CN104833444A - 总空气温度传感器 - Google Patents

Abstract

一种总空气温度探头包括：探头主体，其沿着纵轴从探头底座延伸至相对探头尖端，界定前缘和相对后缘；内流道，其与界定在探头主体中的纵轴对齐，具有界定在探头尖端上用于与内流道流体连通的进口和用于将流体从内流道排出的出口。探头尖端上的倾斜表面从前缘延伸至后缘。温度传感器被安装在内流道内用于测量穿过内流道的流体的温度以确定总空气温度。倾斜表面与前缘平齐并且相对于纵轴从后缘内凹以邻近所述后缘界定唇部。所述倾斜表面和所述唇部被构造来邻近内流道的进口形成高压区域。

Description

总空气温度传感器

相关申请的交叉参考

本申请要求2013年10月16日申请的美国临时专利申请第61/891,662号的优先权，其完整内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本公开涉及总空气温度（TAT）探头或传感器。更具体来说，本公开涉及经历飞行中结冰效应的TAT探头。

背景技术

现代喷气动力飞机需要非常准确的外部空气温度（OAT）测量以输入至空气数据计算机、发动机推力管理计算机和其它机载系统。对于这些飞机类型、其相关飞行条件和总空气温度传感器的一般使用，空气温度较佳通过下列四种温度定义：（1）静态空气温度（SAT）或（T_S）、（2）总空气温度（TAT）或（T_t）、（3）恢复温度（T_r）和（4）测量温度（T_m）。静态空气温度（SAT）或（T_S）是飞机将穿过其飞行的未受干扰空气的温度。总空气温度（TAT）或（T_t）是可通过飞行动能的100%转换达成的最大空气温度。TAT的测量源自恢复温度（T_r），其是归因于动能的不完全恢复导致的飞机表面每个部分上的局部空气温度的绝热值。恢复温度（T_r）从测量温度（T_m）获得，其是如测量的实际温度且因为归因于强加的环境的热转移效应而与恢复温度不同。

常规的TAT探头，虽然通常与TAT传感器一样非常高效，但是有时面临在结冰条件中工作的困难。传统的TAT探头利用正向进气口。在结冰条件中飞行期间，水滴和/或冰晶被吸入TAT探头中，其中在温和至苛刻条件下，其可能围绕内部传感元件的开口粘附。冰脊可生长并且最终断裂，短暂阻塞传感器并且导致TAT读数的误差。为了解决这个问题，常规的TAT探头已并入肘部或弯曲部以在这些粒子到达传感元件之前将其与气流惯性分离。

此外，传统上，抗结冰性能还通过嵌入外壳壁中的加热元件而得以促进。不幸的是，外部加热也会加热内部气流，其在未适当控制的情况下提供TAT测量中的外来热源。这种类型的误差通常被称作除冰加热误差（DHE）或DHE校正。此外，为了解决更严重的结冰条件，加热元件必须实现更高温度，其导致除冰所需的更大功率。

这些挑战的一些解决方案已描述于美国专利第7,357,572号、美国专利第8,104,955号和美国专利第7,828,477号中，每个专利的完整内容以引用的方式并入本文中。这些常规方法和系统已大致被视为满足其期望目的。但是，本领域现存对改进的TAT探头构造的需要。本公开提供这些问题的解决方案。

发明概要

总空气温度（TAT）探头包括探头主体、内流道、倾斜表面和温度传感器。探头主体沿着纵轴从探头底座延伸至相对探头尖端并且界定前缘和相对后缘。内流道与探头主体中界定的纵轴对齐，具有探头尖端上界定的用于将流体流体连通至内流道中的进口和用于将流体从内流道排出的出口。倾斜表面在探头尖端上从前缘延伸至后缘。倾斜表面与前缘平齐且相对于纵轴从后缘内凹以邻近后缘界定唇部。倾斜表面和唇部被构造来邻近内流道的进口形成高压区域。温度传感器被安装在内流道内用于测量穿过内流道的流体的温度以确定总空气温度。

探头主体可成形为椭圆筒并且可具有垂直于纵轴的椭圆形横截面形状。内流道可能是圆筒形的。还设想温度传感器可被定位来实质上避免来自源于除冰加热器的加热边界区域的热用于减小除冰加热误差（DHE）。此外，TAT探头可包括被安置在内流道与温度传感器之间的隔热罩。隔热罩可为圆筒形的并且存在针对隔热罩与内流道之间的流体通道的间隙。

TAT探头还可包括冲击端口，其具有界定在探头的前缘中的端口进口和界定在探头中与端口进口连通的端口通道。冲击端口可为皮托管端口。还设想TAT探头可包括至少一个除冰加热器，其被安装在端口进口后部的探头主体中，其被构造来通过形成加热边界区域而加热端口进口和端口通道以减小端口进口和端口通道中的结冰。

此外，TAT探头可包括界定在探头主体中介于前缘与和纵轴对齐的内流道之间的排放通道，其具有界定在探头尖端上用于将流体流体连通至排放通道的排放进口和用于将流体从排放通道排出的排放出口。排放进口可为V形且排放通道可具有垂直于V形的纵轴的横截面形状。排放通道可被构造来减小从加热边界区域到达温度传感器的热。排放出口可在垂直于纵轴的平面中及在分别于相对于探头主体的横截面的长轴和短轴成60度角和30度角的平面中从排放通道延伸。还设想可存在用于将流体从排放通道排出的多个排放出口。每个排放出口可独立于如上所述的排放通道延伸。

还设想TAT探头可包括安装凸台和安装凸缘，其将探头主体可操作地连接至发动机。安装凸台可具有等于或小于.75英寸（1.905 cm）的直径。

本领域技术人员将从结合附图进行的优选实施方案的下文详细描述中变得更易于了解本公开的系统和方法的这些和其它特征。

附图说明

因此，本技术相关领域的技术人员将易于了解如何在无需过度实验的情况下制作和使用本公开的装置和方法，将参考特定图在下文中详细描述其优选实施方案，其中：

图1是根据本公开构造的总空气温度（TAT）探头的示例性实施方案的透视图，其示出被安装在飞机上的TAT探头；

图2是图1的TAT探头的放大透视图，其示出探头主体、安装凸台和安装凸缘；

图3是图1的TAT探头的部分剖开透视图，其示出冲击端口和除冰加热器；

图4是图1的TAT探头的一部分的透视图，其示意示出穿过探头主体的气流；和

图5是图1的TAT探头的一部分的横截面端视图，其示意示出加热边界区域如何避免接触温度传感器。

具体实施方式

现将参考附图，其中相同参考数字标注本公开的类似结构特征或方面。为了说明和图解的目的且非限制，根据本公开的总空气温度探头的示例性实施方案的局部视图示于图1中并且大致用参考符号100标注。根据本公开的总空气温度探头的其它实施方案或其方面提供在如将描述的图2至图5中。本文中描述的系统和方法可用于减小或消除总空气温度（TAT）探头中的除冰加热误差（DHE）。

如图1和图2中所示，TAT探头100包括图5中所示的探头主体102、内流道104、倾斜表面118和TAT传感器122。探头主体102沿着纵轴A从探头底座106延伸至相对探头尖端108且界定前缘110和相对后缘112。虽然探头主体102被示为且描述为椭圆筒的示例性实施方案，其具有垂直于纵轴A的椭圆形横截面形状，但是本领域技术人员将易于了解探头主体102可为任意适当形状，诸如翼形、截头翼形、圆形或椭圆形。本领域技术人员将易于了解椭圆筒探头主体形状可易于在高攻角下提供负压系数分布同时维持传统TAT探头中存在的低后缘涡流和低曳力。

继续参考图1和图2，TAT探头100包括安装凸台140和安装凸缘142，其用于将探头主体102连接至发动机或其它结构。设想对于小型发动机应用，例如，安装凸台140可具有等于或小于.75英寸（1.905 cm）的直径。本领域技术人员将易于了解虽然TAT探头100的形状和尺寸可容易地配合至小型新发动机装置外壳或改装发动机装置外壳，即，等于或小于.75英寸（1.905 cm），但是尺寸和形状可根据需要缩放以适应较大尺寸发动机以及机身飞机中的较大或较小直径装置外壳。

如图2至图4中所示，倾斜表面118在探头尖端108上从前缘110延伸至后缘112。倾斜表面118与前缘110平齐且相对于纵轴A从后缘112内凹以邻近后缘112界定唇部120。倾斜表面118和唇部120被构造来邻近内流道104的进口114形成高压区域。本领域技术人员将易于了解高压区域提供进口114与出口116之间的大压力梯度供可靠的流量穿过流量通道104以在多种条件下用气流浸洗TAT传感器122。本领域技术人员也将易于了解由于在TAT探头100中不存在如传统TAT探头上存在的进气口，所以不存在供含污染物（诸如水和冰）的气流进入内流道104的直接进口。因此，无需加热内流道104或进口114以防止结冰，得到减小的DHE。

现参考图2至图3，TAT探头100包括冲击端口128，例如，皮托管端口，其具有界定在探头的前缘110中的端口进口130和界定在探头主体102中与端口进口130流体连通的端口通道132。皮托管端口128被构造来进行总压力P_t测量。总空气温度探头100包括至少一个除冰加热器124，其被安置在端口进口130后部的探头主体102中，其被构造来通过形成加热边界区域而加热端口进口130和端口通道132以防止端口进口130和端口通道132中的过度结冰以及确保P_t测量不受干扰地进行。探头主体102是制造相对简单的设计并且提供比传统TAT探头中提供的更均匀的热分布。本领域技术人员将易于了解除冰加热器124无需缠绕并且钎焊至探头头部102上的适当位置，因此探头头部102可被完整加工，减小当具有外部加热器槽的传统TAT探头被铸造时通常发生的变动。更均匀的热分布允许探头主体102中减小的热点并且通过除冰加热器124减小功率消耗。

本领域技术人员将易于了解由于除冰加热器124被构造来仅将端口进口130和通道132除冰。因此，热可局部化在端口进口130和通道132上且所需热量比传统TAT探头中所需的少，得到更高效的除冰。此外，本领域技术人员将易于了解虽然本文中示出和描述除冰加热器，但是归因于进口114和内流道104的构造围绕TAT传感器122的探头的部分可能无需除冰加热器。设想冲击端口128是可选的并且仅进口可作为内流道104的进口114。因此，在这些实施方案中，无需除冰加热器。因此，DHE将被消除且将无需如下所述的排放进口136、通道134或出口138。

现参考图4和图5，TAT探头100包括界定在探头主体102中介于前缘110与和纵轴A对齐的内流道104之间的多个排放通道134,，其具有界定在探头尖端108上用于将流体流体连通至排放通道134中的排放进口136和用于将流体从排放通道134排出的多个排放出口138。排放进口136是V形且排放通道134具有垂直于V形的纵轴A的横截面形状。排放通道134被构造来通过将加热边界区域拉进进口114上游的排放进口136中而减小从加热边界区域到达TAT传感器122的热。每个排放出口138个别地在垂直于纵轴A的平面（例如图5的视平面）中及在分别相对于探头主体102的椭圆形横截面的长轴B和短轴C成60度角和30度角的平面中从排放通道134延伸。本领域技术人员将易于了解，虽然排放出口138在本文中被示为及描述为在垂直于纵轴A的平面中及在分别相对于探头主体102的椭圆形横截面的长轴B和短轴C成60度角和30度角的平面中从排放通道134延伸，但是排放出口138从排放通道134延伸的角度和平面可根据需要依据期望压力梯度而变化。

继续参考图4和图5，加热流体流（例如示意示出的气流）从探头主体102的前缘110溢出并且在进入进口114之前进入排放进口136和通道134。加热流体流经由排放出口138从排放通道134离开，其中通过实质避开进口114、内流道104和传感器122而减小DHE。

温度传感器122被安装在内流道104内用于测量穿过内流道104的流体的温度以确定TAT。温度传感器122被定位来实质上避免来自源于除冰加热器124的加热边界区域的热以减小DHE。本领域技术人员将易于了解，依据内流道104的尺寸和形状可使用多种位置。总空气温度探头100包括被安置在内流道104与温度传感器122之间的隔热罩126。隔热罩126成形为圆筒并且可包括隔热罩出口127，但是本领域技术人员将易于了解隔热罩126依据内流道104的位置和形状可具有多种形状。隔热罩126被构造来屏蔽温度传感器122不受来自探头主体102的加热表面的辐射的影响。存在针对隔热罩126与内流道104之间的流体通道的间隙。

继续参考图4和图5，内流道104与界定在探头主体102中的纵轴对齐，其具有界定在探头尖端108上用于将流体流体连通至内流道104中的进口114和用于将流体从内流道104排出的出口116。内流道104被示为被安置在探头主体102中的实质上圆筒形通道，但是本领域技术人员将易于了解内流道104可为任意适当形状或可为穿过探头主体102的无界通道。示意描绘在图4和图5中的自由流流体流量围绕探头主体102且在其上方流动。在探头尖端108上方流动的流体的一部分通过进口114进入内流道104并且由于进口114与出口116之间的压力梯度经由出口116通过探头主体102的背面离开。在其至出口116的途中，流体流沿着内流道104和隔热罩126行进并且进入温度传感器122中。

本领域技术人员将易于了解，探头主体102、安装凸台和安装凸缘可由多种适当材料（诸如不锈钢和/或铜合金，诸如可从瑞士Marly的Ampco Metal, S.A.购得的Ampcoloy® 940）制成。

如上文描述和图中所示的本公开的方法和系统提供具有优异性质（包括减小或消除的除冰加热误差（DHE））的总空气温度（TAT）探头。虽然已参考优选实施方案示出和描述本公开的设备和方法，但是本领域技术人员将易于了解可对其进行变化和/或修改而不脱离本公开的精神和范围。

Claims (15)

1. 一种总空气温度探头，其包括：

探头主体，其沿着纵轴从探头底部延伸至相对探头尖端并且界定前缘和相对后缘；

内流道，其与所述探头主体中界定的所述纵轴对齐，其具有界定在所述探头尖端上用于将流体流体连通至所述内流道中的进口和用于将流体从所述内流道排出的出口；

倾斜表面，其在所述探头尖端上从所述前缘延伸至所述后缘，其中所述倾斜表面与所述前缘平齐并且相对于所述纵轴从所述后缘内凹以邻近所述后缘界定唇部，其中所述倾斜表面和所述唇部被构造来邻近所述内流道的所述进口形成高压区域；和

温度传感器，其被安装在所述内流道内用于测量穿过所述内流道的流体的温度以确定总空气温度。

2. 根据权利要求1所述的总空气温度探头，其进一步包括：

冲击端口，其具有界定在所述探头的所述前缘中的端口进口和界定在所述探头中与所述端口进口流体连通的端口通道；

除冰加热器，其被安置在所述端口进口后部的所述探头主体中，其被构造来通过形成加热边界区域而加热所述端口进口和所述端口通道以减小所述端口进口和所述端口通道中的结冰；和

排放通道，其界定在所述探头主体中介于所述前缘与和所述纵轴对齐的所述内流道之间，其具有界定在所述探头尖端上用于将流体流体连通至所述排放通道中的排放进口和用于将流体从所述排放通道排出的排放出口，其中所述排放通道被构造来减小从所述加热边界区域到达所述温度传感器的热。

3. 根据权利要求2所述的总空气温度探头，其中所述温度传感器被定位来实质上避免来自源于所述除冰加热器的所述加热边界区域的热以减小除冰加热误差。

4. 根据权利要求1所述的总空气温度探头，其中所述探头主体具有垂直于所述纵轴的椭圆形横截面形状。

5. 根据权利要求1所述的总空气温度探头，其中所述内流道是圆筒形的。

6. 根据权利要求2所述的总空气温度探头，其中所述排放进口是V形且其中所述排放通道具有垂直于所述纵轴的V形横截面形状。

7. 根据权利要求2所述的总空气温度探头，其进一步包括被安置在所述内流道与所述温度传感器之间的隔热罩。

8. 根据权利要求7所述的总空气温度探头，其中所述隔热罩是圆筒形的且存在针对所述隔热罩与所述内流道之间的流体通道的间隙。

9. 根据权利要求4所述的总空气温度探头，其中所述排放出口在垂直于所述纵轴的平面中且在分别相对于所述探头主体的所述横截面的长轴和短轴成60度角和30度角的平面中从所述排放通道延伸。

10. 根据权利要求1所述的总空气温度探头，其进一步包括安装凸台和安装凸缘，其将所述探头主体可操作地连接至发动机。

11. 根据权利要求10所述的总空气温度探头，其中所述安装凸台具有等于或小于.75英寸（1.905 cm）的直径。

12. 一种总空气温度探头，其包括：

探头主体，其沿着纵轴从探头底座延伸至相对探头尖端且界定前缘和相对后缘，其中所述探头主体成形为椭圆筒；

圆筒形内流道，其与界定在所述探头主体中的所述纵轴对齐，其具有界定在所述探头尖端上用于将流体流体连通至所述内流道的进口和用于将流体从所述内流道排出的出口；

皮托管端口，其具有界定在所述探头的所述前缘中的端口进口和界定在所述探头中与所述端口进口流体连通的圆筒形端口通道，其中多个除冰加热器被安置在所述端口进口后部并且被构造来加热所述端口进口和所述端口通道，形成加热边界区域以减小所述端口进口和所述端口通道中的结冰；

温度传感器，其被安装在所述内流道内用于测量穿过所述内流道的流体的温度以确定总空气温度；和隔热罩，其被安置在所述温度传感器与所述内流道的内壁之间，其中所述温度传感器被定位来实质上避开来自源于所述除冰加热器的所述加热边界区域的热以减小除冰加热误差；和

倾斜表面，其在所述探头尖端上从所述前缘延伸至所述后缘，其中所述倾斜表面与所述前缘平齐且相对于所述纵轴从所述后缘内凹以邻近所述后缘界定唇部，其中所述倾斜边缘和所述唇部被构造来邻近所述内流道的所述进口形成高压区域。

13. 根据权利要求12所述的总空气温度探头，其进一步包括排放通道，其界定在所述探头主体中介于所述前缘与和所述纵轴对齐的所述内流道之间，其具有界定在所述探头尖端上用于将流体流体连通至所述排放通道中的排放进口和用于将流体从所述排放通道排出的多个排放出口，其中所述排放通道被构造来减小从所述加热边界区域到达所述温度传感器的热。

14. 根据权利要求12所述的总空气温度探头，其进一步包括安装凸台和安装凸缘，其将所述探头主体可操作地连接至发动机，其中所述安装凸台具有等于或小于.75英寸（1.905 cm）的直径。

15. 根据权利要求13所述的总空气温度探头，其中所述探头主体具有垂直于所述纵轴的椭圆形横截面形状，且其中每个排放出口单独在垂直于所述纵轴的平面中及在分别相对于所述探头主体的横截面的长轴和短轴成60度角和30度角的平面中从所述排放通道延伸。