FR2506255A1 - Double blade fluid rotor - has co-axial sets of blades spaced axially on shaft with variable pitch on rear set - Google Patents

Abstract

The rotor has vanes on a hub mounted on a rotary shaft with radial blades engaging the fluid. It has a second set of vanes directly to the rear of the first also connected to the shaft. The two sets of blades are spaced to produce a thrust. The sets can be similar, or of a different profile. The rear set can be of variable pitch and the blade angle can be controlled as a function of the rotation of the shaft. The blades of one set can be arranged to operate at a high fluid speed.

Description

La présente invention concerne des dispositifs tournants du type comprenant des hélices, des pales ou des roues à aubes ou similaires. The present invention relates to rotary devices of the type comprising propellers, blades or impellers or the like.

L'invention a pour objet de concevoir un tel dispositif dont le rendement, puissance a l'avancement ou force rotative fournies à pression et débit égal, est amélioré grace a l'effet de fente connu dans la construction de biplans
En effet, dans les. biplans , la disposition relative des deux ailes permet d'obtenir un effet dit effet de fente qui améliore.- sensiblement le rapport poussée/trainée par rapport a des monoplans
Etant donné que les hélices, les pales et les aubes des dispositifs tournants sont considérées dans leur fonctionnement pratique comme les ailes d'un avion, l'effet de fente permet également une amélioration sensible du rendement du dispositif selon l'invention.The object of the invention is to design such a device the efficiency, power of advancement or rotary force supplied at equal pressure and flow, is improved by virtue of the known slit effect in the construction of biplanes
Indeed, in the. biplanes, the relative arrangement of the two wings makes it possible to obtain a so-called slit effect which improves the appreciable thrust / drag ratio compared to monoplanes
Since the propellers, blades and blades of rotating devices are considered in their practical operation like the wings of an airplane, the slitting effect also allows a significant improvement in the performance of the device according to the invention.

L'invention concerne en particulier un dispositif tournant destiné a assurer le déplacement d'un corps dans un fluide ou a être entraîné en rotation par un fluide sous pression et du type comprenant un moyeu ou une roue calé sur un arbre de commande et qui est muni d'au moins deux pales radiales évoluant dans ledit fluide. The invention relates in particular to a rotating device intended to ensure the movement of a body in a fluid or to be driven in rotation by a pressurized fluid and of the type comprising a hub or a wheel wedged on a drive shaft and which is provided with at least two radial blades moving in said fluid.

Selon l'invention, ce dispositif comporte au voisinage direct dudit moyeu ou de ladite roue un deuxième moyeu ou une deuxième roue muni également de pales radiales et qui est calé sur ledit arbre de commande, l'écartement axial entre les deux moyeux ou roues étant tel qu'il se produit entre les pales des deux moyeux ou roues un effet de fente tel que connu entre les ailes des biplans
De préférence, ledit écartement entre lesdits moyeux ou roues ou des pales de ceux-ci est calculé en fonction des dimensions et caractéristiques de fonctionnement des pales.According to the invention, this device comprises, in the immediate vicinity of said hub or of said wheel, a second hub or a second wheel also provided with radial blades and which is wedged on said control shaft, the axial spacing between the two hubs or wheels being as it occurs between the blades of the two hubs or wheels a split effect as known between the wings of biplanes
Preferably, said spacing between said hubs or wheels or blades thereof is calculated according to the dimensions and operating characteristics of the blades.

Des essais pratiques réalisés avec des hélices d'avion montées conformément a l'invention ont démontré que l'effet de fente se produit bien dans cette application et qu'on a pu réaliser une augmentation de la puissance d'entrainement de l'ordre de 3% a 58.  Practical tests carried out with airplane propellers mounted in accordance with the invention have demonstrated that the slitting effect occurs well in this application and that it has been possible to achieve an increase in the driving power of the order of 3% to 58.

De plus, selon l'invention, les profils des pales de la première et de la deuxieme roue sont identiques. In addition, according to the invention, the profiles of the blades of the first and of the second wheel are identical.

En variante, le profil des pales de ladite deuxième roue est différent de celui des pales de ladite premiere roue. As a variant, the profile of the blades of said second wheel is different from that of the blades of said first wheel.

Suivant un mode de réalisation particulierement avantageux du dispositif, les pales d'au moins l'une des deux roues sont des pales a pas variable, des moyens de commande étant prévus pour faire varier le pas desdites pales en fonction du régime de rotation de l'arbre de commande. According to a particularly advantageous embodiment of the device, the blades of at least one of the two wheels are blades with variable pitch, control means being provided for varying the pitch of said blades as a function of the rotation speed of the 'control tree.

La variation des pales permet de maintenir l'effet de fente a son meilleur rendement a tous les régimes de rotation. The variation of the blades makes it possible to maintain the slitting effect at its best performance at all rotation speeds.

D'autres réalisations et avantages de l'invention ressortiront de la des cription qui va suivre et en se référant aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 montre des vues en coupe schématiques de différentes variantes d'une disposition connue sur l'avion sous le nom aile à fente (D,E et F),
- la figure 2 montre les coefficients de traînée en fonction des coefficients de portance obtenus avec chacune des dispositions connues représentées à la figure 1,
- les figures 3 et 4 sont des vues en élévation latérale de deux modes de réalisation de l'hélice a fente selon l'invention.Other embodiments and advantages of the invention will emerge from the description which follows and with reference to the appended drawings in which
FIG. 1 shows schematic sectional views of different variants of an arrangement known on the aircraft under the name slot wing (D, E and F),
FIG. 2 shows the drag coefficients as a function of the lift coefficients obtained with each of the known arrangements shown in FIG. 1,
- Figures 3 and 4 are side elevational views of two embodiments of the slotted propeller according to the invention.

La disposition représentée à la figure 1 connue depuis longtemps sous la dénomination aile à fente pour des biplans comporte une premiere aile 1 et une deuxième aile 2 située au-dessous de l'aile 1. Les performances d'un tel ensemble dépendent essentiellement de la distance horizontale H et de la distance verticale V entre les deux ailes I et 2 (voir figure 1A). A la figure 1A, l'aile inférieure 2 est disposée très en avant de l'aile supérieure 1 avec un rapport H/V d'environ 1/0.5. En la figure 1B, l'aile 2 est disposée simplement lé gèrement en avant de l'aile 1 et le rapport H/V est d'environ 0.5/0.3. A la figure 1C, les ailes supérieure et inférieure 1 et 2 sont alignées verticalement l'une sur l'autre et le rapport H/V est de l'ordre de 0/0.5. The arrangement shown in FIG. 1, known for a long time under the name slit wing for biplanes, comprises a first wing 1 and a second wing 2 situated below the wing 1. The performance of such an assembly depends essentially on the horizontal distance H and vertical distance V between the two wings I and 2 (see Figure 1A). In FIG. 1A, the lower wing 2 is arranged very in front of the upper wing 1 with an H / V ratio of approximately 1 / 0.5. In FIG. 1B, the wing 2 is simply arranged slightly in front of the wing 1 and the H / V ratio is approximately 0.5 / 0.3. In FIG. 1C, the upper and lower wings 1 and 2 are aligned vertically one on the other and the H / V ratio is of the order of 0 / 0.5.

A la figure 2, les courbes A, B et C montrent l'évolution du coefficient de traînée CY en fonction du coefficient de portance pour les dispositions représentées en lA, 1B et 1C respectivement. On voit que les résultats obtenus avec ces dispositions sont relativement médiocres et plafonnent rapidement. De plus, apres avoir atteint un point haut, le coefficient de traînée CY diminue pour les courbes A et B tandis que pour la courbe C on observe meme une chute rapide du coefficient de trainée CY. In FIG. 2, curves A, B and C show the evolution of the drag coefficient CY as a function of the lift coefficient for the arrangements represented in 1A, 1B and 1C respectively. It can be seen that the results obtained with these arrangements are relatively poor and quickly level off. In addition, after reaching a high point, the drag coefficient CY decreases for curves A and B while for curve C there is even a rapid fall in the drag coefficient CY.

Par contre, les dispositions représentées aux figures 1D, 1E et 1F dans lesquelles l'aile inférieure 2 est disposée en arriere de l'aile supérieure 1 permettent d'obtenir des résultats meilleurs gracie audit effet de fente. En 1D, l'aile 2 est disposée légèrement en arrière de l'aile supérieure 1 et le rapport H/V est de l'ordre de 0.5/0.5 tandis qu'en 1E et 1F, l'aile inférieure 2 est disposée de plus en plus en arrière de l'aile supérieure 1. Le rapport H/V est d'environ 1/1 pour la disposition 1E et d'environ 1/0.5 pour la disposition 1F. On the other hand, the arrangements shown in FIGS. 1D, 1E and 1F in which the lower wing 2 is arranged behind the upper wing 1 make it possible to obtain better results thanks to said cracking effect. In 1D, wing 2 is arranged slightly behind the upper wing 1 and the H / V ratio is around 0.5 / 0.5 while in 1E and 1F, the lower wing 2 is further arranged in addition behind the upper wing 1. The H / V ratio is approximately 1/1 for the 1E arrangement and approximately 1 / 0.5 for the 1F arrangement.

Les résultats obtenus avec ces dispositions 1D, 1E et 1F sont représentés à la figure 2 par les courbes D, E et F respectivement. On voit que l'effet de fente permet d'enregistrer une nette augmentation du plafond du coefficient de traînée. De plus, après avoir atteint ce plafond, le coefficient de traînée CY ne diminue que tres progressivement, ce qui constitue un avantage considérable. The results obtained with these arrangements 1D, 1E and 1F are represented in FIG. 2 by curves D, E and F respectively. It can be seen that the slit effect makes it possible to record a marked increase in the ceiling of the drag coefficient. In addition, after reaching this ceiling, the drag coefficient CY decreases only very gradually, which constitutes a considerable advantage.

La disposition représentée à la figure 1F constitue la disposition la plus efficace.The arrangement shown in Figure 1F is the most effective arrangement.

Pour obtenir ce résultat, l'aile supérieure ou l'aile avant 1 doit être dis posée nettement au-dessus de l'axe de l'avion tandis que l'aile inférieure ou l'aile arrière 2 (1D, 1E et 1F) est située au-dessous de cet axe. To obtain this result, the upper wing or the front wing 1 must be placed clearly above the axis of the aircraft while the lower wing or the rear wing 2 (1D, 1E and 1F) is located below this axis.

Entre les deux ailes 1 et 2 ainsi décalées existe une fente dont la fonction est la suivante
- la pression ventrale de l'aile avant 1 et la dépression dorsale de l'aile arriere 2 créent dans l'espace intermédiaire ou dans la fente un violent déplacement des filets d'air qui produit un effet de trompe concourant a abaisser le vent de l'aile arrière 2 et à ainsi retarder son décollement.Between the two wings 1 and 2 thus offset there is a slot whose function is as follows
- the ventral pressure of the front wing 1 and the dorsal depression of the rear wing 2 create in the intermediate space or in the slit a violent displacement of the air streams which produces a trumpet effect contributing to lower the wind of the rear wing 2 and thus delay its detachment.

De préférence, l'aile avant 1 est fixée au niveau du longeron principal de l'avion et est montée pivotante autour de son axe longitudinal. L'aile arrière 2 peut également être montée pivotante autour de son axe longitudinal. Ce montage permet d'obtenir les avantages suivants
- une diminution du coefficient unitaire de la résistance à l'avancement pour des sustentations modérées et une hyper-sustentation aux grands angles d'incidence.Preferably, the front wing 1 is fixed at the level of the main spar of the aircraft and is pivotally mounted around its longitudinal axis. The rear wing 2 can also be pivotally mounted around its longitudinal axis. This assembly provides the following advantages
- a decrease in the unitary coefficient of resistance to advancement for moderate lift and hyper-lift at large angles of incidence.

De plus, l'aile supérieure avant 1 présente un profil ayant un moment aérodynamique négatif autour du foyer tandis que l'aile inférieure arrière 2 présente un profil modérément positif. Ceci permet d'augmenter l'efficacité de l'effet de fente. In addition, the upper front wing 1 has a profile having a negative aerodynamic moment around the hearth while the lower rear wing 2 has a moderately positive profile. This increases the effectiveness of the slitting effect.

Un ensemble de telles ailes permet d'obtenir une polaire, en courant plan, qui est meilleure que la polaire de chacune des ailes prises isolément. Aux grands angles d'incidence, on constate l'absence ou une forte atténuation de l'instabilité laterale. A set of such wings makes it possible to obtain a polar, in plan current, which is better than the polar of each of the wings taken in isolation. At large angles of incidence, there is the absence or a strong attenuation of lateral instability.

L'effet de fente se traduit ainsi par une amélioration du rendement et de la stabilité latérale de l'avion. The slit effect thus results in an improvement in the efficiency and lateral stability of the aircraft.

L'invention consiste à exploiter cet effet de fente pour l'amélioration du rendement des hélices d'avion et des roues a aubes d'autres dispositifs servant a refouler un fluide tel que l'air ou à être entraînés par un fluide sous pression et notamment desventilateurs ou turbines. The invention consists in exploiting this slitting effect for improving the efficiency of aircraft propellers and impellers of other devices serving to discharge a fluid such as air or to be entrained by a fluid under pressure and including fans or turbines.

En effet, on considère pour la conception des hélices conventionnelles et des roues à aubes que chaque partie de l'hélice ou chaque aube se comporte corn- me une aile d'avion. La poussee totale de I'hélice, en fonctionnement, est la somme des poussées partielles-de chaque élément de la pale et de même la traI- née totale est la somme des traînées partielles de chaque élément de pale. In fact, it is considered for the design of conventional propellers and impellers that each part of the propeller or each blade behaves like an airplane wing. The total thrust of the propeller, in operation, is the sum of the partial thrusts of each element of the blade and likewise the total drag is the sum of the partial streaks of each element of the blade.

Les figures 3 et 4 montrent deux modes de réalisation d'un ensemble d'hélices d'avion selon l'invention. A la figure 3, on voit un ensemble selon l'invention comprenant deux hélices 3, 4 d'un profil donné et de même structure montées l'une derrière l'autre sur l'arbre de commande 5 d'un moteur d'avion 6. Figures 3 and 4 show two embodiments of a set of aircraft propellers according to the invention. In Figure 3, we see an assembly according to the invention comprising two propellers 3, 4 of a given profile and of the same structure mounted one behind the other on the control shaft 5 of an aircraft engine 6.

Les hélices 2 et 4 sont écartées l'une de l'autre par un disque d'ecartement 7.The propellers 2 and 4 are separated from each other by a spacer disc 7.

Par contre, a la figure 4, l'ensemble selon l'invention comporte deux hé lices 9 et 8 de structures différentes et dont l'une est constituée par une h li6e drtN profil dbternine d'une manière connue classique 9 tandis que l'autre 8 présente une structure particulière. Les hélices 9 et 8 sont de nouveau montées l'une derrière l'autre sur l'arbre d'entraînement 10 d'un moteur 12 d'un avion et écartées l'une de l'autre par un disque 11. Bien entendu, l'hélice 9 peut, en variante, être également constituée par une hélice de la même structure que l'hélice 8. On the other hand, in FIG. 4, the assembly according to the invention comprises two propellers 9 and 8 of different structures and one of which is constituted by a connected line in a conventional known manner 9 while the other 8 has a particular structure. The propellers 9 and 8 are again mounted one behind the other on the drive shaft 10 of an engine 12 of an airplane and separated from one another by a disc 11. Of course, the propeller 9 may, as a variant, also be constituted by a propeller of the same structure as the propeller 8.

Avec les modes de réalisation représentés aux figures 3 et 4, on a effectué de nombreux essais pratiques en faisant varier l'écartement axial entre les paires d'hélices 3,4 et 8,9 pour vérifier l'efficacité réelle de l'effet de fente connu jusqu'ici uniquement pour les ailes des avions. With the embodiments shown in FIGS. 3 and 4, numerous practical tests have been carried out by varying the axial spacing between the pairs of propellers 3,4 and 8,9 to verify the real effectiveness of the effect of slot known so far only for the wings of aircraft.

On a utilisé des hélices 3,4 et 9 d'un diamètre de 147 cm et des hélices spéciales d'un diamètre de 137 cm et on a fait varier leur écartement axial entre 25 mm et 50 mm. Dans les deux cas (figures 3 et 4), le meilleur rendement fut obtenu avec un écartement axial d'environ 35 mm. L'augmentation de la puissance de traction obtenue grâce à la structure selon l'invention était de l'ordre de 3 % à 5 % par rapport à la puissance réalisée avec une seule hélice conventionnelle jugée de bon rendement sur ce même avion. Propellers 3.4 and 9 with a diameter of 147 cm and special propellers with a diameter of 137 cm were used and their axial spacing was varied between 25 mm and 50 mm. In both cases (Figures 3 and 4), the best efficiency was obtained with an axial spacing of about 35 mm. The increase in the traction power obtained thanks to the structure according to the invention was of the order of 3% to 5% compared to the power produced with a single conventional propeller judged to be of good efficiency on this same aircraft.

Ces résultats pourront certainement encore être améliorés avec des hélices a pas variable. Ils démontrent clairement qu'on retrouve pour ce montage les avantages de l'effet de fente. These results can certainly be further improved with variable pitch propellers. They clearly demonstrate that the advantages of the split effect are found for this assembly.

Le montage selon l'invention peut donc être appliqué à d'autres dispositifs tournants notamment aux pales des hélicoptères, des autogires et d'autres appareils à voilures tournantes. Il peut également être utilisé pour des turbines et ventilateurs ou compresseurs ou encore des turbo-propulseurs et réacteurs. The assembly according to the invention can therefore be applied to other rotary devices in particular to the blades of helicopters, gyroplanes and other rotary wing devices. It can also be used for turbines and fans or compressors or even turbo-propellers and reactors.

On n'a pas encore pu établir une relation mathématique entre la géométrie des hélices ou pales et l'écartement axial entre les deux hélices ou roues à pales, mais les expériences pratiques ont démontré que cet écartement doit rester faible pour obtenir l'effet de fente et ainsi l'augmentation de puissance recherchée. We have not yet been able to establish a mathematical relationship between the geometry of the propellers or blades and the axial spacing between the two propellers or impellers, but practical experience has shown that this spacing must remain small to obtain the effect of slot and thus the increase in power sought.

L'hélice 8 représentée à la figure 4 et désignée ci-dessus comme hélice spéciale présente, selon l'invention, un profil calculé d'une manière connue pour une vitesse périphérique supérieure à celle de la cellule de l'avion sur lequel elle est utilisée. Cette structure permet d'exploiter dans les meilleu res conditions les turbulences produites entre les deux hélices gracie audit effet de fente. Des essais pratiques ont démontré que la vitesse périphérique qui doit être prise en considération pour déterminer les profils de l'hélice spéciale 8 est de l'ordre de quatre à cinq fois plus grande que celle de l'avancement de l'avion, lui même. The propeller 8 shown in FIG. 4 and designated above as a special propeller has, according to the invention, a profile calculated in a known manner for a peripheral speed greater than that of the cell of the aircraft on which it is used. This structure allows the turbulence produced between the two propellers to be exploited in the best possible conditions thanks to said split effect. Practical tests have shown that the peripheral speed which must be taken into account to determine the profiles of the special propeller 8 is of the order of four to five times greater than that of the advancement of the airplane itself .

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation dé crits et représentés ici mais on peut y apporter de nombreuses modifications sans pour cela sortir du cadre de l'invention.  Of course, the invention is not limited to the embodiments described and shown here, but many modifications can be made without departing from the scope of the invention.

Claims (5)

REVENDICATIONS 1. Dispositif tournant destiné à assurer le déplacement d'un corps dans un fluide ou à être entraîné en rotation par un fluide sous pression et du type comprenant un moyeu ou une roue calé sur un arbre de commande et qui est muni d'au moins deux pales radiales évoluant dans ledit fluide, caractérisé en ce qu'il comporte au voisinage direct dudit moyeu ou de ladite roue un deuxième moyeu ou une deuxième roue muni également de pales radiales et qui est calé sur ledit arbre de commande, l'écartement axial entre les deux moyeux ou roues étant tel qu'il se produiMS entre les pales des deux moyeux ou roues un effet de fente tel que connu entre les ailes des biplans 1. Rotating device intended to ensure the movement of a body in a fluid or to be driven in rotation by a pressurized fluid and of the type comprising a hub or a wheel wedged on a control shaft and which is provided with at least two radial blades moving in said fluid, characterized in that it comprises, in the direct vicinity of said hub or said wheel, a second hub or a second wheel also provided with radial blades and which is wedged on said control shaft, the axial spacing between the two hubs or wheels being as it occurs between the blades of the two hubs or wheels a split effect as known between the wings of biplanes 2. Dispositif tournant suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les profils des pales de la première et de la deuxième roue sont identiques. 2. Rotating device according to claim 1, characterized in that the profiles of the blades of the first and of the second wheel are identical. 3. Dispositif tournant suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le profil des pales de ladite deuxième roue est différent de celui des pales de ladite première roue. 3. Rotating device according to claim 1, characterized in that the profile of the blades of said second wheel is different from that of the blades of said first wheel. 4. Dispositif tournant suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisE en ce que les pales d'au moins l'une des deux roues sont des pales a pas variable, des moyens de commande étant prévus pour faire varier le pas desdites pales en fonction du régime de rotation de l'arbre de commande. 4. Rotating device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the blades of at least one of the two wheels are blades with variable pitch, control means being provided for varying the pitch of said blades according to the speed of rotation of the control shaft. 5. Dispositif tournant suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les profils des pales d'au moins l'une desdites roues sont établis d'une manière connue pour une vitesse d'écoulement de fluide supérieure à celle rencontrée dans le milieu général du dispositif.  5. Rotating device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the profiles of the blades of at least one of said wheels are established in a known manner for a fluid flow speed greater than that encountered in the general environment of the system.