JP4405685B2 - 境界層剥離を制御する振動駆動による音響ジェット装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【関連出願の相互参照】
同じ出願人により本願と同時に出願され同時係属中の米国特許出願、出願番号Ｎｏ．０９／２５７，５６５、Ｎｏ．０９／２５７，５６３号、Ｎｏ．０９．２５７，４８３号は、本願で開示され、請求された主題に関連する主題を含む。
【０００２】
【技術分野】
本発明は、境界層剥離のために、好ましくは実質的に接線方向に、表面の境界層の中へ向けられた境界層ノズルを有する音響ジェット装置を駆動するために空気力学的輪郭を備える表面を有する構造の振動の使用に関する。
【０００３】
【背景技術】
境界層剥離は、流体の流れシステムの設計を制約する基本的な制限機構である。例えば、ヘリコプタ技術では、後退ブレード失速によって、ロータ負荷や飛行速度が制限されることが知られている。揚力を生成する能力を失うばかりでなく、非定常のブレード失速によって、非常に大きな瞬間的なブレードピッチモーメントが飛行制御システムに伝わる。過剰な制御負荷を防止するために、失速境界が、ロータ負荷と飛行速度の関数として設定される。失速境界によって、速度、有効搭載量ばかりでなく機動性、敏捷性にも影響を与える最大ブレード負荷が規定される。有効搭載量の向上は、翼端失速の低減を介したホバリング、後退ブレード失速の低減を介した前進飛行などの空気力学的効率の向上から生じる。同様の境界層の問題が、胴体、圧縮機、タービンブレード、翼などの他の空気力学的表面に伴う。
【０００４】
表面に隣接する境界層での流体の流れは、表面と相互作用する分子粘性の摩擦による速度の低下を示し、それによって、壁からの垂直な距離の関数として、表面で実質的にゼロであり境界層の外側端部で主流速度に達する大きな速度勾配が生じる。速度が低下すると、流体の密度と流体の速度の二乗の積である、より小さい運動量フラックスが生じる。発散表面（即ち、平均流れ方向から尾を引く表面）に沿って、翼またはヘリコプタロータブレードの吸気表面（上部表面）ではそうであるように、表面に沿う流れは、運動量フラックスの変化のみによって実現される圧力増加を伴う。表面に沿う流体の運動量とエネルギーは、圧力増加と摩擦を克服するのに消費され、それによって、流体粒子は、最終的に停止し、流れは、壁から離脱し、境界層剥離が生じる。流れのエネルギーが、乱流に、そして最終的に熱に変化するので、境界層剥離によって、通常、圧力増加（回復）が終了し、よって性能（例えば、エーロフォイル揚力）が低下し、システム効率が劇的に低下する。境界層剥離は、表面近くを流れる流体粒子の運動量フラックスを増加させることによって、抑制されることが知られている。当業技術内では、境界層剥離の抑制または解消は、通常、「境界層剥離の開始の遅延」と呼ばれる。
【０００５】
境界層剥離を克服する単純かつ最も一般的な方法には、小渦発生装置が含まれ、この装置は、通常、表面（航空機翼の上部表面など）から外向きに延びるタブなどを用いることができ、表面に沿って流れるような一列の渦を発生させる。渦は、表面近くの低運動量の粒子を表面から移動させ、表面から少し離れて流れるより大きな運動量の粒子を表面に移動させ、それによって、境界層の表面近くを流れる粒子の運動量フラックスを向上させる。これは、どのような所定の速度や抑え角でも、境界層剥離を抑制する効果を有する。しかしながら、知られているように、タブ型の渦発生装置は、効率的／実際的に抑制することができる境界層剥離の程度を制限する寄生抗力（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｄｒａｇ）を生じる。
【０００６】
知られている別の方法では、境界層の中へのまたは境界層からの連続流を使用する。境界剥離線（即ち、エーロフォイルまたはディフューザの表面を横切って最大境界層剥離の開始が発生する線）の上流の壁吸気によって、表面に隣接する流れから低運動量フラックスの流体粒子が単純に取り除かれ、それによって、生成した空隙は、より外側の表面の流れから引き込まれる、より大きな運動量フラックスの粒子によって満たされる。同様の方法では、表面に隣接する流れに直接エネルギーを与えるために、スロットを通して接線方向下流向きに高エネルギー流体を単純に吹き込んでいる。しかしながら、これらの流れ技術の両方とも、真空源または圧力源と、これらの源から表面の孔までの内部配管とが必要である。これらの技術によって、不安定な剪断層の中で大きな渦状構造に増幅される循環渦状外乱が、境界層に導入され、この渦状構造が、表面の方へ運動量を対流させるので、剥離はある程度制限されるが、境界層は、少しも付着しない。これらは、そのようなシステムの費用、重量、複雑さを大幅に増加させており、そのようなシステムは、使用が正当化されるのに十分に効果的であるとは現在までのところまだ見出されていない。
【０００７】
比較的最近、米国特許第５，２０９，４３８号に示されるように、いわゆる「動的剥離制御」で、剥離点の直前に、表面近くで振動する摂動が使用されている。これは、表面と同じ高さの状態から、下流端が表面から延びている状態へと振動するように枢動するフラップと、表面に平行で、平均位置が、表面内の状態と、流れの中へ外向きに延びた状態との間で振動するリボンと、流れの内外に振動する垂直な障害物と、流れに周期的な障害と振動送風とを与える回転ベーン（超小型タービン）とを含む。これらの装置によって、渦巻運動状態の周期的外乱が流れに導入され、渦は、不安定な剥離した剪断層状態で、翼長方向の大きな渦状構造に増幅され、この渦状構造が、表面の方へ大きな運動量を対流させるので、圧力を回復することができる。このような流れは、従来の定義では、付着も剥離も起こさない。しかしながら、そのような摂動は、流れと幾何学的変数の全ての関数として、能動的に制御する必要があり、それには、費用のかかる複雑な非定常流構造のモデリング、あるいは、開ループスケジューリングを通してまたは流れの中のセンサからのフィードバックに応答して流れの変化に適合する情報を得るためのかなりの試験、などが力学的に必要である。
【０００８】
動的剥離制御における最近の変形物は、表面の境界剥離線の上流の表面に垂直に向けられた、いわゆる「合成ジェット装置（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｊｅｔ）」（「音響ジェット装置」または「ストリーミング（ｓｔｒｅａｍｉｎｇ）」とも呼ばれる）を使用するものである。この方法は、変数に大きく依存し、従って、動的制御も必要であるとして報告されており、さらに、現在までのところ得られた結果は、その費用と複雑さに値するには十分ではない。
【０００９】
【発明の開示】
本発明の目的は、改善された境界層の流れと；エーロフォイル、胴体、ブレードなどを含む構造の改善された空気力学的性能と；改善された境界層剥離の抑制と、翼とヘリコプタロータブレードの向上した効率と揚力と；向上した航空機の安定性と；初期費用が低く、運転費用が不要で、効果的、効率的な境界層制御と、相対的に単純で、ホスト構造とシステムに寄生的影響を与えない境界層制御と、を含む。
【００１０】
本発明は、音響ジェット装置の流出するジェット流が、負圧の開始の十分な前に孔またはノズル領域をきれいにするもので、それによってジェット空隙内の流体質量を、噴出されたジェット流の中の分子以外の分子で補充するものであるという事実に部分的に基づいている。本発明は、流体の流れの境界層の中へ接線方向に向けられた合成ジェット装置によって、表面に概ね垂直で時間に亘って平均すると正味の負の流れと、表面に概ね平行で時間に亘って平均すると正味の正の流れが形成されるものであるという発見にも部分的に基づいている。
【００１１】
本発明によれば、境界層を制御するために空気力学的な輪郭を有する振動する構造の表面に沿う流体の流れ（例えば空気）の境界層の中へ向けられた音響ジェット装置が、音響室の１つの壁を形成する弾力的に保持された質量により駆動されて、構造が振動する結果としての質量の振動によって、相応する空気の圧力振動が、音響ジェット装置を駆動する。流体粒子の振動（ｐｕｌｓｅｓ）が、境界層の中へ実質的に接線方向に注入されるように、ジェット装置は、好ましくは、表面に対して低入射角で配向することができる。本発明の１つの適用では、音響ジェット装置は、空気力学的な輪郭の境界層剥離点の近傍で低入射角で向けられ、それによって、境界層剥離を抑制または防止する。
【００１２】
音響ジェット装置の循環の負圧部分によって、表面に垂直で室に流れ込む低運動量フラックスの流体粒子の流れが形成され、それによって、接近する境界層から低運動量フラックスの流体粒子が取り除かれる。エネルギーを与えられて、より大きな運動量フラックスを有し、好ましくは境界層の中へ実質的に接線方向に注入される流体粒子によって、下流の境界層剥離の開始を抑制するために境界層に適切な運動量フラックスが形成される。振動エネルギーを使用することで、より滑らかで、より静かなシステムを得ることができる。
【００１３】
本発明の他の目的、特徴、利点は、添付の図面に例示されるように、本発明の例示的な実施態様の以下の詳細な説明に照らして、より明らかになるであろう。
【００１４】
【発明を実施するための最良の形態】
図１、図２を参照すると、ヘリコプタ１１のメインロータ１０のブレードを含むことができるエーロフォイル９が、質量１７が配置された弾力性のある膜１６により２つの室１４、１５に分離された中空コア１３を備える。振動によりエネルギーを与えられる音響ジェット装置を形成するために、室１４は、ノズル２０によって、ブレードの吸気表面２２に接続される。空気粒子が、吸気表面２２上の境界層の中へ実質的に接線方向に注入されるように、ノズル２０は、好ましくは、吸気表面２２に対して小さな鋭角で配向され、それによって、境界層剥離を抑制または防止する。ヘリコプタを運転するときに、ブレード９により自然に生じる振動によって誘導されて振動する仕方で可撓性の膜１６に作用する質量１７の動きによって、ジェット装置は、エネルギーを与えられる。質量１７と膜１６とは、室１４、１５とともに、低振動数、例えば４０ヘルツから数百ヘルツの大きな空気の圧力振動を発生するような形状の寸法にすることができる。本発明に従って、境界層に対するジェット効果は、ノズルを通る質量の流れを最大にするため以外は、振動数に依存するものではない。他の振動数を、本発明のどのような特定の実施にも適するように使用することができる。質量１７は、図２に示すように、どのような適切な方法でも膜に取り付けられる別個の部品とすることができるし、図４に示すように、膜１６の一体の部分として形成することもできる。膜１６は、好ましくは、本発明のどのような利用の設計条件に応じても、適切なポリマー、金属などから形成することができる。中空コア１３は、通常、ケーシング２６によって取り囲まれ、ブレードの残りの部分は、全て従来のように、繊維複合物シェル２８を有するハニカム材料２７から形成することができる。図２では、ヘリコプタブレードの従来の他の特徴は、明確にするために省略されている。図１に示すように、ノズル２０は、細長くすることもでき、さらに、各ブレードの全長に実質的に沿っていくつかのノズルを配置することもでき、各ノズルまたはノズルの群が、１つまたは複数の音響ジェット装置によって駆動される。
【００１５】
図２には示していないが、室１５は、通気孔を必要とすることもできる。一方、室１５は、図３に示すように、スロットを通して質量の流れを形成するために使用することもできる。そこでは、質量１７と膜１６ａとが前後に振動するに従って、室１４で前方圧力波が形成され、室１５で相補的な後方波が形成される。室１４には、スロット状のノズル３０が設けられ、室１５には、吸気表面２２上のノズル３０の下流にスロット状のノズル３１が設けられる。これは、効率を、実質的に２倍にし、図３の構成では、一般的に、境界層を表面２２に非常にしっかりと保持されるようにするものである。
【００１６】
図４、図５には、振動する膜の正圧と負圧の両方を利用する本発明の別の形態が示される。そこでは、スロット状のノズル３７を駆動する正圧を室３５内で発生させるとともに、ノズル３７から翼長方向に（流れ方向に交差するように）離れたスロット状のノズル３８を排気する負圧を室３６内で発生させる組み合わされた質量と膜３４が、一対の壁構造３２、３３によって、保持されており、あるいは、質量／膜３４は、室３５内で負圧を、室３６内で正圧を、発生させる。本発明の範囲に含まれるどのような構成の中でも、音響ジェット装置の各室は、当然、複数のノズルを駆動することもできるであろうし、これらのノズルは、同じ室によって駆動される他のノズルから流れ方向または翼長方向に、あるいはその両方向に離れており、さらに、他のノズルが他の室によって駆動されることもある。
【００１７】
図６、図７には、ロケット推進輸送装置などを含むことができる空気力学的輸送装置４０の胴体に適用される本発明が、示される。
【００１８】
図８を参照すると、ベーン軸流ファンを含むことができる空気処理ファン４４が、複数のブレード４１〜４５を備えており、このうちブレード４３〜４５は、明確にするために、断面で示される。ブレード４１〜４５は、モータ５０によりジャーナル４９を通して駆動されるハブ４８に取り付けられており、このモータ５０は、ジャーナル４９も保持するベーン５１に取付けられている。ベーン５１は、インタプレナムシュラウド５３内に配置されている。この実施例では、頁の上部のブレードが図面の奥へ後退し、一方、頁の下部のブレードが図面手前の方へ進むように、ファンは回転する。従って、ブレード４１の図は、吸気表面であり、ブレード４２の図は、圧力表面である。ブレードのそれぞれは、図９〜図１１に、より詳細に示されるように、膜５８と質量５９とを備える２室音響ジェット装置のためのノズルから構成される少なくとも一対のスロット５５、５６を備える。そこでは、膜５８の片側は、スロット５５に通じている溝６２を有する音響ジェット室６１を備え、膜５８のもう一方側は、スロット５６に通じている溝６５を有する音響ジェット室６４を備える。図９〜図１１では、点線によって、室６４と溝６５の端部が示され、破線によって、室６１と溝６２の端部が示される。知られているように、ファンの各ブレードは、次に続くブレードと空気力学的に相互作用する渦を発生させ、それによって、ブレード効力の変化と揚力の変化（即ち、有用な仕事）が引き起こされる。これらの変化は、実質的に一定の振動数で振動するブレードのぱたぱたいう音から明らかであり、それは、質量５９の振動を引き起こすエネルギー源を提供し、それによって、音響ジェット装置が駆動される。この結果は、ブレードに隣接する流れの境界層をブレード表面に付着させ、スロットの下流領域のブレード上に本質的に定常の流線形の流れを発生させることになり、それによって、実質的にファンの効率が向上する。
【００１９】
図１２、図１３を参照すると、風力発電機７０が、ハブ７９上に取り付けられたブレード７５〜７７により駆動される発電機７３を支持する構造７１を備える。複数の前スロット８０がそれぞれ、室８１を有する音響ジェット装置のノズルから構成され、複数の後スロット８３がそれぞれ、室８４を有する音響ジェット装置のノズルから構成され、両方の室は、同じ質量／膜共振システム８６によって駆動される。どのような場合でも必要ならば、共振システム８６は、示されるように、ブレードの翼弦に平行な方向、あるいはその他の方向など、ブレードの翼弦に垂直な方向以外の方向に振動するように取り付けることができるであろう。
【００２０】
ブレードと胴体とについて説明したが、本発明すなわち振動によりエネルギーを与えられる機械的に共振する、境界層制御のための合成ジェット装置は、空気力学的輪郭を有する表面を備える他の構造で、あるいは、境界層の問題と合成ジェット装置にエネルギーを与えるのに十分な機械的振動エネルギーとが存在する場合、他の流体を備える他の適用で、実施することができる。例えば、ここで例示される空気力学的表面は、胴体、ヘリコプタブレード、翼、空気を動かす機械のブレード、風力発電機、流体の流れの中の支持圧縮材（ｓｔｒｕｔｓ）などであり得る。
【００２１】
上述の特許出願の全ては、参照によりここに組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を用いたヘリコプタの斜視図。
【図２】 本発明の単純な実施態様を用いたヘリコプタブレードの、図１の２−２線に沿った断面側立面図。
【図３】 本発明の２室、２ノズルの実施態様を用いたヘリコプタブレードの断面側立面図。
【図４】 翼長方向に離れたスロットを備える本発明の２室、２スロットの実施態様の、図５の４−４線に沿った部分正断面図。
【図５】 ２室と翼長方向の２スロットとを用いる空気力学的構造の、図４の５−５線に沿った断面側立面図。
【図６】 本発明の２室、複数の流れ方向のスロットの実施態様を用いるロケット推進輸送装置の部分断面側立面図。
【図７】 図６の輸送装置の上面図。
【図８】 本発明のスロット、膜、質量を示す、空気処理ファンの簡略部分断面側立面図。
【図９】 図８のブレードに適用された本発明の構成の、ブレードの吸気側から見た奇抜な概略図。
【図１０】 本発明の構成の、ブレードの断面を通してブレード翼端の方へ見た奇抜な概略図。
【図１１】 本発明の構成の、ブレードの前縁から見た奇抜な概略図。
【図１２】 本発明を用いた風力発電機の一部切欠斜視図。
【図１３】 図１２の１３−１３線に沿った断面図。

Claims (37)

1. 構造の一部を構成し、空気力学的輪郭を有する表面と、
   集中して配置された質量を有する弾力性のある膜と、
   前記膜が形成する可撓性の壁を備え、前記表面の境界層剥離点に隣接して前記構造の内部に配置された室と、
   前記室を前記境界層剥離点の近傍で前記表面と接続するノズルと、
   を備える作動中に振動する構造であって、作動中に前記構造の振動が、前記構造の振動の振動数に関連する振動数で前記質量を振動させ、それによって、前記質量の振動の振動数に関連する振動数で前記室内で振動する圧力変化を発生させ、次に、前記構造の振動の振動数に関連する振動数で流体粒子の振動を前記表面の境界層の中へ与えることを特徴とする構造。
2. 前記構造はエーロフォイルであることを特徴とする請求項１記載の構造。
3. 前記構造は、ブレードであることを特徴とする請求項１記載の構造。
4. 前記ブレードは、ヘリコプタロータの一部であることを特徴とする請求項３記載のブレード。
5. 前記ブレードは、空気処理装置の一部であることを特徴とする請求項３記載のブレード。
6. 前記ブレードは、風力発電機の一部であることを特徴とする請求項３記載のブレード。
7. 前記構造は、胴体であることを特徴とする請求項１記載の構造。
8. 前記質量と前記膜とは、互いに結合される２つの別個の部品であることを特徴とする請求項１記載の構造。
9. 前記質量は、前記膜と一体に形成されることを特徴とする請求項１記載の構造。
10. 前記質量は、前記膜の内部に封入されることを特徴とする請求項９記載の構造。
11. 前記膜は、ポリマーから形成されることを特徴とする請求項１記載の構造。
12. 前記膜は、金属から形成されることを特徴とする請求項１記載の構造。
13. 前記質量は、金属から形成されることを特徴とする請求項１記載の構造。
14. 前記ノズルは、前記表面に対して小さな鋭角で配向され、それによって、前記流体粒子の振動は、前記境界層の中へ実質的に接線方向に注入されることを特徴とする請求項１記載の構造。
15. 前記膜が形成する可撓性の壁を備え、前記表面に隣接して前記構造の内部に配置された第２の室と、
    前記第２の室を前記表面と接続する第２のノズルと、
    を備える前記構造であって、それによって、作動中に前記構造の振動が、前記第２の室内で振動する圧力変化を発生させ、次に、流体粒子の振動を前記表面の前記境界層の中へ与えることを特徴とする請求項１記載の構造。
16. 前記第２のノズルは、前記第１のノズルから流れ方向に離れていることを特徴とする請求項１５記載の構造。
17. 前記第２のノズルは、前記第１のノズルの下流に配置されることを特徴とする請求項１６記載の構造。
18. 前記第２のノズルは、前記第１のノズルから流れ方向に交差するように離れていることを特徴とする請求項１５記載の構造。
19. 空気力学的な輪郭を有する表面を備える構造であって、
    前記構造は、その意図する使用の少なくとも１つの形態において作動しているときに、振動数帯の内部で振動する１つのモードを含む振動モードに一致して振動し、前記振動数帯は、前記振動モードの振動エネルギーのかなりの部分を含み、
    前記表面は、前記構造が前記少なくとも１つの形態において作動しているときに、境界層剥離を受ける前記表面に隣接する流体の流れを有し、
    前記構造は、前記表面の境界層剥離点に隣接して配置された室と、前記室を前記表面と接続するノズルと、を有し、
    前記室の１つの壁は、集中して配置された質量を有する弾力性のある膜を備え、前記膜は、前記振動に応じた前記振動数帯によって励起される振動数で振動することができ、
    前記少なくとも１つの形態において作動しているときに、前記構造の振動が、前記振動数帯に関連する振動数で前記質量を振動させ、それによって、前記振動数帯に関連する振動数で前記室内で振動する圧力変化を発生させ、次に、前記振動数帯に関連する振動数で流体粒子の振動を前記表面の境界層の中へ与えることを特徴とする構造。
20. 前記ノズルは、前記室を前記流体の流れの境界層剥離点の近傍で前記表面と接続することを特徴とする請求項１９記載の構造。
21. 前記構造はエーロフォイルであることを特徴とする請求項１９記載の構造。
22. 前記構造は、ブレードであることを特徴とする請求項１９記載の構造。
23. 前記ブレードは、ヘリコプタロータの一部であることを特徴とする請求項２２記載の構造。
24. 前記ブレードは、空気処理装置の一部であることを特徴とする請求項２２記載の構造。
25. 前記ブレードは、風力発電機の一部であることを特徴とする請求項２２記載の構造。
26. 前記構造は、胴体であることを特徴とする請求項１９記載の構造。
27. 前記質量と前記膜とは、互いに結合される２つの別個の部品であることを特徴とする請求項１９記載の構造。
28. 前記質量は、前記膜と一体に形成されることを特徴とする請求項１９記載の構造。
29. 前記質量は、前記膜の内部に封入されることを特徴とする請求項２８記載の構造。
30. 前記膜は、ポリマーから形成されることを特徴とする請求項１９記載の構造。
31. 前記膜は、金属から形成されることを特徴とする請求項１９記載の構造。
32. 前記質量は、金属から形成されることを特徴とする請求項１９記載の構造。
33. 前記ノズルは、前記表面に対して小さな鋭角で配向され、それによって、前記流体粒子の振動は、前記境界層の中へ実質的に接線方向に注入されることを特徴とする請求項１９記載の構造。
34. 前記膜が形成する可撓性の壁を備え、前記表面に隣接して前記構造の内部に配置された第２の室と、
    前記第２の室を前記表面と接続する第２のノズルと、
    を備える前記構造であって、それによって、前記少なくとも１つの形態において作動しているときに、前記構造の振動が、前記第２の室内で振動する圧力変化を発生させ、次に、流体粒子の振動を前記表面の前記境界層の中へ与えることを特徴とする請求項１９記載の構造。
35. 前記第２のノズルは、前記第１のノズルから流れ方向に離れていることを特徴とする請求項３４記載の構造。
36. 前記第２のノズルは、前記第１のノズルの下流に配置されることを特徴とする請求項３５記載の構造。
37. 前記第２のノズルは、前記第１のノズルから流れ方向に交差するように離れていることを特徴とする請求項３４記載の構造。

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