RU225374U1 - Air flow temperature sensor - Google Patents

Air flow temperature sensor Download PDF

Info

Publication number
RU225374U1
RU225374U1 RU2023133357U RU2023133357U RU225374U1 RU 225374 U1 RU225374 U1 RU 225374U1 RU 2023133357 U RU2023133357 U RU 2023133357U RU 2023133357 U RU2023133357 U RU 2023133357U RU 225374 U1 RU225374 U1 RU 225374U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aircraft
temperature sensor
air flow
air
flow temperature
Prior art date
Application number
RU2023133357U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Андреевич Павловский
Владимир Анатольевич Павлинов
Александр Николаевич Яшин
Original Assignee
Акционерное общество "Ульяновское конструкторское бюро приборостроения" (АО "УКБП")
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Ульяновское конструкторское бюро приборостроения" (АО "УКБП") filed Critical Акционерное общество "Ульяновское конструкторское бюро приборостроения" (АО "УКБП")
Application granted granted Critical
Publication of RU225374U1 publication Critical patent/RU225374U1/en

Links

Abstract

Современные самолеты требуют очень точного измерения температуры воздушного потока для расчета скорости ЛА, управления полетным тестом реактивного двигателя, метеорологические исследования, обеспечение безопасности полета, тестирование наземных средств. Обычно применяют датчики температуры, устанавливаемые снаружи на борту ЛА. Для предотвращения образования льда на поверхности, при полетах в условиях обледенения, применяют обогрев корпуса датчика нагревательным элементом, что влечет увеличение мощности энергосистемы летательного аппарата (ЛА) и, как следствие, увеличение массы ЛА и расхода топлива. Modern aircraft require very accurate airflow temperature measurements to calculate aircraft speed, control jet engine flight tests, meteorological research, ensure flight safety, and test ground equipment. Typically, temperature sensors are used that are installed externally on board the aircraft. To prevent the formation of ice on the surface when flying in icing conditions, the sensor housing is heated with a heating element, which entails an increase in the power of the aircraft's power system and, as a consequence, an increase in the aircraft's weight and fuel consumption.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в авиации для определения скоростных и высотных параметров, необходимых для управления летательным аппаратом и более конкретно к системам воздушных данных.The utility model relates to measurement technology and can be used in aviation to determine the speed and altitude parameters necessary to control an aircraft and, more specifically, to air data systems.

Датчики температуры воздушного потока используются на коммерческих самолетах уже около 50 лет. Измеренная температура воздушного потока включает наружную или окружающую температуру воздуха плюс дополнительный нагрев воздуха за счет кинетической энергии быстро движущегося самолета.Air temperature sensors have been used on commercial aircraft for about 50 years. The measured airflow temperature includes the outside or ambient air temperature plus additional heating of the air due to the kinetic energy of the fast moving aircraft.

Воздухозаборный канал датчика, выступающий над обшивкой ЛА подвержен образованию на нем льда в условиях обледенения. Для исключения этих нежелательных процессов, конструкция всех современных датчиков температуры включает в себя нагревательный элемент, потребляемая мощность которого составляет от 250 до 350 Вт, что влечет увеличение мощности энергосистемы летательного аппарата (ЛА) и, как следствие, увеличение массы ЛА и расхода топлива.The air intake duct of the sensor, protruding above the aircraft skin, is susceptible to the formation of ice on it under icing conditions. To eliminate these undesirable processes, the design of all modern temperature sensors includes a heating element, the power consumption of which ranges from 250 to 350 W, which entails an increase in the power of the aircraft's power system and, as a consequence, an increase in the aircraft's weight and fuel consumption.

Известен датчик температуры воздушного потока, описанный в патенте №US 7441948, от 13.06.2013 г. МПК G01K 13/02, содержащий воздухозаборное отверстие, переходящее во внутренний воздушный канал, внутри которого располагается термочувствительный элемент, причем воздухозаборный канал удален от поверхности ЛА и располагается на аэродинамически обтекаемом теле. Часть воздушного потока, обтекаемого вокруг ЛА, попадает в воздухозаборник и по воздушному каналу направляется к чувствительному элементу.An air flow temperature sensor is known, described in patent No. US 7441948, dated June 13, 2013, IPC G01K 13/02, containing an air intake opening that turns into an internal air channel, inside of which a temperature-sensitive element is located, and the air intake channel is removed from the surface of the aircraft and is located on an aerodynamically streamlined body. Part of the air flow flowing around the aircraft enters the air intake and is directed through the air channel to the sensing element.

Недостатком такой конструкции является выступание в воздушный поток самого обтекаемого тела датчика, что приводит к необходимости его обогрева.The disadvantage of this design is that the streamlined body of the sensor itself protrudes into the air flow, which leads to the need to heat it.

Известен датчик температуры воздушного потока, описанный в патенте №US 8182143 В2, от 09.08.2006 г. МПК G01K 13/02, содержащий воздухозаборное отверстие, расположенное вблизи внешней поверхности ЛА, так что окружающий воздух из пограничного слоя, прилегающего к внешней поверхности переходит во внутренний воздушный канал и направляется к чувствительному элементу.An air flow temperature sensor is known, described in patent No. US 8182143 B2, dated 08/09/2006, IPC G01K 13/02, containing an air intake hole located near the outer surface of the aircraft, so that the surrounding air from the boundary layer adjacent to the outer surface passes into internal air channel and is directed to the sensing element.

Недостатком такой конструкции является выступание в воздушный поток воздухозаборного отверстия, что в условиях обледенения приводит к отложению льда и закупорке воздухозаборного отверстия и следующего за ним внутреннего воздушного канала, что приводит к невозможности достоверного измерения температуры.The disadvantage of this design is that the air intake hole protrudes into the air flow, which, under icing conditions, leads to ice deposition and blockage of the air intake hole and the following internal air channel, which makes it impossible to reliably measure temperature.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является снижение нагрузки на энергосистему летательного аппарата.The task to be solved by the claimed utility model is to reduce the load on the aircraft's power system.

Технический результат заключается в обеспечении работы датчика температуры воздушного потока в условиях обледенения при минимальном обогреве.The technical result consists in ensuring the operation of the air flow temperature sensor in icing conditions with minimal heating.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом датчике воздухозаборное и выходное отверстия расположены на аэродинамически обтекаемой поверхности, имеющей две зоны, причем плоскости отверстий параллельны вектору местной скорости воздушного потока. Воздухозаборное отверстие находится в зоне повышенного давления, а выходное в зоне пониженного давления. Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами.This technical result is achieved by the fact that in the inventive sensor the air intake and outlet openings are located on an aerodynamically streamlined surface having two zones, and the planes of the openings are parallel to the vector of the local air flow velocity. The air intake hole is in the high pressure zone, and the outlet hole is in the low pressure zone. The essence of the utility model is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 представлен предлагаемый датчика температуры воздушного потока, где:In fig. Figure 1 shows the proposed air flow temperature sensor, where:

1 - поверхность в области повышенного давления,1 - surface in the area of high pressure,

2 - поверхность в области пониженного давления,2 - surface in the area of low pressure,

3 - проточный канал,3 - flow channel,

4 - корпус датчика,4 - sensor body,

5 - термочувствительный элемент,5 - temperature-sensitive element,

6 - термоизолирующая прокладка,6 - thermal insulating gasket,

7 - входное отверстие,7 - inlet,

8 - выходное отверстие,8 - outlet,

9 - наружная поверхность ЛА.9 - outer surface of the aircraft.

На фиг. 2 представлен предлагаемый датчика температуры воздушного потока с областями повышенного и пониженного, давления образованными плоскими поверхностями, с прямолинейными образующими.In fig. Figure 2 shows the proposed air flow temperature sensor with areas of high and low pressure formed by flat surfaces, with straight generatrices.

На фиг. 3 представлен предлагаемый датчика температуры воздушного потока с нагревательным элементом, гдеIn fig. Figure 3 shows the proposed air flow temperature sensor with a heating element, where

10 - измерительная ячейка,10 - measuring cell,

11 - внутренний канал измерительной ячейки,11 - internal channel of the measuring cell,

12 - нагревательный элемент,12 - heating element,

13 - кольцевой канал.13 - ring channel.

Предлагаемый датчик температуры воздушного потока фиг. 1 содержит корпус датчика 4, установленный заподлицо с наружной поверхностью ЛА 9, со сформированной поверхностью в области повышенного давления 1 с входным отверстием 7 и поверхностью в области пониженного давления 2 с выходным отверстием 8, которые связаны между собой проточным каналом 3, внутри которого расположены термочувствительные элементы 5. Между корпусом 4 и каркасом ЛА установлена термоизолирующая прокладка 6, приэтом корпус 4 изготовлен из материала с низким коэффициентом теплопередачи, например из композитного материала или нержавеющей стали типа 12Х18Н9Т.The proposed air flow temperature sensor Fig. 1 contains a sensor housing 4, installed flush with the outer surface of the aircraft 9, with a formed surface in the area of high pressure 1 with an inlet hole 7 and a surface in the area of low pressure 2 with an outlet hole 8, which are interconnected by a flow channel 3, inside which temperature-sensitive sensors are located elements 5. A thermal insulating gasket 6 is installed between the body 4 and the aircraft frame, while the body 4 is made of a material with a low heat transfer coefficient, for example, a composite material or stainless steel type 12Х18Н9Т.

Области повышенного давления 1 и пониженного давления 2 могут быть сформированы как сферами или эллипсоидами большого радиуса, оживальными телами с поверхностями высокого порядка фиг. 1, так и плоскими поверхностями с прямолинейными образующими фиг. 2.Areas of high pressure 1 and low pressure 2 can be formed as spheres or ellipsoids of large radius, ogival bodies with high-order surfaces (Fig. 1, and flat surfaces with rectilinear generatrices Fig. 2.

На фиг. 3 представлен датчик температуры воздушного потока с установленным вокруг выходного отверстия 8 нагревательным элементом 12, при этом, с целью ослабления воздействия нагревательного элемента 12 на показания датчика, в проточном канале 3 установлена измерительная ячейка 10 с внутренним каналом 11, содержащая чувствительные элементы 5 и изолированная от корпуса датчика 4 кольцевым каналом 13.In fig. Figure 3 shows an air flow temperature sensor with a heating element 12 installed around the outlet 8, while in order to weaken the effect of the heating element 12 on the sensor readings, a measuring cell 10 with an internal channel 11 is installed in the flow channel 3, containing sensitive elements 5 and isolated from sensor housing 4 with ring channel 13.

Образование льда на поверхности, находящейся в воздушном потоке, происходит из-за наличия в атмосфере переохлажденной воды в капельножидком состоянии, которая вследствие соударения капель с поверхностью летательного аппарата растекается и замерзает.The formation of ice on a surface in an air flow occurs due to the presence in the atmosphere of supercooled water in a droplet-liquid state, which, due to the collision of drops with the surface of the aircraft, spreads and freezes.

Количество влаги, переходящей в ледяную фазу рассчитывается по следующей формуле (1)The amount of moisture passing into the ice phase is calculated using the following formula (1)

Интегральный коэффициент улавливания Е, относящийся ко всей зоне улавливания, в общем виде определяется отношением: The integral recovery coefficient E, relating to the entire recovery zone, is generally determined by the relation:

где G - масса воды, попавшая на единицу длины поверхности в 1 секунду, кг/с⋅м;where G is the mass of water falling on a unit surface length in 1 second, kg/s⋅m;

ω - водность облака, кг/м3;ω - water content of the cloud, kg/m 3 ;

Cmax - приведенная толщина миделевого сечения, м; C max - reduced thickness of the midsection, m;

V - скорость потока.V - flow speed.

F (φ, Re, Rекапли) - функция, зависящая от масштабного параметра размера капли и обтекаемого тела, от числа Рейнольдса капли и воздушного потока.F (φ, Re, Re drop ) is a function that depends on the scale parameter of the size of the drop and the streamlined body, on the Reynolds number of the drop and the air flow.

Так как уменьшение миделевого сечения поверхности, находящейся в воздушном потоке, позволяет сократить образование льда на его поверхности, то расположение входного отверстия 7 параллельно наружной поверхности летательного аппарата 9 позволит исключить улавливание водяных капель и, как следствие, его обледенение.Since reducing the midsection of the surface located in the air flow makes it possible to reduce the formation of ice on its surface, the location of the inlet 7 parallel to the outer surface of the aircraft 9 will eliminate the capture of water droplets and, as a consequence, its icing.

Работа предлагаемой полезной модели аналогична работе датчика температуры воздушного потока, содержащего воздухозаборное отверстие, выполненного с возможностью впуска окружающего воздуха во внутренний проточный канал, где расположены чувствительные элементы.The operation of the proposed utility model is similar to the operation of an air flow temperature sensor containing an air intake hole configured to admit ambient air into the internal flow channel where the sensitive elements are located.

В связи с тем, что для высокоточного определения температуры воздушного потока требуется постоянная циркуляция наружного воздуха по поверхности чувствительных элементов 5, в канале 3 необходимо организовать воздушное течение. Это достигается за счет разности давлений между входным 7 и выходным 8 отверстиями. При обтекании воздушным потоком поверхности повышенного давления 1 ввиду расширения поток затормаживается на величину ΔV1, что, по закону Бернулли (2), приводит к повышению давления воздушного потока Р0 на величину P1, а вокруг поверхности пониженного давления 2 наоборот ускоряется на величину ΔV2 и давление Р0 понижается на величину ΔР2, причем давление P1 на поверхности 1 больше по величине давления Р2 на поверхности 2. Образуемая разность давления (P12) междувходным отверстием 7 и выходным отверстием 8, равная сумме давлений (ΔP1+ΔР2), создает воздушное течение в проточном канале 3 со скоростью Vт.Due to the fact that high-precision determination of the temperature of the air flow requires constant circulation of outside air over the surface of the sensitive elements 5, it is necessary to organize an air flow in channel 3. This is achieved due to the pressure difference between the inlet 7 and outlet 8 holes. When an air flow flows around a high-pressure surface 1, due to expansion, the flow slows down by an amount ΔV 1 , which, according to Bernoulli’s law (2), leads to an increase in the pressure of the air flow P 0 by an amount P 1 , and around the low-pressure surface 2, on the contrary, it accelerates by an amount ΔV 2 and the pressure P 0 decreases by the amount ΔP 2 , and the pressure P 1 on surface 1 is greater than the pressure P 2 on surface 2. The resulting pressure difference (P 1 -P 2 ) between the inlet 7 and the outlet 8 is equal to the sum of the pressures ( ΔP 1 +ΔР 2 ), creates an air flow in the flow channel 3 with a speed V t .

Р0 - давление воздушного потока; P 0 - air flow pressure;

P1 - давление на поверхности 1;P 1 - pressure on surface 1;

Р2 - давление на поверхности 2;P 2 - pressure on surface 2;

ΔV1 и ΔV2 - соответственно изменение скорости на поверхности 1 и 2; ΔV 1 and ΔV 2 - respectively, the change in speed on surface 1 and 2;

ρ - плотность воздуха.ρ - air density.

Благодаря отсутствию проточного воздушного канала, находящегося непосредственно в потоке, а также слабовыраженному выступанию в поток аэродинамической поверхности, критичное обледенение наружной поверхности датчика не наступает, так как переохлажденные капли воды и кристаллы льда в силу своей инерционности не могут попасть во входное отверстие 7, а небольшие отложения льда на поверхности перед выходным отверстием 8 не приведут к закупорке проточного канала 3.Due to the absence of a flowing air channel located directly in the flow, as well as the slight protrusion of the aerodynamic surface into the flow, critical icing of the outer surface of the sensor does not occur, since supercooled water droplets and ice crystals, due to their inertia, cannot enter the inlet 7, and small Ice deposits on the surface in front of the outlet 8 will not lead to blockage of the flow channel 3.

При эксплуатации датчика при углах больше 5°, когда толщина миделевого сечения выходного отверстия 8 достигает порогового значения, для предотвращения его возможного обледенения и отложения даже небольшого количества льда предусмотрен локальный обогрев нагревательным элементом 12. Коаксиальное расположение измерительной ячейки 10, по отношению к проточному каналу 3 формирует дополнительный кольцевой канал 13, которыйпри прохождении по нему воздушного потока снижает нагрев измерительной ячейки 10.When operating the sensor at angles greater than 5°, when the thickness of the midsection of the outlet hole 8 reaches a threshold value, to prevent its possible icing and deposition of even a small amount of ice, local heating is provided by the heating element 12. Coaxial arrangement of the measuring cell 10, in relation to the flow channel 3 forms an additional annular channel 13, which, when an air flow passes through it, reduces the heating of the measuring cell 10.

1. Аронин А.С. Практическая аэродинамика. - М., Воениздат,1962, с. 11-12.1. Aronin A.S. Practical aerodynamics. - M., Military Publishing House, 1962, p. 11-12.

2. Тенишев Р.Х. Противообледенительные системы летательных аппаратов. - Издательство «Машиностроение», 1967.2. Tenishev R.Kh. Aircraft anti-icing systems. - Publishing house "Mechanical Engineering", 1967.

Claims (3)

1. Датчик температуры наружного потока, содержащий входное отверстие, переходящее в проточный канал, внутри которого расположен термочувствительный элемент и выходное отверстие, отличающийся тем, что входное отверстие и выходное отверстие выполнены с возможностью расположения параллельно наружной поверхности летательного аппарата, а внешняя поверхность датчика температуры наружного воздуха выполнена аэродинамически обтекаемой криволинейной формы и формирует зону повышенного давления и зону пониженного давления, причем входное отверстие расположено в зоне повышенного давления, а выходное - в зоне пониженного давления.1. An external flow temperature sensor containing an inlet opening that transforms into a flow channel, inside which there is a temperature-sensitive element and an outlet opening, characterized in that the inlet opening and the outlet opening are configured to be positioned parallel to the outer surface of the aircraft, and the outer surface of the outer flow temperature sensor air is made of an aerodynamically streamlined curved shape and forms a zone of high pressure and a zone of low pressure, with the inlet hole located in the high pressure zone, and the outlet in the low pressure zone. 2. Датчик температуры наружного потока по п. 1, отличающийся тем, что вокруг выходного отверстия установлен нагревательный элемент.2. An external flow temperature sensor according to claim 1, characterized in that a heating element is installed around the outlet hole. 3. Датчик температуры наружного потока по п. 1, отличающийся тем, что термочувствительный элемент расположен в измерительной ячейке, изолированной от корпуса датчика кольцевым каналом.3. An external flow temperature sensor according to claim 1, characterized in that the temperature-sensitive element is located in a measuring cell isolated from the sensor body by a ring channel.
RU2023133357U 2024-01-25 Air flow temperature sensor RU225374U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU225374U1 true RU225374U1 (en) 2024-04-18

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2802647A1 (en) * 1999-12-17 2001-06-22 Thomson Csf Sextant PROBE FOR AIRCRAFT
WO2003106948A1 (en) * 2002-06-14 2003-12-24 Thales Total temperature probe and total temperature determination method
EP1517125A1 (en) * 2003-09-16 2005-03-23 Thales Device and method for determining the total temperature for an aircraft
US7441948B2 (en) * 2002-06-14 2008-10-28 Auxitrol Sa De-iced total air temperature sensor
US8182143B2 (en) * 2006-08-09 2012-05-22 Spectrasensors, Inc. Mobile temperature sensor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2802647A1 (en) * 1999-12-17 2001-06-22 Thomson Csf Sextant PROBE FOR AIRCRAFT
WO2003106948A1 (en) * 2002-06-14 2003-12-24 Thales Total temperature probe and total temperature determination method
US7441948B2 (en) * 2002-06-14 2008-10-28 Auxitrol Sa De-iced total air temperature sensor
EP1517125A1 (en) * 2003-09-16 2005-03-23 Thales Device and method for determining the total temperature for an aircraft
US8182143B2 (en) * 2006-08-09 2012-05-22 Spectrasensors, Inc. Mobile temperature sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4047379A (en) Transient air temperature sensing system
CN107543649B (en) Hot air deicing total pressure sensor
EP3875741A1 (en) Gas turbine engine with water injection
Brown et al. Heat transfer correlation for anti-icing systems
Knezevici et al. Development and commissioning of a linear compressor Cascade rig for ice crystal research
Bucknell et al. Experimental studies of ice crystal accretion on an axisymmetric body at engine-realistic conditions
Papadakis et al. Icing tunnel experiments with a hot air anti-icing system
Furukawa et al. Transonic film cooling effectiveness from shaped holes on a simulated turbine airfoil
RU225374U1 (en) Air flow temperature sensor
Beeler et al. Flight techniques for determining airplane drag at high Mach numbers
Tatar et al. An investigation on an anti-ice static vane of a gas turbine engine
Bucknell et al. Heat transfer in the core compressor under ice crystal icing conditions
Ladisch et al. Heat transfer measurements on a turbine airfoil with pressure side separation
Krøgenes et al. Aerodynamic performance of the nrel s826 airfoil in icing conditions
Fuleki et al. Development of a Sensor for Total Temperature and Humidity Measurements under Mixed-Phase and Glaciated Icing Conditions
RU208583U1 (en) Multifunctional air pressure receiver
Papadakis et al. Experimental investigation of a bleed air ice protection system
Chalmers et al. Ice Crystal Environment Modular Axial Compressor Rig: Particle detection probe measurement of ice properties downstream of a rotor
Sable Pitot Probe and Total Air Temperature (TAT) Probe Ice Crystal Icing Impact to Aircraft Operation and Methods to Improve Probe Performance
Davison et al. Naturally Aspirating Isokinetic Total Water Content Probe: Preliminary Test Results and Design Modifications
Ke et al. Icing tests for the anti-icing structure with exterior hot air film heating
Yan et al. Experimental Measurement of Ice Accretion Rate in Mixed-phase Icing Cloud
Callaghan et al. Experimental Investigation of Hot-gas Bleedback for Ice Protection of Turbojet Engines II: Nacelle with Long Straight Air Inlet
Araujo Lima da Silva et al. Numerical Simulation of Coupled Heat and Mass Transfer for Airfoil Ice Protection Systems
Witte et al. An Experimental Investigation and Correlation of the Heat Reduction to Nonporous Surfaces Behind a Porous Leading Edge Through Which Coolant is Ejected