CN101200219A - 一种用于防止飞行器壁面结冰的方法和装置 - Google Patents

一种用于防止飞行器壁面结冰的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种用于防止飞行器壁面结冰的装置，该壁面包括一个复合结构(47)和一个由导电材料构成的层(41)，该装置包括多个薄感应器元件(33－35)，感应器元件被设计成基本平行于导电材料构成的层或壳并处于一个足够小的距离(40)延伸，以保证当感应器元件被一个适当频率的交流电源供给能量时，所述层或壳能够快速而且均匀地加热而不会显著加热复合结构。

Description

一种用于防止飞行器壁面结冰的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于防止飞行器壁面结冰的方法和装置。
本发明属于直升机制造领域。
本发明尤其涉及一种用于加热旋翼机的外部壁面以避免结冰和/或在所述壁面累积的方法和装置，还涉及一种旋翼机壁面，尤其是装备有这种装置的升力和推进旋翼的桨叶上。
背景技术
众所周知，在飞行器外表面结冰和累积会迅速改变所述表面的空气动力学特性；尤其当所述表面是一旋翼机的旋翼时，这种结冰能够导致该旋翼机坠毁。
大量的研究已被进行以防止和抵御这种结冰。
在专利US-4060212和FR-2346217中建议使用微波来防止结冰；在专利US-4399967，US-4458865和US-4501398中建议使用电磁脉冲使得表皮变形以达到防止机翼蒙皮结冰的目的。
在专利US-1819497中建议在飞机机翼中安装能够接通高频电源的导电线圈，以在机翼的金属结构中感生电流，加热所述结构，最终抵御结冰。同样的原理被用于防止空气压缩机定子叶片上结冰的专利US-2547934所建议。
然而，至今仍然不能发展出一种对飞行器壁面的有效感应加热方法，尤其是对旋翼机的旋翼桨叶的加热；这样的桨叶因此一般通过导电加热，例如在专利US-2005/184193和FR-2863586中所描述的那样。
另外，通过导电(依靠焦耳效应)加热由包括增强纤维或嵌在热塑性或热硬化性树脂中的织物的复合材料所制成的飞行器壁面，能够导致在壁面中出现“热”点或区域，进而导致复合结构的退化。
发明内容
本发明的一个目的就在于提供一种用于防止旋翼机壁面结冰的方法和装置，以及一种包含这种装置的飞行器壁面，在同样能够获得好的效率的同时，还至少部分是对现有防冰系统中的缺点和短处的改进和/或弥补。
一方面，本发明提供一种用于飞行器壁面除冰的装置，壁面包括一个复合结构和一种由导电材料，尤其是一种金属或者铁基(例如钢)，镍基，或者钛基合金构成的层或表皮，该装置包括多个薄感应元件，特别地是以板或壳的形式，其被设计成大致平行于导电材料层或表皮延伸，处于相对层或表皮的一距离处，该距离足够小以保证当导体以适当频率的交流电源(AC)通电时，该层或表皮迅速且均匀地加热，但不会显著加热复合结构。
另一方面，本发明提供一种飞行器部件，尤其是一种用于旋翼机的旋翼叶片，该部件包括：一个在树脂中嵌入加强件构成的复合结构，其中以导电表皮覆盖复合结构的一部分；以及设置在复合结构中的感应器，这些感应器通过树脂与表皮绝缘，并且被设计成在接通电源时能够使表皮通过感应而被加热的。
较佳地，感应器包括由导线构成(平的)的线圈和大量的圈或回路。感应器也可以是这样的形态：一种绝缘玻璃纤维和导电的李兹线(绞合线)制成的编织物或编结物，并浸渍于一种有机基体。该编织物可以被通电，且可以具有哔叽、塔夫绸或缎子的编织或缝合。
在一个优选实施例中，线圈的和/或感应器的厚度小于它的直径或等价直径，尤其小于它的直径或等价直径的十分之一。
由于线圈和感应器是薄的，因此，它们可以成形为沿着一个表面延伸，该表面可以是平面的，或者为圆柱的一部分或与被加热的的表皮的形状相匹配的壳的一部分的形式，由此，感应的效力由于磁力线而被增加，并且因此电流密度分布将更为均匀，从而也使得金属元件的加热更为均匀，所述元件可以由不锈钢、钛、镍以及包含它们的合金制成，例如使用钴(镍-钴)。产生的感生电流然后通过焦耳效应来加热被置于磁场中的金属元件。
在一个优选实施例中，每个感应器线圈包括几十个或几百个并排和/或交错的导线圈或回路，同样也是为了改进感应的效力。
根据本发明的其他特性，下列是优选的：
每个线圈沿着一个轴线呈细长形状，包括两个编织或扭转的李兹线的片件，后者基本平行于线圈的轴线延伸，两个片件由没有感应器电线的空间隔开。
每个感应器包括并列的两个这样的线圈，每个线圈的每个片件包括几十或几百股(或段)编线。
用于构造感应器的导线的直径小于或等于约2毫米(mm)，尤其是大约0.2mm到1mm的数量级，这样，使得较为容易将这些导线整合到复合材料层的纤维或织物中并限制感应器的损耗。
均衡哔叽型或混合型(玻璃纤维/碳纤维/李兹线)的编织或缝合能够用来增强用于制造感应器的织物的力度，同时也能增加织物织成后的可塑性。
大量的李兹线用来增加电流密度，以获得磁力线的交迭和保证前缘被均匀加热。
织物可以被供电并进行整形循环，以获得用于感应器的最终形状和/或有可能使得浸渍注射一种浸渍树脂和聚合该树脂，以获得一个适于在前缘和旋翼机桨叶之间粘附联接的成品件。
在另一方面，本发明提供一种防止这样的飞行器壁面结冰的方法，其中感应器以频率为10千赫(kHz)到100kHz范围内的电流供电，优选40kHz到70kHz，尤其接近大约50kHz。
另一方面，本发明的特性和优势将出现在下面的描述中，参照附图所示和本发明的优选实施例，但不具有限制的性质。
附图说明
图1显示了一个由两个并排的薄线圈构成的感应器。
图2是包括两个并排线圈的感应器以及用于将感应器连接于电源的导体的透视图。
图3是一份垂直于感应器线圈片件的轴线的平面截面的图解视图，示出了构成片件、嵌在树脂中和/或整合在复合结构中的导体的部署；图3是图2III-III向视图。
图4是旋翼截面(相对于桨叶纵轴)视图，显示了感应器的片件是如何接近于整合在旋翼机旋翼叶片中、邻近它的前缘的金属插入物而被植入的。
图5是显示了近似于图2和3中感应器的图解透视图，其中线圈的形状匹配如图4中所示的在直升机旋翼叶片前缘中的插入物的形状。
图6到8显示了用于在直升机旋翼叶片中植入感应器的三种相应的构造；图6显示了沿着前缘、并沿着吸力面-或沿着压力面分布的七个感应器；图7显示了沿着前缘规则分布的七个图5中所示的感应器；图8显示了一个装有沿着叶片长度方向上主体部分延伸的一个单独感应器的桨叶。
具体实施方式
依照本发明的一方面，该用于通过感应来防止直升机叶片结冰的系统包括嵌于叶片中的感应器，一旦接通高频交流电，即可发射出一个自叶片中心朝向外部的磁场。而后，该磁场导致保护叶片前缘的金属覆盖物(由导电材料制成)中产生电流。
通过使覆盖前缘的导电材料受到一可变磁场的作用，磁通量的变化使材料中产生电动势(洛仑兹法则)，这引起感生电流(涡电流)。涡电流然后通过焦耳效应加热覆盖物中的材料。
在高频率的情况下，一种称作集肤效应(skin effect)的有害现象会破坏感应器中的电流密度分布；将被加热的材料中的电流常常只能渗透到材料内的一部分；在渗透入材料的过程中，磁场强度以指数关系衰减，并且导致感生电流的密度集中在表面层；通过使用依靠限定和控制李兹线圈的形状来获得能够均匀分布在金属覆盖物上的磁力线而在线圈/感应器的片件中获得均匀电流密度的李兹线(绞合线)来制造感应器，这种现象能够被消弱和/或避免。
当感应电流的频率从接近10kHz的值增加到一个接近70kHz或更大的值时，磁力线变成集中在感应器周围。为了使得分布均匀而在覆盖物中没有磁力线穿透的区域，优选的是使用一个包含两个线圈的感应器，其中四个片件形成三个扁平的导体(感应器元件)，其中一个放置于前缘上，另外两个被放置于前缘两边相反的侧面(压力侧面和吸力侧面)，每一个片件和/或线圈呈现的厚度在一个到几个毫米量级。
在某些构造中，发现耗散在第二回路(覆盖物)的板或片中的能量随着感应电路中的片件的数量而减少。发现从一个具有单个片件的系统到一个具有两个片件的系统，一个电流顺着“正”方向，另一个顺着相反的(“负”)方向，片件在板中分别引发负的和正的电流。这两种电流在板上的两个片件之间的交界面上相遇，并且在这个区域它们相互抵消从而呈现零电流密度，因此减少了在板中耗散的能量。
片件与第二电路之间的距离越远，在那里耗散的能量就越小。因此，较佳地，感应器的片件应尽可能地放置得离覆盖物近一些。
因此，获得对覆盖物有效的加热是可能的，例如使下面目的成为可能，当开始时覆盖物处于-40℃的初始温度，在电流密度为4×106安培每平方米(A/m2)时加热几秒钟达到表面温度10℃。
通过几股(例如3股)“李兹线”为感应器提供能量，使得回路中的电流减少到低于100安培(A)，特别是几安培，例如大约5A到10A，同时，每个片件中流动的总电流较大，例如大约400A。
为了以局部和周期的方式防止前缘结冰，例如图6或7所示，可以沿着前缘放置数个感应器。
当覆盖物呈现出显著的侵蚀和撞击程度而需被替换时，包括在桨叶中的感应发热系统也可以用作一种用于从前缘去除保护覆盖物的装置。因为前缘是使用具有一个低于板在电磁感应系统中所能达到的最大温度的软化温度的热融粘结剂保持的，因此，在桨叶维护中，可以加热前缘直至它能够被剥离去除，例如在专利FR-2787366和US-6470544中所详细描述的。
当执行快速修复时，包括在桨叶中的感应发热系统也可以被用来传递热量，用以迅速聚合前缘，其中根据粘结剂的聚合动力学的函数控制加热。
另外，在一个相当低的电流强度下激活感应系统，可能是在还没有出现结冰的情况下，可以被用于执行电磁干扰以避免旋翼机被敌方设备探测到。
特别参照附图1，感应器11a包括两个线圈12和13，它们并联到交流电源(未示出)端子14和15。
线圈12包括由导电线束17组成的一个第一片件16，导电线束17中电流沿着方向18流动，以及由导电线束20组成的一个第二片件19，导电线束20中的电流沿着与方向18相反的方向21流动。类似地，线圈13包括一个由导电线束23组成的第一片件22，导电线束23中电流沿着方向24流动，以及一个由导电线束26组成的第二片件25，导电线束20中的电流沿着方向27流动。
线束17和20被连接在一起，构成线圈12的回路或圈；线束23和26也是同样被连接在一起并构成线圈13的回路。
线束17、20、23和26以及片件16、19、22和25平行于轴线28延伸。
通过“堆叠”三个图1所示类型的薄感应器11a，可获得如图2所示的的感应器11b，其中每个线圈被三个导体29、30接通。
在图1和2中，可以看出两个中间片件19和22是接触的，而片件16和25片件分别通过两个空间31和32相对片件19和22分隔开。
当片件被包在树脂39和/或嵌在三个通过矩形平行六面体(参见图3)概要呈现的(绝缘的)复合材料组成的结构33、34和35中，这三个感应器元件(33到35)放置在离铁磁性的将被通过感应进行加热的板/盖41较短的距离40处；该距离优选地具有大约为0.1mm到大约3mm的量级，特别是具有大约为0.1mm到大约1mm的量级。
每个线圈12、13和每个元件33、34和35的厚度36可以是大约1毫米到大约2毫米的量级；每个线圈12、13和每个元件33、34和35的宽度37可以是大约10毫米到大约50毫米的量级；取决于所选择的结构，长度38可以处于几毫米到几米范围内(参见图6至8)。
参照图4和6至8，桨叶42呈现出一个压力侧面43，一个吸力侧面44，一个前缘45和一个尾缘46。
尤其参照图4，一个金属盖41覆盖前缘和压力侧面43和吸力侧面44的“前”部分，对它们提供保护以防撞击。
感应器的元件33至35被收纳于桨叶的复合结构47中，且它们对准盖41在一个较短的距离内延伸。
感应器分别依靠导体29和30连接于两个进给导体49、50，后者相对于桨叶42的纵轴线48纵向延伸。
尤其参照图4和5，当两个感应器元件33和35呈现基本平坦或少许弯曲的板的形式，中间的感应器元件34呈现弯曲的薄板或壳的形式以匹配覆盖物41前部的形状。
尽管在图6显示的实施例中感应器的片件垂至于桨叶的纵轴线48延伸，但在图7和8中感应器的片件也可平行于所述轴线延伸。
在这三个实施例中，感应器以基本规则的方式在桨叶长度方向上的大部分位于桨叶两端(叶根52和叶梢51)之间沿着前缘45和轴线48延伸，其中在图8中感应器是连续延伸的，在图6和7中为非连续延伸。
导体49和50一同被归并入一条总线53，其通过旋转集电环起作用以从旋翼机上的能量供给站中进给导体以电流。

Claims (17)

1.一种用于防止飞行器壁面结冰的装置，该壁面包括一个复合结构(47)，带有一个由导电材料尤其是金属或金属合金材料所构成的层或表皮(41)，其特征在于：
该装置包括多个薄感应器元件(33-35)，感应器元件被设计成基本平行于导电材料构成的层或表皮并相对其处于一个的距离(40)延伸，所述距离设置成足够小以保证当感应器元件以一个适当频率的交流电源供电时，所述层或表皮快速且均匀地加热而不会明显加热复合结构；
感应器呈现板或壳的形式，并包括由导线构成的扁平的且包括大量圈或回路的线圈(12，13)，
线圈和/或感应器的厚度小于其直径或等价直径的十分之一；以及
每个线圈呈沿轴线(28)的细长形状，并包括两张由基本平行于线圈轴线延伸的编织的或扭转的线所构成的片件(16，19，22，25)，所述两个片件被没有导线的空间(31，32)分离开。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个感应器包括两个并排线圈，每个线圈的每个片件包括几十或几百股编织电线。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，每个感应器线圈包括几十个并排或交错的圈或回路。
4.根据权利要求1-3中任一所述的装置，其特征在于，每个感应器线圈包括几百个并排或交错的圈或回路。
5.根据权利要求1-4中任一所述的装置，其特征在于，感应器包括一种绝缘纤维和导线的编织物或编结物。
6.根据权利要求1-5中任一所述的装置，其特征在于，感应器包括一种绝缘纤维和导线的编织物或编结物，其具有哔叽、塔夫绸、缎子或混合形态的编织或缝合。
7.根据权利要求1-6中任一所述的装置，其特征在于，用于构造感应器的导线的直径在大约0.2mm到大约1mm之间。
8.一种飞行器部件(42)，所述飞行器部件(42)本身包括嵌在树脂中的加强件的复合结构，其中带有一个导电表皮(41)覆盖复合结构的一部分，其特征在于：
所述部件包括放置于复合结构中的感应器(33-35)，通过树脂相对表皮电绝缘，并被设计成当被供电时通过感应导致表皮加热；
感应器以板或壳的形式存在，并包括导线构成的线圈(12，13)，所述线圈是扁平的并具有大量的圈或回路；
线圈和/感应器的厚度小于它的直径或等价直径的十分之一；
每个线圈沿轴线(28)呈细长形，并包括由基本平行于线圈轴延伸的编织的或扭转的电线所构成的两个片件(16，19，22，25)，该两个片件被没有导线的空间(31，32)所分离开；
9.根据权利要求8所述的部件，其特征在于，感应器呈现如权利要求1-7中任一所具有的特征。
10.根据权利要求8或9所述的部件，其特征在于，线圈和感应器的形状被塑造成一部分沿着一个平坦的表面延伸，一部分沿着以圆柱的或靠近于表皮安装用于加热的壳体的一部分的形式的一个表面延伸。
11.一种旋翼机旋翼桨叶(42)，其包含根据权利要求1-7中任一所述的装置，或呈现权利要求8-10中任一个所具有的特征。
12.根据权利要求11所述的桨叶，其特征在于，包括一个单独的感应器，该感应器沿着桨叶长度方向上的主体部分并沿着前缘(45)延伸。
13.根据权利要求11所述的桨叶，其特征在于，包括多个感应器，这些感应器沿着桨叶长度方向上的主体部分并沿着前缘延伸。
14.一种用于防止飞行器壁面结冰的方法，其中使用根据权利要求1-7中任一所述的装置，其中感应器被接通频率在10kHz到100kHz的范围内，优选地在40kHz到70kHz的范围内，特别接近约50kHz内的电流。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，感应器被供给小于100A的电流。
16.一种修复飞行器壁面的方法，其中使用根据权利要求1-7中任一所述的装置。
17.一种减轻飞行器电磁信号的方法，其中使用根据权利要求1-7中任一所述的装置，其中感应系统以相对低的电流水平致动。
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