CN105460208B - 具有减少的旋涡脱落的交通工具的外部组件 - Google Patents

Abstract

本申请公开了具有减少的旋涡脱落的交通工具的外部组件。风挡雨刷臂被提供在飞行器的外侧，并且被定位以在飞行器行进时接合气流。雨刷臂包括臂部分，该臂部分耦接到飞行器并且具有臂的外部表面，该臂部分沿臂的轴线延伸并且限定臂的长度。卷边从臂的外部表面向外延伸并且限定卷边的外部表面，该卷边的尺寸足以接合气流的边界层。雨刷片耦接到臂部分。卷边防止边界层与臂的外部表面分离，从而减弱旋涡的脱落和相关振动以及噪音。

Description

具有减少的旋涡脱落的交通工具的外部组件

技术领域

本公开总体涉及附连到流线型交通工具的外部组件或附属物，并且更具体地涉及为减少旋涡的脱落以及相关振动和噪音而改良的交通工具组件，其中旋涡的脱落在经受气流时产生。

背景技术

遭遇流体流动的物体会引起旋涡诱发的振动。更具体地，空气或水以足够的速度流动经过圆柱形的、接近圆柱形的或大体上钝头体的物体时可在物体的下游产生旋涡。该旋涡会定期地从物体的两侧分离—称为“旋涡脱落(vortex shedding)”现象。因为旋涡在其核心具有降低的压力，所以在旋涡脱落期间产生指向旋涡位置的力。这些力可以使物体自身摆动，这对柔性天线是常见的，或这些力可以使物体将摆动的载荷施加到交通工具的其他部件，这对交通工具的蒙皮和窗户是常见的。如果旋涡脱落的频率匹配物体的共振频率，那么物体会以谐波振荡共振。此外，与旋涡有关的压力波会引起在机舱内可以观测到的有害的噪音。

在航空领域，飞行器的某些零件诸如探针、天线和进气口会被布置在机舱的外面，并且因此被暴露在快速气流中。风挡雨刷(windshield wiper)配件例如可以包括雨刷臂，其被定位为将雨刷片与风挡的外部接合(engage)。雨刷臂可以包括臂部分，其被布置在机舱的外侧，并且由此在行进期间经受飞行器的前缘(nose)周围产生的气流。在一些飞行器上并且在某些空速下，在机舱内可以观测到噪音，这噪音好像是从雨刷臂的附近发出来的，因此，可以将噪音归因于来自这些臂的旋涡脱落。在一些实例中，噪音可以通过同一雨刷臂的重新安装或置换新的雨刷臂而被减弱，然而，可靠的解决方案至今还未被提出。拆卸雨刷的测试飞行显示了噪音被消除，这确认了雨刷在造成噪音中的作用。

发明内容

根据本发明公开的一个方面，组件被布置在交通工具的外侧并且被定位以在交通工具行进时直接接合气流。该组件包括臂，该臂耦接到交通工具并且具有臂的外部表面，所述臂沿臂轴线延伸并且限定臂长度。卷边(bead)从臂的外部表面向外延伸并且限定卷边的外部表面，卷边被配置为接合气流的边界层。

根据本发明公开的另一方面，提供了减少由气流通过具有布置在交通工具的外侧上的臂的组件产生的旋涡脱落的方法。该方法包括沿臂的外部表面定位卷边；卷边限定从臂的外部表面向外延伸的卷边的外部表面；以及使用卷边的适当尺寸来接合气流的边界层。

根据本发明公开的又一方面，雨刷臂被布置在飞行器的外面，并且被定位以飞行器行进时直接接合气流。雨刷臂包括臂部分，该臂部分耦接到飞行器并且具有臂的外部表面，臂部分沿着臂的轴线延伸并且限定臂长度。卷边从臂的外部表面向外延伸并且限定具有弧形轮廓的卷边的外部表面，卷边具足够的尺寸以接合气流的边界层。雨刷片被耦接到臂部分。

在公开的另一方面，该公开可以与任何这些方面结合，卷边基本平行于臂的轴线延伸并且限定卷边长度，卷边长度至少大约为臂长度的50％。

在公开的另一方面，该公开可以与任意方面结合，卷边具有高度，臂具有宽度，并且卷边的高度与臂的宽度的比大约为1％到5％。

在公开的另一方面，该公开可以与任何这些方面结合，卷边可以沿着卷边的轴线延伸，并且其中卷边的外部表面的远端半部(half)被放置为距卷边的轴线半径距离。

在公开的另一方面，该公开可以与任何这些方面结合，该半径距离可以约为0.025英寸。

在公开的另一方面，该公开可以与任何这些方面结合，臂的外部表面可以包括朝着交通工具的外侧取向的内向部分(inward portion)，和远离(away)交通工具的外侧取向的外向部分(outward portion)，并且卷边可以被放置在臂的外部表面的内向部分。

在公开的另一方面，该公开可以与任何这些方面结合，第二卷边可以从臂的外部表面的外向部分向外延伸并且限定第二卷边的外部表面。

在公开的另一方面，该公开可以与任何这些方面结合，卷边可以限定第一端和第二端，并且卷边的外部表面可以从第一端连续地延伸到第二端。

在公开的另一方面，该公开可以与任何这些方面结合，卷边可以与臂一体成形。

本发明可以涉及组件，该组件布置在交通工具的外侧上并且被定位以在交通工具行进时直接接合气流，该组件可以包括臂，该臂耦接到交通工具并且具有臂的外部表面，臂沿臂的轴线延伸并且限定臂长度；卷边从臂的外部表面向外延伸，并且限定卷边的外部表面，卷边被配置为接合气流的边界层。卷边可基本平行于臂的轴线延伸并且限定卷边的长度，卷边的长度至少大约为臂的长度的50％。卷边可以具有高度，臂具有宽度，并且卷边的高度与臂的宽度的比大约为1％到5％。卷边可以沿着卷边的轴线延伸，并且其中卷边的表面的远端半部被放置为距卷边的轴线半径距离。这些特征均可增强卷边的性能和可靠性。半径距离可以大约为0.025英寸，用于改进操作。臂的外部表面可以包括朝着飞行器的外侧取向的内向部分，和远离飞行器的外侧取向的外向部分，并且其中卷边被放置在臂的外部表面的内向部分中。该组件还包括第二卷边，该第二卷边从臂的外部表面的外向部分向外延伸并且限定第二卷边的外部表面，第二卷边的外部表面被配置为接合气流的边界层。组件可以包括卷边，卷边限定第一端和第二端，并且其中卷边的外部表面从第一端连续地延伸到第二端。卷边可以与臂一体成形。

本发明可以涉及减少由气流通过具有配置在交通工具的外侧上的臂的组件产生的旋涡脱落的方法，其可以包括沿臂的外部表面定位卷边，卷边限定卷边的外部表面从臂的外部表面向外延伸；以及使用卷边的适当尺寸来接合气流的边界层。臂的外部表面可以包括朝着交通工具的外侧取向的内向部分和远离交通工具的外侧取向的外向部分，该方法进一步包括将卷边放置在臂的外部表面的内向部分。该方法还可以包括沿臂的外部表面定位第二卷边，第二卷边限定第二卷边的外部表面，第二卷边的外部表面从臂的外部表面的外向部分向外延伸，并且具有第二卷边的适当尺寸以接合气流的边界层。卷边可以与臂一体成形。该方法还包括独立于臂形成卷边；并且将卷边结合(bonding)到臂上。

本发明可以涉及布置在飞行器的外面的雨刷臂，并且雨刷臂被定位以在飞行器行进时直接接合气流。雨刷臂可以包括臂部分，该臂部分耦接到飞行器并且具有臂的外部表面，臂部分沿臂的轴线延伸并且限定臂的长度；卷边从臂的外部表面向外延伸并且限定具有弧形轮廓的卷边的外部表面，卷边具有足够的尺寸以接合气流的边界层；并且雨刷片被耦接到臂部分。卷边可以基本上平行于臂的轴线延伸并且限定卷边的长度，卷边的长度至少大约为臂的长度的50％。卷边可以沿着卷边的轴线延伸，其中卷边的外部表面的远端半部被放置为距卷边的轴线半径距离，其中半径距离大约为0.025英寸。臂的外部表面可以包括朝着飞行器的外侧取向的内向部分和远离飞行器的外侧取向的外向部分，并且其中卷边被放置在臂的外部表面的内向部分中。雨刷臂还可以包括第二卷边，该第二卷边从臂的外部表面的外向部分向外延伸并且限定具有弧形轮廓的第二卷边的外部表面，第二卷边具有足够的尺寸以接合气流的边界层。卷边可以与臂部分一体形成。

已经论述的特征、功能和优点可以在本公开的不同实施例中单独实现，或者在其他实施例中结合，其进一步的细节可以参见以下具体实施方式和附图。

附图说明

图1是包括以风档雨刷臂的形式的外部组件的飞行器的正视图。

图2是图1的风档雨刷臂的透视图。

图3是在图1和2中示出的雨刷臂的下部的放大的透视图，其示出用于降低由雨刷臂产生的噪音的卷边。

图4是图3的雨刷臂的下部的截面侧视图，其中示例性气流被引导越过臂部分。

图5是说明在基线雨刷臂、单个卷边雨刷臂实施例、和双卷边雨刷臂实施例的声音频率的范围内声音压力水平的图形。

应当理解，附图没有必要按照比例画出，并且公开的实施例有时以图示地方式被说明。将进一步意识到下面详细的说明书在本质上仅仅是示例性的，并且不打算限定本发明或本发明的应用和使用。因此，虽然为了便于解释，本公开作为某些说明性实施例被描绘和说明，但是将会了解其可以在各种其他类型的实施例中和在各种其他系统和环境中被实施。

具体实施方式

下面详细的说明是执行本发明的目前考虑的最佳方式。本说明书并不以限制性意义而进行，而仅仅是用于说明本发明的一般原理的目的，这是因为本发明的范围由随附权利要求最佳地限定。

为了便于理解附图的取向，术语“里面”、“内侧”和“内部”将指取向自站在飞行器的机舱内的人的视角的方向，而术语“外面”、“外侧”和“外部”将指取向自观察飞行器的机舱外面的人的视角的方向。

图1说明限定内部机舱22和前缘23的飞行器20。一列风挡24和侧窗25被提供在前缘23处，并且一对雨刷配件26靠近两个风挡24被提供，该两个风挡24位于飞行器20的中心附近。每个雨刷组件26包括雨刷臂28和雨刷片32，雨刷臂28耦接到用于枢轴旋转雨刷组件26的旋转轴30，并且雨刷片32耦接到雨刷臂28，并且被配置为接合风挡的外部(图2)。

雨刷臂28在图2中被更详细地示出。在说明的实施例中，每个雨刷臂28包括用于耦接到旋转轴30的第一连接端34和配置用于固定雨刷片32的第二连接端36。每个雨刷臂28进一步包括沿着臂轴线40延伸的基本线性的臂部分38和在第一连接端34和第二连接端36之间的弧形过渡部分42。臂部分38可以限定沿臂轴线40所测量的臂长度44(图3)。

参考图3和图4充分理解，每个雨刷臂28的臂部分38可以限定具有一般为椭圆形截面形状的臂的外部表面46。臂的外部表面46进一步可以具有朝着飞行器20的外侧50取向的内向部分48，和远离飞行器20的外侧50取向的外向部分52。

图4也图示说明了从上游端56到下游端58通过臂部分38的气流54。在图示说明的实施例中，气流54产生包括临近外部表面46的内向部分48和外向部分52的边界层60。边界层60的上游部分通常符合外部表面46的形状。当边界层60穿过臂部分38时，边界层60通常会失去速度，并且可从层流转变到湍流。最后，边界层60离开外部表面46，这是在工业上已知的边界层分离。这是由于臂的截面46的钝形形状导致的。当由边界层分离产生的旋涡相干地振荡时，也就是说旋涡从组件的相对两侧以重复交替的模式脱落，其中旋涡之间的距离接近雨刷臂38的宽度，旋涡可以产生在机舱22内作为噪音被观测到的压力波。

卷边70可以被提供到臂部分38上，以缓解或消除由于旋涡脱落导致噪音的可能性。如图3和4中最好地示出，卷边70从臂的外部表面46向外延伸，并且卷边70限定具有弧形形状的卷边的外部表面72。在图示说明的实施例中，卷边的外部表面72具有半圆形形状；然而，也可以使用其他弧形形式或非弧形的(也就是线状或尖的)形式。卷边70的尺寸足够触发到湍流的转变并且延迟边界层60与臂的外部表面46的相关部分的分离，从而防止由于旋涡从臂部分38脱落产生的相干振荡。

更具体地，卷边70可以被定向，并且具有配置为延迟界面层60与外部表面46分离的长度。例如，在图3和4中说明的实施例中，卷边70可以沿着卷边的轴线74线性地延伸，然而，也可以使用非线性的卷边。另外，虽然图3和4的卷边在其端部之间连续地延伸，但是间断的卷边诸如一排相同高度的离散的凸缘可以替换地被使用。在一些应用中，卷边轴线74可以基本上平行于臂的轴线40(即，在与臂的轴线40平行的十度内)。卷边70也具有沿卷边的轴线74测量的卷边长度76。在一些实施例中，卷边的长度76可以至少为臂长度44的50％。在其他实施例中，卷边的长度76可以至少为臂长度44的70％。在其他实施例中，卷边的长度76可以至少为臂长度44的80％。并非进行理论的约束，申请人认为卷边的长度76相对于臂的长度44越长，越能增加卷边70延迟边界层60的分离的能力。

另外，卷边70可以具有足够的尺寸来延迟边界层60与外部表面46的分离。如图4中最好地示出，卷边的外部表面72从臂的外部表面46向外突出卷边的高度78，同时臂部分38具有臂的宽度79。卷边的高度78可以相对于臂的宽度79被选择，以确保界面层分离的延迟。例如，作为卷边的高度78与臂的宽度79的比的卷边的高度比可以被用来设计卷边70的尺寸。在一些实施例中，卷边的高度比大约为1％到5％。在特定的实施例中，卷边的高度78可以大约为0.05英寸，同时臂的宽度可以大约为1.25英寸，因此对于该实施例，卷边的高度比大约为4％。而且，卷边的外部表面72可以具有离臂部分38的外部表面46最远的远端半部80，其中远端半部80的每个点距卷边轴线74半径距离被放置。在一些实施例，半径距离可以大约为0.025英寸。

卷边70可以沿臂的外部表面46被放置在各种位置。例如，如图4中所示，卷边70被放置在外部表面46的内向部分48上，并且更靠近臂部分38的上游端。可替换地，只要卷边70不被放置在臂的外部表面46的上游最末端或下游最末端，卷边70可以被放置在外部表面46的内向部分48的其他位置，或甚至被放置在外部表面46的外向部分52中。

在可替换地实施例中，臂部分38可以被提供有第二卷边82。如图4所示，第二卷边82可以大小、取向和配置与卷边70类似，然而第二卷边可被放置在臂部分38的相对侧。例如，卷边70可以被放置在臂的外部表面46的内向部分48中，而第二卷边82可以被放置在臂的外部表面46的外向部分52中。以此方式，边界层分离可以在臂部分38的两侧上被延迟。虽然该可替换实施例在图4中被示出，但是将意识到，已经发现单个卷边70充分降低由于旋涡脱落引起的噪音，并且单个卷边70可以在被放置到臂的外部表面46的内向部分48时提供更有利地外观。

可以应用各种构造方法以在臂部分38上提供卷边70。在说明的实施例中，卷边70诸如通过在模制臂部分38的同时模制卷边70而与臂部分38一体形成。可替换地，卷边70可以被改装到现存的臂部分38上，现存的臂部分38原始并未被提供有卷边。例如，卷边70可以使用粘合(adhesive bonding)、机械连接或其他耦接方式耦接到臂部分38。

虽然在上面卷边70被描述与雨刷臂28连接，但是应意识到卷边70可以被提供到其他组件上，这些组件在暴露于流体流时容易引起旋涡脱落。

此外，提供减少由气流通过具有布置在交通工具的外侧上的臂(例如，被提供在飞行器20上的雨刷臂28的臂部分38)的组件产生的旋涡脱落的方法。该方法可以包括沿臂的外部表面46放置卷边70，卷边限定从臂的外部表面46向外延伸的并且具有弧形轮廓的卷边的外部表面72。卷边70可以具有足够的尺寸以接合气流54的边界层60，使得在臂的外部表面46上方定向气流54时，卷边70可以延迟边界层与臂分离。

图5是对照噪音频率(赫兹)的范围绘制声音压力水平(以分贝为单位)的曲线图。该图包括三条线。如图5示意性说明并且由参考标号92所指示，第一条线90示出没有卷边的臂部分的基线轮廓。第一条线90在噪音水平接近2000赫兹的噪音频率处包括尖峰94。申请人认为这个尖峰与在飞行器机舱22里面观测到的噪音关联。大约为2000赫兹的尖峰频率在实验室测试期间被获得。在实际飞行测试期间，尖峰噪音在大约4000赫兹处被观测到。实验室和飞行测试之间的不同是由于在实验室测试中的气流速度大约为飞行速度的1/2。选择实验室测试气流速度是由于实验室中的空气的运动黏度值约为飞行中的值的1/2，所以这种布置产生用于两种流的相同的雷诺数。雷诺数控制到湍流的转变，因此雷诺数应该在两种情况之间相匹配。用于基线几何形状的光谱在基本频率的两倍(因此接近4000赫兹)处还具有谐振峰95。如图5中示意性说明并且由参考标号98所指示，第二条线96说明与臂部分关联的噪音轮廓，该臂部分具有定位在外部表面的内向部分上的单个卷边。另外，如图5中示意性说明并且由参考标号102所指示，第三条线100说明与具有定位在外部表面的相对侧上的两个卷边的臂部分关联的噪音轮廓。第二条线96和第三条线100在2000赫兹频率和4000赫兹频率两个频率下都示出了减少的噪音水平，由此指示噪音可以被衰减到期望的水平。

将会意识到，前面说明书提供公开的装置和方法的示例。然而，可以预期到公开的其他实施方式在细节上可能不同于之前的示例。公开的所有引用或其示例，意在在该处引用所讨论的特定示例，并且更一般地说不意图暗示作为对公开的范围的任何限制。对于某些特征，所有区别和轻视的语言意图指出对于这些特征优选地不足，并不是完全地从公开的范围排出这些，除非另有指出。

本文中的数值范围的描述仅仅用作单独引用落入该范围内的每个单独值的快速方法，除非另外明确指出，并且每个单独的值以其被单独描述一样包含于本发明说明书中。本文描述的所有方法可以以任意合适顺序执行，除非另外明确指出或者通过上下文理解存在明显的矛盾。

因此，本发明包括适用法律所允许的所附权利要求中阐述的主题的所有变型和等价物。而且，上述元素的任何可能变型的任意组合都应当包含在本发明的范围内，除非本文明确指出或者通过上下文分析存在明显的矛盾。

Claims (12)

1.一种布置在交通工具的外侧上的组件，并且所述组件被定位以在所述交通工具行进时直接接合气流，所述组件包括：

臂，所述臂耦接到所述交通工具并且具有臂的外部表面，所述臂沿臂轴线延伸并且限定臂长度，所述臂的外部表面包括朝着所述交通工具的所述外侧取向的内向部分和远离所述交通工具的所述外侧取向的外向部分；以及

卷边，所述卷边从所述臂的外部表面向外延伸并且限定卷边的外部表面，所述卷边被配置为接合所述气流的边界层，其中所述卷边被放置在所述臂的外部表面的所述内向部分。

2.根据权利要求1所述的组件，其中所述卷边基本平行于所述臂轴线延伸并且限定卷边长度，所述卷边长度至少为所述臂长度的50％。

3.根据权利要求2所述的组件，其中所述卷边具有高度，所述臂具有宽度，并且卷边高度与臂宽度的比为1％到5％。

4.根据权利要求2所述的组件，其中所述卷边沿卷边的轴线延伸，并且其中所述卷边的外部表面的远端半部被放置为距所述卷边的轴线半径距离。

5.根据权利要求4所述的组件，其中所述半径距离为0.025英寸。

6.根据权利要求1所述的组件，其进一步包括从所述臂的外部表面的所述外向部分向外延伸的第二卷边，并且所述第二卷边限定配置为接合所述气流的所述边界层的第二卷边的外部表面。

7.根据权利要求1所述的组件，其中所述卷边限定第一端和第二端，并且其中所述卷边的外部表面从所述第一端连续地延伸到所述第二端。

8.根据权利要求1所述的组件，其中所述卷边与所述臂一体形成。

9.一种减少由气流通过组件产生的旋涡脱落的方法，所述组件具有布置在交通工具的外侧上的臂，所述方法包括：

沿所述臂的外部表面定位卷边，所述卷边限定卷边的外部表面并且从所述臂的外部表面向外延伸，其中所述臂的外部表面包括朝着所述交通工具的所述外侧取向的内向部分和远离所述交通工具的所述外侧取向的外向部分；

使用所述卷边的适当尺寸来接合所述气流的边界层；以及

将所述卷边放置在所述臂的外部表面的所述内向部分中。

10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括沿所述臂的所述外部表面定位第二卷边，所述第二卷边限定第二卷边的外部表面并且从所述臂的外部表面的所述外向部分向外延伸，并且所述第二卷边具有适当尺寸以使所述第二卷边接合所述气流的所述边界层。

11.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括与所述臂一体形成所述卷边。

12.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：

独立于所述臂形成所述卷边；以及

将所述卷边结合到所述臂。

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