Potential of Multi-Winglet Systems to Improve Aircraft Performance

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung des Potenzials von Multi-Winglet Konfigurationen zur Leistungssteigerung von Flugzeugen. Multi-Winglet Systeme sind aus der Vogelwelt bekannt. Die offensichtliche Diskrepanz zwischen dem Erfolg der Multi-Winglet Konfiguration in der Natur sowie dem theoretisch großen Potenzial zur Verringerung des induzierten Widerstands und der damit verbundenen Abschwächung der Intensität der Nachlaufwirbel auf der einen und den gleichzeitig mäßigen Ergebnissen bei technischen Umsetzungen auf der anderen Seite bilden die Motivation, die Besonderheiten der Konfiguration näher zu betrachten. Hierzu wurde ein multidisziplinäres Analysetool VLM++ auf der Basis eines 3D Wirbelleiterverfahrens entwickelt, das über Erweiterungen zur Berechnung des Profil- und des Interferenzwiderstands hinaus besondere, bei Multi-Winglet Konfigurationen auftretende Effekte explizit berücksichtigt. Zum einen wird der Effekt verschiedener Anordnungen einzelner Winglets auf die jeweilige und in der Regel von den Profilwerten abweichende aerodynamische Belastbarkeit modelliert. Zum anderen erlaubt das Tool den nicht-linearen Auftriebsanstieg bei Erreichen des Grenzauftriebsbeiwerts eines Profilschnitts auf der Basis generalisierter aufgelöster Polaren zu berücksichtigen. Ein Vergleich der numerischen Ergebnisse mit veröffentlichten Niedergeschwindigkeitsmessdaten für Multi-Winglet Konfigurationen mit symmetrischen NACA 0015 Profilen weist die korrekte Nachbildung des Auftriebs- und Widerstandsverhaltens mit dem erweiterten Simulationsmodell auch für den Fall teilweise abgelöster Strömung nach. Durch das Analysetool werden die Wurzelbereiche der vordersten Winglets als Stellen, an denen bei steigendem Anstellwinkel zuerst Ablösungen auftreten, richtig identifiziert. Eine über den Umfang der Messungen hinausgehende Parameterstudie zeigt, dass die Verwölbung des planaren Innenflügels am besten geeignet ist, diese Belastung zu verringern und damit den ablöse- und widerstandsarmen Auftriebsbereich deutlich zu vergrößern. Weiterhin werden die Maximalauftriebsbeiwerte erhöht. Dies gilt zumindest dann, wenn bei den Innenflügelprofilen überkritische Reynoldszahlen vorliegen. Keine andere Maßnahme führt zu ähnlich großen Leistungsverbesserungen. Eine umfangreiche Parameterstudie wurde auf Basis eines für die Allgemeine Luftfahrt typischen Kleinflugzeugszenarios durchgeführt. Zusätzlich zur Analyse der aerodynamischen Eigenschaften wurden die Flügelstrukturmassen mittels eines vereinfachten Ansatzes für die Flügeldimensionierung berechnet. Für die Flugleistungsrechnungen wurde die Verwendung eines idealen Propellerantriebs vorausgesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mit der Multi-Winglet Konfiguration keine signifikante Verbesserung des nutzlastspezifischen Kraftstoffverbrauchs bei reichweitenoptimalen Flugbedingungen im Vergleich zum besten planaren Flügel bei vorgeschriebener Gesamtflügelfläche, Spannweite und Abflugmasse erzielen lässt. Dagegen wird ein deutlicher Vorteil der Multi-Winglet Konfiguration hinsichtlich der genannten Gütegröße bei Flugbedingungen für maximale Flugdauer prognostiziert.

Author dc:creator

• Berens, Martin

Advisor dc:contributor.advisor

• Thorbeck, Jürgen

Licence dc:rights.uri

• http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

Language dc:language.iso

en, English

Identifier URI

urn:nbn:de:kobv:83-opus-18987
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1916

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/2213