende Turbulenz am Eintritt bedeutet. Dies heißt also: kein unterer Kurventeil des Profils darf im Trennungspunkt gegenwirkende Komponente erzeugen;
  • - der Profilteil PAD kleines Radius "ρ" hat, was unerwünscht sei, da die kleinen Radien größeren Widerstand erzeugen. In manchen praktischen Fällen könnte jedoch dieser Nachteil laut des Patentanspruchs Nr. 5. unvermeidlich sein;
  • - der Profilteil EC liegt hinter der Einstellgeraden PC mit dem Einstellwinkel "ϕ", was die Turbulenz hinter dem Punkt "C" zusätzlich vergrößert. Dieser Nachteil ist jedoch in manchen praktischen Fällen umstritten, weil ein vergrößerter Einstellwinkel dabei als Tangente zum Radius "R" im Austrittspunkt "C" entsteht, was den Auftrieb gleichzeitig vergrößert (Patentanspruch Nr. 3.).
  • Die weiteren Ergebnisse der obigen Analyse für die Gestaltung des idealen Flügelprofils lauten:
  • - das Profil soll spitze Eintritts- und Austrittskante haben (jedoch mit Rücksicht auf die praktischen Herstellungsmöglichkeiten), weil der obere und der untere Profilteil von größtmöglichsten Radien sich in spitzen Kanten treffen.
Es ist ja offensichtlich, daß die obigen neuen Erkenntnisse unter Frage die bisherige Gestaltung des "stromlinienförmigen Körpers" stellen. Daher wird es behauptet, daß er ein symmetrischer Strömungskörper (Drehkörper) ist, dessen Profil aus Kreisbogen von gleichen Radien besteht (Abb. 4.). Die Radien sind jedoch durch die Profilstärke und die Länge des Körpers bestimmt und die natürliche Frage lautet: welche Länge gehört in idealem Falle zu einer bestimmten Profilstärke?
Die Berechnung der optimalen Länge ergibt nämlich den "idealen stromlinienförmigen Körper", der den kleinsten "C W -Wert" aufweist. Die einschlägige Berechnung geschieht aufgrund zweier Faktoren:
  • - die Radien müssen möglichst groß sein wegen der dazu gehörenden kleinen Widerstände;
  • - die Strömungsverluste müssen die kleinsten sein, was ihrerseits zum Optimieren der Größe von den Radien führt.
Diese Berechnungen sind von ökonomischer Bedeutung, weil es in der Praxis viele Fälle gibt, wann man wegen Energieersparnisses den Bau von solchen Körpern anstrebt, wie im Schiffbau (U-boote und Schiffrumpfe), Flugzeugbau (Rumpf) und überhaupt da, wo ähnliche strömungstechnischen Aufgaben auftreten.
Der Patentanspruch 1. ergibt sich also aus der Kritik des heutigen Standes der Technik und davon ausgehend entstehen:
  • - der Patentanspruch 2. "Symmetrisches ideales Flügelprofil" (Abb. 4.);
  • - der Patentanspruch 3. "Oberes ideales Flügelprofil" (Abb. 5.). Bemerkenswert ist dabei, daß dieses Profil sogar dann Auftrieb erzeugen kann, wenn die Gerade PC parallel zur Strömungsrichtung liegt, weil es im Austrittspunkt "C" einen Einstellwinkel von "ϕ α -ϕ" aufweist, der als Tangente zu unterem hinteren Profilbogen in diesem Punkt erscheint;
  • - der Patentanspruch 4. "Unteres ideales Flügelprofil" (Abb. 6.). Damit hier der Auftrieb nicht vermindert wird, soll der "tg-Wert" der Tangente zu oberem hinteren Profilbogen im Austrittspunkt "C" entweder 0, oder einer negativen Zahl gleichen;
  • - der Patentanspruch 5. "Verstärktes ideales Flügelprofil" (Abb. 7), weil man in manchen praktischen Fällen das Profil zu verstärken braucht;
  • - der Patentanspruch 6. "Leichtes ideales Flügelprofil" Abb. 8.), weil man in manchen praktischen Fällen das Profil leichter zu gestalten braucht.
4. Die gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung
Die gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung erstreckt sich auf die gesamte Strömungstechnik.
5. Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung
- Energieersparnis durch die strömungsgünstige ideale Profilgestaltung;
- Geräuschverminderung bei der Umströmung des Profils;
- Ersparnis von Unkosten in der Herstellung von den strömungstechnischen Anlagen, weil die durch die Erfindung genau berechenbar sind;
- Vergrößerung der Flug- und Schwimmsicherheit.
6. Die Ausführung der beanspruchten Erfindung
Sie ist im Obigen deutlich dargestellt.

Claims (6)

1. Hauptanspruch
Oberbegriff: ideales Flügelprofil für die Flügel der strömungstechnischen Anlagen, wie Flugzeuge, Luft- und Wasserpropeller, Kraftanlagen, Pumpen, Kompressoren, Ventilatoren, usw.
Kennzeichnender Teil: dadurch gekennzeichnet, daß es spitze Eintritts- und Austrittskante hat (jedoch mit Rücksicht auf die praktischen Herstellungsmöglichkeiten), wobei der Strömungsweg von der Eintrittskante bis zur Austrittskante an beiden Seiten des Profils gleich ist und die Profilseiten sind mit Hilfe von größtmöglichsten Radien (bzw. Kurven und Kurvenkombinationen) gestaltet.
2. Nebenanspruch
Oberbegriff: Symmetrisches ideales Flügelprofil nach 1.
Kennzeichnender Teil: gekennzeichnet nach 1., jedoch die beiden Profilseiten bestehen aus Kreisbogen von gleichen Radien, deren Mittelpunkte an einer Gerade liegen, die als senkrechte Halbierende zum Abschnitt Eintrittspunkt- Austrittspunkt erscheint (Abb. 4.).
Bemerkung: Diese Gestalt ergibt den idealen stromlinienförmigen Körper im Schnitt, wenn man zu einer bestimmten Profilstärke "D" die Radien "R" nur so groß wählt, damit die Strömungsverluste um den Körper zum kleinsten Strömungswiderstandsbeiwert (C w ) führen.
3. Nebenanspruch
Oberbegriff: oberes ideales Flügelprofil nach 1.
Kennzeichnender Teil: gekennzeichnet nach 1., jedoch der obere Profilteil besteht aus einem Kreisbogen von Radius "R" und der untere Profilteil besteht aus zwei Kreisbogen von Radius "R/2", wobei die Mittelpunkte von diesen Radien an Parallelen von gleichem Abstand ab den Eintrittspunkt liegen, die senkrecht zur durch die Eintrittspunkt- Austrittspunkt verlaufenden Gerade gerichtet sind und der untere Profilteil beginnt im Eintrittspunkt "konkav" und er endet im Austrittspunkt "konvex", d. h., der untere Profilteil hat einen mathematischen Wendepunkt an der Halbierenden des Abschnittes "Eintrittspunkt-Austrittspunkt" (Abb. 5.).
4. Nebenanspruch
Oberbegriff: Unteres ideales Flügelprofil nach 1.
Kennzeichnender Teil: gekennzeichnet nach 1., jedoch der untere Profilteil besteht aus einem Kreisbogen von Radius "R" und der obere Profilteil besteht aus zwei Kreisbogen von Radius "R/2", wobei die Mittelpunkte von diesen Radien an Parallelen von gleichem Abstand ab den Eintrittspunkt liegen, die senkrecht zur durch die Eintrittspunkt- Austrittspunkt verlaufenden Gerade gerichtet sind und der obere Profilteil beginnt im Eintrittspunkt "konvex" und er endet im Austrittspunkt "konkav", d. h. der obere Profilteil hat einen mathematischen Wendepunkt an der Halbierenden des Abschnittes "Eintrittspunkt-Austrittspunkt" (Abb. 6.).
5. Nebenanspruch
Oberbegriff: Verstärktes ideales Flügelprofil nach 1.
Kennzeichnender Teil: gekennzeichnet nach 1., jedoch es besitzt eine vergrößerte Profilstärke, die aufgrund der physischen Anforderungen notwendig sein kann (Abb. 7.).
6. Nebenanspruch
Oberbegriff: Leichtes ideales Flügelprofil nach 1.
Kennzeichnender Teil: gekennzeichnet nach 1., jedoch es besitzt eine eventuell bis zur Gerade verkleinerte Profilstärke, die aufgrund der physischen Anforderungen und Möglichkeiten notwendig sein kann (Abb. 8.).
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