JP3212692B2

JP3212692B2 - ローターブレードの境界層制御装置

Info

Publication number: JP3212692B2
Application number: JP15529092A
Authority: JP
Inventors: 野昇吾平
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1992-06-15
Filing date: 1992-06-15
Publication date: 2001-09-25
Anticipated expiration: 2016-09-25
Also published as: JPH05345596A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は回転翼航空機；固定翼航
空機；変換式航空機等のローターブレードの境界層を制
御する装置に係り、特に加圧あるいは減圧装置を要する
ことなく、ローターブレードの翼面部分と翼端部分でそ
れぞれ境界層吸込みと翼端吹出しとを行うことができる
境界層制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プロペラ又はローターブレード等の回転
翼の推進効率を向上させるには、エネルギ損失となる抵
抗をできる限り減らす必要があり、従来のプロペラやロ
ーターブレードはその断面形状や平面形状や捩り分布等
の３次元形状の最適化を図ることにより、摩擦抵抗や誘
導抵抗や形状抵抗や造波抵抗等を可能な限り小さいもの
にしていた。しかし、このような回転翼の形状の改良に
よる方法では、プロペラやローターブレードの推進効率
が最高で約８５％に達するに過ぎず、さらなる回転翼の
効率の向上が望まれていた。

【０００３】固定翼の技術では翼の形状の改良による方
法に対して、境界層吸込みと翼端吹出しによって翼の抵
抗を減少させる技術が知られている。一般に空気流中に
翼があるときに、空気流の流速が所定値より大きくなる
と乱流境界層によって覆われる翼の表面積が増大し、こ
れに伴って摩擦抵抗と誘導抵抗と形状抵抗と造波抵抗と
が増大する。上記の境界層吸込みの技術とは、翼面に空
気吸込み用の開口を設け、この空気吸込み用の開口によ
って境界層の空気の一部を吸い込み、乱流境界層の発生
を抑制して主に摩擦抵抗、併せて誘導抵抗と造波抵抗と
を減少させる技術である。この境界層吸込みの技術は文
献ＡＤ／Ａ１６０−７１８（第１１−２６頁）およびＮ
ＡＬＴＲ−１０７２（第１３頁）に紹介されている。

【０００４】また、翼に揚力が発生すると翼の翼端に翼
端渦が発生し、この翼端渦によって誘導抵抗が増大する
ことが知られている。この翼端渦は中心に低圧部分が存
在し、翼の揚力が増すと翼端渦の中心部分の圧力が低下
して翼端渦の強さが増し、誘導抵抗が増加する。上記の
翼端吹出し技術とは、翼端から翼端渦の中心部分に空気
を吹き出し、翼端渦の中心部分の圧力を高くして、渦の
強さを減少させて誘導抵抗を減少させる技術である。こ
の翼端吹出し技術は文献ＡＤ／Ａ１６０−７１８（第６
−３頁）およびＦＬＵＩＤ−ＤＹＮＡＭＩＣＤＲＡＧ
（第７−２１頁）に紹介されている。

【０００５】上記境界層吸込み技術を利用したものが特
開平第０１−２５７６９４号公報（航空機の境界層制御
装置）、特開平第０１−１６４９７号公報（エーロフオ
イル）、特開平第０２−１６４６９６号公報（境界層制
御用吸い込み装置）、特開平第０３−５０１００号公報
（混成層流ナセル）に開示されている。特開平第０１−
２５７６９４号公報（航空機の境界層制御装置）には固
定翼機の翼面に空気の吸い込み溝を設けたものが開示さ
れている。、また特開平第０１−１６４９７号公報（エ
ーロフオイル）には推進プロペラを取り付けるパイロン
の表面に境界層吸込み用の小孔を設けた固定翼機が開示
されている。また、特開平第０２−１６４６９６号公報
（境界層制御用吸い込み装置）には、乱流を発生する原
因となる攪乱をその運動を利用して翼或いは機体内部に
吸い込む溝を有し、この溝の吸込みによって境界層制御
を行う境界層制御用吸込み装置が提案されている。ま
た、特開平第０３−５０１００号公報（混成層流ナセ
ル）には、航空機エンジンを収納するナセルの表面に空
気吸引要素と吸引発生手段とを設け、巡航速度以外の運
航でも層流境界層を維持できるようにした混成層流ナセ
ルが開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】これらの技術を回転翼
に利用して、その抵抗減少を計り効率向上を実現し得る
ことは明らかである。しかしながら、上記の境界層吸込
みを利用する諸装置はいずれも固定翼機に関するもので
あり、これに対して、境界層吸込みや翼端吹出し技術を
ローターブレードに利用するには、機構の複雑化や、重
量の増加や、信頼性の低下等の問題があった。すなわ
ち、上記の境界層の吸込みを行うには、ローターブレー
ドの内部に境界層より圧力が低い空間を有していなけれ
ばならず、これとは逆に、翼端吹出しを行うにはロータ
ーブレードの内部に翼端渦の中心部より圧力が高い空間
を有していなければならない。これらローターブレード
の内部の空間の圧力を維持するためには圧力源が必要と
なり、この圧力源として新たな加圧装置や減圧装置を装
備するか、推進用エンジンの動力を利用することが考え
られる。しかし、新たな加圧・減圧装置を備えることは
航空機の重量の増加になって好ましくない。また、推進
用エンジンの動力を利用することは、推進エンジンの動
力の全部を推進用に使用できないことや、空気流路の配
管のために機構が複雑化すること等の問題があった。そ
こで、本発明の目的は上記従来の航空機のローターブレ
ードの境界層制御装置の問題を解決し、加圧・減圧装置
を装備することなく、あるいは推進エンジンの動力を利
用することなく、ローターブレードの翼面で境界層吸込
みを行うと共に、翼端で翼端吹出しを行うことができる
航空機のローターブレードの境界層制御装置を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明によるローターブレードの境界層制御装置は、
複数のローターブレードを持つ回転翼機のそれぞれのロ
ーターブレードにおいて、ローターブレードの上面又は
下面に開口する複数の小孔と、これらに連通し長手方向
に沿ってローターブレード先端まで設けられた空気流路
と、前記空気流路に繋げてローターブレード先端にブレ
ード後方に向けられた吹出口を有する吹出装置と、を備
えたことを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】本発明による航空機のローターブレードの境界
層制御装置は、ローターブレードの翼面部分に空気吸込
み用の小孔を設けると共に、翼端渦が発生するローター
ブレードの翼端部分に吹出装置を設けて、この空気吸込
み用の小孔と吹出装置とをローターブレードの内部の空
気流路で連通させているので、ローターブレードの回転
によって空気流路内の空気は遠心力によって半径方向外
向きに加速され、吹出装置から翼端の外部空間に吹き出
される。また、一般にローターブレードが運行状態で回
転する時は、吹出装置のスリットを有する表面部分の静
圧は空気吸込み用の小孔を有する翼面部分の静圧より低
いので、その差圧によって空気は空気吸込み用の小孔か
ら吸い込まれ、空気流路を通って吹出装置から吹き出さ
れる。このように空気が空気吸込み用の小孔から吸い込
まれ、吹出装置から吹き出されることにより、ローター
ブレードの翼面では乱流の発生が抑制され、乱流境界層
による摩擦抵抗と誘導抵抗と造波抵抗が大幅に減少す
る。また、ローターブレード翼端では翼端渦が弱めら
れ、翼端渦による誘導抵抗が減少する。

【０００９】

【実施例】以下本発明の実施例について、回転翼航空機
を例にとって添付の図面を参照して説明する。本発明の
要部はローターブレードの構造にあるが、理解容易のた
めに最初に本発明の境界層制御装置を備えた回転翼航空
機全体について説明する。図２は本発明の境界層制御装
置を備えたヘリコプタの全体を示している。ヘリコプタ
１は機体上部にローター２を有し、このローター２は一
対のローターブレード３を有している。このヘリコプタ
１は方向Ｆに飛行する時は、ローターブレード３を方向
Ｒに回転させながら、ローターブレード３の回転面を進
行方向Ｆにやや傾斜させる。傾斜したローターブレード
３の回転面が発生する推力の垂直成分と水平成分とによ
ってヘリコプタ１はそれぞれ浮力と推進力とを得る。図
２に示すように、ローターブレード３が高速で回転する
ときは、ローターブレード３の翼面の空気流は所定の乱
流遷移位置から乱流境界層に変化する。この乱流境界層
で覆われる翼面の面積が増すことにより、ローターブレ
ード３の摩擦抵抗と誘導抵抗と造波抵抗とが増大する。
これに対して、ローターブレード３の翼端では、吹出装
置４の後方で翼端渦が発生する。この翼端渦の誘導抵抗
によって、ローターブレード３の抵抗が増加する。

【００１０】図１は本発明の境界層制御装置を有するロ
ーターブレード３を示している。ローターブレード３は
横断面が翼形の細長い形状に形成され、一端がローター
２によって枢支され、他端に吹出装置４が一体に形成さ
れている。ローターブレード３の内部には複数の空気流
路５が長手方向に沿って形成されている。ローターブレ
ード３の翼面には、空気流路５と連通する空気吸込み用
の小孔６が多数穿設されている。吹出装置４は軸方向の
断面が翼形の概略回転体に形成され、内部に空洞部７を
有している。吹出装置４の壁体にはローターブレード３
の回転方向と逆の方向に向けて開口する多数のスリット
８が形成されている。吹出装置４の空洞部７は空気流路
５と連通するように形成されている。

【００１１】図３は図１に示すＡ−Ａ´方向のローター
ブレード３の横断面を示している。ローターブレード３
の横断面は翼形の形状を有しており、内部に複数の空気
流路５を有している。空気吸込み用の小孔６はローター
ブレード３の表面を構成する部材を貫通して空気流路５
に連通している。空気流路５の位置はローターブレード
３の翼面の圧力分布や乱流境界層の遷移位置に応じて配
設され、空気流路５の流路の断面積の大きさはローター
ブレード３の長さや遠心力やヘリコプタ１の運航状態に
応じて決定される。なお、本実施例では、空気流路５を
ローターブレード３の上下面近傍に配設しているが、本
発明はこれに限られず、例えば空気流路５をローターブ
レード３の上面近傍にのみ配設しても良い。

【００１２】図４は、図１に示すＢ−Ｂ´方向のロータ
ーブレード３の翼端部分の断面を示している。図４に示
すように、ローターブレード３の翼端部分は上方に僅か
に湾曲してその先端の翼端渦中心付近に吹出装置４を有
している。ローターブレード３に内部には長手方向に上
下２段の空気流路５が形成されている。これら空気流路
５はそれぞれ吹出装置４内部の空洞部７に連通してい
る。

【００１３】図５は、図４に示すＣ−Ｃ´方向の吹出装
置４の縦断面を示している。図５に示すように、吹出装
置４は軸方向断面が翼形の回転体に形成されており、内
部の空洞部７は空気流路５と連通している。吹出装置４
の壁体の周方向には複数のスリット８が形成されてい
る。スリット８はローターブレード３の回転方向と逆の
方向に向けて開口しており、スリット８間の吹出装置４
の壁体は断面翼形に形成され、空気が後方にスムーズに
吹き出されるように構成されている。

【００１４】上記構造に基づいて本発明のローターブレ
ードの境界層制御装置の作用について以下に説明する。
ヘリコプタ１が飛行時には、ローターブレード３は高速
で回転し、このローターブレード３の回転力によって空
気流路５内部の空気は半径方向外方に加速され、ロータ
ーブレード３の翼端の吹出装置４から大気中に吹き出さ
れる。空気流路５内の空気が放出されるのに伴って、空
気流路５内の圧力が低下し、新たな空気が空気吸込み用
の小孔６から吸い込まれる。また、空気吸込み用の小孔
６は吹出装置４に較べて静圧が高い翼面部分に穿設され
るのに対し、吹出装置４のスリット８は翼端渦の中心の
低圧部分に開口しているので、この両者の圧力差によっ
て空気がさらに効率良く空気吸込み用の小孔６から吸い
込まれ、吹出装置４のスリット８から吹き出される。こ
のことにより本実施例の境界層制御装置では、特別な加
圧・減圧装置を要することなく、あるいは推進用エンジ
ンの動力を損なうことなく、ローターブレード３の翼面
で境界層の吸込みを行うのと同時に、翼端で翼端吹出し
を行うことができる。

【００１５】上記のようにローターブレード３の翼面で
境界層が吸い込まれることにより、乱流境界層によって
覆われるローターブレード３の表面積が減少し、境界層
吸込みを行わないローターブレードの翼面の約５０％〜
８０％が乱流境界層によって覆われるのに対して、乱流
境界層によって覆われるローターブレードの翼面を全表
面積の約１０％以下に抑制することができる。一般に乱
流境界層に覆われる翼面の摩擦抵抗は、層流境界層に覆
われる翼面の摩擦抵抗に比べて極めて大きく、乱流境界
層による摩擦抵抗と層流境界層による摩擦抵抗の比率は
ローターブレードの翼面では約２４：１（レイノルズ数
ＲＮが約６．５×１０⁶）であり、プロペラのような高
回転数の翼面ではその比率は４２：１（レイノルズ数Ｒ
Ｎが約３．０×１０⁷）である。また、乱流境界層が減
少することにより、形状抵抗や造波抵抗や誘導抵抗も減
少するので、乱流境界層の減少は翼の抵抗全体の減少に
極めて効果的であり、固定翼に関するＮＡＬ（航空宇宙
技術研究所）の実験によれば、誘導抵抗を除いた全抵抗
の６０％の減少に成功している。したがって、本発明の
ローターブレードの境界層制御装置によれば、乱流境界
層によって覆われるローターブレードの翼面面積が減少
し、大幅な抵抗の低下が期待できる。また、本発明のロ
ーターブレードの境界層制御装置によれば、ローターブ
レード３の翼端の吹出装置４から翼端渦の中心部分に空
気が吹き出されるので、翼端渦の強さが減少し、このこ
とにより、翼端渦による誘導抵抗を軽減することができ
る。

【００１６】すなわち、本発明のローターブレードの境
界層制御装置によれば、簡単な構造により、翼面の境界
層吸込みと翼端の翼端吹出しとを同時に行うことがで
き、このことにより、ローターブレードの翼面と翼端の
抵抗を同時に軽減し、全体の抵抗を効果的に減少するこ
とができる。

【００１７】図６は異なる断面形状の空気流路を有する
ローターブレードの翼断面を示している。この実施例の
ローターブレード１０によれば、空気流路１１は主空気
流路１１ａと副空気流路１１ｂとを有し、副空気流路１
１ｂは空気吸込み用の第一小孔１２によって外部空間に
連通し、主空気流路１１ａと副空気流路１１ｂは第二小
孔１３によって連通している。この第二小孔１３の内径
は第一小孔１２のそれより大径に形成されている。この
ローターブレード１０によれば、主空気流路１１ａの圧
力は副空気流路１１ｂで平均化され、圧力の変動が減少
され、定常的な吸込みと吹出しとを行うことができる。

【００１８】図７と図８はより簡単な形状の空気流路を
有するローターブレードを示している。この実施例のロ
ーターブレード２０では、図７に示すように、ローター
ブレード２０の翼断面内部に共通の空気流路２１が形成
されている。この空気流路２１はローターブレード２０
の壁体に穿設された多数の空気吸込み用の小孔２２によ
って外部の空間に連通している。この空気流路２１は図
８に示すように、吹出装置２３の内部の空洞部２４に連
通している。この実施例によれば、より簡単な形状を有
しているので、さらに製造容易なローターブレードを得
ることができる。

【００１９】なお、上記実施例ではヘリコプタを用いて
本発明の境界層制御装置を説明したが、この境界層制御
装置を固定翼機の推進用プロペラブレード及び変換式航
空機のローターブレードに適用して良いことは明らかで
ある。

【００２０】

【発明の効果】上記の説明から明らかなように、本発明
のローターブレードの境界層制御装置によれば、ロータ
ーブレードの翼面部分に空気吸込み用の小孔を設けると
共に、翼端渦が発生するローターブレードの翼端部分に
吹出装置を設け、この空気吸込み用の小孔と吹出装置と
をローターブレード内部の空気流路で連通させているの
で、ローターブレードの回転によってローターブレード
翼面では境界層の空気が吸い込まれ、翼端では翼端渦の
中心に空気が吹き出される。すなわち、本発明によれ
ば、特別な加圧・減圧装置を要することなく、あるいは
推進用エンジンの動力を損なうことなく、ローターブレ
ードの翼面で境界層吸込みを行い、同時に翼端で翼端吹
出を行い、ローターブレードの抵抗を大幅に減少するロ
ーターブレードの境界層制御装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の境界層制御装置を有するローターブレ
ードの一部を切断して示した平面図。

【図２】本発明の回転翼航空機のローターブレードの境
界層制御装置を有するヘリコプタを示した斜視図。

【図３】本発明によるローターブレードの横断面図。

【図４】本発明によるローターブレードの先端部の軸方
向断面図。

【図５】本発明によるローターブレードの吹出装置の軸
方向断面図。

【図６】本発明の他の実施態様によるローターブレード
の横断面図。

【図７】本発明のさらに他の実施態様によるローターブ
レードの横断面図。

【図８】本発明の他の実施態様によるローターブレード
の吹出装置の軸方向断面図。

【符号の説明】

３ローターブレード４吹出装置５空気流路６空気吸込み用の小孔７空洞部８スリット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B64C 27/46 - 27/473 B64C 21/00 - 21/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のローターブレードを持つ回転翼機の
それぞれのローターブレードにおいて、ローターブレー
ドの上面又は下面に開口する複数の小孔と、これらに連
通し長手方向に沿ってローターブレード先端まで設けら
れた空気流路と、前記空気流路に繋げてローターブレー
ド先端にブレード後方に向けられた吹出口を有する吹出
装置と、を備えたことを特徴とするローターブレードの
境界層制御装置。