(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-03-25
(45)【発行日】2024-04-02
(54)【発明の名称】流体操作のための装置および方法
(51)【国際特許分類】
F01D 1/04 20060101AFI20240326BHJP
B64C 21/00 20230101ALI20240326BHJP
【ＦＩ】
F01D1/04
B64C21/00
【請求項の数】
41
(21)【出願番号】P 2021180465
(22)【出願日】2021-11-04
(62)【分割の表示】P 2020530448の分割
【原出願日】2018-08-10
(65)【公開番号】P2022020753
(43)【公開日】2022-02-01
【審査請求日】2021-11-04
(31)【優先権主張番号】62/543,371
(32)【優先日】2017-08-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/685,295
(32)【優先日】2018-06-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/703,898
(32)【優先日】2018-07-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/714,778
(32)【優先日】2018-08-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】520049352
【氏名又は名称】ネイサー、ポール
(74)【代理人】
【識別番号】100084995
【弁理士】
【氏名又は名称】加藤 和詳
(72)【発明者】
【氏名】ネイサー、ポール
【審査官】松浦 久夫
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１０／０２０１９９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許第０５８３６５４２（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第０１７２７７２０（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１０／００２５５２６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－１９４６３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】独国実用新案第２９９１６２０３（ＤＥ，Ｕ１）
【文献】米国特許第０５８０３４１０（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第０６２０３２６９（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】米国特許出願公開第２００６／０２０２０８２（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０１Ｄ １／０４
Ｂ６４Ｃ ２１／００
Ｂ６４Ｃ １１／００
Ｂ６４Ｃ １１／４８
Ｂ６４Ｃ ３９／１２
Ｂ６４Ｃ ２９／００
Ｂ６４Ｄ ２７／００
Ｂ６４Ｄ ２７／２４
Ｂ６４Ｄ ２７／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
意図的な流体操作装置（ＩＦＭＡ）アセンブリであって、前記ＩＦＭＡアセンブリが、境界装置であって、前記境界装置と流体との間の界面に表面を有する前記境界装置と、
上流意図的運動量制限装置（ＩＭＳＡ）と、
少なくとも１つの下流ＩＭＳＡと、を備え、
前記境界装置が、前記上流ＩＭＳＡと前記下流ＩＭＳＡとに結合され、
前記上流ＩＭＳＡが、名目動作条件の間に局所的な自由流の流れに第１の誘導速度を与えるように構成され、
前記下流ＩＭＳＡが、前記名目動作条件の間に前記上流ＩＭＳＡと前記下流ＩＭＳＡとの両方を通過する前記流体の少なくとも一部が第１の流管を形成するように配置され、前記第１の流管の内部で前記局所的な自由流の流れに第２の誘導速度を与えるように構成され、前記下流ＩＭＳＡの位置における前記第２の誘導速度が、前記第１の流管の内部で前記下流ＩＭＳＡの前記位置における前記第１の誘導速度の方向と反対の方向の成分を有し、
前記上流ＩＭＳＡが、前記境界装置の全面の少なくとも一部の近くで空間流体の流速勾配を低減させるように構成されることが可能であり、前記空間流体の流速勾配が、前記全面の前記少なくとも一部の外向き法線に沿った方向で計算され、前記空間流体の流速勾配の低減が、前記上流ＩＭＳＡと前記下流ＩＭＳＡとが前記流体の流れに無視できる影響を有するベースラインシナリオに対して生じる、ＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項2】
前記空間流体の流速勾配の前記低減が、前記ベースラインシナリオに対して前記境界装置に作用する正味抗力の低減に寄与し、前記正味抗力が、前記第１の流管の遠方後流部と前記第１の流管の自由流部との差から計算される、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項3】
前記名目動作条件の間に前記上流ＩＭＳＡと前記下流ＩＭＳＡとの両方を通過する前記流体の少なくとも一部が前記第１の流管の外側に第２の流管を形成し、前記下流ＩＭＳＡが、前記第２の流管の内部で局所的な自由流の流れに第３の誘導速度を与えるように構成されることが可能であり、前記第２の流管において前記下流ＩＭＳＡの前記位置での前記第３の誘導速度が、前記第１の誘導速度の方向と同じ方向の成分を有する、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項4】
前記上流ＩＭＳＡが、前記第１の流管の内部で第１の推力を生成するように構成され、前記下流ＩＭＳＡが、前記下流ＩＭＳＡでの前記第１の流管の内部の少なくとも一つの位置で前記上流ＩＭＳＡの誘導速度ベクトルの方向に、平行かつ整合したベクトル成分を備えた第２の推力を生成するように構成される、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項5】
前記名目動作条件が、時間的に一定である自由流の流速を含む、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項6】
前記名目動作条件が、正味推力の生成を含み、前記正味推力が、前記上流ＩＭＳＡと前記下流ＩＭＳＡとにより生成される推力を含む、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項7】
前記上流ＩＭＳＡの少なくとも一部が、前記第１の流管の少なくとも一部の内部の前記流体の流れから力を抽出することが可能である、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項8】
前記上流ＩＭＳＡの少なくとも一部が、前記第２の流管の少なくとも一部の内部の前記流体の流れに力を与えることが可能である、請求項３に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項9】
前記下流ＩＭＳＡの少なくとも一部が、前記第２の流管の少なくとも一部の内部の前記流体の流れから力を抽出することが可能である、請求項３に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項10】
前記下流ＩＭＳＡの少なくとも一部が、前記第１の流管の少なくとも一部の内部の前記流体の流れに力を与えることが可能である、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項11】
前記境界装置の前記全面の少なくとも一部が、前記上流ＩＭＳＡの下流に位置する、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項12】
前記境界装置の前記全面の少なくとも一部が、前記上流ＩＭＳＡの上流に位置する、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項13】
前記境界装置の前記全面の少なくとも一部が、前記上流ＩＭＳＡの下流、かつ、前記下流ＩＭＳＡの上流に位置する、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項14】
前記境界装置の前記全面の少なくとも一部が、前記下流ＩＭＳＡの下流に位置する、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項15】
前記正味抗力の低減が、前記境界装置のプロファイル抗力の低減を含む、請求項２に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項16】
前記正味抗力の低減が、前記境界装置の粘性抗力の低減を含む、請求項２に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項17】
前記正味抗力の低減が、前記境界装置の波抗力の低減を含む、請求項２に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項18】
前記上流ＩＭＳＡ及び／又は前記下流ＩＭＳＡが、前記名目動作条件の間に前記ベースラインシナリオと比較して前記境界装置の遠方後流の流れの運動エネルギーを低減させるよう構成されることが可能である、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項19】
前記上流ＩＭＳＡが、オープンローターまたはダクトローターを備える、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項20】
前記下流ＩＭＳＡが、オープンローターまたはダクトローターを備える、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項21】
前記オープンローターまたは前記ダクトローターが、少なくとも一つのローターブレードを備え、前記ローターブレードの回転軸に対する前記ローターブレードのピッチ角が可変である、請求項１９または２０に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項22】
前記上流ＩＭＳＡでの前記第１の誘導速度が、前記第２の流管の少なくとも一部の内部で前記上流ＩＭＳＡの前記局所的な自由流の流速の方向に沿った成分を有する、請求項３に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項23】
前記上流ＩＭＳＡでの前記第１の誘導速度が、前記第１の流管の少なくとも一部の内部で前記上流ＩＭＳＡの前記局所的な自由流の流速の方向と反対の方向に沿った成分を有する、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項24】
前記境界装置の前記全面の少なくとも一部の近くでの前記空間流体の前記流速勾配の低減が、前記境界装置の前記全面の少なくとも一部での前記空間流体の前記流速勾配の低減を含み、該低減が前記ベースラインシナリオに対して生じる、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項25】
前記境界装置の前記全面の少なくとも一部の近くでの前記空間流体の前記流速勾配の低減が、フルスリップシナリオでの前記境界装置の前記全面の少なくとも一部での前記流体の流速の大きさの低減を含み、該低減がフルスリップベースラインシナリオに対して生じる、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項26】
前記境界装置の前記全面の少なくとも一部の近くでの前記空間流体の前記流速勾配の低減が、前記全面の少なくとも一部での前記境界装置の前記局所的な自由流の流速の大きさの低減を含み、該低減が前記ベースラインシナリオに対して生じる、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項27】
前記境界装置の前記全面の少なくとも一部での正味誘導速度が、フルスリップシナリオでの上流方向の成分を含む、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項28】
前記境界装置の前記全面の少なくとも一部の近くでの正味誘導速度が、上流方向の成分を含む、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項29】
前記上流ＩＭＳＡと前記下流ＩＭＳＡとの間で力を移送する力移送装置を含み、前記力が、前記下流ＩＭＳＡから前記上流ＩＭＳＡへ与えられ得る、及び／又は、前記上流ＩＭＳＡから前記下流ＩＭＳＡへ与えられ得る、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項30】
前記力が、機械的に移行され得る、請求項２９に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項31】
前記力移送装置が、ドライブシャフト、ギアトレイン、及び／又はクラッチを含む、請求項３０に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項32】
前記力が、電気的に移行される、請求項２９に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項33】
前記下流ＩＭＳＡが発電機を駆動し、前記下流ＩＭＳＡにより生成された電力が、前記上流ＩＭＳＡに接続された電気モーターへ与えられ得る、及び／又は、前記上流ＩＭＳＡが発電機を駆動し、前記上流ＩＭＳＡにより生成された電力が、前記下流ＩＭＳＡに接続された電気モーターへ与えられ得る、請求項３２に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項34】
前記上流ＩＭＳＡが、前記第１の流管の内部の前記流体の流れから力を抽出することが可能であり、前記下流ＩＭＳＡが、前記第１の流管の内部の前記流体へ力を与えることが可能である、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項35】
前記上流ＩＭＳＡにより前記流体から抽出された前記力の大きさが、前記下流ＩＭＳＡにより前記流体へ与えられる前記力の大きさよりも大きくなり得る、請求項３４に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項36】
前記上流ＩＭＳＡにより前記流体から抽出された前記力の大きさが、前記下流ＩＭＳＡにより前記流体へ与えられる前記力の大きさよりも小さくなり得る、請求項３４に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項37】
前記下流ＩＭＳＡが、前記第２の流管の内部の前記流体の流れから力を抽出することが可能であり、前記上流ＩＭＳＡが、前記第２の流管の内部の前記流体へ力を与えることが可能である、請求項３に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項38】
前記上流ＩＭＳＡが、前記流体から力を抽出し前記流体へ力を与えることの両方を意図的に行うように構成され、及び／又は、前記下流ＩＭＳＡが、前記名目動作条件の間に、前記流体から前記力を抽出し前記流体へ前記力を与えることの両方を意図的に行うように構成される、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項39】
前記境界装置が、航空機の胴体、船の船体、列車の車体、トラックの車体、車の車体、バイクの車体、流体を通って移動する乗り物の車体、のうちの何れか一つである、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項40】
前記境界装置が、前記上流ＩＭＳＡの上流に、及び／又は、前記下流ＩＭＳＡの下流に、伸びる、請求項１に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【請求項41】
前記上流ＩＭＳＡまたは前記下流ＩＭＳＡが、前記境界装置の周りを回転するローターである、請求項４０に記載のＩＦＭＡアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【0001】
この出願は、２０１７年８月１０日に出願された米国仮出願第６２／５４３３７１号、２０１８年６月１５日に出願された第６２／６８５２９５号、および２０１８年７月２７日に出願された第６２／７０３８９８号の利益を主張するもので、それぞれは、参照によって本明細書に引用したものとする。
【背景技術】
【0002】
多くの流体相互作用装置は、低い自由流の流速での大きな電力消費に見舞われている。例えば、ヘリコプターの場合、ホバー中に必要な電力は、名目レベルの巡航中に消費される電力の２倍程度になり得る。従来の固定翼航空機のプロペラ、または民間ジェット旅客機のターボファンは、名目レベルの巡航中に見られるものなどの、大きな自由流の流速と比較して、離陸時に見られるものなどの、小さな自由流の流速で、所定の推力の大きさでより多くの電力を消費する。同様に、従来のオープンローター風力タービンが流体から抽出できる電力量は、不必要に小さくなる。
【0003】
比較的低い自由流の流速の大きさに関連付けられた推力生成または電力抽出のこれらの非効率性を軽減する試みは、有効性が限られる。例えば、ダクトを採用して、プロペラ、ヘリコプターのローター、または風力タービンの局所的な自由流の流速を上げることができる。この増大の大きさは、ダクトのジオメトリによって決まり、そして今度、これは、流れの剥離に関する制約などの制約によって厳しく制限される。これらの制約は、小さな自由蒸気流の流速、つまりダクトが最も必要とされるまさにその状況にとって特に厳しいものである。これらの制約により、局所的な自由流の流れに対する大きな効果は、大きなディフューザーを備えたダクトでしか達成できない場合があり、これは例えば、極めて大きな湿潤面積および重量の増加に関連付けられる場合がある。
【0004】
流体に対して移動する胴体などの物体は、通常、摩擦力または抗力に遭遇する。従来技術では、この抗力を最小化する試みは、通常、物体の濡れた表面が可能な限り滑らかであることを保証することに限定されている。場合によっては、そのような滑らかさは、濡れた表面の少なくとも一部で層流に有利になり得、粘性抗力を減らすのに役立ち得る。しかしながら、この抗力は、層流が存在する場合でもかなり大きくなり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
いくつかの実施形態によれば、ヘリコプターのメインローターシステムなどの流体操作装置は、例えば、従来のヘリコプターローターシステムと比較してホバー中に消費される電力を減らし、ホバリング耐久性を増大するように構成できる。これらの原理はまた、プロペラまたは風力タービンなどの他のタイプの流体相互作用装置の推力生成または電力抽出の効率を向上させる。いくつかの実施形態では、変更は、推力生成または電力抽出の流体相互作用装置の少なくとも一部の局所的な自由流の流速の増大を含む。
【課題を解決するための手段】
【0006】
前述の粘性抗力は、物体の濡れた表面に対する流体の局所的な自由流の速度の関数である。いくつかの実施形態によれば、流体操作装置は、物体の濡れた表面に対する流体の局所的な自由流の速度を変更し、粘性抗力を低減するように構成することができる。いくつかの実施形態では、変更は、物体の濡れた表面の少なくとも一部の局所的な自由流の流速の低下を含む。
【0007】
いくつかの実施形態は、意図的な流体操作装置および／または関連方法を含み、ここで、上流推力装置を備えた推力装置アセンブリは、名目動作中に自由流の流れに対して第１の方向に意図した力または推力を生成するように構成できる。推力装置アセンブリはまた、少なくとも下流推力装置を含むことができ、ここで、下流推力装置は、上流推力装置の下流流管の少なくとも一部に少なくとも部分的に配置される。下流推力装置は、上流推力装置の流管の下流推力装置の位置で、上流推力装置の誘導速度ベクトルの方向に平行なベクトル成分を少なくとも備えた推力を生成するように構成することができる。下流推力装置の推力は、上流推力装置の流管と下流推力装置の流管との間の重複の領域の少なくとも一部にわたってこの方向基準を満たすことができる。推力装置アセンブリは、少なくとも２つの推力装置を含むことができる。
【0008】
いくつかの実施形態では、流管は、外部リフティング装置または推力装置によって湾曲させることができる。いくつかの実施形態では、下流推力装置の位置での上流推力装置の誘導速度ベクトルは、上流推力装置が受ける推力ともはや整合する必要はない。いくつかの実施形態では、上流推力装置の位置で上流推力装置の誘導速度ベクトルと整合することもできなくなる。いくつかの実施形態では、下流推力装置の位置での下流推力装置の誘導速度ベクトルは、その位置での上流推力装置の誘導速度ベクトルと反対方向の成分を少なくとも有するように構成することができる。いくつかの実施形態では、したがって、下流推力装置が受ける推力は、上流推力装置の推力と反対方向の成分を有する必要はない。
【0009】
さらなる実施形態は、意図的な流体操作装置および／または関連方法を含み、その中で、上流推力装置を備えた推力装置アセンブリは、自由流の流速ベクトルに対して少なくとも意図した方向に運動量の第１の変化率を与えるように構成できる。推力装置アセンブリは、少なくとも下流推力装置を含むことができ、ここで、下流推力装置は、上流推力装置の下流流管の少なくとも一部に少なくとも部分的に配置され得る。下流推力装置は、上流推力装置の流管の流体に運動量の第２の変化率を与えるように構成することができ、ここで、運動量のこの第２の変化率の方向は、上流推力装置の流管と下流推力装置の流管との間の重複の領域の少なくとも一部の上流推力装置の流管の流体に対する運動量の第１の変化率の影響の少なくとも反対方向の成分を有する。
【0010】
さらなる実施形態は、意図的な流体操作装置および／または関連方法を含み、その中で、推力装置アセンブリは、流体に意図した量の誘導電力を送達するように構成された上流推力装置を含むことができる。推力装置アセンブリは、少なくとも下流推力装置を含むことができ、ここで、下流推力装置は、上流推力装置の下流流管の少なくとも一部に少なくとも部分的に配置される。下流推力装置は、上流推力装置の流管と下流推力装置の流管との間の重複の領域の少なくとも一部にわたって、流体から意図した量の誘導電力を抽出するように構成することができる。
【0011】
さらなる実施形態は、意図的な流体操作装置および／または関連方法を含み、その中で、推力装置アセンブリは、流体から意図した量の誘導電力を抽出するように構成された上流推力装置を含む。推力装置アセンブリは、少なくとも下流推力装置を含むことができる。下流推力装置は、上流推力装置の下流流管の少なくとも一部に少なくとも部分的に配置することができ、ここで、下流推力装置は、上流推力装置の流管と下流推力装置の流管との間の重複の領域の少なくとも一部にわたって、流体に意図した量の誘導電力を送達するように構成することができる。
【0012】
さらなる実施形態は、別の意図的な流体操作装置（ＩＦＭＡ）アセンブリを含む。ＩＦＭＡは、名目動作要件中に局所的な自由流の流れに第１の誘導速度を与えるように構成された第１の推力装置を含むことができ、第１の推力装置は流管を形成する。第２の推力装置を含めることができる。第２の推力装置は、流管の下流部分に配置することができる。第２の推力装置は、局所的な自由流の流れに第２の誘導速度を与えるように構成することができる。第２の推力装置の位置での第２の誘導速度は、第２の推力装置の位置での第１の誘導速度の方向と反対の方向の成分を有することができる。
【0013】
いくつかの実施形態では、第２の推力装置は、流管の第２の推力装置の位置で第１の推力装置の誘導速度ベクトルの方向に、平行かつ整合したベクトル成分を備えた第２の推力を生成するように構成できる。
【0014】
いくつかの実施形態では、第２の推力装置の推力は、上流推力装置の流管と第２の推力装置の第２の流管との間の重複の領域の少なくとも一部にわたって計算することができる。
【0015】
いくつかの実施形態では、名目動作要件は、正味推力を提供するためのものであり得、ここで、正味推力は、慣性フレームにおける第１の推力装置の第１の推力ベクトルと第２の推力装置の第２の推力ベクトルとを足したものに等しい。
【0016】
いくつかの実施形態では、正味推力の生成に必要な誘導電力は、第２の推力装置が流体の流れに無視できる影響を有するシナリオと比較して低減することができる。
【0017】
いくつかの実施形態では、第１または第２の推力装置の１つの少なくとも一部は、非ゼロの自由流の流れから電力を抽出することができる。
【0018】
いくつかの実施形態では、境界装置は、第１の推力装置を第２の推力装置から空間的に分離することができる。
【0019】
いくつかの実施形態では、第１および第２の推力装置は、境界装置の抗力損失を低減するように構成され得る。
【0020】
いくつかの実施形態では、第１および第２の推力装置は、オープンローターまたはダクトローターを含むことができる。
【0021】
さらなる実施形態は、別の意図的な流体操作装置（ＩＦＭＡ）アセンブリを含む。ＩＦＭＡは、外側表面を有する境界装置を含むことができる。境界装置は、周囲の流体に対して移動するように構成することができる。意図的運動量搬送装置（ＩＭＣＡ）は境界装置フレームに結合することができる。ＩＭＣＡは、境界装置フレームの外側表面の近くの流速勾配を低減する方法で境界装置に結合することができる。
【0022】
いくつかの実施形態では、ＩＭＣＡは、境界装置フレームに結合された複数のＩＭＣＡの１つであり得、複数のＩＭＣＡは、境界装置フレームの外側表面の近くの流速勾配を低減する方法で境界装置に結合され得る。
【0023】
いくつかの実施形態では、複数のＩＭＣＡは、境界装置フレームの上流に位置する先頭ＩＭＣＡを含むことができ、先頭ＩＭＣＡは、先頭ＩＭＣＡのトレーリングエッジから伸びて境界装置フレームを取り囲む流管を生成するように構成することができる。
【0024】
いくつかの実施形態では、複数のＩＭＣＡは、境界装置フレームの一部の周りに位置する１つまたは複数の中間ＩＭＣＡを含むことができ、中間ＩＭＣＡは、上流ＩＭＣＡの後流にない。
【0025】
いくつかの実施形態では、中間ＩＭＣＡは、流管が中間ＩＭＣＡのリーディングエッジよどみ線に入射するように構成することができる。
【0026】
いくつかの実施形態では、複数のＩＭＣＡは、境界装置フレームの下流に位置する後部ＩＭＣＡを含むことができ、後部ＩＭＣＡは、後部ＩＭＣＡのリーディングエッジで中間ＩＭＣＡからの流管を取り囲むように構成される。
【0027】
いくつかの実施形態では、複数のＩＭＣＡは、複数の円形ダクトを含むことができる。
【0028】
いくつかの実施形態では、複数のダクトの各ダクトは、境界装置が移動するように構成された方向の軸に対して半径方向外向きの方向の成分を備えた揚力を生成するように構成することができる。
【0029】
いくつかの実施形態では、複数のＩＭＣＡは、フルスリップシナリオで境界装置の外側表面での流速の大きさを低減するように構成することができる。
【0030】
いくつかの実施形態では、流速の大きさの減少は、ノースリップシナリオで外側表面でのスキン抗力の低下をもたらし得る。
【0031】
さらなる実施形態は航空機を含む。航空機は、翼と胴体を有することができる。下流推力装置を胴体に取り付けることができる。下流推力装置は、第１の推力ベクトルを適用するように構成することができる。航空機は、名目レベルの巡航中に第１の推力ベクトルの方向に沿って飛行方向を有することができる。
【0032】
いくつかの実施形態では、上流推力装置を胴体に取り付けることができる。上流推力装置は、第１の推力ベクトルと反対の第２の推力ベクトルを適用するように構成することができる。第２の推力ベクトルは、名目レベルの巡航中に胴体付近の空間流速勾配を低減することができる。
【0033】
いくつかの実施形態では、上流推力装置は、ダクト付きファン内に位置するファンディスクに遭遇する前に流体の流れを減速するように構成されたダクト付きファンを含むことができる。
【0034】
いくつかの実施形態では、上流推力装置は、流体の流れからエネルギーを抽出するように構成することができる。
【0035】
いくつかの実施形態では、上流推力装置は、エネルギーの少なくとも一部を下流推力装置に電気的または機械的に伝達するように構成することができる。
【0036】
いくつかの実施形態では、第１の推力ベクトルの大きさは、第２の推力ベクトルの大きさより大きくなり得る。
【0037】
さらなる実施形態は、流体と相互作用するように構成された表面を有する境界装置を有することができる流体操作装置を含む。意図的な流体操作装置（ＩＦＭＡ）アセンブリは境界装置に結合することができる。ＩＦＭＡアセンブリは、境界装置の表面付近の空間流速勾配を低減するように構成することができる。
【0038】
いくつかの実施形態では、ＩＦＭＡアセンブリは、境界装置フレームに結合された少なくとも１つの意図的運動量搬送装置（ＩＭＣＡ）を含むことができる。
【0039】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＩＭＣＡは、境界装置フレームに結合された複数のＩＭＣＡの１つであり得る。
【0040】
いくつかの実施形態では、ＩＦＭＡアセンブリは、局所的な自由流の流れに第１の誘導速度を与えるように構成された上流の意図的運動量制限装置（ＩＭＳＡ）を含むことができる。
【0041】
いくつかの実施形態では、ＩＦＭＡアセンブリは、局所的な自由流の流れに第２の誘導速度を与えるように構成された下流ＩＭＳＡを含むことができる。
【0042】
いくつかの実施形態では、推力ベクトルは、上流ＩＭＳＡおよび下流ＩＭＳＡの少なくとも１つに関連付けられ得、局所的な自由流の流れと実質的に同じ方向である。
【0043】
いくつかの実施形態では、境界装置は、上流ＩＭＳＡと下流ＩＭＳＡとの間に配置することができる。
【0044】
いくつかの実施形態では、上流ＩＭＳＡおよび下流ＩＭＳＡの少なくとも１つは、流体の流れからエネルギーを抽出するように構成することができる。
【0045】
いくつかの実施形態では、エネルギーは、上流ＩＭＳＡと下流ＩＭＳＡとの間で電気的または機械的に伝達され得る。
【0046】
いくつかの実施形態では、上流ＩＭＳＡおよび下流ＩＭＳＡの少なくとも１つはプロペラを含むことができる。
【0047】
いくつかの実施形態では、局所的な自由流の流れの速度の低減により、境界装置の抗力を低減することができる。
【0048】
いくつかの実施形態では、境界装置の局所的な自由流の流れの速度を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0049】
【発明を実施するための形態】
【0050】
本明細書で使用される「流体」という用語は、流体の特性を示すすべてのタイプの材料を包含する。そのような特性の１つは、互いに相対的に移動する構成粒子の能力である。例えば、水などの液体、または空気などのガスを指す場合がある。流体は、いくつかのタイプのガスで構成される空気など、いくつかの異なるタイプおよび種類の流体を同時に含むことができることに留意していただきたい。指定されない限り、異なる流体のアセンブリは、簡単にするために「流体」と引き続き呼ばれる。
【0051】
「自由流の流れ」という用語は、装置のアセンブリなどの物体が流体と相互作用しなかった場合に発生する指定された点に対する理論的な流れとして定義される。したがって、それは、グローバルな自由流の流れとも呼ばれる場合がある。装置のアセンブリは、航空機または船などの乗り物、あるいは例えば、風力タービンなどの異なるタイプの流体操作装置、あるいはそのようなアセンブリの任意の部分であり得る。自由流の流れは、慣性空間の車両の動きなど、慣性空間の指定された点の動きからの寄与を含むことができる。風や流れなどの慣性空間での流体の動きからの寄与も含めることができる。指定された点が異なると、異なる自由流の流れが発生する可能性がある。例えば、装置上の異なる点が慣性空間で異なる速度で移動し、慣性空間で理論的に静止している流体において異なる自由流の流速が発生するように、装置を回転させることができる。
【0052】
「局所的な自由流の流れ」という用語は、指定された装置のみが流体と相互作用しなかった場合に発生する指定された装置に対する理論的な流れとして定義される。局所的な自由流の流れは、自由流の流れの寄与のほか、流体と相互作用する、アセンブリの残りのものなどの他の装置による寄与も含む。例えば、水平固定翼によって生成されたダウンウォッシュは、翼の下流に取り付けられた水平安定装置に対する局所的な自由流の流速の大きさおよび方向に影響を与える可能性がある。
【0053】
「流体操作装置」またはＦＭＡは、流体の特性を操作する装置として定義される。例えば、ＦＭＡは、指定されたシナリオまたは境界条件の自由流の流速の大きさに対して、流体要素の流速の大きさを変更できる。別の例では、ＦＭＡは、指定されたシナリオの自由流の流速の方向に対して、流体要素の流体の流速の方向を変更できる。流体の流れに対するこの影響は、意図的または意図的ではない場合がある。流体に対する影響の少なくとも一部が意図的なものである場合、ＦＭＡは「意図的な流体操作装置」またはＩＦＭＡとしてさらに分類できる。流体の流れに対する意図的な影響は、以下で定義する「意図的運動量搬送装置」またはＩＭＣＡの場合のように、いくつかのＩＦＭＡに対してのみ局所化できる。他のＩＦＭＡの場合、「意図的運動量制限装置」またはＩＭＳＡの場合のように、流体の流れに対する意図的な影響も遠方後流で発生する可能性がある。これらの定義は、次の段落で明確になる。
【0054】
運動量制限の意図的な性質のため、ＩＭＳＡは「推力装置」またはＴＡと呼ばれることもあり、これは、名目動作中に流体に運動量の意図的な変化率を与えるように構成された任意の装置として定義される。ＴＡの例は、従来のプロペラまたはヘリコプターのメインローターである。名目定速巡航中に揚力を提供する固定翼航空機の翼も、推力装置と見なすことができる。利用可能なＴＡには他にも多くの使用可能なタイプがある。例えば、運動量の変化率は、電磁力を介してＴＡによって流体に適用できる。例えば、ＴＡはホール効果推力または電磁流体力学（ＭＨＤ）ドライブであり得る。フォイトシュナイダー推力、サイクロジャイロ、または同様のデバイスもＴＡの例である。
【0055】
推力装置の前述の定義では、運動量の意図的な変化率を流体に与える要件は、いくつかの方法で説明できる。例えば、装置のアセンブリの他の流体操作装置から隔離された推力装置を検討する。例えば、固定翼航空機の残りの部分から隔離した翼を検討する。または、従来のヘリコプターの残りの部分から隔離されたヘリコプターのメインローターを検討する。「孤立シナリオ」と呼ばれる理論的シナリオでは、推力装置は単独で検討され、名目動作条件中に推力装置に対して遠方後流で意図的で非ゼロの誘導流が存在するという事実によって定義または特徴付けられる。
【0056】
名目動作条件は、場合によっては、空間および時間で均一な自由流の流速および方向を伴うことがある。いくつかの例では、定速巡航中の動作条件は、名目動作条件として説明できる。遠方後流は、この名目動作条件で推力装置から無限の距離に位置している。言い換えれば、推力装置は、自由流の流れ場と比較して、推力装置から無限の距離の流れ場に対して意図的で無視できない影響を有する。
【0057】
本明細書で定義および使用される「意図的」という用語は、運動量の変化率が有用または故意であるという要件を指す。例えば、運動量の有用な変化率は、前述の孤立したシナリオの遠方後流での流体要素の平均誘導速度に寄与する可能性があり、ここで、速度は意図された推力または揚力の方向とは反対の方向に非ゼロ成分を有する。いくつかの推力装置の場合、遠方後流の流体要素の平均誘導速度は、意図された推力または揚力の方向と反対の方向に実質的な成分を有する。揚力または推力の生成に関連付けられた固定翼またはヘリコプターのメインローターの遠方後流の誘導流は、意図的なものと見なされる。推力装置の近くの流体の運動量の関連する変化率も意図的であると見なされる。遠方後流に対する推力装置の意図的な効果は、遠方後流における流体の流れ場に対する意図的でない、有用でない、または非生産的な効果とは区別され、例えば、推力装置のいくつかの要素に対するプロファイル抗力、圧力抗力の作用などに関連付けることができる。これらの意図的ではない効果は、電力消費を不必要に、つまり、これらの効果が数学的に除去された理論的状況であるセテリスパリバスと比較して増加させる。
【0058】
運動量の意図的な変化率を流体に与える要件は、別の方法で説明することもできる。例えば、推力装置は、プラントルリフティングライン理論の単純化されたフレームワークで意図的に渦を放出すると見なすことができる任意の装置として定義することもできる。したがって、推力装置、またはＴＡ、またはＩＭＳＡは、「意図的渦放出装置」、またはＩＶＳＡと説明される場合もある。リフティングライン理論のフレームワークは、非粘性および非圧縮性の流れなどの単純化された仮定に依存しているため、参照またはガイドとしてのみ検討されることに留意していただきたい。推力装置によって意図的または故意に放出される渦は、流体に運動量の変化率を与えることにより、推力装置に作用する揚力または推力に寄与する。名目動作条件中に前述の孤立したシナリオで推力装置を検討すると、意図的に放出された渦も推力装置から無限の距離に存在し、そこで意図的な誘導流を生成する。言い換えれば、推力装置のために、または推力装置によって生成される、非ゼロの、意図的な、遠方後流の誘導流速がある。推力装置は、理論的な放出渦の形で粘性抗力または境界層効果を考慮に入れた数学的モデルなど、いくつかのモデルで意図的ではなく渦を放出することも考慮され得ることに留意していただきたい。意図的ではない渦放出とは、故意に放出されないいずれかの渦、すなわち揚力や推力の生成などの有用な機能を実行しない、または寄与しないあらゆる渦を指す。
【0059】
意図的運動量搬送装置、またはＩＭＣＡは、孤立したシナリオで検討した場合、遠方後流に意図的に運動量を放出しない流体操作装置である。ＩＭＣＡの例は、ダクトまたは従来の管状、または葉巻形状の軸対称胴体である。胴体は、胴体の周りの流れを意図的に偏向することによって自由流の流れを変更し、これにより、胴体が、定速巡航などの名目動作条件用の翼など、他のいずれかの流体操作装置と隔離されていると見なされる孤立したシナリオの胴体の近くの流れの速度の大きさも増加する。前述の意図的な流れの偏向は、胴体の近くに局所化される。したがって、胴体の近くにある流体要素は、運動量の意図的な局所的な変化率を受ける。理想的な場合、胴体から無限の距離にある流体の流れに影響はない。言い換えれば、胴体による流体の流れに対する意図的な遠方後流の効果はない。胴体の近くでの流体の運動量の意図的ではない変化率が存在する可能性があり、これは、自由流の流れと比較して、孤立したシナリオで胴体から無限の距離にある流体要素の運動量の意図的ではない変化に関連付けられる可能性もある。遠方後流の流体の流れのこのような意図的ではない変化は、例えば、プロファイル抗力の効果から生じる可能性がある。
【0060】
同様に、ダクトは、ダクトの近くの流速の大きさを意図的に変更することにより、自由流の流れを変更する。例えば、ダクトは、名目動作条件中の孤立したシナリオの自由流の流れに対する円形ダクトの中心にある流体要素の流速の大きさを低減するように構成できる。この場合、名目動作条件は、ダクトの中心対称軸に平行な一定かつ均一な自由流の流速を指すことができる。この意図的な変更は、ダクトの近くにのみ局地化され、ダクトの中心から無限の距離で無視できる値に収束する。したがって、ダクトによる流体の流れに対する意図的な遠方後流の影響はなく、つまり、ダクトと流体との相互作用による流体要素の遠方後流の意図的な誘導流速はない。前と同様に、抗力または一時的な影響により、遠方後流の流体の流れが意図的ではなく変更され、ダクトの近くの流体の運動量の意図的ではない変化率に関連する可能性がある。
【0061】
ＩＭＣＡは、リフティングライン理論の簡略化されたフレームワークでも説明できる。ＩＭＣＡは、密閉された渦または拘束された渦を搬送すると見なすことができる。そのため、ＩＭＣＡは「意図的渦搬送装置」、またはＩＶＣＡと見なすこともできる。例えば、流体に対する円形の軸対称ダクトの意図的な効果は、円形の渦輪、または渦度の２次元または３次元の連続分布、または漸進的に小さな離散渦輪としてモデル化できる。渦度の大きさが時間的に一定で、渦輪の円周に沿って均一である、名目動作条件中、意図的な渦度が流体に放出されないことに留意していただきたい。同様に、流体の流れに対する胴体の意図的な効果は、胴体内に含まれる、または胴体の表面、すなわち胴体と流体との間の界面に位置する渦度の３次元連続分布としてモデル化することもできる。
【0062】
ＩＭＳＡの「誘導電力」は、流体の運動量の意図的な変化率に関連付けられた、流体のエネルギーの変化率である。他のいずれかの電力消費は、「ゼロ揚力電力」、または「プロファイル電力」で考慮される。「揚力」という用語には、この文脈における推力も包含することに留意していただきたい。ＩＭＣＡは誘導電力をまったく消費しないことに留意していただきたい。純粋なＩＭＣＡに関連付けられた電力損失は、プロファイル電力損失と見なされる。ＩＭＳＡは誘導電力を消費することができ、その場合、意図的な作業は流体の流体操作装置によって行われる。例えば、航空機または船のプロペラ、あるいは従来の固定翼航空機の固定翼は、誘導電力の消費をもたらすか、またはそれに関連付けられる。ＩＭＳＡはまた、誘導電力を回収することができ、その場合、作業は、流体操作装置上の流体によって意図的に行われる。例えば、風力タービンによって生成される電力は誘導電力と見なすことができる。
【0063】
運動量の変化率を流体に適用するプロセスにおいて、流体操作装置は、局所的な自由流の速度に対する流速を変化させることができる。この速度の変化は、「ダウンウォッシュ」または「誘導速度」である。誘導速度は、例えば、下流または上流に向けることができ、あるいは流れに対して垂直に向けることができることに留意していただきたい。誘導速度は、ＩＭＳＡまたはＩＭＣＡによって生成できる。後者の場合、誘導速度は局所化される。つまり、ＩＭＣＡの近くに制限される。これらの用語では、ＩＭＳＡは、孤立したシナリオでの遠方後流に意図的な誘導速度を付与する装置としても特徴付けられ得る。両方のＩＭＳＡが一緒に検討される場合、１つのＩＭＳＡによる誘導速度の寄与は別のＩＭＳＡによって相殺できることに留意していただきたい。
【0064】
【0065】
図１は、従来技術のＴＡの断面図である。それはプロペラ１を示す。ここで、推力ベクトル３９で示されるように、プロペラ１の推力は図の上部に向けられている図示された動作条件では、矢印４０で示されるように、図の上部から下部に流れる非ゼロの自由流の流れがある。
【0066】
点線は、自由流の流れとローターディスクを通して流れる流れとの間のおおよその境界２を概略的に示す。境界上にある線は流線と描写でき、境界に囲まれた体積は流管と描写できる。図に示されている境界は、特定の動作条件の例にすぎないことに留意していただきたい。境界の形状は、ホバーあるいは風または水流などの自由流の流れからのエネルギー抽出など、図示されたＴＡの他の動作条件または動作モードによって大きく異なる場合がある。プロペラのはるか前方の自由流では、流れは自由流の流れとほぼ同等である。
【0067】
流体のこの状態は、図１のステーション３で示される。プロペラの流体の特性は、ステーション４によってカプセル化される。遠方後流の流れ、またはプロペラの下流の自由流は、ステーション５によって参照される。プロペラが流れを加速するため、流管の面積はステーション３からステーション４、ステーション４からステーション５に減少する。
【0068】
ステーション５では、流れは、ステーション３で見られる流れなどの自由流の流れよりも大きい速度を有するが、流管内の流れの圧力は、従来の単純な運動量理論のフレームワークで自由流の圧力に戻ったと仮定できる。ステーション５でのより大きな速度は、プロペラが流れを加速し、等しく反対の力または推力を受ける結果として、流体の運動量の増加を示す。より高い速度は、流体のより大きな運動エネルギーももたらし、これは、前述のフレームワークでは、推力を提供するのに必要な力を示す。
【0069】
単純な運動量理論は、ＴＡを使用した揚力の基本原理を説明するためのフレームワークとしてのみ使用され、この理論内に従来含まれていた仮定は、実施形態に適用したり、範囲を制限したりするものではないことに留意していただきたい。例えば、ダウンウォッシュの分布は一般に、流管の断面全体で一定である必要はない。各ステーションでの流管のプロットされた半径は近似値であり、流管の一般的な形状を示すことのみを目的としていることに留意していただきたい。
【0070】
プロペラの断面図は、第１のプロペラブレード６および第２のプロペラブレード７を示す。第１のプロペラブレード６のトレーリングエッジ９および第２のプロペラブレード７のリーディングエッジ１０も見える。プロペラを含むすべての図では、同様の構成が示される。
【0071】
図２は、別の従来技術のＴＡの断面図である。それはダクト付きプロペラを示す。ここで、推力ベクトル４１で示されるように、プロペラ１１の推力は図の上部に向けられている図示された動作条件では、示された矢印４２のように、図の上部から下部に流れる非ゼロの自由流の流れがある。リーディングエッジ１７とトレーリングエッジ１８、および断面１９を備えた、ダクト１６によって生成される追加の推力がある。図１と同様に、はるか上流のステーション１３、ローターのステーション１４、および遠方後流ステーション１５を備えた、流管境界１２がある。ダクト１６は、プロペラ１１を円周方向に囲んでいる。
【0072】
いくつかの実施形態によれば、従来技術で採用されている方法よりも効果的に流れを変更できる装置および方法が提供される。変更は、流れの指定された位置での流速を参照できるが、これに限定されず、推力の生成に適用できるが、これに限定されない。
【0073】
本方法は、推力装置アセンブリに、名目動作中に自由流の流れに対して第１の方向に意図した力、または推力を生成するように構成された上流推力装置を提供し、さらに、少なくとも下流推力を推力装置アセンブリに提供することを含み、ここで、下流推力装置は、上流推力装置の下流流管の少なくとも一部に少なくとも部分的に配置され、下流推力装置は、少なくとも上流推力装置の流管の下流推力装置の位置での上流推力装置の誘導速度ベクトルの方向に平行なベクトル成分を備えた推力を生成するように構成され、ここで、下流推力装置の推力は、上流推力装置の流管と下流推力装置の流管との間の重複の領域の少なくとも一部にわたってこの方向基準を満たす。推力装置アセンブリは、少なくとも２つの推力装置を含むことができる。
【0074】
流管は、外部リフティング装置または推力装置によって湾曲させることができることに留意していただきたい。場合によっては、下流推力装置の位置での上流推力装置の誘導速度ベクトルは、上流推力装置が受ける推力ともはや整合する必要はない。場合によっては、上流推力装置の位置で上流推力装置の誘導速度ベクトルと整合することもできなくなる。下流推力装置の位置での下流推力装置の誘導速度ベクトルは、その位置での上流推力装置の誘導速度ベクトルと反対方向の成分を少なくとも有するように構成される。したがって、下流推力装置が受ける推力は、上流推力装置の推力と反対方向の成分を有する必要はない。
【0075】
代替として、本方法は、推力装置アセンブリに、自由流の流速ベクトルに対して少なくとも意図した方向に運動量の第１の変化率を与えるように構成された上流推力装置を提供し、さらに、少なくとも下流推力を推力装置アセンブリに提供することを含み、ここで、下流推力装置は、上流推力装置の下流流管の少なくとも一部に少なくとも部分的に配置され、下流推力装置は、上流推力装置の流管の流体に運動量の第２の変化率を与えるように構成され、ここで、運動量のこの第２の変化率の方向は、上流推力装置の流管と下流推力装置の流管との間の重複の領域の少なくとも一部のための上流推力装置の流管の流体に対する運動量の第１の変化率の効果の反対方向の成分を少なくとも有する。
【0076】
代替として、本方法は、流体に意図された量の誘導電力を送達するように構成された上流推力装置を推力装置アセンブリに提供し、さらに少なくとも下流推力装置を推力装置アセンブリに提供することを含み、ここで、下流推力装置は、上流推力装置の下流流管の少なくとも一部に部分的に配置され、および下流推力装置は、上流推力装置の流管と下流推力装置の流管との間の重複の領域の少なくとも一部にわたって流体から意図された量の誘導電力を抽出するように構成される。
【0077】
代替として、本方法は、流体から意図された量の誘導電力を抽出するように構成された上流推力装置を推力装置アセンブリに提供し、さらに少なくとも下流推力装置を推力装置アセンブリに提供することを含み、ここで、下流推力装置は、上流推力装置の下流流管の少なくとも一部に部分的に配置され、および下流推力装置は、上流推力装置の流管と下流推力装置の流管との間の重複の領域の少なくとも一部にわたって流体に意図された量の誘導電力を送達するように構成される。
【0078】
このような推力装置アセンブリの利点の１つは、流管内の指定点での流速の変更である。例えば、上流および下流の推力装置間のステーションでは、流速を人為的に増加させることができる。理想的な場合、上流推力装置によって行われたいずれかの作業は、下流推力装置によって回収でき、その結果、プロセスでのエネルギー損失が最小限になる。さらに、上流推力装置によって流体に与えられる運動量の望ましくないあらゆる変化は、下流推力装置によって除去することができる。言い換えれば、上流推力装置が受ける望ましくないあらゆる推力は、下流推力装置によって相殺することができる。このようにして、いくつかの実施形態は、流れ変更のための方法を提供し、本方法は、先行技術で採用された方法よりも効果的であり得る。
【0079】
上記で概説した方法を採用する装置の可能な実施形態が多数存在する。一実施形態が図３に示されている。当該図は、プロペラとして分類することができる、上流推力装置２０、およびこの場合プロペラとして記述することもできる下流推力装置２１を含む推力装置アセンブリを示している。他の実施形態では、推力装置２０または２１は、図示されたオープンロータータイプ以外のタイプのものとすることができる。例えば、推力装置は、いくつかのオープンローターを含むことができ、または少なくとも１つのダクト付きファン、または一対の同軸逆回転プロペラを含むことができる。図１と同様に、はるか上流のステーション２３、上流推力装置２０のステーション２４、上流推力装置２０と下流推力装置２１との間のステーション２５、下流推力装置２１のステーション２６、および遠方後流ステーション２７を備えた、流管境界２２がある。この場合、下流推力装置２１は、上流推力装置２０の流管２２に配置される。
【0080】
この例では、推力装置アセンブリは、推力ベクトル４３で示されるように、図の上部に向かって、垂直上方に向けられた正味推力を提供する必要がある。矢印４５で示されるように、図の上部から下部に向かって自由流の流れがある。この例の実施形態の目的は、ベースライン構成と比較して、所定量の推力に対して推力装置アセンブリの誘導電力を低減することである。この場合のベースライン構成は、図１に例示するオープンローターの例のような単一のオープンローターであり、ここで、ステーション４および２４の正味推力とアクチュエータディスク領域が同じである。
【0081】
いくつかの実施形態によれば、これは、以下の図３に示されるＩＦＭＡ構成により達成される。上流推力装置２０は、推力装置アセンブリに必要な正味推力と平行でそれより大きい推力を提供するように構成され、ここで、正味推力は、下流推力装置２１の推力に加算された上流推力装置２０の推力である。推力装置アセンブリの正味推力は、必要な推力と等しくする必要がある。したがって、下流推力装置２１の推力は、正味推力と上流推力装置２０の推力との差に等しい。この場合、これにより、下流推力装置２１に推力が生じ、それは、推力ベクトル４４によって示されるように、図の下部に向かって垂直に下方に向けられ、上流推力装置２０の推力とは反対の方向を指す。言い換えれば、下流推力装置２１は、上流推力装置によって流体に与えられ、推力装置アセンブリの正味の必要な推力制約に違反し、この場合は超過するあらゆる運動量を抽出するように構成される。下流推力装置２１はさらに、流体から電力を抽出するように構成される。ベースラインと比較して誘導電力消費を改善するために、抽出された誘導エネルギーの十分な部分またはすべてを、上流推力装置２０に可逆的または直接送信する必要がある。
【0082】
エネルギーは、推力装置アセンブリ内に可逆的に格納するか、推力装置アセンブリと連動する別の装置に可逆的に伝達することにより、可逆的に回収することができる。例えば、下流推力装置は、機械的エネルギーの一部を電気エネルギーに変換するように構成された電気モーターを含むことができる、発電機Ｇを駆動することができる。電気エネルギーの一部は、バッテリー、コンデンサ、またはその他のエネルギー貯蔵デバイスに可逆的に格納できる。バッテリーは、推力装置アセンブリ内、または車両の残りの部分など、推力装置アセンブリに取り付けられた外部装置上に配置することができる。エネルギーは、フライホイールの形で機械的に抽出および格納することもできる。
【0083】
エネルギーは、いくつかの方法で上流推力装置２０に直接伝達することができる。例えば、エネルギーが発電機Ｇによって下流推力装置２１から抽出される場合、電気エネルギーは、電気導体または電線を介して上流推力装置２０を駆動する電動機Ｍに伝達することができる。代替として、下流推力装置によって抽出された電力は、上流推力装置２０と下流推力装置２１をしっかりと接続する駆動軸の形で機械的に伝達することができる。いくつかの実施形態では、機械的エネルギー伝達装置は、堅固な接続を形成する必要はないが、調整可能なリンケージ、ギア、およびクラッチなどの他の機構を含む。
【0084】
下流推力装置２１から機械的エネルギーを回収し、それを格納する、または上流の推力装置２０に伝達するための、当技術分野で知られている他の多数の方法がある。
【0085】
上記の実施形態は、ベースライン誘導電力よりも少ない誘導電力をもたらす。ステーション４および２４での所定の最大アクチュエータディスク領域、および所定の正味推力について、誘導電力は、上流推力装置２０の推力が増加するにつれて減少する。上流推力装置２０の推力は、この例のベースラインと比較して誘導電力の低減を達成するために、必要な正味推力よりも大きい必要があることに留意していただきたい。
【0086】
いくつかの実施形態は、図２に例示されるようにダクト付き推力装置の改善を提供する。ダクトは、プロペラの先端損失の低減など、いくつかの利点を有し、これにより、オープンローターと比較して同じ推力量に対してより低い誘導電力で動作することができる。ダクトもいくつかの欠点を有する。ＴＡの重量のほか、濡れた領域、および関連する抗力が増加する可能性がある。さらに、ダクトの有効性は、拡散器の流れの剥離のリスクによって限定される。加えて、異なる流速で効率を上げるためにダクトの形状を変更することは、複雑さと重量のために実際的ではないことがよくある。
【0087】
いくつかの実施形態は、これらの欠点のいくつかによる影響が少ない。いくつかのダクトレスの実施形態では、推力装置は、同等の重量および湿潤面積のペナルティなしでダクトの利点を受けることができる。流れの剥離を避けるために、ダクトには大きな拡散器が必要になるが、これは重量およびサイズの制約のために実用的ではない場合がある。ダクトレスの実施形態は失速の制約に対する感度が低く、これにより、いくつかの実施形態はダクト付きローターよりも高い性能を達成することが可能になる。推力装置は、ダクトよりも複雑さを抑えて再構成することもできる。例えば、オープンロータータイプの推力装置は、プロペラブレードの集合ピッチを変えることにより再構成でき、回転速度は容易に制御できる。これにより、ホバーまたはレベルクルーズなどのさまざまな動作条件で、推力装置がより複雑でなく、より効率的に動作できるようになる。
【0088】
図３では、上流推力装置２０は、特定の推力装置アセンブリの必要な推力のほか、下流推力装置２１によって相殺される追加の推力も提供したことに留意していただきたい。いくつかの実施形態では、推力装置アセンブリの正味推力への寄与において互いに相殺する推力装置を、推力装置アセンブリの残りから物理的に分離することが望ましい場合がある。
【0089】
図４は、そのようなシナリオを示している。当該図は、プロペラとして分類することができる、上流推力装置２８、およびこの場合プロペラとして記述することもできる下流推力装置３０を含む補助推力装置アセンブリを示している。当該図は、同じくオープンロータータイプの中間推力装置２９も示している。矢印４９で示されるように、図の上部から下部に向かって垂直に下向きに向けられた自由流の流れがある。図１と同様に、はるか上流のステーション３２、上流推力装置２８のステーション３３、上流推力装置２８と中間推力装置２９との間のステーション３４、中間推力装置２９のステーション３５、中間推力装置２９と下流推力装置３０との間のステーション３６、下流推力装置３０のステーション３７、および遠方後流ステーション３８を備えた、流管境界３１がある。この場合、中間推力装置２９および下流推力装置３０は、上流推力装置２８の流管３１内に配置される。
【0090】
この例では、中間推力装置２９は、推力ベクトル４７で示されるように、全推力装置アセンブリの必要な正味推力に等しい推力を提供し、ここで、推力装置アセンブリは、上流推力装置２８、中間推力装置２９および下流推力装置３０を含む。したがって、補助推力装置アセンブリは、正味推力を提供しないことが必要である。図３のように、この例の実施形態の目的は、ベースライン構成と比較して、所定量の推力に対して全推力装置アセンブリの誘導電力を低減することである。この場合のベースライン構成も、図１に例示するオープンローターの例のような単一のオープンローターであり、ここで、ステーション４およびステーション３３の正味推力とアクチュエータディスク領域が同じである。
【0091】
いくつかの実施形態によれば、これは、以下の図４に示される実施形態によって達成される。上流推力装置２８は、全推力装置アセンブリに必要な正味推力と平行でそれより大きい推力を提供するように構成され、ここで、正味推力は、下流推力装置３０に追加された、中間推力装置２９の推力に加算された、上流推力装置２８の推力である。したがって、上流推力装置２８の推力は、推力ベクトル４６によって示されるように、ページの上部に向けられる。下流推力装置３０の推力は、この場合、推力ベクトル４８によって示されるように、上流装置２８の推力と等しく反対である。言い換えれば、下流推力装置３０は、上流推力装置によって流体に与えられ、全推力装置アセンブリの正味の必要な推力制約に違反し、この場合は超過するあらゆる運動量を抽出するように構成される。下流推力装置３０はさらに、図３の下流推力装置２１に関して前述した方法で、流体から電力を抽出するように構成される。
【0092】
それが目的である場合、全体の誘導電力が最小化されている限り、上流および下流の推力装置が個別に最小誘導電力で動作する必要はないことに留意していただきたい。例えば、目的がステーション３８で遠い流管の断面にわたって一定のダウンウォッシュを維持することである場合、上流推力装置２８または中間推力装置２９のダウンウォッシュは、あらゆる不均一性が下流の推力装置によって除去される限り、均一である必要はない。
【0093】
同軸プロペラに適用される原理は、いくつかの実施形態にも適用されることに留意していただきたい。例えば、中間推力装置２９のステーション３５のアクチュエータディスク領域は、ステーション３３の上流推力装置２８のアクチュエータディスク領域と同じ大きさであり得る。したがって、中間推力装置の一部は、自由流の流れと連動している。中間推力装置は、この領域を使用して、全推力装置アセンブリの必要な推力の方向に運動量の変化率を流体にさらに与えることができる。これにより、推力装置アセンブリは、ベースラインと比較して誘導電力をさらに減らすことができる。同様に、図４の３０または図３の２１など、下流推力装置のアクチュエータディスク領域を増やすこともできる。バイパス流体の流れと相互作用する概念は、当技術分野で周知である。さらに、従来技術で周知のように、流管のプロペラの回転方向は、遠方後流の渦が最小化されるように選択することができる。
【0094】
以下の段落では、他の実施形態について説明する。
【0095】
一般的に、実施形態を単独で検討することは有益である。一実施形態では、装置の目的は、流れの指定された点での自由流の流れに対して局所流速を増加させることである。これは、下流の運動量の変化率を与えるように構成された上流推力装置を備えた推力装置アセンブリによって達成することができ、その結果、下流誘導流速度ベクトルが得られる。上流の推力装置は、流れの指定された点の上流に配置され、上流方向の推力を受け、流体で作業を行い、結果として誘導電力が消費される。推力装置アセンブリは、上流の運動量の変化率を与えるように構成された下流推力装置をさらに備えることができ、その結果、上流誘導流速度ベクトルが得られる。下流装置は、上流推力装置の流管に配置されている。下流の推力装置は、流れの指定された点の下流に配置され、下流方向の推力を受け、流体から電力を回収している。理想的な場合、上流装置によって流体に与えられたすべての誘導電力は、下流装置によって回収されるため、正味誘導電力は流体に失われない。推力装置アセンブリの正味推力ゼロの要件を伴うこの理想的な場合では、上流および下流の推力装置の推力はさらに相殺される。上流および下流の推力装置アセンブリが流れの加速を可能にするのに十分離れている限り、上流と下流の推力装置の間に位置する指定された点は、局所流速の望ましい増加を受けることができる。これは、誘導推力、または上流推力装置のダウンウォッシュのほか、下流推力装置の、ダウンウォッシュによるものである。このダウンウォッシュは、その後、下流推力装置によって指定された点のさらに下流で回収できるため、理想的な場合、流管の遠方後流にダウンウォッシュは存在しない。
【0096】
別の実施形態では、装置の目的は、流れの指定された点で局所流速を減少させることである。いくつかの実施形態によれば、これは、上記の例と比較して、上流および下流の推力装置の役割を逆にすることにより達成することができる。したがって、上流推力装置は、上流の運動量の変化率を与えるように構成することができ、その結果、上流誘導流速ベクトルが得られる。同様に、下流推力装置は、下流の運動量の変化率を与えるように構成することでき、その結果、下流誘導流速ベクトルが得られる。理想的な場合、上流の装置によって回収されたすべての誘導電力は、下流の装置によって消費され、推力装置によって流体から正味の誘導電力は抽出されない。
【0097】
上流推力装置は、指定された点でのみ局所流速要件を満たす必要があることに留意していただきたい。上流推力装置のアクチュエータディスク領域を含む流管の異なる点は、自由流の流れと比較して、局所流速の異なる増加または減少を必要とする可能性がある。局所流速要件は、流管の指定された点または点の集合、あるいは流管の近くでの推力装置アセンブリのダウンウォッシュに関する要件として扱うことができる。これらの要件は、上流および下流の推力装置のアクチュエータディスク領域全体の推力分布を変えることで満たすことができる。指定された点でのこれらの流れの制約を考えると、誘導電力の最小化などの追加の目的がある可能性があり、それは遠方後流でゼロまたは均一なダウンウォッシュの追加要件に変換できる。目的は、この動作条件で消費される全電力を最小化することでもあり得る。
【0098】
推力装置アセンブリの動作条件を検討し、その目的は、構造的な制約が常に満たされると仮定して、所定の最大アクチュエータディスク領域および自由流の流速に対して流体から抽出される電力を最大化することである。風力タービンなどのオープンローターからなるベースライン構成を検討できる。いくつかの実施形態によれば、推力装置アセンブリは、上流および下流の推力装置を含むことができる。この例では、下流推力装置は、上流推力装置のスリップストリームに配置される。非ゼロの自由流の流れがある。上流推力装置は、下流方向の流れに運動量の変化率を与えることにより、自由流の流れに作用するように構成される。したがって、流体との相互作用により、上流推力装置は、上流に向けられた力を受ける。下流推力装置は、上流推力装置の流管の流れから電力を抽出するように構成される。言い換えれば、流体は、下流推力装置で作業を行っており、下流推力装置が下流方向の力を受けるように、上流に向けられた運動量の変化率を受けている。したがって、ベースラインのオープンローター構成と比較して、性能の改善を実現できる。例えば、風力タービンは２つのオープンローターを含むことができ、ここで、１つはマストの上流に配置され、もう１つは下流に配置される。ローターは上記のように動作できる。上流ローターによって消費される電力は、外部電源、または下流ローターによって提供され得る。図３の説明で述べたように、例えば、シャフトとの直接接続を介して、または歯車列およびクラッチを含む調整可能な変速機を介して、上流と下流の推力装置の間で機械的に電力を伝達できる。電力は電気的に伝達することもでき、ここで、下流のローターは発電機を駆動し、その電気エネルギーは上流のローターを駆動する電気モーターに伝達される。他の構成も可能であり、当該原理は、水車または他の推力装置あるいは動作条件にも適用されることに留意していただきたい。
【0099】
いくつかの実施形態または動作条件では、下流ローターのアクチュエータディスクでの局所流速を増加させるのではなく、減少させることが望ましい場合がある。例えば、風力タービンの場合、いくつかの動作条件では、自由流の流速は、下流ローターの許容ピーク自由流の流速を超える場合がある。例えば、構造上の制限によって決定される上流ローターのピーク自由流の流速は、サイズおよび名目動作負荷が異なるため、下流ローターのピーク自由流の流速よりも大きくなる可能性があることに留意していただきたい。また、設計によって異なる場合がある。この場合、上流ローターの推力を逆にすることで、流れから電力を抽出し、下流ローターでの流速を名目レベルまで下げることができる。このようにして、下流ローターの推力が設計限界を超えるのを防ぐことができる。したがって、推力装置アセンブリ全体の性能が最適化されるように、上流推力装置を使用して流れ場を修正することができる。そのようなシナリオに適用可能な当技術分野で周知の他の方法があることに留意していただきたい。単一のオープンローターの場合、回転速度およびプロペラピッチなどの動作条件を調整することができる。しかしながら、これらの方法の有効性は自由流の速度の範囲に制限されており、いくつかの実施形態はこれらの制限を拡大することができる。この文脈で説明されている原則は、他の動作条件およびシナリオにも適用できる。
【0100】
以下の段落において、および図５の文脈において、先行技術で使用されるいくつかの装置および方法が議論される。
【0101】
「境界装置」は、流体要素に力またはモーメントを直接適用する、またはその逆の流体操作装置のあらゆる増分表面または体積を含む。境界装置の例は、航空機の胴体の濡れた表面、または船の船体の濡れた表面、翼の表面、平板の表面、または車の外側表面である。
【0102】
図５は、周囲の流体に対して移動する境界装置６１の断面図を示している。境界装置６１は、リーディング点６４およびトレーリング点６５を有する。リーディング点およびトレーリング点は、翼のリーディングエッジまたはトレーリングエッジなどのエッジにすることもできる。この特定の実施形態では、簡単にするために、境界装置は、閉じた外側表面６２および内側表面６３を備えた薄いシェルとして説明できる剛体である。この実施形態では、境界装置６１の形状は、回転形状であり、すなわち、それは、リーディング点６４およびトレーリング点６５を通過する軸に関して軸対称である。
【0103】
次のように、「境界装置フレーム」または「ＢＡＦ」を定義できる。原点は、境界装置６１の外側表面６２によって囲まれた体積の幾何学的重心に位置している。ｘ軸は、リーディング点６４とトレーリング点６５を接続する直線と一致し、リーディング点６４に向けられている。指定しない限り、ｚ軸は図のページで垂直を指している。
【0104】
３つの速度プロファイル６７～６９が示されている。速度プロファイルの各矢印は、境界装置に対する増分流体要素の速度ベクトルを示し、ここで、増分流体要素は、矢印の付け根に位置している。速度プロファイル６７の矢印の先端を接続する線は、連続的な速度分布を示している。
【0105】
境界装置６１は、周囲の流体に対して移動している。自由流の流速は空間的に均一で、時間的に一定である。図５では、境界装置６１に対する自由流の流体の流れは、ＢＡＦのｘ軸に平行に、反対方向に、すなわち図の上部から下部に向けられている。境界装置６１のはるか上流では、増分流体要素の速度は自由流の流速にほぼ等しい。したがって、速度プロファイル６７は均一であり、大きさと方向は自由流の流速に等しい。
【0106】
速度プロファイル６８は、境界装置６１の近くの速度分布を記述する。この実施形態では、境界装置６１の表面にはノースリップ状態がある。他の実施形態では、外側表面６２に沿って非ゼロのスリップ速度があり得る。粘性効果により、ＢＡＦのｙ軸の方向に結果として生じる速度勾配は、境界装置６１に作用するせん断応力を生じさせ、次にそれが粘性抗力を生じさせる。粘性抗力はＢＡＦのｘ軸に平行で、負のｘ方向に向けられる。
【0107】
流線６６は、境界装置６１に関連付けられた境界層のおおよその厚さを記述する。境界装置６１は円筒対称であるため、流線６６は流管６６とも呼ばれる場合がある。
【0108】
速度プロファイル６９は、境界装置６１の遠方後流における速度分布を記述する。速度プロファイル６９の流管６６内の速度の減少は、境界装置６１に作用する粘性抗力によって引き起こされる遠方後流の運動量不足を示している。
【0109】
いくつかの実施形態によれば、境界装置を囲む流れ場は、少なくとも１つの動作条件について、複合装置の粘性抗力がベースライン境界装置よりも低くなるように、流体操作装置によって変更される。
【0110】
ベースライン境界装置は、複合装置の境界装置と同じ形状を有する必要はない。ベースライン境界装置は、図５に図示された境界装置６１などの従来技術で使用される従来の装置である。例えば、ベースライン境界装置は、従来の管状の航空機胴体の形状を有することができる。
【0111】
スリップ速度は、境界装置の表面での、および境界装置の表面に対する流体の速度である。粘性のある流体では、流体が非粘性である理論的なシナリオで計算されたスリップ速度と比較して、スリップ速度の大きさは通常小さい。これらの２つの速度の差は、「速度不足」と呼ばれる。粘性効果により、境界装置の表面での速度不足は、局所的な自由流の流速に垂直な方向に流体を通って伝播する。その結果、無視できない量の流体が速度不足の影響を受ける。この速度不足の影響を受ける流体の流れの領域は、境界層と呼ばれる。この領域の厚さは、境界層の厚さと呼ばれる。境界層の厚さは、流体が非粘性である理論的シナリオであるセテリスパリバスで計算された速度の大きさの１％を超える速度不足が存在する領域として定義できる。速度不足は運動量不足に変換され、これにより、境界装置に作用する粘性せん断応力と粘性抗力が生じる。
【0112】
いくつかの実施形態によれば、流体の流れに対する流体の流れ操作装置の効果が数学的に除去される場合と比較して、複合装置の湿潤面積の少なくとも一部について局所的な自由流の流速が減少する。流体操作装置は、ベースライン境界装置と比較した流体操作装置の追加の湿潤面積による複合装置の電力消費の増加が、ベースライン境界装置と比較して境界装置に作用する抗力により境界装置によって消費される電力の減少よりも大きさで小さいように構成される。境界装置によって消費される電力の減少の一部は、境界装置の局所的な自由流の流速の減少から生じ得る。代替的にまたは同時に、流体操作装置は、境界装置の境界層の少なくとも一部における乱流とは対照的に層流に有利になるように構成され得る。消費される電力の減少の別の部分は、ベースライン境界装置と比較した境界装置の形状の変化から生じ得る。流体操作装置は、流れの一部の剥離による圧力抗力の増加を招くことなく、境界装置の湿潤面積を減少させることができるように、流れを操作することができる。境界装置によって囲まれる所定の体積の場合、最小の湿潤面積を備えた境界装置の形状は球体である。しかしながら、球体は、球体の下流での流れのよどみにより大きな圧力抗力を引き起こす。失速していなくても、球体は、湿潤面積での平均平方の局所的な自由流の流速が大きいことのほか、境界層効果によっても、粘性抗力が大きくなることもある。これらの理由のため、製造の容易さのような他の理由の中でも、ほとんどの胴体は、チューブまたは涙滴の形状に類似した細長い形状を有している。流体操作装置は、境界装置の湿潤面積を低減することができ、同時にベースライン境界装置と比較して平均平方の局所的な自由流の流速も低減できるように、流れを変更することができる。
【0113】
流れ場の変更はいくつかの形をとることができ、変更の各形は、流体操作装置のいくつかの異なる実施形態によって実行することができる。
【0114】
図７は、周囲の流体に対して移動する境界装置９５を含むＩＦＭＡ構成を示している。境界装置９５は、リーディング点９８およびトレーリング点９９を有する。リーディングおよびトレーリング点は、翼またはエーロフォイルのリーディングエッジまたはトレーリングエッジなどのエッジにすることもできる。翼の場合、リーディングエッジおよびトレーリングエッジは、指定された流れ条件のリーディングおよびトレーリングのよどみ線と見なすことができる。この実施形態では、境界装置は、閉じた外側表面９６および内側表面９７を備えた薄いシェルとして説明できる剛体である。この実施形態では、境界装置９５の形状は、回転形状であり、すなわち、それは、リーディング点９８およびトレーリング点９９を通過する軸に関して軸対称である。
【0115】
境界装置９５は、船の船体、または航空機の胴体であり得る。他の実施形態では、境界装置９５は異なる幾何学的形状を有することができる。例えば、境界装置の形状は、図５に示される境界装置６１の形状に類似することができる。いずれか任意の用途に適した幾何学的形状を見つけることができる。境界装置は、さまざまな既存の方法および材料を使用して製造することができる。
【0116】
次のように、「境界装置フレーム」または「ＢＡＦ」を定義できる。原点は、境界装置９５の外側表面９６によって囲まれた体積の幾何学的重心に位置している。ｘ軸は、リーディング点９８とトレーリング点９９を接続する直線と一致し、リーディング点９８に向けられている。指定しない限り、ｚ軸は図のページで垂直を指している。
【0117】
３つの速度プロファイル１０１～１０３が示されている。速度プロファイルの各矢印は、境界装置に対する増分流体要素の速度ベクトルを示し、ここで、増分流体要素は、境界装置に対して速度が測定された時点で矢印の付け根に配置される。速度プロファイルの矢印の先端を接続する線は、連続的な速度分布を示している。
【0118】
境界装置９５は、周囲の流体に対して移動している。示されている単純化されたシナリオでは、自由流の流速は空間的に均一で、時間的に一定である。図７では、境界装置９５に対する自由流の流体の流れは、ＢＡＦのｘ軸に平行に、反対方向に、すなわち図の上部から下部に向けられている。境界装置９５のはるか上流では、増分流体要素の速度は自由流の流速にほぼ等しい。したがって、速度プロファイル１０１の速度は、空間で均一であり、時間で一定であり、大きさと方向は境界装置に対する自由流の流速に等しい。
【0119】
速度プロファイル１０２は、境界装置９５の近くにおける速度分布を記述する。この実施形態では、境界装置９５の外側表面９６にはノースリップ状態がある。他の実施形態では、外側表面９６に沿って非ゼロのスリップ速度があり得る。
【0120】
流線１００は、ｘ方向に沿って見たときに円形の断面を有する、流管の境界を記述する。図７の点線は、自由流の流れと上流ＩＭＳＡ１０４のローターディスクを通して流れる流れとの間のおおよその境界１００を概略的に示す。境界上にある線は流線と描写でき、境界に囲まれた体積は流管と描写できる。図７に示されている境界は、特定の動作条件の例にすぎないことに留意していただきたい。境界の形状は、図示されたＩＭＳＡの他の動作条件または動作モードによって大きく異なる場合がある。
【0121】
速度プロファイル１０３は、境界装置９５の遠方後流における速度分布を記述する。簡略化された、理想的なシナリオでは、速度プロファイル１０３は、図７に示されるように、速度プロファイル１０１と実質的に等しい。他の実施形態では、こうである必要はない。
【0122】
いくつかの実施形態によれば、境界装置９５などの境界装置には、意図的な流体操作装置が設けられる。図７に示されるＩＦＭＡ構成では、この意図的な流体操作装置は、プロペラとして分類できる上流ＩＭＳＡ１０４、およびこの場合プロペラとしても記述できる、下流ＩＭＳＡ１１０を備えるＩＭＳＡアセンブリとして説明できる。この場合、下流ＩＭＳＡ１１０は、上流ＩＭＳＡ１０４の流管１００に配置される。他の実施形態では、こうである必要はない。例えば、下流ＩＭＳＡ１１０は、他の実施形態では、上流ＩＭＳＡ１０４の流管１００の外側に伸びることができる。そのような構成は、下流ＩＭＳＡ１１０もＩＭＳＡアセンブリの正味推力に積極的に寄与するために使用されているシナリオで有用となり得る。
【0123】
プロペラ１０４などのプロペラ、または上流ＩＭＳＡ１０４の断面図は、第１のプロペラブレード１０５および第２のプロペラブレード１０６を示す。第１のプロペラブレード１０５のリーディングエッジ１０９および第２のプロペラブレード１０６のトレーリングエッジ１０８も見える。プロペラを含むすべての図では、同様の構成が示される。プロペラブレードは、ローターハブ１０７によって構造的に支持されている。
【0124】
下流ＩＭＳＡ１１０は、上流ＩＭＳＡ１０４と同様の方法で構成され、したがって、同じ詳細では説明されない。上流ＩＭＳＡ１０４および下流ＩＭＳＡ１１０は、接続装置を介して境界装置９５にしっかりと接続されている。明確にするために、この装置は図７には示されていない。
【0125】
他の実施形態では、ＩＭＳＡ１０４または１１０は、図示されたオープンロータータイプ以外のタイプのものとすることができる。例えば、ＩＭＳＡは、いくつかのオープンローターを含むことができ、または少なくとも１つのダクト付きファン、または一対の同軸逆回転プロペラを含むことができる。ＩＭＳＡは、サイクロジャイロまたは異なるタイプのＩＭＳＡにすることもできる。
【0126】
いくつかの実施形態によれば、境界装置の表面に垂直な方向に、流速の平均空間勾配が人為的および意図的に低減する方法で流体操作装置によって、境界装置の近くの流れ場が意図的に変更される。せん断応力は、ニュートン流体の流速の勾配に比例する。したがって、境界装置に作用する粘性せん断応力は、従来技術の実施形態と比較して低い。いくつかの実施形態では、従来技術の代表的な境界装置と比較して、境界装置によって消費される粘性力の減少は、意図的な流体操作装置の追加の粘性電力消費よりも大きい。したがって、粘性電力消費の正味の低減は、ある範囲の動作条件に対するいくつかの実施形態によって達成することができる。意図的な流体操作装置と境界装置の最適な構成は、用途と制約により異なり、多くのさまざまな方法を使用して見つけることができる。例えば、多くのそのような方法は、計算流体力学で周知である。
【0127】
図７に示される実施形態では、前述の流体操作装置は、上流ＩＭＳＡ１０４および下流ＩＭＳＡ１１０からなる。この流体操作装置は「ＩＭＳＡアセンブリ」と呼ばれる。ＩＭＳＡアセンブリは、境界装置９５の表面の近くの流れの速度の空間分布を人為的および意図的に変更することにより、境界装置９５の表面および表面に垂直な方向の流れ速度の平均空間勾配を低減する。
【0128】
いくつかの実施形態では、この変更は、フルスリップシナリオにおける境界装置９５の外側表面９６での流れの速度の大きさの減少を含む。「フルスリップシナリオ」とは、指定された表面に対して境界層効果またはノースリップ状態が存在しない理論的なシナリオである。この理論的シナリオでは、流体の流れに対する外側表面９６の境界層効果または粘性抗力効果は、指定された表面に対して数学的に除去されている。前述の速度の減少は、局所的な自由流の流体の流れ、すなわちＩＭＳＡアセンブリがない場合の境界装置９５の周りの流れに対して発生し、この場合、これはフルスリップシナリオについても計算される。ＩＭＳＡアセンブリが流体の流れに影響を与えないと想定されるシナリオは、「参照シナリオ」と呼ばれる。参照シナリオのプロパティは、比較されているシナリオによって決定されることに留意していただきたい。例えば、特定の参照シナリオをフルスリップまたはノースリップ状態のどちらで検討するかは、文脈から明確にする必要がある。速度の減少は、ＢＡＦの正のｘ方向に向けられている境界装置９５の表面での上流ＩＭＳＡ１０４および下流ＩＭＳＡ１１０の組み合わされた誘導速度の結果である。フルスリップシナリオにおける境界装置９５の外側表面９６での流れの速度の大きさのこの減少は、参照シナリオと比較して外側表面９６でのレイノルズ数を減少させることができる。レイノルズ数のこの減少は、ノースリップシナリオで、境界層の厚さを増やし、外側表面９６で外側表面９６に垂直な方向の流速の平均空間勾配を減らすことができる。したがって、外側表面９６の平均粘性せん断応力および粘性抗力損失を低減することができる。
【0129】
いくつかの実施形態では、外側表面９６での速度は、大きさは減少するものの、外側表面９６でのフルスリップシナリオで負のｘ方向に非ゼロ成分を依然として有する可能性がある。言い換えれば、フルスリップシナリオにおける外側表面９６での流体要素の速度の一般的な方向は、フルスリップ条件を伴う前述の参照シナリオと比較して大きく変化しない可能性がある。
【0130】
図示の例では、境界装置９５の外側表面９６での流体の流れの大きさは、フルスリップシナリオでは実質的にゼロになる程度まで人為的に低減されている。フルスリップシナリオで所定の表面での流体の流速の大きさがゼロの場合、ノースリップシナリオはフルスリップシナリオであるセテリスパリバスと等しくなる。このシナリオでは、外側表面９６の粘性抗力はゼロになる。流管１００は、そのような理想化され、単純化されたシナリオにおける境界装置９５の人工境界層であると見なすことができる。ＩＭＳＡアセンブリに対する粘性抗力の影響も検討する場合、このような構成は最適ではない、すなわち、全粘性抗力を最小化しない可能性があることに留意していただきたい。
【0131】
速度プロファイル１０２に示されるように、外側表面９６に垂直な方向の流体の流速の大きさの勾配も、示された位置で実質的にゼロである。いくつかの実施形態では、この勾配は平均でゼロより大きくすることができ、ここで、平均は外側表面９６全体にわたって計算される。それにもかかわらず、この平均勾配は、ノースリップ状態を伴う参照シナリオと比較して小さくすることができる。
【0132】
他の実施形態では、境界装置９５の近くで流管１００内の流体の流れの異なる空間変動または空間分布があり得る。例えば、流れの再循環があり得る。言い換えれば、境界装置９５の外側表面９６に隣接する流体の流速は、外側表面９６の全部または一部について、フルスリップシナリオで正のｘ方向に非ゼロ成分を有する可能性がある。この場合、閉じ込められた渦輪、すなわち循環流の輪は、境界装置９５の全部または一部を取り囲む。対称性により、この渦輪の中心軸はＢＡＦのｘ方向と整合、および一致しており、ＢＡＦのｙｚ平面に平行な平面にある。このような渦輪は、ＩＭＳＡアセンブリによって所定の位置に保持され、周囲の流れによって再活性化される。
【0133】
いくつかの実施形態では、境界装置９５の近くの流管１００内の流速の空間分布も故意に変更される。図７に示される実施形態では、誘導速度の空間分布は、流管１００内の流体の流速の大きさの実質的な線形の変動を生成するように構成される。示されるように、流管１００内の流体の流速の大きさは、正のｙ方向に実質的に線形に増加する。他の実施形態では、流管１００内の流速の大きさは、正のｙ方向に増加する速度で増大する。そのような構成は、境界層の厚さが流れ方向、すなわちＢＡＦの負のｘ方向に成長している場合でも、外側表面９６の境界層のレイノルズ数を人為的に低く保つのに役立ち得る。速度の大きさの緩やかな勾配はまた、流管１００内の摩擦加熱および乱流効果を最小限に抑えることができ、したがって抗力損失を減らすか、境界装置９５に関連付けられた正味の電力消費を減らすことができる。流管１００が境界装置９５の人工境界層であると見なされる類推では、人工境界層が実質的に層状であり、そのままであることを確保するために、速度の大きさの緩やかな勾配が望ましい場合がある。さらに、流管１００内の速度の大きさの漸進的な増加は、周囲の流れから流管１００への運動量の伝達が最小になることを確保し、これにより、遠方後流、すなわち速度プロファイル１０３において流管１００を囲む流れの運動量不足が生じ、境界装置９５に関連付けられた粘性電力消費に寄与する。
【0134】
流管１００内の流体の流速の大きさの最適な空間変動は、既存の方法を使用して見つけることができ、線形である必要はない。例えば、他の基準の中で、上流ＩＭＳＡ１０４によって流体の中に放出される全渦度の速度を低減することが望ましい場合がある。
【0135】
フルスリップシナリオでの外側表面９６における流体の流れの最適な大きさと方向のほか、外側表面９６での流速の勾配の大きさと符号も、所定の流れ条件または既存の方法を使用する所定の用途に最適化することができる。流管１００内の流体の流速の最適な分布も、同じ方法を使用して最適化することができる。このような最適化の目的は、境界装置およびＩＭＳＡアセンブリの全消費電力の最小化にすることができる。
【0136】
境界装置９５の近くの前述の速度分布は、速度プロファイル１０２によって提供されるスナップショットによって例示される。この速度分布は、フルスリップまたはノースリップ状態の参照シナリオの速度分布とは大きく異なる。いくつかの実施形態によれば、この差は、意図的な流体操作装置によって提供される。図７に示される実施形態では、この流体操作装置はＩＭＳＡアセンブリによって具現化される。ＩＭＳＡアセンブリは、特定の空間的に誘導された流れ分布を流体に与えることにより、流体を操作する。この誘導された流れは、フルスリップ状態の参照シナリオでの流体の流れに重畳されたと見なすことができる。言い換えれば、この参照シナリオからの流れを望ましい流速分布に変更するために必要な誘導された流れ分布を計算し、この望ましい誘導された流れ分布が達成される方法でＩＭＳＡアセンブリを構成することにより、望ましい流速分布を生成することができる。粘性抗力の範囲、すなわち、外側表面９６に関連付けられた、境界層およびノースリップ状態の効果の範囲は、この重畳された流れ、すなわち誘導された流れと参照シナリオの流れの重畳によって決定または定義される。次に、この粘性効果は、前述の重畳された流れに重畳されると見なすことができる。次の段落で説明するように、ＩＭＳＡアセンブリの前述の誘導速度分布の産出または生成を説明できる方法がいくつかある。
【0137】
境界装置９５の近くでの誘導速度分布は、上流ＩＭＳＡ１０４との相互作用により流体要素が受ける運動量の変化率によって生成されると見なすことができる。いくつかの実施形態では、いくつかの流体要素は、上流ＩＭＳＡ１０４との相互作用全体で、運動量の負の平均変化率を受ける。この運動量の変化率は、前記流体要素が上流のＩＭＳＡ１０４と相互作用した後、境界装置９５の外側表面９６の近くの流体要素の運動量の正味の減少をもたらし得る。この減少は、フルスリップ状態の参照シナリオに対して、つまり、ＩＭＳＡアセンブリが流体と相互作用しない場合に対して発生する。言い換えれば、いくつかの実施形態では、上流ＩＭＳＡ１０４は、前述の孤立したシナリオにおける上流ＩＭＳＡ１０４の遠方後流における流体の流れの少なくとも一部の平均運動量を低減するように構成される。
【0138】
いくつかの実施形態では、遠方後流における流体の流れの平均運動量のこの減少は、少なくとも境界装置９５の外側表面９６と相互作用する流線、または外側表面９６の近くを通過する流線に対して生じる。孤立したシナリオの自由流の流体の流れと比較したこの流体の流れの運動量のこの減少は、孤立したシナリオの自由流の流れによって定義されるように、上流方向に非ゼロ成分を有する遠方後流の誘導速度をもたらす。境界装置９５の外側表面９６は上流ＩＭＳＡ１０４の下流に位置しているため、境界装置９５の外側表面９６での、またはその近くの流れも上流誘導速度を受ける。前述のように、境界装置９５の外側表面９６での、またはその近くでのこの上流誘導速度の大きさおよび空間分布は、フルスリップ参照シナリオと比較してフルスリップシナリオの自由流の流れの大きさを低減するように構成することができ、したがって、境界装置９５の平均抗力、または境界装置９５と流体との相互作用に関連付けられた平均電力消費を低減する。
【0139】
前述の誘導速度分布は、リフティングライン理論の単純化されたフレームワークで、上流ＩＭＳＡ１０４のプロペラブレードによって後流に放出される自由渦によっても生成され得る。これは、ヘリコプターのローター、従来のプロペラブレード、または風力タービンブレードの渦放出に類似している。いくつかの実施形態では、下流ＩＭＳＡ１１０によって放出される渦も、速度プロファイル１０２の位置など、境界装置９５の近くで誘導速度に寄与することに留意していただきたい。
【0140】
前述の誘導速度分布は、上流ＩＭＳＡ１０４のプロペラブレードに沿った適切な揚力または推力分布によって生成することもできる。上流ＩＭＳＡ１０４の誘導速度は、上流ＩＭＳＡ１０４の少なくとも一部について、上流方向、すなわちＢＡＦの正のｘ方向に向けられるため、上流ＩＭＳＡ１０４の動作は、風力タービンの動作と類似している。言い換えれば、上流ＩＭＳＡ１０４の後流における誘導速度分布に対応して、第１のプロペラブレード１０５などの上流ＩＭＳＡ１０４のブレードの少なくとも一部が受ける推力は、推力ベクトル１２７で示されるように、ＢＡＦの負のｘ方向で非ゼロ成分を有する。
【0141】
上流ＩＭＳＡ１０４の少なくとも一部は、流体から有用な電力を抽出するように構成されている。この電力は、多くの方法で抽出できる。例えば、発電機は、上流ＩＭＳＡ１０４のプロペラブレードにしっかりと接続された駆動軸にしっかりと接続することができる。図７に示される実施形態では、駆動軸は、上流ＩＭＳＡ１０４のプロペラブレードの回転軸に平行であり得、ＢＡＦのｘ軸に平行であり得る。いくつかの実施形態において、上流ＩＭＳＡ１０４が従来のプロペラで構成される場合、前述の駆動軸は、ローターハブ、または従来のプロペラのプロペラシャフトであると見なされる。電気モーターは、プロペラブレードに直接接続された駆動軸に直接接続されているため、この構成は直接駆動構成として説明することもできる。
【0142】
いくつかの実施形態では、発電機と駆動軸との間に変速機または歯車列が存在してもよい。いくつかの実施形態では、プロペラと変速機と間にクラッチが存在してもよい。いくつかの実施形態では、変速機を再構成することができる。言い換えれば、ギア比を変更したり、ギアを変更したりできる。いくつかの実施形態では、駆動軸に取り付けられた機械式ディスクブレーキもあり得、ここで、ブレーキは、駆動軸を停止または回転を防止できるように構成される。駆動軸の回転により発電機によって生成された電気は、電気エネルギー貯蔵装置に格納することができる。そのような電気エネルギー貯蔵装置は、例えば、バッテリーまたはコンデンサであり得る。電気エネルギー貯蔵装置は、機械的要素も備えることができる。例えば、電気エネルギー貯蔵装置は、回転運動エネルギーの形で機械的にエネルギーを格納する、フライホイールの回転速度を加速または減速するように構成される、電気モーターまたは発電機を備えることができる。電動発電機は、タンク内の空気などのガスを圧縮および／または膨張させるように構成されたポンプに電力を供給することもできる。電気エネルギー貯蔵装置に格納されたエネルギーの少なくとも一部は、後の時点で抽出できることに留意していただきたい。そのようなエネルギー貯蔵装置または機構は非常に多く、利用可能である。
【0143】
電力は、第２のアクチュエータに直接伝達することもでき、ここで例えば、伝達は電気導体を介して発生する場合がある。いくつかの実施形態では、第２のアクチュエータは瞬時に電力を消費することができる。第２のアクチュエータは、境界装置９５に関連付けられた装置または装置のアセンブリの任意のアクチュエータであり得る。例えば、第２のアクチュエータを使用して、下流ＩＭＳＡ１１０を作動させることができる。したがって、上流ＩＭＳＡ１０４によって流体から抽出された電力の一部は、下流ＩＭＳＡ１１０に伝達され得、ここで電力が流体に再挿入される。いくつかの実施形態では、第２のアクチュエータを使用して、図７に示されていない別個の装置または機構に電力を供給することもできる。
【0144】
上流ＩＭＳＡ１０４によって提供される電力も分割され、例えば、第２のアクチュエータ、第３のアクチュエータを駆動し、エネルギー貯蔵装置内に含まれるエネルギーを増加させるために使用され得る。いくつかの実施形態では、上流ＩＭＳＡ１０４によって流体から抽出され、上流ＩＭＳＡ１０４のプロペラブレードにしっかりと接続された駆動軸に加えられる電力は、下流ＩＭＳＡ１１０に機械的に伝達される。この伝達は、いくつかの方法で促進できる。例えば、上流ＩＭＳＡ１０４のプロペラブレードにしっかりと取り付けられた駆動軸は、ここで当該駆動軸は「上流駆動軸」と示され、下流ＩＭＳＡ１１０のプロペラブレードにしっかりと接続された駆動軸にしっかりと接続することもでき、ここで、当該駆動軸は「下流駆動軸」と示される。言い換えれば、上流駆動軸は下流駆動軸と同一であり得る。そのような構成では、上流ＩＭＳＡ１０４および下流ＩＭＳＡ１１０のそれぞれ上流および下流ローターは同じ方向に回転している。他の実施形態では、上流駆動軸は、変速機、歯車列、または一連の歯車と二次または補助駆動軸を介して、下流駆動軸に電力を伝達することができる。いくつかの実施形態では、上流駆動軸と下流駆動軸との間の負荷経路に沿ってクラッチが存在していてもよい。いくつかの実施形態では、上流駆動軸と下流駆動軸との間の機械的接続のギア比または変速比を再構成することができる。言い換えれば、ギア比を変更したり、ギアを変更したりできる。
【0145】
いくつかの実施形態では、上流ＩＭＳＡ１０４および下流ＩＭＳＡ１１０のそれぞれ上流および下流ローターは、反対方向に回転している。このような構成により、ＩＭＳＡアセンブリに関連付けられたあらゆる電力損失を減らすことができる。これは、下流ＩＭＳＡ１１０が上流ＩＭＳＡ１０４によって流れに与えられたいずれかの渦を相殺した結果である可能性がある。
【0146】
いくつかの実施形態では、流体に対する上流ＩＭＳＡ１０４または下流ＩＭＳＡ１１０のプロペラブレードの迎え角は、ローターハブ１０７などのローターハブのピッチ制御機構によって制御することができる。このピッチ制御機構および関連するピッチ自由度、または「ＤＯＦ」は、電気モーターとディスクブレーキを備えることができる。ディスクブレーキの代替にまたは同時に、いくつかの実施形態は機械的ロックを備えることもでき、ここで、機械的ロックはプロペラブレードのピッチＤＯＦをローターハブに対して所定のピッチ角だけロックするように構成できる。ピッチ制御機構は、従来のヘリコプターまたはプロペラの集合ピッチ機構に見られるような、油圧システムおよび機械的リンケージも伴うことができる。上流ＩＭＳＡ１０４または下流ＩＭＳＡ１１０のプロペラブレードのピッチ制御機構およびピッチＤＯＦは、プロペラブレードがフェザリングされるように構成することもできる。プロペラブレードのピッチ角と回転速度を制御して、ＩＭＳＡアセンブリの流体への影響を調節できる。これにより、ＩＭＳＡアセンブリの性能を、さまざまな自由流の流速などのさまざまな流れ条件に対して最適化することができる。
【0147】
図７に示すＩＦＭＡ構成では、下流ＩＭＳＡ１１０は、流体に対する上流ＩＭＳＡ１０４および境界装置９５の効果のバランスをとる、相殺する、または打ち消すように構成される。このように、速度プロファイル１０３によって示されるように、遠方後流における流体流速分布は、速度プロファイル１０１によって示されるように、自由流の流体流速分布に実質的に等しい。名目巡航中、このプロセスで下流ＩＭＳＡ１１０によって消費される電力は、通常、上流ＩＭＳＡ１０４によって抽出される電力よりも大きい。
【0148】
下流ＩＭＳＡ１１０は、流体に運動量の正の変化率を与える、すなわち、流体を負のｘ方向に加速するように構成される。結果として、孤立したシナリオにおけるＩＭＳＡ１１０の遠方後流でのＩＭＳＡ１１０の誘導速度は、ＢＡＦの負のｘ方向に向けられる。遠方後流での下流ＩＭＳＡ１１０の誘導速度は、遠方後流での上流ＩＭＳＡ１０４の誘導速度を相殺すると見なすことができる。
【0149】
下流ＩＭＳＡ１１０の遠方後流における望ましい誘導速度分布は、リフティングライン理論の単純化されたフレームワークで下流ＩＭＳＡ１１０のプロペラブレードによって後流に放出される自由渦によって生成されると見なすこともできる。これは、ヘリコプターのローター、従来のプロペラブレードの渦放出に類似している。
【0150】
孤立したシナリオにおける下流ＩＭＳＡ１１０の前述の誘導速度分布は、下流ＩＭＳＡ１１０のプロペラブレードに沿った適切な揚力または推力分布によって生成されると見なすこともできる。下流ＩＭＳＡ１１０の誘導速度は、孤立したシナリオにおける下流ＩＭＳＡ１１０の少なくとも一部について、下流方向、すなわち、ＢＡＦの負のｘ方向に向けられるため、下流ＩＭＳＡ１１０の動作は、従来の固定翼航空機の従来のプロペラの動作に類似している。言い換えれば、孤立したシナリオでの下流ＩＭＳＡ１１０の後流における誘導速度分布に対応して、下流ＩＭＳＡ１１０のブレードの少なくとも一部が受ける推力は、推力ベクトル１２８によって示されるように、ＢＡＦの正のｘ方向に非ゼロ成分を有している。
【0151】
いくつかの実施形態では、図７の下流ＩＭＳＡ１１０などの指定された下流ＩＭＳＡがないことに留意していただきたい。そのような実施形態では、上流ＩＭＳＡによって抽出された電力は、代替の流体操作装置または方法を介して推力を提供するために格納または採用することができる。図７の上流ＩＭＳＡ１０４は、ＢＡＦの負のｘ方向に力を加えていることに留意していただきたい。巡航飛行中、この力は、ＢＡＦの一定の巡航速度を維持するために、適切な推力によって少なくとも相殺する必要がある。この推力は、多くのさまざまな方法で提供できる。図７では、この推力は下流ＩＭＳＡ１１０によって提供される。他の実施形態では、この推力は、異なる推力装置によって提供され得る。
【0152】
いくつかの実施形態では、この推力は、上流ＩＭＳＡのプロペラブレードの半径の増加によって提供され得る。そのような実施形態では、上流ＩＭＳＡのプロペラブレードの長さは、図７に示される流管１００の半径よりも大きい。この場合、上流ＩＭＳＡ１０４のプロペラブレードは、２つの異なる部分を有することができる。第１の部分は、第１の、内側流管内に位置するプロペラブレードの部分であり得、これは同様のサイズおよび構成であり得、図７に示される流管１００と同様の目的を満たす。上流ＩＭＳＡのプロペラブレードのこの第１の部分は、図７に示される上流ＩＭＳＡ１０４全体と同様の目的を満たすように構成することができる。そのような上流ＩＭＳＡのプロペラブレードの残りの、第２の部分は、前述の必要な推力を生成するように構成することができる。この第２の部分の後流は、外側流管を形成し、内側流管を囲むまたは包囲する。上流ＩＭＳＡのこの推力生成セグメントの誘導速度は、誘導電力消費を最小限に抑えるために、遠方後流で、外側流管全体で均一にすることができる。したがって、プロペラブレードの第１の部分によって抽出された電力は、プロペラブレードの第１の部分と第２の部分との間の剛性構造接続を介してプロペラブレードの第２の部分に直接かつ機械的に伝達される。内側流管内の流体のエネルギーの関連する損失の一部は、外側流管内の推力を生成し、流体のエネルギーを増加させるために使用される。前述のように、実施形態のこのクラスには指定された下流ＩＭＳＡがないため、そのような構成は、内側流管内で後流に運動量不足を生じさせることに留意していただきたい。そのような構成は、遠方後流での不均一な速度分布をもたらし、したがって、遠方後流全体、すなわち内側流管と外側流管の両方にわたる速度分布が実質的に均一である構成よりも効率が悪い。しかしながら、そのような構成は、それでも粘性抗力に起因するエネルギー損失の一部の回復により、先行技術の実施形態に対して改善を提供することができる。
【0153】
他の実施形態では、内側流管内の前述の運動量不足は、下流ＩＭＳＡを前述の構成に追加することにより除去される。
【0154】
他の実施形態では、下流ＩＭＳＡは、流管１００を超えて伸びることができる。例えば、下流ＩＭＳＡのプロペラブレードの長さは、流管１００の半径より大きくすることができる。このようにして、下流ＩＭＳＡを生成する推力の誘導電力消費を減らすことができる。この構成では、下流ＩＭＳＡの内側と外側の流管全体で均一な遠方後流の誘導速度分布を実現することができ、これは、誘導電力を最小限に抑えるために望ましいものである。
【0155】
さらに他の実施形態では、図７に示す実施形態と比較して、上流ＩＭＳＡと下流ＩＭＳＡの両方がローター先端伸張部を含むことができる。いくつかのそのような実施形態では、上流ＩＭＳＡおよび下流ＩＭＳＡのローター直径は実質的に同一である。他のそのような実施形態では、こうである必要はない。前と同様に、ローター先端伸張部は、内側流管を取り囲む外側流管を生じさせる。上流ＩＭＳＡおよび下流ＩＭＳＡのローターの内側部分は、図７および流管１００の文脈で説明したのと同じ方法で構成することができる。ローターの外側部分は、プロファイル抗力および誘導抗力を含む、全消費電力を最小限に抑えながら、望ましい推力量を生成するように構成できる。例えば、上流ＩＭＳＡおよび下流ＩＭＳＡの外側部分、すなわち外側流管に関連付けられた部分は、逆回転同軸ローターと同様の方法で構成することができ、上流および下流ＩＭＳＡの両方がＢＡＦの正のｘ方向に推力を生成する。別の例では、上流ＩＭＳＡの外側部分は、ＢＡＦの正のｘ方向に向けられ、上流および下流ＩＭＳＡの外側部分に必要な望ましい推力よりも大きい大きさの推力を生成するように構成できる。したがって、下流ＩＭＳＡの外側部分は、ＢＡＦの負のｘ方向に向けられた推力を生成するように構成することができる。そのような構成は、上流および下流ＩＭＳＡの両方の推力ベクトルがＢＡＦの正のｘ方向に向けられている構成と比較して、上流および下流ＩＭＳＡの外側部分に関連付けられた誘導電力消費を削減できる。
【0156】
いくつかの実施形態では、上流ＩＭＳＡ１０４などの単一の上流プロペラ、および下流ＩＭＳＡ１１０などの単一の下流プロペラが存在し得る。境界装置９５の近くの流管１００内にいくつかのプロペラを配置することができる。流管１００内で望ましい速度分布を維持するために、流管１００内でいくつかのプロペラを使用することが望ましい場合がある。例えば、従来の民間輸送機の胴体など、テーパー状の端部を備えた円筒形の境界装置を検討してみよう。この場合、胴体の長さに沿っていくつかのローターまたはプロペラを配置すると便利で望ましい場合がある。例えば、プロペラは、第３のＩＭＣＡ８１などのダクトが図６に配置されるように示されているＢＡＦのｘ軸に沿った同じ位置に配置することができる。プロペラは、胴体の直径が変化しないように胴体に取り付けることができ、つまり、胴体はプロペラハブ内に配置されるか、プロペラハブの中心を通過する。胴体の円形形状は、胴体の周りを回転するローターの助けになる。ローターハブは、胴体の周りを回転できる剛性リングを形成できる。図７に示すように、この場合、回転軸は円筒形胴体の縦軸に平行である。いくつかのプロペラブレードをローターハブに取り付けて、目的の流体の流れの操作を実行できる。電気モーターは、ローターが「上流」または「下流」の位置または構成にあるかどうかに応じて、ローターハブに電力を供給できるほか、胴体に対するローターハブの回転から電力を抽出することもできる。このような構成では、少なくとも理論的には、胴体が無限に長くなり、流管１００内の流れ場は、名目定速巡航中に平均的に一定のままであり、ここで、平均は、胴体の長さに沿って均一間隔に配置されたプロペラ間の１つの分離距離にわたるＢＡＦのｘ軸に沿って計算される。
【0157】
各ローターブレードの長さは、胴体の直径の何分の１かになる場合がある。ローターブレードの長さは、ノースリップ参照シナリオで、流れのその特定の位置で境界層の厚さ程度になる場合がある。いくつかの実施形態では、ノースリップ参照シナリオにおける、ローターブレードの長さと胴体などの境界装置の外側表面に沿った境界層の最大厚さとの比は２未満である。いくつかの実施形態では、この比は５未満である。いくつかの実施形態では、この比は１０未満である。いくつかの実施形態では、この比は１００未満である。
【0158】
図６は、別のＩＦＭＡ構成の断面図を示している。図６に示される装置のいくつかの特徴、および装置の動作原理のいくつかは、図７に示される装置と類似性を共有しているので、図６の文脈で同じ詳細では説明されず、逆も同様である。
【0159】
図６は、周囲の流体に対して移動する境界装置７０を示している。境界装置７０は、リーディング点７３およびトレーリング点７４を有する。リーディングおよびトレーリング点は、翼またはエーロフォイルのリーディングエッジまたはトレーリングエッジなどのエッジにすることもできる。翼の場合、リーディングエッジおよびトレーリングエッジは、指定された流れ条件のリーディングおよびトレーリングのよどみ線と見なすことができる。この実施形態では、境界装置は、閉じた外側表面７１および内側表面７２を備えた薄いシェルとして説明できる剛体である。この実施形態では、境界装置７０の形状は、回転形状であり、すなわち、それは、リーディング点７３およびトレーリング点７４を通過する軸に関して軸対称である。
【0160】
境界装置７０は、船の船体、または航空機の胴体であり得る。他の実施形態では、境界装置７０は、異なる幾何学的形状を有し得る。例えば、境界装置の形状は、図５に示される境界装置６１の形状に類似することができる。いずれか任意の用途に適した幾何学的形状を見つけることができる。境界装置は、さまざまな既存の方法および材料を使用して製造することができる。
【0161】
次のように、「境界装置フレーム」または「ＢＡＦ」を定義できる。原点は、境界装置７０の外側表面７１によって囲まれた体積の幾何学的重心に位置している。ｘ軸は、リーディング点７３とトレーリング点７４を接続する直線と一致し、リーディング点７３に向けられている。指定しない限り、ｚ軸は図のページで垂直を指している。
【0162】
３つの速度プロファイル７６～７８が示されている。速度プロファイルの各矢印は、境界装置に対する増分流体要素の速度ベクトルを示し、ここで、増分流体要素は、境界装置に対して速度が測定された時点で矢印の付け根に配置される。速度プロファイルの矢印の先端を接続する線は、連続的な速度分布を示している。
【0163】
境界装置７０は、周囲の流体に対して移動している。示されている単純化されたシナリオでは、自由流の流速は空間的に均一で、時間的に一定である。図６では、境界装置７０に対する自由流の流体の流れは、ＢＡＦのｘ軸に平行に、反対方向に、すなわち図の上部から下部に向けられている。境界装置７０のはるか上流では、増分流体要素の速度は自由流の流速にほぼ等しい。したがって、速度プロファイル７６の速度は、空間で均一であり、時間で一定であり、大きさと方向は境界装置に対する自由流の流速に等しい。
【0164】
速度プロファイル７７は、境界装置７０の近くのにおける速度分布を記述する。この実施形態では、境界装置７０の外側表面７１にはノースリップ状態がある。他の実施形態では、外側表面７１に沿って非ゼロのスリップ速度があり得る。速度プロファイル７７は、図７に示される速度プロファイル１０２に類似している。したがって、この速度プロファイルの特徴、およびその代替実施形態は、図６の文脈で同じ詳細では説明されない。
【0165】
速度プロファイル７８は、境界装置７０の遠方後流における速度分布を記述する。簡略化された、理想的なシナリオでは、速度プロファイル７８は、図６に示されるように、速度プロファイル７６と実質的に等しい。ＩＭＣＡアセンブリに関連付けられた抗力による運動量不足があり、これは、例えば、圧力抗力または粘性抗力から生じる可能性があることに留意していただきたい。他の実施形態では、境界装置７０に関連付けられた抗力による運動量不足もあり得る。
【0166】
いくつかの実施形態によれば、境界装置７０などの境界装置には、意図的な流体操作装置が設けられる。図６に示す実施形態では、この意図的な流体操作装置は、第１のＩＭＣＡ７９、第２のＩＭＣＡ８０、第３のＩＭＣＡ８１、および第４のＩＭＣＡ８２を備えるＥＶ１ＣＡアセンブリとして説明することができる。この実施形態では４つのＩＭＣＡが示されているが、より多くのまたはより少ないものを使用することができる。
【0167】
第１のＩＭＣＡ７９などの各ＩＭＣＡは、円形ダクトとして説明できる。図６に示される実施形態では、各ダクトは、半径方向外向きの方向の成分を備えた揚力を生成するように構成される。各円形ダクトの中心軸は、ＢＡＦのｘ軸と一致し、ｘ軸の方向に向けられている。大まかな近似では、流体の流れに対するダクトの効果は、リフティングライン理論の渦ループによって生じると見なすことができる。この単純化されたモデルでは、各ＩＭＣＡの各渦ループはｙｚ平面に平行な平面内にある。各渦ループの循環は、正のｘ方向に沿って見たときに、各ループの周りを時計回りの方向に向けられる。各ＩＭＣＡは、第１のＩＭＣＡ７９のリーディングエッジ８３などのリーディングエッジ、および第３のＩＭＣＡ８１のトレーリングエッジ８９などのトレーリングエッジを有している。
【0168】
流線７５は、ｘ方向に沿って見たときに円形の断面を有する、流管の境界を記述する。図６の点線の流線７５は、第１のＩＭＣＡ７９のよどみ流線のおおよその位置、すなわち、第１のＩＭＣＡ７９のリーディングエッジよどみ線に入射する流線を概略的に示している。そのようなすべての流線によって囲まれた体積は、流管として説明できる。
【0169】
図６に示される流管７５は、特定の動作条件、およびＩＭＣＡアセンブリの特定の構成の例にすぎないことに留意していただきたい。他の動作条件、例えば、異なる自由流の速度の大きさに対して、流管７５の形状は異なっていてもよい。例えば、流管７５は、第２のＩＭＣＡ８０のリーディングエッジよどみ線にも入射するのではなく、第２のＩＭＣＡ８０の内部領域内を通過することができる。流れの剥離および関連する圧力抗力の増加を回避するために、ＩＭＣＡが上流ＩＭＣＡの後流内、つまり上流ＩＭＣＡのよどみ流線に沿って、またはその近くに配置されないことが望ましい場合がある。しかしながら、これにより、ＩＭＣＡアセンブリに関連付けられた粘性スキン摩擦抗力損失が増加する可能性がある。
【0170】
ＩＭＣＡアセンブリの各ＩＭＣＡは、接続装置を介して境界装置７０にしっかりと接続されている。明確にするために、この装置は図６には示されていない。
【0171】
他の実施形態では、ＩＭＣＡ７９などのＩＭＣＡは、いくつかのダクトを備えることができる。このような構成では、ＩＭＣＡは図６に示す単一要素のエーロフォイルとは対照的に、複数要素のエーロフォイルとして説明できる。例えば、ＩＭＣＡは４つの要素のエーロフォイルで構成でき、各セクションは個別のダクトを効果的に形成する。このような構成により、ＩＭＣＡの最大揚力係数を増やすことができる。
【0172】
流体の流れに対するＩＭＣＡアセンブリの効果は、ＩＭＣＡアセンブリの近くに局所的に誘導された速度分布の作成である。一般に、ＩＭＣＡアセンブリ内、つまりＩＭＣＡアセンブリの中心軸の近くの誘導速度は、ＢＡＦの正のｘ方向に非ゼロ成分を有する。誘導速度の望ましい分布は、第１のＩＭＣＡ７９および第２のＩＭＣＡ８０などのＩＭＣＡを流体の流れ内の適切な位置に配置し、適切な循環強度、または単位円周あたりの適切な揚力を選択することで実現できる。
【0173】
いくつかの実施形態によれば、ＩＭＣＡアセンブリは、フルスリップシナリオにおける境界装置７０の外側表面７１での流速の大きさが、フルスリップ参照シナリオと比較して低減されるように構成される。この減少により、ノースリップシナリオで、外側表面７１でのスキン摩擦抗力が低くなり得る。この減少は、例えば、外側表面７１での有効な自由流の流れの減少、外側表面７１での層流の確立または維持、または外側表面７１での流れのレイノルズ数の減少から生じ得る。いくつかの動作条件では、境界装置７１に関連付けられた抗力のこの減少は、ＩＭＣＡアセンブリの追加抗力よりも大きくなり得る。
【0174】
図８は、ＩＦＭＡ構成１５０の断面図である。ＩＦＭＡ構成１５０の質量中心は、慣性フレームの速度で移動しており、ここで、速度は大きさと、空間と時間の方向で一定である。速度はｘ軸と整合し、つまり、正のＸ方向に向けられる。
【0175】
上流ＩＭＳＡ１５１があり、この実施形態ではプロペラとして説明することができる。上流ＩＭＳＡ１５１の断面図は、第１のプロペラブレード１５２および第２のプロペラブレード１５４を示している。第１のプロペラブレード１５２のトレーリングエッジ１５３および第２のプロペラブレード１５４のリーディングエッジ１５５も見える。プロペラブレードは、ローターハブ１５６によって構造的に支持されている。ＩＭＳＡ１５１の推力は、推力ベクトル１８３で示される。ステーション１７９では、この実施形態の上流ＩＭＳＡ１５１により、運動量の正の変化率が流体に加えられる。
【0176】
下流ＩＭＳＡ１６６があり、この実施形態ではプロペラとして説明することができる。下流ＩＭＳＡ１６６の断面図は、第１のプロペラブレード１６７および第２のプロペラブレード１６９を示している。第１のプロペラブレード１６７のトレーリングエッジ１６８および第２のプロペラブレード１６９のリーディングエッジ１７０も見える。プロペラブレードは、ローターハブ１７１によって構造的に支持されている。ＩＭＳＡ１６６の推力は、推力ベクトル１８４で示される。ステーション１８１では、運動量の負の変化率が下流ＩＭＳＡ１６６によって流体に加えられる。ＩＦＭＡ構成１５０の下流では、ＩＦＭＡ構成１５０に対する流管１７６内の流れの方向は矢印１８５によって示されている。
【0177】
中間ＩＭＳＡ１６１も示されている。この実施形態では、中間ＩＭＳＡ１６１は翼として説明することができる。簡単にするために、翼１６１は直線翼である。翼は、例えば、胴体にしっかりと取り付けることができる。明確にするために、胴体は示されていない。中間ＩＭＳＡ１６１は、従来の固定翼航空機の固定翼と同様の方法で構成することができる。中間ＩＭＳＡ１６１は、正のＹ方向および負のＸ方向に向けられた揚力を生成した。流管１７６内の流れの方向の関連する偏向は、例示目的のために誇張されていることに留意していただきたい。
【0178】
中間ＩＭＳＡ１６１は、外側表面１６２、トレーリングエッジ１６５、およびバルク材料１６４を含む。バルク材料１６４は、アルミニウムまたは鋼などの金属、あるいはガラス繊維または炭素繊維などの複合材料を含むことができる。上流ＩＭＳＡ１５１は、外側表面１５８を備えた中空接続ロッド１５７によって中間ＩＭＳＡ１６１にしっかりと取り付けられている。下流ＩＭＳＡ１６６は、外側表面１７３を備えた接続ロッド１７２によって中間ＩＭＳＡ１６１にしっかりと取り付けられている。
【0179】
他の実施形態では、接続ロッド１５７または接続ロッド１７２は、中間ＩＭＳＡ１６１または関連する中間支持装置に回転可能に接続される。いくつかの実施形態では、接続ロッド１５７または接続ロッド１７２は、それぞれハブ１５７またはハブ１７１に回転可能に接続される。回転接続により、構成をさまざまな動作条件に適合させることができる。回転接続は、巡航中または操縦中の中央ＩＭＳＡ１６１および胴体などの任意の関連装置のピッチ角の制御に寄与できる。
【0180】
この特定の実施形態では、上流推力ベクトル１８３の大きさは、下流推力ベクトル１８４の大きさより大きい。したがって、上流ＩＭＳＡ１５１および下流ＩＭＳＡ１６６は、正のＸ方向に非ゼロ成分を有する正味推力を生成する。したがって、この正味推力は、ＩＦＭＡ構成１５０に作用する任意の抗力の相殺に寄与する可能性がある。他の実施形態では、これらの推力ベクトルの大きさは実質的に同一であり得る。さらに他の実施形態では、上流推力ベクトル１８３の大きさは、下流推力ベクトル１８４の大きさよりも小さい。
【0181】
上流ＩＭＳＡ１５１は、中間ＩＭＳＡ１６１の局所的な自由流の流速を中間ＩＭＳＡ１６１の自由流の流速よりも大きい値に増加させるように構成される。下流ＩＭＳＡ１６６は、このプロセス全体で上流ＩＭＳＡ１５１によって流体に伝達された過剰推力および過剰エネルギーの少なくとも一部を回収するように構成される。中間ＩＭＳＡ１６１の誘導抗力は、同じ中間ＩＭＳＡ１６１が上流ＩＭＳＡ１５１および下流ＩＭＳＡ１６６なしで同じ量の揚力を生み出したベースラインシナリオと比較して低減することができる。
【0182】
その結果、ステーション１８０の平均流速の大きさは、ステーション１７８およびステーション１８２の平均流速よりも大きくなる。ステーション１８０の流管１７６は、ステーション１８２または１７８よりも小さい流れ方向断面積を有する。ステーション１８０と比較したステーション１８２での流管１７６の流れ方向断面積のこの増加は、アスペクト比または中間ＩＭＳＡ１６１のスパンを増加させると見なすことができる。
【0183】
図９は、図８に示されるＩＦＭＡ構成１５０の正面図である。上流ＩＭＳＡ１５１と下流ＩＭＳＡ１６６の両方は、負のＸ方向で見たときに反時計回り方向に回転することができる。代替として、上流および下流ＩＭＳＡが反対方向に回転している可能性がある。
【0184】
他の実施形態では、あるいは上流または下流ＩＭＳＡは、いくつかの個別のプロペラを備えることができる。これらのプロペラは、流れ方向に互いにオフセットすることができる。上流または下流ＩＭＳＡは、例えば、逆回転同軸プロペラを含むことができる。いくつかの実施形態では、あるいは上流または下流ＩＭＳＡは、流管の幅に沿って分布するいくつかのプロペラを含むことができる。言い換えれば、プロペラは、流れ方向を横切る方向に互いにオフセットすることができる。
【0185】
上流ＩＭＳＡ１５１のプロペラブレードの先端がたどる経路は、破線１８６で示されている。下流ＩＭＳＡ１６６のプロペラブレードの先端がたどる経路は、図９の破線１８７で示されている。
【0186】
図１０、図１１、図１２、および図１３は、中間ＩＭＳＡ２０１を含む、ＩＦＭＡ構成２００の斜視図、側面図、上面図、および背面図をそれぞれ示している。簡単にするために、中間ＩＭＳＡ２０１は、楕円形の翼幅方向の翼弦分布、一定のエーロフォイルの形状、およびねじれゼロの直線翼として構成できる。翼は、例えば、胴体にしっかりと取り付けることができる。明確にするために、胴体は示されていない。中間ＩＭＳＡ２０１は、中間ＩＭＳＡ１６１と同様の方法で構成でき、その逆も同様である。ＩＭＳＡ２０１は、航空機または船の翼またはハイドロプレーンと同様の方法で構成できる。中間ＩＭＳＡ２０１は、外側表面２０２およびトレーリングエッジ２０５を含む。
【0187】
ＩＭＣＡ２０６は、中間ＩＭＳＡ２０１の局所的な自由流の流れを増やすように構成されている。言い換えると、ステーション２２４での流速の大きさは、上流ステーション２２３または下流ステーション２２４での流速の大きさと比較して、ＩＭＣＡ２０６によって人為的に増加する。ＩＭＣＡ２０６はダクトと見なすことができる。
【0188】
ＩＭＣＡ２０６はＩＭＳＡ２０１にしっかりと取り付けられている。ＩＭＣＡ２０６は、外側表面２０７およびトレーリングエッジ２１０を含む。この実施形態では、ＩＭＣＡ２０６は、図１３に示されるように、流れ方向に見たとき、形状が長方形である。他の実施形態では、ＩＭＣＡ２０６は、楕円形または円形の形状であり得る。他の実施形態では、ＩＭＣＡは、鏡面ベル形状を記述することができ、ここで、鏡面は翼のスパンと一致する。
【0189】
ＩＭＣＡ２０６は、リフティングライン理論のフレームワークで渦度をまったく放出しように構成できる。言い換えると、ＩＭＣＡ２０６に関連付けられた循環は、ＩＭＣＡ２０６のスパン方向の長さに沿って一定である。他の実施形態では、ＩＭＣＡ２０６は渦を放出することもできる。例えば、ＩＭＣＡ２０６は、ＩＦＭＡ構成２００の正味揚力に寄与するように構成することができる。そのような実施形態では、ＩＭＣＡ２０６は、ＩＭＣＡの遠方後流に放出されるＩＭＣＡの束縛渦度に加えられる一定のスパン方向の循環を備えた、従来の閉じた翼または環状翼であると考えることができる。言い換えれば、ＩＭＣＡはＩＭＣＡとＩＭＳＡの重畳であると見なすことができる。いくつかの実施形態では、中間ＩＭＳＡ２０１は、閉じた翼として説明することもできる。
【0190】
ＩＭＣＡ２０６のスパンに沿ったＩＭＣＡ２０６のねじれ角の変化は、流れ場に対するＩＭＳＡ２０１の効果およびＩＭＣＡ２０６の束縛渦度または循環の要件の結果である。
【0191】
いくつかの実施形態では、ＩＦＭＡ構成２００は、ＩＭＣＡ２０６と同様の方法で構成されたいくつかの個々の閉じた翼を含むことができる。これらの個々のＩＭＣＡは、複数要素のエーロフォイルと同様に、流れ方向にオフセットできる。個々のＩＭＣＡは、局所的な流れ方向に垂直な方向にオフセットすることもできる。ＩＭＣＡは別のＩＭＣＡ内にあると見なすことができる。例えば、第１の円形ＩＭＣＡは、第２の円形ＩＭＣＡと同心円状に配置されていると見なすことができる。
【0192】
流線２２２は、ＩＭＣＡ２０６による流れの加速による、ステーション２２４でＩＭＣＡ２０６によって囲まれた流管の断面積の減少を示している。この流管の断面積はステーション２２５でより大きく、これはＩＭＳＡ２０１のより大きな有効スパンに対応する。
【0193】
図１４は、図１０に示されるＩＦＭＡ２００と同様の方法で構成される、ＩＦＭＡ構成２４０の断面図である。この実施形態では、ダクト２４１は、渦を後流に放出する。したがって、ダクト２４１はＩＭＳＡ２４１とも呼ばれる。ＩＭＳＡ２４１はＩＭＣＡとＩＭＳＡの重畳であると見なすことができる。ＩＭＳＡ２４１は、中間ＩＭＳＡ２４７の局所的な自由流の速度を増やすように構成されている。
【0194】
この実施形態では、ＩＭＳＡ２４１は実質的に軸対称である。ＩＭＳＡ２４１は、外側表面２４２、内側表面２４３、バルク材料２４６、およびトレーリングエッジ２４４を含む。バルク材料２４６は、バルク材料１６４と同様の方法で構成することができる。中間ＩＭＳＡ２４７は、中間ＩＭＳＡ２０１と同様の方法で構成される。中間ＩＭＳＡ２４７は、外側表面２４８およびトレーリングエッジ２５０を含む。
【0195】
流管２５４は、ＩＭＳＡ２４１を取り囲む、つまり内部を通過するすべての流線を囲む。上流ステーション２５５での流管の断面積は、ステーション２５６での断面積よりも大きく、これは次に下流ステーション２５７での断面積よりも小さい。
【0196】
図１５は、別のＩＦＭＡ構成２７０の斜視図である。図１５に示される装置のいくつかの特徴、および装置の動作原理のいくつかは、他の図、および特に図７に示される装置と類似性を共有しているので、図１５の文脈で同じ詳細では説明されず、逆も同様である。
【0197】
ＩＦＭＡ構成２７０は、民間輸送、あるいはボーイング７３７またはエアバスＡ３２０などのジェット旅客機などの固定翼航空機として示されている。胴体２９３、左翼３００および右翼２９９、舵を含む垂直尾翼３０１、ならびに完全に飛行する左水平安定板３０４および完全に飛行する右水平安定板が存在する。ＩＦＭＡ２７０の飛行方向は、名目レベルの巡航中、実質的に推力ベクトル２９２の方向である。名目レベルの巡航中の実施形態２７０に対する実施形態２７０を取り巻く空気の自由流の流れ方向は、矢印３０５で示されている。
【0198】
上流ＩＭＳＡ２７１があり、この実施形態ではダクト付きファンとして説明することができる。この実施形態のダクトは、ファン内に位置するファンディスクに遭遇する前に流れを減速するように構成される。いくつかの実施形態では、ファンディスクに関連付けられた波抗力損失は、この方法で回避または軽減することができる。上流ＩＭＳＡ２７１は、ダクト２７２およびファンディスクを含む。上流ＩＭＳＡ２７１は、推力ベクトル２８１によって示されるように、ＩＦＭＡ２７０に対する平均自由流の流れと同じ方向に向けられる力をＩＦＭＡ構成２７０に加えるように構成される。上流ＩＭＳＡ２７１は、周囲の流体からエネルギーを抽出するように構成されている。ＩＦＭＡ２７０は、このエネルギーの少なくとも一部を下流ＩＭＳＡ２８２に伝達するように構成される。前述のように、この伝達は、上流ＩＭＳＡ２７１のファンディスクを下流ＩＭＳＡ２８２のファンディスクに接続する機械的駆動軸によって促進することができる。上流ＩＭＳＡ２７１のファンディスクは、例えば、直接、剛性の機械的接続を介して、下流ＩＭＳＡ２８２のファンディスクに電力を伝送することができる。上流ＩＭＳＡ２７１のファンディスクは、駆動軸および歯車列を介して下流ＩＭＳＡ２８２のファンディスクに電力を伝達することができる。前記駆動軸は胴体２９３を通過することができる。上流ＩＭＳＡ２７１のファンディスクは、発電機を介して下流ＩＭＳＡ２８２のファンディスクに電力を伝送でき、それは、電線または導体を介して電気モーターに電力を伝送し、ここで、電動モーターは下流ＩＭＳＡ２８２のファンディスクに電力を伝達する。上流ＩＭＳＡ２７１および下流ＩＭＳＡ２８２は胴体２９３にしっかりと取り付けられている。
【0199】
下流ＩＭＳＡ２８２は、いくつかの実施形態ではターボファンエンジンとして説明することができる。電力が上流ＩＭＳＡ２７１から下流ＩＭＳＡ２８２に電気的に伝達される場合、下流ＩＭＳＡ２８２は、ハイブリッド電気ターボファンエンジンとして説明することができる。他の実施形態では、下流ＩＭＳＡ２８２はターボジェットエンジンとして説明することができる。下流ＩＭＳ２８２はダクト２８３を含む。下流ＩＭＳＡ２８２は、推力ベクトル２９２によって示されるように、ＩＦＭＡ構成２７０に対して平均自由流の流れと反対方向に向けられる力を実施形態２７０に加えるように構成される。この実施形態では、下流ＩＭＳＡ２８２の推力の大きさは、上流ＩＭＳＡ２７１の推力の大きさよりも大きい。したがって、下流ＩＭＳＡ２８２は、ＩＦＭＡ構成２７０の顕著な推力要件を満たすように構成される。他の実施形態では、少なくとも１つの別個の推進ユニットまたはエンジンを少なくとも１つの翼に取り付けることができる。そのような別個のエンジンは、例えば、従来のターボファンまたはハイブリッド電動ターボファンであり得る。
【0200】
上流ＩＭＳＡ２７１は、少なくとも胴体２９３の局所的な自由流の流れを人為的に減少させるように構成することができ、下流ＩＭＳＡ２８２は、胴体２９３の後流および近くの流速の減少の少なくとも一部を相殺するように構成される。
【0201】
いくつかの実施形態では、上流ＩＭＳＡ２７１は、胴体２９３の人工境界層を作成すると見なすことができ、ここで、境界層は、ダクト２７２の内部を通過する流管によってほぼ囲まれている。胴体２９３および人工境界層は、自然境界層によって包囲されていると見なすこともできることに留意していただきたい。上流ＩＭＳＡ２７１は、全体として胴体２９３、およびＩＦＭＡ構成２７０の抗力が、上流ＩＭＳＡ２７１がないベースラインシナリオと比較して、つまり、胴体が自然境界層によってのみ包囲されているシナリオと比較して、低減される方法で、この人工境界層内、または胴体２９３の濡れた表面の近くで速度プロファイルを変更するように構成されている。抗力の減少は、例えば、粘性抗力の減少、および／または波抗力または圧縮性抗力の減少を含むことができる。抗力減少は、上流ＩＭＳＡ２７１、およびより少ない程度ではあるが下流ＩＭＳＡ２８２による胴体２９３に対する流体の流速の空間プロファイルの変更に関連付けられる。
【0202】
上流ＩＭＳＡ２７１による、胴体２９３の局所的な自由流の流体の流速の大きさの減少、胴体２９３の濡れた表面での、およびそれに対する流体の流速の減少のほか、胴体２９３の濡れた表面の近くのより好ましい速度プロファイルの生成も、粘性抗力の前記減少に寄与できる。より好ましい速度プロファイルは、例えば、ピーク空間流体の流速勾配の減少、またはＩＦＭＡ構成２７０の近くの空間流体の流速勾配の空間平均の大きさの減少を含むことができる。
【0203】
波抗力の減少は、流体がＩＦＭＡ構成２７０の周りを流れる際の流体の流れ方向のより緩やかな変化、またはＩＦＭＡ構成２７０による流体のより緩やかな変位の結果であり得る。これは、上流ＩＭＳＡ２７１による流体の流れの減速およびＩＭＳＡ２８２による流体の流れの加速によって促進される。したがって、ＩＦＭＡ構成２７０による流体の流れへの外乱の強度を低減することができ、これにより、ＩＭＦＡ構成２７０に関連付けられた波抗力を低減することができる。
【0204】
抗力の減少により、ＩＦＭＡ構成２７０の消費電力をベースラインシナリオと比較して低減したり、ＩＦＭＡ構成２７０を所定の消費電力の流体に対してより速く移動したりできる。これにより、ＩＦＭＡ構成２７０の範囲または最高速度を増やすことができる。
【0205】
図１６は、別のＩＦＭＡ構成３１５の斜位上面図である。図１６に示される装置のいくつかの特徴、および装置の動作原理のいくつかは、他の図、および特に図３に示される装置と類似性を共有しているので、図１６の文脈で同じ詳細では説明されず、逆も同様である。
【0206】
ＩＦＭＡ構成３１５は、クワッドローターヘリコプターまたはクワッドコプターとして説明することができる。実施形態３１５は、オクトローターまたはマルチトロッターとして説明することもできる。ＩＦＭＡ構成３１５は、ＩＭＳＡアセンブリ３１６、３３９、３６２、および３８５などの４つのＩＭＳＡアセンブリを含む。各ＩＭＳＡアセンブリは、ＩＭＳＡアセンブリ３６２の上流ＩＭＳＡ３６５などの上流ＩＭＳＡ、およびＩＭＳＡアセンブリ３６２の下流ＩＭＳＡ３７５などの下流ＩＭＳＡを含む。
【0207】
上流または下流の各ＩＭＳＡは、プロペラとして説明できる。各プロペラは、下流ＩＭＳＡ３７５の第１のプロペラブレード３７７などの第１のプロペラブレード、および下流ＩＭＳＡ３７５の第２のプロペラブレード３７８などの第２のプロペラブレードを含むことができる。他の実施形態では、プロペラは、少なくとも１枚のブレード、またはただ１枚のブレードを含むことができる。他の実施形態では、プロペラは少なくとも３枚のブレードを含むことができる。プロペラハブ３７９または３６９などのプロペラハブは、各プロペラを駆動軸またはアクチュエータに接続する。
【0208】
ＩＦＭＡ構成３１５はホバーで示されている。ＩＭＳＡアセンブリによって誘導される流れは、垂直に下向きの方向に向けられる、すなわち、推力ベクトル３８０と実質的に整合する。
【0209】
上流ＩＭＳＡ３６５などの上流ＩＭＳＡは、推力ベクトル３７０または３４７によって示されるように、上方向に向けられるＩＦＭＡ構成３１５に作用する推力を生成するように構成される。下流ＩＭＳＡ３７５などの下流ＩＭＳＡは、推力ベクトル３８０または３５７によって示されるように、下方向に向けられる実施形態３１５に作用する推力を生成するように構成される。
【0210】
上流ＩＭＳＡは、ＩＭＳＡアセンブリがただ１つのＩＭＳＡ、すなわち、上流ＩＭＳＡのみを含むシナリオと比較して、それ自体に対して局所的な自由流の流速を増加するように構成される。対応する下流ＩＭＳＡは、上流ＩＭＳＡの後流の流体の流れのあらゆる過剰運動量を相殺するように構成される。名目ホバー中、４つのＩＭＳＡアセンブリすべてによって生成される正味推力の合計は、ＩＦＭＡ構成３１５の重量にほぼ等しいことに留意していただきたい。名目ホバー中、いずれか１つのＩＭＳＡアセンブリによって生成される正味推力は、４つのＩＭＳＡアセンブリの他のいずれかによって生成される正味推力に実質的に等しくなる。下流ＩＭＳＡは、推力ベクトル３８０または３５７によって示されるように、上流ＩＭＳＡを通る実施形態３１５に対して流体の流れの方向に実施形態３１５に作用する推力を生成するように構成される。下流ＩＭＳＡの推力ベクトルの大きさは、名目ホバー中の対応する上流ＩＭＳＡの推力ベクトルの大きさよりも小さい。
【0211】
ＩＦＭＡ構成３１５の各ＩＭＳＡアセンブリは、ナセル３４０などのナセルも備え、それは、下流ＩＭＳＡから上流ＩＭＳＡへのエネルギーの伝達を促進するアクチュエータ、発電機、ギアボックス、または駆動軸を収容する。第１のＩＭＳＡアセンブリの下流ＩＭＳＡも、第２のＩＭＳＡアセンブリの上流ＩＭＳＡに電力を送信できることに留意していただきたい。
【0212】
図１６に示す構成では、ＩＭＳＡアセンブリの誘導電力消費は、流体に対する下流ＩＭＳＡの影響が無視できる、同等のベースラインまたは参照構成の誘導電力消費よりも低く、すなわち、上流ＩＭＳＡの推力は、正味推力要件にほぼ等しくなる。ベースライン構成では、ＩＭＳＡアセンブリは上流ＩＭＳＡのみを含むと見なすことができる。上述のように、いくつかの実施形態では、上流ＩＭＳＡなどのＩＭＳＡがいくつかのプロペラまたは推力装置を含むことができることに留意していただきたい。この場合、ベースライン構成は従来のクワッドローターヘリコプターと同じである。
【0213】
各ＩＭＳＡアセンブリは、ビームを介して胴体４０８にしっかりと接続されている。各ビームは、ビームフェアリング３４１などの空気力学的または流体力学的フェアリングで囲まれている。いくつかの実施形態では、ビームフェアリングは、ビームに回転可能に接続されている、すなわち、胴体４０８および対応するナセルに対して回転することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのビームフェアリングを採用して、名目レベルの巡航中に揚力を生成することができ、ここで、揚力は、従来の固定翼航空機の揚力と同様の方法で生成され、ここで、胴体の長軸はほぼ水平に、すなわち、慣性フレームの動きの方向に向けられており、ここで、少なくとも１つのＩＭＳＡアセンブリは、ＩＦＭＡ構成３１５に作用する抗力に対抗する正味推力を生成するように構成される。いくつかのＩＭＳＡのプロペラのピッチ角は、一部の実施形態では変更できることに留意していただきたい。巡航中に、いくつかのＩＭＳＡアセンブリのプロペラはフェザリングすることができる。
【0214】
いくつかの実施形態では、上流ＩＭＳＡは、電気モーターによって電力を供給され得る。いくつかの実施形態では、上流ＩＭＳＡは、永久磁石を含むブラシレスＤＣモーターによって電力を供給され得る。いくつかの実施形態において、ＩＭＳＡアセンブリは、ＡＣ誘導モーターにより電力を供給され得る。いくつかの実施形態では、上流ＩＭＳＡの駆動軸は、対応する下流ＩＭＳＡの駆動軸にしっかりと接続されている。いくつかの実施形態では、駆動軸に電力を供給するアクチュエータは、直接駆動構成で駆動軸にしっかりと接続される。いくつかの実施形態では、アクチュエータは、クラッチまたは歯車列を介して駆動軸に接続される。電力は、例えば、バッテリー、内燃機関、またはターボシャフトエンジンによって提供され得る。１つまたは複数のＩＭＳＡアセンブリに電力を供給するアクチュエータは、胴体４０８内に配置することもできる。電力は、例えば、そのようなアクチュエータからＩＭＳＡアセンブリに機械的または電気的に伝達され得る。
【0215】
いくつかの実施形態では、上流または下流のＩＭＳＡはいくつかのプロペラを含む。例えば、上流または下流ＩＭＳＡは、少なくとも２つの逆回転または同方向回転の同軸プロペラを含むことができる。
【0216】
上流ＩＭＳＡおよび対応する下流ＩＭＳＡのプロペラは同位相である必要はなく、名目動作中に同じ角速度で回転する必要がないことに留意していただきたい。いくつかの実施形態では、上流ＩＭＳＡと下流ＩＭＳＡとの間の所定の分離距離に対して最適な位相角があり、ここで、最適性は、車両の動作コストの最小化、または車両の耐久性の最大化を指すことができる。
【0217】
図１７は、別のＩＦＭＡ構成４２５の斜位上面図である。図１７に示される装置のいくつかの特徴、および装置の動作原理のいくつかは、他の図、および特に図３に示される装置と類似性を共有しているので、図１７の文脈で同じ詳細では説明されず、逆も同様である。
【0218】
ＩＦＭＡ構成４２５は、従来のヘリコプターとして説明することができる。ＩＦＭＡ構成４２５は、窓４４９を備えた胴体４４８、およびテールローターアセンブリ４５１を含む。
【0219】
ＩＦＭＡ構成４２５は、名目ホバーで示されており、誘導された流れは、流れ方向４５６で示されるように、垂直に下向きの方向に向けられている。
【0220】
上流ＩＭＳＡ４２６は、第１のローターブレード４２７に関連付けられた推力ベクトル４３４または第２のローターブレード４３０に関連付けられた推力ベクトル４３５によって示されるように、上方向に向けられるＩＦＭＡ構成４２５に作用する推力を生成するように構成される。第１のブレード４２７および第２のブレード４３０は、ローターハブ４３３を介して駆動軸に接続されている。駆動軸は、空力フェアリング４３６で囲むことができる。
【0221】
下流ＩＭＳＡ４３７は、第１のローターブレード４３８に関連付けられた推力ベクトル４４５または第２のローターブレード４４１に関連付けられた推力ベクトル４４６によって示されるように、下方向に向けられる実施形態４２５に作用する推力を生成するように構成される。第１のブレード４３８および第２のブレード４４１は、ローターハブ４４４を介して駆動軸に接続されている。駆動軸は、空力フェアリング４４７で囲むことができる。いくつかの実施形態では、上流ＩＭＳＡ４２６および下流ＩＭＳＡ４３７の駆動軸は同一である。他の実施形態では、上流ＩＭＳＡ４２６の駆動軸は、同軸構成で下流ＩＭＳＡ４３７の駆動軸の中心を通過する。他の実施形態では、胴体４４８は、上流ＩＭＳＡ４２６と下流ＩＭＳＡ４３７との間に位置する。
【0222】
ＩＦＭＡ構成４２５のメインローターシステムは、上流ＩＭＳＡ４２６および下流ＩＭＳＡ４３７を含むＩＭＳＡアセンブリとして説明することができる。図１７に示すホバリング構成では、ＩＭＳＡアセンブリの誘導電力消費は、流体に対する下流ＩＭＳＡの影響が無視できる、同等のベースラインまたは参照構成の誘導電力消費よりも低く、すなわち、上流ＩＭＳＡの推力は、正味推力要件にほぼ等しくなる。ベースライン構成では、ＩＭＳＡアセンブリは上流ＩＭＳＡのみを含むと見なすことができる。この場合、ベースライン構成は従来のヘリコプターと同じである。
【0223】
名目レベルの巡航におけるある範囲の動作条件中、下流ＩＭＳＡ４３７の少なくとも一部は、上流ＩＭＳＡ４２６の後流にもはや位置しない。この部分が十分に大きい場合、下流ＩＭＳＡ４３７はフェザリングすることができる。いくつかの実施形態では、下流ＩＭＳＡ４３７のフェザリングは、ローターブレードの角速度をゼロまで低減させることを含むことができる。いくつかの実施形態では、下流ＩＭＳＡ４３７のローターブレードは折り畳まれている。例えば、ローターブレードは、名目レベルの巡航のために空力フェアリングに折り畳むことができる。他の実施形態では、名目レベルの巡航中に、下流ＩＭＳＡ４３７は、上流ＩＭＳＡ４２６の揚力ベクトルの推力に沿った正の成分を有する推力または揚力を生成するように構成することができる。その点で、下流ＩＭＳＡ４３７および上流ＩＭＳＡ４２６は、従来技術の同軸ヘリコプターのローターと同様の方法で動作または構成することができる。
【0224】
一部の実施形態の原理は、ティルトローターにも適用できることに留意していただきたい。例えば、ティルトローターの単一のローターは、２つのローター、すなわち、図１７に示す、上流ＩＭＳＡ４２６および下流ＩＭＳＡ４３７と同様に、支持シャフトによって分離された２つのローターで置き換えることができる。このようにして、いくつかの実施形態の利点は、巡航飛行とホバリング飛行の両方で利用可能にすることができる。
【0225】
図１８は、別のＩＦＭＡ構成４７０の斜位側面面図である。図１８に示される装置のいくつかの特徴、および装置の動作原理のいくつかは、他の図、および特に図３に示される装置と類似性を共有しているので、図１８の文脈で同じ詳細では説明されず、逆も同様である。
【0226】
ＩＦＭＡ構成４７０は、風力タービンとして説明することができる。風向は矢印５０１で示されている。ＩＦＭＡ構成４７０は、水平ナセル４９５に回転可能に接続された垂直支持４９６を含み、ここで、回転軸は垂直軸に平行である。上流ＩＭＳＡ４７１および下流ＩＭＳＡ４８３は、ナセル４９５に回転可能に接続され、ここで、回転軸は同軸であり、水平軸に平行である。
【0227】
上流ＩＭＳＡ４７１は、この実施形態ではプロペラとして説明することができ、第１のブレード４７２、第２のブレード４７８、および第３のブレード４７５を備える。各ブレードは、ローターハブ４８１に回転可能に接続され、ここで、回転軸はブレードの長軸に実質的に平行である。風力タービンの性能を最適化するために、風の状態に応じて各ローターブレードのピッチ角を調整でき、ここで、性能とは、例えば、風から抽出した電力を指す場合がある。上流ＩＭＳＡ４７１は、流体の流れを加速する、すなわち下流ＩＭＳＡ４８３の位置で、慣性フレームに対する流体の速度の大きさを増加させるように構成される。上流ＩＭＳＡ４７１は、推力ベクトル４８２によって示されるように、上流方向に向けられた実施形態４７０に推力を及ぼす。
【0228】
下流ＩＭＳＡ４８３は、この実施形態ではプロペラとして説明することができ、第１のブレード４８４、第２のブレード４９０、および第３のブレード４７５を備える。各ブレードは、ローターハブ４９３に回転可能に接続され、ここで、回転軸はブレードの長軸に実質的に平行である。各ローターブレードのピッチ角を調整できる。下流ＩＭＳＡ４８３は、流体の流れを減速する、すなわち下流ＩＭＳＡ４８３の下流で、慣性フレームに対する流体の速度の大きさを減少させるように構成される。下流ＩＭＳＡ４８３は、推力ベクトル４９４で示されるように、下流方向に向けられたＩＦＭＡ構成４７０に推力を及ぼす。流体から下流ＩＭＳＡ４８３によって抽出された電力の一部は、上流ＩＭＳＡ４７１に伝達され、この伝達された電力の一部は、上流ＩＭＳＡ４７１によって流体に適用される。前述のように、この電力は、例えば、機械的または電気的に伝達できる。
【0229】
ＩＦＭＡ構成４７０のローターシステムは、上流ＩＭＳＡ４７１および下流ＩＭＳＡ４８３を含むＩＭＳＡアセンブリとして説明することができる。図１８に示す構成では、周囲の流体、例えば、風や水流の動きからＩＭＳＡアセンブリによって抽出される電力は、同等のベースラインまたは参照構成によって抽出される電力よりも大きく、流体での上流ＩＭＳＡの影響は無視できる、すなわち、ベースライン構成の下流ＩＭＳＡの推力は、図１８に示されるＩＦＭＡ構成４７０の正味推力に実質的に等しい。ベースライン構成では、ＩＭＳＡアセンブリは下流ＩＭＳＡのみを含むと見なすことができる。図示の構成では、ベースライン構成は従来の風力タービンと同じである。性能の改善は、特に低風速または流速で顕著である。
【0230】
図１９は、別のＩＦＭＡ構成５１５の側面図である。図１９に示される装置のいくつかの特徴、および装置の動作原理のいくつかは、他の図、および特に図７に示される装置と類似性を共有しているので、図１９の文脈で同じ詳細では説明されず、逆も同様である。
【0231】
ＩＦＭＡ構成５１５は、船体５３６、水面５４８の上に上部構造５３９、および水面の下に舵５４２を備えた船としても説明することができる。
【0232】
上流ＩＭＳＡ５１６は、少なくとも第１のプロペラブレード５１７および第２のプロペラブレード５２０を備えたプロペラとして説明することができる。各プロペラブレードはハブ５２３に回転可能に接続され、ここで、回転軸はブレードの長軸に平行である。各プロペラブレードのピッチは、船の動作条件に合わせて調整できる。上流ＩＭＳＡ５１６は、フェアリング５２５によって支持され、いくつかの実施形態では、ハブ５２３にしっかりと接続された駆動軸を取り囲んでいる。いくつかの実施形態では、ハブ５２３は、直接駆動構成で発電機に接続される。上流ＩＭＳＡ５１６は、流れを減速し、船体５３６の局所的な自由流の流れを減らすように構成される。したがって、上流ＩＭＳＡ５１６は、推力ベクトル５２４によって示されるように、船体５３６に対して流体の流れの方向に向けられる推力をＩＦＭＡ構成５１５に及ぼす。
【0233】
下流ＩＭＳＡ５２６は、少なくとも第１のプロペラブレード５３３および第２のプロペラブレード５３０を備えたプロペラとして説明することができる。各プロペラブレードはハブに回転可能に接続され、ここで、回転軸はブレードの長軸に平行である。各プロペラブレードのピッチは、船の動作条件に合わせて調整できる。下流ＩＭＳＡ５２６は、フェアリング５３５によって支持され、いくつかの実施形態では、前記ハブにしっかりと接続された駆動軸を取り囲んでいる。いくつかの実施形態では、ハブは、直接駆動構成で電気モーターに接続される。下流ＩＭＳＡ５２６は、流れを加速するように構成されている。したがって、下流ＩＭＳＡ５２６は、推力ベクトル５３４によって示されるように、船体５３６に対して流体の流れの反対方向に向けられる推力をＩＦＭＡ構成５１５に及ぼす。
【0234】
上流ＩＭＳＡ５１６は、ＩＦＭＡ構成５１５の抗力を減らすことができる。抗力の減少は、船体５３６の粘性抗力の低減、および／または船体５３６の重力波抗力の低減を含むことができる。抗力の減少は、上流ＩＭＳＡ５１６による船体５３６に対する流体の流速の空間プロファイルの変更に関連付けられる。上流ＩＭＳＡ５１６による、船体５３６の局所的な自由流の流体の流速の大きさの減少、船体５３６の濡れた表面での、およびそれに対する流体の流速の減少のほか、船体５３６の濡れた表面の近くのより好ましい速度プロファイルの生成も、粘性抗力の前記減少に寄与できる。より好ましい速度プロファイルは、例えば、ピーク空間流体の流速勾配の減少、またはＩＦＭＡ構成５１５の近くの空間流体の流速勾配の空間平均の大きさの減少を含むことができる。波抗力の減少は、流体がＩＦＭＡ構成５１５の周りを流れる際の流体の流れ方向のより緩やかな変化、または上流ＩＭＳＡ５１６による流体の流れの減速およびＩＭＳＡ５２６による流体の流れの加速の結果としてＩＦＭＡ構成５１５による流体のより緩やかな変位の結果であり得る。したがって、ＩＦＭＡ構成５１５による流体の流れへの外乱の強度を低減することができる。いくつかの実施形態では、上流ＩＭＳＡ５１６は、例えば、従来の船体設計に見られる球状船首と同様の機能を実行するように構成することができる。
【0235】
図２０は、別のＩＦＭＡ構成５６０の側面図である。図２０に示される装置のいくつかの特徴、および装置の動作原理のいくつかは、他の図、および特に図７に示される装置と類似性を共有しているので、図２０の文脈で同じ詳細では説明されず、逆も同様である。
【0236】
ＩＦＭＡ構成５６０は、列車またはトラックとして説明することもでき、第１のワゴン５６１、第２のワゴン５７６、第３のワゴン５７７、第４のワゴン５８９、および第５のワゴン５９１を含む。各ワゴンは、道路またはレール６０５に対するワゴンの動きを促進する、車輪５６３などの車輪によって支持されている。各ワゴンは、接続５６６などの接続によって隣接するワゴンに接続される。ワゴンは、支持構造５７８などの支持構造によって車輪に回転可能に接続されている。
【0237】
上流ＩＭＳＡ５６７は、少なくとも第１のプロペラブレード５６８および第２のプロペラブレード５７１を備えたプロペラとして説明することができる。各プロペラブレードはハブ５７４に回転可能に接続され、ここで、回転軸はブレードの長軸に平行である。各プロペラブレードのピッチは、車両の動作条件に合わせて調整できる。上流ＩＭＳＡ５６７は、流れを減速し、残りの車両の局所的な自由流の流れを減らすように構成される。したがって、上流ＩＭＳＡ５６７は、推力ベクトル５７５によって示されるように、ＩＦＭＡ構成５６０に対して流体の流れの方向に向けられる推力をＩＦＭＡ構成５６０に及ぼす。
【0238】
下流ＩＭＳＡ５９６は、プロペラとして説明できる。ＩＦＭＡ構成５６０では、実施形態５６０の製造コストを削減するために、第１のワゴン５６１を第５のワゴン５９１と同一にすることができる。第１のワゴン５６１は、第５のワゴン５９１とは異なる方法で動作することに留意していただきたい。下流ＩＭＳＡ５９６は、流れを加速するように構成されている。したがって、下流ＩＭＳＡ５９６は、推力ベクトル６０４によって示されるように、実施形態５６０に対して流体の流れの反対方向に向けられる推力をＩＦＭＡ構成５６０に及ぼす。
【0239】
ＩＦＭＡ構成５６０の長さにより、実施形態５６０の長さに沿った上流ＩＭＳＡ５７４からの距離が増加するにつれて、上流ＩＭＳＡ５７４の抗力低減効果が減少する。これは、例えば、粘性効果による可能性がある。中間ＩＭＳＡ５８０は、ＩＦＭＡ構成５６０の外側表面の近くの理想的な速度プロファイルと比較して、実際の速度プロファイルに対するあらゆる歪みの影響を補正するように構成されている。中間ＩＭＳＡ５８０は、少なくとも第１のプロペラブレード５８１および第２のプロペラブレード５８４を備える。各プロペラブレードはハブ５８７に回転可能に接続され、ここで、回転軸はブレードの長軸に平行である。各プロペラブレードのピッチは、車両の動作条件に合わせて調整できる。中間ＩＭＳＡ５８０は、流れを減速し、残りの車両の局所的な自由流の流れを減らすように構成される。したがって、中間ＩＭＳＡ５８０は、推力ベクトル５８８によって示されるように、実施形態５６０に対して流体の流れの方向に向けられる推力をＩＦＭＡ構成５６０に及ぼす。
【0240】
いくつかの実施形態では、中間ＩＭＳＡ５８０と下流ＩＭＳＡ５９６との間の車両の部分に作用する抗力および中間ＩＭＳＡ５８０に作用する推力または抗力の合計は、第３のワゴンと、中間ＩＭＳＡがないシナリオ、すなわち第３のワゴンが第２のワゴン５７６と同様の方法で構成されるシナリオにおける実施形態の最後のワゴンとの間に作用する抗力よりも小さい。いくつかの実施形態では、いくつかの動作条件について、中間ＩＭＳＡ５８０などの専用の中間ＩＭＳＡのない実施形態に作用する正味抗力は、ＩＦＭＡ構成５６０に作用する正味抗力よりも大きい。いくつかの実施形態は、中間ＩＭＳＡ５８０と同様の方法で構成された、いくつかの中間ＩＭＳＡを含むことができることに留意していただきたい。ワゴン５７６などの複数のワゴンを、上流、中間、または下流のＩＭＳＡの間に配置できることに留意していただきたい。いくつかの実施形態では、隣接するワゴン間の接続は、道路またはレールのカーブまたは曲がり中にワゴンが互いに対して回転できるように構成された空力フェアリングを含む。
【0241】
上流ＩＭＳＡ５６７および中間ＩＭＳＡ５８０は、周囲の流体からエネルギーを抽出するように構成することができ、一方、下流ＩＭＳＡ５９６は、抽出したエネルギーの少なくとも一部を、ＩＦＭＡ構成５６０を囲む流体に適用するように構成することができる。ＩＦＭＡ構成５６０と同様の実施形態は、少なくとも１つの車輪にトルクを伝達することにより実施形態の推進に寄与するように構成された別個の牽引モーターを含むことができることに留意していただきたい。他の実施形態では、下流ＩＭＳＡ５９６により、実施形態の顕著な推力要件が提供される。
【0242】
図２１は、別のＩＦＭＡ構成６２０の側面図である。図２１に示される装置のいくつかの特徴、および装置の動作原理のいくつかは、他の図、および特に図７および図２０に示される装置と類似性を共有しているので、図２１の文脈で同じ詳細では説明されず、逆も同様である。
【0243】
ＩＦＭＡ構成６２０は、列車またはトラックとして説明することもでき、第１のワゴン６２１、第２のワゴン６３２、第３のワゴン６３３、第４のワゴン６３４、第５のワゴン６４６、および第６のワゴン６４７を含む。各ワゴンは、道路またはレール６５７に対するワゴンの動きを促進する、車輪６２３などの車輪によって支持されている。各ワゴンは、接続６２６などの接続によって隣接するワゴンに接続される。ワゴンは、支持構造によって車輪に回転可能に接続されている。
【0244】
上流ＩＭＳＡ６２７は、少なくとも第１のプロペラブレードおよび第２のプロペラブレードを備えたプロペラを囲むダクト６２８を備える、ダクト付きファンとして説明することができる。各プロペラブレードはハブに回転可能に接続され、ここで、回転軸はブレードの長軸に平行である。各プロペラブレードのピッチは、車両の動作条件に合わせて調整できる。上流ＩＭＳＡ６２７は、流れを減速し、残りの車両の局所的な自由流の流れを減らすように構成される。したがって、上流ＩＭＳＡ６２７は、推力ベクトル６３１によって示されるように、実施形態６２０に対して流体の流れの方向に向けられる推力を実施形態６２０に及ぼす。
【0245】
下流ＩＭＳＡ６５２は、ダクト付きファンとして説明できる。ＩＦＭＡ構成６２０では、実施形態６２０の製造コストを削減するために、第１のワゴン６２１は第６のワゴン６４７と同一である。第１のワゴン６２１は、第６のワゴン６４７とは異なる方法で動作することに留意していただきたい。下流ＩＭＳＡ６５２は、流れを加速するように構成されている。したがって、下流ＩＭＳＡ６５２は、推力ベクトル６５６によって示されるように、実施形態６２０に対して流体の流れの反対方向に向けられる推力を実施形態６２０に及ぼす。
【0246】
ＩＦＭＡ構成６２０は、実施形態５６０と同様に、１つの中間ＩＭＳＡを含むことができる。ＩＦＭＡ構成６２０では、中間ＩＭＳＡは、１つではなく２つのワゴン、すなわち第３のワゴン６３３および第４のワゴン６３４によって具体化される。これらのワゴンは両方とも、実施形態６２０の製造コストを削減するために、第６のワゴン６４７または第１のワゴン６２１と同一である。第３のワゴン６３３のダクト付きファン６３４は、この実施形態ではフェザリングされる。第４のワゴン６３４のダクト付きファン６４０は、図２０の中間ＩＭＳＡ５８０と同様の方法で構成される。したがって、ＩＭＳＡ６４０は、推力ベクトル６４４によって示されるように、実施形態６２０に対して流体の流れの方向に向けられる推力を実施形態６２０に及ぼす。
【0247】
上流ＩＭＳＡは、ＩＦＭＡ構成５６０または６２０の抗力を減らすことができる。抗力の減少は、ワゴンの粘性抗力の減少を含むことができる。抗力の減少は、上流ＩＭＳＡによるＩＦＭＡ構成５６０または６２０に対する、およびその近くの流体の流速の空間プロファイルの変更に関連付けられる。変更は、流体の流れの空間速度勾配の平均的な大きさの減少を指すことができる。上流および下流ＩＭＳＡの構成は、例えば、構造的または財政的制限などの制約を受けるＩＦＭＡ構成５６０または６２０の全電力消費を最小化する方法で数学的に最適化することができる。
【0248】
文脈から特定または明確にされていない限り、「または」という用語は、本書全体を通して「および／または」と同等である。本書に記載されている実施形態および方法は、本明細書に開示されている実施形態の原理を例示および例証することのみを意図している。実施形態は、示されていないいくつかの異なる方法で実行することができ、したがって、本書で説明するか、または図面に示す、例、配置、構成、または動作方法に限定されない。本明細書で提供される教示に基づいて、当業者は、明示的に図示または説明されていない多数の代替例、実施形態、配置、構成、または動作方法を考案できるであろう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
