DE29806408U1

DE29806408U1 - Deckhaut-Steg-Struktur

Info

Publication number: DE29806408U1
Application number: DE29806408U
Authority: DE
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1998-04-08
Filing date: 1998-04-08
Publication date: 1998-09-03
Anticipated expiration: 2008-04-09

Description

Deckhaut-Steg-Struktur

Die Erfindung betrifft eine flexible, aus Faserverbundmaterial bestehende, Deckhaut-Steg-Struktur für den Einsatz in Strömungsprofilen mit veränderbarer Wölbung, insbesondere Tragflügel oder deren Komponenten, bei der eine saugseitige Deckhaut mit saugseitigen Stegabschnitten und eine druckseitige Deckhaut mit &iacgr;&ogr; druckseitigen Stegabschnitten verbunden ist.

Moderne Flügelprofile sind normalerweise für einen begrenzten Einsatzbereich optimiert. Da jedoch ein beträchtlicher Teil der Abflugmasse eines Flugzeugs auf den mitgeführten Treibstoff entfällt, verringert sich das Gewicht eines Flugzeuges um bis zu 30 %. Durch dieses Entfernen vom Auslegepunkt verschlechtert sich auch die Gleitzahl (Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand) des Flugzeuges. Mit Hilfe der variablen Wölbung der Tragflügelhinterkante kann beispielsweise eine Anpassung an die geänderten Flugkonditionen vorgenommen werden. Dies bedeutet eine größere Flexibilität im Einsatz und mehr Potential für spätere Weiterentwicklungen.

Aus US 3 109 613 ist eine von innen verstellbare, flexible Deckhaut-Steg-Struktur bekannt, bei der die druckseitige und saugseitige Deckhaut über starre Stege verbunden sind, wobei diese zur Aufrechterhaltung der Flexibilität mittels scharnierartiger Gelenke (Klavierbänder) mit den Deckhäuten verbunden sind.

Nachteilig wirkt sich bei diesem Aufbau aus, daß bei einer Wölbung, d. h. der Relatiwerschiebung der Deckhäute zueinander, keine Biegemomente eingeleitet

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werden können, was im Bereich der Deckhaut-Steg-Anbindung zu kritischen Spannungen führt. So ist dieser Bereich doppelt durch die Anbindung und die Biegemomente belastet. Außerdem ist diese Konstruktion bei gewichtssparender Verwendung von Faserverbundmaterial schwer zu realisieren, da in die Deckhaut-Steg-Anbindung ein Gelenk integriert werden müßte.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine flexible Deckhaut-Steg-Struktur dahingehend weiterzuentwicklen, daß sie steif genug ist, um die aerodynamischen Belastungen aufzunehmen, aber dennoch unter geringem Kraftaufwand &iacgr;&ogr; verformbar bleibt. Dabei soll sie kostengünstig und durch Leichtbau fertigbar sein. Eine weitere Aufgabe liegt darin, den Anbindebereich von Deckhäuten und Stegen bei einer Wölbung durch Reduzierung der Spannungen zu entlasten.

Zur Lösung der Aufgabe ist eine Deckhaut-Steg-Struktur der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen saug- und druckseitigen Stegabschnitte über Gelenke miteinander verbunden sind.

Bei der erfindungsgemäßen Deckhaut-Steg-Struktur ist ein Aufbau aus Faserverbundmaterial möglich, womit extrem geringes Gewicht gewährleistet ist; insoweit wird vermieden, daß die durch Anpassung des Flügelprofils eingesparte Treibstoffmenge etwa durch zusätzliches Materialgewicht wieder benötigt wird. Außerdem werden die bei der Wölbung auftretenden Biegespannungen auf den Gelenkbereich innerhalb der Stege konzentriert, wodurch der Deckhaut-Steg-Anbindebereich entlastet wird und die maximal zulässigen Materialdehnungen nicht überschritten werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die saugseitigen Stegabschnitte über saugseitige Gelenke mit mittleren Stegabschnitten verbunden, die ihrerseits über

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druckseitige Gelenke mit den druckseitigen Stegabschitten verbunden sind. Bei dieser Form umfaßt der gesamte, die Deckhäute verbindende, Steg somit die Abfolge eines saugseitigen Stegabschnitts, eines saugseitigen Gelenks, eines mittleren Stegabschnitts, eines druckseitigen Gelenks und eines druckseitigen Stegab-Schnitts.

Durch die in einer Linie angeordneten Stegabschnitte und Gelenke stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung, die Gelenke zwischen den Stegabschnitten auszurichten und anzubringen. Durch die bei der Wölbung auf die Gelenke übertragene Bewegung handelt es sich bei den Gelenken bevorzugt um Biegegelenke. In einer vorteilhaften Ausgesteltungbestehen die Gelenke wie die Stegabschnitte aus Faserverbundmaterial. Bei dieser Ausgestaltung können bei der Herstellung der Stege sämtliche Stegabschnitte und Gelenke gleichzeitig gefertigt werden. Außerdem entsteht ein einziges Bauteil, welches wie ein herkömmlicher Steg ohne Gelenke beim Aufbau des Tragflügels mit den Deckhäuten verbunden werden kann, wodurch ein weiterer Arbeitsaufwand eingespart wird.

Vorzugsweise entstehen die Gelenke dadurch, daß sich die saug- bzw. druckseitigen Stegabschnitte konisch verjüngen, dann das Gelenk mit gleichbleibender Dicke bilden und sich über einen saug- bzw. druckseitigen Konus des mittleren Stegabschnitts wieder konisch verdicken. Auf diese Weise werden die Gelenke im Bauteil selbst erzeugt, indem die Anzahl der Lagen des Faserverbundmaterials sukzessive verringert wird. Über die Art und Weise dieser Verringerung der Lagen kann sowohl die Gestalt der konisch ausgebildeten Abschnitte als auch die Länge und Lage der Stegabschnitte sowie die Länge und Lage der Gelenke reguliert werden. Die Art der konsichen Abschnitte der deckhautseitigen Stegabschnitte bestimmen den Abstand der Gelenke von den Deckhäuten. Die Spannungen in den Gelenken variieren mit dem Abstand der Gelenke von den Deckhäuten. Den

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größten Einfluß auf die Spannungen im Gelenkbereich besitzt das Gelenk durch seine Länge und Dicke jedoch selbst, wobei die Spannungen mit der Dicke wachsen. Die Gelenklänge legt den Bereich fest, in dem die Dehnung stattfinden muß. Je kleiner die Länge, um so höher die Spannungen im Gelenk. Durch die erhöhte Steifigkeit steigen auch die zur Wölbung nötigen Kräfte. Da die Struktur einerseits mit geringem Kraftaufwand verformbar sein muß, andererseits aber auch steif genug sein muß, um die aerodynamischen Belastungen aufzunehmen, kann somit über die Gelenkdicke und Gelenklänge die Deckhaut-Steg-Struktur an die verschiedenen Erfordernisse angepaßt werden. Diese können durchaus in

&iacgr;&ogr; einem Tragflügel in spannweitiger Richtung unterschiedlich sein, so daß die Gelenklänge und die Gelenkdicke aber auch die Lage in dieser Richtung variieren kann.

Da die Stege in der erfindungsgemäßen Deckhaut-Steg-Struktur mehrere Aufgaben übernehmen, ist es vorteilhaft, wenn die Ausrichtung der Fasern des Faserverbundmaterials diesen Anforderungen angepaßt wird und ein darauf abgestimmter Lagenaufbau der Fasern besteht. Insbesondere bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der in den Gelenken die Fasern in Winkeln von ± 45° und 90° zur spannweitigen Richtung verlaufen, was gleichbedeutend dazu ist, daß die 90°-Richtung in Steghöhenrichtung verläuft. Durch die in ± 45°-Richtung verlaufenden Lagen können die Stege den auftretenden Schub am besten aufnehmen. Da die Stege in der erfindungsgemäßen Struktur zusätzlich noch auf Biegung beansprucht werden, verlaufen die weiteren Faserlagen bevorzugt in Steghöhenrichtung, um die Biegespannung aufzufangen.

Mit der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform können in den Gelenken die Schub- und Biegespannungen am besten aufgenommen werden. Da sowohl die deckhautseitigen Stegabschnitte als auch die mittleren Stegabschnitte über die konische Abschnitte eine sukzessive Aufdickung erfahren, kann über die

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in den Stegabschnitten zusätzlich zu den Gelenklagen aufgebrachten Faserlagen die geforderte Steifigkeit der Deckhaut-Steg-Struktur herbeigeführt werden.

Vorteilhaft bestehen die gesamten Stege somit aus je zwei deckhautseitigen Stegabschnitten und mittleren Stegabschnitten, die über Gelenke verbunden sind. Dabei bestehen all diese Komponenten aus Lagen des Faserverbundmaterials. Unterschiede bestehen nur in der Anzahl der Lagen und der Orientierung der Fasern. So bestehen die Gelenke aus weniger Lagen als die Stegabschnitte und weisen teilweise eine andere Orientierung auf. In den Stegabschnitten sind zusätzliche Lagen auf die schon bestehenden Lagen aufgebracht, so daß die die Gelenke bildenden Faserlagen auch den Kern der Stegabschnitte bilden. Die Aufdickung erfolgt schrittweise über die konischen Abschnitte.

Die Art des Faserverbundmaterials kann über sämtliche aufgebrachten Lagen konstant sein, z. B. kohlefaserverstärkter Kunststoff, vorteilhaft variiert aber das Material der verschiedenen Lagen. So werden die 90°-Lagen bevorzugt aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt, während die + 45°-Lagen aus kohlefaserverstärktem Kunststoff ausgebildet sind. Die in den Stegabschnitten weiterhin aufgebrachten Lagen des Faserverbundmaterials bestehen vorzugsweise aus kohlefaserverstärktem Kunststoff.

Die die Stegabschnitte und die Gelenke umfassenden Stege sind zur Ausbildung der Deckhaut-Steg-Struktur über die druck- bzw. saugseitigen Stegabschnitte mit den jeweiligen Deckhäuten verbunden.

Diese Verbindung kann beliebig ausgebildet sein, vorteilhaft sind die druck- bzw. saugseitigen Stegabschnitte biegesteif mit der druck- bzw. saugseitigen Deckhaut verbunden. Bevorzugt sind die saug- bzw. druckseitigen Stegabschnitte unlösbar mit der jeweiligen Deckhaut verbunden, insbesondere bevorzugt sind an

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den druck- bzw. saugseitigen Stegabschnitten parallel zu den Deckhäuten ausgebildete Klebefahnen ausgebildet, welche mit den Deckhäuten verklebt sind, so daß auf beiden Seiten eine biegesteife Verbindung zwischen Deckhaut und deckhautseitigen Stegabschnitten gewährleistet ist. Die Klebefahnen werden gebildet, indem die die deckhautseitigen Stegabschnitte bildenden Lagen des Faserverbundmaterials bei der Herstellung um den zwischen Deckhaut und Steg liegenden Winkel gebogen werden. So bilden die Klebefahnen, die deckhautseitigen Stegabschnitte, die Gelenke und die mittleren Stegabschnitte eine Einheit und können bei der Montage der Deckhaut-Steg-Struktur als ein Bauteil eingebracht

&iacgr;&ogr; werden. Der von den Klebefahnen und den Deckhäuten gebildete Hohlraum ist mit dem sogenannten Zwickel,der bevorzugt aus kohlefaserverstärktem Kunststoff hergestellt ist, gefüllt, was eine durchgehende Verbindung zwischen Deckhaut und Steg gewährleistet.
Die Anbindung der Stege an die Deckhäute ist grundsätzlich - wie oben beschrieben - als Klebeverbindung möglich, unter bestimmten Voraussetzungen, d. h. bei besonderer Belastung der Verbindung, ist es jedoch von Vorteil, wenn die deckhautseitigen Stegabschnitte mit den Deckhäuten vernietet sind. Die Nieten verhindern bei hohen Schälspannungen ein Abschälen der Klebeschicht und somit ein Versagen der Klebung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorzüge ergeben.

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Es zeigt

Figur 1 einen in Strömungsrichtung verlaufenden Schnitt durch die erfindungsgemäße Deckhaut-Steg-Struktur. Aus Symmetriegründen ist nur ein Steg dargestellt.

Figur 2 einen in Strömungsrichtung verlaufenden Schnitt durch eine Klappenhinterkante einer flexiblen Landeklappe bei Anwendung der erfindungsgemäßen Deckhaut-Steg-Struktur.

Figur 3 eine Vergrößerung des Bereiches I aus Figur 2.

Figur 1 zeigt einen Ausschnitt einer in einer flexiblen Hinterkante einer Landeklappe eingesetzten Deckhaut-Steg-Struktur 10, bei der strukturbegrenzende, flexible Deckhäute 30, 40 durch mehrere - übersichtshalber nicht dargestellte saugseitige und druckseitige Gelenke 23, 23a umfassende Stege 20 miteinander verbunden sind. Die Stege 20 sind mit Abstand in Strömungsrichtung angebracht, so daß eine selbsttragende, flexible Struktur entsteht.

Der Steg 20 umfaßt saugseitige Klebefahnen 27, 27', über die dieser mit der saugseitigen Deckhaut 30 mittels einer Klebung verbunden ist. Die saugseitigen Klebefahnen 27, 27' gehen über in saugseitige Radien 26, 26' wobei ihre Dicke von den Radien 26, 26' nach außen hin abnimmt, indem sich die Anzahl der Lagen des Faserverbundmaterials sukzessive verringert. Der durch die saugseitigen Radien 26, 26' und die saugseitige Deckhaut 30 gebildeten Raum wird von einem saugseitigen Zwickel 28 ausgefüllt, so daß der Bereich zwischen den beiden Klebefahnen 27, 27' ebenfalls zur Verbindung/Klebung zwischen dem Steg 20 und der saugseitigen Deckhaut 30 beiträgt.

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Die saugseitigen Radien 26, 26', die in der beschriebenen Ausführungsform eine konstante Dicke aufweisen, gehen über in einen saugseitigen Stegabschnitt 25. Dieser ist in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kurz ausgebildet, da das saugseitige Gelenk 23 nahe an der saugseitigen Deckhaut 30 plaziert ist. Über einen konischen Abschnitt 24 des saugseitigen Stegabschnitts 25 geht der Steg

20 über in das saugseitige Gelenk 23. Im konischen Abschnitt 24 nimmt die Anzahl der Lagen des Faserverbundmaterials sukzessive ab, bis die Dicke, d. h. die Anzahl der Lagen, erreicht ist, die auch das Gelenk 23 aufweist. Über einen saugseitigen konischen Abschnitt 22 des mittleren Stegabschnitts 21 geht der Aufbau des Stegs 20 weiter bis zu einem mittleren Stegabschnitt 21. Im saugseitigen konischen Abschnitt 22 findet wieder eine Aufdickung durch Anbringung von zusätzlichenLagen statt, bis die Dicke des mittleren Stegabschnitts 21 erreicht ist.

Der Aufbau der druckseitigen Hälfte des Steges 20 vom mittleren Stegabschnitt

21 über einen druckseitigen konischen Abscnitt 22a des mittleren Stegabschnitts 21, das druckseitige Gelenk 23a, einen konischen Abschnitt 24 eines druckseitigen Stegabschnitts 25a, einen druckseitigen Stegabschnitt 25a und druckseitige Radien26a, 26'a bis zu mit der druckseitigen Deckhaut 40 verklebten druckseitigen Klebefahnen 27a, 27'a erfolgt aus Symmetriegründen äquivalent zur saugseitigen Beschreibung.

Da die Dicke in den Gelenken 23,23a minimal ist und die inneren Lagen des Steges 20 durchgängig sind von den saugseitigen Klebefahnen 27, 27' bis zu den druckseitigen Klebefahnen 27a, 27'a, bestimmt die dortige Lagenanordnung auch den inneren Aufbau in den konischen Abschnitten 22, 22a, 24, 24a, in den Stegabschnitten 21, 25, 25a, in den Radien 26, 26', 26a, 26'a und den Klebefahnen 27, 27', 27a, 27'a. In den Klebefahnen 27, 27', 27a, 27'a ist mit dem inneren

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Aufbau der zu den Deckhäuten 30,40 hin gerichtete Bereich gemeint. Da die Klebefahnen 27, 27', 27a, 27'a hier beidseitig des Steges 20 vorkommen, verteilen sich die in den Gelenken 23, 23a vorkommenden Lagen gleichmäßig auf die Klebefahnen 27, 27', 27a, 27'a. Die Gelenke 23, 23a und somit der gesamte innere Lagenaufbau besteht aus acht Schichten, die symmetrisch zur Mitte angeordnet sind, weshalb nur die Hälfte des Aufbaus angegeben wird. In der innersten Schicht liegen die Fasern in einem Winkel von -45° vor, wenn die O°-Richtung die spannweitige Richtung angibt. Darauf folgt eine Lage mit 45°- Ausrichtung und zwei Lagen mit 90°-Ausrichtung. Die äußerste Schicht besteht

&iacgr;&ogr; dabei aus glasfaserverstärktem Kunststoff, während die anderen Schichten aus kohlefaserverstärktem Kunststoff aufgebaut sind.

Auf den konischen Abschnitten 22, 22a, 24, 24a zwischen den Gelenken 23, 23a und den Stegabschnitten 21, 25, 25a und somit auch auf den Stegabschnitten 21, 25, 25a selbst, den Radien 26, 26', 26a, 26'a und den Klebefahnen 27, 27', 27a, 27'a sind auf beiden Seiten jeweils sechs zusätzliche Lagen aufgebracht, die im äußeren Bereich der konischen Abschnitte 22, 22a, 24, 24a und den Enden der Klebefahnen 27, 27', 27a, 27'a eine abnehmende Länge aufweisen, so daß ein langsamer Anstieg der Dicke erfolgt.

In Figur 2 ist die Hinterkante der Landeklappe mit der Deckhaut-Steg-Struktur in nicht gewölbter und in nach unten gewölbter Stellung schematisch dargestellt. Bei der Verwölbung der Deckhäute 30, 40 entsteht in den Stegen 20 durch die Relativverschiebung der Deckhäute 30, 40 ein Biegemomente. Da die Stege 20 biegesteif mit den Deckhäuten 30, 40 verbunden sind, konzentrieren sich die Biegemomente auf die Gelenke 23, 23a, wobei der Anbindungspunkt entlastet wird. Bei einer Verwölbung nach oben geschieht Entsprechendes.

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Dies ist besonders in der in Figur 3 dargestellten Vergrößerung des Ausschnittes I aus Figur 2 sichtbar. Bei der Verwölbung werden die Deckhäute 30, 40 gegeneinander verschoben, so daß sich die Stege 20 ebenfalls verformen müssen. Durch die Gelenke 23, 23a findet diese Verformung in den Gelenken selbst statt, so daß die Anbindungspunkte, in denen bei Deckhaut-Steg-Strukturen ohne Gelenke der Hauptteil der Biegespannungen auftritt, entlastet werden.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Deckhaut-Steg-Struktur 10 mehrteilig aus der druckseitigen Deckhaut 40, der saugseitigen Deckhaut 30 und &iacgr;&ogr; den Stegen 20 aufgebaut, indem die verschiedenen Komponenten verklebt sind. Es sind aber auch Strukturen möglich, bei denen sämtliche oder zumindest ein Teil der Komponenten bei der Herstellung in einem Stück gefertigt werden, so daß z. B. die Lagen der Stege 20 in den Deckhäuten 30, 40 oder einer Deckhaut weitergeführt werden.

In Figur 2 ist die Hinterkante eines Tragflügels dargestellt. Selbstverständlich ist die flexible Deckhaut-Steg-Struktur aber für sämtliche Bereiche von Strömungsprofilen einsetzbar, in denen eine Verwölbung oder Änderung des Profils realisiert werden soll. Außerdem sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen zwischen den Deckhäuten und den Klebefahnen eine Decklage eingebracht wird, die zur Abdeckung der Zwickel dient.

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Claims

-1- Schutzansprüche

1. Flexible, aus Faserverbundmaterial bestehende, Deckhaut-Steg-Struktur (10) für den Einsatz in Strömungsprofilen mit veränderbarer Wölbung, insbesondere Tragflügel oder deren Komponenten, bei der eine saugseitige Deckhaut (30) mit saugseitigen Stegabschnitten (25) und eine druckseitige Deckhaut (40) mit druckseitigen Stegabschnitten (25a) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen saug- und druckseitigen Stegabschnitte (25, 25a) über Gelenke (23, 23a) miteinander verbunden sind.

2. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die saugseitigen Stegabschnitte (25) über saugseitige Gelenke (23) mit mittleren Stegabschnitten (21) verbunden sind, die über druckseitige Gelenke (23a) mit den druckseitigen Stegabschnitten (25a) verbunden sind.

3. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach einem oder mehreren der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Gelenken (23, 23a) um Biegegelenke handelt.

4. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach einem oder mehreren der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenke (23,23a) aus Faserverbundmaterial bestehen.

5. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenke (23,23a) durch Verjüngungen (22,22a,24,24a) zwi-

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schen den saug- bzw. druckseitigen Stegabschnitten (25, 25a) und den mittleren Stegabschnitten (21) entstehen.

6. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach einem oder mehreren der vorausgegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß in den Gelenken (23,23a) ein Lagenaufbau der Fasern besteht, der an die auftretenden Schub- und Biegespannungen angepaßt ist.

7. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in den Gelenken (23,23a) in Winkeln von 90° und ± 45° zur spannweitigen Richtung verlaufen.

8. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach einem oder mehreren der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Lagen der Fasern aus Glasfasern bestehen.

9. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach einem oder mehreren der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die saug- bzw. druckseitigen Deckhäute (30, 40) biegesteif mit den saug- bzw. druckseitigen Stegabschnitten (25, 25a) verbunden sind.

10. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach einem oder mehreren der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die saug- bzw. druckseitigen Stegabschnitte (25, 25a) unlösbar mit der saug- bzw. druckseitigen Deckhaut (30, 40) verbunden sind

11. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an den saug- und druckseitigen Stegabschnitten (25, 25a) parallel zu den Deckhäuten(30, 40) verlaufende Klebefahnen (27, 27', 27a, 27'a) ausge-

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bildet sind, über die die Stegabschnitte (25, 25a) mit den Deckhäuten (30, 40) verklebt sind.

12. Deckhaut-Steg-Struktur (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckhäute (30, 40) mit den saug- und/oder druckseitigen Stegabschnitten (25, 25a) vernietet sind.

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