DE19752369A1 - Loop-shaped transverse drive body or split-wing loop for aircraft - Google Patents

Loop-shaped transverse drive body or split-wing loop for aircraft

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DE19752369A1
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Rudolf Dr Bannasch
Michael Stache
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Abstract

The drive body is based on principles derived from the vortex flow of the wings of gliding birds. At its origin, or in wingspan direction from the wing root to the wing tip, the transverse drive creating structure is connected to a long base part (base wing) to provide overall an almost continuous distribution of the transverse drive at the transition point to two narrower transverse drive bodies which merge with each other without sharp bends.

Description

Die Erzeugung von Quertrieb bei Anströmung eines Körpers endlicher Länge (Tragflügel oder Drehflügel) ist unvermeidbar mit der Erzeugung einer Wirbelschicht im Nachlauf verbunden. Die darin enthaltene Energie muß vom Quertriebskörper in Form von Arbeit zur Überwindung des induzierten Widerstandes aufgebracht werden. Auf Grund der Ausgleichsströmung an den Spitzen des Körpers erreichen die Wirbel in den Außenbereichen des Nachlauffeldes eine höhere Konzentration. Die Wirbelschicht rollt sich an den Rändern auf. Hier sind die Druck- und Geschwindigkeitsgradienten am größten. Der größte Teil der Nachlaufenergie konzentriert sich in den Randwirbelzöpfen.The generation of transverse drive when flowing against a body of finite length (wing or rotary wing) is unavoidable with the creation of a fluidized bed in the wake connected. The energy contained therein must come from the transverse drive body in the form of work be applied to overcome the induced resistance. Due to the Equalizing flow at the tips of the body reach the vertebrae Outside areas of the wake field a higher concentration. The fluidized bed rolls up on the edges. Here are the pressure and speed gradients at biggest. Most of the wake energy is concentrated in the vertebrae.

Bei einem modernen Verkehrsflugzeug hat der induzierte Widerstand beim Reiseflug mit etwa einem Drittel erheblichen Anteil an dessen Gesamtwiderstand, beim Steigflug macht er sogar die Hälfte aus. Zudem gehen von den Randwirbeln auch Gefahren für den Flugverkehr aus. Insbesondere die von startenden Großraumflugzeugen abgehenden Randwirbel induzieren erhebliche Umfangsgeschwindigkeiten. Sie sind relativ langlebig und können so ein Sicherheitsproblem für nachfolgend kleinere Flugzeuge darstellen. Die dadurch notwendigen größeren Startfrequenzen verschlechtern die Auslastung der flächenintensiven Rollbahnen für Start und Landung. Die starken Randwirbel der Tragflächen bilden außerdem (wie auch bei Drehflügeln) eine der Hauptquellen für die Entstehung des aerodynamisch verursachten Lärms.In a modern commercial aircraft, the induced drag is part of the cruise about a third of its total resistance when climbing he even half out. In addition, there are also dangers for the vertebrae Air traffic off. Especially those departing from wide-body aircraft taking off Edge vertebrae induce considerable peripheral speeds. They are relatively long-lived and can pose a safety problem for smaller planes below. The the larger start frequencies required thereby worsen the utilization of the area-intensive runways for take-off and landing. The strong vertebrae of the Wings are also one of the main sources for the (as with rotating wings) Generation of aerodynamically caused noise.

Bei der Verbesserung strömungsmechanischer Konstruktionen bildet die Reduzierung des induzierten Widerstandes eine vordringliche Aufgabe. Bei deren Lösung werden zwangsläufig auch die anderen genannten Probleme tangiert.In the improvement of fluid mechanical constructions, the reduction of the induced resistance is an urgent task. When solving them inevitably also affects the other problems mentioned.

Es ist bekannt, daß bei gleichem Gesamtauftrieb und gleicher Spannweite der induzierte Widerstand eines Flügels durch Vergrößerung des Verhältnisses der Länge der gesamten Hinterkante, von der die Wirbelschicht abgeht, zur Spannweite, d. h. bei einem Wechsel von einer planaren zu einer nicht-planare Konstruktion, verringert werden kann. Der Mechanismus beruht auf einer energetisch günstigeren (räumlichen) Verteilung der Nachlaufzirkulation.It is known that with the same total buoyancy and the same span the induced Resistance of a wing by increasing the ratio of the length of the whole Trailing edge from which the fluidized bed emerges to the span, d. H. with a change from a planar to a non-planar construction. Of the Mechanism is based on an energetically more favorable (spatial) distribution of the Caster circulation.

Allerdings blieben die in der Praxis mittels leicht angewinkelter (positive oder negative V- Stellung), nach oben oder unten gewölbter Flügel oder - mit geringerer Auswirkung auf die Flugstabilität - mittels Endscheiben, abgewinkelter oder gekrümmter, gelegentlich noch zusätzlich gepfeilter Flügel spitzen ("Winglets") erreichten Effekte im Vergleich zu den mit einer leichten Spannweitenvergrößerung erzielbaren Verbesserungen eher moderat. Mitunter standen wohl eher gestalterische Aspekte im Vordergrund. Eine funktionell spürbare Verlängerung der Hinterkantenlänge läßt sich bei gegebener Spannweite nur durch die konsequente Nutzung der Hochachse erreichen, was zu relativ großen abgewinkelten oder gekrümmten Flügelendstücken führt, deren Einsatz in der Regel wieder andere (z. B. statische) Probleme mit sich bringt.In practice, however, the use of slightly angled (positive or negative V- Position), wing curved up or down or - with less impact on the Flight stability - by means of end plates, angled or curved, occasionally additionally swept wing tips ("winglets") achieved effects compared to those with improvements that can be achieved by slightly increasing the range are rather moderate. Sometimes there were more design aspects in the foreground. A functional noticeable lengthening of the rear edge length can only be achieved with a given span by consistently using the vertical axis, resulting in relatively large angled or curved wing tips, their use usually again other (e.g. static) problems.

Eine Alternative bildet die Einführung von mehreren separaten Teilflächen. Bekanntlich weisen bei gleicher Spannweite und gleicher Auftriebsleistung Doppel- und Mehrdecker einen deutlich geringeren induzierten Widerstand als ein planarer Flügel auf allerdings um den Preis eines erheblich größeren Reibungswiderstandes und eines in der Regel höheren Strukturgewichtes. Diese Problem wohnt jedoch in mehr oder minder ausgeprägter Form allen nicht-planaren Flügelkonstruktionen inne. Generell gilt: je größer die Ausdehnung in der Hochachse (Abstand der Tragflächen voneinander), desto geringer der induzierte Widerstand.An alternative is the introduction of several separate sub-areas. As is well known have double and multiple decks with the same wingspan and the same lift capacity a significantly lower induced drag than a planar wing the price of a considerably larger friction resistance and a generally higher one Structural weight. However, this problem resides in a more or less pronounced form all non-planar wing constructions. In general, the larger the expansion in  the vertical axis (distance of the wings from each other), the smaller the induced Resistance.

In diesem Widerstreit bildet die Aufspaltung der Enden eines im Mittelteil planaren Flügels in zwei oder mehrere sich vertikal gestaffelt aufspreizende kleinere Flügel ("Multiwinglets") eine Kompromißlösung. An der Basis bleibt der Flügel planar. Lediglich im Außenbereich, wo die größte Wirbelintensität ab schwimmt wird die Hinterkante durch Aufspaltung in mehrere Teilflügel, die zudem noch aeroelastisch gekrümmt sind, verlängert. Abgesehen von eher noch spärlichen Anwendungen von Doppel- oder Multiwinglets in der Technik findet man derartige Baupläne vielfach in der Natur, z. B. in Form der aufgespreizten Handschwingen der Landsegler-Vögel (Fig. 1). Bezüglich der Ausbildung und vertikalen Anordnung von mehreren kleinen Randwirbeln im Nachlauf an Stelle eines großen Spitzenwirbels (im planaren Fall) besteht hier eine gewisse Ähnlichkeit zum Mehrdecker. Bei den Vögeln kommt nach RECHENBERG [RECHENBERG, INGO (1989): Development and operation of a novel wind turbine with vortex screw censentrator. 2nd Joint Schlesinger Seminar and Environment, Berlin/Haifa] aber noch ein weiterer Mechanismus ins Spiel. Hier sind auf Grund der unterschiedlichen Länge der Schwung­ federn die einzelnen Spitzenwirbel so angeordnet, daß sich infolge der wechselseitigen Induktion eine Wirbelspule ausbildet, in deren Kern nicht nur die Rotationsbewegung der Strömungsteilchen deutlich verringert, sondern zusätzlich auch noch eine kleine, nach hinten gerichtete Geschwindigkeitskomponente induziert wird. Letztere dürfte hilfreich sein, den erhöhten Reibungswiderstand der aufgefächerten Struktur zumindest teilweise zu kompensieren. Das Druckfeld ist insgesamt ausgeglichener. Die sonst im Zentrum eines großen Einzelwirbels auftretende Unterdruckspitze fehlt. Sie ist ersetzt durch mehrere kleine, über den Spulenmantel verteilte Zentren, zwischen denen sich ein relativ ausgeglichenes Druckplateau aufspannt.In this conflict, the splitting of the ends of a wing that is planar in the middle part into two or more smaller wings (“multiwinglets”) that spread out in a vertically staggered manner is a compromise solution. At the base, the wing remains planar. Only in the outside area, where the greatest vortex intensity floats, is the rear edge extended by splitting it into several partial wings, which are also aeroelastically curved. Apart from the rather sparse applications of double or multiwinglets in technology, such blueprints can often be found in nature, e.g. B. in the form of the spread wings of the Landsegler birds ( Fig. 1). With regard to the formation and vertical arrangement of several small vertebrae in the wake instead of one large tip vertebra (in the planar case), there is a certain similarity to the multi-decker. For birds, according to RECHENBERG [RECHENBERG, INGO (1989): Development and operation of a novel wind turbine with vortex screw censentrator. 2 nd Joint Schlesinger Seminar and Environment, Berlin / Haifa] but another mechanism comes into play. Due to the different length of the swing, the individual tip vortices are arranged in such a way that, due to the mutual induction, a vortex coil is formed, in the core of which not only significantly reduces the rotational movement of the flow particles, but also induces a small, rearward-looking speed component becomes. The latter should be helpful to at least partially compensate for the increased frictional resistance of the fanned out structure. The pressure field is more balanced overall. The vacuum tip that otherwise occurs in the center of a large single vertebra is missing. It is replaced by several small centers distributed over the spool casing, between which a relatively balanced pressure plateau spans.

Die Aufspaltung des Randwirbels in mehrere kleine (diskrete) Wirbel bildet insbesondere in Verbindung mit dem Wirbelspulen-Konzept eine interessante Alternative zu dem kontinuierlichen "Verschmieren" der Zirkulation entlang der seitlichen Kontur des dreidimensionalen Nachlauffeldes mittels in Hochachsenrichtung verlängerter Abström­ kante.The splitting of the vertebrae into several small (discrete) vertebrae forms in particular in connection with the vortex coil concept an interesting alternative to that continuous "smearing" of the circulation along the lateral contour of the three-dimensional trailing field by means of an outflow lengthened in the vertical axis direction edge.

Ein Nachteil aller bisher beschriebenen Konstruktionen besteht in den freien Enden der Flügel spitzen. Bekanntermaßen läßt sich eine entsprechende mechanische Stabilität wesentlich einfacher mit geschlossenen Strukturen erreichen.A disadvantage of all constructions described so far is the free ends of the Point wings. As is known, a corresponding mechanical stability can be achieved much easier to achieve with closed structures.

Für den Fall, daß die maximale Bauhöhe und die Spannweite vorgegeben sind, bildet der Kastenflügel eine Konstruktion mit extrem geringstem induzierten Widerstand (PRANDTL, LUDWIG: Tragflügeltheorie. II. Mitteilung. In: Vier Abhandlungen zur Hydrodynamik und Aerodynamik. Göttingen 1927. Im Selbstverlag des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Strömungsforschung). Der Vorteil liegt hier u. a. in dem kontinuierlichen "Verschmieren" der Zirkulation des "Randwirbels" entlang der Hochachse. Das Konzept des Kastenflügels ist jedoch entlang der gesamten Spannweite nicht-planar, also auch im Bereich der Spannweitenmitte des Quertriebskörpers, wo im allgemeinen eine geringe Nachlauf­ zirkulation abschwimmt und daher die Nichtplanarität nur einen sehr geringen Beitrag zur Verminderung der Nachlaufzirkulation leisten kann. Bei dieser Konstruktion sind die Nachteile des vergrößerten Reibungswiderstands (große Oberfläche, kleine REYNOLDSzahl) und des höheren Strukturgewichtes gegenüber einem planaren Quertriebskörper besonders ausgeprägt.In the event that the maximum height and span are specified, the Box wing a construction with extremely low induced resistance (PRANDTL, LUDWIG: Wing theory. II. Communication. In: Four Treatises on Hydrodynamics and Aerodynamics. Göttingen 1927. Self-published by the Kaiser Wilhelm Institute for Flow research). The advantage lies here. a. in the continuous "smearing" the circulation of the "vertebrae" along the vertical axis. The concept of the box wing is non-planar along the entire span, i.e. also in the area of Center span of the transverse drive body, where there is generally little caster circulation and therefore non-planarity only makes a very small contribution to the Can reduce the wake circulation. With this construction they are Disadvantages of the increased frictional resistance (large surface, small REYNOLDS number)  and the higher structural weight compared to a planar transverse drive body pronounced.

Eine dem Kastenflügel ähnliche Nachlaufkonfiguration läßt sich mittels des von KROO (KROO, ILAN.: Design and Analysis of Optimally-Loaded Lifting Systems. AIAA 84-2507, Oct. 1984) vorgeschlagenen "C-Wing" erreichen. Bei dieser Konstruktion sind die Flügel spitzen zunächst senkrecht nach oben und dann nochmals im rechten Winkel nach innen abgewinkelt. Abgesehen davon, daß die obere, nach innen weisende Teil Abtrieb erzeugen, dürften bei dieser Anordnung auch erhebliche statische Probleme auftreten.A follow-up configuration similar to the box wing can be created using the KROO (KROO, ILAN .: Design and Analysis of Optimally-Loaded Lifting Systems. AIAA 84-2507, Oct. 1984) achieve the proposed "C-Wing". With this construction they are Wings first point vertically upwards and then again at right angles angled inside. Aside from the fact that the upper, inward-facing part has downforce generate, there are likely to be significant static problems with this arrangement.

Außerdem bilden in rechteckigen Konstruktionen wahrscheinlich die Ecken aerodynamisch Problemzonen. Letztere lassen sich durch den Übergang zum verschiedentlich diskutierten Ringflügel oder (bei horizontaler Streckung, bzw. vertikaler Stauchung desselben) zu elliptischen Konfigurationen (z. B. Ellipsenflügeln des Bleriot III, s. Abbildung in KROO, 1984) beseitigen, nicht jedoch die erwähnten Reibungs- und Gewichtsprobleme.In addition, in rectangular structures, the corners are likely to be aerodynamic Problem areas. The latter can be explained by the transition to the variously discussed Ring wing or (with horizontal extension or vertical compression of the same) too elliptical configurations (e.g. elliptical wings of Bleriot III, see illustration in KROO, 1984) eliminate, but not the friction and weight problems mentioned.

In Gegensatz zu allen offenen Konstruktionen (Flügel mit freien Enden: Endscheiben, Winglets, C-wing etc.) enthalten alle geschlossene Tragflügelkonstruktionen (Kastenflügel, Ringflügel, Ellipsenflügel) eine strömungsmechanische Besonderheit. Fig. 3a und 3b illustrieren das Grundprinzip, nach dem man sich einen solchen geschlossenen Flügel als aus zwei nicht-planaren Teilflügeln (Fig. 3a) zusammengesetzt vorstellen kann. Da beide Teilflügel Auftrieb produzieren, die Hauptkomponente des Quertriebs also in beiden Fällen in der hier gewählten Darstellung nach oben gerichtet ist, ergibt sich zwangsläufig, daß sich bei der Zusammenführung (Ringschluß) im Außenteil die Druckseite des unteren Teilflügels mit der Saugseite des oberen und entsprechend die Saugseite des unteren mit der Druckseite des oberen Teilflügels verbinden muß (Fig. 3b). Folglich kehrt sich (entlang der Kontur) an der Verbindungsstelle die Drehrichtung des gebundenen Wirbels um (nach dem Nulldurchgang wechseln Anstellwinkel und Quertrieb das Vorzeichen). Bei fließendem Übergang ergibt sich ein leicht spiralförmig verwundener Übergangsbereich. Der Vorzeichenwechsel des Quertriebes äußert sich in der geschlossenen Konstruktion jedoch nicht als Abtrieb, da gleichzeitig die Struktur dergestalt umschwenkt, daß die Oberseite zur Unterseite und die Unterseite zur Oberseite wird.In contrast to all open constructions (wings with free ends: end plates, winglets, C-wing etc.), all closed hydrofoil constructions (box wings, ring wings, elliptical wings) contain a fluid mechanical peculiarity. FIGS. 3a and 3b illustrate the basic principle by which it is closed such as wings of two non-planar part wings (Fig. 3a) can imagine assembled. Since both partial wings produce lift, the main component of the transverse drive is directed upwards in the illustration selected here in both cases, it is inevitable that when the outer part is merged (closed), the pressure side of the lower partial wing with the suction side of the upper and correspondingly must connect the suction side of the lower with the pressure side of the upper wing ( Fig. 3b). As a result, the direction of rotation of the bound vortex reverses (along the contour) at the connection point (after the zero crossing, the angle of attack and transverse drive change sign). With a smooth transition, there is a slightly spirally twisted transition area. The change of sign of the transverse drive does not manifest itself as an output in the closed construction, since at the same time the structure swings around in such a way that the top becomes the bottom and the bottom becomes the top.

Louis B. GRATZER hat nach diesem Prinzip eine starre, eiförmig geschlossene Flügelspitze entwickelt, die zur Verminderung des induzierten Widerstandes mittels Verlängerung der Abströmkante an eine ansonsten übliche (planare) Konstruktion angekoppelt werden kann ("Spiroid-tipped wing", US-Patent Nr. 5,102,068). Die etwa rechtwinklige Verbindung eines Schenkels dürfte dabei eine aerodynamische Problemzone darstellen.According to this principle, Louis B. GRATZER has a rigid, egg-shaped closed wing tip developed to reduce the induced resistance by extending the Trailing edge can be coupled to an otherwise usual (planar) construction ("Spiroid-tipped wing", U.S. Patent No. 5,102,068). The approximately right-angled connection a leg should be an aerodynamic problem area.

Die primäre Aufgabe der Erfindung ist die Reduzierung der im Strömungsnachlauf eines Quertriebs erzeugenden Körpers enthaltenen Energie, gleichbedeutend mit einer drastischen Reduzierung des induzierten Widerstands bei gleichzeitig geringem Reibungswiderstand, die Verminderung der insbesondere durch den Spitzenwirbel verursachten Geräuschentwicklung, sowie eine Verringerung der Zerfallszeit der Randwirbel mittels einer leichten, mechanisch stabilen und auch ästhetisch ansprechenden Konstruktion. The primary object of the invention is to reduce the flow in the wake Transverse drive generating body contained energy, synonymous with a drastic reduction of the induced resistance with low at the same time Frictional resistance, the reduction in particular by the tip vertebrae caused noise, as well as a reduction in the decay time of the Edge vertebrae using a light, mechanically stable and also aesthetically pleasing Construction.  

Diese Aufgaben werden durch eine Konstruktion mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.These tasks are achieved by a construction with the features of claim 1 solved.

Die Erfindung beruht auf einer Weiterentwicklung des von den aufgefächerten Hand­ schwingen der Landsegler-Vögel abgeleiteten Wirbelspulen-Konzeptes. Theoretische und experimentelle Untersuchungen führten zu der Feststellung, daß der induzierte Widerstand um so kleiner wird, je gleichmäßiger die Nachlaufzirkulation über den (möglichst großen) Umfang verteilt wird. Praktisch umgesetzt würde das jedoch ein Anwachsen der Zahl der "Winglets" bedeuten, womit natürlich wachsende Reibungsverluste verbunden sind und was im Extremfall (bei sehr vielen Teilflügeln) schließlich die "Verblockung" des gesamten äußeren Strömungsfeldes mit sich bringen würde. Bei der Suche nach einer geeigneten Alternativlösung für die Kontinuisierung der Wirbelschicht entstand die Idee, den Tragflügel "organisch" in lediglich einen oberen und einen unteren Teilflügel aufzuspalten, den gesamten Innenbereich des Fächers wegzulassen, dafür aber die einhüllende Kurve als Fortsetzung und geschlossene Verbindung der sich über die beiden Teilflügel aufspaltenden Traglinie auszubilden (Fig. 2). Aus diesem Ansatz heraus stellt sich die Erfindung gewissermaßen als Doppelwinglet-Konstruktion mit einer nach außen hin schlaufenförmig geschlossenen Kontur dar, wobei der verbindende Abschnitt die bereits für geschlossene Flügelkonfigurationen (Kasten-, Ring-, und Ellipsenflügel) mit fließendem Formübergang beschriebene Besonderheiten aufweist.The invention is based on a further development of the vertebral coil concept derived from the fanned out hand swing of the float birds. Theoretical and experimental investigations led to the finding that the more evenly the wake circulation is distributed over the (as large as possible) extent, the smaller the induced resistance. In practice, however, this would mean an increase in the number of "winglets", which naturally entails increasing frictional losses and what, in extreme cases (with a large number of partial wings), would ultimately result in the "blocking" of the entire outer flow field. When looking for a suitable alternative solution for the continuation of the fluidized bed, the idea arose to split the wing "organically" into only one upper and one lower wing, leaving out the entire interior of the fan, but instead the enveloping curve as a continuation and closed connection of itself to be formed over the supporting line splitting the two partial wings ( FIG. 2). From this approach, the invention presents itself, as it were, as a double winglet construction with a loop-shaped closed contour towards the outside, the connecting section having the special features already described for closed wing configurations (box, ring, and elliptical wings) with a flowing shape transition.

Zur Verdeutlichung dieser physikalischen Besonderheiten wurde der äußere Abschnitt der Schlaufe in Fig. 2d in einer Ebene dargestellt. Entlang dieses Konturabschnittes ändern Anstellwinkel und Quertrieb kontinuierlich von einem positiven zu einem negativen Wert. Letzteres tritt natürlich in der Originalkonstruktion nicht als Abtrieb in Erscheinung, sondern wird durch die geänderte räumliche Ausrichtung des betreffenden Abschnittes in Auftrieb verwandelt. Die Konstruktion ist so gewählt, daß an dem Ort des Vorzeichen­ wechsels von Anstellwinkel und Quertrieb die Oberseite zur Unterseite und die Unterseite zur Oberseite wird. Bezüglich des Wechsels zwischen Saugseite und Druckseite besteht eine assoziative Ähnlichkeit zum MÖBIUSband, bei dem man - wie auch bei der Erfindung - von einer Seite der Fläche auf die andere gelangen kann, ohne einen Rand zu über­ schreiten. Um den Reibungswiderstand gering zu halten, ist im Bereich geringen Auftriebes die Flügeltiefe zu verringern.To illustrate these special physical features, the outer section of the loop was shown in one plane in FIG. 2d. Along this contour section, the angle of attack and transverse drive continuously change from a positive to a negative value. The latter, of course, does not appear as downforce in the original construction, but is transformed into uplift due to the changed spatial orientation of the section in question. The construction is chosen so that at the location of the sign change of the angle of attack and cross drive the top becomes the bottom and the bottom becomes the top. With regard to the change between suction side and pressure side, there is an associative similarity to the MÖBIUS band, in which - as with the invention - one can get from one side of the surface to the other without crossing an edge. In order to keep the frictional resistance low, the wing depth must be reduced in the area of low lift.

Für die Nachlaufkonfiguration ist entscheidend, daß die Stärke der abgehenden Wirbel durch die örtliche Änderung des Betrages des Quertriebs, ihr Drehsinn jedoch durch die Richtung der örtlichen Quertriebsänderung bestimmt wird. Letztere bleibt, wie aus Abb. 3c ersichtlich, entlang des dargestellten Konturabschnittes gleich: Im Idealfall läßt sich somit eine kontinuierliche Wirbelschicht (mit gleich drehender Zirkulation) unter Vermeidung der bei freien Enden üblicherweise auftretenden Wirbelkonzentration im Spitzenbereich erreichen.For the caster configuration it is crucial that the strength of the outgoing vortices is determined by the local change in the amount of the transverse drive, but its direction of rotation is determined by the direction of the local change in the transverse drive. The latter, as can be seen in Fig. 3c, remains the same along the contour section shown: In the ideal case, a continuous fluidized bed (with the same rotating circulation) can be achieved while avoiding the vortex concentration usually occurring at free ends in the tip area.

Alternative Ableitung der Erfindung:
Im Prinzip könnte man die Erfindung auch aus einer elliptischen Tragflügelkonfiguration ableiten. Dazu würde man zweckmäßigerweise den oberen und unteren Abschnitt horizontal so gegeneinander verschieben (mit einer adäquaten Parallelverschiebung in den Seitenteilen, siehe Fig. 3c), daß die beiden mittleren Flächenteile in der Vertikalprojektion überlappungsfrei aneinander grenzen, sich die Projektion in der Anströmebene jedoch nicht ändert (Fig. 3b). Danach werden zur Verminderung des Reibungswiderstandes beide Teilflügel im Mittelteil zu einem breiteren Basisflügel zusammengefaßt (Fig. 3d). Außerdem wird unter gleichzeitiger Nachjustierung der örtlichen Anstellwinkel und Profilgeometrie die Profiltiefe im Außenbereich soweit vermindert, wie es die Festigkeitsanforderungen zulassen (vergl. Fig. 2b). Durch Verschiebung der Punkte (P1 und P2 in Fig. 3d), an denen sich der Basisflügel jeweils zu seinen Enden hin ,"organisch" in die schlaufenförmigen Außenbereiche aufspaltet, in Spannweitenrichtung läßt sich für die jeweiligen konstruktiven Vorgaben die günstigste Lösung hinsichtlich des Gesamt­ widerstandes (Reibung und induzierter Widerstand) finden.Alternative Derivation of the Invention:
In principle, the invention could also be derived from an elliptical wing configuration. For this purpose, one would expediently shift the upper and lower sections horizontally against each other (with an adequate parallel shift in the side parts, see Fig. 3c) that the two middle surface parts in the vertical projection adjoin each other without overlap, but the projection does not change in the inflow plane ( FIG. 3b). Then, to reduce the frictional resistance, both partial wings are combined in the central part to form a wider base wing ( Fig. 3d). In addition, with simultaneous readjustment of the local angle of attack and profile geometry, the profile depth in the outside area is reduced as much as the strength requirements allow (see FIG. 2b). By shifting the points (P 1 and P 2 in Fig. 3d), at which the base wing splits towards its ends, "organically" in the loop-shaped outer areas, in the span direction, the cheapest solution can be found for the respective design specifications Find total resistance (friction and induced resistance).

Beide Ansätze konvergieren zu der selben Endkonfiguration, zu der hier beschriebenen Erfindung.Both approaches converge to the same final configuration that described here Invention.

Mit den in Anspruch 1 bis 5 beschriebenen Konfigurationen werden gleichzeitig mehrere Konzepte der Widerstandsverminderung zu einer Konstruktion zusammengeführt. Berücksichtigt sind insbesondere:
With the configurations described in claims 1 to 5, several concepts of resistance reduction are combined into one construction. In particular, the following are taken into account:

  • - eine in Vergleich zur Spannweite deutliche Verlängerung der Abströmkante- A significant extension of the trailing edge compared to the span
  • - Aufspalten der Struktur nur in Bereichen hoher Nachlaufzirkulation, wo der induzierte Widerstand am effektivsten durch Nichtplanarität vermindert werden kann.- Splitting of the structure only in areas of high wake circulation, where the induced Resistance can be most effectively reduced through non-planarity.
  • - Nutzung einer höheren Reynoldszahl durch planare Ausführung der Bereiche mit niedriger Nachlaufzirkulation (Minimierung des zusätzlichen Reibungswiderstandes)- Use of a higher Reynolds number by planar execution of the areas with low caster circulation (minimization of additional frictional resistance)
  • - Konsequente Reduzierung der Oberfläche in den Abschnitten, in denen nur wenig oder kein Quertrieb produziert wird (Minimierung der Reibungswiderstandes)- Consistent reduction of the surface in the sections where little or no transverse drive is produced (minimization of frictional resistance)
  • - eine vertikale Aufspreizung des Nachlauffeldes- A vertical spread of the wake field
  • - eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Wirbelintensität entlang der Außenkontur des Nachlauffeldes- A distribution of the vortex intensity along the outer contour as uniform as possible of the trailing field
  • - eine für die Ausbildung einer Wirbelspule günstige geometrisch Anordnung der Wirbelschicht auf einem großen Umfang- A favorable arrangement for the formation of a vortex coil Fluid bed on a large scale
  • - weitgehender Abbau von Unterdruckspitzen im Nachlauf- extensive reduction of vacuum peaks in the wake

Durch die Vermeidung örtlicher Konzentrationen von Wirbelintensität wird neben einer energetisch günstigeren Konfiguration des gesamten Nachlaufgebietes auch die Geräusch­ bildung ab gemildert und der schnellere Zerfall der Wirbel ermöglicht, was insbesondere bei Großflugzeugen zunehmend an Bedeutung gewinnt.By avoiding local concentrations of vortex intensity, besides one the noise is also more energy-efficient configuration of the entire wake area education from tempered and the faster decay of the vertebrae enables what in particular is becoming increasingly important for large aircraft.

Die Konstruktion ist mechanisch stabil und kann deshalb besonders leicht ausgeführt werden.The construction is mechanically stable and can therefore be carried out particularly easily become.

Sie ist formschön und läßt sich gut in moderne Design-Konzepte integrieren.It is elegant and can be easily integrated into modern design concepts.

Hinzu kommen einige weitere funktionelle Vorteile, die insbesondere bei der Anwendung am Flugzeug von Bedeutung sein dürften:There are also some other functional advantages, particularly when it comes to application of importance on the plane:

Beim Starten und Landen bilden Seitenwindeinflüsse oftmals ein Problem (z. B. unsymmetrische Anströmung großer Winglets). Bei der vorliegenden Erfindung wird im Fall von seitlicher Anströmung die Symmetrie zwischen beiden Flügel enden nur unwesentlich beeinträchtigt, da bereits in jeder einzelnen Schlaufe die Vergrößerung des effektiven Anströmwinkels eines Schenkels oder Schenkelabschnitts durch eine Verringerung desselben am anderen Schenkel bzw. in einem anderen Abschnitt desselben Schenkels kompensiert wird und sich diagonal an der anderen Flügelschlaufe der gleiche Vorgang abspielt. Dadurch bleiben die auftretenden Momente gering und können leicht durch Gegensteuern kompensiert werden.Cross winds are often a problem when taking off and landing (e.g. asymmetrical flow to large winglets). In the present invention In the event of a lateral flow, the symmetry between the two wings only ends insignificantly impaired, since the enlargement of the  effective inflow angle of a leg or leg section through a Reduction of the same on the other leg or in another section of the same Thigh is compensated and the same diagonally on the other wing loop Process is playing. As a result, the occurring moments remain low and can be easily can be compensated by countermeasures.

Neben einer starren Ausführung der Erfindung (die Geometrie ist im Ruhezustand und bei Anströmung im wesentlichen identisch) es auch möglich, die Erfindung durch eine definierte Flexibilität der Schlaufe konstruktiv so auszuführen, daß die widerstandsvermin­ dernde Form bei Anströmung durch die an der Schlaufe angreifenden aerodynamischen Kräfte entsteht. Bei einer Anwendung der Erfindung als Drehflügler ist es möglich, die Formgebung durch die an der Schlaufe angreifenden Fliehkräfte zu unterstützen. Auch ist es prinzipiell möglich, die Steifigkeit der Schlaufe so auszulegen, daß zusätzlich eine selbsttätige Adaption an bestimmte Anströmbedingungen durch die jeweiligen aerodynamischen Kräfte erfolgt.In addition to a rigid embodiment of the invention (the geometry is at rest and at Inflow essentially identical), it is also possible to implement the invention by a Define the flexibility of the loop constructively so that the resistance min changing shape when inflated by the aerodynamic acting on the loop Forces arise. When using the invention as a rotary wing aircraft, it is possible to To support shaping by the centrifugal forces acting on the loop. Is too in principle it is possible to design the stiffness of the loop so that an additional automatic adaptation to certain inflow conditions by the respective aerodynamic forces.

Aus den Darstellungen in den Ansprüchen 1 bis 7 ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur Integration in unterschiedliche Gesamtkonstruktionen insbesondere auch hinsichtlich einer selbstadaptiven Anpassung der Struktur an unterschiedliche Anströmbedingungen.A variety of possibilities result from the representations in claims 1 to 7 for integration into different overall constructions, especially with regard to a self-adaptive adaptation of the structure to different inflow conditions.

Darüber hinaus eröffnet die Erfindung einige Versteilmöglichkeiten, die sowohl eine passive, insbesondere aber auch eine aktive (von außen gesteuerte) Anpassung der Konfiguration an wechselnde Anströmbedingungen ermöglichen und ggf. auch zum Steuern genutzt werden können (Ansprüche 8 bis 11).In addition, the invention opens up some adjustment options, both a passive, but especially active (externally controlled) adjustment of the Allow configuration to changing inflow conditions and if necessary also for Taxes can be used (claims 8 to 11).

Zeichnungendrawings

Fig. 1 Aufgefächerte Handschwingen eines Storchenflügels im Windkanal. Fig. 1 fanned out wings of a stork wing in the wind tunnel.

Fig. 2 Handskizze eines schlaufenförmigen Quertriebskörper ("Split wing loop"): a - Ansicht von hinten, b - Ansicht von der Seite, c - Ansicht von oben, d - Darstellung der Quertriebsverteilung Q entlang des Außenteiles der Schlaufe in einer Ebene, e - Versuch einer räumlichen Darstellung. Fig. 2 is hand sketch of a loop-shaped cross engine body ( "split wing loop"): a - rear view, b - side view, c - view from above, d - illustration of the cross drive distribution Q along the outer part of the loop in a plane, e - Attempting a spatial representation.

Fig. 3. Alternative Ableitung der Erfindung aus einer ellipsenförmigen Tragflügelkonstruktion: a - Zusammensetzen eines Ellipsenflügels aus zwei nicht­ planaren Flügeln, b - Ellipsenflügel von hinten, c - Ellipsenflügel in der Seitenansicht, d - Zusammenfassen der mittleren Abschnitte zu einem Tragflügel (Seitenansicht nach dem "Abspecken" des Außenteils: siehe Fig. 2b), Q - Quertriebsverteilung, P1 und P2 Aufspreizpositionen, die entsprechend den konstuktiven Anforderungen verschoben werden können (durch Pfeile angedeutet). Fig. 3.Alternative derivation of the invention from an elliptical wing construction: a - assembling an ellipse wing from two non-planar wings, b - elliptical wing from behind, c - elliptical wing in side view, d - combining the middle sections into a wing (side view after the "Slimming down" of the outer part: see Fig. 2b), Q - transverse drive distribution, P1 and P2 spreading positions that can be moved according to the design requirements (indicated by arrows).

Fig. 4. Vorschläge für verschiedene Design-Varianten. Fig. 4. Proposals for different design variants.

Claims (11)

1. Strömungsdynamischer Quertriebskörper, insbesondere Tragflügel oder Dreh­ flügel, dadurch gekennzeichnet, daß sich die quertriebserzeugende Struktur unmittelbar an ihrem Ursprung oder in Spannweitenrichtung - von der Flügelwurzel bzw. beim symmetrischen Tragflügel jeweils von der Mitte aus­ gehend nach außen (zum Flügelende hin) - im Anschluß an ein mehr oder minder langes Basisteil (Basisflügel) unter Gewährleistung einer insgesamt annähernd kontinuierlichen Quertriebsverteilung an dieser Übergangsstelle in zwei schmalere Quertriebskörper (einen vorderen und einen hinteren Teilflügel) aufspaltet, welche sich - in der Projektion quer zur Anströmrichtung betrachtet - aufspreizen (mindestens einer der beiden Teilflügel ist entweder mit einem leichten Knick in seinem Ursprung - Spreizwinkel deutlich kleiner 90 Grad - oder mit fließendem Formübergang gegenüber der Ebene des Basisflügels bzw. gegenüber der Mittelebene der Gesamtkonstruktion nach oben bzw. unten gebogen) und sich beide Teilflügel zu den Enden hin extrem verjüngen (Verringerung der Profiltiefe auf maximal 1/20 der ursprünglichen Tiefe), deren Flügelflächen jedoch dergestalt räumlich gekrümmt sind, daß sie sich im Anschluß an die bisher beschriebenen geradlinigen bzw. von der Mittelebene weg gekrümmten Abschnitte (Innenteile) im Außenbereich wieder aufeinander zu biegen und sich dabei gleichzeitig so verwinden, daß sich die Enden der Teilflügel etwa axial ohne scharfen Knick treffen und miteinander dergestalt verschmelzen, daß die Profile an der Verbindungsstelle fließend ineinander übergehen, so daß sich insgesamt eine geschlossene, schlaufenförmige Konfiguration ergibt, bei der sich in der Grundausführung jeweils entlang der gekrümmten und verwundenen Teilflügel (Schenkel) aus den betreffenden örtlichen Anströmwinkeln in Verbindung mit der örtlichen Profilgeometrie und Profiltiefe eine kontinuierliche Verringerung des Quertriebs ergibt, bis an einer Stelle - vorzugsweise im äußeren Abschnitt der Schlaufe - die Saugseite des einen Schenkels in die Druckseite des anderen und entsprechend die Druckseite des ersten in die Saugseite des zweiten Schenkels übergeht, wobei im Übergang der örtliche Quertrieb gleich Null wird.1. Flow-dynamic transverse drive body, in particular wing or rotary wing, characterized in that the transverse drive-generating structure directly at its origin or in the span direction - from the wing root or the symmetrical wing each going from the center outwards (towards the wing end) - in Connection to a more or less long base part (base wing) while ensuring an overall approximately continuous transverse drive distribution at this transition point splits into two narrower transverse drive bodies (a front and a rear partial wing), which - viewed in the projection transverse to the direction of flow - spread apart (at least one the two partial wings are either curved with a slight kink in their origin - the spreading angle is significantly smaller than 90 degrees - or with a flowing transition from the plane of the base wing or from the central plane of the overall construction gen) and both partial wings are extremely tapered towards the ends (reducing the profile depth to a maximum of 1/20 of the original depth), the wing surfaces of which are spatially curved in such a way that they follow the straight line described above or away from the central plane to bend curved sections (inner parts) in the outer area towards each other again and at the same time twist so that the ends of the partial wings meet approximately axially without a sharp bend and merge with one another in such a way that the profiles flow smoothly into one another at the connection point, so that a total of one closed, loop-shaped configuration results in which in the basic version along the curved and twisted partial wings (leg) from the relevant local inflow angles in connection with the local profile geometry and profile depth there is a continuous reduction of the transverse drive, at one point - Preferably in the outer section of the loop - the suction side of one leg merges into the pressure side of the other and correspondingly the pressure side of the first into the suction side of the second leg, the local transverse drive becoming zero in the transition. 2. Quertriebskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenteil des vorderen Schenkels der Schlaufe gegenüber der Ausgangsebene mit einem leichten Knick (Spreizwinkel deutlich kleiner 90 Grad) oder mit fließendem Formübergang nach oben gespreizt oder gebogen ist und der Innenteil des hintere Schenkels in etwa die Ausgangsebene beibehält (Abweichung kleiner ± 5°). 2. transverse drive body according to claim 1, characterized in that the Inner part of the front leg of the loop with respect to the starting level a slight kink (spreading angle significantly less than 90 degrees) or with flowing form transition is spread or bent upwards and the inner part of the rear leg roughly maintains the starting level (deviation smaller ± 5 °).   3. Quertriebskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenteil des hinteren Schenkels der Schlaufe gegenüber der Ausgangsebene mit einem leichten Knick (Spreizwinkel deutlich kleiner 90 Grad) oder mit fließendem Formübergang nach oben gespreizt oder gebogen ist und der Innenteil des vorde­ ren Schenkels in etwa die Ausgangsebene beibehält (Abweichung kleiner ± 5°).3. transverse drive body according to claim 1, characterized in that the Inner part of the rear leg of the loop with respect to the starting level a slight kink (spreading angle significantly less than 90 degrees) or with a flowing Form transition is spread up or curved and the inner part of the front ren leg maintains approximately the starting plane (deviation less than ± 5 °). 4. Quertriebskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bezüglich der Ausgangsebene jeweils mit einem leichten Knick (Spreizwinkel deutlich kleiner 90 Grad) oder mit fließendem Formübergang der Innenteil des vorderen Schenkels der Schlaufe nach oben, der des hinteren Schenkels nach unten gespreizt oder gebogen ist.4. transverse drive body according to claim 1, characterized in that with a slight bend with respect to the starting plane (spread angle significantly smaller than 90 degrees) or with a flowing shape transition of the inner part of the front leg of the loop upwards, that of the rear leg upwards is spread or bent below. 5. Quertriebskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bezüglich der Ausgangsebene jeweils mit einem leichten Knick (Spreizwinkel deutlich kleiner 90 Grad) oder mit fließendem Formübergang der Innenteil des hinteren Schenkels der Schlaufe nach oben, der des vorderen Schenkels nach unten gespreizt oder gebogen ist.5. transverse drive body according to claim 1, characterized in that with a slight bend with respect to the starting plane (spread angle significantly smaller than 90 degrees) or with a flowing shape transition of the inner part of the rear leg of the loop upwards, that of the front leg behind is spread or bent below. 6. Quertriebskörper nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl starre als auch elastische oder flexible (im letzten Fall entsteht die endgültige Form der Schlaufe durch die dort angreifenden aerodynamische Kräfte) Ausführungen einzelner Bereiche der Schlaufe oder auch der Gesamtkonfiguration hergestellt werden.6. cross drive body according to claim 1 to 5, characterized in that both rigid and elastic or flexible (in the latter case the final shape of the loop due to the aerodynamic forces acting there) Execution of individual areas of the loop or the overall configuration getting produced. 7. Quertriebskörper nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schenkel der Schlaufe starr ausgeführt sind oder nur soweit elastisch sind, daß eine geringfügige Verformung möglich ist, die Verbindungsstelle jedoch als Gelenk ausgelegt ist.7. cross drive body according to claim 1 to 5, characterized in that both legs of the loop are rigid or only elastic to the extent that a slight deformation is possible, but the connection point as Joint is designed. 8. Quertriebskörper nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Formveränderung und ggf. auch eine Veränderung der Quertriebsverteilung durch Variation des Spreizwinkels eines oder beider Schenkel der Schlaufe herbeigeführt wird.8. cross drive body according to claim 1 to 7, characterized in that a change in shape and possibly also a change in the transverse drive distribution by varying the spread angle of one or both legs of the loop is brought about. 9. Quertriebskörper nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Formveränderung und ggf. auch eine Veränderung der Quertriebsverteilung durch Variation des Pfeilwinkels eines oder beider Schenkel der Schlaufe erzielt wird.9. transverse drive body according to claim 1 to 7, characterized in that a change in shape and possibly also a change in the transverse drive distribution achieved by varying the arrow angle of one or both legs of the loop becomes. 10. Quertriebskörper nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Formveränderung und ggf. auch eine Veränderung der Quertriebsverteilung durch eine translatorische Bewegung (Verschiebung in Längsachsenrichtung, gleichbedeutend mit einem weiteren Ausfahren bzw. Einziehen) eines oder beider Schenkel erzielt wird.10. cross drive body according to claim 1 to 7, characterized in that a change in shape and possibly also a change in the transverse drive distribution through a translational movement (displacement in the longitudinal axis direction, synonymous with a further extension or retraction) of one or both Thigh is achieved. 11. Quertriebskörper nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Formveränderung und ggf. auch eine Veränderung der Quertriebsverteilung durch eine beliebige Kombination aus den genannten Teilbewegungen erzielt wird.11. Cross drive body according to claim 8 to 10, characterized in that a change in shape and possibly also a change in Transverse drive distribution by any combination of the above Partial movements is achieved.
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