SE502515C2 - Drivaggregat för flygplan - Google Patents

Description

502 515 Hastighetsunderskottsområdet åtföljs av ett "massflödesunder- skott", varför såsom visats vid 17H luft får en benägenhet att dras in i hastighetsunderskottsområdet 17F, vilket framkallar turbulens.

En andra orsak är att flygplanskroppens 3 anfallsvinkel ändras under flygning, medan kåpan 12 är formgiven för att ge minsta möjliga turbulens vid en enda, optimal anfallsvinkel. Kåpan alstrar alltså mer turbulens vid anfallsvinklar, som avviker från detta optimala värde.

Det turbulenta strömningsområdet får två oönskade bieffekter.

Den ena består i att när fläktbladen passerar genom det turbu- lenta området 15, så kommer de att skära av den turbulenta luftströmmen och att härigenom framkalla buller. Detta har i överdriven form illustrerats i fig. 3. När en fartygspropeller 18 arbetar delvis nedsänkt i vatten 21, kommer varje propeller- blad att framkalla buller då det tränger ned i vattnet. Vattnet kan betraktas såsom analogt med det turbulenta området 15 i fig. 2, dvs det alstras buller varje gång ett propellerblad passerar genom området 15.

Om varje propellerfläkt har åtta blad och roterar med 20 varv per sekund, skärs den turbulenta luftströmmen av 160 gånger per sekund. Detta motsvarar en bullerkälla med en sändningsfrekvens av 160 Hz tillsammans med övertoner.

En annan bieffekt härrör från det faktum att den lyftkraft som ett propellerblad alstrar är en funktion av bladets anfalls- vinkel relativt den mötande luftens strömningsriktning. När bladet kommer in i turbulensområdet 15, ändras anfallsvinkeln såsom visats i fig. 2B.

Den anfallsvinkel A1 som bladet 6A möter blir den vektoriella summan av två vektorer, nämligen för det första friströms- vektorn V0, som motsvarar flygplanets rörelsehastighet framåt, och för det andra rotationsvektorn, som representerar bladets 6A rotationshastighet. 5Û2 515' När bladet 6A kommer in i turbulensområdet, minskas friströms- vektorn V0, såsom illustreras av vektorn V, (också visad i fig. 2A). Följaktligen kommer vektorsumman "1" att ändras till vektorsumman "2". Denna sistnämnda vektoriella summa framkallar en större anfallsvinkel A2.

Till följd härav blir propellerbladet 6A kraftigare belastat och lyftkraftbelastningen i pilens 26 riktning enligt fig. 1 (i dragkraftsriktningen) blir större, varigenom bladet böjs i den riktningen. Om motorn exempelvis har en dragkraft av .000 kp och det totala antalet fläktblad är sexton, så blir den totala belastningen per blad approximativt 640 kp (10.000 dividerat med 16). Även en liten procentuell ökning av drag- kraften under passagen genom turbulensområdet 15, exempelvis en ökning med 10%, kan framkalla avsevärda påkänningar på bladen och riskera att skada dessa under en längre tidsperiod. Detta skall illustreras med ett exempel.

Antag att bladradien 31 i fig. 2 är 1,5 m. Den cirkel som varje bladspets 33 beskriver blir då ca 10 m i omkrets. Om enligt ovan propellervarvtalet är 20 varv per sekund, kommer spets- delen 33 hos varje blad att röra sig längs omkretsen med en hastighet av drygt 200 m/s.

Om det turbulenta området antas ha en höjd av ca 3 dm, måttet 38, och om det vidare antas att turbulensen framkallar en 10 procentig ökning av lyftkraften under en bladpassage, så kommer varje blad att utsättas för en impuls av 10% av dragkrafts- belastningen, eller ca 70 kp, under ett tidsintervall av 1/620 sekunder, dvs ett intervall på ungefär 1,6 m/s. Om RPM är 20, kommer varje blad att passera genom turbulenszonen en gång per 1/20-dels sekund, eller en gång för varje 50 ms. Uttryckt med andra ord, en cyklisk belastning av 70 kp uppträder under 1,6 m/s hos varje blad med ett tidsavstånd av 50 ms. Uppenbar-' ligen bör en sådan cyklísk belastning undvikas.

Ett ändamål med uppfinningen är att möjliggöra avsevärd reduk- tion av buller och cyklisk belastning, som härrör från motor- 502 515 fundamentskåpan. Detta har, enligt uppfinningens kännetecken, uppnåtts med hjälp av organ, vilka är anordnade att påverka den av kåpan alstrade luftströmmen samt av organ anordnade att styra de nämnda påverkningsorganen i beroende av planets flyg- förhållanden, inbegripet dess anfallsvinkel.

Enligt en utföringsform av uppfinningen reduceras det turbulen- ta strömningsområde som alstras av en kåpa kring det bärande fundamentet för en skjutande propeller, varigenom både pro- pellerbullret och de periodiska böjningspåkänningarna på pro- pellerbladen minskas. Turbulensen kan minskas på flera olika sätt, exempelvis genom att gaser leds in i luftströmmen nära kåpans bakkant, genom reglering av strömningsavlösningen från kåpan, nämligen genom att luft sugs och dras ut genom perfore- ringar i kåpans yta, samt på andra sätt. Allmänt gäller dock att enligt uppfinningen styrningen av den aktuella luftströmmen sker i beroende av flygplanets attityd, särskilt då anfalls- vinkeln. Eftersom under sista delen av en inflygning för land- ning, på den s.k. finalen, anfallsvinkeln är stor, är det av vital betydelse att en vibrations- och bullerdämpande anordning inte utövar en funktion som höjer stallhastigheten, en risk som föreligger vid tidigare kända liknande arrangemang, exempelvis enligt GB 2 138 507 A. Genom US 3 149 804 är tidigare känd en anordning för motverkande av stall, men den avlänkning av luft- strömmen som sker vid denna anordning är principiellt helt olika förhållandena vid föremålet för detta patent.

Fig. 1 visar ett flygplan, försett med stjärtmonterade, mot- roterande propellerfläktar eller propellrar.

Fig. 2 visar i större skala området inom cirkeln 2 i fig. 1, inklusive det av kåpan 12 alstrade turbulenta strömningsområdet .

Fig. 2A visar i tvärsektion det viskösa gränsskiktet på kåpans 12 yta samt motsvarande turbulenta strömningszon.

Fig. 2AA är en variant till fig. 2A. 502 515' Fig. 2B visar propellerbladets 6A anfallsvinklar A, och A, Fig. 3 visar en fartygspropeller, som är delvis nedsänkt i vatten.

Fig. 4 visar i tvärsektion kåpan 12 och ett munstycke, som in- för gas under övertryck nära bakkanten 40 i och för minskning av turbulensen genom utfyllnad av låghastighetsområdet med luft av hög hastighet.

Fig. 5A-SC illustrerar ett flertal perforeringar i kåpans 12 yta, vilka är anslutna till en lågtrycksledning 42. Genom att selektivt avtappa luftströmmar genom hålen kan man fördröja om- slaget, vid 44 i fig. SB, där avlösning sker, i jämförelse med punkten 44B i fig. SC samt vidare reducera intensiteten och storleken hos det turbulenta område som uppstår också utan av- lösning 44.

Fig. 6 illustrerar en annan utföringsform av uppfinningen.

Fig. 4-6 illustrerar flera utföringsformer av uppfinningen. I fig. 4 har kåpan 12 en ledning 60, som är ansluten till en huvudledning 63, vilken matas med luft under ett tryck, vilket åtminstone är högre än trycket vid punkten 66 nedströms om kåpans bakkant. Ledningen 60 avger en luftstråle 67, vilken höjer den resulterande lufthastigheten i det turbulenta ström- ningsområdet, så att hastighetsunderskottet i fig. 2A minskas, vilket resulterar i minskat medbringande av luft från friström- ningszonen, så att de variationer i anfallsvinkelns storlek vilken propellerbladen möter då de passerar genom det turbu- lenta området också minskas.

Ledningen 63 kan trycksättas enligt flera kända metoder, exem- pelvis genom avtappning av luft från en kompressor, då motorn är en gasturbin, eller med hjälp av en liten kompressor.

Enligt 5A finns i kåpans 12 yta ett stort antal perforeringar 75. Deras storlek har överdrivits på ritningen; i praktiken är 502 515 deras diameter ca 0,02-O,5 mm. Perforeringarna står i förbin- delse med en ledning 42, ansluten till en lågtryckskälla, exem- pelvis en vakuumpump. Såsom pilarna 76 utvisar, suger denna ut luft från det (icke visade) gränsskiktet, varigenom strömnings- avlösningen förskjuts från punkten 44 i fig. 5B till punkten 443 i fig. sc.

Enligt den utföringsform av uppfinningen som är visad i fig. 6 finns en rörlig lucka 80 på kåpans 12 undersida 83. Luckan 80 kan svänga kring en gångled 85. Då kåpans anfallsvinkel når värdet A, öppnas luckan 80, varigenom kanalen 60 fylls med ram- luft 87, så att det bildas en luftström 67, vilken minskar massflödesunderskottet.

Följande kännetecken för uppfinningen är viktiga. Även om, såsom diskuterats i anslutning till fig. 2A, det turbulenta området 15 beror på utbildning av gränsskikt, så är turbulensen i viss utsträckning också resultatet av den av kåpan alstrade lyftkraften. Detta innebär att även om kåpan 12 i tvärsektion vore helt symmetrisk, såsom visats i fig. 4, så skulle densamma icke desto mindre framkalla en lyftkraft vid en viss anfallsvinkel A relativt den inkommande luftströmmen 101.

Förekomsten av lyftkraft åtföljs vanligen av virvelbildning, turbulens och åtminstone en svag störning i strömningsfältet nedströms om bakkanten eller av en kombination av dessa effek- ter. Härav följer, att om man kan styra lyftkraften, kan man också styra dessa störningar. Den förskjutning av avlösningen som illustrerats i fig. 5A-C kan därför betraktas som en styr- ning av turbulensområdet genom styrning av den lyftkraft som kåpan 12 genererar.

Kåpans 12 anfallsvinkel ändras vanligen under olika faser av en flygning. Som exempel kan anföras att anfallsvinkeln i plan- flykt ökas vid inflygning för landning, då följaktligen en mer intensiv turbulens kan förväntas. Härav följer, att de åtgärder som skall minska turbulensen bör ökas under denna flygfas.

Detta kan exempelvis ske genom att mer luft blåses genom led- 502 515 ' ningen 60 i fig. 4 samt mer luft suges ut genom öppningarna 75 enligt fig. SA.

Dessa åtgärder kan regleras direkt av piloten med hjälp av kända servomekanismer, som i fig. 4 symboliserats med blocket "Flödeskontroll". Alternativt kan regleringen ske automatiskt, baserad på direkt eller indirekt mätning av turbulensen. En tredje möjlighet är att reglera turbulensen enligt ett förut- bestämt schema.

Ett sådant schema upprepas i två steg. Först flyges planet under varierande flygförhållanden, varvid turbulensområdet mätes. När sedan liknande flygförhållanden uppträder, vilka orsakar kraftig turbulens, sätts de reducerande åtgärderna in.

Uppfinningen har beskrivits i anslutning till ett turbulent om- råde vid kåpan kring ett motorfundament, som uppbär en skjutan- de propeller. Turbulensen minskas av två skäl, både för reduk- tion av det buller som propellern alstrar vid passagen genom det turbulenta området och för minskning av de periodiska böj- ningspåkänningar som det turbulenta strömningsområdet utsätter propellerbladen för. Minskningen av turbulensen modifieras i beroende av aktuella flygförhållanden. Som exempel kan sägas att ofta en kraftigare reduktion av det turbulenta området er- fordras vid inflygning i en attityd med stor anfallsvinkel.

Nedan exemplifieras nu hur man kan beräkna behovet av luftflöde i ett givet fall.

EXEMPEL Först beräknas den totala arean hos hastighetsunderskotts- regionen 17F i fig. 2A och 2AA, varefter man bestämmer den luftmassa som erfordras för att fylla ut denna area. Härvid antages hastighetsprofilen 17A i fig. 2AA att vara en gaussisk funktion av variabeln dw (turbulensområdets halva bredd) och Va (hastighetsunderskottet på centrumlinjen), som båda angetts i fig. ZAA. Dessa båda variabler kan emellertid inte observeras direkt, men de kan beräknas ur CD (motståndskoefficienten), V0 502 515 (friströmshastigheten) och kåpans kordlängd (c), vilka kan fastställas direkt.

Såsom markerats i fig. 2AA, är det massflöde dm (massa per sekund) som erfordras för utfyllnad av det sektionerade elemen- tet med tjockleken dy d1h=p dy-I <1) dm = p vd - dy - I (2) där p = luftens densitet (antages vara konstant) Vd = hastighetsunderskottet I = djupet (vinkelrätt mot papprets plan) Problemet består nu i att fastställa det totala massflödet för alla tjocklekselement dy.

Hastighetsprofilen 17A antages vanligen vara en gaussisk kurva och kan uttryckas med följande samband: 2 V d _ ~ V- - exp(-1)(U å; ) (3) dc 2 vd = vdcexp(-1)(¶ šæ ) (4) där Vd = hastighetsunderskottet enligt fig. 2 Va = hastighetsunderskottet på centrumlinjen enligt fig. ZAA, och dw = halva bredden hos det turbulenta området i fig. 2AA 502 515' Integrering av ekvation (2) ger tydligen ett totalt massflöde GO m= f pvddy (S) -í 111 ÖV! och ekvation (4) anger Wfly). Det återstår emellertid att finna värdena för Va och dw i ekvation (4).

Dessa värden kan härledas ur ett arbete av A. Silverstein, S. Katzoff och W. Bullivant i "Downwash and Wake Behind Plain and Flapped Airfoils", NACA Rapport nr 651, 23 juni 1938. Dessa forskare har funnit att . ,/C ' vi =_-____1'” D = F <6) dc x "- (ë* W) Vw = F V0 (6A) och dw _ § == E- _ mmm/CD + 0,15) ._ G (v) dw = Gc (7A) där CD = kåpans motståndskoefficient C = kordan (avståndet c i fig. 2AA) hos kåpan samt G och F är variabler, som nyligen definierats i syfte att förenkla Insättning av (4) i (5) ger oo 2 Ia = I p exm-nU/fšíó m/dcdy <8) ^0O 502 515 lO Insättning av (6A) och (7A) i (8) ger 00 fwfpexpmnï ä; >Fv0dy <9) -oc Om man antar att hastighetsprofilen 17A i fig. 2AA är symme- trisk relativt Vü, kan det undre gränsvärdet för integreringen ändras till noll, och uttrycket multipliceras med två. Ekvation (9) kan nu skrivas som °” 7' V/P e-azyz dy = gg: (10) där Ekvation (10) är felfunktionen FF.

Om ekvation (10) sätts in i (9) erhåller man m = p G c FVO (11) Om värdena på G och F i (6) och (7) sätts in i (ll), får man (12) Om x = 0, vilket är dess värde vid bakkanten, kan (12) förenk- las till: m = (p)0,68 C 0,15 (C) -Ü'ï_-“ V0 (13) 502 515 ll Följande värden kan antagas gälla: p = 66 x 104 slugs/lit på en höjd av 300 m q,= 0,02 C = 1,2 m V0= 130 m/s Om man sätter in dessa värden tillsammans med omräkningsfaktorn 32,2 pund massa per slug, får man följande: fn = 2,3 x1o'3 S-l5§(o,6s)\/o,o2\lo,15 (4 fot) fot 1,21 0,02 f a' -575--(4oošåå)(32,2E5§ï5š-9) (14) - = pund ° m m 2'52 fot ° sek (15) Enheten fot i nämnaren härrör från enhetsdjupet "1" i ekvation (1). Detta innebär, att massflödet är 2,52 pund luft per sekund per fot längs kanalen 60 i fig. 4.

Det är fullt realistiskt att utan att någon nackdel uppträder avtappa ett sådant massflöde från kompressorn hos en gasturbin- motor med en dragkraft av ca 7000 kp.

Exemplet illustrerar ytterligare ett sätt att reglera minsk- ningen av turbulens med utgångspunkt från friströmshastighet och höjd för en kåpa av given längd. De ovan härledda ekvatio- nerna avser massflödesunderskott som en funktion av dessa variabler, varför storleken hos det flöde som erfordras för att avhjälpa underskottet kan regleras på basis av friströmshastig- heten och densiteten (dvs tryckhöjden).

Uppfinningen kan på många sätt modifieras och varieras inom ramen för kraven.

Claims (3)

502 515 12 Patentkrav

1. Drivaggregat för flygplan med åtminstone en skjutande propellerfläkt (6) belägen nedströms om en kåpa (12) för alstrande av en turbulent luftström, som tillförs propel- lern, k ä n n e t e c k n a t a v organ anordnade att påverka den av kåpan alstrade luftströmmen samt av organ anordnade att styra de nämnda påverkningsorganen i beroende av planets flygförhållanden, inbegripet dess anfallsvinkel.

2. Drivaggregat enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a t a v att nämnda organ innefattar en källa för av- givande av gas till området vid kåpans bakre kant.

3. Drivaggregat enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a t a v att påverkningsorganen innefattar perforeringar i kåpans yta i och för reglering av gränsskiktets tjocklek.