一种总温传感器及其制造方法

专利类型 发明公开 法律事件 公开; 实质审查;
专利有效性 实质审查 当前状态 实质审查
申请号 CN202311416853.9 申请日 2023-10-27
公开(公告)号 CN119901385A 公开(公告)日 2025-04-29
申请人 中国航发商用航空发动机有限责任公司; 申请人类型 企业
发明人 刘传欣; 柴象海; 倪晓琴; 第一发明人 刘传欣
权利人 中国航发商用航空发动机有限责任公司 权利人类型 企业
当前权利人 中国航发商用航空发动机有限责任公司 当前权利人类型 企业
省份 当前专利权人所在省份:上海市 城市 当前专利权人所在城市:上海市闵行区
具体地址 当前专利权人所在详细地址:上海市闵行区莲花南路3998号 邮编 当前专利权人邮编:200241
主IPC国际分类 G01K7/16 所有IPC国际分类 G01K7/16G01K13/024G01K1/08B22F10/38B33Y10/00B33Y80/00
专利引用数量 0 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 16 专利文献类型 A
专利代理机构 上海专利商标事务所有限公司 专利代理人 陶玉龙;
摘要 本 发明 涉及 传感器 技术领域,更具体的说,涉及一种总温传感器及其制造方法。本发明提供了一种总温传感器,包括传感器主体结构和感温元件:所述传感器主体结构至少包括安装座、传感器 外壳 ;所述传感器外壳,安装在安装座上;所述传感器外壳,内部构成感测腔,感测腔内部填充三周期极小曲面单胞填充结构;所述感温元件,设置在感测腔内。本发明提供的一种总温传感器及其制造方法,感测腔采用三周期极小曲面单胞填充结构填充,具有轻质高强度、连通性好、拓扑结构可控的特点,能够显著提高感测腔的抗冲击能 力 。
权利要求

1.一种总温传感器,其特征在于,包括传感器主体结构和感温元件:
所述传感器主体结构至少包括安装座、传感器外壳
所述传感器外壳,安装在安装座上;
所述传感器外壳,内部构成感测腔,感测腔内部填充三周期极小曲面单胞填充结构;
所述感温元件,设置在感测腔内。
2.根据权利要求1所述的总温传感器,其特征在于,所述感温元件为粘贴式热电阻
所述感测腔上部区域设置密封盖,密封盖的上表面设置粘贴式热电阻。
3.根据权利要求1所述的总温传感器,其特征在于,所述传感器外壳的迎面,设置防护层:
所述防护层与传感器外壳之间,填充三周期极小曲面单胞填充结构。
4.根据权利要求3所述的总温传感器,其特征在于,所述防护层为记忆合金防护层。
5.根据权利要求3所述的总温传感器,其特征在于,所述防护层,设置若干预制槽:
所述若干预制槽将防护层表面分割成若干微小碎片式结构。
6.根据权利要求5所述的总温传感器,其特征在于,所述若干微小碎片式结构为三形结构或棱形结构或蜂窝形结构。
7.根据权利要求1所述的总温传感器,其特征在于,所述感测腔内部填充的三周期极小曲面单胞填充结构为Gyroid单胞。
8.根据权利要求3所述的总温传感器,其特征在于,所述防护层与传感器外壳之间填充的三周期极小曲面单胞填充结构为IWP单胞。
9.根据权利要求2所述的总温传感器,其特征在于,所述粘贴式热电阻为柔性热电阻。
10.根据权利要求4所述的总温传感器,其特征在于,所述记忆合金防护层为镍形状记忆合金。
11.根据权利要求2所述的总温传感器,其特征在于,所述粘贴式热电阻所测得的温度,通过动温恢复系数转换为空气总温。
12.根据权利要求11所述的总温传感器,其特征在于,所述动温恢复系数,通过风洞试验,按照以下表达式计算得到:
其中,γ为动温恢复系数、T0气流总温、Tg为传感器测得温度、κ为绝热指数、Ma为气流赫数。
13.一种航空发动机,其特征在于,包括如权利要求1至权利要求12中任一项所述的总温传感器。
14.根据权利要求13所述的航空发动机,其特征在于,所述总温传感器安装于所述航空发动机的进气道。
15.一种总温传感器的制造方法,用于制造如权利要求1至权利要求12中任一项所述的总温传感器,所述总温传感器的传感器外壳的迎风面设置防护层,其特征在于,包括以下步骤:
采用增材制造工艺将除防护层外的传感器主体结构一次性制作成型;
在已完成的传感器主体结构基础上,进行防护层的增材制造;
将已完成的传感器主体结构和防护层融合。
16.根据权利要求15所述的总温传感器的制造方法,其特征在于,所述除防护层外的传感器主体结构为不锈,所述防护层为镍钛记忆合金。

说明书全文

一种总温传感器及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及传感器技术领域,更具体的说,涉及一种总温传感器及其制造方法。

背景技术

[0002] 对于航空发动机进气道位置的总温传感器,作为可能遭遇击的发动机前部部件,需要特别关注其抗鸟撞要求。目前,总温传感器在设计时优先考虑测温功能,但在抗冲击性能方面还有待提高。
[0003] 为了获取气体总温,现有传感器设计通常会设置感测腔,使气流在腔内受到阻滞从而流速降低到零,气体动能转换为热能。然而,感测腔一般为空腔,内部装配感温元件,这部分在受到冲击时往往成为薄弱位置,容易发生损坏。因此,T12传感器(用于实时测量扇进口特定截面的总温)的结构设计需要进一步考虑抗鸟撞等冲击强度和设计重量要求。
[0004] 除此之外,传感器暴露在雨冻天气条件下,可能会发生结冰现象。这不仅会导致测量温度不准确,而且冰脱落可能损坏其他关键部件。
[0005] 因此,需要采取措施在一定程度上阻止或者减缓结冰现象的发生,或者尽量减小积冰的体积。现有传感器防冰一般采用电加热或引气加热主动的方式,但这些方法使得传感器设计变得复杂,传统制造方式难度加大,且控制方式复杂。
[0006] 图1揭示了航空发动机总温传感器在发动机中的位置示意图,如图1所示,航空发动机总温传感器11安装于进气道内壁板12上,并伸出暴露在流入风扇的空气中,用于实时测量风扇进口总温。
[0007] 总温传感器11暴露在雨雪冰冻天气条件下,可能发生结冰的现象,且为发动机前部部件,可能会受到外物撞击。
[0008] 图2a和图2b分别揭示了现有技术中的总温传感器的结构示意图以及剖面示意图,图3a和图3b分别揭示了现有技术中的总温传感器的A‑A截面和B‑B截面示意图,如图2a至图3b所示,现有技术中的总温传感器,包括盖14、安装座15和传感器外壳16:
[0009] 所述传感器外壳16,两侧开有进气孔13;
[0010] 所述传感器外壳16,内部构成感测腔18
[0011] 所述感温元件17,伸出探入感测腔18中,感测腔18暴露在流入风扇的空气中,感测腔18以上部分在进气道内壁板12内;
[0012] 气流通过进气口13以及底部开口进入感测腔18。
[0013] 传感器外壳16需要承受外物冲击,传感器外壳16的迎风面易结冰。
[0014] 由于传统总温传感器感测腔18为空腔,再加上两侧开有进气孔13,导致传感器外壳16在受外物冲击时易在空腔区域损坏。
[0015] 现有传感器设计和加工方式,需要将感测腔18内的感温元件17与传感器外壳16焊接装配,这使得制造过程变得复杂且可靠性低。

发明内容

[0016] 本发明的目的是提供一种总温传感器,解决现有技术的总温传感器抗鸟撞的能差的问题。
[0017] 本发明的又一个目的是提供一种总温传感器,解决现有技术的总温传感器制造过程复杂,可靠性低的问题。
[0018] 本发明的又一个目的是提供一种总温传感器,解决现有技术的总温传感器防冰设计结构复杂的问题。
[0019] 为了实现上述目的,本发明提供了一种总温传感器,包括传感器主体结构和感温元件:
[0020] 所述传感器主体结构至少包括安装座、传感器外壳;
[0021] 所述传感器外壳,安装在安装座上;
[0022] 所述传感器外壳,内部构成感测腔,感测腔内部填充三周期极小曲面单胞填充结构;
[0023] 所述感温元件,设置在感测腔内。
[0024] 在一实施例中,所述感温元件为粘贴式热电阻
[0025] 所述感测腔上部区域设置密封盖,密封盖的上表面设置粘贴式热电阻。
[0026] 在一实施例中,所述传感器外壳的迎风面,设置防护层:
[0027] 所述防护层与传感器外壳之间,填充三周期极小曲面单胞填充结构。
[0028] 在一实施例中,所述防护层为记忆合金防护层。
[0029] 在一实施例中,所述防护层,设置若干预制槽:
[0030] 所述若干预制槽将防护层表面分割成若干微小碎片式结构。
[0031] 在一实施例中,所述若干微小碎片式结构为三形结构或棱形结构或蜂窝形结构。
[0032] 在一实施例中,所述感测腔内部填充的三周期极小曲面单胞填充结构为Gyroid单胞。
[0033] 在一实施例中,所述防护层与传感器外壳之间填充的三周期极小曲面单胞填充结构为IWP单胞。
[0034] 在一实施例中,所述粘贴式热电阻为柔性热电阻。
[0035] 在一实施例中,所述记忆合金防护层为镍形状记忆合金。
[0036] 在一实施例中,所述粘贴式热电阻所测得的温度,通过动温恢复系数转换为空气总温。
[0037] 在一实施例中,所述动温恢复系数,通过风洞试验,按照以下表达式计算得到:
[0038]
[0039] 其中,γ为动温恢复系数、T0气流总温、Tg为传感器测得温度、κ为绝热指数、Ma为气流赫数。
[0040] 为了实现上述目的,本发明提供了一种航空发动机,包括如上述任一项所述的总温传感器。
[0041] 在一实施例中,所述总温传感器安装于所述航空发动机的进气道。
[0042] 为了实现上述目的,本发明提供了一种总温传感器的制造方法,用于制造如上述任一项所述的总温传感器,所述总温传感器的传感器外壳的迎风面设置防护层,包括以下步骤:
[0043] 采用增材制造工艺将传感器主体结构一次性制作成型;
[0044] 在已完成的传感器主体结构基础上,进行防护层的增材制造;
[0045] 将传感器主体结构和防护层融合。
[0046] 在一实施例中,所述传感器主体结构为不锈,所述防护层为镍钛记忆合金。
[0047] 本发明提供的一种总温传感器及其制造方法,感测腔采用三周期极小曲面单胞填充结构填充,能够显著提高感测腔的抗冲击能力,传感器迎风面采用碎片式记忆合金防护层,具有主动防冰和吸收冲击能量的功能。附图说明
[0048] 本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显,在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征,其中:
[0049] 图1揭示了航空发动机总温传感器在发动机中的位置示意图;
[0050] 图2a揭示了现有技术中的总温传感器的结构示意图;
[0051] 图2b揭示了现有技术中的总温传感器的剖面示意图;
[0052] 图3a揭示了现有技术中的总温传感器的A‑A截面示意图;
[0053] 图3b揭示了现有技术中的总温传感器的B‑B截面示意图;
[0054] 图4a揭示了本发明一实施例的总温传感器的结构示意图;
[0055] 图4b揭示了本发明一实施例的总温传感器的剖面示意图;
[0056] 图5a揭示了本发明一实施例的总温传感器的A‑A截面示意图;
[0057] 图5b揭示了本发明一实施例的总温传感器的B‑B截面示意图;
[0058] 图6a揭示了本发明一实施例的传感器迎风面防护层的第一示意图;
[0059] 图6b揭示了本发明一实施例的传感器迎风面防护层的第二示意图;
[0060] 图7a揭示了本发明一实施例的感测腔上部区域Gyroid单胞填充示意图;
[0061] 图7b揭示了本发明一实施例的填充区域横截面的局部示意图;
[0062] 图8a揭示了本发明一实施例的迎风面防护层的IWP单胞第一示意图;
[0063] 图8b揭示了本发明一实施例的迎风面防护层的IWP单胞第二示意图。
[0064] 图中各附图标记的含义如下:
[0065] 11总温传感器;
[0066] 12进气道内壁板;
[0067] 13进气孔;
[0068] 14盖;
[0069] 15安装座;
[0070] 16传感器外壳;
[0071] 17感温元件;
[0072] 18感测腔;
[0073] 23进气孔;
[0074] 24盖;
[0075] 25安装座;
[0076] 26传感器外壳;
[0077] 28感测腔;
[0078] 29防护层;
[0079] 210三周期极小曲面单胞填充结构;
[0080] 211粘贴式热电阻;
[0081] 212密封盖;
[0082] 213预制槽。

具体实施方式

[0083] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释发明,并不用于限定发明。
[0084] 图4a和图4b分别揭示了本发明一实施例的总温传感器的结构示意图和剖面示意图,图5a和图5b分别揭示了本发明一实施例的总温传感器的A‑A截面示意图和B‑B截面示意图,如图4a至图5b所示,本发明提出的一种总温传感器,包括传感器主体结构和感温元件:
[0085] 所述传感器主体结构至少包括安装座25、传感器外壳26;
[0086] 所述传感器外壳26,安装在安装座25上;
[0087] 所述传感器外壳26,内部构成感测腔28;
[0088] 所述感测腔28内部填充三周期极小曲面单胞填充结构10;
[0089] 所述感温元件,设置在感测腔28内。
[0090] 在本实施例中,感温元件为粘贴式热电阻211;
[0091] 所述感测腔28上部区域设置密封盖212,密封盖212的上表面设置粘贴式热电阻211。
[0092] 需要说明的是,粘贴式热电阻211测得的温度与空气总温并不是完全相等,为了获得准确的空气总温,可以通过动温恢复系数进行转换。
[0093] 动温恢复系数作为一个关键参数,可以通过风洞试验实际测出。该动温换算系数与传感器结构、尺寸、感测腔单胞拓扑、气流粘性和流速等因素密切相关。
[0094] 在进行风洞试验时,可以根据以下公式来计算动温恢复系数:
[0095]
[0096] 其中,γ为动温恢复系数、T0气流总温、Tg为传感器测得温度、κ为绝热指数、Ma为气流马赫数。
[0097] 较佳地,粘贴式热电阻211可以是柔性热电阻,在传感器受到冲击时,能够随着粘贴位置变形,因此不易失效。
[0098] 所述传感器外壳26的两侧开有进气孔23。
[0099] 本发明提出的一种总温传感器,在现有的传感器结构基础上,将感测腔28由单纯的空腔改为填充三周期极小曲面单胞填充结构210的构造,充分利用三周期极小曲面单胞填充结构210的轻质高强度、良好的连通性以及可控的拓扑结构可控等优点,有效地实现气流阻滞,并显著提升了提高传感器感测腔28的抗冲击能力。
[0100] 三周期极小曲面单胞填充结构210构建的新型感测腔,借其多孔连通性,使气体进入连通孔中,实现气流阻滞,同时利用三周期极小曲面单胞结构轻质高强度的特点,提高感测腔的抗冲击能力。
[0101] 填充了三周期极小曲面单胞填充结构210的感测腔28,在将阻滞气体后,引发气体动能的转变,转换为热能,使得感测腔28的结构温度上升。这一温度变化可通由布置在感测腔28上部位置的粘贴式热电阻211精确测量得到。
[0102] 如图4a、图4b和图5b所示,所述传感器外壳26的迎风面,设置防护层29:
[0103] 所述防护层29与传感器外壳26之间,填充三周期极小曲面单胞填充结构。
[0104] 在本实施例中,防护层29为记忆合金防护层,当空气温度降低到转变温度时,会发生变形。
[0105] 在传感器迎风面设计的记忆合金防护层,此防护层同样填充三周期极小曲面单胞填充结构,其作用是阻滞气体流动,从而在温度变化时,使得防护层发生形状变化,附着在传感器迎风面最外层冰层发生相互挤压碎裂,整个冰层脱落,从而实现传感器外表面的自动碎冰脱冰过程。
[0106] 可选的,记忆合金为镍钛形状记忆合金。
[0107] 除防护层29由记忆合金构成外,传感器主体结构的其他部均采用不锈钢材料。
[0108] 如图4a和图5b所示,所述防护层29,表面设置若干预制槽213,便于形状记忆合金变形,挤压冰层,使冰层脱落。
[0109] 所述防护层表面的若干预制槽213将防护层表面分割成若干微小碎片式结构,在受外物冲击时易局部损伤脱落,吸收冲击能量,减少主体结构所受冲击能量,且脱落的微小碎片不会导致发动机造成损伤。
[0110] 在本实施例中,预制槽的深度为防护层厚度尺寸的1/2,宽度为1mm。
[0111] 在本实施例中,防护层预制槽213将表面分成很多微小三角形结构。
[0112] 预制槽的形式并没有特别限制,在其他实施例中,预制槽可将防护层表面分割成其他形状均等能达到相同效果的形式。
[0113] 图6a揭示了本发明一实施例的传感器迎风面防护层的第一示意图,如图6a所示的实施例中,预制槽将防护层表面分割成棱形结构。
[0114] 图6b揭示了本发明一实施例的传感器迎风面防护层的第二示意图,如图6b所示的实施例中,预制槽将防护层表面分割成蜂窝形结构。
[0115] 图7a揭示了本发明一实施例的感测腔内部区域Gyroid单胞填充示意图,图7b揭示了本发明一实施例的填充区域横截面的局部示意图,如图7a和图7b所示,感测腔内部填充的三周期极小曲面单胞填充结构210为Gyroid单胞,Gyroid单胞具有比较高的比表面积,可以提高气流阻滞效率,从而提高传感器响应速度。
[0116] 如图4b和图7a所示,感测腔28上部区域填充的三周期极小曲面单胞填充结构210与密封盖212相连接,粘贴式热电阻211粘贴在密封盖212上表面。
[0117] 密封盖212的主要功能是防止气流进入发动机内部,同时粘贴式热电阻211提供一个光滑的粘贴表面。
[0118] 图8a揭示了本发明一实施例的迎风面防护层的IWP单胞第一示意图,图8b揭示了本发明一实施例的迎风面防护层的IWP单胞第二示意图,如图8a和图8b所示,防护层与传感器外壳之间同样填充的三周期极小曲面单胞结构为IWP单胞结构,这种单胞结构在受压时表现出优异的的性能,在受冲击时能够吸收大量的冲击能量,从而达到有效防护作用。
[0119] 以上实施例介绍的总温传感器,尤其适用于安装于航空发动机进气道位置。但可以理解到,以上介绍的总温传感器不限于安装在进气道,也可以是设置于其余位置的总温传感器。甚至不限于用于航空发动机,也可以是设置于飞机的总温传感器,例如安装于翼尖、尾垂顶部、机头侧面或其它气流不易受到扰动的地方。
[0120] 本发明又提供了一种上述总温传感器的制造方法,总温传感器的传感器外壳的迎风面设置防护层,所述总温传感器的制造方法,包括以下步骤:
[0121] 采用增材制造工艺将除防护层外的传感器主体结构一次性制作成型;
[0122] 在已完成的传感器主体结构基础上,进行防护层的增材制造;
[0123] 将已完成的传感器主体结构和防护层融合。
[0124] 在本实施例中,除防护层外的传感器主体结构由增材制造一体制成。
[0125] 由于防护层与传感器主体结构的材料不同,在完成传感器主体结构的增材制造后,再以制造完成的传感器主体结构为基础进行防护层的增材制造。
[0126] 更进一步的,所述除防护层外的传感器主体结构为不锈钢,所述防护层为镍钛记忆合金。
[0127] 不锈钢熔点在1400℃左右,镍钛记忆合金熔点在2000℃左右,按熔点低到高顺序打印,使得材料之间的界面熔合在一起,保证界面强度。
[0128] 尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作,但是应理解并领会,这些方法不受动作的次序所限,因为根据一个或多个实施例,一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
[0129] 本发明提供的一种总温传感器及其制造方法,具体具有以下有益效果:
[0130] 1)感测腔采用三周期极小曲面单胞填充结构填充,这种结构具有轻质高强度、连通性好、拓扑结构可控的特点,在实现气流阻滞的同时,能够显著提高感测腔的抗冲击能力,并且单胞结构的梯度设计灵活性高,可有效提升力学和振动等性能;
[0131] 2)传感器的迎风面采用碎片式记忆合金防护层,不仅具有主动防冰功能,还可以吸收冲击能量,有效保护传感器主体结构,且即使防护层脱落微小碎片,也不会对发动机造成危害;
[0132] 3)通过增材制造技术,打印一体化加工,将外壳和内芯集成为单一部件,大大减少零件之间的连接,不仅改进了组件性能,还降低了整体加工成本。
[0133] 如本申请权利要求书中所示,除非上下文明确提示例外情形,“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数,也可包括复数。一般说来,术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素,而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列,方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
[0134] 在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0135] 在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0136] 上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的,熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下,对上述实施例做出种种修改或变化,因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限,而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。
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