DE202011100733U1

DE202011100733U1 - Verminderung des Reibungswiderstands durch Einblasen von Heißgas in die Strömungsgrenzschicht des Flugzeugrumpfs

Info

Publication number: DE202011100733U1
Application number: DE202011100733U
Authority: DE
Original assignee: Kortz Sebastian Dr Ing 65719
Current assignee: Kortz Sebastian Dr Ing 65719
Priority date: 2011-05-14
Filing date: 2011-05-14
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2021-05-15
Also published as: WO2012156828A1

Abstract

Erhöhung der Grenzschichttemperatur durch Einblasen eines Heißgases in die Strömungsgrenzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißgas ein Gas von derselben oder ähnlicher oder Beschaffenheit ist wie das Medium, das die Oberfläche umströmt (Luft), mit der wesentlichen Eigenschaft, daß seine Temperatur so weit über der Temperatur des Strömungsmediums liegt, daß sich der Reibungswiderstand des umströmten Körpers verringert.

Description

1. Bezeichnung der Erfindung
Verminderung des Reibungswiderstands durch Einblasen von Heißgas in die Strömungsgrenzschicht des Flugzeugrumpfs.
2. Stand der Technik
Bei modernen Verkehrsflugzeugen beträgt der Anteil des Reibungswiderstands am Gesamtwiderstand etwa 50%. Neben den verschiedenen bekannten Methoden zur Verminderung des Reibwiderstandsanteils, wie der Verzögerung des laminar-turbulenten Umschlags, der Beeinflussung des Turbulenzwiderstandsanteils durch sog. „Riblets” oder Grenzschichtabsaugung untersuchten Kramer et al. [1] in Windkanal- und Flugversuchen die Möglichkeit zur Reibwiderstandsminderung durch Erwärmung der Grenzschicht mittels Beiheizung der umströmten Oberfläche. Bei niedrigen Reynoldszahlen erwies sich dafür die Erhöhung der Wandtemperatur als wirksames Mittel zur Reduzierung des Reibwiderstands in einer Größenordnung von ca. 20%. Aufgrund des hohen konvektiven Wärmeübergangs im Reiseflug eines modernen Verkehrsflugzeugs ist diese Lösung nur bei niedrigen bzw. mittleren Reynoldszahlen wirksam, da nur dann die Wandtemperatur in ausreichendem Maß über die Temperatur der umströmenden Luft gebracht werden kann.
3. Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt anstatt der Beheizung der umströmten Oberfläche das Einblasen von Heißgas in die Strömungsgrenzschicht des Flugzeugrumpfs vor. Heißgas kann ein Gas von derselben Beschaffenheit wie das Strömungsmedium (Luft) sein, aber mit der wesentlichen Eigenschaft, daß seine Temperatur soweit über der Temperatur des Strömungsmediums leigt, daß der Reibungswiderstand vermindert wird. Als Heißgasquelle kann die Abluft des Wärmetauschers (Precooler) verwendet werden, mit der z. B. bei der B747-400 und anderen Flugzeugmustern die heiße Triebwerkszapfluft mit Hilfe eines geringen Teils der Abluft des Triebwerksnebenstroms um ca. 50° heruntergekühlt wird. Die dadurch erwärmte Abluft des Wärmetauschers wird mit Hilfe eines geeigneten Rohrleitungssystems durch die Triebwerksgondel und im anschließend im Bereich des Flügelvorder- oder hinterholms an den Flugzeugrumpf herangeführt. Von dort wird das Heißgas an geeigneter Stelle entweder nur singulär oder falls wirksamer an mehreren Abschnitten des Flugzeugrumpfs umfänglich kontinuierlich oder diskret über zu definierende geeignete Zuführungen von außen, um die Rumpfstruktur nicht zu schwächen, oder falls vorteilhafter von innen, um die Grenzschicht nicht zu stören, der Grenzschicht des Flugzeugrumpfs zugeführt. Aufgrund des hohen dynamischen Drucks der Rumpfströmung wird die Grenzschichtdicke durch den Heißgasfilm voraussichtlich nicht wesentlich und damit nicht reibwiderstandsschädlich erhöht.
4. Das Neue an der Erfindung
Das wesentlich Neue der Erfindung ist also die Methode, die Grenzschichttemperatur durch Zuführung bzw. Einblasen einer geringen Menge Heißgas (Heißgasfilm) zu erhöhen. Diese Methode hat den Vorteil, daß sie den extremen konvektiven Wärmeübergang von der Oberfläche an die Strömung mit Hilfe des Heißgasfilms unterbindet, und gleichzeitig die Grenzschicht erwärmt.
5. Vorteile durch die Erfindung gegenüber dem Stand der Technik
Der Stand der Technik ermöglicht es nicht, die Grenzschichttemperatur eines Verkehrsflugzeugs bei hohen Reynoldszahlen so zu erhöhen, daß ein signifikanter Einfluß auf den Reibungswiderstand auftritt. Die oben beschriebene Erfindung hat den Vorteil, daß sie den extremen konvektiven Wärmeübergang von der Oberfläche an die Strömung mit Hilfe des Heißgasfilms unterbindet, und gleichzeitig die Grenzschicht erwärmt, so daß die Beheizung der Wand (Flugzeugaußenhaut) entfällt.
6. Entwicklungsstadium der Erfindung
Die Erfindung ist noch nicht erprobt worden. Ein Modellversuch ist geplant.
7. Wirtschaftliche Perspektiven für die Erfindung
Aufgrund eigener Berechnungen auf Basis der von Kramer et al. vorgestellten Beziehungen und unter konservativer Berücksichtigung des Schubverlustes durch die Entnahme eines geringen Teils des Triebwerksnebenstroms ist mit einer Reduzierung des Gesamtwiderstands von Verkehrsflugzeugen im Reiseflug in der Größenordnung von mindestens 5% zu rechnen, was einer Verminderung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen in eben dieser Größenordnung entspricht.
8. Referenzen

[1] Drag Reduction Experiments using Boundary Layer Heating, Brian R. Krameer, Brooke C. Smith, Joseph P. Held, Gregory K. Noffz, David M. Richwine, Terry Ng., American Institute of Aeronautics and Astronautics AIAA-99-0134 (copyright 1998 by the Eidetics Corporation)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kramer et al. [0002]
Kramer et al. [0007]

Claims

Erhöhung der Grenzschichttemperatur durch Einblasen eines Heißgases in die Strömungsgrenzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißgas ein Gas von derselben oder ähnlicher oder Beschaffenheit ist wie das Medium, das die Oberfläche umströmt (Luft), mit der wesentlichen Eigenschaft, daß seine Temperatur so weit über der Temperatur des Strömungsmediums liegt, daß sich der Reibungswiderstand des umströmten Körpers verringert.
Erhöhung der Grenzschichttemperatur durch Einblasen eines Heißgases in die Strömungsgrenzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge und Geschwindigkeit des Heißgasstromes so gewählt werden, daß die Verringerung des Reibungswiderstands aufgrund der Erhöhung der Grenzschichttemperatur durch das Heißgas nur minimal geschädigt wird.
Erhöhung der Grenzschichttemperatur durch Einblasen eines Heißgases in die Strömungsgrenzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißgas singulär oder mehrfach kontinuierlich umfänglich in die Grenzschicht eingeblasen wird.
Erhöhung der Grenzschichttemperatur durch Einblasen eines Heißgases in die Strömungsgrenzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass als Heißgasquelle die Abluft des Wärmetauschers (Precooler) verwendet wird, mit der die heiße Triebwerkszapfluft heruntergekühlt wird.
Erhöhung der Grenzschichttemperatur durch Einblasen eines Heißgases in die Strömungsgrenzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißgas entweder von innen durch die Wand in die Grenzschicht eingeblasen wird oder von außen in die Grenzschicht eingebracht wird.