JP5358682B2 - 外気を航空機内に供給するための空気路 - Google Patents

Description

本発明は外気を航空機内に供給するための空気路に関する。

従来、航空機内に搭載される様々なシステムに対して外気を供給するために近年の航空機において用いられる複数の空気路が空気吸入口と拡散筒を有する複数のラムエアー路として設計されている。航空機の巡航中、外気は前記空気吸入口を通ってラムエアー路へ流れる。前記拡散筒の中では、気流の減速により、外気流の動圧のいくらかは静圧に変換される。結果として、ラムエアー路内で常圧より高い静圧が生じ、ラムエアー路を流れる空気が外気が供給される航空機の装置、例えばラムエアー路内に設置された熱交換器へ供給されることを確実にするいわゆるラム圧が生じる。一方で、航空機の地上操作中には、機械的な供給装置、例えば送風機が所望の外気がラムエアー路を介して前記外気が供給される航空機の装置へ供給されることを確実にする。

ラムエアー路の前記空気吸入口はラムエアースクープ形式に構築されることができ、又は周りに気流が生じる前記航空機の構造に一体化されることができる。周りに気流が生じる前記航空機の構造に一体化された空気吸入口は、航空機の巡航中に前記空気吸入口によって生じる抵抗を減らすことを可能にする。低抵抗であると同時にラムエアー路内への最適化された空気供給は、例えば周りに気流が生じる前記航空機の表面に一体化されたＮＡＣＡ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｄｖｉｓｏｒｙ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｆｏｒ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ）の吸気口を用いることで実現することができる。

外気が供給されるいくつかの航空機のシステムでは、前記航空機の巡航中よりも航空機の地上操作中にこれらシステムがより多くの空気流量を必要とするという問題がある。そのため、巡航中の前記のような航空機システムに必要な空気流量のために最適化されるラムエアー路の吸入口は、航空機の巡航中に空気吸入口によって生じる抵抗を最小化するために、比較的小さい断面を持たなければならない。これと比較して、航空機の地上操作中には、できるだけ大きなラムエアー路吸入口の断面が、航空機の地上操作中に外気が供給される前記航空機システムへラムエアー路を介して外気を送る送風機を可能とするのに有利であり、できるだけ低い供給圧で運転されるのに有利である。一方で、巡航用に最適化された小さいラムエアー路吸入口の断面を有するラムエアー路内に設置された送風機は、必要とされる高い供給圧力を供給するために大きめに設計されなければならず、この送風機が大きな体積、高重量、及び高エネルギー消費量を有し、運転中に比較的大きなノイズを引き起こすという不利な結果となる。

発明の基本的な目的は、前記航空機の巡航中よりも航空機の地上操作中により大きな空気流量を必要とする航空機システムにエネルギー効率の良い方法で大きく設計された供給装置を用いることなく外気が供給されることを可能とする、外気を航空機内に供給するための空気路を提供することである。

前記目的を達成するために、外気を航空機内に供給するための本発明の空気路は、例えば航空機の外板に設置された開口部の形式で構成されることができる空気吸入口を有する。前記空気路の運転中に外気が流れる流路部が前記空気吸入口の下流に延びている。前記流路部内に、外気が供給される航空機の装置、例えば熱交換器が設置されることができる。本発明の空気路を備える航空機の巡航中に、前記航空機の外板の周囲を流れる空気は、この目的のために必要とされる追加の供給装置なしで、前記空気吸入口を介して前記空気路の前記流路部へ流れる。しかしながら、本発明の空気路を備える航空機の地上操作中にも、外気が供給される前記航空機の装置への適切な外気の供給を保証するために、本発明の空気路はさらに供給装置を有する。例えば送風機や空気注入システムの形式で構成されることができる前記供給装置は、本発明の空気路を備える航空機の地上操作中に、前記空気吸入口と前記流路部を介して外気が供給される前記航空機の装置へ外気を供給するために用いられる。

最後に本発明の空気路は、第一の位置では前記空気吸入口を完全に閉じ、そのため外気が前記空気路の前記空気吸入口と前記流路部に侵入することを防ぐように設計された流れ制御フラップを有する。外気が供給される前記航空機の装置が運転中ではないとき又は外気を必要としない運転状態のときに、前記流れ制御フラップはその第一の位置の状態であることが好ましい。さらに、本発明の空気路の前記流れ制御フラップは第二の位置では前記空気吸入口の第一の流れ断面を開き、第三の位置では前記第一の流れ断面より広い前記空気吸入口の第二流れ断面を開くように設計されている。外気が供給される前記航空機の装置が比較的少ない外気量を必要とするときに、本発明の空気路の前記流れ制御フラップはその第二の位置の状態であることが好ましい。一方で、その第三の位置では、前記流れ制御フラップは外気が供給される前記航空機の装置へ大量の空気流量の供給を可能にする。

本発明の空気路の前記流れ制御フラップは、前記流れ制御フラップの前記第二の位置では前記流れ制御フラップの第一の表面部が前記空気吸入口の領域において前記空気吸入口を囲む航空機外板部と実質的に平行に調整されるように設計され設置されたものである。言い換えれば、前記流れ制御フラップは、前記第一の表面部が、前記空気吸入口を囲む前記航空機の外板と実質的に平行に、前記空気吸入口の下部に広がるような形状を有し、固定される。前記流れ制御フラップの前記第二の位置では、前記流れ制御フラップの第一の表面部が前記空気吸入口を囲む前記航空機外板部と実質的に同一平面に設置されることが好ましい。前記流れ制御フラップがその第二の位置の状態にあるときには、それは特に低い抵抗を生み出す。そのため、本発明の空気路を備える航空機の巡航中に、前記流れ制御フラップはその第二の位置の状態にあることが好ましい。

一方で、前記流れ制御フラップの前記第三の位置では、前記流れ制御フラップの第一の表面部は前記空気吸入口を囲む前記航空機外板部に対して角度をなして調節される。そのため、その第三の位置では、前記流れ制御フラップは、前述のとおり、その第二の位置より広い前記空気吸入口の流れ断面を開きながら、より大きい抵抗を生み出す。その結果として、本発明の空気路の前記流れ制御フラップは、外気が供給される前記航空機の装置が多くの外気量を必要とするときには、その第三の位置に移ることが好ましい。これは本発明の空気路を備える航空機の巡航中及び地上操縦中の両方の場合とも可能である。

巡航中、例えば本発明の空気路を備える航空機の上昇中に、本発明の空気路の前記流れ制御フラップはその第三の位置へ移されることもできるが、本発明の空気路は、前記航空機の巡航中よりも航空機の地上操作中により多くの外気量を必要とする航空機の装置へ外気を供給する特に有利な方法として使用可能である。すなわち、前記航空機の巡航中には、前記流れ制御フラップは主に、前記空気吸入口の前記流れ断面を減少させることにより前記空気吸入口により生じる抵抗が比較的低い状態であること保証するその第二の位置の状態にあることができる。これは前記航空機の燃料消費において有利な効果を有する。一方で、航空機の地上操作中に前記流れ制御フラップは、より広い前記空気吸入口の断面を開くその第三の位置の状態にあることができる。そのため、航空機の地上操作中に前記空気路の前記空気吸入口と前記流路部を介して外気を送る前記供給装置は、前記空気吸入口の大きさが前記航空機の巡航のために最適化されたときに可能となるよりも著しく小さい設計とすることができる。

本発明の空気路の更なる利点は、完全にフラップが開いている故障状態において、巡航中及び地上で同じ条件で設計された従来の空気路の場合よりより低い抵抗が生じることである。そのため、従来の空気路の場合には、この状態においてより高い外の気流により生じる路内圧力が著しく高くなり、これに対応する路の設計を必要とし、それに伴い重量が増加する。

さらに、本発明の空気路の前記流れ制御フラップは、前記流れ制御フラップの前記第二の位置では前記流れ制御フラップの第二の表面部が、前記流路部を流れる外気の流れ方向に増加する前記流路部の壁部に対する角度をなして調節されるように設計され設置されたものであることが好ましい。言い換えると、前記流路部の壁部に加えて前記流れ制御フラップの第二の表面部が前記流路部を流れる外気の流れ方向に増加する断面を有する流路の下部を形成する。結果として、前記流れ制御フラップの前記第二の位置では、前記流れ制御フラップの第二の表面部と前記流路部の壁部とが前記流路部を介した流れに影響を与える拡散筒を形成する。

前記流れ制御フラップの第二の表面部と前記流路部の壁部により形成される前記拡散筒において、外気流の動圧のいくらかが静圧へ変換される結果、前記空気吸入口を介して前記空気路へ供給される外気流は減速される。結果として、常圧より高い静圧、すなわち外気が供給される前記航空機の装置、例えば前記空気路の前記流路部内に設置された熱交換器への適切な外気の供給を保証するラム圧となる。そのため、本発明の空気路の前記流れ制御フラップは一方では前記空気吸入口の所望の流れ断面を調節し、他方ではその第二の位置において前記流路部の壁部と共に拡散筒を形成する二重の機能を果たす。

一方で、前記流れ制御フラップの前記第三の位置では、前記流れ制御フラップの第二の表面部は前記流路部の壁部に実質的に平行に調整されることが好ましい。そのため、前記空気路の前記流路部を通る流れは前記流れ制御フラップに最小限に影響されるだけで、それによって前記供給装置を用いて前記空気路を通る外気のスムーズな供給が可能となる。

前記流れ制御フラップの前記第三の位置では、前記流れ制御フラップの第一の表面部が、前記空気吸入口の領域において前記空気吸入口を囲む前記航空機外板部に対して約１０°の角度をなして調節されることが好ましい。前記第三の位置では前記流れ制御フラップの前記第一の表面部が前記空気吸入口を囲む前記航空機外板部に対して約１０°の角度を形成するように形成され、設置される流れ制御フラップは、一方では前記空気吸入口の広い流れ断面の開口部を可能とし、他方では前記空気吸入口によって生じる抵抗を過剰に増大させない。

さらに、本発明の空気路の前記流れ制御フラップは、前記流れ制御フラップの前記第三の位置では前記流れ制御フラップの端、例えば前記流れ制御フラップの第一と第二の表面部により形成される端が前記航空機のまわりの気流に突き出るように設計され、設置されることが好ましい。結果として、空気は境界層から前記空気路へより激しい勢いで運ばれることができる。これは増大された抵抗をもたらすが、空気流量の制御範囲は著しく広がる。

本発明の空気路の前記流れ制御フラップは実質的に三角形の断面を有することができる。例えば、前記流れ制御フラップの断面は二等辺三角形状を有することができる。

前記流れ制御フラップは前記流れ制御フラップの重心部分に設置された軸の周りを回転可能であることが好ましい。前記流れ制御フラップの重心部分に設置された回転軸は、比較的低いエネルギー消費で前記流れ制御フラップの良好な機動性を可能にする。

例えば、前記流れ制御フラップの前記回転軸は、本発明の空気路の前記流路部へ伸びる中心長軸の領域に実質的に設置されることができる。そのような前記回転軸の配置を考えると、前記流れ制御フラップの前記第二の位置では、前記流れ制御フラップの第一の表面部が前記空気吸入口の断面の中心領域を閉じ、すなわち、前記流れ制御フラップの第一の表面部が前記空気吸入口の断面積を第一部分と第二部分に分割する。一方で、前記流れ制御フラップの前記第三の位置では、前記流れ制御フラップの第一の表面部が前記空気吸入口を囲む前記航空機外板部に対して角度をなして調節されるとき、前記流れ制御フラップは前記流路部の中心長軸に沿って実質的に沿って広がる。

さらに、本発明の空気路は、前記流れ制御フラップをその第一の位置と第三の位置の間で無段階に動かすように設計された駆動装置を有することができる。前記駆動装置は、例えば機械的、電気的又は電気機械的な駆動装置とすることができる。さらに、前記流れ制御フラップを所望の位置へ調節するために、それに対応して前記駆動装置を運転する制御装置が備えられることができる。

さらに、本発明の空気路は、前記流れ制御フラップを所望の位置に保持するように設計された保持装置を有することができる。前記流れ制御フラップをその第一の位置と第三の位置の間で動かすために用いられる前記駆動装置は、前記流れ制御フラップを所望の位置で保持する前記保持装置を同時に形成することができる。しかしながらこれに代えて、追加の保持装置が前記流れ制御フラップを所望の位置で保持するために設置されることができる。

前述の空気路を運転する本発明の方法では、前記空気路を備える航空機の巡航中に、外気を航空機の装置へ供給するための前記流れ制御フラップはその第二の位置へ動かされる。一方で、前記空気路を備える航空機の地上操作中に、外気を前記航空機の装置へ供給するための前記流れ制御フラップはその第三の位置へ動かされる。本発明の方法を用いることで、航空機の地上操作中よりも、従来前記航空機の巡航中に少ない外気量を必要とする航空機の装置は、エネルギー効率の良い方法で十分な量の外気を常に供給されることができる。

しかしながら、特に前記航空機の装置の運転状態、すなわち、例えば前記航空機の巡航中に例外的に多くの外気量を必要とする場合、又は前記航空機の上昇中に前記航空機の装置の運転状態では、増大された空気吸入口の流れ断面を開くために、前記空気路の前記流れ制御フラップは前記航空機の巡航中にもその第三の位置へ動かされることができる。同様に、前記航空機の装置がより少ない外気量を必要とするとき、航空機の地上操作中に前記流れ制御フラップはその第二の位置に動かされることができる。

以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例について詳細に説明をする。
第一と第三の位置の間で調整可能な流れ制御フラップを有する空気路の断面図を示す。 前記流れ制御フラップがその第一の位置の状態にある場合の図１の空気路を示す。 前記流れ制御フラップがその第二の位置の状態にある場合の図１の空気路を示す。 前記流れ制御フラップがその第三の位置の状態にある場合の図１の空気路を示す。 図１の空気路の平面図を示す。

図１から５に示す空気路１０は、空気吸入口１２と、前記空気吸入口１２の下流に排気口１４まで延びる流路部１６を有する。前記空気吸入口１２は前記空気路１０を備える航空機の外板へ一体化され、その結果として前記航空機の外板の対応する部分１８により囲まれる。前記空気路１０は前記流路部１６内に設置された熱交換器２０へ外気を供給するために用いられる。

前記空気路１０を備える前記航空機の巡航中には、前記航空機の外板の周りの外気流は前記空気吸入口１２を介して前記流路部１６へ流れ、熱交換器２０を通る。一方、航空機の地上操作中に、送風機２２は前記空気吸入口１２と前記流路部１６を介して前記熱交換器２０へ十分な外気が供給されることを確保する。図１から５に示す前記空気路１０の実施例では、前記送風機２２は前記流路部１６内の前記熱交換器２０の下流に設置される。

さらに、前記空気路１０は前記空気吸入口１２の領域に設置され、第一と第三の位置の間で無段階に調節可能な流れ制御フラップ２４を有する（図１参照）。前記流れ制御フラップ２４は実質的に二等辺三角形状の断面を有する。前記流れ制御フラップ２４をその第一の位置と第三の位置の間で動かすために、前記流れ制御フラップ２４の重心部分に、前記流れ制御フラップ２４が周りを回転可能である回転軸２６が設置される。前記回転軸２６は前記空気路１０の前記流路部１６へ延びる中心長軸Ｌの領域に設置される。

図１から５に示されていない電気機械的駆動装置が前記流れ制御フラップ２４をその第一の位置とその第三の位置の間で動かすために用いられる。前記電気機械的駆動装置は電気制御ユニットを用いて制御される。さらに、前記電気機械的駆動装置は前記流れ制御フラップ２４を所望の位置に保持するのに適している。

特に図２から明らかなように、その第一の位置の前記流れ制御フラップ２４は前記空気吸入口１２を完全にふさぎ、そのため、外気が前記空気吸入口１２から前記空気路１０の前記流路部１６へ供給されることを防ぐ。前記熱交換器２０が外気の供給を必要としないとき、前記電気機械的駆動装置は前記流れ制御フラップ２４を図２に示す第一の位置へ動かす。

一方で、図３に示すその第二の位置では、前記流れ制御フラップ２４は前記空気吸入口１２の第一の流れ断面を開く。この場合の前記流れ制御フラップ２４の第一の表面部２８は前記空気吸入口１２を囲む前記航空機外板部１８と実質的に平行、かつ同一平面に延びる。前記流れ制御フラップ２４の前記回転軸２６が前記流路部１６の中心長軸Ｌの領域に位置するため、前記流れ制御フラップ２４の前記第一の表面部２８は前記空気吸入口の断面の中心領域に延びる。結果として、前記流れ制御フラップ２４の前記第二の位置では、前記空気吸入口１２の前記流れ断面の中心領域が閉じて、一方で前記空気吸入口１２の前記流れ断面の外側の領域は外気が流れることができるように開く。

前記流れ制御フラップ２４の前記第二の位置では前記流れ制御フラップ２４の前記第一の表面部２８が、前記空気吸入口１２を囲む前記航空機外板部１８に実質的に平行に調整され、前記空気吸入口１２により生じる前記航空機の追加抵抗が有利に最小化されることができる。前記流れ制御フラップ２４の前記第二の位置で開かれる前記空気吸入口１２の前記流れ断面のサイズは、前記航空機の巡航中において前記熱交換器２０への十分な外気の供給が保証されるように設計される。

一方で、図４に示される前記流れ制御フラップ２４の前記第三の位置では、前記流れ制御フラップ２４は前記流れ制御フラップ２４の前記第二の位置で開かれる前記空気吸入口１２の第一の流れ断面より大きい前記空気吸入口１２の第二流れ断面を開く。前記流れ制御フラップ２４の前記第三の位置では、前記流れ制御フラップ２４の前記第一の表面部２８が前記空気吸入口１２を囲む前記航空機外板部１８に対して約１０°の角度で設置される。前記流れ制御フラップ２４がその第三の位置の状態にあるとき、前記空気吸入口１２の前記流れ断面は最大限まで開き、それにより、前記空気吸入口１２と前記流路部１６を介した外気のスムーズな流れが可能になる。しかしながら、流れ制御フラップ２４がその第三の位置の状態にある状態の前記空気吸入口１２は増大された抵抗を引き起こす。

さらに、前記流れ制御フラップ２４は、図３に示す前記流れ制御フラップ２４の前記第二の位置では、前記流れ制御フラップ２４の第二の表面部３０が、前記流路部１６を流れる外気の流れ方向に増加する前記流路部１６の壁部３２に対する角度をなして調節されるように設計され、設置される。それにより、前記流れ制御フラップ２４の前記第二の位置では、前記流れ制御フラップ２４の前記第二の表面部３０は、前記流路部１６の前記壁部３２と共に、前記流路部１６を流れる気流の減速をもたらす拡散筒を形成する。結果として、外気流の動圧のいくらかは静圧に変換され、前記流路部１６内に常圧より高いラム圧が生じる。このラム圧は十分な外気が前記流路部１６内に設置される前記熱交換器２０を通って運ばれることを確保する。

一方で、図４に示すように前記流れ制御フラップ２４がその第三の位置の状態にあるとき、前記流れ制御フラップ２４の第二の表面部は前記流路部１６の前記壁部３２と実質的に平行に調節される。そのため、その第三の位置では、前記流れ制御フラップ２４は前記流路部１６を流れる気流に最小限に影響するのみである。

前記流路部１６内に設置される前記熱交換器２０は、前記航空機の巡航中よりも航空機の地上操作中により多くの外気量を必要とする。そのため、前記航空機の巡航中に、前記流れ制御フラップ２４は、前記空気吸入口１２により生じる追加抵抗の最小化が可能となる図３に示されるその第二の位置の状態にある。一方で、航空機の地上操作中に、前記流れ制御フラップ２４は、前記空気吸入口１２の前記流れ断面が最大限開くその第三の位置の状態にある。結果として、より小さく設計された送風機２２でも前記空気吸入口１２を介して前記流路部１６へ十分に外気を供給することができ、前記熱交換器２０への十分な外気の供給を保証することができる。

Claims (10)

1. 外気を航空機内に供給するための空気路（１０）であって、
   空気吸入口（１２）、
   前記空気吸入口（１２）の下流へ延びる流路部（１６）、
   前記空気吸入口（１２）と前記流路部（１６）を介して外気を供給するように設計された供給装置（２２）、及び
   第一の位置では前記空気吸入口（１２）を閉じる流れ制御フラップ（２４）を有し、
   前記流れ制御フラップ（２４）は第二の位置で前記空気吸入口（１２）の第一の流れ断面を開き、第三の位置で前記第一の流れ断面より広い第二の流れ断面を開き、前記流れ制御フラップ（２４）の前記第二の位置では前記流れ制御フラップ（２４）の第一の表面部（２８）が前記空気吸入口（１２）の領域において前記空気吸入口（１２）を囲む航空機外板部（１８）と実質的に平行に、かつ実質的に同一平面に調整されるように、及び前記流れ制御フラップ（２４）の前記第三の位置では前記流れ制御フラップ（２４）の前記第一の表面部（２８）が前記空気吸入口（１２）の領域において前記空気吸入口（１２）を囲む航空機外板部（１８）に対して角度をなして調整されるように前記流れ制御フラップ（２４）は設計され、設置されたものであることを特徴とする空気路。
2. 前記流れ制御フラップ（２４）の前記第二の位置では前記流れ制御フラップ（２４）の第二の表面部（３０）が、前記流路部（１６）を流れる外気の流れ方向に前記流路部（１６）の前記流れ断面が増加するように、前記流路部（１６）の壁部（３２）に対して角度をなして調整されるように前記流れ制御フラップ（２４）は設計され、設置されたものであることを特徴とする請求項１に記載の空気路。
3. 前記流れ制御フラップ（２４）の前記第三の位置では前記流れ制御フラップ（２４）の前記第二の表面部（３０）が前記流路部（１６）の前記壁部（３２）と実質的に平行に調整されるように前記流れ制御フラップ（２４）は設計され、設置されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の空気路。
4. 前記流れ制御フラップ（２４）の前記第三の位置では前記流れ制御フラップ（２４）の端が前記航空機の周囲の気流に突き出るように前記流れ制御フラップ（２４）は設計され、設置されたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の空気路。
5. 前記流れ制御フラップ（２４）は実質的に三角形の断面を有するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の空気路。
6. 前記流れ制御フラップ（２４）は、前記流れ制御フラップ（２４）の重心部分に設置される軸（２６）の周りを回転可能なものであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の空気路。
7. 前記流れ制御フラップ（２４）の前記回転軸（２６）は実質的に前記流路部（１６）へ延びた中心長軸（Ｌ）の領域に設置されるものであることを特徴とする請求項６に記載の空気路。
8. 前記流れ制御フラップ（２４）をその第一の位置と第三の位置の間で無段階に動かすように設計された駆動装置を有するものであること特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の空気路。
9. 前記流れ制御フラップ（２４）を所望の位置に保持するように設計された保持装置を有するものであること特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の空気路。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の空気路を運転する方法であって、
    前記空気路（１０）を備える航空機の巡航中に、外気を航空機の装置へ供給するための前記流れ制御フラップ（２４）をその第二の位置に動かし、前記空気路（１０）を備える前記航空機の地上操縦中に、外気を前記航空機の装置へ供給するための前記流れ制御フラップ（２４）を第三の位置に動かすことを特徴とする空気路の運転方法。

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