WO2012156828A1 - Reibminderung durch einblasen von heissgas in die stroemungsgrenzschicht des flugzeugrumpfs - Google Patents

Reibminderung durch einblasen von heissgas in die stroemungsgrenzschicht des flugzeugrumpfs Download PDF

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Sebastian Kortz
Klaus Braeutigam
Johannes LEBERT
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    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/10—Influencing flow of fluids around bodies of solid material
    • F15D1/12—Influencing flow of fluids around bodies of solid material by influencing the boundary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C21/00—Influencing air flow over aircraft surfaces by affecting boundary layer flow
    • B64C21/02—Influencing air flow over aircraft surfaces by affecting boundary layer flow by use of slot, ducts, porous areas or the like
    • B64C21/04—Influencing air flow over aircraft surfaces by affecting boundary layer flow by use of slot, ducts, porous areas or the like for blowing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/10—Drag reduction

Definitions

  • Frictional resistance component such as the delay of the laminar-turbulent handling, influencing the turbulence component by so-called "riblets” or boundary layer exhaustion Kramer et al. [1] investigated in wind tunnel and flight tests the possibility of frictional resistance by heating the boundary layer by heating the surface around.
  • riblets boundary layer exhaustion Kramer et al.
  • Hot gas may be a gas of the same nature as the flow medium (air) but with the essential one
  • the exhaust air of the heat exchanger can be used, with the e.g. on the B747-400 and other aircraft models, the hot engine bleed air is cooled down by approximately 50 ° using a small portion of the exhaust air from the engine's secondary flow (Fan Air).
  • the thus heated exhaust air of the heat exchanger is introduced by means of a suitable piping system through the engine nacelle and then in the field of rempligelvorder- or hinterholms to the fuselage. From there, the hot gas at a suitable location is either singular or, if more effective, at several sections of the
  • the essentially new of the invention is thus the method, the boundary layer temperature through
  • This method has the advantage that it prevents the extreme convective heat transfer from the surface to the flow by means of the hot gas film, and at the same time heats the boundary layer.
  • the prior art does not make it possible to increase the boundary layer temperature of a commercial aircraft at high Reynolds numbers so that a significant influence on the frictional resistance occurs.
  • the invention described above has the advantage that it prevents the extreme convective heat transfer from the surface to the flow by means of the hot gas film, and at the same time heats the boundary layer, so that the heating of the wall (aircraft outer skin) is eliminated.
  • the invention has not yet been tested.
  • a model test is planned.

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Abstract

Die Erwärmung der Grenzschicht erweist sich bei niedrigen Reynoldszahlen als wirksames Mittel zur Reduzierung des turbulenten Reibungswiderstandsanteils. Bei den hohen Reynoldszahlen wie sie bei Verkehrsflugzeugen auftreten ist die Verminderung des turbulenten Reibungswiderstandsanteils jedoch marginal, weil die erforderliche elektrische Heizleistung aufgrund des hohen konvektiven Wärmeübergangs im Flugversuch nicht aufgebracht werden kann. Die vorliegende Erfindung schlägt anstatt der Beheizung der umströmten Oberfläche das Einblasen von Heißgas in die Stömungsgrenzschicht des Flugzeugrumpfs vor. Heißgas kann ein Gas von derselben Beschaffenheit wie das Strömungsmedium (Luft) sein, aber mit der wesentlichen Eigenschaft, daß seine Temperatur soweit über der Temperatur des Strömungsmediums liegt, daß der Reibungswiderstand vermindert wird. Das Heißgas wird über einen Wärmetauscher der Triebwerkszapfluft entnommen.

Description

BESCHREIBUNG:
1. Bezeichnung der Erfindung
Verminderung des Reibungswiderstands durch Einblasen von Heißgas in die Strömungsgrenzschicht des Flugzeugrumpfs.
2. Stand der Technik
Bei modernen Verkehrsflugzeugen beträgt der Anteil des Reibungswiderstands am Gesamtwiderstand etwa 50%. Neben den verschiedenen bekannten Methoden zur Verminderung des
Reibwiderstandsanteils, wie der Verzögerung des laminar-turbulenten Umschlags, der Beeinflussung des Turbulenzwiderstandsanteils durch sog.„Riblets" oder Grenzschichtabsaugung untersuchten Kramer et al. [1] in Windkanal- und Flugversuchen die Möglichkeit zur Reibwiderstandsminderung durch Erwärmung der Grenzschicht mittels Beiheizung der umströmten Oberfläche. Bei niedrigen Reynoldszahlen erwies sich dafür die Erhöhung der Wandtemperatur als wirksames Mittel zur Reduzierung des Reibwiderstands in einer Größenordnung von ca. 20%. Aufgrund des hohen konvektiven Wärmeübergangs im Reiseflug eines modernen Verkehrsflugzeugs ist diese Lösung nur bei niedrigen bzw. mittleren Reynoldszahlen wirksam, da nur dann die Wandtemperatur in ausreichendem Maß über die Temperatur der umströmenden Luft gebracht werden kann.
3. Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt anstatt der Beheizung der umströmten Oberfläche das Einblasen von Heißgas in die Strömungsgrenzschicht des Flugzeugrumpfs vor. Heißgas kann ein Gas von derselben Beschaffenheit wie das Strömungsmedium (Luft) sein, aber mit der wesentlichen
Eigenschaft, daß seine Temperatur soweit über der Temperatur des Strömungsmediums liegt, daß der Reibungswiderstand vermindert wird. Als Heißgasquelle kann die Abluft des Wärmetauschers (Precooler) verwendet werden, mit der z.B. bei der B747-400 und anderen Flugzeugmustern die heiße Triebwerkszapfluft mit Hilfe eines geringen Teils der Abluft des Triebwerksnebenstroms (Fan Air) um ca. 50° heruntergekühlt wird. Die dadurch erwärmte Abluft des Wärmetauschers wird mit Hilfe eines geeigneten Rohrleitungssystems durch die Triebwerksgondel und anschließend im Bereich des Flügelvorder- oder hinterholms an den Flugzeugrumpf herangeführt. Von dort wird das Heißgas an geeigneter Stelle entweder nur singulär oder falls wirksamer an mehreren Abschnitten des
Flugzeugrumpfs umfänglich kontinuierlich oder diskret über zu definierende geeignete Zuführungen von außen, um die Rumpfstruktur nicht zu schwächen, oder falls vorteilhafter von innen, um die Grenzschicht nicht zu stören, der Grenzschicht des Flugzeugrumpfs zugeführt. Aufgrund des hohen dynamischen Drucks der Rumpfströmung wird die Grenzschichtdicke durch den Heißgasfilm voraussichtlich nicht wesentlich und damit nicht reibwiderstandsschädlich erhöht.
4. Das Neue an der Erfindung
Das wesentlich Neue der Erfindung ist also die Methode, die Grenzschichttemperatur durch
Zuführung bzw. Einblasen einer geringen Menge Heißgas (Heißgasfilm) zu erhöhen. Diese Methode hat den Vorteil, daß sie den extremen konvektiven Wärmeübergang von der Oberfläche an die Strömung mit Hilfe des Heißgasfilms unterbindet, und gleichzeitig die Grenzschicht erwärmt.
5. Vorteile durch die Erfindung gegenüber dem Stand der Technik Der Stand der Technik ermöglicht es nicht, die Grenzschichttemperatur eines Verkehrsflugzeugs bei hohen Reynoldszahlen so zu erhöhen, daß ein signifikanter Einfluß auf den Reibungswiderstand auftritt. Die oben beschriebene Erfindung hat den Vorteil, daß sie den extremen konvektiven Wärmeübergang von der Oberfläche an die Strömung mit Hilfe des Heißgasfilms unterbindet, und gleichzeitig die Grenzschicht erwärmt, so daß die Beheizung der Wand (Flugzeugaußenhaut) entfällt.
6. Entwicklungsstadium der Erfindung
Die Erfindung ist noch nicht erprobt worden. Ein Modellversuch ist geplant.
7. Wirtschaftliche Perspektiven für die Erfindung
Aufgrund eigener Berechnungen auf Basis der von Kramer et al. vorgestellten Beziehungen und unter konservativer Berücksichtigung des Schubverlustes durch die Entnahme eines geringen Teils des Triebwerksnebenstroms ist mit einer Reduzierung des Gesamtwiderstands von Verkehrsflugzeugen im Reiseflug in der Größenordnung von mindestens 5% zu rechnen, was einer Verminderung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen in eben dieser Größenordnung entspricht.
8. Referenzen
[1] Drag Reduction Experiments using Boundary Layer Heating, Brian R. Kramer, Brooke C. Smith, Joseph P. Held, Gregory K. Noffz, David M. Richwine, Terry Ng.

Claims

Patentansprüche
Erhöhung der Grenzschichttemperatur durch Einblasen eines Heißgases in die
Strömungsgrenzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißgas ein Gas von derselben oder ähnlicher oder Beschaffenheit ist wie das Medium, das die Oberfläche umströmt (Luft), mit der wesentlichen Eigenschaft, daß seine Temperatur so weit über der Temperatur des Strömungsmediums liegt, daß sich der
Reibungswiderstand des umströmten Körpers verringert.
Erhöhung der Grenzschichttemperatur durch Einblasen eines Heißgases in die
Strömungsgrenzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge und Geschwindigkeit des Heißgas Stromes so gewählt werden, daß die Verringerung des Reibungswiderstands aufgrund der Erhöhung der Grenzschichttemperatur durch das Heißgas nur minimal geschädigt wird.
Erhöhung der Grenzschichttemperatur durch Einblasen eines Heißgases in die
Strömungsgrenzschicht,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Heißgas singulär oder mehrfach kontinuierlich umfänglich in die Grenzschicht eingeblasen wird.
Erhöhung der Grenzschichttemperatur durch Einblasen eines Heißgases in die
Strömungsgrenzschicht,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Heißgasquelle die Abluft (Fan Air Outlet) des Wärmetauschers (Precooler) verwendet wird, mit der die heiße Triebwerkszapfluft heruntergekühlt wird (siehe Zeichnung).
Erhöhung der Grenzschichttemperatur durch Einblasen eines Heißgases in die
Strömungsgrenzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißgas entweder von innen durch die Wand in die Grenzschicht eingeblasen wird oder von außen in die Grenzschicht eingebracht wird.
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