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KR102555194B1 - 에어포일 및 에어포일을 통합하는 기계 - Google Patents

에어포일 및 에어포일을 통합하는 기계 Download PDF

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KR102555194B1
KR102555194B1 KR1020227028792A KR20227028792A KR102555194B1 KR 102555194 B1 KR102555194 B1 KR 102555194B1 KR 1020227028792 A KR1020227028792 A KR 1020227028792A KR 20227028792 A KR20227028792 A KR 20227028792A KR 102555194 B1 KR102555194 B1 KR 102555194B1
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KR
South Korea
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airfoil
rotor
airfoils
trailing
leading
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KR1020227028792A
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Inventor
마이클 숙
데이비드 에이 셰플러
Original Assignee
이에스에스 2 테크, 엘엘씨
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Abstract

에어포일 및 에어포일을 가진 기계의 다양한 실시예가 개시된다. 에어포일은 더 두꺼운 리딩 에어포일부 및 더 얇은 트레일링 에어포일부를 포함한다. 한 실시예에서, 리딩 에어포일부는 에어포일의 본체를 자신을 향해 다시 구부림으로써 형성된다. 다른 실시예에서, 리딩 에어포일부는 단단한 형상을 가지고, 두 개의 타원 표면을 포함한다. 공기흐름의 박리를 예방하기 위해, 리딩 에어포일부는 두께가 변화하는 지역에서 형성할 수 있는 볼텍스를 안정화시키는 방식으로 공기흐름을 트레일링 에어포일부로 지향시키기 위해 작동하는 적어도 두 개의 아크부 또는 표면을 포함한다.

Description

에어포일 및 에어포일을 통합하는 기계 {Airfoils and Machines Incorporating Airfoils}
본 출원은, 본 명세서에 전체가 참조로서 통합되는, 2017년 12월 29일에 출원되고, "에어포일 및 에어포일을 통합하는 기계(airfoils and machines incorporating airfoils)"라는 제목을 가진 미국 가출원 제62/611,890호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 에어포일 및 에어포일을 포함하는 기계에 관한 것이다.
에어포일은 유체를 통해 이동하면서 공기역학적 힘을 만들어 양력(lift)과 항력(drag)을 생성한다. 아음속 비행 에어포일은 둥글린 리딩 에지(leading edge) 및 날카로운 트레일링 에지(trailing edge)를 갖는 형태를 가질 수 있다. 일부 에어포일에서, 상부 및 하부 표면은 유사한 곡률을 가질 수 있다.
에어포일은 터빈, 프로펠러, 팬 뿐만 아니라 다른 종류의 기계를 포함하는 다양한 기계에서 사용될 수 있다.
한 실시양태에서, 에어포일은 리딩 에지 및 트레일링 에지, 흡입 측면 및 압력 측면, 압력 측면과 연관된 제 1 표면 및 흡입 측면과 연관된 제 2 표면을 포함한 기저부를 포함한다. 에어포일은 또한 기저부의 일부 상으로 확장되는 돌출부, 및 기저부 및 리딩 에지 인근에 돌출부를 연결하는 타원부를 포함한다. 돌출부는 기저부의 제 2 표면을 향하여 만곡된다.
다른 실시양태에서, 에어포일은 리딩 에지 및 트레일링 에지, 흡입 측면 및 압력 측면, 리딩 에지를 포함하는 리딩 에어포일부 및 트레일링 에지를 포함하는 트레일링 에어포일부를 포함한다. 리딩 에어포일부는 압력 측면 표면, 제 1 타원 표면, 흡입 측면 표면 및 제 2 타원 표면을 포함한다. 제 1 타원 표면은 압력 측면 표면을 흡입 측면 표면과 연결하고, 제 2 타원 표면은 흡입 측면 표면을 트레일링 에어포일부의 흡입 측면과 연결한다. 에어포일의 두께는 리딩 에어포일부로부터 트레일링 에어포일부로 감소한다.
또 다른 실시양태에서, 차량 트레일러와 사용하기 위한 에어포일은 기저부 및 기저부로부터 확장된 확장부를 포함한다. 기저부는 하부 주변부, 제 1 표면 및 제 2 표면을 포함하고, 제 1 표면은 하부 주변부로부터 확장부로 확장되고, 제 2 표면은 하부 주변부로부터 확장부로 확장된다. 확장부는 제 2 표면 위로 확장된다.
본 발명의 다른 시스템, 방법, 특징 및 이점이 하기 도면 및 상세한 설명의 검토시 당 분야의 통상의 기술을 가진 자에게 명확하거나 명확해질 것이다. 모든 이러한 추가적인 시스템, 방법, 특징 및 이점은 이 설명 및 요약 내에 포함되고, 본 발명의 범주 내에 있고, 하기 특허청구범위에 의해 보호되는 것으로 의도된다.
본 명세서에 포함되어 있다.
본 발명은 이하의 도면 및 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다. 도면의 구성요소는 반드시 축척에 맞게 표시될 필요는 없으며, 대신 본 발명의 원리를 설명하기 위해 강조된다. 더욱이, 도면에서, 유사한 참조번호는 상이한 도면에 걸쳐 상응하는 부분을 나타낸다.
도 1은 압력 측면에 따라 에어포일의 실시예의 개략적인 등측도이다.
도 2는 도 1의 에어포일의 흡입 측면의 개략적인 등측도이다.
도 3은 에어포일의 실시예의 개략적인 측면도이다.
도 4는 도 3의 에어포일의 개략적인 측면도이고, 에어포일의 다양한 부분의 곡률이 표시된다.
도 5는 공기흐름 요소의 경로선을 나타내는 에어포일의 실시예의 개략도이다.
도 6은 에어포일의 다른 실시예의 개략적인 등측도이다.
도 7은 도 6의 에어포일의 개략적인 측면도이고, 에어포일의 다양한 부분의 곡률이 표시된다.
도 8은 공기흐름 요소의 경로선을 나타내는 에어포일의 실시예의 개략도이다.
도 9는 한 세트의 에어포일을 포함하는 차량의 실시예의 개략도이다.
도 10은 도 9의 차량의 후방부의 개략도이고, 유체 요소의 경로선이 표시된다.
도 11은 에어포일의 다른 실시예의 개략도이다.
도 12는 트레일러와 연관된 한 세트의 에어포일의 실시예의 개략도이다.
도 13은 트레일러에 부착된 도 12의 한 세트의 에어포일의 개략도이다.
도 14는 트레일러에 부착된 한 세트의 에어포일의 개략도이고, 실시예에 따라 하나의 에어포일의 주변에 공기흐름의 방향이 개략적으로 표시된다.
도 15는 실시예에 따라, 에어포일 시스템 및 연관된 트레일러의 개략도이다.
도 16은 실시예에 따라, 장착 구성요소를 사용하여 트레일러에 고정된 에어포일의 개략도이다.
도 17은 에어포일의 다른 실시예의 개략도이다.
도 18은 에어포일의 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 19는 다수의 블레이드를 가진 드론의 실시예의 개략도이다.
도 20은 드론용 블레이드의 개략적인 등측도이다.
도 21은 도 12의 블레이드의 개략적인 등측도이다.
도 22는 실시예에 따라, 에어포일을 통합할 수 있는 다수의 유체 장치의 개략도이다.
도 23은 실시예에 따라, 터빈 엔진과 연관될 수 있는 블레이드를 가진 한 세트의 터빈 로터(회전자)의 개략도이다.
도 24는 실시예에 따라, 에어포일을 통합할 수 있는 다양한 기계의 개략도이다.
실시예는 다양한 에어포일 및 에어포일을 사용하는 기계를 개시한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 에어포일(또는 에어로포일)은 유체를 통해 움직일 때 공기역학적 힘을 만드는 만곡된 표면을 가진 임의의 구조물이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "유체"는 임의의 뉴턴형 유체(Newtonian Fluid)를 지칭할 수 있다. 다른 실시예에서, 에어포일은 비-뉴턴형 유체와 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 날개, 블레이드(예를 들어, 프로펠러 블레이드, 로터 블레이드, 터빈 블레이드) 및 돛(sail)은 다양한 종류의 에어포일을 포함한다.
에어포일은 낮은 정지 압력을 가지고 상대적으로 높은 속도에서 흐르는 유체에 대항하여 상부 또는 흡입 표면을 포함할 수 있다. 에어포일은 또한 흡입 표면에 비하여 높은 정지 압력을 가지는 하부 또는 압력 표면을 포함할 수 있다. 대안적으로, 흡입 표면 및 압력 표면은 흡입 측면 및 압력 측면으로 지칭될 수 있다. 에어포일은 또한 최대 곡률을 가진 에어포일의 앞면에 있는 지점으로 정의되는 리딩 에지를 포함한다. 에어포일은 또한 최소 곡률을 가진 에어포일의 뒷면에 있는 지점으로 정의되는 트레일링 에지를 포함한다. 게다가, 에어포일의 시위선(chord line)은 리딩 에지 및 트레일링 에지 사이에 직선을 지칭한다. 또한, 평균 캠버선은 상부 및 하부 표면 사이에 중간 지점의 위치이고, 에어포일의 형태에 따라 시위선과 일치하거나 일치하지 않을 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 에어포일은 에어포일의 시위선의 길이로 정의된 시위길이를 가진다. 게다가, 에어포일은 평균 캠버선에 수직인 선을 따라 상부 및 하부 표면 사이의 거리로 정의된 두께를 가진다. 에어포일의 폭은 시위선 및 두께 모두에 수직인 방향으로 취해진다.
상세한 설명 및 특허청구범위에서, 용어 "곡률의 반경"이 사용된다. 곡률의 반경은 곡선 또는 2차원 표면 상의 특정 위치에서 곡률의 역수이다. 곡선의 경우, 곡률의 반경은 해당 지점의 곡선에 가장 가까운 원의 아크의 반경과 같다. 특히, 곡선의 곡률의 반경이 클수록 곡률이 작아진다는 점(및 그의 반대도 마찬가지임)에 유의해야 한다.
도 1-2는 에어포일(또는 블레이드)(100)의 개략적인 등축도를 예시하는 반면에, 도 3은 에어포일(100)의 개략적인 측면도를 예시한다. 도 1-3을 참조하면, 에어포일(100)은 (도 1에 도시된) 압력 측면(102) 및 (도 2에 도시된) 대향하는 흡입 측면(104)으로 구성된다. 이들 각각의 측면은 작동 동안 공기와 접촉하는 표면(예, 압력 표면 또는 흡입 표면)을 포함한다. 추가적으로, 에어포일(100)은 리딩 에지(110) 및 트레일링 에지(112)를 포함한다. 더욱이, 리딩 에지(110) 및 트레일링 에지(112)는 시위선(114)에 의해 연결된다(도 3 참조).
도 3을 참조하면, 일부 실시예에서, 에어포일(100)은 재료의 단일 본체(101)로 구성될 수 있다. 트레일링 에지(112)으로부터 출발하여, 본체(101)는 에어포일(100)의 길이를 통해 점차적으로 만곡하는 것으로 보이는 기저부(180)를 포함한다. 기저부(180)는 에어포일(100)의 압력 측면(102) 상에 제 1 표면(187) 및 대향하는 흡입 측면(104) 상에 대향하는 제 2 표면(188)을 포함한다.
기저부(180)의 말단에서, 본체(101)는 구부러져 리딩 에지(110) 인근에서 폴딩된 또는 후크형 섹션을 생성한다. 즉, 리딩 에지(110) 인근에서, 본체(101)는 타원부(142) 뿐만 아니라 기저부(180)의 일부 위로 뻗거나 확장하는 돌출부(182)로 구성된다. 타원부(142)는 기저부(180) 및 돌출부(182)를 연결하고 또한 리딩 에지(110)를 포함한다.
일부 실시예에서, 돌출부(182)는 기저부(180)로부터 이격되거나 분리될 수 있다. 도 3의 실시예에서, 돌출부(182)는 갭(195)에 의해 기저부(180)로부터 분리된다. 상이한 실시예에서, 갭(195)의 크기는 다양할 수 있다. 일부 경우에서, 갭(195)은 돌출부(182)의 두께보다 크거나 동일할 수 있다. 일부 경우에서, 갭(195)은 돌출부(182)의 두께의 적어도 3배일 수 있다. 갭(195)이 충분히 커서 돌출부(182)가 기저부(180)로부터 충분히 이격되는 것을 보장하는 것은 아래에서 더 자세하게 논의되는 것과 같이 에어포일(100)을 가로지르는 바람직한 공기흐름 거동을 촉진하는데 중요하다.
리딩 에지(110) 인근에 본체(101)에서 폴드는, 에어포일(100)을 구분되는 형상을 가진 두 개의 부분: 리딩 에어포일부(120) 및 트레일링 에어포일부(122)로 나누는 것으로 보일 수 있다. 리딩 에어포일부(120)는 기저부(180)의 리딩 분획, 타원부(142) 및 돌출부(182)를 포함하는 것으로 보인다. 반면에, 트레일링 에어포일부(122)는 단지 기저부(180)의 트레일링 분획만을 포함한다.
상이한 실시예에서, 에어포일의 전체 길이에 대한 리딩 에어포일부의 길이(즉, 돌출부가 확장되는 전체 에어포일 길이의 퍼센트)는 변할 수 있다. 일부 경우에서, 리딩 에어포일부는 전체 에어포일 길이의 25 내지 50%의 상대 길이를 가진다. 한 실시예에서, 리딩 에어포일부는 전체 에어포일 길이의 적어도 25%의 길이를 가진다. 다른 실시예에서, 리딩 에어포일부는 전체 에어포일 길이의 적어도 1/3의 길이를 가진다. 일부 경우에서, 리딩 에어포일부는 충분히 길어서(전체 에어포일 길이의 적어도 25% 또는 그 정도) 제 1 아크부는 제 2 아크부를 향하여 점차적으로 만곡되어 내려갈 수 있으므로, 제 2 아크부 인근에서 두께가 급격히 감소하기 전에 경계층이 에어포일에 부착된 상태를 유지하도록 돕는다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본체(101)는 에어포일(100)을 통하여 상대적으로 일정한 국부적인 두께(103)를 가진다. 그러나, 돌출부(182)를 형성하는 본체(101)의 폴딩된 형태는 트레일링 에어포일부(122)에서 보다 리딩 에어포일부(120)를 통하여 더 큰 전체적인 두께를 제공한다. 여기서, 전체적인 두께는 대향하는 흡입 측면(104) 및 압력 측면(102) 사이에서 측정되고, 국부적인 본체 두께와 구분된다. 구체적으로, 리딩 에어포일부(120)는 리딩 에지(110)에 인근에서 최대값 및 리딩 에지(110)로부터 가장 먼 위치에서 최소값인 변동 두께(130)를 가진다. 반면에, 트레일링 에어포일부(122)는 대략적으로 일정한 두께를 가진다. 일부 실시예에서, 트레일링 에어포일부(122)의 두께는 대략적으로 본체(101)의 국부적 두께(103)와 동등하다. 일부 실시예에서, 트레일링 에어포일부(122)는 또한 변동 두께를 가질 수 있다.
에어포일은 공기흐름을 흡입 표면에 "고정(stuck)"시키기 위한 설비를 포함하여, 공기가 큰 각도를 통해 (예를 들어, 유입되는 공기에 대해 거의 수평 방향으로부터 나가는 공기에 대해 거의 수직 방향으로) 재지향될 수 있다. 일부 실시예에서, 에어포일은 흡입 표면을 따라 공기의 흐름을 제어하기 위한 하나 이상의 아크를 포함하는 리딩 에어포일부를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 돌출부(182)는 제 1 아크부(152) 및 제 2 아크부(154)로 추가로 구성될 수 있다. 제 1 아크부(152)는 타원부(142)로부터 확장할 수 있고, 반면에 제 2 아크부(154)는 돌출부(182)의 개방 또는 자유 말단에서 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 돌출부(182)의 (대향하는 흡입 측면(104)에 따른) 곡률은 제 1 아크부(152)로부터 제 2 아크부(154)로 변할 수 있다. 일부 경우에서, 제 1 아크부(152)는 기저부(180)의 방향에서 아래로 만곡하도록 배열될 수 있다. 더욱이, 제 2 아크부(154)는 또한 기저부(180)를 향하여 아래로 지시되는 더 급격한 곡률로 배열될 수 있다.
후술하는 설명에서, 다양한 표면의 곡률의 반경은, "UN"으로 표시된, 단위 반경의 길이에 대하여 정의된다. 다른 실시예에서, 단위 반경의 길이의 특정 수치는 변할 수 있다. 예를 들어, 단위 반경은 100 mm(즉, 1 UN = 100 mm), 6 인치(즉, 1 UN = 6 인치), 또는 임의의 다른 수치의 길이를 가질 수 있다. 두 개의 곡률의 반경의 비는 단위 반경의 특정 수치와 독립적인 것으로 이해될 수 있을 것이다. 따라서, 제 1 표면은 1 UN의 곡률의 반경을 가지고, 제 2 표면은 0.5 UN의 곡률의 반경을 가진다면, 비는 0.5로 나뉜 1, 또는 2와 동등하고, 주어진 실시예에서 단위 반경의 특정 길이와 독립적인 차원이 없는 양이다.
도 4는 에어포일(100)의 개략적인 측면도이다. 도 4를 참조하면, 에어포일(100)의 상이한 부분 또는 분획은 상이한 곡률도를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 트레일링 에어포일부(122)는 트레일링 에지(112) 아주 인근에 트레일링 아크부(160)를 가진다. 트레일링 아크부(160)는 곡률의 반경(200)을 가진다. 일부 경우에서, 곡률의 반경(200)은 대략적으로 0.1000 UN의 값을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 트레일링 에어포일부(122)의 주요 분획(162)은 압력 측면(102)을 따라 곡률의 반경(202) 및 대향하는 흡입 측면(104)을 따라 곡률의 반경(204)을 가진다. 일부 경우에서, 곡률의 반경(202)은 대략적으로 1.1250 UN의 수치를 가진다. 일부 경우에서, 곡률의 반경(204)은 대략적으로 1.1750 UN의 수치를 가진다. 일부 실시예에서, 타원부(142)는 외부로 향하는 측면(170) 상에 곡률의 반경(206) 및 내부로 향하는 측면(172) 상에 곡률의 반경(208)을 가진다. 일부 경우에서, 곡률의 반경(206)은 대략적으로 0.1500 UN의 수치를 가진다. 일부 경우에서, 곡률의 반경(208)은 대략적으로 0.1000 UN의 수치를 가진다.
일부 실시예에서, 제 1 아크부(152)는 대향하는 흡입 측면(104)을 따라 제 1 곡률의 반경(210) 및 내부로 향하는 표면(190)을 따라 곡률의 반경(212)을 가진다. 일부 경우에서, 제 1 곡률의 반경(210)은 대략적으로 0.7500 UN의 수치를 가진다. 일부 경우에서, 곡률의 반경(212)은 대략적으로 0.7000 UN의 수치를 가진다. 게다가, 제 2 아크부(154)는 흡입 측면(104) 상에 제 2 곡률의 반경(214)을 가진다. 일부 경우에서, 제 2 곡률의 반경(214)은 대략적으로 0.1000 UN의 수치를 가진다.
일부 실시예에서, 에어포일(100)의 각 분획의 곡률은, 심지어 에어포일(100)이 리딩 에지(110)로부터 트레일링 에지(112)로 만곡하면서, 유동하는 공기의 경계층이 대향하는 흡입 측면(104)에 부착되어 있도록 도울 수 있게 선택될 수 있다.
도 5는 공기가 이를 통하여 통과하면서 작동하는 에어포일(100)의 개략도이다. 도 5를 참조하면, 유입하는 공기는 대략적으로 수평 방향(300)에서 흐르고, 리딩 에지(110)를 처음으로 만난다. 대향하는 흡입 측면(104)을 가로질러 움직이는 공기는 먼저 제 1 아크부(152)를 가로질러 통과할 것이고, 이는 제 2 아크부(154)로 아래로 만곡한다. 이어서 공기는 트레일링 에어포일부(122)로 아래로 지향된다. 공기가 트레일링 에어포일부(122)를 따라 흐르면서, 트레일링 아크부(160)로 아래로 지향되고, 트레일링 에지(112)를 떠나면서 하향으로 회전한다.
리딩 에어포일부(120)의 형상은, 리딩 에어포일부(120) 및 트레일링 에어포일부(122) 사이에 두께에서 급격한 변화를 야기하는 단계적-감소 지역(310)을 생성한다. 두께(및 형상)에서 이 갑작스러운 변화는 단계적-감소 지역(310)에서 볼텍스(320)(및/또는 난류성 소용돌이)를 생성한다. 공기가 대향하는 흡입 측면(104) 위로 흐르면서, 볼텍스(320)는 공기를 아래로 "당기고", 이로써 공기가 대향하는 흡입 측면(104) 상에 "고정(stuck)"을 유지하는, 한 섹션에서 다음으로 이동하면서, 흐름의 경계층을 재부착한다.
실시예는 단계적-감소 지역(310) 인근에서 구체적으로 만곡된 아크부를 이용하여 단계적-감소 지역(310)에서 발전하는 난류성 소용돌이 또는 볼텍스를 능동적으로 제어하는 것을 돕는다. 구체적으로, 제 1 아크부(152) 및 제 2 아크부(154)는 결합하여 에어포일 상부 표면에 재부착을 향하여 코안다 효과(Coanda effect)의 사용으로 유체 흐름을 능동적으로 재지향한다. 코안다 효과는 오리피스로부터 나오는 유체의 제트가 인근의 평평한 또는 만곡된 표면을 따르고 주변으로부터 유체를 끌고 가서 저압의 영역이 발전하는 경향을 지칭한다. 단계적-감소 지역(310)에서 볼텍스(320)(및/또는 난류성 소용돌이)는 제 2 아크부(154) 및 트레일링 에어포일부(122) 사이에 압력 차이를 생성한다. 대향하는 흡입 측면(104)을 가로질러 흐르는 활성 유체는, 그 자리에서 볼텍스(320)를 유지하는데 도움을 주고, 대향하는 흡입 측면(104)에 부착되는 것이 유지되는 (코안다 효과를 통해) 공기 커튼(322)을 생성한다. 따라서 공기 커튼(322)은 볼텍스(320)를 유지하기 위한 안정화 힘을 제공하고, 이는 또한 경계층이 에어포일(180)로부터 박리되는 것을 예방하는 역할을 한다.
이 배열은 공기흐름 방향을 90도에 가깝게까지 뒤집기 충분한 대향하는 흡입 측면(104)에 고정된 공기흐름을 유지하는 에어포일을 제공한다. 즉, 초기에는 수평 방향(300)으로 유동하는 공기는 리딩 에지(110)를 만나면서 제 2 방향(302)에서 이동하는 트레일링 에지(112)를 떠난다. 일부 경우에서, 제 2 방향(302)은 거의 수직 방향이다. 다른 실시예에서, 에어포일(100)의 다양한 분획의 형태 및 국부적 곡률에 따라서, 유입하는 공기의 방향이 대략적으로 10 내지 90도 사이에서 임의의 양까지 변화될 수 있다.
도 6은 에어포일(또는 블레이드)(500)의 다른 실시예의 개략적인 등축도를 예시한다. 에어포일(100)의 개방-말단 또는 폴딩된 배열에 대조적으로, 에어포일(500)은 단단한 형상을 가진다. 도 6을 참조하면, 에어포일(500)은 대향하는 압력 측면(502) 및 흡입 측면(504)으로 구성된다. 추가적으로, 에어포일(500)은 리딩 에지(510) 및 트레일링 에지(512)를 포함한다.
에어포일(500)은 리딩 에어포일부(520) 및 트레일링 에어포일부(522)를 포함하는 것으로 추가로 특징지어질 수 있다. 트레일링 에지(512)로부터 출발하여, 에어포일(500)은 트레일링 에어포일부(522)를 통하여 점차적으로 만곡되는 것으로 보인다.
에어포일은 공기흐름을 흡입 측면 위로 "고정"을 유지하고, 공기가 큰 각도를 통하여 재지향되게 하기 위한 설비를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 에어포일은 흡입 측면을 따라 공기의 흐름을 제어하기 위한 일련의 아크를 포함하는 리딩 에어포일부를 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 리딩 에어포일부(520)는 압력 측면 표면(540), 제 1 타원 표면(542), 흡입 측면 표면(544), 및 제 2 타원 표면(545)으로 구성된다. 압력 측면 표면(540)은 트레일링 에어포일부(522)로부터 제 1 타원 표면(542)으로 확장한다. 제 1 타원 표면(542)은 대향하는 압력 측면(502) 주변으로부터 흡입 측면(504)으로 확장하고, 리딩 에지(510)를 포함한다. 흡입 측면 표면(544)은 압력 측면 표면(540)을 향하여 아래로 만곡한다. 제 2 타원 표면(545)은 이어서 볼록한 방식으로 아래로 만곡하고, 트레일링 에어포일부(522)에 연결한다. 에어포일(100)에서 폴드에 의해 생성된 개방 지역에 반하여, 도 6에 도시된 디자인은 단단하고, 연속적이고, 볼록한 표면을 가진 단계적-감소 지역(710)을 제공한다. 게다가, 이전 실시예에서와 같이, 리딩 에어포일부(520)의 전체 두께(630)는 트레일링 에어포일부(522)의 두께(632)보다 크다.
도 7은 에어포일(500)의 개략적인 측면도이다. 도 7을 참조하면, 에어포일(500)의 상이한 부분 또는 분획은 상이한 곡률도를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 트레일링 에어포일부(522)는 트레일링 에지(512) 바로 인근에서 아크부(560)를 가진다. 아크부(560)는 곡률의 반경(600)을 가진다. 일부 경우에서, 곡률의 반경(600)은 대략적으로 0.1000 UN의 수치를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 트레일링 에어포일부(522)의 주요 분획(562)은 대향하는 압력 측면(502)을 따라 곡률의 반경(602) 및 흡입 측면(504)을 따라 곡률의 반경(604)을 가진다. 일부 경우에서, 곡률의 반경(602)은 대략적으로 1.1250 UN의 수치를 가진다. 일부 경우에서, 곡률의 반경(604)은 대략적으로 1.1750 UN의 수치를 가진다. 일부 실시예에서, 제 1 타원 표면(542)은 곡률의 반경(606)을 가진다. 일부 경우에서, 곡률의 반경(606)은 대략적으로 0.1500 UN의 수치를 가진다.
일부 실시예에서, 흡입 측면 표면(544)은 곡률의 반경(610)을 가진다. 일부 경우에서, 곡률의 반경(610)은 대략적으로 0.7500 UN의 수치를 가진다. 게다가, 제 2 타원 표면(545)은 곡률의 반경(614)을 가진다. 일부 경우에서, 곡률의 반경(614)은 대략적으로 0.1000 UN의 수치를 가진다.
일부 실시예에서, 에어포일(500)의 각 분획의 곡률은 심지어 에어포일(500)은 리딩 에지(510)로부터 트레일링 에지(512)로 만곡하면서, 유동하는 공기의 경계층이 대향하는 흡입 측면(504)에 부착되어 있도록 도울 수 있게 선택될 수 있다.
도 8은 공기가 그것을 가로질러 통과함에 따라 작동하는 에어포일(500)의 개략도이다. 도 8을 참조하면, 유입하는 공기는 대략적으로 수평 방향(700)에서 흐르고, 먼저 리딩 에지(510)를 만난다. 흡입 측면(504)을 가로질러 이동하는 공기는 먼저 흡입 측면 표면(544)을 가로질러 통과하고, 이는 제 2 타원 표면(545)으로 아래로 만곡한다. 이어서 공기는 트레일링 에어포일부(522)로 아래로 지향된다. 공기가 트레일링 에어포일부(522)를 따라 흐르면서, 아크부(560)로 아래로 지향되고, 트레일링 에지(512)를 떠나면서 하방으로 회전한다.
리딩 에어포일부(520)의 형상은 리딩 에어포일부(520) 및 트레일링 에어포일부(522) 사이에 두께에서 급격한 변화를 야기하는 단계적-감소 지역(710)을 생성한다. 두께(및 형상)에서 이 갑작스러운 변화는 단계적-감소 지역(710)에서 볼텍스(720)(및/또는 난류성 소용돌이)를 생성한다. 공기가 흡입 측면(504) 위로 흐를 때, 볼텍스(720)는 공기를 아래로 "당기고", 이로써 공기가 흡입 측면(504) 위에 "고정"된 상태를 유지하며 한 섹션에서 다음으로 이동함에 따라 흐름의 경계층을 재부착한다.
실시예는 특이적으로 단계적-감소 지역(710)에 인근한 만곡된 아크 및/또는 타원 표면을 이용하여 단계적-감소 지역(710)에서 발달하는 난류성 소용돌이 또는 볼텍스를 능동적으로 제어하는 것을 돕는다. 구체적으로, 흡입 측면 표면(544) 및 제 2 타원 표면(545)은 결합하여 에어포일 상부 표면으로 재부착을 향하여 코안다 효과의 사용으로 유체 흐름을 능동적으로 재지향한다. 단계적-감소 지역(710)에서 볼텍스(720)(및/또는 난류성 소용돌이)는 타원 표면(545) 및 트레일링 에어포일부(522) 사이에 압력 차이를 생성한다. 흡입 측면(504)을 가로질러 흐르는 활성 유체는 제 자리에 볼텍스(720)를 유지하고 이를 흡입 측면(504)에 부착시켜 놓는 것을 돕는 (코안다 효과를 통해) 공기 커튼(722)을 생성한다. 따라서, 공기 커튼(722)은 볼텍스(720)를 제 자리에 유지하기 위한 안정화력을 제공하고, 이는 경계층이 에어포일(500)로부터 박리되는 것을 예방하기 위한 추가적인 역할을 한다.
에어포일(100)의 실시예와 함께, 이 배열은 90도에 가깝게 공기흐름 방향을 회전시키기에 충분하게 흡입 측면(504)에 공기흐름이 고정시켜 유지하는 에어포일을 제공한다. 즉, 수평 방향(700)으로 초기에 흐르는 공기흐름은 리딩 에지(510)를 만나면서 제 2 방향(702)으로 이동하는 트레일링 에지(512)를 떠난다. 일부 경우에서, 제 2 방향(702)은 거의 수직 방향이다. 다른 실시예에서, 에어포일(500)의 다양한 분획의 형태 및 국소적 곡률에 따라, 유입하는 공기의 방향은 대략적으로 10 내지 90도 사이의 임의의 양으로 변화될 수 있다.
에어포일(100) 및 에어포일(500)을 포함하는 앞서 논의된 에어포일의 실시예는 다양한 상이한 적용에서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 에어포일은 차량의 후방 에지와 같이 에지 주변의 공기흐름을 지향시키기 위해 사용될 수 있다. 개시된 에어포일은, 트랙터 트레일러, 트럭 캡 및 기타 트럭 뿐만 아니라 SUV, 세단, 쿠페 및 기타 차를 포함하는, 다양한 상이한 종류의 차량에 사용될 수 있다. 에어포일은 또한 모터사이클, ATV 및 스노우모빌과 같은 임의의 다른 기타 종류의 차량과 사용될 수 있다는 것이 이해될 수 있다.
후술되는 설명은 에어포일(100)과 유사한 폴딩된 말단을 가진 에어포일을 사용하는 예시적인 기계 및 장치를 도시한다. 그러나, 다른 실시예에서 에어포일(500)과 유사한 단단한 말단을 가진 에어포일이 이들 동일한 기계 및 장치 중의 임의의 것에 통합될 수도 있다는 것이 이해될 수 있다.
한 예시적인 적용에서, 도 9에 묘사된 바와 같이, 한 세트의 에어포일(808)은 사용되어 차량(800)의 뒷부분 주변에 공기흐름을 지향시킬 수 있다. 예시적인 실시예에서, 차량(800)은 트레일러(802)를 가진 트랙터 트레일러이다. 트레일러(802)의 후방 말단은 트레일러(802)의 운전자측 후향 에지(820), 상부 후향 에지(822), 및 승객측 후향 에지(824)에 따라 각각 배열되는 제 1 에어포일(810), 제 2 에어포일(812), 및 제 3 에어포일(814)를 포함한다. 다른 실시예에서, 에어포일은 단 하나의 에지, 단 두 개의 에지, 및/또는 4개의 에지를 따라 사용될 수 있다. 일부 경우에서, 예를 들어 에어포일은 트레일러(802)의 하부 후향 에지(826)를 따라 위치될 수 있다.
에어포일(100) 및 에어포일(500)의 디자인과 대조적으로, 에어포일 세트(808)에서 에어포일은 단일한 에어포일이 각 에지 전체 길이로 확장하도록 연장될 수 있다. 차량(800)의 치수에 따라, 에어포일의 폭은 2 내지 10 피트 범위일 수 있다. 또 다른 경우에서, 에어포일은 한 에지 일부 부분을 따라 위치하지만 다른 부분은 위치하지 않을 수 있다. 이러한 경우에서, 에어포일은 실질적으로 2 피트보다 적은 폭을 가질 수 있다. 더 큰 트럭 또는 기계를 위한 또 다른 적용에서, 에어포일은 10 피트보다 큰 폭을 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 에어포일을 차량의 에지에 부착하기 위한 임의의 수단이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 패스너, 접착제, 용접 또는 다른 수단이 사용되어 에어포일이 차에 부착될 수 있다. 다른 실시예에서, 에어포일은 자석 또는 양면 테이프와 같은 장비-없는 수단을 사용하여 부착될 수 있다.
한 실시예에서, 차량용 에어포일 시스템은 일련의 마운트(850)를 사용하여 에어포일 세트(808)를 차량(800)에 부착한다. 마운트는 패스너 또는 다른 직접 연결 없이, 대신 마운트와 에어포일 사이에 잠금 "맞춤(fit)"에 의존하여 에어포일을 보유하도록 설정될 수 있다. 본 실시예는 단일 에어포일을 고정하기 위해 에지 당 대략 4-6개의 마운트를 도시하지만, 다른 실시예에서 마운트의 수 및 간격은 변할 수 있다.
예를 들어, 도 9는 제 2 에어포일(812)을 유지하는 것을 돕는 하나의 마운트(852)의 확대된 분리도를 포함한다. 마운트(852)는 차량(800)에 직접 고정될 수 있는 기저부(854)를 포함한다. 마운트(852)는 또한 제 2 에어포일(812)의 리딩 에어포일부(813)를 수용하기 위해 형성되는 유지부(856)를 포함한다.
일부 실시예에서, 유지부(856)는 리딩 에어포일부(813)가 장착 방향(860)을 따라 제자리로 미끄러져 들어오는 것을 허용하지만 리딩 에어포일부(813)가 수직 방향(862)을 따라 미끄러져 나가는 것을 제한하는 후크형 형상을 가진다. 일부 실시예에서, 에어포일의 말단 또는 다른 부분은 차량(800)의 작동 동안 에어포일이 장착 방향(860)을 따라 미끄러지는 것을 예방하기 위해 제자리에 고정될 수 있다.
명확성을 위해, 제 2 마운트(832)는 도 9에서 분리되어 도시되어 있으며, 마운트의 형상이 보다 명확하게 보여질 수 있도록 유사한 기저부(834) 및 유지부(836)를 포함한다.
작동시, 하나 이상의 에지를 따른 에어포일의 사용은 공기가 이동 트레일러에 의해 생성된 공극을 채워도록 허용하여 항력을 감소시킨다. 도 10에 도시된 바와 같이, 트레일러(802)의 상부 표면(890) 및 측면 표면(892)을 가로질러 수평으로 흐르는 공기는 상응하는 에어포일에 의해 각각의 에지(820), 에지(822) 및 에지(824) 주위에서 회전될 수 있다. 일부 경우에, 공기는 트레일러(802)의 후향 측면(805)과 거의 평행하게 흐르도록 90도에 가까운 각도로 회전한다. 이어서 공기는 그렇지 않으면 공극이 형성되는 차량(800) 바로 뒤에 모인다.
도 11-14는 트럭의 뒷부분 주위로 공기를 지향시키고 항력을 감소시키는 것을 돕는 트럭 또는 다른 차량에 부착될 수 있는 에어포일의 다른 실시예의 개략도를 도시한다. 도 11에서, 제 1 에어포일(1100)(또는 간단히 "에어포일(1100)")이 분리되어 도시된다. 명확성을 위해, 에어포일(1100)의 확대 단면도가 또한 도 11에 도시된다.
에어포일(1100)은 기저부(1102) 및 기저부(1102)으로부터 확장되는 확장부(1104)를 포함할 수 있다. 기저부(1102)는 제 1 표면(1106) 및 제 2 표면(1108)을 포함할 수 있으며, 둘 모두는 기저부(1102)의 하부 주변부(1110)로부터 확장부(1104) 방향으로 확장된다. 보다 구체적으로, 제 1 표면(1106) 및 제 2 표면(1108)은 하부 주변부(1110)를 따라 각각의 에지로부터 상방으로 그리고 내측으로 경사지고, 각각의 표면은 확장부(1104)와 연속적으로 연장된다. 또한, 제 3 표면(1120) 및 대향하는 제 4 표면(1122)도 하부 주변부(1110)로부터 확장부(1104)로 상방으로 확장된다. 제 3 표면(1120) 및 제 4 표면(1122)은 각각 대략 삼각형 형상을 제공하는 3개의 에지를 포함한다. 선택적으로, 일부 실시예에서, 예를 들어 에어포일(1100)이 중공 내부를 갖는 실시예에서, 제 3 표면(1120) 및 제 4 표면(1122)이 없을 수 있다. 이러한 실시예는 예를 들어 도 15 및 16에 도시되고, 이하에서 더 상세히 논의될 것이다.
일부 실시예에서, 기저부(1102)는 하부 주변부(1110)를 따라 제 1 표면(1106), 제 2 표면(1108), 제 3 표면(1120) 및 제 4 표면(1122) 중 하나 이상을 연결하는 하부 표면(1109)을 더 포함할 수 있다. 그러나, 기저부(1102)가 완전히 또는 부분적으로 속이 빈 내부를 가지는 실시예에서 하부 표면은 선택적일 수 있다.
일부 실시예에서, 기저부(1102)의 형상은 삼각형 프리즘과 대략 유사할 수 있으며, 제 1 표면(1106), 제 2 표면(1108) 및 하부 표면(1109)은 각각 4개의 에지를 갖는 프리즘의 면을 포함하고 제 3 표면(1120) 및 제 4 표면(1122)은 3개의 에지를 가진 프리즘의 면을 포함한다. 더욱이, 확장부(1104)는 대향하는 삼각형 표면(즉, 제 3 표면(1120) 및 제 4 표면(1122))을 연결하는 프리즘의 에지 중 하나를 따라 연장되는 것으로 보여질 수 있다. 물론, 기저부(1102)의 형상은 예를 들어 일부 표면(또는 면들)이 평평하기 보다는 만곡된 프리즘의 형상과 다를 수 있음이 이해될 수 있다.
에어포일(1100)은 에어포일(100)과 일부 견지에서 유사한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 11의 단면도에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 제 2 표면(1108)의 프로파일 및 확장부(1104)와의 연속은, 예를 들어, 도 3-5에 도시된 바와 같이, 에어포일(100)의 프로파일과 실질적으로 유사한 프로파일을 가질 수 있다.
도 11의 단면도에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 확장부(1104)는 에어포일(100)의 부분과 유사한 형상을 가진다. 구체적으로, 확장부(1104)는 에어포일(100)에서 동일한 구성요소(즉, 타원부(142) 및 돌출부(182))와 형상적으로 유사한 타원부(1130) 및 돌출부(1132)를 포함할 수 있다. 돌출부(1132)는 제 2 표면(1108)의 일부(즉, 면) 위에 배치될 수 있다. 돌출부(1132)는 또한 제 2 표면(1108)을 향해 만곡될 수 있다.
일부 실시예에서, 타원부(1130) 및 돌출부(1132)의 내부 및 외부 표면의 각각의 곡률은 타원부(142) 및 돌출부(182)의 각각의 곡률과 유사할 수 있음이 이해될 수 있다. 구체적으로, 돌출부(1132)는 공기가 확장부(1104)를 가로질러 통과하고 제 2 표면(1108)을 향하여 지향될 때 공기흐름의 경계층이 에어포일(1100)로부터 박리되는 것을 예방하는 것을 돕는 상이한 곡률을 갖는 제 1 아크부 및 제 2 아크부를 추가로 포함할 수 있다.
제 1 표면(1106)은 에어포일(1100)의 제 1 측면을 따라 확장부(1104)를 향해 경사지고, 제 2 표면(1108)은 에어포일(1100)의 제 2 측면을 따라 확장부(1104)를 향해 경사진다. 사용시, 공기는, 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 제 1 표면(1106) 위로, 확장부(1104) 주변으로 및 다시 제 2 표면(1108) 아래로 흐를 수 있다. 각 표면의 형상은 에어포일을 가로질러 통과하는 공기흐름의 방향을 (즉, 거의 수평 방향에서 거의 수직 방향으로) 회전시키는 것이 가장 용이하도록 선택될 수 있다. 한 실시예에서, 제 1 표면(1106)은 수평으로 움직이는 공기를 에어포일(1100)의 확장부(1104)를 향하여 위로 지향시키도록 작동하는 일정한 기울기를 갖는 대략 평평한 형상을 가진다. 또한, 제 2 표면(1108)은 에어포일(100)의 흡입 측면(104)의 만곡된 형상과 유사한 만곡된 형상을 가져, 공기흐름의 방향을 변화시키는 것을 돕는다.
일부 실시예에서, 제 2 표면(1108)은 기저부(1102)의 다른 나머지 표면의 하부 에지 밑으로(예를 들어, 제 1 표면(1106)의 하부 에지(1107) 밑으로) 아래로 만곡한다. 이것은 하부 타원부(1127) 및 하부 타원부(1127)로부터 하부 에지(1107)로유사한 수평 레벨에서 위치까지 위로 확장하는 하부 측면 표면(1129)을 포함하는, 에어포일(1100)의 하향부(1125)를 생성한다. 사용시, 이 하향부는 트레일러 상에서 후향 에지 밖으로 및 상으로 확장되도록 배열될 수 있다.
도 12 및 13은 트럭 또는 다른 차량을 위한 한 세트의 에어포일 및 트레일러(1150)의 후향부의 개략적인 등축도이다. 구체적으로, 도 12는 트레일러(1150)에 부착되기 전의 한 세트의 에어포일을 도시하는 반면, 도 13은 에어포일의 전체 세트가 부착된 설정을 도시한다.
도 12-13을 참조하면, 에어포일의 세트는 제 1 에어포일(1100), 제 2 에어포일(1162) 및 제 3 에어포일(1164)을 포함한다. 각각의 에어포일은 트레일러(1150)의 특정 후향 에지와 연관될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제 1 에어포일(1100), 제 2 에어포일(1162) 및 제 3 에어포일(1164)은 트레일러(1150)의 상부 후향 에지(1722), 운전자측 후향 에지(1170) 및 승객측 후향 에지(1174)를 따라 각각 배열된다. 다른 실시예에서, 에어포일은 단 하나의 에지, 단 2개의 에지, 및/또는 4개의 에지를 따라 사용될 수 있다. 일부 경우에서, 예를 들어, 에어포일이 트레일러(1150)의 하부 후향 에지(1176)를 따라 위치될 수 있다.
도 12 내지 13에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 제 2 에어포일(1162) 및 제 3 에어포일(1164)은 상이한 형상을 가질 수 있다. 특히, 제 2 에어포일(1162) 및 제 3 에어포일(1164)은 하기에 논의되고 도 14-15에 도시된 에어포일(1200)의 형상과 유사한 형상을 가질 수 있다. 대안적으로, 일부 실시예에서, 각 에어포일은 실질적으로 유사한 형상을 가질 수 있다.
작동시, 하나 이상의 에지를 따른 에어포일의 사용은 공기가 이동 트레일러에 의해 생성된 공극을 채우도록 허용하여 항력을 감소시킨다. 에어포일 세트(1160)가 부착된 트레일러(1150)의 다른 개략도인, 도 14에 도시된 바와 같이, 트레일러(1150)의 상부 표면(1180) 및 측면 표면(1182)을 가로질러 수평으로 유동하는 공기는 상응하는 에어포일에 의해 각각의 에지(1170), 에지(1722) 및 에지(1174) 주변에서 회전될 수 있다.
특정 예로서 에어포일(1100)을 가로지르는 공기흐름을 고려하면, 공기흐름(1190)은 거의 수평 방향으로부터 제 1 표면(1106)을 따라 위로 확장부(1104)를 향해 지향될 수 있다. 확장부(1104)에서, 공기흐름은 회전하고 제 2 표면(1108) 밑으로 지향된다. 일부 경우에서, 공기는 트레일러(1150)의 후향 측면(1184)과 대략 평행하게 흐르도록 대략 90도의 각도로 회전한다. 공기는 이어서 그렇지 않으면 공극이 형성되는 트레일러(1150) 뒤에서 수집된다.
도 14에 도시된 바와 같이, 에어포일(1100)의 하향부(1125)는 트레일러(1150)의 상부 후향 에지(1172)(도 12 참조)의 후향 및 밑으로 확장될 수 있다.도 14에 도시된 예시적인 실시예에서, 제 2 에어포일(1162)(도 13 참조) 및 제 3 에어포일(1164)은 각각 운전자측 후향 에지(1170) 및 승객측 후향 에지(1172)와 대략 동일 평면상에 있는 것으로 보인다. 즉, 이들 에어포일은 트레일러(1150)의 후향 에지를 지나 확장되는 회전부를 포함하지 않을 수 있다. 대신에, 이들 에어포일의 하부 주변 에지는 일반적으로 트레일러의 후향 측의 동일한 평면에 놓일 수 있다. 일부 경우에서, 이는 트레일러 상에서 도어가 열리도록 충분한 간격을 확보하는 데 도움이 될 수 있다.
다른 실시예는 에어포일(1100)을 트레일러(1150)에 부착시키기 위해 다른 방법을 사용할 수 있다. 도 12에 도시된 예시적인 실시예에서, 접착제(1135)가 에어포일(1164)을 트레일러(1150)에 결합하는데 사용된다. 사용될 수 있는 예시적인 접착제는 다음을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다: 에폭시, 실리콘, 사이아 노아크릴레이트 및 UV 경화 접착제. 사용되는 접착제의 유형은 트레일러(1150) 및/또는 에어포일(1100)의 재료 특성에 따라 선택될 수 있다. 일부 경우에, 접착제는 플라스틱(에어포일)과 금속(트레일러) 사이의 결합을 용이하게 하는 것이 선택될 수 있다. 접착제는 에어포일의 하부 주변부(예를 들어, 에어포일(1100)의 하부 주변부(1110))를 따라 및/또는 존재하는 경우 하부 표면을 따라 도포될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 다른 실시예에서, 에어포일은 나사, 볼트, 리벳, 못 등을 포함하는 다양한 종류의 패스너를 사용하여 트레일러(또는 다른 물체)에 장착될 수 있다.
도 15 및 16은 에어포일(1200), 장착 구성요소(1280) 및 트레일러(1250)의 다른 실시예의 개략도이다. 에어포일(1200)은 기저부(1202) 및 확장부(1204) 뿐만 아니라 제 1 표면(1206) 및 제 2 표면(1208)을 포함할 수 있다.
에어포일(1200)은 에어포일(500)과 부분적으로 유사한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 15의 단면도에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 제 2 표면(1208)의 프로파일 및 확장부(1204)와의 연속은, 예를 들어 도 6-8에 도시된 바와 같이, 에어포일(500)의 프로파일과 실질적으로 유사한 프로파일을 가질 수 있다. 도 15의 확대 단면도에서 볼 수 있는 바와 같이, 확장부(1204)와 제 2 표면(1208)은 함께 에어포일(500)의 흡입 표면과 유사한 형상을 가진 상부 에어포일 표면을 형성한다. 즉, 상부 에어포일 표면은 제 2 표면(1208)과 연속적으로 확장하는 흡입 측면 표면(1220) 및 타원 표면(1222)을 포함한다. 또한, 에어포일(500)에서와 같이, 흡입 측면 표면(1220)과 타원 표면(1222)의 각각의 곡률은 공기가 확장부(1204)를 가로질러 통과하고 제 2 표면(1208)을 향해 지향될 때 에어포일(1200)로부터 공기흐름의 경계층이 박리되는 것을 예방하는 것을 돕기 위해 상이할 수 있다.
도 15 및 16은 또한 에어포일을 트레일러에 부착하는 대안적인 방법을 도시한다. 도 15 및 16을 참조하면, 본 실시예는 장착 구성요소(1280)(예를 들어, 장착 레일)를 사용하여 에어포일(1200)을 제자리에 고정시킨다. 구체적으로, 장착 구성요소(1280)는 접착제, 패스너(예를 들어, 나사, 리벳 등), 용접 또는 다른 방법과 같은 종래의 방법을 사용하여 트레일러(1250)에 고정될 수 있다. 이어서, 에어포일(1200)은 장착 구성요소(1280)에 부착되어 트레일러(1250)에 고정될 수 있다.
장착 구성요소(1280) 및 에어포일(1200)은 서로 맞도록 구성된 형상을 가질 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 에어포일(1200)은 제 1 주변 릿지(1232)를 갖는 제 1 하부(1230) 및 제 2 주변 릿지(1234)를 갖는 제 2 하부(1231)를 포함한다. 이들 주변 릿지는 에어포일(1200)의 내부(1239)를 향해 배향될 수 있다(및 에어포일이 트레일러에 부착된 경우 트레일러에서 멀리 떨어뜨려 놓일 수 있다). 제 1 하부(1230)와 제 2 하부(1231)는 에어포일(1200)이 부착될 때 장착 구성요소(1280)의 일부를 수용하는 갭에 의해 분리될 수 있다.
장착 구성요소(1280)는 트레일러에 직접 고정되는 중앙 장착부(1282) 뿐만 아니라 중앙 장착부(1282)의 대향 측면상의 제 1 체결부(1284) 및 제 2 체결부(1286)를 포함할 수 있다. 각각의 체결부는 주변 릿지를 수용하도록 구성된 슬롯을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제 1 체결부(1284)는 제 1 주변 릿지(1232)를 수용하기 위한 제 1 슬롯(1285)을 포함하고, 제 2 체결부(1286)는 제 2 주변 릿지(1234)를 수용하기 위한 제 2 슬롯(1287)을 포함한다. 이들 슬롯은 중앙 장착부(1282)가 트레일러에 부착될 때 슬롯의 개방 측면은 트레일러를 향하여 면할 수 있게(따라서, 에어포일(1200)의 위쪽으로 향한 릿지부를 수용하도록) 배향될 수 있다.
도 15-16에 도시된 바와 같이, 장착 구성요소(1280)가 트레일러(1250)에 고정된 상태에서, 에어포일(1200)은 에어포일(1200)의 릿지가 장착 구성요소(1280)의 대응하는 슬롯과 체결되는 방식으로 장착 구성요소(1280) 위로 슬라이딩함으로써 부착될 수 있다. 일단 제자리에 위치되면, 에어포일(1200)은 마찰 및/또는 착탈식 패스너(나사, 볼트 등)와 같은 추가 설비에 의해 제 위치에서 도움이 될 수 있다.
비록 도 15-16은 단일 에어포일만을 도시하지만, 다른 실시예는 트레일러의 측면 후향 에지를 따라 유사한 에어포일을 통합할 수 있다.
다른 실시예에서, 차량과 함께 사용되는 에어포일을 위한 재료는 다양할 수 있다. 일 실시예에서, 에어포일은 플라스틱을 포함하는 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 플라스틱은, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌, 아세탈, 아크릴, 나일론(폴리 아미드), 폴리스티렌, 폴리염화비닐(PVC), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 및 폴리카보네이트를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 다른 실시예에서, 에어포일은 금속을 포함하는 재료를 포함할 수 있다. 에어포일은 또한 3D 프린팅, 몰딩 및 압출 공정을 포함한 임의의 공지된 공정을 사용하여 제조될 수 있다.
다른 실시예에서, 트레일러와 사용하기 위한 설정된 에어포일의 치수는 변할 수 있다. 예로서, 일부 실시예에서, 에어포일(1100)은 대략 0.5 내지 4 피트 범위의 폭(즉, 제 1 표면(1106)과 제 2 표면(1108) 사이에서 확장되는 치수)을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 에어포일은 4 피트보다 큰 폭을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 에어포일(1100)은 대략 3과 1/2 피트의 폭을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 에어포일(1100)은 대략 0.5 내지 1.5 피트 범위의 높이를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 에어포일은 대략 1 피트의 높이를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 에어포일의 높이는 (상부를 따라) 오버 헤드 간격 및/또는 측면을 따라 후방 도어와의 간격을 포함하는 요소에 의해 제한될 수 있다.
예시적인 실시예는 대략 트레일러의 최후향 에지(즉, 상부 후향 에지 및 대향하는 측면 후향 에지)에 배치된 에어포일을 갖는 설정을 도시하지만, 다른 실시예에서 에어포일은 후향 에지에 대한 다른 위치에서 배치될 수 있다. 일부 경우에서, 에어포일의 부분이 후향 에지를 지나 확장할 수 있다. 다른 경우에, 에어포일은 인접한 후향 에지로부터 이격되도록 위치될 수 있다.
도 17 및 18은 에어포일(1300)의 다른 실시예를 도시한다. 구체적으로, 도 17은 확대된 단면도와 함께 에어포일(1300)의 실시예의 개략적인 등축도를 도시한다. 도 18은 에어포일(1300)의 개략적인 단면도로서, 공기가 다양한 표면을 가로질러 흐르는 방법을 설명한다.
이제 도 17을 참조하면, 에어포일(1300)은 전술한 에어포일(1100)과 유사한 설비를 포함할 수 있다. 구체적으로, 에어포일(1300)은 에어포일(1300)의 확장부(1308)의 위로 그리고 상으로 공기를 지향시키기 위한 제 1 표면(1310) 및 제 2 표면(1312)을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 일부 실시예에서, 에어포일(1300)은 대향하는 말단에서 제 3 표면(1314) 및 제 4 표면(1316)을 포함한다.
명확성을 위해, 에어포일(1300)은 상이한 에어포일 유형과 연관된 표면을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "개방형 에어포일 유형"은 리딩 말단이 폴딩되거나 개방된 형상을 가진 에어포일 또는 에어포일의 일부를 지칭한다. 개방형 에어포일 유형의 예는 전술한, 예를 들어 도 1-5에 도시된 에어포일(100)이다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "폐쇄형 에어포일 유형"은 리딩 말단이 폐쇄형 형상을 갖는 에어포일 또는 에어포일의 일부를 지칭한다. 폐쇄형 에어포일 유형의 예는 전술한, 예를 들어 도 6-8에 도시된 에어포일(500)이다.
에어포일(1300)은 적층되거나, 또는 다르게 그들 사이에 약간의 간격을 두고 서로 인접하는 2개의 상이한 유형의 에어포일 표면을 포함할 수 있다. 구체적으로, 에어포일(1300)은 별개의 유형의 흡입 측면 표면과 각각 연관된 제 1 에어포일부(1302) 및 제 2 에어포일부(1304)를 포함한다. 제 1 에어포일부(1302)는 확장부(1308) 및 제 2 표면(1312)을 포함한다. 확장부(1308) 및 제 2 측면(1312)은 에어포일(1100) 및 에어포일(100)과 유사한 형상을 가질 수 있다(즉, 형상은 에어포일(100)의 흡입 측면과 유사할 수 있다). 제 2 에어포일부(1304)는 제 1 표면(1310), 외부 흡입 표면(1330), 타원 표면(1332) 및 내부 흡입 표면(1334)을 포함한다. 함께, 외부 흡입 표면(1330), 타원 표면(1332) 및 내부 흡입 표면(1334)은 에어포일(1200) 및 에어포일(500)과 유사한 형상을 가질 수 있다(즉, 형상은 에어포일(500)의 흡입 측면과 유사할 수 있다).
일부 실시예에서, 통로(1370)는 에어포일(1300)을 통해 확장되어 내부 흡입 표면(1334)으로의 접근을 제공한다. 통로(1370)는 상부 개구(1338) 및 하부 개구(1338)에서 개방되어, 공기가 에어포일(1300)의 상부에서 하부로 흐를 수 있다.
두 개의 에어포일 표면의 사용은 두 개의 개별 흡입 표면을 통해 들어오는(수평) 공기를 아래로 지향시키고, 아래로 지향될 수 있는 공기의 양을 증가시켜, 공기흐름을 개선하는 것을 도울 수 있다. 도 18에 도시된 바와 같이, 작동시 들어오는 공기흐름(1350)은 제 1 표면(1310) 위로 외부 흡입 표면(1330)으로 이동한다. 이 공기흐름(1350)의 일부는 상부 개구(1338)를 통해 타원 표면(1332)으로 내려가고, 하부 에어포일 개구(1336)을 통해 빠져나기 전에 내부 흡입 표면(1334)을 따라 더 아래로 내려가는 제 1 공기흐름 경로(1352)를 취한다. 외부 흡입 표면(1330)에 도달하는 공기의 일부는 확장부(1308)까지, 및 그 주변으로 흐르고, 이어서 제 2 표면(1312)으로 다시 내려가는 제 2 공기흐름 경로(1354)를 취할 수 있다. 더욱이, 일부 경우에서, 제 1 에어포일부(1302)와 연관된 에어포일 표면의 받음각은 제 1 표면(1310) 상으로 더 높은 레벨에서 수평으로 이동하는 공기를 잡는 것을 돕는다. 예를 들어, 공기흐름 경로(1356)를 따라 흐르는 공기는 확장부(1308)의 리딩 에지를 잡고 제 2 표면(1312)을 따라 아래로 빠질 때까지 수평으로 흐를 수 있다.
도 19-21에서 도시된, 다른 실시예에서, 에어포일(100) 또는 에어포일(500)과 유사한 형상을 가진 에어포일이 드론(drone)에서 블레이드(blade)로서 사용될 수 있다. 도 19-21은 4개의 블레이드(901)를 갖는 쿼드콥터 드론(900)에 대한 특정한 블레이드 디자인을 도시한다. 이 예시적인 디자인에서, 도 20-21에 도시된 바와 같이, 블레이드(902)는 샤프트에 장착하기 위한 중앙 허브(904) 뿐만 아니라 제 1 블레이드 섹션(906) 및 제 2 블레이드 섹션(908)을 가진다. 이 경우, 각각의 블레이드 섹션은 에어포일(100)과 유사한 형상을 갖는다. 이러한 디자인에서, 블레이드 형상은 쿼드콥터 드론(900)의 블레이드가 회전함에 따라 추진력을 향상시키는데 도움이 될 수 있다. 실시예는 드론을 도시하지만, 다른 실시예에서 유사한 에어포일 형상이 헬리콥터(예를 들어, 도 24의 헬리콥터(1002))와 같은 임의의 종류의 회전 날개 항공기와 함께 사용될 수 있다.
개시된 에어포일 형태는 모터, 펌프 또는 유사한 장치가 러너를 포함하고 작동 유체가 러너로 안내되거나, 러너 주위로 안내되거나, 또는 러너로부터 안내되는 임의의 종류의 회전 운동 유체 모터 또는 펌프에 적용될 수 있다. 이러한 장치는 터빈, 휠, 원심 펌프 및 송풍기를 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 개시된 에어포일 형태는 또한 작동 유체에 작용되거나 작용하는 임펠러를 포함하는 임의의 종류의 유체 반응 표면에 적용될 수 있다.
도 22에 도시된 바와 같이, 예시적인 에어포일(957) 및 에어포일(959)은 각각 원심 펌프(952)의 블레이드 및/또는 원심 송풍기(954)의 블레이드로서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 에어포일(957) 및 에어포일(959)은 의도된 용도에 따라 상이한 치수로 설정될 수 있다. 예를 들어, 에어포일(957)은 에어포일(959)보다 길 수 있다. 또한, 에어포일(957)은 에어포일(959)보다 더 작은 폭을 가질 수 있다. 이러한 형상의 차이는 원심 펌프(952) 및 원심 송풍기(954)에서 각 에어포일의 개별적인 적용을 반영한다. 비록 예시적인 에어포일(957) 및 에어포일(959)은 형태에서 에어포일(100)과 유사한 것(즉, 각각 돌출부를 포함함)으로 도시되지만, 디자인은 단지 예시적인 것이며 정확한 치수, 재료 및/또는 다른 특성은 특정한 용도(예: 펌프 또는 송풍기에서)에 따라 달라질 수 있음이 이해될 수 있다. 또한, 일부 경우에, 에어포일(957) 및 에어포일(959) 중 하나 또는 둘 모두는 대안적으로 에어포일(500)과 같은 단단한 형상을 가질 수 있다.
도 23은 하나 이상의 터빈을 포함하는 엔진(980)의 개략적인 등축도이다. 엔진(980)이 개략적으로 도시되어 있고 여기에 도시된 특정 로터는 다양한 상이한 엔진 설정으로 배치될 수 있음이 이해될 수 있다. 도 23을 참조하면, 엔진(980)에 사용하기에 적합한 터빈 로터(982)의 섹션은 블레이드(984)로 설정될 수 있다. 각각의 블레이드(984)는 에어포일(100)과 유사한 형상을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제 1 로터(991), 제 3 로터(993) 및 제 5 로터(995)는 제 1 방향으로 배열 된 블레이드로 구성되는 반면, 제 2 로터(992) 및 제 4 로터(994)는 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 배열된 블레이드를 포함한다. 일부 경우에, 제 1 로터(991), 제 3 로터(993) 및 제 5 로터(995)는 제 1 방향으로 회전하도록 구성될 수 있은 반면, 제 2 로터(992) 및 제 4 로터(994)는 제 2 방향으로 회전하도록 구성될 수 있다. 도 23에 도시되지는 않았지만, 일부 실시예는 한 세트의 로터의 역 회전을 용이하게 하기 위해 하나 이상의 세트의 유성 기어를 통합할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 측판(또는 러너)가 하나 이상의 세트의 로터와 함께 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 로터(982)는 엔진(980)의 고압 압축기 또는 저압 터빈에서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 로터(982)는 엔진(980)의 흡기 팬의 일부로서 사용될 수 있다.
도 24는 에어포일(100) 또는 에어포일(500)의 임의의 특징을 포함하여 상기 논의된 임의의 특성을 갖는 에어포일을 사용할 수 있는 다양한 다른 기계를 도시한다. 구체적으로, 에어포일(1000)은 헬리콥터(1002)의 블레이드, 러더 또는 다른 제어 표면에 통합될 수 있다. 에어포일(1000)은 또한 풍력 터빈(1004)의 블레이드에 통합될 수 있다. 에어포일(1000)은 또한 팬(1006)의 블레이드에 통합될 수 있다. 에어포일(1000)은 또한 글라이더(1008)을 포함하여 다양한 종류의 항공기에서 고정 날개로 통합될 수 있다. 에어포일(1000)은 또한 스포일러로서 작동하기 위해 차(1010)에 통합될 수 있다.
개시된 형태를 갖는 에어포일이 작동 유체와 접촉하는 기계 또는 장치의 임의의 표면 상에 사용될 수 있음이 이해될 수 있을 것이다. 일부 경우에, 개시된 형태를 갖는 에어포일은 에일러론, 엘리베이터, 러더, 스포일러, 플랩, 슬랫, 에어 브레이크, 엘리베이터 트림, 러더 트림 및 에일러론 트림과 같은 항공기의 제어 표면 상에서 사용될 수 있다. 더욱이, 개시된 형태를 갖는 에어포일은 항공기의 임의의 로터(예를 들어, 헬리콥터의 메인 및 테일 로터) 및/또는 프로펠러 상에서 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 에어포일은 다양한 재료로 제조될 수 있다. 예시적인 재료는 터빈 블레이드 제조에 사용하기 위해 공지된 재료(예를 들어, U-500, Rene 77, Rene N5, Rene N6, PWA1484, CMSX-4, CMSX-10, Inconel, GTD-111, EPM-102, Nominic 80a, Niminic 90, Nimonic 105, Nimonic 105 및 Nimonic 263)를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 다른 재료는 세라믹 매트릭스 복합재를 포함한다. 에어포일을 위한 다른 재료는 알루미늄, 복합 재료, 강철, 티타늄 및 다른 재료를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
에어포일은 임의의 공지된 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 일부 실시예에서, 에어포일은 압출 공정을 사용하여 형성될 수 있다.
에어포일의 치수는 그의 의도된 적용에 따라 달라질 수 있다. 에어포일(100)(즉, 개방 디자인) 또는 에어포일(500)(즉, 단단한 디자인)의 일반적인 프로파일 형태를 유지하면서 시위선 길이, 폭 및 두께는 모두 상이한 비율로 변할 수 있다. 예를 들어, 터빈에서 블레이드는 일반적으로 트럭에 사용되는 에어포일보다 작을 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들이 설명되었지만, 설명은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 의도되며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 수많은 더 많은 실시예들 및 구현들이 본 발명의 범위 내에서 가능하다는 것이 명백할 것이다. 임의의 실시예의 임의의 요소는 임의의 다른 실시예의 다른 요소로 대체되거나 특별히 배제된 경우를 제외하고 다른 실시예에 추가될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위 및 그 등가물의 견지를 제외하고는 제한되지 않아야 한다. 또한, 첨부된 청구항의 범위 내에서 다양한 변경 및 변화가 이루어질 수 있다.

Claims (16)

  1. 복수의 터빈 로터를 포함하는 터빈으로서,
    각각의 상기 복수의 터빈 로터는 복수의 에어포일을 포함하고,
    각각의 상기 복수의 에어포일은:
    리딩 에지(leading edge) 및 트레일링 에지(trailing edge);
    흡입 측면 및 압력 측면; 및
    상기 리딩 에지를 포함하는 리딩 에어포일부 및 상기 트레일링 에지를 포함하는 트레일링 에어포일부;를 포함하고,
    상기 리딩 에어포일부는 압력 측면 표면, 제1 타원 표면, 흡입 측면 표면 및 제2 타원 표면을 포함하고,
    상기 제1 타원 표면은 상기 압력 측면 표면을 상기 흡입 측면 표면과 연결하고, 상기 제2 타원 표면은 상기 흡입 측면 표면을 상기 트레일링 에어포일부의 흡입 측면과 연결하고,
    각각의 상기 에어포일의 두께는 상기 리딩 에어포일부로부터 상기 트레일링 에어포일부로 감소하는 것을 특징으로 하는, 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 터빈 로터는 복수의 에어포일이 제1 방향으로 구성되는 적어도 하나의 터빈 로터와, 복수의 에어포일이 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 구성되는 적어도 하나의 또다른 터빈 로터를 포함하는, 터빈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 터빈 로터는 제1 방향으로 회전되도록 구성되고,
    상기 적어도 하나의 또다른 터빈 로터는 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 회전되도록 구성되는, 터빈.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 터빈 로터는 제1 로터, 제3 로터 및 제5 로터를 포함하고, 상기 적어도 하나의 또다른 터빈 로터는 제2 로터 및 제4 로터를 포함하는, 터빈.
  5. 삭제
  6. 적어도 하나의 로터를 갖는 기계와 함께 사용되는 에어포일 시스템으로서,
    상기 에어포일 시스템은:
    상기 적어도 하나의 로터에 부착되도록 구성된 복수의 에어포일을 포함하고,
    각각의 상기 복수의 에어포일은 리딩 에어포일부 및 트레일링 에어포일부를 포함하고,
    상기 리딩 에어포일부는 제1 곡률 반경을 가지는 제1 타원 표면과 제2 곡률 반경을 가지는 제2 타원 표면을 포함하고,
    상기 제1 타원 표면 및 제2 타원 표면은 서로 다른 곡률을 가지는 것을 특징으로 하는, 에어포일 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 에어포일부는 압력 측면 표면 및 흡입 측면 표면을 더 포함하고,
    상기 제1 타원 표면은 상기 압력 측면 표면을 상기 흡입 측면 표면과 연결하고, 상기 제2 타원 표면은 상기 흡입 측면 표면을 상기 트레일링 에어포일부의 흡입 측면과 연결하는, 에어포일 시스템.
  8. 삭제
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 기계는 엔진을 포함하고, 상기 적어도 하나의 로터는 제1 터빈 로터 및 제2 터빈 로터를 포함하는, 에어포일 시스템.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 로터는 제1 로터 및 제2 로터를 포함하고,
    상기 복수의 에어포일은 상기 제1 로터 상에서 제1 방향으로 구성되고, 상기 제2 로터 상에서 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 구성되며,
    상기 제1 로터는 제1 방향으로 회전하도록 구성되고, 상기 제2 로터는 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 회전되도록 구성되는, 에어포일 시스템.
  11. 모터 차량 트레일러에 사용되는 에어포일 시스템으로서,
    상기 모터 차량 트레일러는 후향 에지를 갖는 후향 측면을 가지고,
    상기 에어포일 시스템은:
    상기 후향 에지에 접하도록 상기 모터 차량 트레일러에 부착되도록 구성되는 에어포일을 포함하고,
    상기 에어포일은 기저부와, 상기 기저부 위로 돌출된 돌출부를 포함하고,
    상기 기저부는:
    상기 모터 차량 트레일러에 접하도록 구성된 하부 주변부;
    상기 하부 주변부로부터 상기 돌출부로 상향 경사진 제1 표면;
    상기 돌출부로부터 상기 하부 주변부로 하향 경사진 제2 표면;을 더 포함하고,
    상기 제2 표면은 상기 기저부 상에 배치되고, 상기 제2 표면은 상기 제1 표면보다 상기 모터 차량 트레일러의 상기 후향 측면에 더 가깝게 배치되도록 구성되고,
    상기 에어포일은 상기 모터 차량 트레일러를 가로질러 흐르는 기류를 상기 모터 차량 트레일러의 후향 측면으로 지향시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 에어포일 시스템.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 표면은 일정한 곡률을 가지고, 상기 제2 표면은 다양한 곡률을 가지는, 에어포일 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 에어포일은 공기를 상기 제1 표면 위로, 상기 돌출부 주위로, 그리고 상기 제2 표면 아래로 안내하는, 에어포일 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 표면은 상기 하부 주변부에 인접 배치되는 하부 타원부를 가지는, 에어포일 시스템.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 돌출부는 제1 아크부 및 제2 아크부를 포함하고,
    상기 제1 아크부 및 제2 아크부는 서로 다른 곡률을 가지는, 에어포일 시스템.
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