JP2009528510A - 航空機および風力エネルギープラント用空力形状体ならびに空力形状体上の氷の厚さを測定する方法 - Google Patents

Abstract

航空機および風力エネルギープラント用の空力形状体(10)が、たとえば、フェーズド超音波発射器機構(12)がその中に配置された空力形状構造体(11)を備え、フェーズド超音波発生器機構(12)が、作動中に、空力形状体(10)の表面の氷層(8)の厚み分布を求めるために特定の方向(R1,R2,R3)に超音波を発射する。構造体(11)は、たとえば、発泡体コア(14)の周りに配置された繊維複合材料であり、超音波発生器機構(12)は、その繊維複合材料中に積層される。氷厚さの測定に際し、超音波が空力形状体(10)の表面へ発射され、氷層(8)の境界面で反射された超音波が検出される。超音波は空力形状体(10)の表面の様々な特定の位置へ発射され、氷層の厚み分布を求めるために、表面の少なくとも1つの領域が目標を定めた超音波を用いて走査される。

Description

本発明は、請求項1のプリアンブルによる、航空機および風力発電所用の空力形状体、ならびに請求項9のプリアンブルによる、空力形状体上の氷の厚さを測定する方法に関する。

ヘリコプタおよび風力発電所の回転翼、そしてまた航空機の翼などの空力形状体は、空力形状体の表面上に氷の形成を受ける。特に、たとえば氷の突出の形態での不均一な氷の形状は、均一な厚さで滑らかな氷層の場合より空気流がそこで失速を起こしやすいので、危険である。図2は、氷層8がその上に形成された空力形状体の前縁7を示し、その氷層8は、形状が不均一であり、したがって容易に失速を発生し得る。

空力形状体の氷結の全般的問題に対処するために、氷層を検出し、特にまた、氷層の厚さを測定することが必要である。しかし、氷の形成現象をより広範に調査し、安全性上の危険を回避するために、氷層の厚さのみではなく、空力形状体上の氷の形状も測定するべきである。この目的のために、形成された氷が、飛行後に結氷領域全体に亘って鋸断され、その形状が測定されてきた。代替として、翼または回転翼上に目視マーキング付きのライダを装着し、氷が積もるマーキングを監視することによってその過程を追跡することができるように、そのライダをカメラによって監視することも可能であった。

様々な文献が、翼または空力形状体上の氷の検出に超音波を使用することを記載している。しかし、公知の方法は、個々の変換器によって氷を検出し、氷の厚さを測定することに限られており、翼上の氷の形状は測定されない。

これについて、特許文献１は、超音波を用いて氷の厚さを測定する方法および装置を記載しており、その場合、超音波パルスは、翼の前縁領域の表面上に配置された変換器または超音波発生器によって発射される。超音波パルスは、氷を通ってその表面まで達し、そこで反射されて、再び音波発生器で受け取られる。氷の厚さは、パルスの伝播時間から求められる。

特許文献２は、氷の厚さを求める同様な方法を記載しているが、音波発生器は、実際に氷が堆積する表面の面内にその表面が配置されたバッファブロックの裏側に配置されている。

さらに、特許文献３は、翼などの構造体の表面の氷を検出する方法および装置を示しており、その場合、超音波発生器から発した超音波は、翼の表面の方向に伝播し、その上に位置する氷層の諸界面で反射された後、超音波受信器で受け取られる。

しかし、現在まで公知の、空力形状体上の氷を検出する方策は、氷の形状を求めることが行われないという欠点を有する。さらに、公知の測定装置を翼または形状体に組み込むには、高額の構造構成上の費用が必要である。
米国特許第4,628,736号公報 米国特許第5,095,754号公報 米国特許第5,507,183号公報

したがって、本発明の目的は、流れを乱す追加の構成要素を取り付けることなく、空力形状体上の氷の形状を作動中に測定することを可能にすることである。

この目的は、請求項1による、航空機および風力発電所用の空力形状体、ならびに請求項11による、空力形状体上の氷の厚さを測定する方法によって達成される。本発明のさらに別の有利な態様、特徴および詳細は、添付の特許請求の範囲、説明、および図面に含まれる。

本発明による、航空機および風力発電所用の空力形状体は、空力形状構造体と、空力形状体内に配置され、作動中、空力形状体の表面の氷層の厚み分布を求めるために様々な方向に目標を定めて超音波を発射するフェーズドアレイ制御式超音波発生器機構とを備える。本発明の結果、流れを乱す追加の構成要素を回転翼または翼上に装着する必要なしに、作動中の氷分布の測定が可能になり、すなわち、飛行中に、航空機翼またはヘリコプタの回転翼上の氷層の分布を求めることができる。風力発電所の場合、回転翼上の氷厚さの分布を、リアルタイムで求め、監視することができる。飛行中または作動中に氷分布を監視することによって、氷層の形が、たとえば、失速を起こし得る形状を取ると直ちに、適切な処置を迅速に取ることができる。

超音波発生器機構は、好ましくは、フェーズドアレイであり、かつ/または超音波発生器の配列を備える。

本発明を用いて、氷結シミュレーション用のコードをそれによって較正することができるようにするために、空力形状体上の2次元氷分布を求めることもまた可能である。これは、たとえば、飛行試験のために必要である。本発明の別の利点は、センサが空力形状体の表面に配置されておらず、その結果、侵食、腐食、その他による擾乱またはセンサの不具合もしくは損傷が生じないことである。

超音波発生器機構は、有利には、氷被覆の走査を実施するようにさらに開発される。したがって、氷の厚み分布が、特に迅速に求められ得る。

好ましくは、超音波発生器機構は、たとえば繊維複合材料製の空力形状構造体中に積層される。その結果、超音波発生器が大いに保護され、構造構成上の費用の低減、およびそれによるコストの低減が同時にできる。

代替として、超音波発生器機構はまた、繊維複合材料製領域の外側、たとえば空力形状体の発泡体コアと、隣接する繊維複合材料との間、または発泡体コアの内部に配置することができる。これには、超音波発生器機構を特に簡単にはめ込むことができ、その場合、積層に重ね込む必要がなく、さらに、繊維構造または炭素繊維構造が超音波発生器機構によって乱されることがないという利点がある。

超音波発生器機構は、たとえば、1次元的にさらに開発され、すなわち、一連の連続的に配置された超音波発生器要素を備える。その結果、空力形状体上に堆積した氷層の走査を、比較的少数の超音波発生器要素を用いるだけで実施することができる。

超音波発生器機構はまた、特に、2次元的にさらに開発され得、すなわち、超音波発生器が、2次元的にまたは平面的に配置された複数の超音波発生器要素を備える。このようにして、氷層の2次元領域を走査することが可能になり、その結果、堆積氷層の2次元分布状態を殆どリアルタイムで生成することができる。これは、氷の厚み分布を2方向で求めることができ、それによって空力形状体上に堆積される氷層のモデルを得ることができることを意味する。

超音波発生器機構は、たとえば、特に、PVDF箔または他の超音波発射可撓基板の形で実現することができる多数の感圧変換器要素を備える。

さらに、感圧変換器要素は、空力形状体の腐食防護体の下に配置することができる。この配置の結果、個々の要素は、空力形状体の表面に垂直な波面を自動的に発射する。そのとき、感圧変換器要素は、たとえば、フェーズドアレイ超音波発生器機構としては作動せず、個々に制御される。すなわち、氷の厚さは、各感圧変換器要素位置で局所的に測定され、それらの2次元的合成処理の結果、諸要素により、氷分布の2次元測定を行うことができる。

空力形状体は、特に、ヘリコプタもしくは風力発電所用の回転翼、または航空機の翼である。

本発明の別の態様によれば、空力形状体の表面へ超音波を発射するステップと、氷層の諸界面で反射した超音波を受信するステップと、氷層内を反射超音波が伝播時間を解析することによって、または干渉を解析することによって、氷層の厚さを求めるステップとを有し、超音波が空力形状体の表面の様々な位置へ目標を定めて発射され、氷の厚み分布を求めるために、表面の少なくとも1つの領域が、目標を定めた超音波を用いて走査される、空力形状体上の氷の厚さを測定する方法が示されている。

本発明による方法は、空力形状体と同じ利点を本質的に有する。

氷の厚み分布は、好ましくは、氷層の諸界面で反射して戻る超音波の伝播時間から求められる。翼を通過する伝播時間が、感圧要素が発射から受信モードに切り替わるのに必要とする時間に比較して短すぎる場合には、音波の伝播を減速する追加の層を翼と感圧要素との間に挿入することができる。さらに、この層は、可撓性の基板を用いて実現することができ、音響インピーダンスに関しては、可能な限り多くの音エネルギーを翼および氷層に移行させるように適合させることができる。同時に、温度起因の影響および付加的障害作用を補償するための基準信号として、受信信号を、この減速層の界面によって分析することができる。

氷の厚み分布は、氷層の少なくとも2つの界面で反射され、重ね合わされる超音波の干渉を解析することによって求めることができる。

超音波の波面は、有利には、空力形状体の表面に基本的に垂直に入射する。

以下に、本発明が、図面を用いて例として記述される。

図1は、本発明の好ましい第1の実施形態による空力形状体10の断面図である。簡略化のために、空力形状体10の前方部分のみが示されている。空力形状体10は、たとえば、回転翼または航空機の翼である。その空力形状体10は、ここに示された実施形態では、炭素繊維複合材料製の空力形状構造体11を備える。フェーズドアレイ超音波発生器が構造体11の内部に配置され、その超音波発生器が、空力形状体10の表面に堆積した氷層8の厚み分布を求めるために、様々な方向R1、R2、R3に目標を定めて超音波を発射する。

ここに示された例では、侵食および腐食に対する防護層として構造体11上に配置された腐食防護体13が、空力形状体10の前縁に配置されている。これは、氷の堆積が、前縁の領域に通常発生するので、腐食防護体13上に生じることを意味する。

さらに、発泡体コアの形態のコア14が空力形状体10中に配置され、繊維複合材料製の構造体11がコア14を取り巻く。ここに示された回転翼の場合には、前縁コア15が、空力形状体10の前縁領域に配置されている。

フェーズドアレイ超音波発生器機構12は、一連の連続的に配置された超音波発生器要素16を備える。一連の個々の超音波発生器要素16は、構造体11内で、基本的に空力形状体10の前縁10aからその中央へ向かって、すなわち、ヘリコプタの回転翼または航空機の翼の場合には水平方向に、すなわち翼の奥行の方向に延在する。超音波発生器機構12は、図示されていないが、制御および解析ユニットに結合され、その制御および解析ユニットによって、超音波発生器機構の制御および測定信号の解析が作動中に行われる。

作動中に氷の厚み分布を求めるために、空力形状体10の表面が走査され、発射される波面の伝播方向は電気的に制御される。各走査点では、氷の厚さは、そこから反射された超音波を用いて測定され、すなわち、氷の厚さを局所的に求める測定が行われる。これが結果的に氷分布になる。

氷厚さの測定は、たとえば、超音波発生器機構12によって発射され、空力形状体10の表面のそれぞれの点で反射された超音波の伝播時間によって行われる。この場合、空力形状体10の表面と氷層8との界面、ならびに氷と空気の界面で反射される測定信号の差が解析される。一方で、それに替えて、氷の厚さの測定は異なる方式、たとえば形状体表面/氷の界面で反射される波が氷/空気の界面で反射される波と重ね合わされたときに生じる干渉を解析することによって行うこともできる。

超音波発生器機構は、氷と空気との界面で反射された波の所望の超音波パルスのみでなく、たとえば腐食防護体などでの諸反射による多数の障害パルスも受け取る。対象とするパルスを他のパルスからより容易に区別することを可能にするために、氷が生じ得ない環境条件下で作動している間に超音波発生器機構が受け取った信号を記憶することができる。氷が存在する状態での測定中は、予め記憶された信号がセンサ振幅の時間経過から差し引かれ、それによって多くの障害作用を取り除くことができる。

ここに例示されているように、回転翼または翼中にフェーズドアレイ超音波発生器を「水平」に配置した結果、対象範囲の殆ど全位置からの反射波を、やはり超音波発生器機構12を用いて検出することができる。氷の厚さの測定を行うことができないのは、前縁コア15の領域、すなわち感圧変換器要素の軸線の延長上のみである。測定中、超音波は、空力形状体10の表面に基本的に垂直に入射し、そこで表面に堆積した氷に入り、その結果、最適な測定結果が達成される。

空力形状体10の製造中、フェーズドアレイ超音波発生器機構は、複合材料が積層されるときには既に配置されている。複合材料は特に、回転翼の場合には遠心力を吸収するために用いられる一方向性のガラス繊維または炭素繊維を備える。超音波発生器機構12には、起こり得る高積層温度によって生じる損傷を回避するために、高キュリー温度を有する材料が使用される。

図3は、個々のフェーズドアレイ超音波発生器要素16を有するフェーズドアレイ超音波発生器機構12が、複合繊維材料製の構造体11の領域中に積層されず、発泡体コアまたはコア14と炭素繊維複合材料すなわち構造体11との間に配置されている本発明の別の好ましい実施形態を示す。なお、図1と同じ参照番号が使用されている。

超音波発生器機構12は、空力形状体10の上側からその下側の方向、すなわち翼またはヘリコプタ回転翼の場合には垂直方向(翼奥行の方向に対して垂直)に延在する。空力形状体10の前縁上、すなわち腐食防護体13上の氷層8の走査に際し、波面は、フェーズドアレイ超音波発生器機構12から目標を定めて空力形状体10の表面の様々な点に順次送出され、それらの点に位置する氷層8の諸界面から反射され戻る。超音波発生器機構12は、次いで、反射され戻った超音波を検出し、測定信号を図示されていない制御および解析ユニットへ給送する。氷層8の走査および空力形状体10の表面の氷分布の生成はこのように行われる。

図4は、感圧変換器アレイ22、すなわち感圧音波発生器要素の配列が、たとえばPVDF箔の形態で腐食防護体13の直下に配置された、本発明の別の実施形態を示す。これは、感圧変換器アレイの形態の超音波発生器機構が、繊維複合材料製の空力構造体11と回転翼または翼の前縁上の腐食防護体13との間に配置されていることを意味する。腐食防護体13の直下にPVDF箔を配置した結果、発射される波面は、空力形状体10の表面に自動的に垂直に入射する。図4に示されたその他の要素は、図1および3と同じ参照番号が付され、特性および機能に関してはそれらを参照されたい。

ここに例示された全ての実施形態では、1次元フェーズドアレイ超音波発生器機構ならびに2次元フェーズドアレイ超音波発生器機構を使用することができる。その結果、波面が表面にほぼ垂直に入射するならば、氷の分布は、断面位置で求めることができるのみではなく、それに垂直な限られた距離においても求めることができる。

本発明の好ましい第1の実施形態による空力形状体の概略断面図である。 回転翼または航空機翼上の氷の形状例の概略図である。 本発明の好ましい第2の実施形態による空力形状体の概略断面図である。 本発明の好ましい第3の実施形態による空力形状体の概略断面図である。

符号の説明

7 前縁
8 氷層
10 空力形状体
11 空力形状構造体
12 超音波発生器機構
13 腐食防護体
14 コア
15 前縁コア
16 超音波発生器要素
22 感圧変換器アレイ

Claims (15)

1. 空力形状構造体(11)を有する航空機および風力発電所用の空力形状体(10)において、
   該空力形状体(10)内に配置され、作動中、該空力形状体(10)の表面の氷層(8)の厚み分布を求めるために、様々な方向(R1、R2、R3)に目標を定めて超音波を発射する超音波発生器機構(12;22)を備え、
   該超音波発生器機構(22)が、前記空力形状体(10)の腐食防護体(13)の下に配置された多数の感圧変換器要素を備えていることを特徴とする空力形状体(10)。
2. 前記超音波発生器機構(12;22)が、前記氷の厚さの走査を実施するためにさらに開発されたことを特徴とする、請求項1に記載の空力形状体。
3. 前記空力形状構造体(11)は、前記超音波発生器機構(12)がその中に積層される繊維複合材料から製造されていることを特徴とする、請求項1または2に記載の空力形状体。
4. 前記空力形状構造体(11)が繊維複合材料から製造される領域を備え、前記超音波発生器機構(12;22)が繊維複合材料製の前記領域の外側に配置されていることを特徴とする、請求項1または2に記載の空力形状体。
5. 前記超音波発生器機構(12)がフェーズドアレイ機構であることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の空力形状体。
6. 前記超音波発生器機構(22)が、超音波発生器の配列を備えていることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の空力形状体。
7. 前記超音波発生器機構(12;22)が、1次元的にさらに開発され、一連の連続的に配置された超音波発生器要素(16)を備えていることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の空力形状体。
8. 前記超音波発生器機構(12;22)が、少なくとも2次元的にさらに開発され、複数の超音波発生器要素(16)を備えていることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の空力形状体。
9. 前記感圧変換器要素が、PVDF箔としてさらに開発されたことを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載の空力形状体。
10. 前記空力形状体が、ヘリコプタもしくは風力発電所用の回転翼、または航空機の翼であることを特徴とする、請求項1から9の一項に記載の空力形状体。
11. 空力形状体(10)の表面へ超音波を発射するステップと、
    氷層(8)の諸界面で反射した前記超音波を受信するステップと、
    前記氷層内を反射超音波が伝播時間を解析することによって、または干渉を解析することによって、前記氷層(8)の厚さを求めるステップと
    を有する空力形状体(10)上の氷の厚さを測定する方法において、
    前記超音波が前記空力形状体(10)の表面の様々な位置へ目標を定めて発射され、氷の厚み分布を求めるために、前記表面の少なくとも1つの領域が、前記目標を定めた超音波を用いて走査されることを特徴とする方法。
12. 前記氷の厚み分布が、前記氷層(8)の諸界面で反射して戻る前記超音波の伝播時間から求められることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
13. 前記氷の厚み分布が、前記氷層(8)の少なくとも2つの界面で反射され、重ね合わされる前記超音波の干渉を解析することによって求められることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
14. 先ず、氷が存在しない状態で基準測定を実施し、センサ信号の時間経過を記憶し、作動に際し氷が存在する状態で、障害反射の影響を最小限に抑えるために、2つの信号の差を解析することを特徴とする、請求項11から13の一項に記載の方法。
15. 前記超音波の波面が、前記空力形状体(10)の表面に基本的に垂直に入射することを特徴とする、請求項11から14の一項に記載の方法。

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