DE60225164T2

DE60225164T2 - Gesamtlufttemperatursonde mit verbesserter anti-icing-leistungsfähigkeit und verringertem enteisungsheizelementfehler

Info

Publication number: DE60225164T2
Application number: DE60225164T
Authority: DE
Inventors: Paul A. Apple Valley Ice; Charles R. Eden Prairie Willcox
Original assignee: Rosemount Aerospace Inc
Current assignee: Rosemount Aerospace Inc
Priority date: 2001-09-21
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2022-09-06
Also published as: ES2301707T3; DE60225164D1; US20030058919A1; US6840672B2; US6609825B2; EP1436581A1; WO2003027622A1; ATE386928T1; US20040037348A1; EP1436581B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Gesamtlufttemperatursonden (Total Air Temperature, TAT) oder -sensoren. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verbesserung der Anti-Icing-Fähigkeit und die Verringerung des Enteisungsheizelementfehlers (Deicing Heater Error, DHE) bei TAT-Sonden.
Moderne düsenbetriebene Luftfahrzeuge erfordern sehr akkurate Messungen der Außenlufttemperatur (Outside Air Temperature, OAT) zur Eingabe in den Luftdatencomputer und andere Bordanlagen. Für diese Luftfahrzeugtypen, deren Flugbedingungen und die Verwendung von Gesamtlufttemperatursonden im Allgemeinen wird die Lufttemperatur besser durch die folgenden vier Temperaturen definiert: (1) Statische Lufttemperatur (Static Air Temperature, SAT) oder (T_s), (2) Gesamtlufttemperatur (Total Air Temperature, TAT) oder (T_t), (3) Erholungstemperatur (T_r), und (4) Messtemperatur (T_m). (1) Die Statische Lufttemperatur (Static Air Temperature, SAT) oder (T_s) ist die Temperatur der ruhenden Luft, durch die das Luftfahrzeug fliegen wird. (2) Die Gesamtlufttemperatur (Total Air Temperature, TAT) oder (T_t) ist die maximale Lufttemperatur, die bei 100% Umwandlung der kinetischen Energie des Flugs erreicht werden kann. Die Messung der TAT leitet sich aus (3) der Erholungstemperatur (T_r) ab, welche der adiabatische Wert der lokalen Lufttemperatur an jedem Abschnitt der Luftfahrzeugoberfläche aufgrund unvollständiger Erholung der kinetischen Energie ist. Die Temperatur (T_r) wird wiederum aus (4) der Messtemperatur (T_m) erhalten, welche die tatsächliche gemessene Temperatur ist und von der Erholungstemperatur wegen Wärmeübertragungseffekten aufgrund der einwirkenden Umwelteinflüsse abweicht. Zum Messen der Gesamtlufttemperatur sind TAT-Sonden im Stand der Technik bestens bekannt.
Herkömmliche TAT-Sonden sind zwar häufig bemerkenswert effizient als TAT-Sensor, stoßen jedoch manchmal auf die Problematik, unter Vereisungsbedingungen funktionieren zu müssen. Während des Flugs unter Vereisungsbedingungen werden Wassertröpfchen und/oder Eiskristalle in die TAT-Sonde aufgenommen, wo sie sich unter moderaten bis schwierigen Bedingungen um die Öffnung des internen Sensorelements herum anlagern können. Ein Eiswulst kann heranwachsen und sich schließlich losreißen – und dadurch den Sensor vorübergehend zusetzen und einen Fehler in der TAT-Ablesung verursachen. Um dieses Problem zu lösen, verfügen herkömmliche TAT-Sonden über einen Bogen oder eine Krümmung, um diese Partikel trägheitsbedingt von dem Luftstrom zu trennen, bevor sie das Sensorelement erreichen. Diese Bauweise von herkömmlichen TAT-Sonden kann sehr effektiv beim Extrahieren von Partikeln mit Durchmessern von 5 Mikrometern oder größer sein. Bei der Bauweise vieler herkömmlicher TAT-Sonden wird der Prozess der Partikelextraktion jedoch weniger effizient, wenn es um das Entfernen von Partikeln unterhalb dieser Größe geht.
Ein weiteres Phänomen, das bei der Bauweise einiger herkömmlicher TAT-Sonden Schwierigkeiten bereitet, hat mit dem Problem der Grenzschichtablösung, oder "Überlauf", bei niedrigen Massenströmen zu tun. Die Strömungsablösung erzeugt zwei Probleme bei der akkuraten Messung der Gesamtlufttemperatur. Das erste hat mit Turbulenzen und der Erzeugung nicht regenerierbarer Verluste zu tun, welche den Messwert der Gesamtlufttemperatur verringern. Das zweite hängt mit der Notwendigkeit zusammen, dass die Sonde beheizt werden muss, um die Eisbildung unter Vereisungsbedingungen zu verhindern. Die Anti-Icing-Fähigkeit wird durch in die Gehäusewände eingebettete Heizelemente ermöglicht. Unglücklicherweise werden durch die Außenbeheizung auch die inneren Luftgrenzschichten erwärmt, was bei nicht korrekter Steuerung eine Fremdwärmequelle bei der Messung der Gesamtlufttemperatur darstellt. Diese Art von Fehler, der allgemein als DHE-Fehler (Deicing Heater Error, Enteisungsheizelementfehler) bezeichnet wird, ist schwer zu korrigieren. Bei herkömmlichen TAT-Sonden verfügt die oben beschriebene Trägheits-Strömungsablösungskrümmung über Abblas-, oder Durchtrittsöffnungen, die entlang der Innenfläche verteilt sind. Die Öffnungen entlüften hin zu einem Druck, der ungefähr dem statischen atmosphärischen Druck außerhalb der TAT-Sonde entspricht. Auf diese Weise wird eine vorteilhafte Druckdifferenz erzeugt, welche einen Teil der Grenzschicht durch die Durchtrittsöffnungen hindurch ableitet und die verbleibende Grenzschicht gegen die Innenwand des Bogens presst.
In bestimmten Situationen kann der Differenzialdruck an den Durchtrittsöffnungen aufgrund höherer Strömungsgeschwindigkeit entlang des Innenradius des Bogens auf Null fallen. Diese Stagnation der Strömung durch die Durchtrittsöffnungen erzeugt einen Verlust bei der Grenzschichtsteuerung. Die daraus resultierende Störung kann, wenn sie groß genug ist, dazu führen, dass sich die Grenzschicht von der Innenfläche löst und in Kontakt mit dem Sensorelement kommt. Da die Gehäusewände beheizt sind, ist es auch die Grenzschicht. Infolgedessen wird jede Verunreinigung des Hauptluftstroms mit der beheizten Grenzschicht zu einem entsprechenden Fehler in der Messung der Gesamtlufttemperatur führen. Es ist generell schwierig, die Stagnation an einigen der Durchtrittsöffnungen zu verhindern. Demgemäß ist auch der DHE schwer zu verhindern oder zu verringern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Gesamtlufttemperatursonde bereitgestellt, wie in den angehängten Ansprüchen beansprucht.
Eine Gesamtlufttemperatursonde, positionierbar auf einer Oberfläche eines Luftfahrzeugs zum Messen der Gesamtlufttemperatur umfasst eine Einlassschaufel, welche einen Luftstrom aus der Außenströmung aufnimmt, die sich aus einer ersten Richtung auf die Einlassschaufel zu bewegt. Ein erster Teil des in die Einlassschaufel eintretenden Luftstroms tritt aus der Sonde durch einen Hauptaustrittskanal aus. Ein zweiter Teil des Luftstroms tritt in einen TAT-Sensor-Strömungskanal ein, der sich in Längsrichtung entlang einer Achse erstreckt. Diese Achse ist ausgerichtet, um einen Winkel zwischen 35 Grad und 55 Grad zu der ersten Richtung zu bilden, aus welcher sich die Außenströmung auf die Einlassschaufel zu bewegt. Eine Sensoranordnung erstreckt sich in Längsrichtung in dem Sensor-Strömungskanal und misst eine Gesamtlufttemperatur des Luftstroms durch den Sensor-Strömungskanal. Durch Vergrößern des Winkels, durch den die Innenluft abgeleitet wird, wird eine bessere Trägheitsextraktion von Eis- und Wasserpartikeln realisiert. Als Ergebnis davon wird eine Zusetzung des Sensors durch angelagertes Eis wesentlich reduziert.
Eine zweite Verbesserung wird erreicht, indem das Sensorelement neu positioniert wird, um besser mit der Innenluftströmungsrichtung ausgerichtet zu sein. Dies trägt dazu bei, den DHE zu verringern, indem der beheizte Grenzschichtüberlauf auf das Sensorelement minimiert wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Gesamtlufttemperatursonde (TAT-Sonde) nach Stand der Technik, wobei Teile im Schnitt dargestellt sind.
2 ist eine schematische Darstellung der TAT-Sonde nach Stand der Technik aus 1, welche den Luftstrom durch die TAT-Sonde illustriert.
3A und 3B sind schematische Darstellungen einer TAT-Sonde nach Stand der Technik respektive einer TAT-Sonde gemäß der Erfindung, die einen Winkel θ zwischen einer Bewegungsrichtung der Außenströmung in die TAT-Sonde und einer Achse des Sensor-Strömungskanals illustrieren.
4A und 4B sind schematische Darstellungen der TAT-Sonde nach Stand der Technik und der TAT-Sonde der vorliegenden Erfindung, die in 3A respektive 3B gezeigt sind, welche den Luftstrom durch die TAT-Sonden illustrieren.
5A und 5B sind schematische Darstellungen eines Teils jeder der in 3A und 4A respektive 3B und 4B gezeigten TAT-Sonden, welche eine mechanische Vorrichtung zum Auffangen von Teilchen in den TAT-Sonden der vorliegenden Erfindung illustrieren.
6A und 6B illustrieren eine TAT-Sonde nach Stand der Technik respektive eine TAT-Sonde der vorliegenden Erfindung, wobei die Verbesserung bei der Steuerung des Grenzschichtüberlaufs zu sehen ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Gesamtlufttemperatursonde (TAT-Sonde) 100, wobei Teile im Schnitt dargestellt sind. Die TAT-Sonde oder der TAT-Sensor 100 umfasst ein Gehäuse oder Wände 102, welche einen Haupteinlass oder eine Haupteinlassschaufel 105 und einen Hauptaustrittskanal 110 formen, durch welchen die Luft aus der Außenströmung (außerhalb der Sonde) hindurchgeht. Außerdem ist in dem Gehäuse 102 eine Strömungsablösungskrümmung 115 ausgebildet, die einen Teil des Luftstroms zwischen der Einlassschaufel 105 und dem Hauptaustrittskanal 110 ableitet und diesen Teil in den TAT-Sensor-Strömungskanal 120 umleitet. In dem Sensor-Strömungskanal 120 ist die Sensoranordnung 125 positioniert, die ein Sensorelement 130 zum Erfassen der Gesamtlufttemperatur umfasst sowie einen Strahlungsschutz 135, der ringförmig um das Sensorelement 130 angeordnet ist.
Die Strömungsablösungskrümmung 115 umfasst eine innere Bogenwand 140, die dazu dient, einen Teil des Luftstroms in den Sensor-Strömungskanal 120 umzuleiten. In der inneren Bogenwand 140 sind Durchtrittsöffnungen oder Mündungen 145 enthalten, an denen ein Differenzialdruck aufrechterhalten wird, der zwischen dem inneren Kanal und einem externen Luftkanal 140A auftritt, um einen Teil des Luftstroms, der an die innere Bogenwand 140 angrenzt, abzuleiten und die beheizte Luftgrenzschicht zu steuern, um den Enteisungsheizelementfehler (Deicing Heater Error, DHE) zu reduzieren. Der TAT-Sensor-Strömungskanal 120 umfasst eine vordere Wand (relativ zu dem umgeleiteten Luftstrom in dem Sensorkanal) 150, und eine hintere Wand 155. Die vordere Wand 150 weist ein oberes Ende an Punkt 160 auf, an welchem die Wölbung der inneren Bogenwand 140 endet.
2 ist eine schematische Darstellung einer TAT-Sonde 100 nach Stand der Technik, in der die Luftströmungsmuster in, durch und aus der Sonde gezeigt werden. Wie in 2 zu sehen ist, tritt die Außenströmung in die Einlassschaufel 105 ein und bewegt sich in eine Richtung, oder entlang einer Achse, die durch die Pfeile 165 dargestellt ist. Sobald sich der Luftstrom in der Einlassschaufel 105 befindet, wird er durch eine Strömungsablösungskrümmung 115 solcher Art umgeleitet, dass ein Teil des Luftstroms in den TAT-Sensor-Strömungskanal 120 eintritt. Der Teil des Luftstroms, der in den Sensor-Strömungskanal 120 eintritt, strömt entlang dem Sensorelement 130, zwischen Schutz 135 und Sensorelement 130 hindurch, oder zwischen Schutz 135 und Wänden 150 und 155 hindurch, bevor er durch eine Austrittsöffnung austritt. Die verbleibende Luft, die nicht in den Sensor-Strömungskanal 120 eintritt, verlässt die TAT-Sonde 100 entweder durch eine Durchtrittsöffnung 145 oder durch den Hauptaustrittskanal 110. Wie in dem Abschnitt zum Hintergrund dargelegt, werden während des Flugs unter Vereisungsbedingungen Wassertröpfchen und/oder Eiskristalle in den Bereich zwischen Sensorelement 130 und Strahlungsschutz 135 aufgenommen, wobei sie mitunter vorübergehend den Sensor zusetzen und einen Fehler in der Gesamttemperaturablesung verursachen.
In 2 ist außerdem die Lage der TAT-Sonde 100 relativ zu der Außenhaut 175 eines Luftfahrzeugs dargestellt. Weiterhin ist das Elektronikgehäuse 170 zu sehen, das die Elektronik oder elektrischen Schaltkreise eines Typs enthält, der üblicherweise im Zusammenhang mit herkömmlichen TAT-Sonden zum Messen der Gesamtlufttemperatur eingesetzt wird. Wenn auch in den anderen Figuren nicht speziell dargestellt, können die TAT-Sonden der vorliegenden Erfindung ein Elektronikgehäuse und weitere bei TAT-Sonden übliche Merkmale umfassen.
3A und 3B sind Darstellungen einer TAT-Sonde 100 nach Stand der Technik respektive einer TAT-Sonde 300 der vorliegenden Erfindung. 3A zeigt die Ausrichtung des Sensor-Strömungskanals 120 relativ zu der Achse oder Bewegungsrichtung 165 der Außenströmung vor dem Eintritt in den Haupteinlass oder die Haupteinlassschaufel 105. Wie in 3A zu sehen, ist der Sensor-Strömungskanal 120 in der TAT-Sonde 100 nach Stand der Technik im Wesentlichen entlang einer Längsachse 180 ausgerichtet. Im Stand der Technik ist die Achse 180 des Sensor-Strömungskanals 120 solcherart relativ zu der Achse oder Richtung 165 der in den Einlass 105 eintretenden Außenströmung ausgerichtet, dass sie einen Winkel θ von ungefähr 90 Grad bildet.
3B ist eine schematische Darstellung einer TAT-Sonde 300 gemäß Ausführungen der vorliegenden Erfindung. Zwar weist die TAT-Sonde 300 gegenüber der TAT-Sonde 100 strukturelle Unterschiede auf, welche eine verbesserte Anti-Icing-Fähigkeit und einen verringerten DHE-Fehler bieten, doch sind auch Komponenten ähnlich denen der TAT-Sonde 100 vorhanden. Die TAT-Sonde 300 umfasst ein Gehäuse 302, das einen Strömungskanal zwischen dem Haupteinlass oder der Einlassschaufel 305 und dem Hauptaustrittskanal 310 bildet. Außerdem ist in dem Gehäuse 302 ein TAT-Sensor-Strömungskanal 320 ausgebildet, welcher einen Teil des an der Einlassschaufel 305 in die Sonde eintretenden Luftstroms aufnimmt. Der Sensor-Strömungskanal 320 ist zwischen der vorderen Wand 350 und der hinteren Wand 355 ausgebildet. Eine Sensoranordnung 125 (mit einem Sensorelement 130 und einem Strahlungsschutz 135, wie oben dargelegt) ist vorgesehen, wobei es sich dabei um im Wesentlichen die gleiche wie in der TAT-Sonde 100 handeln kann. Die mit der inneren Bogenwand 340 geformte Strömungsablösungskrümmung 315 dient zum Ableiten eines Teils des Luftstroms und zum Leiten dieses Teils des Luftstroms in den Sensor-Strömungskanal 320 zur Messung der Gesamtlufttemperatur. Die innere Bogenwand 340 umfasst außerdem Durchtrittsöffnungen oder Mündungen 345, um einen Differenzialdruck aufrechtzuerhalten, welcher einen Teil des Luftstroms ableitet und den Überlauf der beheizten Grenzschicht verhindert.
In der TAT-Sonde 300 ist der Sensor-Strömungskanal 320 im Wesentlichen entlang einer Längsachse 380 ausgebildet. Wie in 3B zu sehen, bildet die Achse 380 einen Winkel θ zu der Achse 165, welche die Bewegungsrichtung der Außenströmung unmittelbar vor dem Eintritt in den Sondenhaupteinlass 305 darstellt. Während dieser Winkel in der TAT-Sonde 100 nach Stand der Technik ungefähr 90 Grad beträgt, beträgt der Winkel θ in der TAT-Sonde 300 der vorliegenden Erfindung dagegen zwischen 35 Grad und 55 Grad. So hat sich in Simulationen gezeigt, dass ein Winkel von beispielsweise 45 Grad die Gesamtwassermasse reduziert, die auf den Sensorbereich auftrifft, wie detaillierter unten beschrieben wird. Anders ausgedrückt, hat sich eine Bogenkrümmung von etwa 135 Grad (180 Grad – θ) als besonders vorteilhaft erwiesen. Winkel θ zwischen 35 Grad und 55 Grad bewirken wahrscheinlich eine wesentlich verbesserte Eis- und Wasserextraktion und somit eine bessere Leistung unter Vereisungsbedingungen.
Beim Vergleich zwischen der herkömmlichen TAT-Sonde 100 und der TAT-Sonde 300 der vorliegenden Erfindung ist zu sehen, dass der Bogenkrümmungswinkel (180 Grad – θ) in der TAT-Sonde 300 schärfer ist und somit eine längere Bogenlänge der inneren Bogenwand 340 erzeugt. Außerdem ist das Sensorelement in der Sensoranordnung 125 in Längsrichtung entlang der Achse 380 neu positioniert, um besser mit dem Luftstromweg, der von dem TAT-Sensor-Strömungskanal 320 bereitgestellt wird, ausgerichtet zu sein. Diese zwei Merkmale tragen dazu bei, wesentliche Leistungsverbesserungen bei der TAT-Sonde 300 bereitzustellen. 4A und 4B stellen jeweils schematisch den Luftstrom in der TAT-Sonde 100 und 300 dar.
5A und 5B sind schematische Darstellungen der inneren Bogenwand, der vorderen Wand und der hinteren Wand der TAT-Sonden 100 respektive 300. Die Kurve 370 in 5A stellt die Flugbahn eines Partikels mit einem Durchmesser von 2,5 Mikrometern in den Sensor-Strömungskanal 120 in TAT-Sonde 100 dar. Die Kurve 375 5B stellt die Flugbahn eines Partikels mit einem Durchmesser von 2,5 Mikrometern in den Sensor-Strömungskanal 320 in TAT-Sonde 300 dar.
Wie in 5A zu sehen, wird bei der herkömmlichen TAT-Sondenkonfiguration ein Partikel mit einem Durchmesser von 2,5 Mikrometern häufiger der Flugbahn 370 folgen und somit leichter den Bogenbereich verlassen, ohne auf eine Wand aufzutreffen. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass das Partikel während des Betriebs unter atmosphärischen Vereisungsbedingungen auf dem Sensorelement auftrifft oder sich auf diesem anlagert (beispielsweise durch Gelangen in den inneren Teil des Strahlungsschutzes 135).
Im Gegensatz dazu zeigt 5B den typischen Weg eines Partikels mit einem Durchmesser von 2,5 Mikrometer in einer TAT-Sonde 300 der vorliegenden Erfindung während eines Beispielsatzes von Betriebsbedingungen. Wie in 5B zu sehen, veranlasst der höhere Krümmungsgrad des Bogens in TAT-Sonde 300 das Partikel, an der äußeren Bogenwand oder an einem oberen Teil der Wand 355 des Sensor-Strömungskanals 320 aufzuprallen. Somit ist es weniger wahrscheinlich, dass das Partikel in den Sensorbereich innerhalb des Strahlungsschutzes 135 gerät, und es kann folglich aus der Strömung extrahiert werden, wobei sich die Wahrscheinlichkeit einer Störung durch Vereisung bei der Gesamtlufttemperaturmessung verringert. Die Vorteile, die sich aus der Konfiguration und Ausrichtung des Sensorkanals in TAT-Sonde 300 hinsichtlich Wassertröpfchenextraktion ergeben, wurden mit Hilfe analytischer Modelltechniken bewiesen. Simulationen zeigen, dass die Bogenkrümmung von 135 Grad (θ ≈ 45 Grad) die Gesamtwassermasse, welche auf den Sensorbereich auftrifft, um bis zu 40% reduzieren kann. Diese Reduzierung verlängert die Zeit, in der sich Eis ansammelt, beinahe um den Faktor zwei gegenüber der Bauweise herkömmlicher TAT-Sonden bei Flugbetrieb unter moderaten bis schwierigen Flüssigwasser-Vereisungsbedingungen.
Die herkömmliche TAT-Sonde 100 und die TAT-Sonde 300 der vorliegenden Erfindung können auch verglichen werden, um die Unterschiede zwischen den beiden Bauweisen hinsichtlich des Grenzschichtüberlaufs zu illustrieren. Die Unterschiede bei der Grenzschichtüberlaufsfähigkeit sind in 6A und 6B dargestellt. Wie oben dargelegt führt die Luftgrenzschicht, die sich von der beheizten Bogenwand ablöst und in das Sensorelement eintritt, zu einem erhöhten DHE. Wie in 6A gezeigt, tritt auch ein Teil 400 des in die Sonde eintretenden Luftstroms durch den Hauptaustrittskanal aus. Ein weiterer Teil 405 der in die TAT-Sonde eintretenden Luft wird mit Hilfe der Strömungsablösungskrümmung (d. h. einschließlich der inneren Bogenwand 140) in den TAT-Sensor-Strömungskanal umgeleitet, wo er über das Sensorelement 130 strömt. Wie in 6A dargestellt, strömt dieser Teil 405 des Luftstroms in das Innere des Strahlungsschutzes 135. Da die innere Bogenwand 140 eine beheizte Oberfläche ist, wird auch eine Grenzschicht 410 der Luft entlang der inneren Bogenwand beheizt.
Wie in 6A dargestellt, ist die TAT-Sonde 100 solcherart konfiguriert, dass eine Anzahl der Durchtrittsöffnungen 145 stagnierend wird. Dies liegt daran, dass in bestimmten Situationen der Differenzialdruck an den Durchtrittsöffnungen aufgrund höherer Strömungsgeschwindigkeit entlang des Innenradius des Bogens auf Null fallen kann. Diese Stagnation der Strömung durch die Durchtrittsöffnungen erzeugt einen Verlust bei der Grenzschichtsteuerung. Die daraus resultierende Störung kann, wenn sie groß genug ist, dazu führen, dass sich die Grenzschicht 410 von der Innenfläche löst und in Kontakt mit dem Sensorelement kommt, wie in 6A dargestellt. Da die Gehäusewände beheizt sind, ist es auch die Grenzschicht und folglich wird jede Verunreinigung des Hauptluftstroms mit der beheizten Grenzschicht zu einem entsprechenden Fehler in der Messung der Gesamtlufttemperatur führen. Es ist generell schwierig, die Stagnation an einigen der Durchtrittsöffnungen zu verhindern. Wie jedoch unter Bezug auf 6B dargelegt wird, kann das Sensorelement in der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise in dem Sensor-Strömungskanal 320 neu positioniert werden, um somit dazu beizutragen, die Auswirkungen des Grenzschichtüberlaufs zu reduzieren.
Bezug nehmend auf 6B ist die TAT-Sonde 300 der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei der Sensor-Strömungskanal 320 einen Winkel relativ zu der Richtung des einströmenden Luftstroms (unmittelbar vor dem Eintritt in die Einlassschaufel) bildet, wie oben erörtert. Ebenso wie im Falle der in 6A dargestellten TAT-Sonde 100 tritt ein Teil 500 des in die Sonde eintretenden Luftstroms durch den Hauptaustrittskanal 110 aus, wogegen ein weiterer Teil 505 mit Hilfe der Strömungsablösungskrümmung solcherart umgeleitet wird, dass er in den Sensorbereich 130 in dem Sensor-Strömungskanal 320 eintritt. Ebenso wie bei dem TAT-Sensor 100 führt die beheizte Oberfläche der inneren Bogenwand dazu, dass eine Grenzschicht 510 eine Temperatur aufweist, welche die Messung der Gesamtlufttemperatur negativ beeinflussen kann. Wiederum werden Durchtrittsöffnungen 345 eingesetzt, um die Grenzschicht 510 zu steuern. Die Konfiguration der TAT-Sonde der vorliegenden Erfindung trägt dazu bei, die Anzahl der stagnierenden Durchtrittsöffnungen zu reduzieren, um den Grenzschichtüberlauf zu reduzieren, und die Sensoranordnung 125 (d. h. Sensorelement 130 und Strahlungsschutz 135) solcherart zu positionieren, dass die Auswirkungen des Grenzschichtüberlaufs verringert werden.
Wie in 6A zu sehen, endet die innere Bogenwand 140 in TAT-Sonde 100 an Punkt 160, an welchem sie auf die vordere Wand 150 trifft. Die Tangente an der inneren Bogenwand 140 an Punkt 160 bildet einen Winkel ϕ von etwa 90 Grad relativ zu der vorderen Wand 150. Dieser scharfe Winkel ermöglicht eine Rezirkulation der Strömung und kann dazu führen, dass ein Grenzschichtüberlauf möglicherweise in den Sensorbereich eintritt und einen DHE verursacht.
Nun Bezug nehmend auf 6B befindet sich in der vorliegenden Erfindung Punkt 360 dort, wo die innere Bogenwand 340 auf die vordere Wand 350 des Sensor-Strömungskanals 320 trifft. An Punkt 360 weist die Wölbung oder gekrümmte Oberfläche der inneren Bogenwand eine Tangente auf, die einen sehr viel kleineren Winkel ϕ zu Wand 350 bildet. Die Verringerung von Winkel ϕ verringert die Rezirkulation der Strömung und den Grenzschichtüberlauf. Da in der Konfiguration der TAT-Sonde 300 die Achse des Sensorelements mit der Strömung ausgerichtet ist, ist es im Vergleich zu der in 6A dargestellten Standard-Konfiguration sehr viel unwahrscheinlicher, dass eine auftretende Strömungsablösung in den Sensor eintritt. Außerdem eliminiert die in 6B dargestellte Konfiguration der vorliegenden Erfindung einen Ablösungs- und Rezirkulationsbereich, der sich an der Basis des Bogens (d. h. an Punkt 360) befindet, wodurch eine einheitlichere Strömung über das Sensorelement unterstützt wird.
Zwar wurde die vorliegende Erfindung unter Bezug auf die bevorzugten Ausführungen beschrieben, doch werden Fachleute erkennen, dass Änderungen in Form und Details vorgenommen werden können, ohne dabei von dem Gültigkeitsbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims

Gesamtlufttemperatursonde (300), positionierbar auf einer Oberfläche eines Luftfahrzeugs zum Messen der Gesamtlufttemperatur, wobei die Sonde umfasst: eine Einlassschaufel (305), welche einen Luftstrom aus der Außenströmung aufnimmt, wobei sich die Außenströmung aus einer ersten Richtung auf die Einlassschaufel zu bewegt; einen Hauptaustrittskanal, durch welchen ein erster Teil des in die Einlassschaufel eintretenden Luftstroms aus der Sonde austritt; einen TAT-Sensor-Strömungskanal (320), der sich in Längsrichtung entlang einer Achse (380) erstreckt, wobei die Achse ausgerichtet ist, um einen Winkel θ zu der ersten Richtung zu bilden, aus welcher sich die Außenströmung auf die Einlassschaufel (305) zu bewegt; eine Sensoranordnung (125), die sich in Längsrichtung in dem Sensor-Strömungskanal (320) erstreckt und dazu konfiguriert ist, eine Gesamtlufttemperatur des Luftstroms durch den Sensor-Strömungskanal (320) zu messen; dadurch gekennzeichnet, dass: der Winkel θ zwischen 35 Grad und 55 Grad beträgt.
Sonde (300) nach Anspruch 1, wobei der Winkel θ 45 Grad beträgt.
Sonde (300) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Strömungsablösungskrümmung (315), angeordnet zwischen der Einlassschaufel (305) und dem Hauptaustrittskanal (310), wobei die Strömungsablösungskrümmung (315) einen zweiten Teil des in die Einlassschaufel eintretenden Luftstroms in den TAT-Sensor-Strömungskanal (320) ableitet.
Sonde (300) nach Anspruch 1, in welcher die Strömungsablösungskrümmung (315) eine innere Bogenwand (340) umfasst, die eine gekrümmte Oberfläche zwischen der Einlassschaufel und einer ersten Wand (350) des Sensor-Strömungskanals (320) bildet, wobei die innere Bogenwand (340) eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (345) umfasst, die solcherart zu einem externen Luftkanal (340A) hin entlüften, dass ein Differenzdruck besteht, was die Steuerung einer an die innere Bogenwand (340) angrenzenden Luftgrenzschicht ermöglicht, wobei die Sonde weiterhin eine Heizeinrichtung zum Beheizen der inneren Bogenwand (340) umfasst.
Sonde (300) nach Anspruch 4, wobei die gekrümmte Oberfläche der inneren Bogenwand (340) an einem Schnittpunkt zwischen der inneren Bogenwand und der ersten Wand des Sensor-Strömungskanals endet.
Sonde (300) nach Anspruch 5, wobei eine Tangente an der gekrümmten Oberfläche der inneren Bogenwand an dem Schnittpunkt einen Winkel ϕ zu der ersten Wand (350) des Sensor-Strömungskanals (320) von weniger als 90 Grad bildet.
Sonde (300) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, in welcher der TAT-Sensor-Strömungskanal erste und zweite Wände (350, bzw. 355) aufweist, welche sich in Längsrichtung entlang der Achse (380) erstrecken, wobei die Gesamttemperatursonde weiterhin umfasst: eine Strömungsablösungskrümmung (315), angeordnet zwischen der Einlassschaufel (305) und dem Hauptaustrittskanal (310), wobei die Strömungsablösungskrümmung (315) eine innere Bogenwand (340) umfasst, welche eine gekrümmte Oberfläche bildet, die an einem Schnittpunkt zwischen der inneren Bogenwand (340) und der ersten Wand (350) des Sensor-Strömungskanals (320) endet, wobei eine Tangente an der gekrümmten Oberfläche der inneren Bogenwand einen Winkel ϕ zu der ersten Wand des Sensor-Strömungskanals von weniger als 90 Grad bildet; und eine Heizeinrichtung zum Beheizen der inneren Bogenwand (340).
Sonde (300) nach Anspruch 7, wobei die innere Bogenwand eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (345) aufweist, die solcherart zu einem externen Luftkanal (340A) hin entlüften, dass ein Differenzdruck besteht, was die Steuerung einer an die innere Bogenwand angrenzenden Luftgrenzschicht ermöglicht.