Die gemeinsam gehaltenen US-Patentanmeldungen, die gleichzeitig mit dieser eingereicht wurden, mit den Seriennummern (Aktenzeichen R-4128, R-4237 und R-4239) enthalten Gegenstände, die mit den hier beschriebenen und beanspruchten verwandt sind.

Die Erfindung betrifft Zentrifugalpumpen von Umgebungsluft, um Düsen anzutreiben, die in die Grenzschicht an einem Blatt, beispielsweise einer Bläserlaufschaufel oder einem Hubschrauberrotorblatt gerichtet sind.

Die Gasströmung in der einer Oberfläche benachbarten Scher-Schicht (shear layer) zeigt eine Geschwindigkeitsverringerung in Folge der Reibung der molekularen Viskosität, die mit der Oberfläche wechselwirkt, was zu einem starken Geschwindigkeitsgradienten als eine Funktion des rechtwinkligen Abstands von der Oberfläche führt: im wesentlichen null an der Oberfläche, ansteigend auf die Geschwindigkeit des Hauptstroms an dem äußeren Rand der Grenzschicht. Die verringerte Geschwindigkeit führt zu einer Strömung mit einem geringeren Moment, was das Produkt der Dichte des Gases mal dem Quadrat der Geschwindigkeit ist. Entlang einer divergierenden Oberfläche (d. h. einer Oberfläche, die sich von der Hauptströmungsrichtung weg krümmt), so wie es auf der Sogseite eines Strömungsprofils (beispielsweise einer Bläserlaufschaufel oder eines Hubschrauberblatts) der Fall ist, ist die Strömung entlang der Oberfläche von einem Druckanstieg begleitet, der lediglich durch die Umwandlung des Strömungsimpulses bewirkt wird. Das Moment und die Energie des Gases entlang der Oberfläche wird beim Überwinden des Druckanstiegs und der Reibung verbraucht, so dass die Gasteilchen schließlich zum Anhalten kommen und die Strömung beginnt, strömungsabwärts des Ablösepunktes von der Wand wegzubrechen, was zu einer Grenzschichtablösung führt. Grenzschichtablösung führt typischerweise zu dem Ende des Druckanstiegs (Rückgewinnung – recovery) und somit zu einem Leistungsverlust (z. B. Strömungsprofilauftrieb) und einem dramatischen Abfall bei der Effizienz des Systems, in Folge der Umwandlung der Strömungsenergie in Turbulenz und schließlich in Wärme. Es ist bekannt, dass Grenzschichtablösung durch Erhöhen des Strömungsimpulses der in der Nähe der Oberfläche strömenden Gasteilchen beschränkt oder eliminiert werden kann. In der Technik wird die Beschränkung oder die Eliminierung der Grenzschichtablösung typischerweise bezeichnet als "Verzögern des Beginns der Grenzschichtablösung".

Ein Verfahren zum Überwinden der Grenzschichtablösung ist es, einfach hoch energetisches Gas tangential in der strömungsabwärtigen Richtung durch einen Schlitz einzublasen, um die Strömung der Oberfläche benachbart mit Energie zu beaufschlagen. Das erhöht stark die Kosten, das Gewicht und die Komplexität eines jeden derartigen Systems und hat sich bisher nicht als ausreichend effektiv herausgestellt, um irgendeine praktische Verwendung zu rechfertigen.

In der Hubschraubertechnologie ist es bekannt, dass Stall an dem zurücklaufenden Blatt die Grenzen für die Rotorbelastung und die Fluggeschwindigkeit bestimmt. Zusätzlich zu dem Verlust der Fähigkeit, Auftrieb zu erzeugen, überträgt ein unstetiger Blatt-Stall sehr große impulsive Blatt-Pitching-Momente auf das Flugsteuersystem. Um übermäßige Steuerbelastungen zu verhindern, sind die Stall-Grenzen als eine Funktion der Rotorbelastung und der Fluggeschwindigkeit gesetzt. Stall-Grenzen definieren die maximalen Blatt-Belastungen, was die Manövrierfähigkeit und die Agilität sowie die Geschwindigkeit und die Nutzlast beeinträchtigt. Eine verbesserte Nutzlastfähigkeit kann sich aus Gewinnen bei der aerodynamischen Effizienz beim Schwebeflug durch eine Verringerung des Spitzen-Stalls und beim Vorwärtsflug durch eine Verringerung bei dem Stall des zurück laufenden Blatts ergeben. In Axialströmungs-Gasturbinenmaschinen, beispielsweise denen, die in militärischen Flugzeugen und in kommerziellen Linienflugzeugen verwendet werden, ist ein völlig verschiedenes Problem eine Bläserlaufschaufel-Wirbelschleppenblockage am Eingang zu dem Kernbereich (Niederdruckverdichter) der Maschine. Dies tritt in der Nähe der Wurzel der Laufschaufel auf. Noch ein weiteres Problem bei Bläsern ist die Laufschaufelspitzen-Leckage. Bis zum jetzigen Zeitpunkt wurde kein Verfahren gefunden, um diese Probleme zu lösen, das nicht schließlich die Gesamttriebwerksleistung in Folge der von der Kompensationsvorrichtung verbrauchten Energie oder in Folge des parasitären Einflusses auf das Gesamtsystem verschlechtert.

US-A-4 045 146 beschreibt ein Hubschrauber-Rotorblatt, aufweisend eine Nabe, eine Vorderkante, eine Spitze, eine Wurzel, eine Druckfläche und eine Sogfläche. Ein derartiges Rotorblatt weist ferner einen sich durch das Blatt erstreckenden Lufteinlass, ein sich durch die Sogfläche des Blatts näher an der Spitze als an der Nabe in der Nähe der Vorderkante des Blatts erstreckendes Luftauslassrohr und ein sich von dem Lufteinlass zu dem Luftauslassrohr in dem Blatt erstreckendes Plenum auf, wodurch Luft in den Einlass gezwungen wird und durch Zentrifugalkraft entlang dem Plenum getrieben wird, um aus dem Kanal in die dem Blatt benachbarte Luftströmung auszutreten, wenn das Blatt rotiert. Das Hubschrauberrotorblatt hat einen Einlass an einer Position von 80% des Blattradius weg von der Nabe. Es liefert ferner die Luftströmung an einen einzigen Punkt an dem Blatt.

Ziele der Erfindung beinhalten verbesserte Grenzschichtströmung, verbesserte Verzögerung der Grenzschichtablösung, verbesserte Effizienz von Luftströmungsmaschinen, verbesserte Effizienz und verbesserter Auftrieb bei Hubschrauberrotorblättern, verbesserte Effizienz und verbesserter Auftrieb bei Propellern von senkrechtstartenden und -landenden Flugzeugen, verbesserte Effizienz bei Gasturbinen-Flugzeugtriebwerken, verringerte Bläserlaufschaufel-Wirbelschleppenblockage bei Strahltriebwerks-Kerneinlässen, verringerte Laufschaufelspitzen-Leckageeffekte bei Bläsern, Grenzschichtkontrolle, die effektiv, effizient ist und niedrige Anfangskosten und keine Betriebskosten mit sich bringt, und Grenzschichtkontrolle, die relativ einfach ist und eine niedrige parasitäre Auswirkung auf die "Wirt"-Strukturen und -Systeme hat.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hubschrauberrotorblatt gemäß Anspruch 1 und ein Blatt, welches Teil des Bläsers einer Axialströmungs-Gasturbinenmaschine ist, mit einer Bypassführung gemäß den Ansprüchen 9 und 10.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Luftströmung, die in die Gasströmung (beispielsweise Luft) einem rotierenden Strömungsprofil oder einem rotierenden Blatt benachbart gelenkt wird, von Zentrifugalkraft passiv angetrieben, wobei Umgebungsluft, welche in das Blatt in der Nähe der Nabe eintritt, nach außen zu und durch einen oder mehrere Schlitze in der Oberfläche des Blatts näher an der Spitze gezwungen wird, um so die Strömung dem Blatt benachbart zu kontrollieren. Ferner kann gemäß der Erfindung das Blatt ein Hubschrauberrotorblatt oder eine Bläserlaufschaufel sein. Weiterhin gemäß der Erfindung kann das Blatt in der ersten Stufe einer Gasturbinenmaschine oder in einem Bläser einer Luftfördermaschine sein.

Gemäß einer Anwendung der Erfindung ist die Luftströmung mit einem niedrigen Einströmungswinkel (im wesentlichen tangential) in der Nähe des Grenzschichtablösepunkts einer Bläserlaufschaufel oder eines Strömungsprofils gerichtet, um so eine Grenzschichtablösung zu verzögern oder zu verhindern. Die Erfindung liefert Gasteilchen in die strömungsabwärtige Grenzschicht, die ein höheres Strömungsmoment haben als Gasteilchen der strömungsaufwärtigen Grenzschicht, um so den Beginn der Grenzschichtablösung zu behindern; die Gasteilchen können vorzugsweise im wesentlichen tangential zu der Grenzschicht injiziert werden.

Bei einer anderen Anwendung der Erfindung ist die Luftströmung, bei einem Punkt in der Nähe oder hinter der Profilsehnenmitte, wo es zu Überschallstoß und Grenzschichtablösung kommt, in die der Oberfläche von Strahltriebwerks-Bläserlaufschaufeln benachbarte Strömung gerichtet, deren Spitzen mit Überschallgeschwindigkeit rotieren. Das verringert den Mach-Zahl-Gradienten, um so die Effizienz zu erhöhen.

Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch den Bläser einer Axialbläser-Gasturbinenmaschine in der Nähe der Wurzel des Bläsers strömende Luft durch einen Schlitz in der Sogseite der Laufschaufel in der Nähe der Wurzel abgesaugt, um eine Bläserlaufschaufel-Wirbelschleppenblockage zu reduzieren und so die Effizienz der Strömung in das Kerntriebwerk (Niederdruckverdichter) zu erhöhten. Gemäß der Erfindung wird die abgesaugte Luft zentrifugal durch die hohlen Schaufeln gepumpt und näher an der Spitze der Schaufeln abgegeben. Bei einer Ausführungsform wird die Luft an der Sogseite in der Nähe oder hinter der Profilsehnenmitte der Schaufel abgegeben, um so Schock zu reduzieren und den Beginn der Grenzschichtablösung zu verzögern. Bei einer weiteren Ausführungsform wird die abgesaugte Luft an der Druckseite der Spitzen der Schaufel abgegeben, um so die Schaufel-Leckageeffekte zu verringern.

Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der folgenden detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen davon ersichtlicher, wie sie in den begleitenden Zeichnungen gezeigt sind.

1 ist eine perspektivische Ansicht eines die Erfindung verwendenden Hubschraubers.

2 ist eine zum Teil geschnittene Teildraufsicht eines Hubschrauberblatts, welches die vorliegende Erfindung verwendet.

3 ist eine schematische Ansicht von vorne eines die vorliegende Erfindung verwendenden Blatts.

4 und 5 sind teilweise weggebrochene und geschnittene Seitenansichten einer Gasturbinenmaschine, welche die vorliegende Erfindung verwendet.

6 ist eine schematisierte, zum Teil geschnittene Teilseitenansicht eines Bläsers einer Luftfördermaschine, welche die vorliegende Erfindung verwendet.

Es wird auf die 1 und 2 Bezug genommen. Die Blätter 9 des Hauptrotors 10 eines Hubschraubers 11 haben einen Einlassschlitz 13 in der Nähe der Wurzel 14 des Blatts, die ein Luftplenum 15 versorgen, das sich nach außen in Richtung zur Spitze 18 des Blatts erstreckt. Schlitze 20 erlauben es druckbeaufschlagter Luft in dem Plenum 15, nach außen in die Grenzschicht an der Sogfläche (im Normalflug nach oben) an den Blättern 9 zu strömen. Wenn die Blätter in einer durch die Pfeile in den 1 und 2 gezeigten Richtung rotieren, wird Luft in den Einlass 13 gezwungen, und in Folge der relativ hohen Drehzahl saugt die Zentrifugalkraft, die auf die Luftmasse wirkt, die Luft in dem Plenum 15 nach außen in Richtung zur Spitze und bildet eine konstante Strömung von dem Einlass 13 durch die Schlitze 20 in jedem Blatt. In manchen Fällen kann es sein, dass nur die Schlitze am nächsten zu der Spitze verwendet werden, abhängig von der Strömung, die mit geringerer Zentrifugalkraft näher an den Wurzeln der Blätter erzielt werden kann.

In der einfachsten Ausführungsform der Erfindung ist das gesamte System passiv, und die Luft strömt kontinuierlich durch die Schlitze 20, wann immer sich der Rotor dreht. Die Erfindung kann jedoch auch in einem System verwendet werden, bei dem eine Ventileinrichtung vorgesehen ist, entweder an dem Einlass 13, in der Verjüngung des Plenums 15 oder an den Schlitzen 20, um eine pulsierende Luftströmung in die Grenzschicht zu liefern.

Die Erfindung, wie in den 1 und 2 angewandt, liefert Luft mit einem hohen Strömungsimpuls in die Grenzschicht an der Sogseite eines Blatts, um so eine Grenzschichtablösung zu behindern oder zu eliminieren. Das Positionieren der Schlitze 20, die in dem Bereich von 4% bis 10% der Profilsehne des Blatts oder sogar weiter strömungsabwärts sein können, wird für jede spezielle Blattkonstruktion und korrespondierende Betriebsparameter bestimmt.

Der Lufteinlass ist in den 1 und 2 als an der Vorderkante des Blatts 9 gezeigt. Da jedoch die Grenzschichteffekte, für deren Behebung die Erfindung ausgelegt ist, bei hohen Blattwinkeln ausgeprägter sind, ist der Einlass 13 ein wenig an der Druckseite der Schaufel (der den Schlitzen entgegengesetzten Seite) angeordnet, wie in 3 gezeigt, für maximalen Förderzwang während Betrieb bei hohen Anströmwinkeln. Hubschrauberblätter haben normalerweise hohle Strukturhomle mit leichten Wabenmaterial-Hinterkantentaschen 21; deshalb ist ausreichend Raum für die Erfindung vorhanden.

Es wird auf 3 Bezug genommen. Ein Blatt 23 hat einen durch die Druckfläche 25 davon in der Nähe der Blattwurzel 26 der Nabe 27 benachbart gehenden Lufteinlass 24. Der Einlass versorgt ein Plenum (nicht gezeigt, ähnlich dem von 2), das die Luft nach außen in Richtung der Spitze 28 des Blatts und nach außen durch Schlitze 29, die durch die Sogfläche 30 des Blatts gehen, zwingt. Das Blatt 23 kann die erste Stufe einer Gasturbinenmaschine sein, wie in den 4 und 5 gezeigt, oder es kann Teil eines Bläsers sein, der verwendet wird, um Luft in einem HVAC-System, wie in 6 gezeigt ist, oder irgendeinem anderen Bläser zu fördern. In 6 sind die Schaufeln hohl gezeigt, was das Plenum 15a schafft.

Es wird auf 4 Bezug genommen. Ein Strahltriebwerk 35 weist einen Bläser 36 mit Laufschaufeln 37, 38 (und zusätzlichen, nicht gezeigten Schaufeln) auf, die an einer Nabe 39 angebracht sind. In 4 ist angenommen, dass die Schaufel 37 von dem Leser weg läuft, so dass die Sogfläche davon in 4 betrachtet wird, während sich die Schaufel 38 in Richtung auf den Leser zu bewegt, so dass die Druckfläche davon in 4 betrachtet wird. Luft, die von dem Bläser 36 in der Nähe der Wurzel der Schaufeln druckbeaufschlagt wird, strömt in den Kern der Maschine, der in 4 als Laufschaufeln und Leitschaufeln des Niederdruckverdichters 42 gezeigt ist. Die restliche von dem Bläser 36 druckbeaufschlagte Luft strömt durch die Bypassführung 44, um den Hauptschub der Maschine zu liefern, wie das alles üblich ist. Gemäß der Erfindung hat jede Laufschaufel 37, 38 einen Lufteinlassschlitz 47, 48 in der Nähe der Hinterkante von deren Sogfläche. Der Einlassschlitz ist mit einer Luftpassage 50, 51 in Gasverbindung, die zu korrespondierenden Luftaustrittsschlitzen 54, 55 in der Nähe oder hinter der Profilsehnenmitte der Sogfläche einer jeden Laufschaufel führt. Ein Hauptvorteil der Ausführungsform von 4 leitet sich aus dem Sog in dem Kernströmungsbereich her, was die Bläserlaufschaufel-Wirbelschleppenblockage reduziert und so die Kernströmungskapazität erhöht. Ein zweiter Hauptvorteil ist, dass der Sog die Bläserrotoreffizienz verbessert, was wiederum zu einer verringerten Kompressionsarbeit für irgendein vorgegebenes Gesamtdruckverhältnis der Maschine führt. Der Sog der in 4 gezeigten Erfindung bei den Schlitzen 47, 48 erhöht so die gesamte Maschineneffizienz. Ein zusätzlicher Vorteil der Ausführungsform von 4 ist, dass das stetige Ausblasen durch die Luftauslassschlitze 54, 55 in der Nähe des Punktes, an dem es zu Überschallschock und Grenzschichtablösung kommt, den Laufschaufeloberflächen-Luftgeschwindigkeitsgradienten abschwächt und den Beginn der Grenzschichtablösung verzögert. Das wird auch die Effizienz der Laufschaufel beim Pressen der Luft in die Bypassführungen 44 erhöhen.

Es wird auf 5 Bezug genommen. Die Laufschaufeln 37a, 38a eines Strahltriebwerks 35a haben die gleichen Lufteinlassschlitze 47, 48, wie sie vorangehend hinsichtlich 4 beschrieben wurden, um so die Bläserlaufschaufel-Wirbelschleppenblockage am Eintritt zu dem Kerntriebwerk zu reduzieren, wie vorangehend beschrieben. Jedoch führen die Luftkanäle 50a, 51a, die in den hohlen Laufschaufeln 37a, 38a gebildet sind, in diesem Fall zu Luftaustrittsschlitzen 54a, 55a, die in der Nähe der Spitzenkante an der Druckseite der Laufschaufeln gebildet sind. Das schafft eine Luftströmung vor der Laufschaufel, die dem Sog entgegenwirkt, der von der Laufschaufelspitze erzeugt wird, der zu einer Laufschaufelspitzen-Leckage führt. Die Verringerung der Laufschaufelspitzen-Leckage verbessert die Gesamteffizienz des Bläsers, wenn er Luft in die Bypassführung 44 presst.

Anstelle der Verwendung von einzelnen Schlitzen können mehrere Schlitze, die in Erstreckungsrichtung oder in Strömungsrichtung von benachbarten Schlitzen getrennt sind, verwendet werden.