专利名称：用于螺旋桨风扇式螺旋桨叶片的电除冰装置的制作方法
技术领域：
本发明落入航空学设备的领域内。更具体地，本发明涉及除冰装置。在此情况下， 本发明具体涉及为螺旋桨叶片除冰的问题。
背景技术：
在飞行的各种阶段中，特别是在地面上、起飞、爬升或着陆时，飞行器通常受到结冰大气条件(冷表面+环境湿度)的影响，这导致机身的各种部件上产生冰沉积。这些冰沉积更改了飞行器的空气动力学性能，增加了飞行器的质量，减小了飞行器的可操控性。数十年来已经开发并且各专家已知各种(防止在飞行器的表面上形成冰的)防结冰装置和(一旦已经形成冰则分离冰块的)除冰装置。例如，对于机翼前缘，它们使用加热电阻器，加热电阻器使冰融化并且碎裂成块，再由气流去除。通过相同的方式，间歇地使用可膨胀膜以便在形成冰的同时使冰碎裂。很明显，在螺旋桨驱动的飞机的情况下，对螺旋桨叶片产生通过防结冰或除冰而对抗结冰的类似问题。在此情况下，一般使用加热电阻器，这通过使用安装在螺旋桨轴内的发电机，并且向穿过此轴朝向各种叶片的电缆转移电流(例如，见专利文献WO 97/24261)。随后，保证叶片的永久除冰所需的功率的量导致优选选择以循环方式逐一加热叶片。以规则间隔除冰的此模式减小所需电功率以及发电机的尺寸。相反，在包括两个反向旋转的螺旋桨的已知总名称为“螺旋桨风扇”的推进单元， 而两个反向旋转的螺旋桨具有通过本身由涡轮机驱动的差速变速箱驱动的开敞式转子 (非整流罩密封的)的情况下，螺旋桨绕此涡轮机芯部以环形方式设置，而此设置妨碍了使用前文提到的装置。此外，已知旋转接触装置，该旋转接触装置借助于使用导电刷保证固定轴与运动环形部件之间电功率的传递，该导电刷固定于在旋转部件环形轨道上滑动的轴上。在此情况下，将要转移从而为螺旋桨风扇的叶片除冰的功率接近约20千瓦，这意味着相当大尺寸的装置。这些旋转接触系统的主要缺点之一关联于刷相对于运动轨道的速度，此速度一般接近100m/S，无疑取决于环形轨道的直径以及此部件的旋转速度。对于所有这些旋转接触系统的这样的结果是刷的快速磨损，导致降低的性能以及对频繁且高成本维护的要求。对于这些刷的润滑的缺失(由于复杂性)还导致显著减小此寿命ο在螺旋桨风扇的前螺旋桨的情况下，涡轮机的芯部的直径导致运动部件相对于静止部件的相对速度为400m/S的级别，由于这超过了市场上可用的装置的规格，故而这使得使用刷和运动轨道的系统在实践中不可用。基于两个螺旋桨的反向旋转特性的螺旋桨风扇的情况下，此情形进一步恶化。最后，螺旋桨风扇的特征在于其产生的排气流在出口约800°C的高温；此气体流在推进单元的轴与两个螺旋桨之间通过，使得难以安装可能受高温条件影响的材料。因此，本发明的目标是提出一种用于对螺旋桨风扇式推进单元的叶片除冰/防结冰并避免上文提到的缺陷的装置。
发明内容
为此，本发明设想用于螺旋桨风扇式飞行器推进单元叶片的除冰装置，其中所述推进单元包括涡轮机，涡轮机旋转驱动至少一个转子，转子包括多个叶片，多个叶片绕随这些叶片运动的环形冠状部设置，环形冠状部的外壁形成推进单元的部分外罩部，所述外罩部承受推进单元外部的大气条件，所述涡轮机产生通过环形热脉状管离开的热气体流，环形热脉状管与运动的环形冠状部同轴，并且其表面部分地由所述运动的环形冠状部的内壁限定，除冰装置包括运动的环形部件内的将热能转化为电能的装置；将产生的电能向转子叶片传递的装置；将电能转化为热能的装置，装置在所述叶片的表面的至少一部分上。优选地，将热能转化为电能的装置包括发电机，发电机由一组塞贝克效应热敏二极管制成，设置在分别用作这些二极管的热源和冷源的环形冠状部的内壁与外壁之间，所述热敏二极管以串联或者并联群组布置，从而获得作为发电机的输出的与转子叶片的除冰需要相符的电压和电流强度。根据有利的实施方式，热敏二极管是H3a5Sna5Te式。根据有利的实施方式，暖气管设置在环形冠状部的壁中的一个与热敏二极管的一个表面之间。替代性地，用于为叶片除冰的装置包括将或者来自热环形脉状管的热空气或者外部空气朝向其上安装热敏二极管的壁引导的装置。可以理解，针对其用作热敏二极管热源和冷源而言，有必要满足存在于热区域与冷区域之间的推进单元中的距离的需要。根据可以一起使用的各种设置发电机以环形方式在环形冠状部的大致整个内周缘上延伸。在转子包括η个叶片的情况下，发电机的每个360° /n扇区将电能以用于其除冰的适量功率供给至一个叶片。该装置包括控制热敏二极管的热源与冷源之间的温度差的装置，该控制装置由根据电子控制单元对于由二极管产生的电流的指令来控制。可以理解，此最后的设置允许产生实时最大化热敏二极管的能量收益的反馈过程。为了优化使用由发电机产生的电能，此最后有利地包括电子控制单元，全部二极管向电子控制单元供给所产生的电流；此电子控制单元设计为测量可用电功率，并且将可用电功率在叶片之中分配，并且在所产生的功率的量低于预定阈值的情况下为叶片选择循环供给模式。阈值将选择为使得时刻的特征为当所产生的功率的量不足以永久并行供给至所有叶片时。优选地，叶片的加热电阻器得到永久供给，由此同时供给所有叶片。
下文仅作为本发明实施方式的示例给出的描述是参照包括在附件中的图进行的， 图中图1示出了可以应用本发明的螺旋桨风扇式推进单元，本发明应用于其上；图2在非常示意性的横截面图中图示了这种推进单元；图3示意性地示出了塞贝克效应发电机的组装原理；图4示出了依据可得到的温差的能够通过可商用热敏二极管获得的电功率密度；图5图示了根据本发明的用于叶片的除冰装置；图6图示了螺旋桨风扇的两个转子上的热敏二极管的实施示例。
具体实施例方式本发明预定为用于例如如图1中示出的被称作“螺旋桨风扇”式的飞机推进单元 1。这种推进单元设想为用于未来的飞行器。在此处图示的实施的示例中，两个螺旋桨风扇推进单元1借助于发动机外挂架附连在飞行器机身2后部的两侧上。此处，每个螺旋桨风扇推进单元1均包括两个反向旋转的转子3a、3b，每个转子 3a,3b均包括等距离的并设置在推进单元1后部的一组叶片^、4b。每个转子3a、3b的叶片4a、4b从随此转子运动的环形冠状部5ajb伸出，环形冠状部5a、5b的外表面设置成与推进单元的外蒙皮6连续。如图2中示意性地示出的，螺旋桨风扇推进单元1包括供给涡轮机8的进气口 7。 此涡轮机8包括当涡轮机运行时旋转驱动的轴向部。进而，此轴通过图2中未示出的机械传动装置驱动两个反向旋转的转子3a、3b的叶片^、4b的轴9a、9b。操作时由涡轮机8产生的热气体通过环形热脉状管10排出，该环形热脉状管10 具有设置在两个转子3a、!3b后部处的出口。“螺旋桨风扇”的实现细节及其部件——转子、涡轮机、传动装置——以及其尺寸、 材料等超出本发明的范围。因此，此处描述的元件仅用于提供信息，从而通过实施的非限制性示例中的一个便利本发明的理解。正如从上文描述中显而易见的，在飞行器飞行过程中，温度为在地面附近的+30°C 与高空的-50°C之间的外部空气大致沿着与飞行器的移动的纵向轴线X相反的方向沿着螺旋桨的环形冠状部5ajb循环。同时，在热脉状管10内循环的气体在通常在600°C与800°C之间的范围内变动的温度。根据本发明的除冰装置借助于使用允许将热能转换为电能的塞贝克效应组件在几厘米距离下利用此相当大的温差。首先说明，当导体的两个末端受到不同温度时，两末端之间的电势差限定热电效应(塞贝克效应)。此效应用在使用热电偶的温度测量中。这与帕尔贴效应相反，在帕尔贴效应中，导体末端之间的电势差导致这些末端之间产生温度差。塞贝克效应发电一般意指借助于联结件12、13两两联接而产生包括一组导体11 的封闭回路，联结件12、13中的一个受到第一温度Tl，而另一个受到第二温度T2(图3)。
各种研究显示出提供最佳热电收益的材料是满足高电导率、低热导率和高塞贝克系数的要求的材料。目前已知适合于在热敏二极管中使用的多种材料。这些材料中有碲镉汞Ofea86Cdai4Teh碲化铋(Bi2Te3)、硅纳米线等。还应当指出，每个热电材料均具有给定温度范围(碲化铅约550K-750K，碲化铋约 250K-350K等)内的有利特性。因此，在热(T2)区域与冷(Tl)区域之间的温度差的情况下，即例如在螺旋桨风扇推进单元上的此实施示例中(Tl接近250K，而T2接近1000K)的情况下，使用多个重叠的材料组成每个导体11是有利的。对于热区域与冷区域之间300K的温度差，热能与电能之间的转化的收益当前是理想卡诺收益的30%的级别，其对应于约13%的理论产出(13%的热能转化为电能)。在 700K温差的情况下，则获得18%的收益。由于商业上可获得的二极管的质量特性，理想卡诺的30%的收益对应于所安装的二极管的iooow/kg的功率-重量比。图4图示了对于商业上可获得的H3a5Sna5式热敏二极管，依据可得到的温差，可以在每单位面积上达到的电动率密度。可见对于350K级别的温度梯度值，可以获得IOW/ cm2的电功率。这些值表明了在对可获得的尺寸、体积和质量进行限制的情况下使用热敏二极管以及用于螺旋桨风扇推进单元的所需除冰功率的相符性。实际上，此最后产生通过环形热空气脉状管10排出的至少200W的热功率。为螺旋桨风扇的转子除冰需要约IOkW的电功率。因此，为螺旋桨风扇的两个转子 3a、3b除冰需要20kW。因此，供给此电功率所需要的热敏二极管的质量约为20kg。此值与对飞行器的已有质量限制相符，并且与关联于螺旋桨风扇的转子3a、3b的设计的体积限制相符。有效地，对于数十厘米的环形冠状部fe、5b内径，以及几十厘米的环形冠状部5ajb宽度(沿着纵向轴线X)，每个环形冠状部5ajb均具有以约20厘米分离开的内壁15a、15b和外壁14a、14b。根据本发明的用于转子叶片4a、4b的除冰装置(图5)在此处描述为用于所考虑的推进单元的前部转子3a。相同的装置设想为用于机尾转子北。该装置使用每个转子3a 的环形冠状部fe内可用的空间以放置热敏二极管22和发电机16。此外，此非限制性示例中还包括设计为向转子3a的叶片如传递所产生的电能的一组电缆17。最后，每个叶片如均装配有一组电阻器18以加热从而为例如叶片如的前缘等的区域除冰或防结冰。发电机16由一组热敏二极管22制成，该一组二极管22安装在环形冠状部fe的内壁1 和外壁1 之间。图6图示了螺旋桨风扇的两个转子3a、;3b上的这些热敏二极管 22的实施示例。所考虑的热敏二极管22例如是传递约13%收益的Pba5Sna5Te15依据冷源(每个环形冠状部fe、5b的外壁14a、14b)与热源(与环形热脉状管10 相对的每个环形冠状部fe、5b的内壁15a、15b)之间的所考虑的热敏二极管22的正常操作厚度，已知类型的暖气管21安装在环形冠状部fe的壁中的一个与热敏二极管22的表面之间。在冷源侧，该装置有利地包括吸热设备23，吸热设备23例如为平行于空气流动(即平行于飞行器的纵向轴线)的金属叶片形式，产生与外部环境的大热交换表面。很清楚，作为变型，有可能倒转此布局。这样，将热敏二极管22设置在每个环形冠状部fe、5b的外壁14a、14b附近。在此情况下，将吸热设备23安装在每个环形冠状部5a、 5b的内壁15a、1 上的环形热脉状管10内，而暖气管21从此热源向热敏二极管22传输热。这些热敏二极管22借助于本身已知的方式布置成串联和并联群组，以便在发电机16的输出端获得与转子3a的叶片如的除冰需要相符的电压和电流强度。优选地，环形冠状部fe的两个壁14a、15a (分别是环形冠状部恥的壁14b、15b) 由金属材料制成，或者在任何情况下由非常良好的热导体制成。内壁1 例如由钛制成，而外壁14a由铝制成。此环形冠状部fe的侧壁19a、20a由具有低热导率的材料制成，使得热流动优选地通过热敏二极管22。在此处作为示例所考虑的实现中，发电机16在整个环形冠状部fe的内周缘上延伸，并且在所述环形冠状部fe的约10厘米的宽度上延伸。在包括12个叶片如的转子3a的情况下，发电机16的每个30°扇区向一个叶片供给约IkW功率的电能用于其除冰。所呈现的热敏二极管22的质量是环形冠状部fe的每个30°扇区为Ikg的级别。更一般地，对于η个叶片，每个360° /n扇区向一个叶片如供给电能。此供给的传递电缆17经过或非常靠近叶片如的轴9a，以便当在飞行过程中其设定改变时依循其改变。传递电缆17供给本身已知类型的一组加热电阻器18 ；这些加热电阻器18(以及其在叶片表面上的布局)和此传毒电缆17类似于在借助于旋转接触的定子(推进单元的前部部分)与转子3a之间的电流传递的情况下所使用的。在操作中，由于在地面上已经存在数百K的温度差T2-T1，故而只要涡轮机8启动， 发电机16的收益变得相当大。在作为示例所选择的操作模式中，用于叶片如的热电阻器 18永久地供给，并且所有的叶片如同时供给；借助于约IOkW每个转子的可用功率使这成为可能。在本领域先前状态的装置中，由于较低的可用功率，叶片如一般以循环的方式供给。除了防结冰性能显著减小的事实之外，此过程引致电子控制单元对此循环供给的需要， 这增加了整体的质量。从此描述显而易见根据本发明的发电机去除了诸如本领域先前状态中使用的由快速旋转接触导致的问题。其利用由穿过转子冠状部下方的推进单元产生的热来利用部分损失的能量源。这便利了叶片除冰机构的维护。此外，此发电机中不存在移动部件导致了增加的可靠性。最后，其安装不需要对于推进单元的显著改变。本发明的范围不局限于上文作为示例而考虑的实施方式的细节，反之延伸至专家所能达到的修改。上文描述中提到，电能借助于穿过叶片如的轴9a的电缆17从发电机16转移至叶片如的加热电阻器18。替代性地，借助于两者本身均已知的叶片如的轴上的传导性刷和传导性轨道在发电机16的输出端实现向叶片如的电流传递，这两个部件的相对速度此处非常低。在变形中，当然有可能借助于使用电能源的任何其他除冰装置替换用于为叶片除冰的加热电阻器18，而不改变本发明的利用原理。通过相同的方式，有可能例如对于特定的结冰条件的情况保持叶片如的循环除冰。在另一变型中，为了便利热敏二极管22的安装，使用将或者来自热环形脉状管10 的热空气或者外部空气向其上安装热敏二极管22的壁引导的管道，以替代设计为减小热源(环形冠状部fe的内壁15a)与冷源(环形冠状部fe的外壁14a)之间的距离的暖气管 21。在另一变型中，温度控制装置装配在热敏二极管22的热源与冷源之间。在效果上，这些热敏二极管22具有对于给定温度差的最佳收益点，而与此温度差的任意差异导致所产生的电流的减小。这种控制装置可以包括空气通道，该空气通道根据用于由二极管产生的电流的电子控制单元的指令，混合朝向二极管的热源的热空气和冷空气。这产生了无论热敏二极管 22的寿命及其最大收益点的变化如何，均实时最大化其能量收益的反馈装置。本说明书中提到，每个叶片如均由热敏二极管22的扇区供给。替代性地，为了冗余，可以确定所有热敏二极管22均将所产生的电流供给至单个电子控制单元(图5中未示出)，该电子控制单元测量可用电功率并将其分配至叶片4a，或者甚至在所产生的功率不足以使所有叶片永久且并行供给的情况下为叶片4a选择循环供给模式。通过相同的方式，电子控制单元借助于由于其超出了本发明的范围而未在此处详细描述的装置向飞机飞行员传递关于由热敏二极管22产生的功率的信息。
权利要求
1.一种用于螺旋桨风扇式飞行器推进单元叶片(1)的除冰装置，其中，所述推进单元 (1)包括涡轮机(8)，所述涡轮机(8)旋转驱动至少一个转子(3a)，所述转子(3a)包括多个叶片(如)，所述多个叶片Ga)绕随这些叶片运动的环形冠状部(5a)设置，所述环形冠状部 (5a)的外壁(14a)形成所述推进单元的部分外罩部，所述外罩部(6)承受所述推进单元外部的大气条件，所述涡轮机(8)产生通过环形热脉状管(10)离开的热气体流，所述环形热脉状管(10)与运动的所述环形冠状部(5a)同轴，并且其表面部分地由所述运动的环形冠状部(5a)的内壁(15a)限定，其特征在于，所述除冰装置包括将特别由所述环形热脉状管供给的热能转化为电能的装置(16)，所述装置(16)设计为安装在所述运动环形部件(5a)内；将产生的电能向所述转子叶片Ga)传递的装置(17)；将所述电能转化为热能的装置(18)，所述装置(18)设计为安装在所述叶片Ga)的表面的至少一部分上。
2.如权利要求1所述的除冰装置，其特征在于，所述将热能转化为电能的装置(16)包括发电机，所述发电机由一组塞贝克效应热敏二极管0 制成，所述发电机设计为设置在分别用作这些热敏二极管0 的热源和冷源的所述环形冠状部(5a)的所述内壁(15a)与所述外壁(14a)之间，所述热敏二极管0 以串联或者并联群组布置，从而获得作为所述发电机(16)的输出的与所述转子(3a)的叶片Ga)的除冰需要相符的电压和电流强度。
3.如权利要求2所述的除冰装置，其特征在于，所述热敏二极管0 是m30.5Sn0.5Te式。
4.如权利要求2至3中任意一项所述的除冰装置，其特征在于，其包括暖气管(21)，所述暖气管设计为安装在所述环形冠状部(5a)的壁中的一个与所述热敏二极管02) 的表面上之间。
5.如权利要求2至3中任意一项所述的除冰装置，其特征在于，其包括将来自于所述热环形脉状管(10)的热空气或者外部空气朝向其上安装所述热敏二极管0 的壁引导的装置。
6.如权利要求2至5中任意一项所述的除冰装置，其特征在于，所述发电机(16)设计为以环形方式在所述环形冠状部(5a)的大致整个内周缘上延伸。
7.如权利要求6所述的除冰装置，其特征在于，在转子(3a)包括η个叶片Ga)的情况下，所述发电机(16)的每个360° /n扇区将电能以用于叶片Ga)除冰的适量功率供给至一个叶片(4a)。
8.如权利要求2至7中任意一项所述的除冰装置，其特征在于，其包括控制所述热敏二极管0 的所述热源与冷源之间的温度差的装置，所述装置根据电子控制单元对由所述热敏二极管0 产生的电流的指令来控制。
9.如权利要求2至7中任意一项所述的除冰装置，其特征在于，其包括电子控制单元， 全部所述热敏二极管0 向所述电子控制单元供给所产生的电流；此电控单元设计为测量可用电功率，并且将所述可用电功率在所述叶片Ga)之中分配，并且在所产生的功率的量低于预定阈值的情况下为所述叶片Ga)选择循环供给模式。
10.如权利要求2至8中任意一项所述的除冰装置，其特征在于，其包括永久供给所述叶片Ga)的加热电阻器(18)并且同时供给所有所述叶片Ga)的装置。
11. 一种飞行器推进单元，其特征在于，其包括如权利要求1至10中任意一项所述的装置。
全文摘要
本发明涉及一种用于螺旋桨风扇式飞行器推进单元叶片(1)的除冰装置，其中，所述推进单元(1)包括涡轮机(8)，涡轮机(8)旋转驱动至少一个转子(3a)，转子(3a)包括多个叶片(4a)，多个叶片(4a)绕随这些叶片运动的环形冠状部(5a)设置，环形冠状部(5a)的外壁(14a)形成推进单元的部分外罩部，所述外罩部(6)承受推进单元外部的大气条件。所述涡轮机(8)产生通过环形热脉状管(10)离开的热气体流，环形热脉状管(10)与运动的环形冠状部(5a)同轴，并且其表面部分地由所述运动的环形冠状部(5a)的内壁(15a)限定。本发明包括运动的环形部件(5a)内的将热能转化为电能的装置(16)；将产生的电能向转子叶片(4a)传递的装置(17)；将电能转化为热能的装置(18)，装置(18)在所述叶片(4a)的表面的至少一部分上。
文档编号B64C11/46GK102438895SQ201080020159
公开日2012年5月2日 申请日期2010年5月3日 优先权日2009年5月5日
发明者吉约姆·比兰, 塞韦里内·佩雷特 申请人:空中客车运营简化股份公司