JP2008535720A - 周囲を流体が流れる表面上の境界層領域における摩擦損失の低減 - Google Patents

Abstract

本発明は、自己調節にてノズル（１）を通して吸引で排除される流体の流れを絞るために、複数のノズルをもつ空気力学的物体に関する。本発明はまた、この種の吸引システムを装備した航空機に関連する。そして本発明は、複数の絞りノズル（１）の利用に関連し、その目的は、周囲を流体が流れる表面（８）での摩擦損失を低減することである。本発明による空気力学的物体は、入口（２）及び出口（３）によって規定される絞り部（５）をもつ、複数の絞りノズル（１）を備えており、この絞り部の内壁については、絞り部（５）の入口（２）と出口（３）との間の圧力差が増加するにつれて、絞り部（５）の内壁に乱流が生じ、有効流れ断面積Ａ_ｗが自己調節的に低減するように形成される。
【選択図】図５

Description

本出願は、２００５年４月１１日に提出した独国特許出願第１０ ２００５ ０１６ ５７０．２号及び２００５年４月１１日に提出した米国特許仮出願第６０／６７０，２００号の出願日の利益を請求し、その開示内容をここに参照として援用する。

一般に、本発明は、周囲を流体が流れる表面上の境界層領域における摩擦損失の低減の実現に関する。本発明は、具体的には、自己調節によりノズルを通って吸引で排除される流体の流れを絞るために、複数のノズルを用いた空気力学的物体に関連する。本発明はまた、吸引システムを装備した航空機に関する。そして、本発明は、周囲を流体が流れる表面上での摩擦損失を低減させるために、上記絞りノズルを複数利用することに関連する。

本発明との関連において、用語「空気力学的物体」は基本的に航空機部品を意味し、これらの部品は、それらの周囲を流れる空気に起因して、飛行中の力学的な揚力及び吸引力を各々に受ける。このような部品は空気力学的物体、特に、機体、翼、昇降舵装置、方向舵（ラダー）装置、及びエンジンフェアリング等を含む空気力学的物体群である。

流体が表面付近を流れる場合、一般に摩擦損失は、周囲を流体が流れる表面上の境界層の領域に生じる。固体の表面上を流れる流体によって形成される、各種の境界層（層流又は乱流）は、これに関連する流体抵抗及び摩擦損失に大きな影響を及ぼし、層流の境界層が形成されると、かなり小さい相対速度が、周囲を流体が流れる物体の直ぐ表面で生じる。この場合に、結果として生じる摩擦力もまた、図１ａに示すように比較的小さい。しかし、乱流の境界層が形成されると、かなり大きな相対速度が、周囲を流体が流れる物体の直ぐ表面にもたらされ、このような相対速度は、境界層外部の物体の表面における流体の速度にほぼ対応し、図１ｃに示すように、相応の大きな摩擦力が生じる。

この種の摩擦損失は通常好ましくないため、航空宇宙技術分野では、層流の範囲内で境界層を安定化させることによって、航空機の表面、特に、翼の摩擦損失を極力小さく抑えようとする試みが行われる。この問題に対する一方策によると、例えば、図１ｂに概略的に示すように、吸引によって適正な体積の流体を、境界層から面的に除去することで、境界層が層流の範囲内で一定に維持される。この場合、吸引によって除去される流体の体積は、圧力分布及び流れ方向における揚力に依存する。そのような体積流量は、例えば周囲を流体が流れる物体に、小孔を開けた表面を与えることで、吸引により生成でき、これにより、適正な体積流量は、吸引チャンバの助力を受けて吸引によって除去することができ、該チャンバは、図２に概略的に示すように、小孔を開けた表面の下側に配置される。

しかし、このように体積的な吸引流を生成することによって層流の範囲内で境界層を安定化させるには、各種の不具合がある。例えば、時間及び／又は流れ方向における位置に関して変動する圧力条件に対して吸引パワーを適合させることができないか、あるいは、多数の吸引チャンバ及び／又はこれに対応する吸引システムの制御のために不当な費用が必要となる。従って、小孔を開けた表面の助力で体積的な吸引流を生成することにより、層流の範囲内で境界層を安定化させるという既知の実現法では、吸引によって除去される空気量が充分でないか、又は過大となる。

さらに、圧力及び揚力状態の変化はまた、流れ方向に対して横方向にも生じる。しかし、流れ方向に対して横方向に延びる堅固な吸引チャンバを用いて、体積的な吸引流を生成することによって層流の範囲内で境界層を安定化させるという、これまでの既知の実現法では、このような変化をうまく処理することが難しい。流れ方向において変化する圧力及び揚力状態、そして該方向に対して横方向における圧力及び揚力状態を図３に示しており、従って、吸引によって不適切な空気量又は過大な空気量を除去することは不可避であり、これは、例えば、対応する制御のためのシステム及び設置の費用を不必要に増加させ、余分で望ましくない重量及び保守や運転にかかる費用をもたらす。

小孔を開けた表面及びその下方に配置した吸引チャンバの助力によって、体積的な吸引流を生成することで、層流の範囲内で境界層を安定化させるという既知の具現化に関連した上記問題及びその不都合を基礎として、本発明の目的は、周囲を流体が流れる空気力学的物体における適正な体積流量を吸引により除去することで、層流の範囲内で境界層を安定化させるための施策を提供することにあり、この施策は、周囲を流体が流れる物体上での圧力及び揚力についての、位置的及び時間的に変化する分布に対して、吸引により除去される体積流量を適正にかつ自動的に連続して調整するものである。

この目的は、特別に設計された空気力学的物体、つまり、複数の上記絞りノズルを利用するとともに航空機に装備される物体を用いることで達成できる。

本発明による空気力学的物体は、その表面に複数のノズルを備え、これらは、自己調節にて、ノズルを通って吸引により排除される流体の流れを絞る役目を果たす。これらのノズルはそれぞれ、入口及び出口によって規定される絞り部を備える。絞り部の内壁については、絞り部の内壁における乱流の形成に起因して絞り部の入口と出口との間の吸引力の差、つまり圧力差が増加するにつれて、ノズルの有効流れ断面積が自己調節により減少するように形成される。

従って本発明の基本思想は、絞りノズルに関連して空気力学的物体の表面に生じる流れ状態及びこれに関連した圧力状態を利用することにあり、最低の吸引力や圧力が常に、空気力学的物体の表面において最大流速が生じる場所で作用することを活用して行う（負符号の吸引）。このような絞りノズルの出口は、流速の大きい領域での規定された吸引圧力（これは表面に作用する吸引力よりも低いが、大差はない）に曝され、層流での流体の体積流がノズルの絞り部に形成される。これとは対照的に、流速が小さい別の領域では、大きな吸引力又は圧力（負符号の吸引）が生じる。この場合、ノズル出口の吸引圧力は、空気力学的物体の表面の吸引力よりも大幅に低く、よって、絞り部に亘る圧力低下が大きく、絞り部に乱流が生じる。

有効ノズル直径又はノズルの有効流れ断面積は減少するが、その際、絞り部の内壁に乱流が生じるため、遮られずにノズルを通る流体の流れが少なくなる。絞り部の入口と出口との間の圧力差が大きくなるにつれて、ノズルを通って吸引により排除される流体の流れはその流速が増加するが、これに対して、生じる乱流の効果はさらに増大し、絞り部を通る体積流量が減少することになる。

上記したように、絞り部の入口と出口との間の、非常に小さな圧力低下、つまり吸引力の低下によって、絞り部内にはほぼ層流が生じ、その流れ断面積は基本的に、絞り部の明白な流れ断面積に相当する。しかし、絞り部の入口と出口の間で大幅な圧力低下が生じた場合には、乱流状態が絞り部に生じ、絞り部の有効流れ断面積が減少することになる。これによって、本発明による絞りノズルは、流速の大きい領域、すなわち乱流の境界層（大きな摩擦損失をもたらす）において、吸引により大きな体積流量を除去することができるのに対し、流速の小さい領域、すなわち層流の境界層（小さな摩擦損失をもたらす）では、吸引により小さな体積流量が除去される。よって、吸引により排除される体積流量については、様々な動作条件下においてそれぞれに要求される、位置的及び時間的に変化する吸引に対して調整できる。

従って、最初の述べた既知の具現化、つまり小孔を開けた表面に亘って体積的な吸引流を生成することで境界層を層流の範囲内に安定化させる施策のように、異なる直径をもつ様々なノズル配置による供給を維持する必要はなくなる。これとは対照的に、特別に設計した内壁をもつ単一のノズル設計は、如何なる揚力条件下においても、吸引により適正な質量流を常に排除するのに充分である。体積的な吸引流を生成することで、境界層を層流の範囲内に安定化させるための最初に述べた施策とは異なり、適正な体積的吸引流を一定に保つために、多数の吸引チャンバを設ける必要もなくなる。本発明による絞りノズルを用いることで、適正な体積流量は常に、単一の吸引チャンバだけを用いて、表面における各絞りノズルを通して吸引により排除され、該吸引チャンバは、周囲を流体が流れる空気力学的物体の表面下に配置される。

所望の乱流をノズルの絞り部に亘って確実に生起できるように保証するために、絞り部は迷路状に形成される。これは、所望の乱流を絞り部に亘って生起させる如何なる設計の内壁をも意味する。

絞り部の内壁は、先鋭なエッジをもつ鋸歯状部の形態で実現することができ、当該部分は、例えば、ノズル壁の材料に対して切除され又は打ち抜かれる。先鋭なエッジをもつ鋸歯状部の形態で、絞り部の内壁を形成する代わりに、乱流を生起させる他の形状を選択することも考えられる。例えば、弧状の突出部、つまりこれらを通って流れる流体に乱流をもたらす突出部をもった内壁の断面を用いることも可能である。絞り部の内壁はまた、各種の適用に応じて当業者によって通常考慮される多数の方法で設計可能である。特殊な実施形態によると、上記した鋸歯状部の断面が、連続して繰り返される窪んだ形状（凹状の波形）をもつことで、該形状に対応する乱流が、このように形成される凹部で生起される。

上記のように、鋸歯状部については、ノズル壁の材料に対して切除することができる。これによって、鋸歯状部を、絞り部の内壁に沿って螺旋状に配置できる。

この絞り部は、上記したようにノズルの壁に切り込まれ、これは第１材料層の前に配置される。絞り部が、この第１材料層に対して平行に延び、かつこれを完全には貫通しない場合に、第１材料層の両側が第２材料層で覆われ、該第２材料層には、絞り部の入口及び出口を形成するために、対応する開口部又はボア孔がそれぞれに設けられる。これらの第２材料層は、第１材料層に対するコーティングとしての役目をもち、それらの１つが空気力学的物体の表面を形成し、第２材料層は非常に薄くされ、例えば、アルミニウム合金により形成できる。これに対して、絞り部を含む第１材料層は、任意の材料、例えば、金属、合成樹脂等から形成できる。

大きな最適吸引力を得るために、第１材料層の厚さは、第２材料層の開口部又はボア孔の直径にほぼ対応することが望ましい。勿論、ここに示すものは、大凡のガイドラインを提示したに過ぎず、当業者によって、各適用についての特殊事情に対して個別に合わせる必要がある。

上記の実施形態では、絞り部が第１材料層の面内に延び、第１材料層を完全に貫通しており、第１材料層は、絞り部を形成するために、第２材料層を両側に被覆する必要がある。但し、この被覆にかかる費用については、絞り部が第１材料層を完全に貫通せず、例えば、第１材料層、つまり空気力学的物体の表面に対して、ほぼ垂直方向に切り込まれる場合には不要にできる。

空気力学的物体の表面に配置されるノズルの特別な設計により、単一の吸引チャンバのみをもった空気力学的物体を充分に提供でき、該吸引チャンバにより複数の絞りノズルの出口が吸引流に曝される。この単一の吸引チャンバについては、例えば、空気力学的物体の表面直下に位置することができ、適正なポンプの力により、規定の負圧を受ける。この場合に、吸引チャンバの吸引力を決定する要因は、周囲を流体が流れる物体の境界層において最低の局所的な圧力、つまり、規定の体積流量を吸引によって排除する必要が殆どない場所での圧力である。これに対して、体積的な吸引流を生成するための最初に記載した施策では、如何なる他の正の境界層効果をもたらすことなく、他の場所（圧力が局所的な最小値を超える場所）をより強力な吸引力に曝すことが通常行われる。

本発明により、吸引システムは、さらに意図的に、より小型に設計することができ、その理由は、自己調節される流量によって、過度の体積流量が吸引で排除されないように防止できるからである。このことは、圧力分布が飛行中に変化する場合（例えば、翼及び／又は昇降舵装置及び方向舵装置で起こり得る）において特に効果がある。本発明の別の態様によると、その基本的な目的が、航空機、つまり、その外板が、上記の特徴をもつ空気力学的物体の形態として少なくとも部分的に実現される航空機にて達成される。勿論、これは航空機の全ての部品を実現するのに有用であって、これらの部品は、上記特徴をもつ空気力学的物体の形態において、飛行中に変化する圧力分布に曝される。例えば、胴体、翼、昇降舵装置、方向舵装置、及びエンジンフェアリングからなる空気力学的物体群のうち、少なくとも１つの空気力学的物体を、上述した空気力学的物体の形態で、少なくとも部分的に実現できる。

本発明のさらに別の態様によると、その基本的な目的は、空気力学的物体の表面又は航空機の外板において、上記特徴をもつ複数の絞りノズルを用いることにより達成され、これは、単一の吸引チャンバを用いて、複数の絞りノズルを通して吸引により、表面から流体の体積流量、つまり、絞りノズルによって自己調節される体積流量を除去して、表面又は外板での摩擦損失を低減させることで、周囲を流体が流れる表面上における流体の流れの境界層を、層流の範囲内に安定化させるためである。

従って、本発明により、位置や時間によってそれぞれに変化する圧力及び揚力条件に対して、必要な各吸引パワーをそれぞれ自己調節により調整できる。これによって、それぞれの広範な圧力条件に応じて、複数の吸引チャンバを設ける必要がなくなるので、本発明にかかる簡単な設計の吸引システムにより、重量及び設置費用を低減でき、該システムを、さらに使用し易いものにできる。従って、上記した重量の低減により、使用する材料が満たすべき必要条件を引き下げることができる。チタニウム製の、小孔が開いた表面におけるノズルを作成する必要がなくなるため、上記のように、本発明で達成される重量低減によって、第１材料層（例えば、各種金属又は合成樹脂等）においてノズルを、高密度で配置できる。

本発明について添付図面を参照して以下に詳説する。

同一又は同様の構成要素については、全図において同一の参照符号によって識別する。また、図は概略的な表現を示しており、正確な縮尺ではない。

本発明をより深く理解するために、先ずは本発明の背景及び既知の吸引システムについて、図１ａ乃至１ｃと図２を参照して以下に説明する。図１ａ乃至１ｃは、３つの異なる速度分布を示し、これらは異なる流れ条件下で生じる。例えば、図１ａは、層流境界層における適正な流れ分布を示す。本図によると、速度は、境界層外でのその最大値から、周囲を流体が流れる翼８への移行部におけるゼロ付近の値へと低下する。図示のように、速度が、翼８への移行部におけるゼロ付近の値へと低下する場合に、これは小さな摩擦損失が生じるにすぎないことを意味する。

これに対して、図１ｃは翼８上での乱流の速度分布を示す。この場合にも翼８への移行領域での速度がゼロ付近の値まで低下するが、この低下は、翼８に対して非常に近いところでのみ生じ、よって大きな摩擦損失が境界層４の領域に生じる。

この問題を解決するために、図１ｂに示すように、小孔９を通した吸引によって、平面的に適正な体積流量を排除することで、境界層を層流の範囲内に安定化させる試みが頻繁になされている。

この種の従来の吸引システムを図２に示す。翼８が、小孔を開けた表面、つまり、多数の小さな孔９を含む表面をもった部分を備えることが分かる。しかし、この吸引システムには、複数の吸引チャンバ１１を設けることを要するという不都合があり、これは、図３に示す広範な揚力状態に応じて個々の吸引チャンバをそれぞれ用いて、翼８の周囲を流れる適正な体積流量の流体を除去するためである。多数の吸引チャンバ１１にも関わらず、小孔９の直径については、図２に示す従来の吸引システムで適正な結果を得るために、これを変える必要がある。

しかし、図３に示す翼８のような、その周囲を流体が流れる物体上の揚力分布は、翼８の流れ方向において変化するだけでなく、図３の下方の図に示すように、翼８の広がる方向に亘って変化する。この空間的な揚力分布は通常、時間的にも変化し、図２に示す従来の吸引システムを用いて対処することは困難である。

以下に、本発明について、他の図面を参照しながら詳しく説明する。図４ａ及び４ｂによると、絞りノズル１が、翼８の表面を貫通している。このノズルは絞り部５を備え、これは基本的に、入口２と出口３との間の第１材料層６を通って垂直方向に延びる。この絞り部５は、内壁を特徴的に含んでおり、内壁はこの場合、先鋭なエッジをもつ鋸歯状部４の形態で実現される。この鋸歯状部４については、例えば第１材料層６に対して螺旋状に切り込むことができ、３次元のネジ山が形成される。しかし、鋸歯状部４が、図５に示すように、第１材料層６をその平面においてのみ通るようにすることも考えられ、この場合に、一方の側の鋸歯部は、他方の側の凹状部に対向して位置する。

図４ａに示す例では、揚力Ｐ_ａと吸引圧力Ｐ_ｉとの間の圧力差が比較的小さい。図３に示す揚力分布において、この状況は概ね、揚力が最大値をもって描かれた位置で生じる。揚力Ｐ_ａと吸引圧力Ｐ_ｉとの間の、このような比較的小さな圧力差によって、絞りノズル１を通って吸引により排除される、層流の体積流が引き起こされる。この場合、絞りノズル１の有効流れ断面積Ａ_ｗは、絞り部５の明白な断面積にほぼ対応し、比較的大きな流量が吸引によって除去される。しかし、吸引によるそのような意図的な除去はまさに望み通りの結果であり、何故なら最高速度は揚力が最大となる領域で生じるからであり、この場合に、生成される乱流の境界層のリスクは最も高い。

図４ｂに示す例において、揚力Ｐ_ａと吸引圧力Ｐ_ｉとの間の圧力差は、図４ａに示す状態に比して著しく大きい。図３に示す揚力分布において、この状況は概ね、揚力がかなり小さい場所で生じる。揚力Ｐ_ａと吸引圧力Ｐ_ｉとの間の、このような比較的大きな圧力差によって、鋸歯状部４の凹状部分に乱流が引き起こされることで、絞り部５の有効流れ断面積Ａ_ｗが減少し、比較的少ない流量が吸引によって排除される。しかし、このように減少した、吸引による排除量は、小さい揚力をもった領域において充分であり、その理由は、層流の境界層が形成されるように、速度が常に、このような位置では小さいからである。このように、吸引により排除される質量流は、様々な動作状況下での擬似的な自己調節によって、境界層の吸引条件に対して最適に調整される。

図５によると、絞りノズル１は３つの材料層６，７，７’から構成され、最も外側の層７’は同時に、本発明による翼８の表面を形成する。絞り部５は基本的に、第１材料層６に平行に延びてこの層を完全に通っている。外層７’は、絞り部５の入口２を形成する適正なボア孔を含み、例えば、アルミニウム合金で非常に薄く実現できる。内層７についても同様に実現でき、また絞りノズルの出口３を形成するボア孔を特徴的に備える。任意の材料、例えば金属又は合成樹脂による層６は、これら２つの層７と７’との間に位置するとともに、絞り部５を含み、該絞り部は、図示した先鋭なエッジをもつ鋸歯状部の形態で、この層に切り込まれる。この第１材料層６は、第２層７，７’のボア直径にほぼ対応する厚みをもち、これは０．５ｍｍを超えないことが望ましい。

図示の絞り部５に加えて、第１材料層６はまた、航空機の外板を加熱するための高温空気を、特殊な補助通気路においてこの層を通して伝えるようにしてもよい。これに代わって、電気的に加熱される抵抗線を用いた加熱マットの形態で、この層を実現することも考えられる。本実施形態は、このような仕方で、表面に形成される氷を低減させ、又は表面に氷が形成されないよう防止するのに有利である。

周囲を流体が流れる表面での層流の速度分布を示す図である。 周囲を流体が流れる表面において、吸引により安定化した層流の速度分布を示す図である。 周囲を流体が流れる表面での乱流の速度分布を示す図である。 小孔及び複数の吸引チャンバを特徴的に備えた、従来の吸引システムを有する翼の断面図である。 翼における圧力及び揚力分布について断面及び射影を示す図である。 本発明による空気力学的物体の絞りノズルにおいて、小さな圧力差での流れ状態を概略的に示す図である。 本発明による空気力学的物体の絞りノズルにおいて、大きな圧力差での流れ状態を概略的に示す図である。 好ましいノズル設計を示す図である。

符号の説明

１ 絞りノズル
２ 入口
３ 出口
４ 鋸歯状部
５ 絞り部
６ 第１材料層
７ 第２材料層
７’ 第２材料層
８ 翼
９ 小孔
１０ 航空機胴体
１１ 吸引チャンバ

Claims (15)

1. 周囲を流体が流れる表面と、
   前記表面における複数のノズル（１）であって、自己調節にて、吸引によりノズル（１）を通って除去される流体の流れを絞るように構成されたノズルを、備え、
   前記ノズル（１）は、入口（２）及び出口（３）によって規定される絞り部（５）を有しており、
   前記絞り部（５）の内壁は、絞り部（５）の前記入口（２）と前記出口（３）との間の圧力差が増加するにつれて、有効流れ断面積（Ａ_ｗ）が、前記絞り部（５）の内壁での乱流の生成によって自己調節的に減少するように形成された、空気力学的物体。
2. 前記絞り部（５）が迷路状に形成された、請求項１に記載の空気力学的物体。
3. 前記絞り部（５）の内壁が、先鋭なエッジをもつ鋸歯状部（４）の形態で形成された、請求項１又は２に記載の空気力学的物体。
4. 前記鋸歯状部（４）の断面が、連続的に繰り返される窪んだ波形状を有する、請求項３に記載の空気力学的物体。
5. 前記鋸歯状部（４）が、前記絞り部（５）の内壁に沿って螺旋状に延びる、請求項３又は４に記載の空気力学的物体。
6. 前記絞り部（５）は、第１材料層（６）にて切り込まれるか又は打ち抜かれている、請求項１から５のいずれか１項に記載の空気力学的物体。
7. 前記絞り部（５）は基本的に、前記第１材料層（６）に対して平行に延びる、請求項６に記載の空気力学的物体。
8. 前記絞り部（５）は前記第１材料層（６）を完全に貫通する、請求項７に記載の空気力学的物体。
9. 第１材料層（６）の両側が第２材料層（７，７’）によって被覆され、該第２材料層にはそれぞれ、前記絞り部（５）の入口（２）及び出口（３）を形成するための開口が設けられている、請求項６から８のいずれか１項に記載の空気力学的物体。
10. 前記第１材料層（６）の厚さが、前記第２材料層（７，７’）における開口のボア直径にほぼ対応する、請求項９に記載の空気力学的物体。
11. 前記絞り部（５）は基本的に、前記第１材料層（６）に対して垂直に延びる、請求項６に記載の空気力学的物体。
12. 前記空気力学的物体が単一の吸引チャンバを備え、該吸引チャンバによって複数の絞りノズル（１）の出口が吸引流に曝される、請求項１から１１のいずれか１項に記載の空気力学的物体。
13. 外板が少なくとも部分的に、請求項１から１２のいずれか１項に記載の空気力学的物体の形態で実現された航空機。
14. 翼、胴体、昇降舵装置、方向舵装置、及びエンジンフェアリングからなる空気力学的物体群のうち、航空機における１つ以上の空気力学的物体が、請求項１から１２のいずれか１項に記載の空気力学的物体の形態で少なくとも部分的に実現された、請求項１３に記載の航空機。
15. 周囲を流体が流れる表面（８）での摩擦損失を低減するために、請求項１から１２のいずれか１項の特徴を有する複数の絞りノズル（１）を使用する方法であって、
    自己調節にて絞りノズル（１）により調整される、流体の体積流量が、単一の吸引チャンバ（１１）の助力によって複数の前記絞りノズル（１）を通して、前記表面（８）から吸引で除去されることで、周囲を流体が流れる前記表面（８）における流体の流れの境界層を、層流の範囲内に安定化させる方法。

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