JP7346165B2 - クロスフローファン、これを備えた揚力発生装置およびこれを備えた航空機 - Google Patents

Description

本開示は、クロスフローファン、これを備えた揚力発生装置およびこれを備えた航空機に関するものである。

特許文献１には、航空機の機体表面の上流側の境界層を吸い込むことによって揚力を向上させるクロスフローファンが開示されている。

米国特許出願公開第２０１７／０２６７３４２号明細書

クロスフローファンは、舌部によって回転するベーン側に循環渦を形成する。循環渦は、仕事をすることはなく、他の領域に比べて流速が小さい領域となっている。このため、クロスフローファンは循環渦の存在によって流量を増大することが比較的困難であるという問題がある。
また、ベーンの下流側の流路の壁面近傍では淀み領域が形成されやすく流体損失が増大するおそれがある。

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、流体損失を低減することができるクロスフローファン、これを備えた揚力発生装置およびこれを備えた航空機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示のクロスフローファンは、回転軸線の回りに周方向に所定間隔を空けて配置され、該回転軸線の周りに回転する複数のベーンと、前記ベーンの外周側に配置された舌部と、各前記ベーンから流体が排出される排出流路の壁面に沿って該ベーンから流体が排出される方向に流体を噴出する噴出部と、を備え、前記噴出部から噴出される流体は、流体圧縮部によって圧縮されて圧縮流体流路を通り供給された流体、又は、前記ベーンよりも上流側に形成された流体導入口から導かれた流体とされている。

ベーンから流体が排出される排出流路の壁面に沿って流体を噴出する噴出部を設けることとしたので、流体損失を可及的に低減することができる。

本開示のクロスフローファンを備えた航空機を示した平面図である。 本開示の第１実施形態に係るクロスフローファンを示した横断面図である。 本開示の第２実施形態に係るクロスフローファンを示した横断面図である。

以下に、本開示に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本開示の第１実施形態について説明する。図１には、揚力発生装置として用いられるクロスフローファン３を備えた航空機１が示されている。

航空機１は、胴体５の両側部にそれぞれ主翼７を備えている。胴体５の後方には、水平尾翼８と垂直尾翼９を備えている。各主翼７には、それぞれ推進器としてターボジェットエンジン（図示せず）が設けられている。

クロスフローファン３は、左右の主翼７のそれぞれに３つずつ設けられている。ただし、クロスフローファン３の数は任意であり、１つでも２つでも良いし、４つ以上であっても良い。クロスフローファン３は、主翼７の後縁側に設けられている。クロスフローファン３は、主翼７の上流側の壁面近傍を流れる空気を吸い込むことによって、主翼７の上面（外表面）を流れる境界層流れのはく離を抑制し、揚力の増大を図る。

各クロスフローファン３には、圧縮空気（圧縮流体）を供給する圧縮空気供給経路１１が接続されている。圧縮空気は、クロスフローファン３に設けた噴出部２０（図２参照）から噴出される。圧縮空気供給経路１１は、空気圧縮機（図示せず）に接続されている。空気圧縮機は、専用の空気圧縮機としても良いし、ターボジェットエンジンの空気圧縮機を用いても良い。ターボジェットエンジンの空気圧縮機を用いる場合には、一部の空気を抽気することによって行う。なお、図１では、各クロスフローファン３に対して軸線方向（図１において左右方向）に３箇所で圧縮空気供給経路１１を接続することとしているが、この数はこれに限定されるものではない。

図２には、クロスフローファン３の横断面が示されている。クロスフローファン３は、舌部１７が設けられた舌部側壁部２２と、舌部側壁部２２に対向する対向壁部２３とによって形成された風路中に配置されている。

クロスフローファン３の前方には、例えばスロット状に形成された吸込口１２が設けられ、クロスフローファン３の後方には、例えばスロット状に形成された排出口１３が設けられている。クロスフローファン３は、吸込口１２から空気を吸い込み、排出口１３から空気を排出する。

クロスフローファン３は、回転軸線Ｏ１の回りに周方向に所定間隔を空けて配置された複数のベーン１５を備えている。各ベーン１５は、図２の紙面垂直方向に同一断面を有して延在している。各ベーン１５は、リング形状とされた枠体１９によって互いに接続されている。各ベーン１５は、回転軸線Ｏ１を中心として回転方向Ｒ１（図２において反時計回り）に回転する。各ベーン１５は、ベーン駆動モータ（図示せず）によって回転駆動される。

図２に示すように、各ベーン１５の外周側には、舌部１７が配置されている。舌部１７は、舌部側壁部２２の中間位置に設けられており、ベーン１５側に突出した形状とされている。舌部側壁部２２は、舌部１７の上流側に設けられた舌部上流壁部２５と、舌部１７の下流側に設けられた舌部下流壁部２６とを備えている。

舌部上流壁部２５は、下流側が舌部１７に接続されるとともに、上流側が主翼７の前方に向かって湾曲した形状とされている。舌部上流壁部２５は、吸込口１２に接続されている。

舌部下流壁部２６は、上流側が舌部１７に接続されるとともに、下流側が排出口１３に接続されている。このように、舌部下流壁部２６は、ベーン１５から空気（流体）が排出される排出流路の壁面を構成し、ディフューザ壁部３０とともに圧力回復を行うディフューザ領域を形成している。

対向壁部２３は、吸込口１２側に設けられた上流壁部２８と、上流壁部２８に接続された下流壁部２９と、下流壁部２９に接続されたディフューザ壁部３０とを備えている。

上流壁部２８は、ベーン１５に隣接する領域（図２の領域Ａ参照）では、ベーン１５が回転する際に形成する軌跡の外周における曲率半径と同等とされた形状とされている。したがって、上流壁部２８の領域Ａでは、ベーン１５の外周との隙間が一定とされている。

下流壁部２９は、領域Ｂにわたって設けられ、上流壁部２８の領域Ａよりも曲率半径が徐々に大きくなるような形状とされている。したがって、下流壁部２９の領域Ｂでは、ベーン１５の外周との隙間が徐々に拡大するようになっている。このように、下流壁部２９は、ベーン１５から空気が排出される排出流路の壁面を構成している。

ディフューザ壁部３０は、領域Ｃにわたって設けられ、下流壁部２９の領域Ｂの下流端の曲率半径に対して曲率半径が不連続に変化している。ディフューザ壁部３０は、下流側に向かってほぼ直線形状となっている。このように、ディフューザ壁部３０は、ベーン１５から空気が排出される排出流路の壁面を構成している。

下流壁部２９には、圧縮空気供給経路１１から導かれた圧縮空気を噴き出す第１噴出部（噴出部）３２が設けられている。第１噴出部３２は、下流壁部２９の上流側に設けることが好ましく、より好ましくは下流壁部２９の最上流位置に設けられる。第１噴出部３２から噴出した空気は、下流壁部２９の壁面に沿って流れる。第１噴出部３２の噴出開口の形状は、円形でも良いしスロット形状とされていても良い。

ディフューザ壁部３０には、圧縮空気供給経路１１から導かれた圧縮空気を噴き出す第２噴出部（噴出部）３４が設けられている。第２噴出部３４は、ディフューザ壁部３０の上流側に設けることが好ましく、より好ましくはディフューザ壁部３０の最上流位置に設けられる。第２噴出部３４から噴出した空気は、ディフューザ壁部３０の壁面に沿って流れる。第２噴出部３４の噴出開口の形状は、円形でも良いしスロット形状とされていても良い。

舌部下流壁部２６には、圧縮空気供給経路１１から導かれた圧縮空気を噴き出す第３噴出部（噴出部）３６が設けられている。第３噴出部３６は、舌部下流壁部２６の上流側に設けることが好ましく、より好ましくは舌部下流壁部２６の最上流位置に設けられる。第３噴出部３６から噴出した空気は、舌部下流壁部２６の壁面に沿って流れる。第３噴出部３６の噴出開口の形状は、円形でも良いしスロット形状とされていても良い。

上述したクロスフローファン３は、以下のように動作する。
図示しない制御部の指令によって、ベーン駆動モータが駆動され、各ベーン１５が回転軸線Ｏ１回りに回転させられる。
舌部１７の作用によって、回転軸線Ｏ１と舌部１７との間に循環渦Ｖ１が形成される。循環渦Ｖ１は、図２において反時計回りに回転する。循環渦Ｖ１が形成されることによって、吸込口１２側からクロスフローファン３を横切って排出口１３へと向かう主流流れが形成される。

第１噴出部３２から、図示しない制御部の指令によって、圧縮空気が噴射される。噴射された圧縮空気は、下流壁部２９の壁面に沿って流れる。
第２噴出部３４から、図示しない制御部の指令によって、圧縮空気が噴射される。噴射された圧縮空気は、ディフューザ壁部３０の壁面に沿って流れる。
第３噴出部３６から、図示しない制御部の指令によって、圧縮空気が噴射される。噴射された圧縮空気は、舌部下流壁部２６に沿って流れる。

以上説明した本実施形態の作用効果は以下の通りである。
ベーン１５から空気が排出される排出流路の壁面に沿って空気を噴出する噴出部２０（３２，３４，３６）を設けることとした。これにより、排出流路の壁面近傍に形成される低圧領域や淀み領域などの流体損失領域に流れを形成することができ、流体損失を可及的に低減することができる。

上流壁部２８は、ベーン１５が回転する際に形成する軌跡の外周における曲率半径と同等とされているので、ベーン１５の外周と上流壁部２８との隙間は一定とされており、この領域での流体の損失は小さい。しかし、上流壁部２８に接続された下流壁部２９は、上流壁部２８よりも曲率半径が徐々に大きくなるので、ベーン１５の外周と下流壁部２９との隙間が徐々に拡大する。このため、下流壁部２９では流体損失が増大するおそれがある。そこで、下流壁部２９の壁面に沿って流体を噴出する第１噴出部３２を設けることとした。これにより、流体損失の低減を図ることができる。

ディフューザ壁部３０は、下流壁部２９に接続されており、圧力回復を行うために曲率半径は下流壁部２９に比べてさらに大きくなる。このため、ディフューザ壁部３０の壁部近傍では流れのはく離が生じて流体損失が増大するおそれがある。そこで、ディフューザ壁部３０の壁面に沿って流体を噴出する第２噴出部を３４設けることとした。これにより、流体損失の低減を図ることができる。

舌部下流壁部２６の近傍では、循環渦Ｖ１の影響によって流体損失が増大するおそれがある。そこで、舌部下流壁部２６の壁面に沿って流体を噴出する第３噴出部３６を設けることとした。これにより、流体損失の低減を図ることができる。

なお、本実施形態では、噴出部として第１噴出部３２、第２噴出部３４及び第３噴出部３６を示したが、これら噴出部のうちのいずれか１つを用いることとしても良いし、３つのうちから選択した２つを用いることとしても良い。

［第２実施形態］
次に、本開示の第２実施形態について、図３を用いて説明する。
本実施形態は、第１実施形態に対して、第３噴出部３６に空気を導入する構成が異なる。それ以外については第１実施形態なので、その説明を省略する。
図３に示すように、舌部上流壁部２５に流体導入口４０が形成されている。流体導入口４０は、ベーン１５よりも上流側に設けられている。流体導入口４０は、第３噴出部３６と接続されている。流体導入口４０から導入された空気は、第３噴出部３６から舌部下流壁部２６の壁面に沿って流れる。

以上説明した本実施形態の作用効果は以下の通りである。
ベーン１５よりも上流側である舌部上流壁部２５に流体導入口４０を形成することによって、空気を導入することとした。クロスフローファン３は航空機１の主翼７に設けられているので、動圧を利用して流体導入口４０から空気を導入することができる。流体導入口４０から導入した空気を第３噴出部３６から噴出させるようにしたので、高圧空気を生成する動力を生成する必要がない。このため付加的な構造が不要となり軽量化を行うことができる。

なお、本実施形態では、噴出部として第１噴出部３２、第２噴出部３４及び第３噴出部３６を示したが、これら噴出部のうちのいずれか１つを用いることとしても良いし、３つのうちから選択した２つを用いることとしても良い。

また、本実施形態では、動圧を利用する流体導入口４０を第３噴出部３６に接続させることとしたが、流体導入口４０を動圧が利用できる適切な位置に設けることによって、第１噴出部３２や第２噴出部３４に空気を供給することとしても良い。

また、流体導入口４０の位置は、本実施形態では舌部上流壁部２５に形成することとしたが、動圧を利用できる位置であれば舌部上流壁部２５のさらに上流側の位置でも良いし、他の壁部であっても良い。

以上説明した各実施形態に記載のクロスフローファン、これを備えた揚力発生装置およびこれを備えた航空機は、例えば以下のように把握される。

本開示の一態様に係るクロスフローファン（３）は、回転軸線（Ｏ１）の回りに周方向に所定間隔を空けて配置された複数のベーン（１５）と、前記ベーン（１５）の外周側に配置された舌部（１７）と、各前記ベーン（１５）から流体が排出される排出流路の壁面に沿って流体を噴出する噴出部（２０）と、を備えている。

クロスフローファンは、ベーンの内周側でかつ回転軸線の舌部側に循環渦を形成することによって、周方向に設けられた複数のベーンを交差するように流れを形成する。
ベーンから流体が排出される排出流路の壁面に沿って流体を噴出する噴出部を設けることとした。これにより、排出流路の壁面近傍に形成される流体損失領域に流れを形成することができ、流体損失を可及的に低減することができる。

さらに、本開示の一態様に係るクロスフローファン（３）では、各前記ベーン（１５）を挟んで前記舌部（１７）に対向する位置に設けられた対向壁部（２３）を備え、前記対向壁部（２３）は、各前記ベーン（１５）が回転する際に形成する軌跡の外周における曲率半径と同等とされた上流壁部（２８）と、該上流壁部（２８）に接続されるとともに該上流壁部（２８）よりも曲率半径が徐々に大きくなる下流壁部（２９）と、該下流壁部（２９）に接続されるディフューザ壁部（３０）とを備え、前記噴出部（３２）は、前記下流壁部（２９）に設けられている。

舌部に対向する位置に設けられた対向壁部によって流路が形成される。対向壁部は、上流壁部と下流壁部とディフューザ壁部とを備えている。上流壁部は、ベーンが回転する際に形成する軌跡の外周における曲率半径と同等とされているので、ベーンの外周と上流壁部との隙間は一定とされており、この領域での流体の損失は小さい。しかし、上流壁部に接続された下流壁部は、上流壁部よりも曲率半径が徐々に大きくなるので、ベーンの外周と下流壁部との隙間が徐々に拡大する。このため、下流壁部では流体損失が増大するおそれがある。そこで、下流壁部の壁面に沿って流体を噴出する噴出部を設けることとし、流体損失の低減を図ることとした。

さらに、本開示の一態様に係るクロスフローファン（３）では、各前記ベーン（１５）を挟んで前記舌部（１７）に対向する位置に設けられた対向壁部（２３）を備え、前記対向壁部（２３）は、各前記ベーン（１５）が回転する際に形成する軌跡の外周における曲率半径と同等とされた上流壁部（２８）と、該上流壁部（２８）に接続されるとともに該上流壁部（２８）よりも曲率半径が徐々に大きくなる下流壁部（２９）と、該下流壁部（２９）に接続されるディフューザ壁部（３０）とを備え、前記噴出部（３４）は、ディフューザ壁部（３０）に設けられている。

舌部に対向する位置に設けられた対向壁部によって流路が形成される。対向壁部は、上流壁部と下流壁部とディフューザ壁部とを備えている。ディフューザ壁部は、下流壁部に接続されており、圧力回復を行うために曲率半径は下流壁部に比べてさらに大きくなる。このため、ディフューザ壁部の壁部近傍では流れのはく離が生じて流体損失が増大するおそれがある。そこで、ディフューザ壁部の壁面に沿って流体を噴出する噴出部を設けることとし、流体損失の低減を図ることとした。

さらに、本開示の一態様に係るクロスフローファン（３）では、前記舌部（１７）に接続されるとともに下流側に延在する舌部下流壁部（２６）に、前記噴出部（３６）が設けられている。

舌部に接続されるとともに下流側に延在する舌部下流壁部の近傍では、循環渦の影響によって流体損失が増大するおそれがある。そこで、舌部下流壁部の壁面に沿って流体を噴出する噴出部を設けることとし、流体損失の低減を図ることとした。

さらに、本開示の一態様に係るクロスフローファン（３）では、前記噴出部（２０）に供給する流体を圧縮する流体圧縮部を備えている。

流体圧縮部によって生成した圧縮流体が噴出部に供給される。流体圧縮部としては、例えば専用の空気圧縮機や、エンジンに圧縮空気を供給する空気圧縮機などが挙げられる。

さらに、本開示の一態様に係るクロスフローファン（３）では、前記ベーン（１５）よりも上流側に形成された流体導入口（４０）を備え、前記流体導入口（４０）から導入した流体を前記噴出部（３６）へ導く。

ベーンよりも上流側に流体導入口を形成することによって、流体を導入することとした。例えば航空機のような移動体であれば動圧を利用して流体導入口から流体を導入することができる。流体導入口から導入した流体を噴出部から噴出させるようにしたので、高圧流体を生成する動力を生成する必要がない。このため付加的な構造が不要となり軽量化を行うことができる。
例えば、舌部の上流側に舌部上流壁部が設けられている場合には、この舌部上流壁部に流体導入口を設けることが好ましい。

また、本開示の一態様に係る揚力発生装置は、本体外表面を流れる流れを吸い込む位置に設けられた上記のクロスフローファン（３）を備えている。

クロスフローファンによって本体外表面を流れる流れを吸い込むことによって、本体外表面を流れる流体のはく離を抑制し、揚力特性を向上させることができる。

また、本開示の一態様に係る航空機（１）は、上記の揚力発生装置を備えている。

クロスフローファンを用いた揚力発生装置を備えているので、従来のフラップのような揚力発生装置を省略して高揚力を実現することができる。揚力発生装置は、例えば、主翼の後縁部分や、胴体後方部分に設けることができる。
なお、揚力発生装置は、航空機以外に、風車の翼のような空力機械の翼に適用することもでき、また水中翼船の翼のような水力機械の翼に適用することもできる。

１ 航空機
３ クロスフローファン
５ 胴体
７ 主翼
８ 水平尾翼
９ 垂直尾翼
１１ 圧縮空気供給経路
１２ 吸込口
１３ 排出口
１５ ベーン
１７ 舌部
１９ 枠体
２０ 噴出部
２２ 舌部側壁部
２３ 対向壁部
２５ 舌部上流壁部
２６ 舌部下流壁部
２８ 上流壁部
２９ 下流壁部
３０ ディフューザ壁部
３２ 第１噴出部（噴出部）
３４ 第２噴出部（噴出部）
３６ 第３噴出部（噴出部）
４０ 流体導入口
Ｏ１ （ベーンの）回転軸線
Ｒ１ （ベーンの）回転方向
Ｖ１ 循環渦

Claims (8)

1. 回転軸線の回りに周方向に所定間隔を空けて配置され、該回転軸線の周りに回転する複数のベーンと、
   前記ベーンの外周側に配置された舌部と、
   各前記ベーンから流体が排出される排出流路の壁面に沿って該ベーンから流体が排出される方向に流体を噴出する噴出部と、
   を備え、
   前記噴出部から噴出される流体は、流体圧縮部によって圧縮されて圧縮流体流路を通り供給された流体、又は、前記ベーンよりも上流側に形成された流体導入口から導かれた流体とされているクロスフローファン。
2. 各前記ベーンを挟んで前記舌部に対向する位置に設けられた対向壁部を備え、
   前記対向壁部は、各前記ベーンが回転する際に形成する軌跡の外周における曲率半径と同等とされた上流壁部と、該上流壁部に接続されるとともに該上流壁部よりも曲率半径が徐々に大きくなる下流壁部と、該下流壁部に接続されるディフューザ壁部とを備え、
   前記噴出部は、前記下流壁部に設けられている請求項１に記載のクロスフローファン。
3. 各前記ベーンを挟んで前記舌部に対向する位置に設けられた対向壁部を備え、
   前記対向壁部は、各前記ベーンが回転する際に形成する軌跡の外周における曲率半径と同等とされた上流壁部と、該上流壁部に接続されるとともに該上流壁部よりも曲率半径が徐々に大きくなる下流壁部と、該下流壁部に接続されるディフューザ壁部とを備え、
   前記噴出部は、ディフューザ壁部に設けられている請求項１又は２に記載のクロスフローファン。
4. 前記舌部に接続されるとともに下流側に延在する舌部下流壁部に、前記噴出部が設けられている請求項１から３のいずれかに記載のクロスフローファン。
5. 前記噴出部に供給する流体を圧縮する流体圧縮部を備えている請求項１から４のいずれかに記載のクロスフローファン。
6. 前記ベーンよりも上流側に形成された流体導入口を備え、
   前記流体導入口から導入した流体を前記噴出部へ導く請求項１から４のいずれかに記載のクロスフローファン。
7. 本体外表面を流れる流れを吸い込む位置に設けられた請求項１から６のいずれかに記載のクロスフローファンを備えた揚力発生装置。
8. 請求項７に記載の揚力発生装置を備えた航空機。

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