BR102012033639B1 - montagens de desviador de entrada de ar de aeronave com características aerodinâmicas melhoradas - Google Patents

Abstract

montagens de desviador de entrada de ar de aeronave com características aerodinâmicas melhoradas. são descritas montagens de desviador para entradas de ar de aeronave que incluem uma estrutura de desviador que encerra pelo menos substancialmente a entrada de ar, e uma carenagem montada em uma borda superior da estrutura de desviador à frente da entrada de ar.

Description

"MONTAGENS DE DESVIADOR DE ENTRADA DE AR DE AERONAVE COM CARACTERÍSTICAS AERODINÂMICAS MELHORADAS" Este pedido tem por base e reivindica benefícios de prioridade doméstica sob 35 USC §119(e) do Pedido de Patente Provisório n° U.S. 61/580,969, depositado em 28 de dezembro de 2011, cujo conteúdo completo é expressamente incorporado à presente invenção a título de referência.

As configurações aqui descritas referem-se em geral a estruturas de entrada de aeronave e, mais particularmente, a entradas de fuselagem de aeronave dotadas de estruturas de desviador que têm características aerodinâmicas melhoradas.

Descrição do estado da técnica Aeronaves comerciais (por exemplo, jatos regionais) são geralmente equipadas com uma Unidade de Potência Auxiliar (APU) que fornece potência pneumática e de eixo a diferentes sistemas de aeronave, incluindo equipamento elétrico a bordo e eletrônicos, aviônicos, acionadores de partida a ar de motor principal, unidades de ar condicionado e similares, antes e durante o voo. A APU convencional é um pequeno motor de turbina a gás frequentemente localizado na cauda de aeronave, raiz da asa de fuselagem ou área de poço de roda de fuselagem. Historicamente, a primeira aeronave comercial a ter uma APU instalada foi um modelo precoce (circa 1963) de Boeing 727. Naquele tempo não havia nenhum equipamento de apoio terrestre em instalações de aeroporto menores para apoiar as operações de aeronave. Desde então, diferentes APUs foram instaladas em diferentes tipos de aeronaves que operaram em aeroportos menores e menos sofisticados. Já que a APU permitiu que a aeronave operasse independentemente do equipamento de apoio terrestre, a APU contribuiu para a expansão de tráfego aéreo. A APU foi, assim, consolidada em aeronaves civis e também militares. Sua função na aeronave através de muitas décadas tem progredido desde a partida de motor principal no solo para fornecer uma fonte de potência pneumática e elétrica enquanto a aeronave está no solo ou durante o voo.

Devido ao aumento da importância da APU para operações de aeronave, essa tem sido continuamente submetida à melhora e sofisticação de seus componentes para alcançar um desempenho melhorado com custos operacionais reduzidos dentro de condições de segurança. A fim de alcançar esse objetivo, a integração da APU na aeronave é um aspecto importante que deve ser considerado por tanto o fabricante de aeronave quanto o fornecedor de APU. Essa integração da APU na aeronave constitui um desafio importante e relativamente difícil relacionado a uma tentativa de encontrar um projeto ótimo através de uma quantidade muito grande de restrições de projeto.

Cada APU tem especificações técnicas que devem ser observadas e obedecidas durante sua instalação na aeronave de modo que a APU possa fornecer seu desempenho mínimo durante qualquer condição operacional. Um desses requerimentos é fortemente correlacionado com a admissão de ar que é necessária para a funcionalidade de APU. As modalidades reveladas na presente invenção são, portanto, direcionadas à otimização de admissões de ar não somente para APUs a bordo, mas também admissões de ar para outros componentes de aeronave relacionados, por exemplo, um Resfriador de Óleo de Resfriamento de Ar (ACOC) de APU de aeronave.

Um desviador é tipicamente dotado de dutos de entrada de ar de APU e serve como um dispositivo de proteção para prevenir fluidos indesejáveis (por exemplo, fluidos inflamáveis) de serem ingeridos pelo duto. Entretanto, o desviador é uma estrutura fixa que gera assim um arrasto aerodinâmico adicional à aeronave. No contexto mundial do desenvolvimento de “tecnologias verdes” com o objetivo de reduzir emissões de poluentes, muitos esforços de pesquisa estão em andamento para identificar soluções para reduzir o arrasto aerodinâmico de aeronave e, portanto, reduzir o consumo de combustível.

Um exemplo anterior para resolver esse problema é revelado no Pedido de Patente Publicado n° US 2007/07106479 (expressamente incorporado na presente invenção a título de referência) que propõe ao invés de uma estrutura fixa usar uma porta móvel que é aberta somente quando a APU está operando. Embora essa proposta anterior pareça fornecer ruído e consumo de combustível reduzidos, há muitos problemas técnicos que são associados com essa proposta.

Primeiro, é uma solução de custo relativamente alto devido aos atuadores mecânicos necessários para abrir e fechar a porta. Segundo, a solução não é simples, devido ao sistema pneumático ou elétrico exigido para instalar e alimentar os atuadores. Terceiro, há um impacto relativamente alto no peso da aeronave em comparação a um desviador fixo já existente e instalado em muitas aeronaves comerciais. Finalmente e talvez mais importante, devido à complexidade do sistema, pode haver problemas de confiabilidade de despacho de aeronave no evento de uma falha de componente associado à porta móvel.

Objetivos e breve descrição da invenção A fim de reduzir adicionalmente o arrasto de aeronave na região da entrada de ar de APU, são reveladas na presente invenção várias modalidades de estruturas de desviador melhoradas que alcançam um perfil de geometria que tem características aerodinâmicas mais eficazes. Adicionalmente, o desviador novo e inovador fornecido pelas modalidades reveladas na presente invenção melhora a distribuição de fluxo de ar e aumenta a recuperação de pressão de APU devido à adição de uma carenagem aerodinâmica. Além disso, essas características aerodinâmicas melhoradas são alcançadas ao observar todas as restrições de projeto de APU e mantendo a mesma funcionalidade dos desviadores atualmente em serviço (isto é, evitar qualquer fluido indesejável de alcançar o compressor de APU).

As estruturas de desviador melhoradas aerodinamicamente das configurações reveladas na presente invenção foram desenvolvidas para as entradas de ar de APU e geralmente incluem uma borda principal que evita a estagnação de fluxo de ar na região frontal da aeronave e define uma rampa relativamente suave na região posterior, através disso evitando o descolamento de fluxo de ar e aumentando a recuperação de pressão total média. A partir de simulações numéricas e de testes de voo, foi confirmado que as estruturas de desviador conforme definidas nas modalidades reveladas na presente invenção diminuíram o arrasto de excrecência da aeronave e, portanto, contribuíram para uma queima de combustível reduzida. As configurações das estruturas de desviador reveladas na presente invenção também melhoraram recuperação de pressão total de entrada, que beneficia a eficácia da máquina, nesse caso a APU.

De acordo com algumas configurações, as montagens de desviador para uma entrada de ar de aeronave são fornecidas que compreendem uma estrutura de desviador que encerra pelo menos substancialmente a entrada de ar e uma carenagem montada em uma borda superior da estrutura de desviador à frente da entrada de ar, A carenagem pode ser uma estrutura sólida que define uma rampa relativamente suave que se inclina para trás em direção à entrada de ar para evitar assim o descolamento de fluxo de ar à frente da entrada de ar. A estrutura de desviador pode ter uma configuração de corte em transversal substancialmente em formato de S.

Um suporte de carenagem pode também ser fornecido que é posicionado ao longo de uma borda frontal da entrada de ar de tal modo que a borda posterior da carenagem seja presa ao suporte de carenagem. Em certas modalidades, a carenagem pode compreender uma região de vértice frontal, uma região posterior curva de modo côncavo que define uma borda posterior curva de modo côncavo correspondente e regiões laterais divergentes lateralmente que unem as regiões posterior e de vértice frontal. O suporte de carenagem pode o próprio ter uma configuração de corte em transversal em formato de S. Em tal configuração, o suporte de carenagem pode incluir um flange de base inferior, um flange de apoio superior e um membro de apoio intermediário que une rigidamente os flanges de base inferior e de apoio superior em um. Em algumas modalidades, o flange de apoio superior é posicionado para trás do flange de base inferior de modo que a borda posterior da carenagem sobressaia uma borda frontal da entrada de ar.

De acordo com outras modalidades, a entrada de ar inclui um coletor de ar que se estende para fora a partir da mesma. O desviador pode assim ter um membro geralmente em formato de U que encerra substancialmente a entrada de ar e inclui um membro de base conectado à aeronave, um membro de apoio e um membro vertical unindo a base e os membros de apoio um ao outro. Em tais modalidades, a carenagem pode incluir uma região posterior que se inclina para baixo e para trás em direção à entrada de ar.

Esses e outros aspectos e vantagens da presente invenção se tornarão mais claros após a consideração cuidadosa ser dada à seguinte descrição detalhada das modalidades exemplificativas preferenciais da mesma.

Descrição resumida dos desenhos As modalidades reveladas da presente invenção serão compreendidas melhor e de maneira mais completa por meio da referência à descrição detalhada a seguir das modalidades ilustrativas não limitantes exemplificativas em conjunto com os desenhos dos quais: A Figura 1 é uma vista perspectiva inferior de uma seção de cauda de aeronave dotada de uma entrada de ar de APU e estrutura de desviador; A Figura 2 é uma vista explodida esquemática de uma montagem de desviador de entrada de ar de acordo com uma modalidade da invenção; A Figura 3 é uma vista plana conforme vista de baixo da aeronave retratada na Figura 1 da montagem de desviador de entrada de ar conforme mostrada na Figura 2; A Figura 4 é uma vista de corte em transversal parcial grandemente aumentada da região de carenagem associada à montagem de desviador retratada na Figura 3 conforme tomada geralmente ao longo das linhas 4-4 na mesma;

As Figuras 5 e 6 são vistas perspectivas frontal e traseira inferiores esquemáticas, respectivamente, de um Resfriador de Óleo de Resfriamento de Ar (ACOC) de APU que emprega uma montagem de desviador de acordo com uma e sua estrutura de desviador convencional associada; e As Figuras 7 e 8 são vistas elevacionais laterais frontal e lateral, respectivamente do ACOC de APU e sua montagem de desviador associada conforme mostrado nas Figuras 5 e 6.

Descrição detalhada Muitos dos detalhes, dimensões, ângulos e outros recursos mostrados nas figuras do presente pedido de patente são meramente ilustrativos de modalidades particulares da invenção. Dessa forma, outras modalidades podem ter outros detalhes, dimensões, ângulos e recursos, sem afastamento do espírito e escopo das presentes invenções. A Figura anexa 1 mostra uma entrada de APU associada a um APU (por exemplo, APU modelo APS 2300 fabricado pela Hamilton Sundstrand, não mostrado) instalado na fuselagem de cone de causa de uma aeronave AC, por exemplo, dentro de um compartimento dedicado encerrado por um firewall (não mostrado). O APU é montado com relação a uma entrada 10 que permite fluxo de ar de entrada a ser recebido através de um duto silenciador de entrada SD (posicionado às 6 horas conforme mostrado na Figura 3), e para descarregar escape através de um silenciador acústico que é montado nos dutos de escape ED do APU para reduzir o ruído associado. A borda perimétrica externa 10-1 da entrada de ar 10 é completamente encerrada por um desviador de fluido contíguo a fim de impedir a ingestão de líquidos inflamáveis pelo compressor de APU.

Um desviador de entrada de ar de APU convencional 12 é tipicamente instalado conforme representado na Figura 2 de uma maneira que liga completamente a entrada de ar 10. Mais especificamente, o desviador 12 é uma estrutura em geral em formato de S em seção transversal que tem um membro de base 12-1 fixado de maneira firme ao revestimento de fuselagem FS da aeronave 10 imediatamente adjacente à entrada 10, um membro superior 12-2 e um membro de apoio 12-3 que junta de maneira firme a base e os membros superiores 12-1, 12-2 de modo que o último seja disposto para fora e de modo angular com relação à entrada 10 (veja a Figura 4). O desviador 12 tipicamente incluirá uma região de vértice frontal 12-4 com relação à direção de voo FD da aeronave AC a fim de aprimorar suas características de fluxo aerodinâmico com uma região de popa 12-5 que é em geral transversal ao fluxo de ar durante o voo. No entanto, devido a suas características de geometria, por exemplo, sua largura (W) e ângulo de ataque (α), o desviador 12 atua como um obstáculo para o fluxo de ar que passa através da região da entrada de ar 10 e, portanto, aumenta o arrasto de protuberância da aeronave AC.

Conforme mostrado, por exemplo, nas Figuras 2 e 3, de acordo com algumas configurações da presente invenção, uma montagem de carenagem 20 é fornecida à frente da entrada de ar 10 em cooperação aerodinâmica com o desviador de fluido 12. A esse respeito, a montagem de carenagem 20 é preferencialmente uma peça curvada de modo arqueado de material sólido (por exemplo, lâmina de alumínio) que tem um vértice frontal 20-1 que se conforma à região de vértice 12-4 do desviador 12 e uma extremidade de popa 20-2 que tem uma borda traseira curvada que se conforma à curvatura da seção à frente 10-1 a da borda 10-1 da entrada 10. A montagem de carenagem assim fornece uma rampa aerodinâmica relativamente suave que se inclina para a popa (com relação à direção de voo FD da aeronave AC) em direção à entrada de ar 10 para assim evitar o descolamento de fluxo de ar à frente do mesmo. As bordas laterais 20-3 da montagem de carenagem 20 divergem para fora e para trás da extremidade de vértice frontal 20-1 para a extremidade de popa 20-2 da carenagem 20.

Conforme é mostrado nas Figuras 2 e 4, a extremidade de vértice frontal 20-1 e bordas laterais 20-3 da montagem de carenagem 20 é suportada fisicamente por uma porção subjacente do desviador 12. Mais especificamente, uma extremidade de vértice frontal 20-1 e bordas laterais 20-3 são unidas de maneira firme (por exemplo, por meio de rebites planos) ao flange superior de desviador 12-2. Um suporte de apoio de carenagem em formato de S 22 (ou em formato de Z conforme visto na orientação da Figura 4) é posicionado adjacente à borda frontal 10-1 a da entrada 10 a fim de suportar a borda traseira 20-2 da carenagem 20. Conforme mostrado, por exemplo, na Figura 4, o suporte de apoio de carenagem 22 inclui (com relação à aeronave AC) um flange de base inferior 22-1, um flange de apoio superior 22-2 em um membro de apoio intermediário 22-3 que une de maneira firme a base inferior e os flanges de apoio superiores 22-1, 22-2 entre si de modo que o último seja posicionado para trás com relação ao anterior e com relação à direção de voo (FD) da aeronave. A borda traseira 20-2 da carenagem 20 pode ser assim unida de maneira firme ao flange de apoio superior 22-2 (por exemplo, por meio de rebite plano). Conforme é mostrado na Figura 4, esse posicionamento para trás da borda traseira 20-2 da carenagem 20 por meio do apoio de carenagem 22 cria uma protuberância em uma direção de popa da borda traseira 20-2 com relação à borda frontal 10-1 a da entrada 10 (com relação à própria entrada 10). Essa protuberância assim aprimora as características aerodinâmicas da entrada 10 por redução do arrasto na região da mesma.

Conforme pode ser visto nas Figuras 5 a 8, os princípios aerodinâmicos discutidos acima podem ser similarmente aplicados a uma montagem de entrada de ar de Resfriador de Óleo de Resfriamento de Ar de APU (ACOC) 50 que pode se tipicamente montado em uma região de cone de cauda superior da aeronave AC. A esse respeito, a montagem de entrada de ar ACOC de APU 50 incluirá tipicamente um coletor de ar 52 posicionado sobre a entrada de ar ACOC 54. Para propósitos aerodinâmicos, o coletor de ar 52 incluirá uma passagem de abertura de área de superfície maior 52-1 e se inclinará para trás com relação à direção de voo FD da aeronave AC para uma passagem de saída de área de superfície menor 52-2. Como o coletor de ar 52 cobre a entrada de ar ACOC 54, parte do fluxo de ar entre as passagens de abertura e saída 52-1, 52-2, respectivamente, entrará através da entrada ACOC 54 para servir como ar de resfriamento. A entrada ACOC 54 é encerrada à frente e lateralmente por um desviador em formato de U direcionado em geral para fora (com relação à entrada 54) 56 que tem um membro de base 56-1, um membro superior de cima 56-2 e um apoio ereto 56-3 que une os membros de base e superior 56-1, 56-2. Uma carenagem de lâmina sólida (por exemplo, alumínio) 60 é montada de maneira firme (por exemplo, por meio de rebite) a uma porção do membro superior 56-2 à frente da passagem de abertura 52-1 de coletor de ar 52. A carenagem 60 tem uma extremidade de vértice frontal 60-1 e bordas de lado lateral 60-2 que divergem para fora e para trás com relação à direção de voo FD da aeronave AC. A extremidade de vértice 60-1 e as bordas de lado divergente lateral 60-2 são unidas de maneira firme (por exemplo, por meio de rebite) às respectivas porções subjacentes do membro superior 56-2 do desviador 56. Uma extremidade de popa 60-3 da carenagem 60 inclina para baixo e para trás de modo a terminar em geral plano e adjacente à entrada ACOC 54. De tal maneira, o fluxo de ar através do coletor 50 e para a entrada 54 é aprimorado enquanto se diminui o desenho aerodinâmico associado com o desviador 56.

Embora a invenção tenha sido descrita em conexão com o que é considerado, no presente documento, como a modalidade mais prática e preferencial, deve-se entender que a invenção não é limitada à modalidade revelada, mas ao contrário, pretende abranger várias modificações e disposições equivalentes incluídas dentro do espírito e escopo da mesma.

Claims (11)

1. Montagem de desviador (12) para uma entrada de ar (10) de aeronave, caracterizada peto fato de que compreende: uma estrutura de desviador (12) compreendendo um membro de base <12-t) fixado a uma região de fuselagem (PS) da aeronave de mõdo a envolver a frente © bordas laterais definindo a entrada de ar (10), um membro superior ,(12-2) disposto sobre o membro de base (12-1), e um (12-3) Juntando a base (12-1) e o membro superior (12-2), e uma carenagem (20) montada à frente do membro de apoio (12-3) da estrutura do desviador (12), de modo que a carenagem (20) é montada sobre ã fuselagem (FS) à frente da entrada de ar (10), a carenagem (20) compreendendo um vértice (20-1) que se conforma â região de vértice (12-4) do desviador (12) e uma extremidade de popa (20-2) que se conforma à curvatura de um secção à frente (10-1 a) a de uma borda (10-1) da entrada de ar (10).

2. Montagem de desviador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada peto fato de qué a carenagem (20) é uma estrutura sólida que define uma rampa reiativamenfe suave que se inclina em direção a uma extremidade frontal da entrada de ar (10) para evitar assim o descolamento de fluxo de ar à frente da entrada de ar (10).

3. Montagem de desviador, de acordo com aj reivindicação 1, caracterizada peto fato de que a entrada de ar (10) inclui um coletor de ar (52) que se estende paia ferã da mesnm

4. Montagem de desviador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada peto feto de que a estrutura de desviador tem um corte em transversal substanciaimerrte em formato de S composta peto membro de base (12-1), membro superior (12-2) e o membro de apoio (12-3).

5- Montagem de desviador, de aGordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender, ainda, um suporia de carenagem (22) posicionado ao longo de uma bonda frontal (10-1) da entrada de ar (10), para trás da estrutura do desviador (12)„ em que uma borda traseira (20-2) da carenagem (20) é presa ao suporte de carenagem (22),

6· Montagem de desviador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada peto feto de que a carenagem (20) compreende uma região posterior curva de modo côncavo que define uma borda traseira (20-2) curva de modo côncavo correspondente e regiões laterais (20-3) divergentes lateraimente que unem as regiões traseira (20-2) e de vértice frontal (20-1).

7* Montagem de desviador, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada por compreender um suporte de carenagem (22) em. formato de S posicionado ao longo de umà bordafrontàl (10-1) da entrada de ar (10).

8. Montagem de desviador, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo feto de que o suporte de carenagem (22) inclui um toge de base inferior (22-1), um flange de adoto superior (22-2) e um membro dé apoio intermediário (22-3) que une rigidamente os flanges de base inferior (22-1) e de apoío superior (22-2) um ao outro.

9· Montagem de: desviador, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que o toge de apoio superior (22-2) é posicionado pem trás do flange de base inferior (22-í) de modo que a borda traseira (20-2) da carenagem :(2Ò) sobressaiade üma borda fronte) (10-1) da entrada de ar (10).

10· Montagem dé desviador» de acordo com a reivindicação 3, caracterizada peto feto de que, o desviador (12) é um membro geralmente em formato de U que tem um membro de base conectado à aeronave» um membro de apoio e um membro vertical que une os membros de base e de apoio um ao

11. Montagem de desviador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada peto fato de que a carenagem (20) inclui uma região traseira que se inclina para baixo e para trás em direção à entrada de ar (10).