BR102014021913B1 - sensor de temperatura total do ar - Google Patents
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Abstract
SENSOR DE TEMPERATURA TOTAL DO AR. Um sensor de temperatura total do ar inclui um corpo de aerofólio supercrítico que se estende desde uma base do aerofólio até uma ponta do aerofólio oposta ao longo de um eixo longitudinal. O corpo do aerofólio supercrítico define uma passagem de fluxo interna com uma entrada para comunicação fluída do fluido na passagem de fluxo interno e uma saída para liberar o fluido para fora da passagem de fluxo interna. Uma sonda de temperatura é montada dentro da passagem de fluxo interna para medir a temperatura do fluxo através da passagem de fluxo interna para determinar a temperatura total do ar.
Description
[0001] A presente divulgação refere-se a sensores de temperatura e, mais particularmente, a sensores de temperatura total do ar, tais como usados em aplicações aeroespaciais.
[0002] Aeronaves de propulsão a jato modernas exigem medição muito precisa de temperatura do ar externo para entradas para o computador de dados de ar, computador de gerenciamento de impulso do motor e outros sistemas no ar. Para esses tipos de aeronaves, suas condições de voo associadas e o uso de sondas de temperatura total do ar, em geral, a temperatura do ar é mais bem definida pelas seguintes quatro temperaturas: (1) Temperatura do ar estático (SAT) ou (Ts), (2) temperatura total do ar (TAT) ou (Tt), (3) temperatura de recuperação (Tr) e (4) temperatura medida (Tm). A temperatura do ar estático (SAT) ou (Ts) é a temperatura do ar imperturbado através da qual a aeronave está prestes a voar. A temperatura total do ar (TAT) ou (Tt) é a temperatura máxima do ar que pode ser alcançada por 100% de conversão da energia cinética do fluxo. A medição da TAT é derivada da temperatura de recuperação (Tr), que é o valor adiabático da temperatura do ar local em cada porção da superfície da aeronave devido à recuperação incompleta da energia cinética. A temperatura de recuperação (Tr) é obtida a partir da temperatura medida (Tm), que é a temperatura real, conforme medida, e que pode diferir da temperatura de recuperação por causa dos efeitos de transferência de calor devidos aos ambientes impostos.
[0003] Os sensores de temperatura total do ar usados para as entradas de motores de turbina a gás, por exemplo, podem usar membros em forma de aerofólio com fendas posicionadas de modo que o fluxo de gás a ser sentido passe através de uma das fendas, e o elemento do sensor de temperatura são montados na fenda. Exemplos desses sistemas são divulgados na Patente U.S. N°. 3.512.414, que está incorporado em sua totalidade neste documento por referência. Esses designs de sensor podem atenuar os efeitos de objetos estranhos em alta velocidade sendo ingeridos pelo motor, e podem incluir provisões para o degelo.
[0004] Um desafio persistente para as medições de temperatura total do ar está associado com a operação em números de Mach mais altos. Efeitos de compressibilidade que ocorrem em números de Mach mais altos podem alterar o padrão de fluxo desejado através de sensores tradicionais, com potencial redução no tempo de resposta, por exemplo, se há fluxo reduzido banhando o elemento de sensor real.
[0005] Esses métodos e sistemas convencionais foram geralmente considerados satisfatórios para a sua finalidade pretendida. No entanto, ainda há uma necessidade na técnica de sistemas e métodos que permitam melhor desempenho do sensor de temperatura total do ar, incluindo melhor tempo de resposta e erro de recuperação em números de Mach elevados. Também permanece uma necessidade na técnica desses sistemas e métodos que sejam fáceis de fabricar e usar. A presente divulgação fornece uma solução para esses problemas.
[0006] Um sensor de temperatura total do ar inclui um corpo de aerofólio supercrítico que se estende desde uma base do aerofólio até uma ponta do aerofólio oposta ao longo de um eixo longitudinal. O corpo do aerofólio supercrítico define uma passagem de fluxo interna com uma entrada para comunicação fluída do fluido na passagem de fluxo interno e uma saída para liberar o fluido para fora da passagem de fluxo interna. Uma sonda de temperatura é montada dentro da passagem de fluxo interna para medir a temperatura do fluxo através da passagem de fluxo interna para determinar a temperatura total do ar. A base do aerofólio pode incluir um flange de montagem para a montagem do corpo do aerofólio supercrítico em uma estrutura de apoio. Está contemplado que o corpo do aerofólio supercrítico pode definir uma superfície de alta pressão e uma superfície de baixa pressão oposta, cada uma se estendendo longitudinalmente da base do aerofólio à ponta do aerofólio, em que cada uma das superfícies de alta e baixa pressão se estende a jusante de uma borda dianteira a uma borda traseira do corpo do aerofólio supercrítico.
[0007] A entrada da passagem de fluxo interna pode ser definida na superfície de alta pressão, e a saída da passagem de fluxo interna pode ser definida na superfície de baixa pressão. A entrada e saída da passagem de fluxo interna podem, cada uma, definir uma abertura alongada que se estende axialmente ao longo de uma superfície longitudinal exterior respectiva do corpo do aerofólio supercrítico. Também está contemplado que a entrada da passagem de fluxo interna pode ser definida axialmente na ponta do aerofólio, e a saída da passagem de fluxo interna pode definir um par de aberturas alongadas, cada uma se estendendo axialmente ao longo de uma de duas superfícies longitudinais exteriores opostas respectiva do corpo do aerofólio supercrítico, por exemplo.
[0008] Em determinadas modalidades, o corpo do aerofólio supercrítico define um aerofólio supercrítico com um local de choque normal característico a jusante da entrada e saída da passagem de fluxo interna. O aerofólio supercrítico pode se estender de uma borda dianteira a uma borda traseira que se estende a jusante do local de choque normal característico. Também está contemplado que o aerofólio supercrítico pode se estender de uma borda dianteira a uma borda traseira truncada que termina a montante do local de choque normal característico.
[0009] Essas e outras características dos sistemas e métodos da divulgação do objeto se tomarão mais facilmente evidentes para aqueles versados na técnica a partir da seguinte descrição detalhada das modalidades preferenciais tomadas em conjunto com as figuras.
[00010] Para que esses versados na técnica aos quais pertence a divulgação do objeto entendam facilmente como fabricar e usar os dispositivos e métodos da divulgação do objeto sem experimentação indevida, as modalidades preferenciais da mesma serão descritas em detalhes abaixo neste documento com referência a determinadas figuras, em que:
[00011] A Fig. 1 é uma vista em perspectiva de uma modalidade exemplar de um sensor de temperatura total do ar construído em conformidade com a presente divulgação, mostrando o sensor montado na entrada de um motor de turbina a gás;
[00012] A Fig. 2 é uma vista em perspectiva do sensor da Fig. 1, mostrando o aerofólio supercrítico com aberturas de entrada e de saída da passagem de fluxo interna definida nas superfícies de alta e baixa pressão, respectivamente;
[00013] A Fig. 3 é uma vista transversal em elevação final do sensor da Fig. 1, mostrando esquematicamente o fluxo para dentro e para fora da passagem de fluxo interna para medições de temperatura total do ar;
[00014] A Fig. 4 é uma vista em perspectiva de outra modalidade exemplar de um sensor de temperatura total do ar construído em conformidade com a presente divulgação, mostrando uma borda traseira truncada que termina a montante do local de choque normal característico;
[00015] A Fig. 5 é uma vista transversal em elevação final do sensor da Fig. 4, mostrando esquematicamente o fluxo para dentro e para fora da passagem de fluxo interna para medições de temperatura total do ar;
[00016] A Fig. 6 é uma vista em perspectiva de outra modalidade exemplar de um sensor de temperatura total do ar construído em conformidade com a presente divulgação, mostrando esquematicamente o fluxo entrando na passagem de fluxo interna, através de uma abertura axialmente definida na ponta do aerofólio, e saindo através de um par de aberturas alongadas;
[00017] A Fig. 7 é uma vista transversal em elevação final do sensor da Fig. 6, mostrando esquematicamente o fluxo para dentro e para fora da passagem de fluxo interna para medições de temperatura total do ar; e
[00018] A Fig. 8 é uma vista em perspectiva de outra modalidade exemplar de um sensor de temperatura total do ar construído em conformidade com a presente divulgação, mostrando um aerofólio supercrítico truncado com uma abertura axialmente definida na ponta do mesmo.
[00019] Será feita agora referência às figuras, em que numerais de referência semelhantes identificam características ou aspectos estruturais semelhantes da divulgação do objeto. Para fins de explicação e ilustração, e de não limitação, uma vista parcial de uma modalidade exemplar de um sensor de temperatura total do ar, em conformidade com a divulgação, é mostrada na Fig. 1 e é geralmente designada pelo caractere de referência 100. Outras modalidades de sondas ou sensores de temperatura total do ar, em conformidade com a divulgação, ou aspectos dos mesmos, são fornecidas nas Figs. 2-8, conforme será descrito. Os sistemas e métodos descritos neste documento podem ser usados para melhorar o desempenho do sensor de temperatura total do ar, por exemplo, em altos números de Mach.
[00020] Conforme mostrado na Fig. 1, o sensor de temperatura total do ar 100 pode ser montado na entrada de um motor de turbina a gás 10 numa aeronave 20, por exemplo. Aqueles versados na técnica reconhecerão facilmente que esta aplicação é apenas exemplar, e que os sensores, em conformidade com esta divulgação, podem ser usados em qualquer outra posição adequada em uma aeronave ou em qualquer outra aplicação adequada, sem se desviar do escopo desta divulgação.
[00021] Com referência agora à Fig. 2, o sensor 100 inclui um corpo de aerofólio supercrítico 102 que se estende de uma base do aerofólio 104 a uma ponta do aerofólio oposta 106 ao longo de um eixo longitudinal A. A base do aerofólio 104 inclui um flange de montagem para a montagem do corpo do aerofólio 102 em uma estrutura de apoio, tal como a entrada do motor representado na Fig. 1. Conforme mostrado na Fig. 3, o corpo do aerofólio 102 define uma passagem de fluxo interna 108 com uma entrada 110 para comunicação fluída do fluido na passagem de fluxo interno 108 e uma saída 112 para liberar o fluido para fora da passagem de fluxo interna 108. Uma sonda de temperatura 114 é montada dentro da passagem de fluxo interna 108 para medir a temperatura do fluxo através da passagem de fluxo interna 108 para determinar a temperatura total do ar no sensor externo ao fluxo 100. Efeitos compressivos no fluxo através da passagem de fluxo interna 108 tomam possível que as medições de temperatura pela sonda de temperatura 114 sejam indicativas da temperatura total do ar do fluxo de ar externo ao sensor 100.
[00022] Com a referência ainda à Fig. 3, o corpo do aerofólio supercrítico 102 define uma superfície de alta pressão 116 e uma superfície de baixa pressão oposta 118, cada uma se estendendo longitudinalmente da base do aerofólio 104 à ponta do aerofólio 106, que são mostradas na Fig. 2. Cada uma das superfícies de alta e baixa pressão 116ell8se estende a jusante de uma borda dianteira 120 a uma borda traseira 122 do corpo do aerofólio 102. A entrada 110 é definida na superfície de alta pressão 116, e a saída 112 é definida na superfície de baixa pressão 118, para fornecer potencial de acionamento para o fluxo através da passagem interna 108.
[00023] Conforme mostrado na Fig. 2, a entrada 110 e a saída 112, cada uma, definem uma abertura alongada que se estende axialmente ao longo de uma superfície longitudinal externa respectiva do corpo do aerofólio 102, isto é, a superfície de alta pressão 116 e a superfície de baixa pressão 118, respectivamente. Uma vez que o corpo do aerofólio 102 forma um aerofólio supercrítico, isto retarda a formação de um choque, o que significa que isto define um local de choque normal característico próximo à borda traseira 122, conforme indicado esquematicamente pelas linhas de choque na Fig. 3. uma vez que esse local de choque normal característico está a jusante da entrada 110 e da saída 112, o fluxo através da passagem de fluxo interna 108 não é interrompido por fluxos externos em números de Mach altos o suficiente para formar um choque normal. Esta estrutura permite que o sensor 100 tenha maior fluxo banhando a sonda de temperatura 114 do que nas configurações tradicionais, onde um choque é formado. Portanto, o tempo de resposta e o erro de recuperação do sensor 100 permanecem substancialmente não afetados pela formação de um choque normal conforme o fluxo externo se aproxima de números de Mach mais altos, por exemplo, em comparação aos sensores tradicionais.
[00024] Na Fig. 3, o aerofólio supercrítico se estende de uma borda dianteira 120 a uma borda traseira 122 que se estende a jusante do local de choque normal característico. Com referência agora à Fig. 4, o sensor de temperatura total do ar 200 é semelhante ao sensor 100 descrito acima, no entanto, o aerofólio supercrítico do corpo do aerofólio 202 se estende de uma borda dianteira 220 a uma borda traseira truncada 222. Conforme mostrado na Fig. 5, a borda traseira 222 termina a montante do local de choque normal característico, que é indicado esquematicamente pela linha de choque na Fig. 5, para fornecer melhor tempo de resposta e erro de recuperação mesmo em altos números de Mach, conforme descrito acima para o sensor 100. Com exceção da borda traseira 222 estando truncada a montante do local de choque normal, o aerofólio a montante do sensor 200 é idêntico àquele no sensor 100, e o fluxo através da passagem de fluxo interna 208 é semelhante àquele descrito acima para o sensor 100, conforme indicado esquematicamente pelas setas de fluxo na Fig. 5. Aqueles versados na técnica reconhecerão facilmente que a borda traseira truncada 222 do sensor 200 permite uma maior passagem de elemento para um dado comprimento de corda e faz com que o corpo do aerofólio 202 seja mais leve do que o corpo do aerofólio 102.
[00025] Referindo-se agora à Fig. 6, outra modalidade exemplar é mostrada, a saber, o sensor de temperatura total do ar 300. O sensor 300 é semelhante ao sensor 100 descrito acima, no entanto, a entrada 310 da passagem de fluxo interna no sensor 300 é definida axialmente na ponta do aerofólio do corpo do aerofólio 302. A saída da passagem de fluxo interna no sensor 300 é um par de aberturas alongadas 312, cada uma se estendendo axialmente ao longo de uma de duas superfícies longitudinais externas opostas respectiva do corpo do aerofólio 302. As setas grandes na Fig. 6 indicam esquematicamente o fluxo para dentro e para fora da passagem de fluxo interna. Conforme indicado esquematicamente pelas setas de fluxo e pela linha de choque na Fig. 7, as aberturas de entrada 310 e de saída 312 estão todas localizadas a montante do local de choque normal característico do aerofólio supercrítico, para fornecer o tempo de resposta e erro de recuperação mesmo em altos números de Mach descritos acima em relação ao sensor 100. A Fig. 8 mostra outra modalidade exemplar de um sensor supercrítico de temperatura total do ar 400 que é semelhante ao sensor 300, incluindo a configuração de entrada e saída, mas tem uma borda traseira truncada 422 como o sensor 200 descrito acima. O local de choque normal não é mostrado para o sensor 400, mas veja, por exemplo, o local de choque normal mostrado na Fig. 5. A configuração do sensor 400 fornece melhor tempo de resposta e erro de recuperação em altos números de Mach em relação aos sensores tradicionais, conforme descrito acima em relação aos sensores 100, 200 e 300.
[00026] Embora os sensores 100, 200, 300 e 400 sejam mostrados e descritos sem um dispositivo de degelo, aqueles versados na técnica reconhecerão facilmente que, um dispositivo de degelo, tal como um aquecedor elétrico ou dispositivo mecânico (por exemplo, pneumático), pode ser adicionado em ou perto das bordas dianteiras para impedir o acúmulo de gelo.
[00027] Além de fornecer melhor tempo de resposta e erro de recuperação em altos números de Mach em relação aos sensores tradicionais, os sistemas e métodos divulgados neste documento podem permitir melhor desempenho durante condições de congelamento, ser de baixo arranque, causar transtorno de rastro mínimo, produzir menos ruído aerodinâmico induzido e fornecer um design simples de baixo custo em relação aos sensores tradicionais. Aqueles versados na técnica reconhecerão facilmente que com seleção apropriada do aerofólio, melhor desempenho do sensor de temperatura total do ar, incluindo melhor tempo de resposta e erro de recuperação, pode ser obtido para ângulos de ataque de até ±10°. Aqueles versados na técnica também reconhecerão facilmente que o ângulo de incidência do aerofólio pode ser ajustado conforme o necessário para obter o desempenho desejado.
[00028] Embora mostrado e descrito no contexto exemplar do fluxo de ar, aqueles versados na técnica reconhecerão facilmente que as medições de temperatura total do ar são apenas exemplares. Medições semelhantes podem ser feitas para qualquer outro fluido adequado usando as técnicas descritas neste documento, sem se desviar do escopo desta divulgação.
[00029] Os métodos e sistemas da presente divulgação, conforme descritos acima e mostrados nas figuras, fornecem sensores de temperatura total do ar com propriedades superiores, incluindo melhor tempo de resposta em altos números de Mach em relação aos sensores tradicionais. Embora os aparelhos e métodos da divulgação do objeto tenham sido mostrados e descritos com referência às modalidades preferenciais, aqueles versados na técnica reconhecerão facilmente que alterações e/ou modificações podem ser feitas, sem se desviar do espírito e do escopo da divulgação do objeto.
Claims (15)
1. Sensor de temperatura total do ar (100), caracterizadopelo fato de que compreende: um corpo de aerofólio supercrítico (102) que se estende de uma base do aerofólio (104) a uma ponta do aerofólio oposta (106) ao longo de um eixo longitudinal, em que o corpo do aerofólio supercrítico define uma passagem de fluxo interna (108) com uma entrada (110) para comunicação fluída do fluido na passagem de fluxo interna (108) e uma saída (112) para liberar o fluido para fora da passagem de fluxo interna (108); e uma sonda de temperatura (114) montada dentro da passagem de fluxo interna (108) para medir a temperatura do fluxo através da passagem de fluxo interna (108) para determinar a temperatura total do ar .
2. Sensor de temperatura total do ar (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o corpo de aerofólio supercrítico (102) define um aerofólio supercrítico com um local de choque normal característico a jusante da entrada (110) e da saída (112) da passagem de fluxo interna (108).
3. Sensor de temperatura total do ar (100) de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de que o aerofólio supercrítico se estende desde uma borda dianteira (120) até uma borda traseira (122) que se estende a jusante do local de choque normal característico.
4. Sensor de temperatura total do ar (100) de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de que o aerofólio supercrítico se estende desde uma borda dianteira (220) até uma borda traseira truncada (222) que termina a montante do local de choque normal característico.
5. Sensor de temperatura total do ar (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o corpo de aerofólio supercrítico (102) define uma superfície de alta pressão e uma superfície de baixa pressão oposta, cada uma se estendendo longitudinalmente da base do aerofólio (104) à ponta do aerofólio (106), e cada uma das superfícies de alta e baixa pressão se estende a jusante de uma borda dianteira (120) a uma borda traseira (122) do corpo de aerofólio supercrítico (102), e a entrada (110) da passagem de fluxo interna (108) é definida na superfície de alta pressão.
6. Sensor de temperatura total do ar (100) de acordo com a reivindicação 5, caracterizadopelo fato de que a saída (112) da passagem de fluxo interna (108) é definida na superfície de baixa pressão.
7. Sensor de temperatura total do ar (100) total de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a entrada (110) da passagem de fluxo interna (108) é definida axialmente na ponta do aerofólio (106).
8. Sensor de temperatura total do ar (100) de acordo com a reivindicação 7, caracterizadopelo fato de que o corpo de aerofólio supercrítico (102) define uma superfície de alta pressão e uma superfície de baixa pressão oposta, cada uma se estendendo longitudinalmente da base do aerofólio (104) à ponta do aerofólio (106), sendo que cada uma das superfícies de alta e baixa pressão se estende a jusante de uma borda dianteira (120) a uma borda traseira (122) do corpo de aerofólio supercrítico (102), e a saída (112) da passagem de fluxo interna (108) é definida em uma ou mais das superfícies de alta e baixa pressão.
9. Sensor de temperatura total do ar (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a entrada (110) da passagem de fluxo interna (108) define uma abertura alongada que se estende axialmente ao longo de uma superfície longitudinal externa do corpo de aerofólio supercrítico (102).
10. Sensor de temperatura total do ar (100) total de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a saída (112) da passagem de fluxo interna (108) define uma abertura alongada que se estende axialmente ao longo de uma superfície longitudinal externa do corpo de aerofólio supercrítico (102).
11. Sensor de temperatura total do ar (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a saída (112) da passagem de fluxo interna (108) define um par de aberturas alongadas, cada uma se estendendo axialmente ao longo de uma de duas superfícies longitudinais externas opostas respectiva do corpo de aerofólio supercrítico (102).
12. Sensor de temperatura total do ar (100), caracterizadopelo fato de que compreende: um corpo de aerofólio supercrítico (102) que se estende de uma base do aerofólio (104) a uma ponta do aerofólio (106) oposta (106) ao longo de um eixo longitudinal, em que o corpo de aerofólio supercrítico (102) define uma passagem de fluxo interna (108) com uma entrada (110) para comunicação fluída do fluido na passagem de fluxo interna (108) e uma saída (112) para liberar o fluido para fora da passagem de fluxo interna (108); e uma sonda de temperatura (114) montada dentro da passagem de fluxo interna (108) para medir a temperatura do fluxo através da passagem de fluxo interna (108) para determinar a temperatura total do ar, em que a entrada (110) da passagem de fluxo interna (108) é definida axialmente na ponta do aerofólio (106), e em que a saída (112) da passagem de fluxo interna (108) define um par de aberturas alongadas, cada uma se estendendo axialmente ao longo de uma de duas superfícies longitudinais externas opostas respectiva do corpo de aerofólio supercrítico (102).
13. Sensor de temperatura total do ar (100) de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopelo fato de que o corpo de aerofólio supercrítico (102) define um aerofólio supercrítico com um local de choque normal característico a jusante da entrada (110) e da saída (112) da passagem de fluxo interna (108).
14. Sensor de temperatura total do ar (100) de acordo com a reivindicação 13, caracterizadopelo fato de que o aerofólio supercrítico se estende desde uma borda dianteira (120) até uma borda traseira (122) que se estende a jusante do local de choque normal característico.
15. Sensor de temperatura total do ar (100) de acordo com a reivindicação 13, caracterizadopelo fato de que o aerofólio supercrítico se estende desde uma borda dianteira (120) até uma borda traseira truncada (222) que termina a montante do local de choque normal característico.
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