CN1936526B - 具有改进的防冻加热器误差性能的全气温探头 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量全气温的全气温探头，它包括头部，头部具有气流入口、主气流出口以及位于气流入口和主气流出口之间的流动分离弯曲部。多个排放孔位于该流动分离弯曲部上。排放端空气出口连接到多个排放孔。该头部的几何形状设置成改进防冻加热器误差(DHE)性能。

Description

具有改进的防冻加热器误差性能的全气温探头
技术领域
本发明涉及全气温(TAT)探头或传感器。更具体的是，本发明涉及改进TAT探头中的防冻加热器误差(DHE)性能。
背景技术
现代的喷气动力飞机需要对外界气温(OAT)非常精确地测量，用于输入到空气数据计算机、发动机推力管理计算机和其它航空***。通常对于这些飞机类型、它们相关联的飞行条件以及全温度探头的使用，气温最好由以下四项温度定义：(1)静态气温(SAT)或(TS)，(2)全气温(TAT)或(Tt)，(3)恢复温度(Tr)，和(4)测量温度(Tm)。静态气温(SAT)或(TS)为该飞机将要飞行通过的未扰动的空气的温度。全气温(TAT)或(Tt)为通过100％转换飞行动能可以获得的最大气温。TAT的测量值是从恢复温度(Tr)推导出的，恢复温度为由于动能的不完全恢复飞机表面各个部分上的局部气温的绝热值。温度(Tr)又从测量温度(Tm)获得。测量温度(Tm)为测得的实际温度并因赋予的环境引起的传热效应与恢复湿度不同。对于测量TAT而言，TAT探头是本领域众所周知的。
虽然传统的TAT探头作为TAT传感器通常是非常有效的，但是有时却会遇到在结冰状态下工作的困难。在结冰状态下飞行时，水滴和/或冰晶被吸入到TAT探头中。在中等到恶劣的条件下，它们附着在内部传感元件开口的周围。冰脊会增长并最终剥离-暂时堵塞传感器并导致TAT读数误差。为了解决这个问题，传统TAT探头已包括弯头或弯曲部，以在颗粒到达传感元件之前从气流中惯性地分离这些颗粒。
给一些传统TAT探头设计带来困难的其它现象还与低质量流量下的边界层分离或“溢出”问题有关。对于TAT的精确测量，流动分离造成两个问题。第一个问题是不得不应对湍流和防止降低TAT的测量值而造成无可挽回的损失。第二个问题与必须加热探头以防止在结冰状态下形成冰的必要性有关。埋入在外壳壁上的加热元件有助于抗冰性。不过，如果控制不当，外部加热也会加热空气的内部边界层，在TAT测量中提供了外来的加热源。该误差类型，通常称之为DHE(防冻加热器误差)是很难校正的。通常，在TAT探头中，上述的惯性流动分离弯曲部具有沿着其内表面分布的通风或排放孔。孔通过排出端空气出口通风，到大致等于TAT探头外的静态大气压力的压力。这样，就形成了有利的压差，其通过排放孔移走部分边界层并将剩余的边界层销固在弯头的内壁上。
在某些状况下，由于沿着弯头内半径的流速较高，横跨排放孔的压差可降至零。通过排放孔的流动的停滞造成对边界层失去控制。由此引起的扰动，如果足够大，可导致边界层从内表面分离，并接触传感元件。因为外壳壁被加热，边界层也被加热。因此，由加热的边界层引起的主气流的任何污染将会导致TAT测量的相应误差。通常，很难防止一些排放孔的这种停滞。因此，DHE是很难防止或减小的。
发明内容
提供发明内容以简单地介绍对本发明构思的选择，在下面的具体实施方式部分将进一步描述。发明内容不是要指出要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不是要用作辅助确定要求保护的主题的范围。
用于测量全气温的全气温(TAT)探头包括头部，头部具有气流入口、主气流出口以及位于气流入口和主气流出口之间的流动分离弯曲部。多个排放孔位于流动分离弯曲部上。排放端空气出口连接到多个排放孔。排放端空气出口具有带曲线前端的周边形状。在一些实施例中，其它的头部特征设置有或提供有改进的TAT探头的防冻加热器性能(DHE)。例如，在一些实施例中，在气流入口的后部(朝向主气流出口)的位置处，头部具有最大宽度。而且，在一些实施例中，头部还具有非平面的底部外边缘或表面。
附图简述
图1-1和1-2为根据本发明一些实施例的全气温(TAT)探头的简要侧视图。
图2-1为现有技术TAT探头实施例的简要侧视图。
图2-2为根据图1-1和1-2的TAT探头实施例的简要侧视图。
图3为安装到飞机表面的本发明的TAT探头的简要透视图。
图4-1和4-2为将现有技术TAT探头的特征与根据本发明一些实施例的TAT探头特征相比较的简要端视图。
图5-1和5-2为将现有技术TAT探头的特征与根据本发明一些实施例的TAT探头特征相比较的简要侧视图。
图6-1至6-4为排放端空气出口周边形状的简图。
图7-1和7-2为示出TAT测量误差改进的坐标图。
具体实施方式
图1-1为根据本发明的全气温(TAT)探头100-1实施例的简要侧视图。TAT探头100-1包括由支柱120-1支撑的头部110。头部110具有气流入口130和主气流出口或出口通道140。气流进入气流入口130，其也被称为进气罩，气流在相对于探头100-1的方向上移动，例如该方向由箭头131表示。典型的是，TAT探头100-1在工作时安装到飞机表面160上，沿一个方向移动，该方向在与箭头131方向相反的方向上具有分量。进入到气流入口130中的一部分气流将通过主气流出口140排出。进入入口130的另一部分气流将会被转向进入传感器的流动通道280(如图2-2所示)。
如图2-2所示，头部110中的流动分离弯曲部或弯头270配置在气流入口130和主气流出口140之间，以使一部分气流转向进入传感器的流动通道280。TAT传感器285设置在传感器的流动通道280内，以本领域公知的方式测量TAT。如在图2-2中所示，传感器的流动通道280形成在支柱120内(例如，如图1-1所示的支柱120-1或如图1-2所示的支柱120-2)。
再如图2-2所示，流动分离弯曲部270包括多个排放孔275，排放孔275从不同的气流渠道或通道延伸到排放出口150。形成在头部110上的排放出口150在基本或大致垂直于气流131进入入口130方向的方向上或在基本或大致垂直于入口130和主气流出口140之间的气流方向的方向上在头部的侧壁之间侧向延伸。在下面会更加详细地描述，头部110包括已经找到的改进防冻加热器误差(DHE)性能的特征。公开实施例的一些特征与头部110的形状和尺寸相关，而其它的特征与排放端空气出口150的形状相关。
再参照图1-2，所示为根据本发明的第二TAT探头100-2实施例的简要侧视图。探头100-2不同于探头100-1的地方主要在于支柱120-2与支柱120-1的形状。引入图1-2所示的探头100-2的目的是强调支柱120-2的特定形状或尺寸不限制本发明的范围。在本申请的以下部分中，不再参照TAT探头实施例100-1或100-2，而是参照更加普通的TAT探头实施例100。参照TAT探头100是要包含两个实施例100-1和100-2以及其它实施例。同样，在TAT探头实施例的以下讨论中，不再参照支柱120-1和120-2，而是参照普通的支柱120。这种对支柱120的普通参照包含支柱实施例120-1、支柱实施例120-2以及其它支柱实施例。
出于参考目的，图2-1提供传统TAT探头200的简要剖视图。与TAT探头100相似，TAT探头200包括由支柱225支撑的头部210。头部包括气流入口215、主气流出口220和位于气流入口和主气流出口之间的流动分离弯曲部230。TAT探头200还包括形成在支柱225上的传感器的流动通道235、排放孔240和排放出口250。如同带有TAT探头100的例子，流动分离弯曲部230将一部分气流转向进入传感器的流动通道235。排放孔240排出一部分加热的边界层至横向延伸的排放出口250，以减小DHE。在几个方面，探头200不同于探头100。例如，探头200的头部210具有与探头100的头部110不同的形状。还有，探头200的排放端空气出口250的周边形状不同于探头100的排放端空气出口150的周边形状。已经发现，将这些特征差别单独或结合起来，以提供改进的DHE性能。
图3为飞机300一部分的简要透视图，其上可安装TAT探头100。图3示出可安装TAT探头100的不同表面，这些表面对应于在图1-1和1-2中示出的表面160的各个表面。提供图3所示的安装TAT探头的特定位置仅仅出于解释目的，并不是要指明在TAT探头100的具体应用中精确的安装位置。如图3所示，飞机300包括机身305和飞机引擎310。虽然TAT探头100可定位或安装在飞机300的其它表面，但是在这个具体实施例中，所示的TAT探头安装到机身305的外壳以及安装到引擎310的表面315。对于安装有TAT探头的该引擎，表面315形成风扇叶片320上游的引擎310的入口部分的一部分。也可用于其它飞机引擎表面。要重申的是，本发明不限于将TAT探头安装到飞机引擎表面或任何特殊的机身位置，而是出于测量TAT的目的，更广泛的是可以将TAT探头应用安装到任何飞机表面。
现参看图4-1和4-2，所示分别为传统TAT探头头部210和根据本发明的TAT探头的头部110。图4-1和4-2为头部210和110的简要的顶视图或端视图。从这些视图中看出，TAT探头的各个支柱位于头部下方。如在图4-1所见，在传统TAT探头210中，入口215为头部最宽的部分。在入口215之后，头部210的宽度向后逐渐缩减至主气流出口220。
相反，如在图4-2所示，TAT探头100的头部110在入口130处并不是最宽的，但却在入口的后边位置(沿气流方向相对于入口130)最宽。在图4-2所示出的特定实施例中，入口130具有由箭头430表示的宽度，而主气流出口140具有由箭头450代表的宽度。相对的侧壁422和424在气流入口130和主气流出口140之间头部的各个侧部延伸。尽管在图4-2中未示出，排放端空气出口150在侧壁422和424之间延伸通过头部110。在头部110的中间部分420，该中间部分420在气流入口130的后边(朝向主气流出口140)，头部具有由箭头440表示的宽度。该宽度440代表侧壁422和424之间头部110的最大宽度。最大宽度440比入口130处的宽度440大。
现参看图5-1和5-2，所示分别为相对于传统形状TAT探头头部210，TAT探头100的实施例中头部110其它特征的简要侧视图。如图5-1所示，通常TAT探头的头部210具有侧向延伸的排放端空气出口250，其具有泪珠状周边形状。该泪珠状周边形状在紧邻气流入口215的端部处具有尖锐的边缘510。头部210还具有基本上平的或平面的、在气流入口215和主气流出口220之间延伸的底部外边缘或表面515。
与之相比，TAT探头100的头部110具有改进的排放端空气出口的周边形状，以及改进的底部外边缘或表面形状。如参照附图6-1至6-4将作出的更加详细描述，头部110的排放端空气出口150具有带曲线前端520的周边形状。曲线前端520是最接近气流入口130的端部。排放端空气出口150的曲线前端部分520与传统TAT探头头部210的排放端空气出口250的尖锐角部510形成对比。
还有，在TAT探头100的头部110中，头部的底部外边缘或表面529不是基本平的或平面的。底部外边缘或表面529在气流入口130和主气流出口140之间向下弯曲。在一个示范实施例中，底部外边缘或表面529在邻近排放端空气出口150的区域为最低，并包括几个非平行的外边缘或表面段。例如，外边缘或表面段527从气流入口130朝着底部外边缘或表面529的中部向下延伸。而外边缘或表面段525从中部朝着主气流出口140向上延伸。
现参看图6-1至6-4，所示为根据本发明的各个排放端空气出口150的实施例的周边形状的简要图示。如图6-1所示，在排放端空气出口周边形状的总体的实施例150-1中，前端605(相应于5-2所示的前端520)是曲线形的。虽然在各种实施例中，前端或前部605是曲线形的，排放端空气出口150-1的其它部分也可是曲线形的，但是这不必是所有实施例的情形。在排放端空气出口的实施例150-1中，周边形状是以基本为鸡蛋形或椭圆形连续弯曲的。鸡蛋形，也称为椭圆形或卵圆形，为任何类似鸡蛋截面的曲线。这些形状可包括鸡蛋形状，例如在图6-1和6-2中所示的排放端空气出口实施例150-1和150-2所示，其中周边形状基本上是结合了一半椭圆形(由段615表示)和一半圆形(由段610表示)。在其它实施例中，也可采用其它椭圆形或卵圆(即鸡蛋)形。例如，图6-3示出排放端空气出口周边形状的实施例150-3，该形状为椭圆形曲线。同样，图6-4示出排放端空气出口周边形状的实施例150-4，该形状为圆形。
在排放端空气出口的周边形状为椭圆形或卵圆形的实施例中，可采用多个特征来描述大多数实施例。例如，这样的一些实施例有可辨别的(平滑的)、简单的(不自交叉)、封闭的、平面、曲线。而且，在这些实施例中，其形状具有至少一个对称轴。例如，如图6-2所示，椭圆形或鸡蛋形实施例150-2具有对称轴620。重要的是，还可采用其它椭圆形的实施例。而且，在所有实施例中周边形状不必是完整的椭圆形或蛋形。例如，在所有实施例中周边形状不必是沿着整个圆周连续弯曲。同样，圆周形状具有对称轴也不是必须的。也可采用带曲线前端605的其它形状。可采用基本为椭圆形或蛋形的圆周。这些实施例沿着圆周可以是曲线形的，但可以是稍稍不对称。这些椭圆形或蛋形可以被认为基本上椭圆形或蛋形。示例包括带有曲线端部和基本为直线侧部的椭圆类型的形状，但是其稍稍不对称。
现参考附图7-1和7-2，所示为TAT测量误差随具有头部110的TAT探头100的迎角(AOA)/侧滑而变化的坐标图(图7-1)，以及随具有传统头部的TAT探头的迎角(AOA)/侧滑而变化的坐标图(图7-2)。通过比较坐标图7-1和7-2可以看出，当采用具有上述根据本发明实施例的特征的头部110的TAT探头时，已发现DHE显著地较小。降低DHE改进在结冰状态下TAT探头的性能。
虽然已经以关于结构特征和/或方法论的效果的具体语言描述了主题，但是应当理解的是，在所附权利要求中限定的主题不必限于上述的具体特征或效果。而且，上述的具体特征和效果是作为实现权利要求的示例形式公开的。

Claims (13)

1.一种用于测量全气温的全气温探头，所述探头包括：
头部，所述头部具有气流入口、主气流出口以及位于所述气流入口和所述主气流出口之间的流动分离弯曲部，所述流动分离弯曲部具有多个排放孔；
传感器的流动通道，所述流动分离弯曲部相对于所述传感器的流动通道定位成使得进入所述气流入口的气流分离并由此使进入所述气流入口的气流的一部分转向进入所述传感器的流动通道，并且进入所述气流入口的气流的另一部分通过所述主气流出口排出；以及，
排放端空气出口，它连接到所述多个排放孔，所述排放端空气出口具有带曲线前端的周边形状，所述曲线前端为最接近气流入口的周边形状的部分。
2.根据权利要求1的全气温探头，其中，所述排放端空气出口形成在所述头部中并在基本垂直于气流入口和主气流出口之间的气流方向的方向上在所述头部的第一侧壁和第二侧壁之间侧向延伸。
3.根据权利要求2的全气温探头，还包括：
连接并支撑所述头部的支柱，其中所述传感器的流动通道形成在所述支柱内；以及
位于所述传感器的流动通道内的全气温传感器。
4.根据权利要求2的全气温探头，其中所述头部在气流入口处具有第一宽度，并且在朝向主气流出口的气流入口的后部具有最大的宽度，所述最大宽度大于所述第一宽度。
5.根据权利要求2的全气温探头，其中所述头部具有在气流入口和主气流出口之间延伸的非平面的底部外边缘。
6.根据权利要求2的全气温探头，其中所述头部具有在气流入口和主气流出口之间延伸的非平面的底部外表面。
7.根据权利要求1的全气温探头，其中所述排放端空气出口的周边基本为椭圆形。
8.根据权利要求7的全气温探头，其中基本为椭圆形是基本为圆形。
9.一种用于测量全气温的全气温探头，所述探头包括：
头部，所述头部具有气流入口、主气流出口以及位于所述气流入口和所述主气流出口之间的流动分离弯曲部，所述流动分离弯曲部具有多个排放孔，其中所述头部在气流入口处具有第一宽度并且在朝向主气流出口的气流入口的后部具有最大的宽度，所述最大宽度大于所述第一宽度，并且其中所述头部还包括排放端空气出口，所述排放端空气出口形成在所述头部中并且连接到所述多个排放孔，所述排放端空气出口在所述头部的第一和第二侧壁之间横向地延伸并且具有带曲线前端的周边形状，所述曲线前端为最接近气流入口的周边形状的部分；
连接并支撑所述头部的支柱，所述支柱具有形成在所述支柱中的传感器的流动通道，所述流动分离弯曲部相对于所述传感器的流动通道定位成使得进入所述气流入口的气流分离并由此使进入所述气流入口的气流的一部分转向进入所述传感器的流动通道，并且进入所述气流入口的气流的另一部分通过所述主气流出口排出；
形成在所述支柱内的传感器的流动通道；以及
位于所述传感器的流动通道内的全气温传感器。
10.根据权利要求9的全气温探头，其中所述头部具有在气流入口和主气流出口之间延伸的非平面的底部外边缘。
11.根据权利要求9的全气温探头，其中所述头部具有在气流入口和主气流出口之间延伸的非平面的底部外表面。
12.根据权利要求9的全气温探头，其中所述排放端空气出口的圆周基本为椭圆形。
13.根据权利要求12的全气温探头，其中基本为椭圆形是基本为圆形。
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