FR2492338A1 - METHOD FOR REDUCING THE TOTAL RESISTANCE OF AIRCRAFT - Google Patents
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Abstract
PROCEDE DE REDUCTION DE LA RESISTANCE TOTALE DES AVIONS SELON LE PRINCIPE DE L'AUGMENTATION ACTIVE DE L'EPAISSEUR DE LA COUCHE LIMITE. DES TURBINES EOLIENNES 14 SONT PLACEES DEVANT LE BORD D'ATTAQUE 11A DES AILES ET A LA POINTE 10A DU FUSELAGE, TURBINES DANS LE SILLAGE DESQUELLES SE TROUVENT LES SURFACES DE L'AVION EXPOSEES A L'ECOULEMENT. LA PUISSANCE SUR L'ARBRE DES TURBINES EOLIENNES EST TRANSMISE, PAR DES ARBRES DE LIAISON 14A DISPOSES DANS L'AILE 11 ET DANS LE FUSELAGE 10, POUR ETRE CONVERTIE EN UNE FORCE DE PROPULSION, A DES HELICES 15 PLACEES DANS LA ZONE DU BORD DE FUITE 11B DES AILES ET DANS LA QUEUE 10B DU FUSELAGE.PROCESS FOR REDUCING THE TOTAL RESISTANCE OF AIRCRAFT ACCORDING TO THE PRINCIPLE OF ACTIVE INCREASE IN THE THICKNESS OF THE BOUNDARY LAYER. WIND TURBINES 14 ARE PLACED IN FRONT OF THE LEADING EDGE 11A OF THE WINGS AND AT THE POINT 10A OF THE FUSELAGE, TURBINES IN THE WAKE OF WHICH ARE THE SURFACES OF THE AIRCRAFT EXPOSED TO THE FLOW. THE POWER ON THE WIND TURBINES SHAFT IS TRANSMITTED, BY LINK SHAFTS 14A ARRANGED IN THE WING 11 AND IN THE FUSELAGE 10, TO BE CONVERTED INTO A PROPULSION FORCE, TO PROPELLERS 15 PLACED IN THE AREA OF THE EDGE OF THE LEAK 11B OF THE WINGS AND IN THE TAIL 10B OF THE FUSELAGE.
Description
"Procédé de réduction de la résistance totale des avions.""Method of reducing the total resistance of airplanes."
La présente invention concerne un procédé pour réduire la The present invention relates to a method for reducing the
résistance totale des avions selon le principe de l'augmenta- total resistance of aircraft according to the principle of
tion active de l'épaisseur de la couche limite. active layer thickness.
On sait que la couche limite turbulente a pour caracté- We know that the turbulent boundary layer has the following characteristics:
ristique que l'augmentation de son épaisseur s'accompagne d'une that the increase in its thickness is accompanied by a
diminution de la résistance ou traînée de frottement, en pré- reduction of the resistance or drag of friction, in pre-
sence d'une paroi hydrauliquement lisse. On pourrait donc ré- the presence of a hydraulically smooth wall. We could therefore
duire la traînée de frottement d'un avion en insérant la sur- drag the drag of an airplane by inserting the
face exposée à l'écoulement dans une couche limite épaissie face exposed to flow in a thickened boundary layer
à proximité du bord d'attaque. Cependant, lorsque l'augmenta- near the leading edge. However, when the increase
tion de l'épaisseur de la couche limite est obtenue par des moyens passifs, la résistance ou traînée de pression ou de forme due à ces moyens dépasse de plusieurs fois la réduction the thickness of the boundary layer is obtained by passive means, the resistance or drag of pressure or shape due to these means exceeds by several times the reduction
obtenue sur la traînée de frottement. La résistance aérodyna- obtained on the drag of friction. Aerodynamic resistance
mique d'un véhicule, laquelle se compose de la traînée de of a vehicle, which consists of the
pression et de la traînée de frottement, ne peut par consé- pressure and friction drag, can not
quent pas être réduite par l'augmentation passive de l'épais- not be reduced by the passive increase in
seur de la couche limite.boundary layer.
La demande de brevet allemand 24 28 683 se rapporte à des véhicules non effilés ou à arêtes vives, pour lesquels la réduction de la résistance doit être obtenue par un carénage aérodynamique de la carrosserie non effilée. Ce document ne German Patent Application 24 28 683 relates to non-sharpened or sharp-edged vehicles, for which the reduction of the resistance must be obtained by an aerodynamic fairing of the untapered bodywork. This document
porte pas sur la traînée de frottement ni ne vise à en obte- does not aim at the frictional drag nor is it aimed at
nir la réduction.reduce reduction.
Par le brevet allemand 603 034, on connaît une turbine éolienne destinée à permettre d'obtenir une augmentation de la portance par le fait que de l'air comprimé est dirigé à From German Patent 603,034, a wind turbine is known to allow to obtain an increase of the lift by the fact that compressed air is directed to
travers des tuyères sur la face supérieure de la voilure. Ce- through nozzles on the upper face of the wing. This-
pendant, le turbo-ventilateur représenté ne peut pas provoquer une réduction de la résistance totale - et n'est du reste pas prévu à cet effet -, car la turbine de poussée est exposée à la pleine pression dynamique de l'admission libre. On ne peut donc pas obtenir une amélioration de la poussée, car le rotor de propulsion n'est pas disposé dans le sillage de la turbine éolienne. Ce n'est que dans le cas, proposé par la présente invention, que l'impulsion à l'admission et, de ce fait, la during, the turbo-fan shown can not cause a reduction in the total resistance - and is not provided for this purpose - because the thrust turbine is exposed to the full dynamic pressure of the free intake. It is therefore not possible to obtain an improvement in the thrust, because the propulsion rotor is not disposed in the wake of the wind turbine. It is only in the case proposed by the present invention that the impulse on admission and, therefore, the
résistance à l'admission du générateur de poussée sont sensi- resistance to the thrust generator intake are sensi-
blement inférieures à la force de tramnée iV 0 provenant de lower than the iV 0 tracer force from
l'impulsion à l admission en cas d'admission non perturbée. impulse at admission in case of undisturbed admission.
L'état actuel des connaissances techniques, auquel il y a encore lieu d'ajouter le brevet allemand 542 471, la de- mande de brevet allemand 25 06 974 et le brevet US 4 149 688, n'avait jusqu'ici indiqué aucune possibilité pour obtenir The current state of the art, to which the German Patent 542,471, the German Patent Application 25,06,974 and the US Pat. No. 4,149,688, still have not indicated any possibility. to get
une réduction sensible de la traînée. a significant reduction in drag.
La présente invention a pour objet d'obtenir une réduc- The object of the present invention is to obtain a reduction
tion sensible de la résistance ou traînée d'un avion, par l'augmentation active de l'épaisseur de la couche limite, et de convertir en une force de propulsion la puissance sur the resistance or drag of an airplane, by actively increasing the thickness of the boundary layer, and converting the power
l'arbre ainsi engendrée.the tree thus generated.
La présente invention permet d'atteindre cet objectif par le fait que des turbines éoliennes sont placées devant The present invention achieves this objective by the fact that wind turbines are placed in front of
le bord d'attaque des ailes et à la pointé du fuselage, tur- the leading edge of the wings and at the end of the fuselage, tur-
bines dans le sillage desquelles se trouvent les surfaces de l'avion exposées à l'écoulement et dont la puissance sur l'arbre est transmise, par des arbres de liaison disposés dans l'aile et dans le fuselage, et pour être convertie en une force de propulsion, à des hélices placées dans la zone in the wake of which the surfaces of the aircraft exposed to the flow and whose power on the shaft is transmitted, by connecting shafts arranged in the wing and in the fuselage, and to be converted into a propulsion force, to propellers placed in the area
du bord de fuite des ailes ou de la queue du fuselage. the trailing edge of the wings or tail of the fuselage.
Selon une autre caractéristique du procédé proposé par According to another characteristic of the process proposed by
la présente invention, et pour obtenir un rendement de pro- the present invention, and to obtain a yield of
pulsion aussi élevé que possible, les hélices fonctionnent entièrement dans le creux du sillage, à pression totale, de l'avion, la surface des hélices étant réduite, dans la zone de la pointe des pales, par rapport à la surface située dans As high as possible, the propellers operate entirely in the trough of the wake, at full pressure, of the aircraft, the surface of the propellers being reduced, in the zone of the tips of the blades, with respect to the surface located in the
la zone des pieds des pales, et une répartition aussi unifor- the blade feet area, and a uniform distribution of
me que possible de la vitesse étant de ce fait obtenue en as much as possible of the speed being thereby obtained in
aval de l'avion.downstream of the plane.
Selon une autre caractéristique du procédé proposé par According to another characteristic of the process proposed by
la présente invention, l'avion est propulsé à l'aide de grou- the present invention, the aircraft is propelled by means of group
pes turbo-propulseurs par l'intermédiaire d'arbres d'entrai- turbo-propulsion pumps through drive shafts
nement, d'un mécanisme de transmission, d'un arbre de liaison a transmission mechanism, a linkage shaft
et d'une hélice de queue.and a tail propeller.
Selon une autre caractéristique du procédé proposé par la présente invention, les rapports des surfaces aux turbines According to another characteristic of the method proposed by the present invention, the ratios of the surfaces to the turbines
éoliennes est choisi de telle manière que H/ry iv 7. wind turbines is chosen in such a way that H / ry iv 7.
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la The present invention will be better understood by means of the
description détaillée d'un mode de mise en oeuvre du présent detailed description of a mode of implementation of this
procédé, pris comme exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une vue en plan d'un avion conçu selon la présente invention; - la figure 2 est un croquis illustrant le principe de l'augmentation active de l'épaisseur de la couche limite, à l'aide d'un rotor réalisé sous forme de turbine éolienne; - la figure 3 est un diagramme donnant une comparaison des profils de vitesse en aval de la turbine éolienne avec le profil de la couche limite présentant une même épaisseur de quantité des mouvements; - la figure 4 est un diagramme indiquant l'influence du rapport des surfaces aux turbines éoliennes sur le rapport des puissances d'entraînement, pour le cas o il y a identité entre la poussée et la traînée ou résistance; - la figure 5 est un diagramme qui montre la relation entre le rapport des puissances d'entraînement et le paramètre "augmentation de l'épaisseur de la couche limite"; - la figure 6 est un diagramme qui indique l'influence des trois rendements X T' t P et, TW sur le rapport des puissances dans le cas o il y a identité entre la poussée et la traînée, et - la figure 7 est un diagramme indiquant le rapport des method, taken as a non-limiting example and illustrated by the accompanying drawing, in which: - Figure 1 is a plan view of an aircraft designed according to the present invention; FIG. 2 is a sketch illustrating the principle of the active increase in the thickness of the boundary layer, using a rotor made in the form of a wind turbine; FIG. 3 is a diagram giving a comparison of the velocity profiles downstream of the wind turbine with the profile of the boundary layer having the same thickness of quantity of the movements; FIG. 4 is a diagram indicating the influence of the ratio of the surfaces to the wind turbines on the ratio of the driving powers, in the case where there is identity between the thrust and the drag or resistance; FIG. 5 is a diagram which shows the relationship between the ratio of the driving powers and the parameter "increase of the thickness of the boundary layer"; FIG. 6 is a diagram which indicates the influence of the three yields XT 't P and, TW on the ratio of the powers in the case where there is identity between the thrust and the drag, and FIG. 7 is a diagram. indicating the ratio of
valeurs de traînée ou de résistance, pour le cas d'une identi- values of drag or resistance, for the case of an identification
té entre la puissance de la turbine et la puissance de l'hé- between the power of the turbine and the power of the
lice, et le rapport des puissances pour le cas o il y a iden- lice, and the report of the Powers for the case where there is
tité entre la poussée et la traînée. between thrust and drag.
Le concept général de la présente invention prévoit d'ob- The general concept of the present invention provides for
tenir, avec des moyens actifs, sous la forme d'une turbine éolienne, une augmentation de l'épaisseur de la couche limite, la puissance excédentaire de ces turbines éoliennes, placées dans la zone du bord d'attaque des ailes d'un avion, étant transmise, par l'intermédiaire d'arbres de liaison, à des hélices placées dans la zone du bord de fuite, et utilisée to hold, with active means, in the form of a wind turbine, an increase in the thickness of the boundary layer, the excess power of these wind turbines, placed in the area of the leading edge of the wings of an airplane , being transmitted, via connecting shafts, to propellers placed in the trailing edge area, and used
pour la propulsion.for propulsion.
La figure 1 représente un exemple de réalisation. Un avion , propulsé par deux turbo-propulseurs 13, comporte, à son nez lOa, une turbine éolienne 14, dont le rotor est relié, par l'intermédiaire d'un arbre de liaison 14a, à une hélice 15, placée à la queue lOb de l'avion. La puissance sur l'arbre des Figure 1 shows an exemplary embodiment. An aircraft, powered by two turbo-boosters 13, comprises, at its nose 10a, a wind turbine 14, whose rotor is connected, via a connecting shaft 14a, to a propeller 15, placed at the tail lOb of the plane. The power on the tree of
deux groupes turbo-propulseurs est transmise, par l'intermé- two turbo-propulsion units are transmitted, via
diaire d'arbres transversaux 14b, d'un mécanisme de transmis- of transverse trees 14b, a transmission mechanism
sion 16, et de l'arbre de liaison 14a, à l'hélice de propul- 16, and the connecting shaft 14a, to the propulsion propeller.
sion 15.sion 15.
Des dispositifs à rotors similaires sont disposés des Devices with similar rotors are arranged
deux côtés du fuselage de l'avion sur les voilures 11, à sa- two sides of the fuselage of the aircraft on the wings 11, to
voir sur le bord d'attaque lia des ailes les turbines éolien- see on the leading edge lia wings the wind turbines-
nes 14, et sur le bord de fuite llb des ailes les hélices 15, chaque turbine et chaque hélice étant respectivement reliées par un arbre de liaison 14a. Dans ce cas, aucune puissance d'entrainement supplémentaire n'est cependant apportée aux 14, and on the trailing edge llb wings propellers 15, each turbine and each helix being respectively connected by a connecting shaft 14a. In this case, however, no additional training power is provided to the
paires de rotors.pairs of rotors.
En partant du fait que la couche limite turbulente a Starting from the fact that the turbulent boundary layer has
pour caractéristique que l'augmentation de son épaisseur s'ac- characteristic that the increase of its thickness
compagne d'une diminution de la traînée de frottement, en présence d'une paroi hydrauliquement lisse, les conditions suivantes peuvent être appliquées à la plaque plane >5 g W (1v = 0,012 y v 2 ( V)1 4 (1) ou avec J (X) = 0,036 x 0,8 (V/Voo)0'2 (2) In the presence of a hydraulically smooth wall, the following conditions can be applied to the flat plate> 5 g W (1v = 0.012 yv 2 (V) 1 4 (1) or with J (X) = 0.036 x 0.8 (V / Vo) 0'2 (2)
J W(>) = 0,0288ç V-2 () 0,2 (3)J W (>) = 0.0288c V-2 () 0.2 (3)
Dans ces équations, r W désigne la tension de poussée In these equations, r W denotes the boost voltage
à la paroi, J l'épaisseur de quantité de mouvement de la cou- at the wall, the thickness of the momentum of the
che limite, etY9 =,ulp la viscosité cinématique de l'air. limit, etY9 =, ulp the kinematic viscosity of the air.
L'équation (3) montre que le frottement à la paroi, au bord de fuite de la plaque, n'est que de 87 % de la valeur correspondante pour x = 0,5 L et de 63 % de la tension de poussée à la paroi pour x = 0,1 L. Il en ressort que la traînée de frottement d'un avion se trouve considérablement réduite lorsque, conformément à la proposition selon la présente invention, la surface exposée à l'écoulement est insérée dans une couche limite épaissie dans la zone du bord d'attaque. Si, cependant, cette augmentation de l'épaisseur de la couche limite est obtenue à l'aide de moyens passifs, la traînée de pression ou de forme due à ces moyens dépasse alors de plusieurs fois le gain ou l'économie que l'on réalise sur la traînée de frottement. Par les mesures proposées suivant Equation (3) shows that the friction at the wall, at the trailing edge of the plate, is only 87% of the corresponding value for x = 0.5 L and 63% of the pushing pressure at the wall for x = 0.1 L. It follows that the drag of an aircraft is considerably reduced when, according to the proposal according to the present invention, the surface exposed to the flow is inserted in a boundary layer. thickened in the leading edge area. If, however, this increase in the thickness of the boundary layer is obtained using passive means, the pressure or shape drag due to these means then exceeds by several times the gain or economy that one realizes on friction drag. By the following proposed measures
la présente invention, la traînée de frottement se trouve ré- the present invention, friction drag is found in
duite, dans le cas des avions, de 35 à 50 % avec un supplément in the case of aircraft, from 35 to 50% with a supplement
de poids relativement minime.of relatively minimal weight.
Une analyse, qui fait l'objet d'une représentation sché- An analysis, which is the subject of a
matique à la figure 2, permet d'expliquer plus clairement la in Figure 2, makes it possible to explain more clearly the
présente invention. L'étude porte sur l'écoulement incompres- present invention. The study focuses on the incomprehensible flow
sible et uniforme autour d'une plaque mince, sans incidence, de longueur L, sur le bord d'attaque de laquelle se trouve sible and uniform around a thin plate, without incidence, length L, on the leading edge of which is
une turbine éolienne 14, non carénée, de hauteur 2H, la pres- a wind turbine 14, not faired, of height 2H, the pres-
sion totale se trouvant abaissée, dans la turbine éolienne 14, total pressure being lowered in the wind turbine 14,
de la valeur 1/2 P&V2 - (V.0 -of value 1/2 P & V2 - (V.0 -
Dans le plan du rotor de la turbine, la vitesse d'écou- In the rotor plane of the turbine, the speed of
lement est égale à: V = V00 - Au/2. La masse d'air tT cède, par unité de temps, une quantité d'énergie déterminée, de is equal to: V = V00 - Au / 2. The mass of air yields, per unit of time, a determined amount of energy,
sorte que, pour la puissance PT sur l'arbre l'équation sui- so that for the power PT on the shaft the following equation
vante est applicable: PT = pH Au (V00 - Cu/2).T (4) is applicable: PT = pH Au (V00 - Cu / 2) .T (4)
IT désignant le rendement de la turbine. A partir du théorè- IT designating the efficiency of the turbine. From the theorem
me de la conservation de la quantité de mouvement, on obtient alors, pour la résistance du rotor WT = ihT Su = fH LSu(V -Cu/2) (5) En aval de la turbine éolienne, la vitesse d'écoulement baisse à la valeur V00 -b u. A cet endroit, le sillage de la turbine éolienne a une hauteur de In the case of the conservation of the momentum, the rotor resistance WT = ihT Su = fH LSu (V -Cu / 2) (5) downstream of the wind turbine, the flow velocity drops to the value V00 -b u. At this point, the wake of the wind turbine has a height of
H. (VOO - Du/2)/(Voo - u).H. (VOO - Du / 2) / (Voo - u).
Le creux du sillage présente une épaisseur de quantité de mouvement de: VK =.2V1_ u ) H. Si l'on néglige la transition du profil de la couche limite de la forme rectangulaire directement en aval de la turbine éolienne (figure 2) à la forme connue de la couche limite turbulente pleinement constituée, u(y) ç y) 1/7 The trough of the wake has a momentum thickness of: VK = .2V1_ u) H. If we neglect the transition from the profile of the boundary layer of the rectangular shape directly downstream of the wind turbine (Figure 2) to the known form of the fully constituted turbulent boundary layer, u (y) ç y) 1/7
V - -O (6)V - -O (6)
Vo oVo o
on peut admettre, pour le calcul ultérieur de la couche limi- it may be assumed, for the subsequent calculation of the
te, que celle-ci se comporte, entre le bord d'attaque et le bord de fuite, comme si son origine se situait au point x = -L = - (2"VK<)5/4 Vo 001/4 that it behaves between the leading edge and the trailing edge, as if its origin was at the point x = -L = - (2 "VK <) 5/4 Vo 001/4
O 0,036 3O 0.036 3
0 Au bord de fuite de la plaque, l'épaisseur de quantité de mou- 0 At the trailing edge of the plate, the thickness of the mold
vement est alors de: -then is: -
K = 0, 036 (L + L)' ( / Voo) 0,2 (7) K = 0. 036 (L + L) '(/ Voo) 0.2 (7)
HK =006 L0HK = 006 L0
A partir de cette valeur, on calcula la traînée de frotte- From this value, the friction drag was calculated.
ment WR: WR = 2 v(HK -vK) (8) Le profil de vitesse de la couche limite selon l'équation (6) est donné par: WR: WR = 2 v (HK-vK) (8) The velocity profile of the boundary layer according to equation (6) is given by:
SHK 7 HKSHK 7 HK
et l'on peut calculer, à partir des équations (6) et (9), la répartition des vitesses, directement avant l'hélice de queue, 15. L'hélice unique est conçue de telle manière que l'air qui s'écoule dans le "tube de courant" prend une vitesse de V loin en aval de l'avion. L'augmentation de la vitesse est obtenue par une élévation de la pression totale dans le rotor, and from equations (6) and (9), the velocity distribution can be calculated directly before the tail propeller, 15. The single helix is designed in such a way that the air which flows into the "current tube" takes a speed of V far downstream of the plane. The increase of the speed is obtained by an increase of the total pressure in the rotor,
élévation qui est égale à: -elevation which is equal to: -
1p E 2V u2 (y) 2P oo uHK (Y)^ On calcule à partir de là l'accroissement d'énergie de 1p E 2V u2 (y) 2P oo uHK (Y) ^ From this is calculated the energy increase of
l'air par unité de temps et l'élévation de la quantité de mou- air per unit of time and the rise in the amount of
vement de l'air, et l'on peut alors calculer la poussée Sp et air pressure, and then the thrust Sp can be calculated
la puissance Pp absorbée par l'hélice. A partir de la résis- the power Pp absorbed by the helix. From the resistance
tance de la turbine WT, de l'épaisseur de quantité de mouve- of the WT turbine, the amount of flow
ment-3 VK, de la traînée de frottement WR, de la poussée de l'hélice Sp et de la puissance Pp absorbée par l'hélice, on peut déterminer la force de propulsion résultante SRES pour PT = P ou la puissance d'entraînement Pp PT pour Sp = WT + WR. i 3-VK, friction drag WR, prop thrust Sp and power Pp absorbed by the propeller, the resulting propulsive force SRES for PT = P or the driving power can be determined. Pp PT for Sp = WT + WR. i
249Z338249Z338
Pour la puissance d'entraînement de l'avion de référence classique, l'équation suivante est applicable: P = A. Voo / o TW (10) équation dans laquelle WR désigne la résistance de la plaque plane sans augmentation de l'épaisseur de la couche limite, For the driving power of the conventional reference aircraft, the following equation is applicable: P = A. Voo / o TW (10) equation in which WR denotes the resistance of the flat plate without increasing the thickness of the boundary layer,
P la puissance d'entraînement correspondante, et X TW le ren- P the corresponding drive power, and X TW returns it
dement d'entraînement du propulseur. Le rapport des puissances d'entraînement, avec et sans augmentation de l'épaisseur de la couche limite, est donc, en vol horizontal non accéléré, égal à: Pavec 0,9 H/K 1P 4T9 <(1- A u/2Voo) (11) sans 0,036 L' (9 /Voo) /9 TW Ceci permet de constater que le rapport des puissances dépend des paramètres dimensionnelsr VK/L, T' t P' TW' propulsion drive. The ratio of the driving powers, with and without increasing the thickness of the boundary layer, is thus, in unaccelerated horizontal flight, equal to: Pavec 0.9 H / K 1P 4T9 <(1- A u / 2Voo ) (11) without 0.036 L '(9 / Voo) / 9 TW This shows that the ratio of the powers depends on the dimensional parametersr VK / L, T' t P 'TW'
H/, VK et ReL.H /, VK and ReL.
I1 faut souligner la différence fondamentale qui existe entre les rendements '9 T et ' p, d'une part, et 2 TW' d'autre part. Alors que le rendement d'entralnement VTW ne prend It is necessary to underline the fundamental difference which exists between the yields' 9 T and 'p, on the one hand, and 2 TW' on the other hand. While VTW drive performance does take
pas seulement en compte les pertes de puissance dues au frot- not only account for the power losses due to rubbing
tement, aux ondes de choc et à la rotation dans le sillage, mais aussi la perte de jet, cette perte n'est pas incluse dans les rendements des rotors T et p. Le rendement I TW des propulseurs sera donc en général sensiblement plus faible que X T et ' p. Lors du calcul de la force de résistance ou de traînée résultante WREs, pour le cas o la puissance absorbée par l'hélice est égale à la puissance de sortie de la turbine, il faut établir l'équation déterminaire pour la surface de In the wake of shock waves and spin in the wake, but also jet loss, this loss is not included in the rotors T and P yields. The efficiency I TW of the thrusters will therefore generally be substantially lower than X T and p. When calculating the resulting resistance or drag force WREs, for the case where the power absorbed by the propeller is equal to the output power of the turbine, the determining equation for the surface of the turbine must be established.
l'hélice Hp.the Hp propeller.
La figure 3 donne une comparaison des profils de vitesse en aval de la turbine éolienne, pour plusieurs valeurs du rapport des surfaces H/ 3VK, avec le profil de couche limite de meme épaisseur de quantité de mouvement, profil en lequel FIG. 3 gives a comparison of the velocity profiles downstream of the wind turbine, for several values of the ratio of the H / 3VK surfaces, with the boundary layer profile of the same momentum thickness, profile in which
se transforme le profil rectangulaire après une certaine lon- transforms the rectangular profile after a certain time
gueur d'écoulement. Pour tenir compte d'un rendement de tur- flow. To take into account a yield of tur-
bine extérieur élevé " jet = 1 - SUc/2Voo, il faudrait que H/ - VK soit choisi aussi grand que possible. Voir aussi à ce sujet la figure 4. Par ailleurs, le passage au profil de couche limite favorable du point de vue traînée demande une longueur High external jet "jet = 1 - SUc / 2Voo, H / - VK should be chosen as large as possible." See also Figure 4. In addition, the transition to the favorable boundary layer profile from the point of view drag requires a length
d'écoulement d'autant plus grande que le bord extérieur du sil- the larger the outer edge of the silencer
lage s'éloigne davantage de la paroi. Un rapide passage au profil de couche limite est assuré, par exemple, par un rap- the distance away from the wall. A quick transition to the boundary layer profile is assured, for example, by a
port de surface de H/,$VK = 7.surface port of H /, $ VK = 7.
La figure 5 montre la relation entre le rapport des puis- Figure 5 shows the relationship between the ratio of
sances et le paramètre d'augmentation de l'épaisseur de la couche limite 19VK/L pour deux combinaisons des rendements 'IQ T' 'J p et ITW On constate que, même sans augmentation and the parameter for increasing the thickness of the boundary layer 19VK / L for two combinations of the yields' IQ T '' J p and ITW It is found that even without increasing
active de l'épaisseur de la couche limite, un gain de puissan- the thickness of the boundary layer, a gain in
ce se trouve de ce fait réalisé, étant donné que l'hélice, disposée dans le "creux du sillage" de la cellule, présente, par suite de la faible vitesse d'admission, un rendement de this is therefore achieved, since the helix, disposed in the "wake trough" of the cell, has, due to the low rate of admission, a yield of
propulsion très élevé.very high propulsion.
Au fur et à mesure qu'augmente l'épaisseur de la couche limite, on enregistre un gain de puissance supplémentaire, qui atteint une valeur maximale pour un rapport déterminé As the thickness of the boundary layer increases, an additional power gain is recorded, which reaches a maximum value for a given ratio.
des épaisseurs. Lorsque l'augmentation de l'épaisseur se pour- thicknesses. When the increase in thickness is
suit, la puissance d'entraînement recommence cependant à s'accroître, étant donné qu'alors les pertes de puissance dans les deux rotors se font sentir, dans une mesure toujours pmus forte. D'une façon générale, il faut dire que le rapport des épaisseurs le plus favorable, du point de vue puissance ( 5 VK/L)opt. est d'autant plus grand que les pertes dans les However, the drive power starts to increase again, since then the power losses in both rotors are felt to a still greater extent. In general, it should be said that the ratio of the most favorable thicknesses, from the point of view power (5 VK / L) opt. is even greater than the losses in the
rotors sont plus faibles.rotors are weaker.
La figure 6 montre l'influence décisive du rendement de la turbine q Tl du rendement de l'hélice p. et rendement des Figure 6 shows the decisive influence of the efficiency of the turbine q Tl of the efficiency of the propeller p. and performance of
propulseurs Y TW' sur le gain de puissance, qui peut être réa- TW thrusters on the power gain, which can be
lisé avec les mesures proposées par la présente invention et with the measures proposed by the present invention and
selon le principe appliqué. Les courbes en traits pleins in- according to the applied principle. Curves in solid lines
diquent pour chaque cas le gain de puissance maximal, tandis que les courbes en traits discontinus s'appliquent au cas limite 4 VK = 0, c'està-dire sans turbine éolienne. Ainsi qu'on le voit, on peut compter sur un gain de puissance pour tous les rendements imaginables. Le présent principe devient particulièrement intéressant dans la gamme 'QT' l p t 0, 9 et < TW <pP Pour un rendement des rotors de 0,92, qui correspond à l'état de la technique des hélices il y a environ 40 ans, et pour un rendement des propulseurs de 0,75 (avion de transport moderne avec propulseur à double circuit en vol de croisière), l'économie réalisée sur la résistance ou la traînée est de for each case, give the maximum power gain, while the curves in broken lines apply to the limit case 4 VK = 0, that is to say without wind turbine. As can be seen, one can count on a gain of power for all conceivable yields. The present principle becomes particularly interesting in the range 'QT' lpt 0, 9 and <TW <pP For a rotor efficiency of 0.92, which corresponds to the state of the art of propellers about 40 years ago, and for a thruster efficiency of 0.75 (modern transport aircraft with dual-circuit propulsion in cruising flight), the saving on drag or drag is
36 %. Sur ce pourcentage, 11 % sont à attribuer à l'augmen- 36%. Of this percentage, 11% is attributable to the increase
tation active de l'épaisseur de la couche limite, 10 % au ren- active thickness of the boundary layer, 10%
dement de propulsion favorable de l'hélice fonctionnant dans favorable propeller propulsion equipment operating in
le sillage et 15 % au faible rendement de propulsion du propul- the wake and 15% of the low propulsive propulsion
seur à réaction comparable.comparable reaction.
Le rendement des rotors devrait pouvoir, avec des profils modernes, être augmenté à 0,96. Il serait possible, dans ce cas, à l'aide du procédé proposé par la présente invention, de réduire de 47 % la consommation de puissance nécessaire pour surmonter le frottement de la couche limite. Comme le montre la figure 5, on obtiendrait l'économie de puissance The efficiency of the rotors should be able, with modern profiles, to be increased to 0.96. It would be possible in this case, using the method proposed by the present invention, to reduce by 47% the power consumption necessary to overcome the friction of the boundary layer. As shown in Figure 5, we would get the power saving
maximale dans le cas d'un rapport d'augmentation de l'épais- maximum in the case of a ratio of increase of the thickness
seur de la couche limite de m VK/L = 0,0035. Avec H = 7 4VK' ceci correspond à une hauteur de turbine éolienne de boundary layer of m VK / L = 0.0035. With H = 7 4VK 'this corresponds to a wind turbine height of
H/L = 0,0245.H / L = 0.0245.
La figure 7 donne une comparaison des rapports des va- Figure 7 gives a comparison of the ratios of
leurs de résistance ou de traînée pour PT = Pp et du rapport des puissances pour SRES = 0, chaque fois pour le rapport optimal d'augmentation de l'épaisseur de la couche limite 25.3 VK/L. On voit que la diminution relative de la traînée est en général légèrement plus faible que le gain de puissance relatif. Ceci est dû au fait que le rendement de propulsion their resistance or drag for PT = Pp and the power ratio for SRES = 0, each time for the optimum ratio of increasing the thickness of the boundary layer 25.3 VK / L. It can be seen that the relative decrease in drag is generally slightly lower than the relative power gain. This is due to the fact that propulsion efficiency
de l'hélice, qui est sensiblement plus favorable que le sys- of the propeller, which is significantly more favorable than the
tème de propulsion par jet classique, n'est pas pleinement conventional jet propulsion system, is not fully
utilisé dans le cas des rotors libres. used in the case of free rotors.
Grâce à la proposition formulée par la présente inven- Thanks to the proposal made by the present invention
tion, à savoir d'augmenter artificiellement l'épaisseur de la to artificially increase the thickness of the
couche limite de l'écoulement, à l'aide de turbines éolien- limit layer of the flow, using wind turbines
nes disposées devant le bord d'attaque des ailes et la pointe de fuselage, on est parvenu à réduire la traînée de frottement des avions de façon tout à fait considérable. La puissance sur l'arbre de chacun des rotors des turbines éoliennes est transmise, par le fuselage et les ailes, à une hélice disposée In front of the leading edge of the wings and the fuselage tip, it has been possible to reduce the friction drag of the aircraft quite considerably. The power on the shaft of each of the rotors of the wind turbines is transmitted, by the fuselage and the wings, to a propeller arranged
dans la zone du bord de fuite de l'aile ou à la'queue du fu- in the area of the trailing edge of the wing or at the tail of the
selage, et y est convertie en une force de propulsion. Il va de soi que la réduction de 35 à 50 % obtenue sur la traînée de frottement peut se traduire, soit par une augmentation du rayon d'action, soit par un accroissement correspondant de la selage, and is converted into a propulsive force. It goes without saying that the reduction of 35 to 50% obtained on the friction drag can result, either by an increase in the radius of action, or by a corresponding increase in the
charge utile.payload.
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Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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GB345910A (en) * | 1929-07-23 | 1931-04-02 | Wilhelm Zurovec | Improvements in or relating to aeroplanes |
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