DE102007045904A1

DE102007045904A1 - Flow dynamic surface, particularly carrier, guiding and control surfaces of aircraft, water craft, drive propeller, fan, helicopter and wind-power plant, has free point arranged at surface

Info

Publication number: DE102007045904A1
Application number: DE102007045904A
Authority: DE
Inventors: Erich Dr. Schülein
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2009-04-16

Abstract

The flow dynamic surface (2) has free points arranged at the surface. A turbine (6) drives a propeller (9) by a gear (8), with a firm conversion, into the peripheral vortex (4) against set rotating direction (10). The propeller is arranged against incident flow before the flow dynamic surface.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf eine strömungsdynamische Fläche mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.The The invention relates to a fluid dynamic surface having the features of the preamble of the independent claim 1.

Die vorliegende Erfindung ist überall dort anwendbar, wo sich an der freien Spitze einer strömungsdynamischen Fläche, d. h. einer quer zu ihrer Anströmung frei endenden, schräg angeströmten und dadurch einen Auf-, Ab- und/oder Quertrieb erzeugenden Fläche, ein Randwirbel ausbildet, der mit negativen Auswirkungen z. B. auf den induzierten Widerstand verbunden ist. Zu diesen Anwendungsgebieten zählen insbesondere Trag-, Leit- und Ruderflächen von Fluggeräten und Wasserfahrzeugen sowie offene, d. h. nicht eingefasste Rotoren von Drehflüglern, Windkraftanlagen, Antriebspropellern und Ventilatoren jeglicher Art.The The present invention is applicable wherever at the free tip of a fluid dynamic surface, d. H. a transversely to their flow freely ending, obliquely flowed through and thus an up, down and / or transverse drive generating surface, forming a boundary vortex, which is negative Impact z. B. is connected to the induced resistance. These application areas include, in particular, Control and control surfaces of aircraft and watercraft as well as open, d. H. unencapsulated rotors of rotorcraft, Wind turbines, propellers and fans of any kind Art.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Es ist allgemein bekannt, dass z. B. an den Tragflächen von Fluggeräten durch die Umströmung der Spitzen der Tragflächen von der Überdruck- zur Unterdruckseite Randwirbel entstehen. Dieses Phänomen ist nicht nur für direkte Verluste im Auftrieb, sondern auch für den induzierten Widerstand des jeweiligen Fluggeräts verantwortlich. Der induzierte Widerstand ist Ausdruck der Energieverluste durch die kinetische Energie der im Wirbel mitgerissenen Luftmassen. Das gesamte Wirbelsystem im Nachlauf eines Fluggeräts wird auch als Wirbelschleppe bezeichnet. Eine Wirbelschleppe führt nicht nur zu einem erhöhten Energieverbrauch, sondern birgt auch Sicherheitsrisiken. Insbesondere beim Start und im Landeanflug muss ein Mindestabstand zwischen Flugzeugen eingehalten werden, um sicherzustellen, dass die großskaligen Wirbelsysteme zerfallen sind und keine Gefahr für nachfolgende Flugzeuge mehr darstellt. Es ist bekannt, dass der induzierte Widerstand bei kleiner werdenden Fluggeschwindigkeiten und bei zunehmenden Winkeln von Tragflächen zunimmt. Da bei Start und Landung der Anstellwinkel der Tragflächen eines Flugzeugs durch die Landeklappen erhöht und die Geschwindigkeit niedrig ist, ist der induzierte Luftwiderstand in diesen Situationen am höchsten. Besonders groß ist die Wirbelstärke der Randwirbel bei großen (schweren) Verkehrsflugzeugen, die entsprechend besonders große Abstände nachfolgender Flugzeuge in der Start- und Landephase erfordern.It is well known that z. B. on the wings of Aircraft by the flow around the tips of the Airfoils from the overpressure to the vacuum side Randwirbel arise. This phenomenon is not just for direct losses in the buoyancy, but also for the induced Resistance of the respective aircraft responsible. Of the induced resistance is an expression of energy loss through the kinetic energy of the air masses entrained in the vortex. The entire Vortex system in the wake of an aircraft is also called Called wake vortex. A wake does not lead only to an increased energy consumption, but also involves security risks. Especially at take-off and landing, there must be a minimum distance between aircraft are respected to ensure that the large-scale vortex systems are decayed and none Danger for subsequent aircraft more. It is known that the induced resistance at decreasing airspeeds and increases with increasing angles of wings. There at Start and landing the angle of attack of the wings of a Plane raised by the flaps and the speed is low, the induced air resistance in these situations the highest. Especially big is the vorticity the edge vortex on large (heavy) commercial aircraft, the correspondingly large distances following Aircraft in take-off and landing require.

Eine Vielzahl von Maßnahmen und Vorrichtungen zur Beeinflussung von Randwirbeln wurde bereits vorgeschlagen und entwickelt. Die bekannteste Maßnahme ist eine Erhöhnung der Spannweite von Tragflächen sowie eine Verjüngung der Profiltiefe der Tragflächen zur Spitze hin. Effektiv wirken auch sogenannte Winglets, die an den Spitzen von Tragflächen angebracht werden. Diese Maßnahmen sind z. B. bei modernen Verkehrsflugzeugen fest etabliert.A Variety of measures and devices for influencing marginal vertebrae has already been proposed and developed. The best known measure is an increase in the span of Wings and a taper of the tread depth of the Wings towards the top. Effectively also act so-called Winglets attached to the tips of wings become. These measures are z. B. in modern commercial aircraft firmly established.

Daneben gibt es komplexere Lösungen, zu denen z. B. ein angetriebener Propeller vor der Spitze einer Tragfläche gehört, der gegensinnig zu dem an der Spitze auftretenden Randwirbel rotiert. Die auf diese Weise erzielte Unterdrückung des Randwirbels führt zu einer effektiv höheren Tragflächenstreckung und somit zu einem niedrigeren induzierten Widerstand. Der Schub des Propellers wird bei dieser aus Snyder M. H. und Zumwalt G. W.: "Effects of Wingtip-Mounted Propellers on Wing Lift and Induced Drag", Journal of Aircraft, Vol. 6. No. 5, 1969, S. 392 bis 397 bekannten Lösung zusätzlich für die Fortbewegung des Flugzeugs genutzt. In der Summe ergibt sich bei gegebener Tragflächengeometrie eine deutliche Erhöhung des Auftriebs und Reduzierung des Widerstands. Dies entspricht einer Erhöhung der Gleitzahl des Fluggeräts, unter der hier das Verhältnis des Auftriebs zum gesamten Widerstand bezeichnet wird.There are also more complex solutions, such. B. a powered propeller heard in front of the top of a wing, which rotates in the opposite direction to the edge vortex occurring at the top. The suppression of the edge vortex achieved in this way leads to an effectively higher wing extension and thus to a lower induced resistance. The thrust of the propeller is at this Snyder MH and Zumwalt GW: "Effects of Wingtip-Mounted Propellers on Wing Lift and Induced Drag," Journal of Aircraft, Vol. 5, 1969, pp. 392-397 known solution additionally used for the locomotion of the aircraft. In sum, given a given wing geometry, there is a significant increase in lift and drag reduction. This corresponds to an increase in the glide ratio of the aircraft, which is referred to here as the ratio of the lift to the total resistance.

Aus dem US-Patent 2,485,218 ist es zur Unterdrückung von Randwirbeln bekannt, einen an der Spitze von Tragflächen angebrachten und um die eigene Achse gegen die Richtung des Randwirbels rotierenden Körper vorzusehen. Durch das Haften der Strömung an diesem rotierenden Körper, soll die Bildung des Randwirbels unterdrückt werden. Die Rotation des Körpers wird mechanisch oder von der Anströmung mittels eines Impellers angetrieben. Im letzteren Fall wird der Impeller auf der Rotationsachse des Körpers vor der Tragfläche angebracht und durch seine Anströmung in Rotation versetzt.From the U.S. Patent 2,485,218 It is known for the suppression of edge vortex, to provide a mounted on the top of wings and rotating about its own axis against the direction of the edge vortex body. By adhering the flow to this rotating body, the formation of the edge vortex is to be suppressed. The rotation of the body is driven mechanically or by the flow by means of an impeller. In the latter case, the impeller is mounted on the axis of rotation of the body in front of the wing and rotated by its flow.

Das US-Patent 3,997,132 schlägt ein Turbofan-Triebwerk vor, das unmittelbar an der Spitze einer Tragfläche eines Verkehrsflugzeugs angebracht werden soll. Dabei sind mehrere Leitflächen radial im Nebenstromkanal dieses Triebwerks angeordnet, um den austretenden Kaltgasstrahl zur Rotation anzuregen. Diese Strömung ist zur Unterseite der Tragfläche gerichtet und soll die Unterdrückung des Randwirbels bewirken. Der Ablenkwinkel der Leitflächen kann variabel sein. Der erzeugte direkte Triebwerks-Heißgasstrahl wird für den Antrieb des Flugzeugs genutzt.The U.S. Patent 3,997,132 suggests a turbofan engine to be mounted directly at the top of a wing of a commercial aircraft. In this case, a plurality of guide surfaces are arranged radially in the bypass duct of this engine to stimulate the exiting cold gas jet to rotate. This flow is directed to the underside of the wing and should cause the suppression of the edge vortex. The deflection angle of the fins can be variable. The generated direct engine hot gas jet is used for the propulsion of the aircraft.

In der US 4,045,144 ist eine Windkraftanlage beschrieben, die eine stationär aufgebaute Tragfläche mit einem möglichst hohen induzierten Widerstand nutzt. Mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitsturbine, die auf der Randwirbelachse montiert und an einen Generator angeschlossen ist, wird die Rotationsenergie und somit die konzentrierte Windenergie in elektrische Energie umgewandelt. Eine weitere Ausführungsform dieser Windkraftanlage umfasst die Anordnung der Turbine in einem Luftkanal, der den Nasenbereich der Tragfläche mit einem Niederdruckbereich im Kern des Randwirbels verbindet. Der entstehende Sog induziert sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten, die zum effektiven Antrieb einer kleinen Hochgeschwindigkeits-Turbine notwendig sind.In the US 4,045,144 a wind turbine is described, which uses a stationary constructed wing with the highest possible induced resistance. With the help of a high-speed turbine, which is mounted on the edge vortex axis and connected to a generator, the rotational energy and thus the concentrated wind energy is converted into electrical energy. Another embodiment of this wind turbine includes the Arrangement of the turbine in an air duct, which connects the nose area of the wing with a low pressure area in the core of the edge vortex. The resulting suction induces very high flow velocities necessary to effectively drive a small, high-speed turbine.

Die US 4,917,332 und die US 5,150,859 beschreiben unabhängig voneinander eine Flugzeugtragfläche mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1, bei der eine Randwirbel-Turbine in direktem Nachlauf der Spitze der Tragfläche angebracht ist. Die Turbinenschaufeln sind so an einem Zentralkörper angeordnet, dass praktisch pure Rotationsenergie des Randwirbels zum Antrieb der Turbine genutzt wird. Die Turbinenwelle ist an einen Generator angeschlossen, so dass im Flug gewonnene Energie zur Versorgung der Flugzeugsysteme benutzt werden kann. So wird die an sich bereits in den Randwirbel verlorene Energie teilweise doch noch nutzbar gemacht.The US 4,917,332 and the US 5,150,859 describe independently of each other an aircraft wing with the features of the preamble of independent claim 1, wherein a rim vortex turbine is mounted in direct wake of the tip of the wing. The turbine blades are arranged on a central body, that virtually pure rotational energy of the edge vortex is used to drive the turbine. The turbine shaft is connected to a generator so that energy generated in flight can be used to supply the aircraft systems. Thus, the energy already lost in the marginal vortex is partially still usable.

Die US 5,100,085 beschreibt eine modifizierte Randwirbel-Turbine im Nachlauf der Spitze einer Tragfläche, bei der die Spannweite der Turbinenschaufeln deutlich über dem Radius des Randwirbels liegt, wobei die Verdrehung der Turbinenschaufeln zur Rotationsachse im Innen- und Außenbereich entgegengesetzt ist. Innerhalb des Randwirbels treiben die Turbinenschaufeln die Turbine an, und außerhalb des Randwirbels wirken sie als Propellerblätter, um die Wirbelrotation zu hemmen und einen zusätzlichen Schub zu erzielen.The US 5,100,085 describes a modified eddy turbine in the wake of the tip of a wing, wherein the span of the turbine blades is well above the radius of the edge vortex, wherein the rotation of the turbine blades is opposite to the axis of rotation in the interior and exterior. Within the edge vortex, the turbine blades propel the turbine, and outside the edge vortex, they act as propeller blades to inhibit vortex rotation and provide additional thrust.

Dieser zusätzliche Schub ist Ausdruck für den Rückgewinn der Energieverluste durch den Induzieren Widerstand.This additional boost is an expression of the return the energy losses by inducing resistance.

Die US 5,918,835 schlägt einen Wirbelgenerator in Form eines Impellers vor, der hinter einer Tragfläche positioniert ist und vom Randwirbel an der Spitze der Tragfläche angetrieben wird. Die Rotationsachse des Impellers ist seitlich zur Spitze der Tragfläche parallel zur Wirbelachse an den Außenrand des Randwirbels versetzt, so dass zu jedem Zeitpunkt nur ein Teil des Impellers in den Randwirbel eintaucht. Durch die dem Impeller auf diese Weise vermittelte Rotation mit wird ein zweiter, gegenläufig rotierender Wirbel erzeugt, der ein günstigeres Strömungsfeld im Nachlauf induziert und somit zur Reduzierung des Luftwiderstands beiträgt. Zusätzlich kann die Rotationsenergie des Impellers zum Antrieb eines Bordgenerators genutzt werden.The US 5,918,835 proposes a vortex generator in the form of an impeller, which is positioned behind a wing and is driven by the edge vortex at the top of the wing. The axis of rotation of the impeller is offset laterally to the tip of the support surface parallel to the vortex axis to the outer edge of the edge vortex, so that at any time only a portion of the impeller dips into the edge vortex. By means of the rotation imparted to the impeller in this way, a second, counter-rotating vortex is generated, which induces a more favorable flow field in the wake and thus contributes to the reduction of air resistance. In addition, the rotational energy of the impeller can be used to drive an on-board generator.

Die Möglichkeiten der Einflussnahme auf den induzierten Widerstand mit optimierten spitzen Tragflächenformen und Winglets scheint ausgeschöpft zu sein. Die Anwendung zusätzlicher Triebwerke, Motoren usw. an der Spitze der Tragflächen hat sich nicht durchgesetzt. Obwohl der positive Effekt der Anwendung von Randwirbel-Turbinen als Energiequelle von Bordsystemen nachgewiesen ist, scheint auch diese Lösung nicht effektiv zu sein. Es hat zumindest bislang keine ernsthaften Versuche geben, eine Randwirbel-Turbine bei einem Serienflugzeug einzusetzen.The Possibilities of influencing the induced resistance with optimized pointed wing shapes and winglets seems to be exhausted. The application of additional Engines, engines, etc. at the top of the wings has not enforced. Although the positive effect of the application demonstrated by edge vortex turbines as an energy source of on-board systems This solution does not seem to be effective. At least so far, there have been no serious attempts, one Randwirbel turbine to use in a production aircraft.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine strömungsdynamische Fläche mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, bei der mit vertretbarem Aufwand die Gleitzahl über das hinaus deutlich erhöht wird, was mit optimierten Profilen und Winglets an deren Spitze zu erreichen ist.Of the Invention is based on the object, a flow dynamic Surface having the features of the preamble of the claim 1 show, at the reasonable cost of the glide over which is significantly increased, resulting in optimized profiles and winglets at their top.

LÖSUNGSOLUTION

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine strömungsdynamische Fläche mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der strömungsdynamischen Fläche sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 10 definiert. Die Patentansprüche 11 bis 16 betreffen konkrete Einsätze der neuen strömungsdynamischen Fläche als Trag-, Leit- oder Ruderfläche bei Fluggeräten und Wasserfahrzeugen und als Rotorblatt bei verschiedenen offenen Rotoren.The The object of the invention is achieved by a fluid dynamic Surface with the features of the independent claim 1 solved. Preferred embodiments of the flow dynamic Surface are in the dependent claims 2 to 10 defined. The claims 11 to 16 relate concrete uses of the new fluid dynamic surface as a carrying, guiding or rudder surface for aircraft and watercraft and as a rotor blade at various open Rotors.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Bei der neuen strömungsdynamischen Fläche treibt die von einem von ihrer freien Spitze ausgehenden Randwirbel angetriebene Turbine einen entgegen ihrer Anströmung vor der strömungsdynamischen Fläche angeordneten Propeller über ein Getriebe in zu dem Randwirbel entgegen gesetzter Drehrichtung an. Durch das dazwischen geschaltete Getriebe stellen die Turbine und der Propeller eine doppelstufige Anordnung mit direkter mechanischer Verbindung dar. Die mit der Turbine aus dem Randwirbel gewonnene Rotationsenergie wird zur Unterdrückung des Randwirbels an den Propeller weitergegeben. Diese Energie ist proportional zur Intensität des Randwirbels, und die Vorrichtung aus Turbine, Propeller und zwischengeschaltetem Getriebe greift damit in jeder Fluglage autonom ein, d. h. nur soweit es notwendig ist. So wird bei Anwendung an den Tragflächen eines Fluggeräts in Flugphasen mit erhöhtem Auftrieb und entsprechend stärkerem Randwirbel, wie er bei der Startphase und im Landeanflug auftritt, wesentlich mehr Energie von der Turbine aufgenommen und auf den Propeller übertragen. Dies führt zu einer Intensivierung der Rotation des Propellers und zu einer entsprechend stärkeren Unterdrückung des Randwirbels. Beim Reiseflug mit hoher Geschwindigkeit, bei dem die Randwirbel nicht sehr intensiv sind, läuft die Vorrichtung entsprechend nur unter einer sehr niedrigen Last. Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass in Bezug auf die Anströmung der strömungsdynamischen Fläche stromauf und stromab der Spitze der Tragflächen Maßnahmen zur Wirbelunterdrückung eingeleitet werden. Diese Maßnahmen werden direkt von dem Randwirbel angetrieben und hängen in ihrem Umfang unmittelbar von der Wirbelstärke des Randwirbels ab. So stellt die erfindungsgemäße Anordnung aus der Turbine, dem Propeller und dem zwischengeschalteten Getriebe einen geschlossenen Regelkreis mit negativer Rückkopplung (so genannter Gegenkopplung) dar, wobei die Rotationsenergie des Randwirbels die Regelgröße ist. Diese Art der Rückkopplung hat bekanntermaßen immer eine schwächende Auswirkung auf die Regelgröße. Durch eine passende Gestaltung der Turbine und des Propellers sowie des zwischengeschalteten Getriebes ist es möglich, die unerwünschten Auswirkungen des Randwirbels bei verschiedenen Flugbedingungen zu minimieren. Dabei ist es grundsätzlich denkbar, dass Getriebe zwischen der Turbine und dem Propeller zwischen der stufenweise schaltbaren oder auf einer variablen Übersetzung zu versehen. Aus Gründen der Einfachheit der erfindungsgemäßen Anordnung an der Spitze der strömungsdynamischen Fläche wird das Getriebe aber in der Regel eine feste Übersetzung aufweisen.In the new fluid-dynamic surface, the turbine driven by a peripheral vortex extending from its free tip drives a propeller arranged counter to its flow upstream of the fluid-dynamic surface via a gear in a direction of rotation opposite to the edge vortex. Through the interposed gear, the turbine and the propeller represent a double-stage arrangement with direct mechanical connection. The rotational energy obtained with the turbine from the edge vortex is passed on to the propeller to suppress the edge vortex. This energy is proportional to the intensity of the edge vortex, and the device of turbine, propeller and intermediate transmission thus engages autonomously in any attitude, ie only as far as necessary. Thus, when applied to the wings of an aircraft in flight phases with increased buoyancy and correspondingly stronger edge vortex, as occurs at the takeoff and landing approach, much more energy is absorbed by the turbine and transmitted to the propeller. This leads to an intensification of the rotation of the propeller and to a correspondingly stronger suppression of the edge vortex. When cruising at high speed, in which the edge vortexes are not very intense, the device runs according to only under a very low load. An essential feature of the present invention is that with respect to the flow of the fluid dynamic surface upstream and downstream of the tip of the wings measures for suppression of turbulence are initiated. These measures are driven directly by the edge vortex and depend directly on the circumference of the vortex strength of the edge vortex. Thus, the inventive arrangement of the turbine, the propeller and the intermediate gearbox is a closed loop with negative feedback (so-called negative feedback), wherein the rotational energy of the edge vortex is the control variable. This type of feedback is known to always have a debilitating effect on the controlled variable. By fitting the turbine and the propeller, as well as the intermediate transmission, it is possible to minimize the undesirable effects of the edge vortex in different flight conditions. It is in principle conceivable to provide the transmission between the turbine and the propeller between the stepwise switchable or on a variable ratio. For reasons of simplicity of the arrangement according to the invention at the top of the fluid-dynamic surface, the transmission will, however, usually have a fixed ratio.

Die Übersetzung des Getriebes zwischen der Turbine und dem Propeller kann eine Übersetzung von 1:-1 oder ein von 1:-1 abweichende Übersetzung aufweisen. Bei dieser Angabe bedeutet das Minuszeichen die Drehrichtungsumkehr über das Getriebe zwischen der Turbine und dem Propeller. Bei einer von 1:-1 abweichenden Übersetzung kann der Propeller sowohl eine höhere Drehzahl aufweisen als die Turbine als auch umgekehrt.The translation The transmission between the turbine and the propeller can be a translation of 1: -1 or a translation other than 1: -1. In this specification, the minus sign means the direction reversal via the gearbox between the turbine and the propeller. At one of 1: -1 deviating translation, the propeller can be both have a higher speed than the turbine as well vice versa.

Konkret kann das Getriebe ein drehfest mit der Turbine verbundenes Kegelzahnrad, ein drehfest mit dem Propeller verbundenes Kegelzahnrad und ein dazwischen geschaltetes, um eine ortsfeste Achse frei umlaufendes Kegelzahnrad aufweisen. Durch die Anzahl der Zähne der drehfest mit der Turbine und dem Propeller verbundenen Kegelzahnräder kann die Übersetzung des Getriebes festgelegt werden.Concrete For example, the transmission may include a bevel gear rotatably connected to the turbine, a rotatably connected to the propeller bevel gear and a interposed, freely circulating around a fixed axis Have bevel gear. By the number of teeth of the rotatably with the turbine and the propeller connected bevel gears can the gear ratio can be set.

Insbesondere bei einem derartigen, einer Differenzialachse entsprechenden Getriebe können die Turbine und der Propeller koaxial gelagert sein, d. h. um eine gemeinsame Achse umlaufen.Especially in such, a differential axle corresponding gear the turbine and the propeller can be stored coaxially, d. H. circulating around a common axis.

Bei einem einfacheren Getriebe, bei dem ein drehfest mit der Turbine verbundenes Zahnrad direkt ein drehfest mit dem Propeller verbundenes Zahnrad kämmt, laufen die Turbine und das der Propeller um zueinander versetzte Achsen um.at a simpler gearbox, in which a rotationally fixed with the turbine connected gear directly rotatably connected to the propeller Gear meshes, the turbine and the propeller run around mutually offset axes.

In jedem Fall können die Turbine und der Propeller gemeinsam um eine Anstellachse der strömungsdynamischen Fläche gegenüber der strömungsdynamischen Fläche verschwenkbar sein, so dass ihre Achsen auch bei höheren Anstellwinkeln der strömungsdynamischen Fläche immer in Richtung der Anströmung der strömungsdynamischen Fläche verlaufen.In In any case, the turbine and the propeller can work together around a pitch axis of the fluid dynamic surface opposite the fluid dynamic surface be pivotable, so that their axes even at higher Anstellwinkeln the fluid dynamic surface always in the direction of the flow of the fluid-dynamic surface run.

Statt einer gemeinsamen Verschwenkbarkeit der Turbine und des Propellers gegenüber der strömungsdynamischen Fläche kann die Turbine und/oder der Propeller auch einzeln um eine Anstellachse der strömungsdynamischen Fläche gegenüber der strömungsdynamischen Fläche verschwenkbar sein. Um diese Einzelanstellbarkeit zu realisieren, die zwischen der Turbine und dem Propeller auch synchronisiert sein kann, kann zwischen die Turbine und den Propeller mindestens ein Kardangelenk geschaltet sein.Instead of a joint pivoting of the turbine and the propeller opposite the fluid dynamic surface The turbine and / or the propeller can also individually about a Anstellachse the fluid dynamic surface opposite the fluid dynamic surface swiveled be. In order to realize this individual adjustability, the between The turbine and the propeller can also be synchronized between the turbine and the propeller at least one universal joint be switched.

Wie bereits angedeutet wurde, dienen weder die Schaufeln der Turbine noch des Propellers dazu, irgendwelchen Vorschub in der Hauptbewegungsrichtung der strömungsdynamischen Fläche aufzunehmen oder abzugeben. So können die Schaufeln der Turbine und des Propeller ohne Anstellung zur Anströmung der strömungsdynamischen Fläche verlaufen. In dieser Richtung haben sie auch die geringste Auswirkung auf ihre eigene Anströmung in Richtung der Anströmung der strömungsdynamischen Fläche.As As already indicated, neither the blades of the turbine are used nor the propeller, any feed in the main direction of movement to absorb the fluid dynamic surface or leave. So the blades of the turbine and the Propeller without employment to the flow dynamic Surface. In this direction they also have the least effect on their own flow towards the flow of the fluid dynamic surface.

Grundsätzlich kann die Turbine oder der Rotor oder können sogar beide unmittelbar im Bereich der Spitze der strömungsdynamischen Fläche angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Spitze der strömungsdynamischen Fläche selbst durch die Turbine und den Rotor aber unverändert, und die Turbine befindet sich im Nachlauf der Spitze, während sich der Propeller im Vorlauf der Spitze befindet.in principle can be the turbine or the rotor or even both immediately in the area of the top of the fluid dynamic Be arranged surface. Preferably, the tip is the fluid dynamic surface itself through the turbine and the rotor but unchanged, and the turbine is located in the wake of the top, while the propeller is in the lead the top is located.

Die vorliegende Erfindung kann insbesondere bei den Tragflächen eines Fluggeräts umgesetzt werden, wobei hier unter den Begriff Fluggerät neben Verkehrsflugzeugen mit Tragflächen relativ großer Streckung auch Fluggeräte mit Tragflächen kleiner Streckung, wie z. B. Kampfflugzeuge, UAV bzw. UCAVs oder Drohnen, fallen, bei denen eine Erhöhung der Gleitzahl eine erhebliche Steigerung der Leistungsfähigkeit bedeutet. In der zivilen Luftfahrt ist der mit der Erfindung erreichte Effekt neben der Reduzierung des induzierten Widerstands eine Minimierung des Mindestabstands zwischen zwei Flugzeugen in der Start- oder Landephase.The The present invention is particularly applicable to the wings be implemented in an aircraft, here among the Concept aircraft in addition to commercial aircraft with wings relatively large extension also aircraft with wings small stretch, such. As combat aircraft, UAV or UCAVs or Drones fall, causing an increase in the glide ratio a significant increase in performance means. In civil aviation is the effect achieved with the invention in addition to the reduction of the induced resistance, a minimization the minimum distance between two aircraft in the take-off or Landing phase.

Zu den Tragflächen bei denen die Erfindung eingesetzt werden kann zählen auch die Rotorblätter von Rotoren von solchen Drehflüglern, bei denen die Rotoren passiv in Rotation versetzt werden, (so genannten Tragschraubern oder Gyrocoptern) und die Tragflächen von Tragflächenbooten.To the wings in which the invention can be used include the rotor blades of rotors of such rotorcraft, in which the rotors are passively rotated, (so ge called gimbals or gyrocopters) and the wings of hydrofoils.

Die Erfindung kann weiterhin bei Leit- und Ruderflächen von Fluggeräten und Wasserfahrzeugen sowie jeglichen Antriebspropellern und Ventilatoren mit offenen Rotoren eingesetzt werden. Spezielle Einsatzgebiete der Erfindung sind die Rotorblätter von Rotoren von Hubschraubern und Windkraftanlagen.The Invention can continue at Leit- and rudder surfaces of Aircraft and watercraft and any propulsion propellers and fans with open rotors are used. Special applications The invention relates to the rotor blades of helicopter rotors and wind turbines.

Auch bei an sich ortsfesten strömungsdynamischen Flächen, wie beispielsweise Stabilisatoren an Bohrinseln kann die Erfindung zum Einsatz kommen.Also in stationary fluid-dynamic surfaces, such as stabilizers on drilling rigs, the invention be used.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.advantageous Further developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The in the introduction to the description advantages of features and combinations of several Features are merely exemplary and may be alternative or cumulatively without compelling advantages of embodiments of the invention must be achieved. Other features are the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several Components to each other and their relative arrangement and operative connection - to remove. The combination of features of different embodiments the invention or features of different claims is also different from the chosen relationships the claims possible and is hereby stimulated. This also applies to such features, in separate drawings are shown or mentioned in their description. These Features may also be consistent with features of different claims be combined. Likewise, in the claims listed features for further embodiments the invention omitted.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben.The Invention will now be described with reference to the appended drawings Drawings based on embodiments closer explained and described.

1 zeigt eine perspektivische Seitenansicht eines Flugzeugs mit zwei erfindungsgemäßen Tragflächen. 1 shows a perspective side view of an aircraft with two wings according to the invention.

2 zeigt die in 1 an den Spitzen beider Tragflächen vorgesehene Anordnung einer Turbine und eines Propellers mit zwischengeschaltetem Getriebe. 2 shows the in 1 At the tips of both wings intended arrangement of a turbine and a propeller with intermediate gearbox.

3 zeigt ein Beispiel für das Getriebe gemäß 2. 3 shows an example of the transmission according to 2 ,

4 zeigt ein weiteres Beispiel für das Getriebe Zwischen der Turbine und dem Propeller. 4 shows another example of the transmission between the turbine and the propeller.

5 skizziert eine Verschwenkbarkeit der Anordnung gemäß 2 gegenüber der Tragfläche, an deren Spitze sie angeordnet ist; und 5 outlines a pivoting of the arrangement according to 2 opposite the wing, at the top of which it is arranged; and

6 skizziert eine andere Art und Weise der Anstellung der Turbine und des Propellers der Anordnung gemäß 2 zu der Tragfläche. 6 outlines another way of adjusting the turbine and the propeller of the arrangement according to 2 to the wing.

FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES

1 skizziert ein Flugzeug 1 mit strömungsdynamischen Flächen 2 in Form von zwei Tragflächen. An der Spitze 3 der Tragflächen 2 treten Randwirbel auf, von denen hier nur der Randwirbel 4 an der Spitze 3 der vorderen Tragfläche 2 zeichnerisch dargestellt ist. Die Randwirbel 4 resultieren aus einer Umströmung der Spitzen 3 von der Unterseite, d. h. Überdruckseite auf die Oberseite, d. h. Unterdruckseite der Tragflächen 2. Die Wirbelachse 5 der Randwirbel 4 verläuft in der Richtung der Anströmung 23 Tragflächen 2, was hier die zu der Hauptbewegungsrichtung der Tragflächen 2 entgegen gesetzte Richtung ist. Im Nachlauf jeder Spitze 3 ist eine Turbine 6 vorgesehen, die durch den jeweiligen Randwirbel 4 in Rotation versetzt wird. Die Turbinenschaufeln 7 der Turbinen 6 sind zu der Wirbelachse 5 nicht angestellt, so dass die antreibende Anströmung der Turbinen 6 ausschließlich aus der Rotation der Randwirbel 4 resultiert. Über ein Getriebe 8 sind die Turbinen 6 jeweils mit einem im Vorlauf der jeweiligen Spitze 3 der Tragfläche 2 liegenden Propeller 9 verbunden, wobei die Turbinen 7 die Propeller 9 in zu dem jeweiligen Randwirbel 4 entgegen gesetzter Drehrichtung antreiben, was bei dem vorderen Propeller in 1 durch einen Drehpfeil 10 visualisiert ist. Der Propeller 9, dessen Propellerschaufeln 11 ebenfalls zu der Achse 5 nicht angestellt sind, verursacht eine umlaufende Luftströmung 12 mit entgegen gesetzter Drehrichtung zu dem Randwirbel 4 um die Wirbelachse 5, wodurch der Randwirbel 4 effektiv abgemindert wird. Hierdurch sinkt der durch den Randwirbel 4 induzierte Widerstand und steigt die Gleitzahl des Flugzeugs 1. Bei diesem Konzept wird nominell nur die Rotationskomponente des Randwirbels 4 zum Antrieb der Turbine 6 verwendet und entsprechend durch das Rotieren des Propellers nur eine Rotationskomponente der umlaufenden Luftströmung 12 erzeugt. Auf diese Weise wird der zusätzliche Widerstand der Turbine und des Propellers minimal gehalten. Der Propeller ist nicht auf Schub, sondern auf eine möglichst effektive Erzeugung der genannten Rotationskomponente ausgelegt. Die Form und die Größe der Turbinenschaufeln 7 können sich von der Form und der Größe der Propellerschaufeln unterscheiden. Ebenso können die Rotationsgeschwindigkeiten der Turbine und des Propellers, abgesehen von der unterschiedlichen Drehrichtung, ebenfalls unterschiedlich sein. Bei geeigneter Abstimmung der Turbine 6, des Getriebes 8 und des Propellers 9 tritt diese Vorrichtung in Abhängigkeit von der Wirbelstärke der Randwirbel 4 automatisch in Aktion und bedarf keiner zusätzlichen Ansteuerung. 1 sketched an airplane 1 with fluid dynamic surfaces 2 in the form of two wings. At the top 3 the wings 2 marginal vertebrae occur, of which only the marginal vertebrae 4 at the top 3 the front wing 2 is shown in the drawing. The edge vortices 4 result from a flow around the peaks 3 from the bottom, ie overpressure side to the top, ie vacuum side of the wings 2 , The vortex axis 5 the edge vortex 4 runs in the direction of the flow 23 wings 2 what the here to the main movement direction of the wings 2 opposite direction is. In the wake of each tip 3 is a turbine 6 provided by the respective edge vortex 4 is set in rotation. The turbine blades 7 the turbines 6 are to the vortex axis 5 not turned on, so that the driving flow of the turbines 6 exclusively from the rotation of the marginal vertebrae 4 results. About a gearbox 8th are the turbines 6 each with one in the lead of each peak 3 the wing 2 lying propeller 9 connected, the turbines 7 the propellers 9 in to the respective edge vortex 4 drive in the opposite direction, which in the front propeller in 1 by a rotary arrow 10 is visualized. The propeller 9 , its propeller blades 11 also to the axis 5 not hired causes a circulating air flow 12 with opposite direction of rotation to the edge vortex 4 around the vortex axis 5 , causing the edge vortex 4 is effectively mitigated. As a result, the sinks by the edge vortex 4 induced drag and increases the glide number of the aircraft 1 , In this concept, nominally only the rotational component of the edge vortex becomes 4 to drive the turbine 6 used and accordingly by the rotation of the propeller, only a rotational component of the circulating air flow 12 generated. In this way, the additional resistance of the turbine and the propeller is minimized. The propeller is not designed for thrust, but for the most effective generation of said rotational component. The shape and size of the turbine blades 7 may differ from the shape and size of the propeller blades. Similarly, the rotational speeds of the turbine and the propeller, apart from the different direction of rotation, also be different. With suitable tuning of the turbine 6 , the transmission 8th and the propeller 9 this device occurs depending on the vorticity of the edge vortex 4 automatically in action and requires no additional control.

2 zeigt die Turbine 6, das Getriebe 8 und den Propeller 9 in separater Darstellung, wobei hier die unterschiedlichen Drehrichtungen der Turbine 6 und des Propellers 9 durch gegenläufige Drehpfeile 13 und 10 visualisiert sind. 2 shows the turbine 6 , The gear 8th and the propeller 9 in a separate representation, in which case the different directions of rotation of the turbine 6 and the propeller 9 by opposite rotation arrows 13 and 10 are visualized.

3 skizziert eine mögliche Ausführungsform des Getriebes 8 zwischen einer Welle 14 der Turbine und einer Welle 15 des Propellers. Auf der Welle 14 ist drehfest ein Kegelzahnrad 16 angeordnet, ebenso ist auf der Welle 15 drehfest ein Kegelzahnrad 17 angeordnet. Beide Kegelzahnräder 16 und 17 werden durch ein frei drehbar gelagertes Kegelzahnrad 18 gekämmt, das in Richtung eines Drehpfeils 19 um die ortsfeste Drehachse 20 umläuft. Dieses Kegelzahnrad 18 bewirkt die Drehrichtungsumkehr zwischen der Welle 14 und der Welle 15. 3 outlined a possible embodiment of the transmission 8th between a wave 14 the turbine and a wave 15 of the propeller. On the wave 14 is a bevel gear rotatably 16 arranged, as well is on the shaft 15 rotatably a bevel gear 17 arranged. Both bevel gears 16 and 17 be by a freely rotatably mounted bevel gear 18 combed in the direction of a rotary arrow 19 around the fixed axis of rotation 20 circulates. This bevel gear 18 causes the direction of rotation reversal between the shaft 14 and the wave 15 ,

4 skizziert eine andere Ausführungsform des Getriebes 8 zwischen der Welle 14 der Turbine und der Welle 15 des Propellers. Auf der Welle 14 ist drehfest ein Zahnrad 26 angeordnet, das direkt ein drehfest auf der Welle 15 angeordnetes Zahnrad 27 kämmt. Auch so ergibt sich die gewünschte Drehrichtungsumkehr zwischen der Welle 14 und der Welle 15, die hier um den mittleren Durchmesser der beiden Zahnräder 26 und 27 parallel zueinander versetzt ausgerichtet sind. 4 outlines another embodiment of the transmission 8th between the wave 14 the turbine and the shaft 15 of the propeller. On the wave 14 is rotatably a gear 26 arranged, which directly rotatably on the shaft 15 arranged gear 27 combs. This also results in the desired direction reversal between the shaft 14 and the wave 15 , here around the mean diameter of the two gears 26 and 27 aligned offset parallel to each other.

5 skizziert eine Verschwenkbarkeit der Anordnung aus Turbine 6, Getriebe 8 und Propeller 9 gegenüber der Spitze 3 der Tragfläche 2 um eine Anstellachse 21. Hierdurch kann ein Anstellwinkel 22 der Tragfläche 2 gegenüber seiner Anströmung 23 kompensiert werden. 5 outlines a pivotability of the arrangement of turbine 6 , Transmission 8th and propellers 9 opposite the top 3 the wing 2 around a pitch axis 21 , This can cause an angle of attack 22 the wing 2 opposite to its flow 23 be compensated.

5 skizziert eine andere Möglichkeit der Anpassung der Anordnung gemäß 1 und 2 an einen stärkeren Anstellwinkel 22 der Tragfläche 2 zu seiner Anströmung 23. Hier sind an der Tragflächenhinterkante und -vorderkante Drehgelenke für die Turbine 6 und den Propeller 9 ausgebildet, durch die hindurch die Wellen 14 und 15 gemäß 3 mit Kardangelenken verlaufen. Auf diese Weise können die Turbine 6 und der Propeller 9 getrennt voneinander zu der Tragfläche 2 angestellt werden, um den Anstellwinkel 22 der Tragfläche 2 gegenüber ihrer Anströmung 23 zu kompensieren. 5 outlines another way of adapting the arrangement according to 1 and 2 to a stronger angle of attack 22 the wing 2 to his flow 23 , Here are on the wing trailing edge and front edge pivot joints for the turbine 6 and the propeller 9 formed, through which the waves 14 and 15 according to 3 with cardan joints. That way, the turbine can 6 and the propeller 9 separated from each other to the wing 2 be hired to the angle of attack 22 the wing 2 opposite to their flow 23 to compensate.

11: Flugzeugplane
22: Strömungsdynamische Fläche/Tragflägeflow dynamic Surface / Tragfläge
33: Spitzetop
44: Randwirbeltip vortex
55: Wirbelachsevortex axis
66: Turbineturbine
77: Turbinenschaufelturbine blade
88th: Getriebetransmission
99: Propellerpropeller
1010: Drehpfeilrotation arrow
1111: Propellerschaufelpropeller blade
1212: Luftströmungairflow
1313: Drehpfeilrotation arrow
1414: Wellewave
1515: Wellewave
1616: Kegelzahnradbevel gear
1717: Kegelzahnradbevel gear
1818: Kegelzahnradbevel gear
1919: Drehpfeilrotation arrow
2020: Achseaxis
2121: Anstellachsepitch axis
2222: Anstellwinkelangle of attack
2323: Anströmunginflow
2424: Drehgelenkswivel
2525: Drehgelenkswivel
2626: Zahnradgear
2727: Zahnradgear

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list The documents listed by the applicant have been automated generated and is solely for better information recorded by the reader. The list is not part of the German Patent or utility model application. The DPMA takes over no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- US 2485218 [0006]
US 3997132 [0007]
- US 4045144 [0008]
US 4917332 [0009]
- US 5150859 [0009]
- US 5100085 [0010]
US 5918835 [0012]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

- Snyder MH and Zumwalt GW: "Effects of Wingtip-Mounted Propellers on Wing Lift and Induced Drag," Journal of Aircraft, Vol. 5, 1969, pp. 392 to 397 [0005]

Claims

Flow-dynamic surface with a turbine arranged at its free tip, driven by a peripheral vortex emanating from the tip, characterized in that the turbine ( 6 ) one against their flow ( 23 ) in front of the fluid dynamic surface ( 2 ) arranged propellers ( 9 ) via a transmission ( 8th ) in to the edge vortex ( 4 ) opposite direction of rotation ( 10 ) drives.

Flow-dynamic surface according to claim 1, characterized in that the transmission ( 8th ) has a fixed translation.

Flow-dynamic surface according to claim 2, characterized in that the transmission ( 8th ) between the turbine ( 6 ) and the propeller ( 9 ) has a translation of 1: -1 or a translation deviating from 1: -1.

Flow-dynamic surface according to one of claims 1 to 3, characterized in that the transmission ( 8th ) rotatably with the turbine ( 6 ) connected bevel gear ( 16 ), a non-rotatable with the propeller ( 9 ) connected bevel gear ( 17 ) and an intermediary to a fixed axis ( 20 ) free-rotating bevel gear ( 18 ) having.

Flow-dynamic surface according to one of claims 1 to 4, characterized in that the turbine ( 6 ) and the propeller ( 9 ) are mounted coaxially.

Flow-dynamic surface according to one of claims 1 to 5, characterized in that the turbine ( 6 ) and the propeller ( 9 ) together about a Anstellachse ( 21 ) of the fluid dynamic surface ( 2 ) are pivotable with respect to this.

Flow-dynamic surface according to one of claims 1 to 4, characterized in that the turbine ( 6 ) and / or the propeller ( 9 ) individually about a pitch axis ( 21 ) of the fluid dynamic surface ( 2 ) are pivotable with respect to this is / is.

Flow-dynamic surface according to claim 7, characterized in that between the turbine ( 6 ) and the propeller ( 9 ) is connected at least one universal joint.

Flow-dynamic surface according to one of claims 1 to 8, characterized in that blades ( 7 ) of the turbine ( 6 ) and / or paddles ( 11 ) of the propeller ( 9 ) to the flow ( 23 ) of the fluid dynamic surface ( 2 ) are not employed.

Flow-dynamic surface according to one of claims 1 to 9, characterized in that in relation to the flow ( 23 ) of the fluid dynamic surface ( 2 ) the turbine ( 6 ) in the wake of the top ( 3 ) and the propeller ( 9 ) in the lead of the top ( 3 ) is arranged.

Aircraft with at least one carrying, guiding or Rudder surface according to one of claims 1 to 10.

Vessel with at least one carrying, guiding or rudder surface according to one of claims 1 to 10th

Drive propeller with an open rotor, the at least a rotor blade according to one of claims 1 to 10.

Fan with an open rotor, at least a rotor blade according to one of claims 1 to 10.

Helicopter with an open rotor, at least a rotor blade according to one of claims 1 to 10.

Wind turbine with an open rotor, at least a rotor blade according to one of claims 1 to 10.