CN104326091B - 经受负压的航空器舱室的排水杆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种排水杆，在不使用任何压力控制激活装置和不对航空器的空气动力行为造成重大扰乱的情况下，当舱室中的压力比外界压力低时，排水杆能够有效地将容纳在舱室内的液体排出到航空器之外。所述排水杆构造有截面面积从所述舱室的底入口区域向其出口区域减小的横截面，并且在气流方向上与所述舱室成锐角α。所述排水杆的入口和出口区域具有两个长度不同的垂直的对称轴，所述入口区域设置有基本与所述气流方向平行的较长对称轴。所述排水杆具有相对于基本垂直于机身表面且经过所述入口区域的较长对称轴的平面对称的构造。
Description
技术领域
本发明涉及一种经受负压的诸如辅助动力单元舱室或发动机舱等的航空器舱室的排水杆。
背景技术
航空器的辅助动力单元(APU)的已知排水系统包括用于将集聚在 APU舱室中的任何液体通过重力排出到大气中的杆或桅杆(mast)。
典型地由APU自身生成的喷射泵机构所引起的APU舱室的通风效果之一是在APU舱室中产生低压(APU舱室中的压力比外部低)。
施加在排水系统中的压力的缺陷中的一些主要与装填排水杆的困难相关。也就是，一旦其被液体填满，杆的排水能力是足够的，但是如果在杆被液体填满之前开始将空气吸入到APU舱室中，因为APU舱室中的压力比外界低，所以由气流引入的压力阻碍液体的流动，可能发生杆从未被填满或装填的情况。通常，进入到APU腔室空气几乎完全防止任何液体流出，直到APU腔室内部的液体高度足以抵消APU腔室中的吸气，从而使得杆失效。一旦达到此高度，只有降低杆的横截面对于排水才是有效的，并且另外，APU腔室中的液体高度将与不包含排水杆的情况下达到的高度一样大。
US 5,996,938提出了一种排水系统，所述排水系统包括排水管，其在上端与液体收集层流体连通，在下端与止回阀流体连通，该止回阀选择性地打开并且放置成尽可能地靠近航空器的向舱外排水口。由收集层收集的液体被重力性地引导到排水管上端。当止回阀上游的流体压位差由于航空器的操作条件超过排水口的流体压力时，止回阀构造成向流体打开使得流体从管中排出到排水口之外。该排水系统因此与所述止回阀无关。
发明内容
本发明的目的是提供排水杆，在不使用任何压力控制激活装置和不对航空器的空气动力行为造成重大扰乱的情况下，当舱室中的压力比外界压力低时也当舱室中的压力比外界压力高时，排水杆能够有效地将容纳在舱室内的液体排出到航空器之外。
为了满足该目的，本发明的排水杆具有如下的特征：
-所述排水杆构造有截面面积从所述舱室的入口区域向其出口区域减小的横截面，并且在气流方向上与所述舱室成锐角α。当所述舱室内部的压力在大气压力之下时，这种结构有助于填满杆。
-所述排水杆的入口和出口区域具有两个长度不同的垂直的对称轴，所述入口区域设置有基本与所述气流方向平行的较长对称轴，所述排水杆具有相对于基本垂直于机身表面或机身包络面且经过所述入口区域的较长对称轴的平面对称的构造。该构造使得排水杆的阻力最小。
-所述出口区域的较短轴和较长轴之间的比值在0.2至0.6之间。该特征对于具有可操作地被填满的排水杆而言是必要的。
在一个实施例中，所述出口区域设置在与所述入口区域的平面成 60°至120°(优选地，70°至85°)之间的角度β的平面内。所述出口区域的较长轴平行于所述入口区域的平面，并且所述出口区域在所述平面上的投影垂直于所述入口区域(15)的较长轴(21)。该特征有助于排水杆填满，因为在此位置具有出口区域气流主动地有助于排水杆的填满。
本发明的另一重要特征是在出口区域面积和入口区域面积之间设置有比值，该比值可优化流体排出。该比值是如下的比值，当所述排水杆被填满时，该比值使得排出所述舱室中的预定体积的流体而所需的流量Qreq的值与由所述排水杆所排出的流量Qprim的值相匹配。
参考附图，从本发明的以下详细说明和所附权利要求中，本发明的其他期望特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是航空器的APU舱室的已知排水系统的示意侧视图。
图2是本发明的排水杆的示意立体图。
图3是沿着图2的排水杆的对称面的剖视图。
图4是示出根据排水杆的出口截面面积和入口截面面积之比R为函数的流量Qprim和Qreq的变动的示意图。
具体实施方式
图1示出了航空器的舱室11的集聚有液体的排水杆13，该排水杆13 具有连接到舱室11的底部区域的入口区域15和用于将所述液体排出到大气中的出口区域17。
如图1所示，排水杆13在气流方向(箭头F)上相对于舱室11通常设置有锐角α。
排水杆13的长度L和相对于入口区域15的平面的倾斜角度α根据如下的公式来控制舱室11中的液体的有效高度Heff：
ρg Heff＝ρg(Ho+Lsin(α))＝Pout-Pin
其中，
ρ：室温环境下的液体密度；
g：重力加速度；
Heff：从排水杆13的出口区域17开始测量的舱室11中的液体高度；
Pout：舱室11外界的压力
Pin：舱室11内部的压力。
另一方面，H0是从排水杆13的入口区域15开始测量的舱室11中的液体高度。
如在本发明的背景技术中已经说明的那样，如果Pin<Pout可能造成如图1所示的情况，其中，杆13没有被完全填满，因为H0不足以补偿Pin和Pout之间的压差。
当内部压力Pin比外部压力Pout小时，为了有效地排空舱室11，本发明提出使得排水杆的截面面积从入口区域15朝向出口区域17减小，该构造符合一定的几何条件。
排水杆13的截面面积的渐进式减小可促进其填装，因为被特定的中部区域的上游的支撑流量比该区域所能够容纳的流量大，促进了所述中部区域的上游的液体的集聚，并且因此促进了排水杆13的填满。因此，防止空气进入到舱室11中，由飞溅到舱室11内的液体形成的问题被解决。当Heff足够大以足以补偿Pin和Pout之间的压差时，排水杆13被完全填满。
在如图2和3所示的实施例中，入口区域15具有带有对称轴21、23(轴 21比轴23长)的椭圆形状，出口区域17具有带有对称轴25、27的圆顶端矩形形状(轴25比轴27长)，入口区域15和出口区域17之间的中间区域构造成使得排水杆13的外表面尽量光滑。
出口区域17的较短对称轴27和较长对称轴25之间的比值在0.2至 0.6之间。发明人已经发现具有在上述比值范围内构造的出口区域17的排水杆13提供良好的填满结果。所述比值适用于出口区域17的任何几何形状，特别适合于椭圆、卵形和圆顶端矩形(dome-ended rectangular) 形状。排水杆13关于平面A-A对称，该平面基本上垂直于机身表面且经过入口区域15的较长对称轴21，并且出口区域17被放置在与入口区域15的平面成60°至120°(优选地，75°至85°之间的)之间的角度β的平面中。
本发明的一个重要方面是出口区域17的面积和入口区域15的面积之间的比值R。
由如下的公式来给出被排水杆13的出口区域17所排空的给定量的液体所必需的流量Qreq：
其中，ΔP＝(P↓in-P↓out)/(+g*(H↓0+H↓1)为H1＝Lsen α
Aout出口区域17的面积
Ceff出口区域17的有效面积的系数
CLoss排水杆13中的损耗系数
因此流量Qreq与比值R无关。
另一方面，使用公式T＝Volume/Qreq和使用0.1秒的时间间隔在迭代计算中可得到排出时间。Volume起始于当排水杆13被填满时集聚的在舱室11中流体的体积。Qreq是H0+H1的函数，因此对于每次迭代寻找新的H0的值，从之前的体积中减去在之前的0.1秒时间间隔内排出的液体体积。该迭代处理一直持续到H0+H1＝0，并且总迭代时间Ttot是完全地排空液体所需要的时间。
比值R的最优值Ropt是Qreq的值符合函数Qprim的值时的那个值(参见图 4)，其中Qprim设定当排水杆13被填满时经由出口区域17所排出的流量，该 Qprim由如下的公式给出：
其中，Pc是排水杆13中的液体的主要波动系数。
对于比值R比比值Ropt小的情况，H0和Ttot比它们的最优值大，对于比值R比比值Ropt大的情况，H0和Ttot同样地比它们的最优值大，因为排水杆 13没有被填满。
假定待排出的体积是已知的，从而得出了上述的计算。如果排水杆 13经受不同的排出体积，为提供用于所述参数最好的结果的体积而建立比值R。
虽然已经参考多种实施例描述了本发明，但是从说明书中可以理解到可对元件、变型或改进进行多种组合，并且这些组合在本发明的范围内。
Claims (4)
1.一种排水杆(13)，即使当航空器的舱室(11)中的压力比大气压力低时所述排水杆也能够通过重力将流体从航空器的舱室(11)排出到大气中，其中所述排水杆(13)构造有截面面积从设置为连接在所述舱室(11)的底部区域中的入口区域(15)向其出口区域(17)减小的横截面，所述排水杆(13)的纵向轴线在气流方向上与入口区域(15)的平面成锐角α，其中：
-所述入口区域(15)和出口区域(17)中的每一个具有两个长度不同的垂直的对称轴(21、23、25、27)；
-所述入口区域(15)构造成设置有基本与所述气流方向平行的较长对称轴(21)；
-所述排水杆(13)被构造成被布置为具有相对于基本垂直于机身表面或机身包络面且经过所述入口区域(15)的较长对称轴(21)的平面对称的构造；
-所述出口区域(17)设置在与所述入口区域(15)的平面成60°至120°之间的角度β的平面内，
-所述出口区域(17)的较短轴(27)和较长轴(25)之间的比值在0.2至0.6之间，所述出口区域(17)的较长轴(25)平行于所述入口区域(15)的平面，并且所述出口区域(17)在所述平面上的投影垂直于所述入口区域(15)的较长轴(21)。
2.如权利要求1所述的排水杆(13)，其特征在于，所述角度β在70°至85°之间。
3.如权利要求1或2所述的排水杆(13)，其特征在于，所述入口区域(15)具有椭圆形状，所述出口区域(17)具有椭圆、卵形或圆顶端矩形形状。
4.一种航空器，包括舱室(11)和如权利要求1至3中的任一项所述的排水杆(13)。
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