CZ298566B6

CZ298566B6 - Krídlo aerodynamického zarízení s vírovými drážkami

Info

Publication number: CZ298566B6
Application number: CZ20032195A
Authority: CZ
Inventors: Vacek@Jan
Priority date: 2003-08-15
Filing date: 2003-08-15
Publication date: 2007-11-07
Also published as: CZ20032195A3

Abstract

Krídlo (1) má alespon v jedné strane (3, 4) vyhloubenou drážku (2), s profilem sestávajícím z exponenciální spirály (13), která prechází kruhovým obloukem (14) plynule zpet k povrchu krídla (1). Jedna nebo více drážek (2) jsou situovány prevážne v první tretine hloubky krídla (1), mezi nábežnou hranou (5) a odtokovou hranou (6). Drážky (2) tvorícís povrchem krídla (1) ostrou hranu (12) jsou zpravidla rovné a paralelní s nábežnou hranou (5); mohou však být u koncu krídla (1) zešikmeny (7), nebozakriveny (8) smerem k odtokové hrane (6). Praktické využití vynálezu je v konstrukci krídel a vrtulí letadel, rotorových listu helikoptér a lopatek vetrných turbín, lopatek ventilacního zarízení a všeobecne k dosažení hladkého obtékání aerodynamických teles, tj. bez predcasného odtrhávání proudnicod konvexních cástí jejich povrchu.

Description

Technické řešení se vztahuje k ovládání mezní vrstvy, a tím i k obtékání křídel nebo lopatek větrných turbín.

Obtékání křídla lze příznivě ovlivnit účinkem vírů, jež se tvoří v dutinách drážek dle navrhovalo ného technického řešení. Dynamická energie těchto vírů ovlivní mezní vrstvu a tlakové pole v blízkosti povrchu křídla tak, že dokáže zamezit odtrhávání proudnic až do úhlů náběhu cca 20°.

Tento mechanizmus, bez jakýchkoliv pohyblivých součástí, se uplatní např. u lopatek větrné turbíny se svislou osou, jak dokládá obr. 2.

Stejný princip využití stacionárních virů ke zvýšení vztlaku a zamezení předčasného odtrhávání proudnic lze samozřejmě aplikovat i v konstrukci letadel. V následujícím textuje proto použito jednotného názvu „křídlo“.

Dosavadní stav techniky

V první polovině 20. století byly realizovány četné úpravy křídel letadel pro zvýšení vztlaku: vztlakové klapky mnoha druhů, odsávání mezní vrstvy i zvyšování její energie vyfukováním vzduchu tryskami. Těmito úpravami křídel se mj. zabývá dnes už klasická publikace „ Theory of Wing Sections “ od I. H. Abbotta a A. E. van Doenhoffa.

Méně známé už je využití stojatých virů ve spirálovité výduti podobného tvaru, jaký se účinkem větru tvoří pod převisy sněhových návějí na horských hřbetech. Inspirován touto formou přiroze30 né regulace obtékání odvodil F. O. Ringleb matematickou formulaci podobných stojatých vírů a optimální tvar vyhloubení pod ostrou hranou, za níž se vír a okolní proudění točně setkávají.

Ve článku „Separation Control by Trapped Vortices“, uveřejněném v souboru Boundary Layer and Flow Control (edited by G. V. Lachmann, vol. 1, Pergamon Press 1961), představuje zmíně35 ný autor jím navržené hrdlo difuzoru, jež se osvědčilo v konstrukci aerodynamického tunelu Princetonské university. Díky stojatým vírům ve výdutích za ostrými hranami hrdla bylo zamezeno odtrhávání proudnic v difuzoru a funkce tunelu se výrazně zlepšila.

Aerodynamické zkoušky křídla s vírovou výhlubní v blízkosti odtokové hrany na téže universitě potvrdily významný vzrůst součinitele vztlaku po stabilizaci víru dodatečným odsáváním. Praktické využití těchto zkoušek se mi však nepodařilo identifikovat.

Zcela odlišný mechanizmus ovládání odtrhávání mezní vrstvy od povrchu obtékaného křídla je obsahem anglického patentu z r. 1979 (GB 2 032 048); jsou v něm popsány stupňovité prohlubně v podtlakové části křídla s klínovitým přechodem zpět k povrchu křídla. Hloubka stupně se tu rovná přibližně tloušťce mezní vrstvy těsně před ním (tedy v řádu mm) a délka klínovitého přechodu ve směru proudění je asi desetinásobek řečené hloubky. Zmíněné parametry i způsob řízeného odtrhování a opětného přisávání mezní vrstvy řadí toto řešení spíše do kategorie generátorů turbulence.

Do podobné kategorie lze zahrnout i americký patent z r. 1989, US 4 822 249 A, který popisuje pilovité výstupky (saw-tooth spoilers) na vnější, konvexní straně turbínové lopatky nedaleko odtokové hrany. Takto vytvořená turbulentní mezní vrstva má pak tendenci zůstat přisátá až k odtokové hraně lopatky.

-1 CZ 298566 B6

Přes zdánlivou podobnost s níže navrhovaným technickým řešením, je účel odsávaných slotů u dalšího vynálezu z r. 1970, registrovaného pod US 3 516 895 A zcela odlišný; má zaručit hladké, laminámí obtékání křídla a snížit jeho odpor odstraněním turbulentní mezní vrstvy.

Nároky německých patentů č. DE 32 104 98 A a č. DE 48 22 49 A z let 1983 a 1989 se týkají pouze některých aspektů níže navrhovaného technického řešení, které z hlediska svého celkového konceptu představuje zcela nový přístup k problému ovládání mezní vrstvy za účelem prevence „přetažení“ křídla nebo lopatky aerodynamického zařízení.

Podstata technického řešení

V průběhu mých vlastních zkoušek větrných turbín se svislou osou na kanadských ostrovech Iles de la Madeleine jsem se často setkával s problémem „přetažení“ [dynamic stali) lopatek; ten se projevoval odtrháváním proudnic od konvexního povrchu lopatky, a to nej častěji už v první třetině její hloubky. Turbína obtížně startovala a za pomalých otáček, při nízkých poměrech obvodové rychlosti lopatek k rychlosti větru, ztrácela výkon.

Za podobných situací dosahuje úhel náběhu relativní rychlosti větru vzhledem ke křídlu nebo lopatce tak velkých hodnot (cca 10 až 15°), že se proudění začne odtrhávat od podtlakové strany křídla. Křídlo pak ztrácí vztlak za současného vzrůstu odporu.

Výše uvedené nedostatky odstraní křídlo, vybavené v kritické, podtlakové části svého povrchu jednou či více vírovými drážkami spirálovitého profilu s ostrou hranou (12) v bodu A, dle obr. 1.

Dostatečná ostrost této hrany (cca 15 až 20°) je podmínkou vytvoření stabilního stojatého víru v dutině drážky a přisátí mezní vrstvy i obtékajícího proudění k povrchu křídla.

Část křivky tvořící profil vírové drážky mezi body A a C na obr. 1. je exponenciální spirála s rovnicí:

R=Ro^Xexp(omega/c), (1) kde Ro, rádius spirály v průsečíku se svislou osou y, je 15 až 17 % hloubky H drážky, omega je úhel v radiánech od vertikály procházející počátkem polárních souřadnic a konstanta c=2 (pozn:

pro c>2 bude drážka sevřenější, pro c<2 bude otevřenější). Počátek polárních souřadnic spirály (1) má od bodu A v obr. 1 horizontální souřadnici M_o = 0,8R<, a vertikální souřadnici -1,1 Rq. Hloubka H drážky je přitom zhruba 50 % šířky L drážky; šířka L je zvolena v rozmezí 5 až 15 % hloubky křídla S (obr. 2).

Od inflexního bodu C pokračuje profil až do bodu B kruhovým obloukem o poloměru K cca 2,5H.

Nejlépe se vírové drážky uplatní u turbín vystavených příčnému větru (typu Darrieus se svislou osou); vlivem stojatých vírů v navrhovaných drážkách budou ztráty výkonu v důsledku příliš pomalého běhu nebo náhlých poryvů větru podstatně menší.

Možnému odtržení proudnic jsou u výše zmíněných turbín střídavě vystaveny obě strany lopatek; proto budou vírové drážky na obou stranách lopatek (obr. 2 a 3).

U křídla letadla samozřejmě postačí jedna či více drážek na jeho horní ploše (obr. 4, 5 a 6).

Zakřivené vírové drážky na obr. 5 vytvoří soustavu indukovaných vírů, připomínajících tzv. „podkovovité víry“ známé u křídel letadel. Půdorys těchto drážek může mít tvar kruhového oblouku nebo i jiné křivky (např. kuželosečky).

-2CZ 298566 B6

Optimální rozteč dvou typů vírových drážek znázorněných na obr. 5 bude možno určit z numerického modelu obtékání tak, aby konečný poměr vztlaku k odporu byl co největší.

U více řad vzájemně odsazených elementárních vírových drážek, ať už rovného (obr. 6) či zakři5 veného půdorysu, lze očekávat další zvýšení kritického úhlu náběhu k „přetažení“ křídla nebo lopatky, a tedy i vzrůst maximálního součinitele vztlaku.

Na obr. 6 je patrno vytvoření vírového vyhloubení u odtokové hrany profilu, které má zamezit odtrhávání proudnic od křídla v okolí odtokové hrany. Tím lze předejít odtržení proudnic od ío odtokové hrany (trailing edge stali) a dramatické ztrátě vztlaku.

K vytváření a stabilizaci víru ve vírové drážce podle obr. 7 přispěje vyfukování, popř. odsávání vzduchu. Tato varianta je vhodná zvláště pro větší zařízení. Kombinací odsávání a vyfukování lze docílit optimálního obtékání křídla, nebo regulovat běh větrných turbín.

Přehled obrázků na výkresech

Výchozí tvar průřezu vírové drážky, použitý ve všech provedeních technického řešení, je zadán 20 v obr. 1. Typická rozmístění jedné či více drážek na obou stranách křídla souběžně s náběžnou hranou znázorňuje obr. 2.

Na obr. 3 přední drážky probíhají celým rozpětím křídla, zatímco další drážky jsou ukončeny zkosením po směru obtékání křídla.

Obr. 4 ukazuje obloukovitý výběh drážky na obou koncích křídla a vložený detail kořenů dvou paralelních drážek na vrchní straně téhož křídla.

Rada jednotlivých drážek obloukovitého půdorysu s několika detailními průřezy je vidět na 30 obr. 5.

Obr. 6 ukazuje více řad navzájem odsazených rovných segmentů elementárních drážek a rovněž vírová vyhloubení u odtokové hrany křídla podobného spirálovitého tvaru jako základní drážka (viz obr. 1).

Konečně obr. 7 představuje eventuální zavedení dodatečného vyfukování, resp. odsávání vzduchu v předchozích aplikacích vírové drážky, přičemž v obr. 7 je zobrazeno i mírné vyhloubení v povrchu křídla těsně před hranou vírové drážky.

Příklady provedení vynálezu

Nejlepším příkladem je uspořádání vírových drážek 2 (podrobně popsaných v části „Podstata technického řešení“ a na obr. 1) na symetrickém profilu (NACA 0018) křídla i na obr. 2 a 3, tvořícím například lopatku větrné turbíny. Vírové drážky 2 jsou tu rovnoběžné s náběžnou hranou 5 křídla J_ a v celé jejich délce se vytvoří stacionární víry.

Vírové drážky 2 mohou být vyhloubeny v obou stranách 3, 4 křídla i, v jedné nebo více řadách, zpravidla s minimálním odstupem 1,25-násobku šířky L vírové drážky 2 mezi jednotlivými řada50 mi.

Zvláštností uspořádání zobrazených na obr. 3 a 4 je, že vírové drážky 2 mají u konců křídla 1 směrem k odtokové hraně 6 zkosený výběh 7 nebo obloukovitý výběh 8 podobného profilu jako vírová drážka 2.

-3CZ 298566 B6

Vírové drážky 2 v povrchu křídla 1 lze rovněž uspořádat do řad tak, aby se víry v nich vzniklé navzájem příznivě skládaly v tzv. podkovovité víry. Příklad dvou typů obloukovitých vírových drážek 15, 1_6 s půdorysem kruhové úseěe je znázorněn na obr. 5.

Uspořádání více řad kratších rovných vírových drážek 22 je zřejmé z obr. 6. Z konstrukčních, či pevnostních důvodů přerušované rovné vírové drážky 22 v po sobě následujících řadách jsou diagonálně odsazeny; takové uspořádání může navíc vést i k optimálnímu rozložení vírů v povrchu křídla i a tak ještě účinněji zamezit odtrhávání proudění v celém rozsahu hloubky S křídla 1 nebo lopatky.

Obr. 6 rovněž znázorňuje eventuální zavedení vírových vyhloubení 21 před odtokovou hranou 6 křídla i. Tato vírová vyhloubení 21 mohou být rovněž přerušovaná a jsou zhruba dvakrát větší než vírové drážky 2.

Do všech výše zmíněných vírových drážek 2, 15, 16, 22, jakož i vírového vyhloubení 21, lze dodatečně zavést vyfukování tryskami 31 a/nebo odsávání odsávacími otvory 32. Z typického uspořádání na obr. 7 je patrno, že trysky 31 jsou nasměrovány v podstatě tečně ke dnu vírové drážky 2, a odsávací otvoiy 32 jsou v těsné blízkosti přechodu vírové drážky 2 zpět do povrchu křídla 1.

V alternativním řešení, rovněž na obr. 7, je mírně vyhloubena i část křídla 1 těsně před hranou 12, která je tak ještě ostřejší (<15°). Poloměr křivosti J takto vzniklého vybrání lije minimálně čtyřnásobkem hloubky drážky H.

-4CZ 298566 B6

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

5 1. Křídlo (1) aerodynamického zařízení s vírovými drážkami, které je opatřeno alespoň jednou drážkou (2), která probíhá v podstatě souběžně s náběžnou hranou (5) křídla (1) v alespoň jedné ze stran (3, 4) křídla (1), vyznačující se tím, že profil drážky (2) je tvořen kombinací exponenciální spirály (13) a kruhového oblouku (14) tak, že spirála (13) protíná původní profil křídla (1) pod ostrým úhlem v bodu (A) na hraně (12), a oblouk (14) navazující na spirálu ío v inflexním bodu (C) vybíhá v podstatě tečně zpět na povrch křídla (1) v bodu (B), přičemž šířka (L) vírové drážky (2) je v rozmezí od 5 do 20 % hloubky (S) křídla (1) a hloubka (H) vírové drážky (2) je rovna přibližně polovině šířky (L) vírové drážky (2).
2. Křídlo (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že povrch křídla (1) je před víro15 vou drážkou (2) opatřen vybráním (11), přičemž toto vybrání (11) tvoří s vírovou drážkou (2) ostrou hranu (12) v bodu (A), přičemž poloměr (J) vybrání (11) je zhruba dvojnásobkem šířky (L) vírové drážky (2).
3. Křídlo (1) podle kteréhokoli z nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že podél

20 alespoň jedné vírové drážky (2) jsou uspořádány v pravidelných intervalech trysky (31) a/nebo odsávací otvory (32), přičemž trysky (31) jsou nasměrovány v podstatě tečně ke dnu vírové drážky (2), a odsávací otvory (32) jsou v těsné blízkosti přechodu vírové drážky (2) zpět do povrchu křídla (1).

25
4. Křídlo (1) podle kteréhokoli z nároků laž3, vyznačující se tím, že vírové drážky (2) jsou vyhloubeny v obou stranách (3, 4) křídla (1) v jedné nebo více řadách, a to buď ve stejných, anebo odlišných vzdálenostech od náběžné hrany (
5) křídla (1), přičemž po sobě následující vírové drážky (2) mají mezi sebou odstup minimálně 1,25-násobku své šířky (L).

30 5. Křídlo (1) podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že vírové drážky (2) mají u konců křídla (1) směrem k odtokové hraně (6) zkosený výběh (7) nebo obloukovitý výběh (8) podobného profilu jako vírová drážka (2).
6. Křídlo (1) podle kteréhokoli z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že je dále opat35 řeno jednou nebo více řadami přerušovaných rovných vírových drážek (22) nebo jednotlivých obloukovitých vírových drážek (15, 16), přičemž rovné vírové drážky (22) nebo obloukovité vírové drážky (15, 16) v po sobě jdoucích řadách jsou vzájemně diagonálně odsazeny.
7. Křídlo (1) podle kteréhokoli z nároků laž6, vyznačující se tím, že těsně před

40 odtokovou hranou (6) křídla (1) je uspořádáno vírové vyhloubení (21), které má podobný profil jako vírová drážka (2).

6 výkresů