JP2006022806A - 空気流のパラメータを検知するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、様々な形式のエンジン及びその他の装置に有用なセンサ及び翼形部を提供する。
【解決手段】 ベーン組立体（１０）は、主軸線と、主軸線にほぼ平行なベーン内部の第１の通路（３２）と、第１の通路に整列した第２の通路（３４）とを有するベーン（１４）を含む。ベーンは、第１の通路と第２の通路との間に窓部分（２０）を有する。ベーン組立体はまた、第１の通路内に挿入されかつ第２の通路内で所定位置に保持された部分（１８）を有するセンサ（１２）を含み、センサの一部分（１６）が、ベーンの窓部分内に露出している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的には様々な形式のエンジン及びその他の装置に有用なセンサ及び翼形部に関し、より具体的には、ベーンに組入れたセンサに関する。

センサは、一般的に２つの基本的構造を含む。それらの構造の１つは、温度又は圧力のような関心のある物理的特性を測定し、かつさらに電気的又はその他の物理的形態のいずれかで有用な信号を出力する要素である。他の構造は、検知要素の取付け、支持及び保護を同時に行う外部本体である。この２部品構成により、センサ全体を例えば航空機内のその他の局所ハードウェアから独立して取外しかつ交換することが可能になる。

幾つかのセンサは、高い動的二次特性（圧力、温度、乱流、伝導率、方向ベクトル等の１つ又はそれ以上のような）を有する流動流体の環境内に浸漬される。検知要素に対するこのようなセンサの外部支持構造体の設計は、該検知要素によってなされた測定の精度及び時定数に著しく影響を与える可能性がある。

一般的に、センサの支持本体は、フローストリームに対してベーンベクトル作用を行うようには意図していない。代わりに、センサは、フローストリームに対して可能な限り殆ど影響を与えずまた中性の（ニュートラルな）影響を生じるように設計される。センサの浸漬の深さ並びにその本体の幅及び形状は、フローストリームに対して生じる影響を最少にするように設計されなければならない。また、センサは、耐久性において十分でありかつ測定対象の物理的特性を有する関心のある特定の帯域に到達するのに十分な大きさに作られなければならない。フローストリームの特性を測定することと、フローストリーム自体を妨げることと、センサの強度及び信頼性との間には、潜在的に大きな二律背反性（トレードオフ）が存在する。従って、フローストリーム内に別体のセンサを取付けることは、フローストリーム自体に対して大きなマイナスの影響を与える可能性がある。例えば、少なくとも１つの公知従来技術の組立体は、ベーン上端付近の別体の片持ち状本体に取付けたセンサを含む。このような独立型センサは、空気ストリームに対してそれら自体による乱流を付加しまた空気ストリームを遮るので、流れ面積の減少を補うために空気流速度の増大を必要とする。

翼形部又はその他の流体フローベーン内に組入れたセンサ要素は、一般的に以下の３つの方法の１つで取付けられかつ構成される。

（１）センサは、フローベーンの壁内に吸入孔がある状態又は吸入孔がない状態で、フローベーン本体の内部に収納される。孔により、フローストリームの一部分がフローベーン空洞内部に流入してセンサ測定の信号応答時定数を減少させるか或いは精度を高めることが可能になる。センサをフローベーンの本体内に収納することにより、センサ信号は常に、収納していないセンサの時定数よりも長い時定数を持つことになる。このより長い時定数は、例えば吸入孔を設けること又は壁寸法を薄くしてフローベーンのバルク質量を減少させることなどのフローベーン強度及び健全性を犠牲にするフローベーンの改造によってのみ短縮することができる。センサを囲むフローベーン本体の放射熱が、センサ要素の時定数に影響を与え、或いは圧力の場合には、吸入孔の大きさが、圧力変化率に影響を与えることになる。この構成は、上述のような高い動的二次特性を有する用途には有効でないと言える。

（２）センサは、フローベーンの本体要素の壁から突出している。この構成では、センサ要素は、垂直なフローベーン要素からフローストリーム内に突出し、この場合、センサ要素は、極めて低いか又は外形不連続形状の全くない軸方向長さに沿ったフローベーンの断面の突出部として形成される。この片持ち状センサ構成は、四分の一波長一次振動応答を可能にする。この構成では、センサを可撓性にせずにセンサを無傷の状態で取外し又は取付けることは困難であるか又は不可能である。しかしながら、センサの露出部分の耐久性が低下する可能性があるので、極めて高温及び／又は高速のフローストリーム環境においてセンサを可撓性にすることは望ましくないと言える。さらに、フローベーンを軸方向に取外すことは、一般的にフローベーンの壁面に対してほぼ直角に取付けたセンサ要素の突出部によって困難になる。

（３）センサは、フローベーン本体壁の表皮に直接適用される。この場合、すでに計画しかつ最適化させたフローベーン設計は、広範囲な改造を必要としないことになる。しかしながら、露出したセンサ本体は、センサリード要素の全長にわたって空気流を乱す可能性がある。より信頼性のあるセンサは寸法がより大きくまた主流をより乱す傾向があるので、信頼性と主流の乱れの大きさとの間には、強い二律背反性が存在する。通常、この構成は、低いセンサ信頼性のための開発研究に用いられる。加えて、ベーンの取外しは、外部改造のために困難であると言える。

これらのセンサ構成の各々は適切なセンサ情報を提供するが、各々における二律背反性への妥協は、特定のセンサ／ベーン流れ測定用途では望ましくない場合があるということは明らかである。例えば、これらの構成は、空気流の乱れを最小にしながら、同時にセンサ要素又はフローベーンのいずれかの信頼性及び時定数を維持又は向上させることはできない。
特開２００３−３２９５２６号

従って、本発明の幾つかの態様はベーン組立体を提供し、本ベーン組立体は、主軸線と、主軸線にほぼ平行なベーン内部の第１の通路と、第１の通路に整列した第２の通路とを有するベーンを含む。ベーンは、第１の通路と第２の通路との間に窓部分を有する。ベーン組立体はまた、第１の通路内に挿入されかつ第２の通路内で所定位置に保持された部分を有するセンサを含み、センサの一部分が、ベーンの窓部分内に露出している。

別の態様では、本発明はベーン組立体を提供し、本ベーン組立体は、主軸線と、主軸線にほぼ平行なベーン内部の第１の通路と、第１の通路に整列した第２の通路とを有するベーンを含む。ベーンは、第１の通路と第２の通路との間に窓部分を有する。ベーン組立体はまた、第１の通路内に挿入されかつ第２の通路内で所定位置に保持された部分を有するセンサを含み、センサの一部分が、ベーンの中央部分における該ベーンの窓部分内に露出している。

さらに別の態様では、本発明は、ベーンの第１の通路内に挿入され、第１の通路に整列したベーンの第２の通路内で所定位置に保持され、かつベーンの窓部分内に露出した部分を有する故障したセンサを整備する方法を提供し、本方法は、故障したセンサをベーンから引出す段階と、交換センサをベーン内に押込む段階とを含み、押込む段階及び引出す段階が、その中にベーンが固定された組立体から該ベーンを取外さずに行われる。

さらに別の態様では、本発明は、空気流の物理的特性を測定する方法を提供する。本方法は、ベーンの窓の対向する側面上の通路内に、該通路間の窓内に露出するようにセンサを支持する段階を含む。本方法はさらに、ベーンを横切って空気を流す段階を含む。

本発明の幾つかの構成は、センサ要素を支持するだけの別体のセンサ本体を有する構成に比較して重量及び流れの妨害を低減した経済的なセンサ及びベーン構成を提供するということが分かるであろう。加えて、本発明の幾つかの構成は、幾つかの他の外部露出型の別の設計例と比較してセンサ信頼性の向上をもたらし、かつ幾つかの他の外部露出型の別の設計例に優るフローベーンのより小さい乱れ域を有する。本発明の様々な構成の他の利点は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本明細書で用いる場合、「ベーン」という用語は、別なものとして明確に限定しない限り、ベーン、翼及び翼形部を包含するものとして読取られたい。

本発明の幾つかの構成では、また図１に示すベーン及びセンサ組立体１０を参照すると、センサ要素１２は、フローベーン１４の主軸線にほぼ平行に取付けられ、またセンサ要素１２の一部分１６のみが自由フローストリームＡに直接露出している。センサ１２は、該センサ１２よりも幅広い直径を有する第１の通路３２内に挿入され、センサ１２の底部分がベーン１４の切込み部分１８を含む窓２０の他の側面上の第２の通路３４を通過するまで押込まれる。第１の通路３２及び第２の通路３４は、フローベーン１４の主軸線にほぼ平行である。幾つかの構成では、センサ１２は、第１の通路３２及び第２の通路３４によって、また少なくとも部分的な第２の通路３４内部での比較的緊密な嵌合によって所定位置に保持される。その上に、幾つかの構成では、第１の通路３２の窓端部に歯６０を設けて、後述するようにセンサ１２を所定位置に緊密であるが取外し可能に保持する。センサは、第２の通路３４において拘束されて、半波長周波数応答を達成する利点がある。センサが片持ち状である場合には、四分の一波長周波数応答を達成することになるが、それには、幾つかの用途では耐えるためのセンサのより大きい物理的強度を必要とする。

組立体１０のような構成は、センサ１２の露出部分１６をベーン又は翼形部１４の窓２０内に組入れる。これらの構成の多くでは、以下の利点、すなわち、高速センサ応答性、優れた振動耐性（センサの両端部が固定された構成の場合）、及び後縁フローベーン部分によって緩和された局所のみの流れの乱れの１つ又はそれ以上が得られる。幾つかの構成はまた、翼形部１４の軸方向に突出した外形による突出部及び／又は翼形部１４内の吸入孔の導入を回避する。加えて、幾つかの構成では、センサ要素１２は、それを固定したジェットエンジンのような組立体から翼形部又はフローベーン１４を取外さずに交換することが可能である。多くの構成はまた、別体のセンサよりもより経済的なセンサ１２の交換をもたらす。

図１を参照すると、センサ１２の単数又は複数の作動センサ要素（図示せず）は、空気流ストリームＡ内のセンサ１２の一部分１６内にある。センサ１２の残余部分は、リード線（図１には図示せず）を含み、或いは圧力センサの場合には圧力リード（図１には同様に図示せず）を含む。作動要素（例えばまた限定するのではなく、熱電対）が、ベーン１４の改造したセクション１８の開口部分を含む「窓」２０内に位置する。図１に示すように、空気流ストリームＡは、ベーン１４の前縁２２に導かれ、また窓２０は、前縁２２内の開口部である。図１には示していないが、幾つかの構成では、ベーン１４の上端部分２４は、その表面上に取付けられたフランジを有し、かつ／又はセンサ１２は、ベーン１４上のフランジの上端部に着座した別体のフランジを有する。本発明の全ての構成では両フランジとも必要でなく、また幾つかの構成では、これらのフランジの１つのみを含む。センサ１２は、ベーン１４の上端面２４から外に延びて、単にそれをベーン１４から引出すだけでセンサ１２の取外し、修理及び／又は交換を可能にする。大半の用途では、ベーン１４は、センサ１２ほど頻繁に故障する傾向にない。従って、ベーン１４を取付けているより大きい組立体からベーンを除去する必要なしに、故障したセンサを引出してそれを回収し、交換センサを押込むことによって故障したセンサを交換することができることは、本発明の多くの構成によってもたらされる利点である。

組立体１０は、例えばまた限定するのではなく、ジェットエンジン又はその他の形式のエンジンのような用途に用いることができる。従って、幾つかの構成では、ベーン１４の上端部分２４に管状開口部２６を設けて、エンジンの部品間での空気の流れを可能にする。他の流体の輸送も賄うことが可能である（例えば、開口部２６内部の管を通してオイルを流すことが可能であり、或いは管がある状態又は管がない状態で空気を流すことが可能である）。幾つかの構成では、このような流体を使用して、ベーン１４を冷却し、かつ／又は高温セクションからより低温のセクションへの空気の流れを可能にする。図１に示す組立体１０の構成では、センサ１２は、空洞２６内には設置されていないので、保持センサ１２を保持する任意の空洞とベーン１４内の空洞２６との間での流体の輸送が全くない利点がある。

より一般的には、ベーン１４は、センサ１２を取付けかつ支持する外部要素であり、１つ又は複数のセンサ要素を内蔵する部分１６を含む。幾つかの構成では、ベーン１４は、センサを中心に回転することができるが、本発明では必ずしもそのようにする必要はなく、またセンサ１２をヒンジとすることを目的とするのものでもないが、本発明の全ての構成の１つとしてそのように実施することを除外するものではない。

切込み部分１８は、窓２０を形成するように構成され、この窓２０に、作動センサを内蔵するセンサ部分１６が、空気ストリームの物理的特性を測定するために空気流Ａに対して露出される。幾つかの構成では、他のセンサ構成に比較して空気流Ａ内の乱流を減少させることが望ましいので、陥凹表面２８の形状は、乱流を減少又は最少にするように構成される。

図１のベーン１４は固定ベーンであるが、他の構成では、ベーン１４は翼又は翼形部とすることができる。幾つかの構成では、ベーン１４は、ジェットエンジンで用いられる。大半のジェットエンジン用途では、センサ１２のようなセンサは、非常に厳しい環境に曝されるので非常に長くは耐えられない。ジェットエンジンで用いるセンサの信頼性は向上してきたが、センサは、依然として時折の交換を必要とする。少なくとも１つの公知従来技術のジェットエンジン構成では、組立体内のセンサを交換することが必要になった場合、センサを収納する組立体全体を交換することが必要である。しかしながら、本発明の様々な構成では、センサ１２をベーン１４とは独立して取外しかつ交換することを可能にする利点がある。センサ１２を組立体１０全体としてではなく交換することができることは、大きなコスト節減と整備手順の簡略化とをもたらすことになる。

図１では、空気流Ａは、大まかには左から右に流れて、センサ１２は、ベーン１４の前縁２２付近に設置される。幾つかのケースでは、測定対象の関心のある空気力学的量次第で、前縁の代わりにベーン１４の後縁３０にセンサ１２及び切込み１８を設置するのが有利である。図１の実施例の組立体１０内のベーン１４は対称であるので、空気流Ａを図示するのと反対の方向に向けた場合も、同様の結果が得られると思われる。このような構成は、ベーン一面の層流が必要である場合に有用であり、またこのような構成では正確な圧力測定値を得ることができる。しかしながら、図１に示すような空気流Ａは、少なくとも幾つかのケースでは、より正確な温度測定値を得ることができる。ベーン一面に層状の流れを形成することに関心がある場合には、センサ１２及び切込み部分１８は、ベーンの前縁よりも後縁付近に設置することができる。

ベーンの全長は用途次第で変化する可能性があり、またそれとは別に本発明の実施には重要ではないので、ベーン１４の底部は、図１には示していない。図１に示すベーン１４の上端部分２４は、さらに延長することができ、或いは上端部分２４は、ベーン１４の仕上り部分とすることもできる。後者の構成の幾つかでは、上端部分２４にフランジ（図示せず）を取付けるか、又は上端部分２４は、所望の構成で複数のベーンを覆うケース（同様に図示せず）に取付けられる。センサ１２は、上端部分２４から引出すことが可能である。

本発明の幾つかの構成では、また図２を参照すると、ベーン５４の中央部分にセンサ１２を有する組立体５０を設ける。センサ１２は、ベーン５４の壁５８の内部隆起５６に設けた第１の通路３２内に挿入され、かつさらに図１に示す構成においてセンサを所定位置に保持したのと同様の方法で第２の通路３４によって所定位置に保持される。壁５８の外面の陥凹部（すなわち、切込み部分）１８により形成された窓２０は、センサ１２の作動部分１６を露出させる。この構成は、幾つかの用途では有利であるような、ベーン５４を単体構造物として鋳造することを可能にする。幾つかの構成では、歯６０は、設ける場合には機械加工によって付加することができる。

図２の実施例の構成では、ベーン５４はニュートラル・ベーンである。反りを有する方向転換ベーン（空気流の乱れを最少にするのを支援するように作用するニュートラル・ベーンではなく）の場合には、圧力が測定対象の物理的特性である場合、空気流を正圧側面のセンサ１２上を通過させるようにすることが望ましいことになる。ベーン５４の中央部分にセンサ１２を有する本発明の構成は、前縁２２上の空気流の乱れを回避する利点がある。また、方向転換ベーンの正圧側面では、負圧側面全体にわたって延びる大きな空気流の乱れが、回避されることになる。

図２に示す組立体５０は、依然として従来型のセンサ構成と比較して空気流の乱れを減少させるという二律背反性を有するが、組立体５０内のセンサ１２は、全体的な乱れが最少又は減少される位置に設けられ、かつ／又は幾つかの用途では実際に発生する乱れがより許容できる位置にある。

幾つかの構成では、また図３を参照すると、窓２０内に外向きに延びる歯状構造体６０が、その中にセンサ１２を挿入した第１の通路３２の開口部に設けられる。歯６０は、幾らか窓２０内に突出し、ブレーカとして作用する。センサ１２を所定位置にしっかりと保持することのほかに、歯６０はまた、幾つかの用途では一般的に歯がそのように作用するのと同様に、センサ１２の外側上に堆積する可能性があるカーボン、すす及びその他のデブリ（すなわち、「塵埃」）を剪断するのに役立つ。この塵埃を破砕するために、センサ１２を回転させる。塵埃は、センサを引出すとき剥ぎ取られる。従って、センサ１２を所定位置にしっかりと保持することに加えて、歯６０はさらに、デブリがセンサを取外すのを妨げるのを防止することによってセンサ１２の引出しを可能にする。

図１、図２及び図３の切込み部分１８及び窓２０は、センサ１２と比較してかなり大きなものとして示しているが、他の構成における切込み部分１８及び窓２０は、センサ１２自体に非常に緊密に組合せることができ、それでも依然として正確なセンサ読取りを可能にする。さらに、幾つかの構成では、陥凹表面２８は、図１及び図３に示す凸面形状ではなく凹面又は平坦な形状を有する。陥凹表面２８の形状は、所望のセンサ測定に従って選択することが可能であり、当業者は、本発明を理解することにより、所望の空気力学対精度のトレードオフを達成するように形状を選択することができる。

従って、本発明の幾つかの構成は、空気流を向けることとセンサ要素のための支持を提供することとの両方のために同時にフローベーンを用いることを可能にすることがわかるであろう。その結果、センサ要素を支持するだけの別体のセンサ本体を有する構成に比較して重量及び流れの妨害を低減した経済的なセンサ構成が得られる。その上に、本発明の構成は、幾つかの他の外部露出型の別の設計例と比較してセンサ信頼性を増大させ、かつ幾つかの他の外部露出型の別の設計例に優るフローベーンのより小さい乱れ域を有する。本発明の幾つかの構成は、精度を向上させかつセンサ時定数を減少させるか又は最小にするためのストリームセンサへの露出を無くし、センサ時定数を減少させるために薄くしたフローベーン壁又は吸入孔を用いる幾つかの別の設計例よりも強度のあるベーン構造を維持する。その上に、本発明の幾つかの構成は、フローベーンの軸方向に突出したエンベロープ内部でのセンサの相対的保護をもたらす。ＲＴＤ装置センサ構成の場合には、幾つかの構成の要素部分全体は、最適化した配向で自由フローストリームに対して直角に配置される。フローストリームに対して軸方向である別の位置もまた、フローベーンの長さに沿ったフローストリームの乱れを減少させる構成とすることができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施できることは当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

その中でセンサがベーンの前縁又は後縁付近に位置している、本発明のベーン組立体の幾つかの構成を示す斜視図。 その中でセンサがベーンの中央部分付近に位置している、本発明のベーン組立体の幾つかの他の構成を示す斜視図。 本発明の幾つかの構成の塵埃除去形状部を示す斜視図。

符号の説明

１０ ベーン及びセンサ組立体
１２ センサ要素
１４ フローベーン
１６ センサ要素の一部分
１８ ベーンの切込み部分
２０ 窓
２２ ベーン前縁
２４ ベーン上端部分
２６ 開口部
２８ 陥凹表面
３０ ベーン後縁
３２ 第１の通路
３４ 第２の通路
６０ 歯

Claims (10)

1. 主軸線と、前記主軸線にほぼ平行なベーン内部の第１の通路（３２）と、前記第１の通路に整列した第２の通路（３４）と、前記第１の通路と第２の通路との間の窓部分（２０）とを有するベーン（１４）と、
   前記第１の通路内に挿入されかつ前記第２の通路内で所定位置に保持された部分（１８）を有するセンサ（１２）と、を含み、
   前記センサの一部分（１６）が、前記ベーンの窓部分内に露出している、
   ベーン組立体（１０）。
2. 前記第１の通路（３２）が、前記第２の通路（３４）よりも幅広い直径を有する、請求項１記載の組立体（１０）。
3. 前記第１の通路（３２）の開口部（２６）に、前記センサ（１２）を所定位置に取外し可能に保持するように構成された歯（６０）をさらに含む、請求項１記載の組立体（１０）。
4. 前記ベーン（１４）が、前記第１の通路（３２）から分離した管状開口部（２６）をさらに含み、前記第２の通路（３４）が、エンジンの部品間での空気の流れを可能にするように構成にされている、請求項１記載の組立体（１０）。
5. 主軸線と、前記主軸線にほぼ平行なベーン内部の第１の通路（３２）と、前記第１の通路に整列した第２の通路（３４）と、前記第１の通路と第２の通路との間の窓部分（２０）とを有するベーン（１４）と、
   前記第１の通路内に挿入されかつ前記第２の通路内で所定位置に保持された部分（１８）を有するセンサ（１２）と、を含み、
   前記センサの一部分（１６）が、前記ベーンの中央部分における該ベーンの窓部分内に露出している、
   ベーン組立体（１０）。
6. 前記第１の通路（３２）及び第２の通路（３４）が、前記ベーン（５４）の壁（５８）の内部隆起（５６）内に位置する、請求項５記載の組立体（５０）。
7. 前記ベーン（５４）がニュートラル・ベーンである、請求項５記載の組立体（５０）。
8. ベーン（１４）の第１の通路（３２）内に挿入され、前記第１の通路に整列した前記ベーンの第２の通路（３４）内で所定位置に保持され、かつ前記ベーンの窓部分（２０）内に露出した部分（１６）を有する故障したセンサ（１２）を整備する方法であって、
   前記故障したセンサを前記ベーンから引出す段階と、
   交換センサを前記ベーン内に押込む段階と、を含み、
   前記押込む段階及び引出す段階が、その中に前記ベーンが固定された組立体（１０）から該ベーンを取外さずに行われる、
   方法。
9. 前記ベーン（１４）及びセンサ（１２）が、ジェットエンジン内に位置している、請求項８記載の方法。
10. 空気流の物理的特性を測定する方法であって、
    ベーン（１４）の窓（２０）の対向する側面上の通路（３２、３４）内に、該通路間の窓内に露出するようにセンサ（１２）を支持する段階と、
    ベーンを横切って空気を流す段階と、
    を含む方法。

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