BR102013026232A2 - gerador de turbina de ar de impacto para uma aeronave - Google Patents

Abstract

gerador de turbina de ar de impacto para uma aeronave. trata-se de um gerador de turbina de ar de impacto para gerar potência elétrica quando o sistema é exposto a um fluxo de ar, que inclui uma turbina que tem múltiplas pás e um rotor acoplado diretamente às pás e que gira em torno de uma haste e um estator montado, de modo que o giro das pás gire o rotor e o giro do rotor em torno do estator produza potência elétrica. o gerador de turbina de ar de impacto (22) para uma aeronave (10), que compreende uma placa de montagem (21) configurada para montagem em uma porção da aeronave; uma haste (42) montada de forma fixa na placa de montagem; um estator (54) montado de forma fixa na haste que tem múltiplos enrolamentos; um alojamento de rotor (55) montado de forma giratória na haste e que encerra pelo menos parcialmente o estator; múltiplos ímãs permanentes (57) montados em uma superfície interior do alojamento de rotor; e um propulsor (28) acoplado de forma operável ao alojamento de rotor e que tem múltiplas pás (26); em que o ar que flui sobre as pás gira o propulsor para girar o alojamento de rotor, que gira os ímãs permanentes em torno dos múltiplos enrolamentos para gerar uma corrente elétrica nos enrolamentos.

Description

“GERADOR DE TURBINA DE AR DE IMPACTO PARA UMA AERONAVE” Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se a um gerador de turbina de ar de impacto para gerar potência elétrica quando o sistema é exposto a um fluxo de ar, que inclui uma turbina que tem múltiplas pás e um rotor acoplado diretamente às pás e que gira em torno de uma haste e um estator montado, de modo que o giro das pás gire o rotor e o giro do rotor em torno do estator produza potência elétrica.

Antecedentes da Invenção [002] Os sistemas de turbina de ar de impacto (RAT - Ram Air Turbine) são usados em aeronaves contemporâneas como sistemas de potência suplementar ou de emergência. Os mesmo têm, tipicamente, uma turbina, com um cubo giratório e uma pluralidade de pás, acopladas de forma operável a um gerador elétrico para fornecer a fonte de acionamento para o gerador. Inicialmente, em voo, os mesmos estão recolhidos em um compartimento da fuselagem da aeronave, cobertos por uma porta de compartimento. Quando necessário como uma fonte de potência suplementar ou de emergência, o sistema de RAT é desdobrado da fuselagem no fluxo de ar circundante, que aciona as pás para que girem o gerador a fim de extrair energia do fluxo de ar. À medida que as exigências de potência para sistemas de aeronave aumentam, as capacidades de geração de potência de sistemas de RAT continuam a aumentar.

Descrição da Invenção [003] Em um aspecto, um gerador de turbina de ar de impacto para uma aeronave inclui um estator que tem múltiplos enrolamentos, um rotor que encerra pelo menos parcialmente o estator e que tem múltiplos ímãs permanentes e um propulsor acoplado ao rotor para corrotação com o rotor e que tem múltiplas pás em que o ar que flui sobre as pás gira o propulsor para girar o rotor, que gira os ímãs permanentes em torno dos múltiplos enrolamentos para gerar uma corrente elétrica, tal como através a indução de tensão elétrica, nos enrolamentos.

Breve Descrição dos Desenhos [004] Nos desenhos: A Figura 1 é uma vista lateral que ilustra uma porção de uma aeronave que tem uma turbina de ar de impacto, em conformidade com uma realização da invenção; A Figura 2 é uma vista em corte transversal esquemática da turbina de ar de impacto da Figura 1; A Figura 3 é uma vista em corte transversal esquemática da turbina de ar de impacto com um conjunto caixa de engrenagens integrado, em conformidade com uma segunda realização da invenção.

Descrição de Realizações da Invenção [005] Conforme ilustrado na Figura 1, uma aeronave 10 pode incluir um sistema de RAT 12 para gerar potência elétrica para a aeronave 10 quando o sistema de RAT 12 é exposto ao fluxo de ar exterior da aeronave 10. O sistema de RAT 12 pode incluir uma RAT 14 que pode ser suspensa da aeronave 10 através de um pilone 16 e de um conjunto de montagem 18. A RAT 14 pode ser armazenada dentro de um compartimento adequado na fuselagem ou na asa da aeronave 10 e pode ser desdobrada, rápida e facilmente, através da moção do pilone 16 em relação ao conjunto de montagem 18, assim o sistema de RAT 12 é movido a uma posição exposta dentro do fluxo de ar que flui além da aeronave 10.

[006] Conforme ilustrado na Figura 2, a RAT 14 inclui um alojamento 20 no qual é localizado um gerador elétrico 22. O alojamento 20 inclui uma placa de montagem 21 que fecha um extremidade do alojamento 20 e é configurada para montagem em uma porção da aeronave 10. Uma turbina na forma de múltiplas pás 26, que se projeta a partir de um propulsor 28, é fornecida em outra extremidade do alojamento 20 oposta à placa de montagem 21. Embora apenas duas pás 26 foram mostradas na realização ilustrada é contemplado que qualquer número de pás 26 possam ser usados.

[007] A turbina inclui, adicionalmente, uma haste de saída de turbina 30 que pode ser acoplada de forma operável em uma primeira extremidade, 32 às pás 26 de modo que o giro das pás 26 gire a haste de saída de turbina 30. A haste de saída de turbina 30 pode ser acoplada de forma operável às pás 26 de qualquer maneira adequada e pode se projetar de forma para trás das pás 26 para fornecer uma saída giratória para acionar uma unidade de potência auxiliar, tal como o gerador elétrico 22. Por meio de exemplo não limitante, uma haste de rotor 34 pode se estender das pás 26 e pode ser estriada ou, caso contrário, acoplada, mecânica e adequadamente, à haste de saída de turbina 30 de modo que o giro das pás 26 seja transferido através da haste de rotor 34 para a haste de saída de turbina 30. Alternativamente, as pás 26 ou uma porção do propulsor 28 podem ser acopladas, forma direta, à haste de saída de turbina 30. Um segunda extremidade 36 da haste de saída de turbina 30 pode ser acoplada de forma operável a uma porção do gerador 22.

[008] O alojamento 20, conforme ilustrado, compreende um corpo 44, que é fechado mediante a oposição da primeira e segunda extremidades de tampa 46, 48, para fornecer um alojamento comum que define um interior 40 para receber o gerador 22. Conforme ilustrado, o alojamento 20 também pode inclui uma pluralidade de aletas dissipadoras de calor ou aletas de resfriamento 50. As aletas de resfriamento 50 podem ser formadas de qualquer maneira adequada de modo que se projetem de forma para fora de uma periferia do alojamento 20. As aletas de resfriamento 50 podem ser espaçadas em torno da periferia do corpo 44. O tamanho e o número das aletas de resfriamento 50 podem ser uma função das exigências específicas de dissipação de calor do sistema de RAT 12.

[009] A placa de montagem 21 é configurada para transportar o sistema de RAT 12 de tal maneira que a placa de montagem 21 monte no pilone 16. O gerador 22 pode ser acoplado de forma elétrica e por meio de cabos condutores 58 à aeronave10. O pilone 16 também pode definir uma passagem 59 através da qual os cabos condutores 58 do gerador 22 pode passar para a aeronave 10. Dessa maneira, os cabos condutores 58 e quaisquer outras ligações entre o sistema de RAT 12 e a aeronave 10 podem ser embutidos de forma protegida dentro do pilone 16 para diminuir danos.

[010] O gerador 22 está localizado dentro do alojamento interior 40 e compreende, adicionalmente, um estator 54 cercado por um alojamento de rotor 55, ilustrado conforme formado a partir de aço macio magnético, que define um rotor 56. Nesse sentido, o gerador 22 é de uma configuração de rotor externo. O estator 54 pode ter qualquer estrutura adequada, tal como um núcleo que compreende uma laminação de enrolamento que forma uma estrutura com fenda na qual são recebidos múltiplos enrolamentos elétricos que são espaçados de maneira uniforme e radial em torno do núcleo. O rotor 56 também pode ser de qualquer estrutura adequada e é ilustrado como um rotor com múltiplos ímãs permanentes 57 que definem os polos do rotor. Os ímãs permanentes 57 podem ser afixos ao alojamento de rotor 55 que pode ter slots nos quais os ímãs 57 são recebidos.

[011] O gerador 22 compreende, adicionalmente, a suporte de estator na forma de uma haste de montagem não giratória 42 que tem pelo menos uma primeira extremidade 43 montada na placa de montagem 21 em um arranjo em cantiléver. Embora um arranjo em cantiléver seja ilustrado, outros arranjos de montagem são possíveis. O estator 54 é montado de forma fixa na haste de montagem 42, tal como através do deslizamento do núcleo de estator na haste de montagem 42. Uma configuração de chave/passagem de chave pode ser formada no núcleo de estator e na haste de montagem 42 para prevenir o giro do estator 54 em relação à haste de montagem 42.

[012] Quando armado, o rotor 56 é separado do estator 54, do corpo de alojamento 44 e da placa de montagem 21 para fornecer para separação mecânica durante giro. O alojamento de rotor 55 é suportado de forma girável nos rolamentos espaçados 38 montados na haste de montagem 42, que fornece o giro do alojamento de rotor 55 em torno da haste de montagem 42. A RAT 14 é acoplada de forma operável ao alojamento de rotor 55 através da haste de saída de turbina 30 de modo que o giro do propulsor 28 associado ao ar que flui através das pás 26 gire o alojamento de rotor 55.

[013] O gerador 22 compreende, adicionalmente, uma unidade de controle de gerador (GCU) 70, que tem um controlador 72 e um retificador de onda completa 74, tal como um retificador controlado de silicone de onde completa, em que a GCU 70 é posicionada, fisicamente, dentro da segundo tampa de extremidade de alojamento 48 e posicionada, eletricamente, entre a saída de tensão 76 dos enrolamentos de estator e os cabos condutores 58. A GCU 70 opera para retificar e regular a eletricidade gerada para transmissão aos sistemas elétricos da aeronave 10. Tensões de aeronaves típicas são exemplificadas como CC de 20V e CC de 270V, porém podem variar a medida que os sistemas elétricos exijam. Embora a GCU 70 seja ilustrada na traseira do gerador 22, um posicionamento alternativo, tal como dentro da aeronave 10, é contemplado. O controlador 72 pode conter um ou mais transistores bipolares de porta isolada (IGBT) organizados em uma típica configuração de conversor abaixador-elevador (buck-boost).

[014] Durante a operação do sistema de RAT 12, a RAT 14 é estendida no fluxo de ar em torno da aeronave, o fluxo de ar que flui sobre as pás 26 faz com que as pás 26 girem que, por sua vez, fazem com que a haste de saída de turbina 30 para girar nas mesmas rotações por minuto que as pás 26. A haste de saída de turbina 30 aciona o alojamento de rotor 55 em torno da haste de montagem 42 e o estator 54 para produzirem eletricidade regulada por GCU que pode ser transferida para a aeronave 10 através dos cabos condutores 58.

[015] Adicionalmente, a Figura 3 ilustra um sistema de RAT alternativo 112, de acordo com uma segunda realização da invenção. A segunda realização é semelhante à primeira realização; portanto, partes semelhantes serão identificadas com numerais semelhantes aumentados por 100, cm isso entendido que a descrição das partes semelhantes da primeira realização se aplica à segunda realização, a menos que o contrário seja notado. Uma diferença entre a primeira realização e a segunda realização é que o alojamento de RAT 120 inclui uma caixa de engrenagens 123 que tem um elemento de saída de caixa de engrenagens 124 que acopla a RAT 14 ao gerador 122 em vez da direção direta da primeira realização.

[016] Conforme ilustrado, a segunda extremidade 136 da haste de saída de turbina 130 pode ser acoplada de forma operável a uma porção da caixa de engrenagens 123. O alojamento de rotor 155 pode, então, ser acoplado de forma operável ao elemento de saída de caixa de engrenagens 124 de modo que o elemento de saída de caixa de engrenagens 124 pode fornecer uma força de acionamento para o alojamento de rotor 155 de modo que a potência elétrica possa ser gerada.

[017] A caixa de engrenagens 123 pode inclui um trem de engrenagens de aumento de velocidade 160. Mais especificamente, uma engrenagem de entrada 162, uma primeira engrenagem intermediária 164, uma segunda engrenagem intermediária 166 e uma engrenagem acionada de saída 168 pode ser incluída no trem de engrenagens de aumento de velocidade 160. A engrenagem de entrada 162 pode ser referida por outros nomes porém tem sido referenciada no presente contexto como uma engrenagem de entrada porque potência é inserida no trem de engrenagens de aumento de velocidade 160 da caixa de engrenagens 123 na extremidade de engrenagem acionada do trem de engrenagens de aumento de velocidade 160. A engrenagem de entrada 162 pode ser estriada ou, caso contrário, acoplada, adequada e mecanicamente, à haste de saída de turbina 130, geralmente próxima à segunda extremidade da mesma 136. A engrenagem de entrada 162 enreda com a primeira engrenagem intermediária 164, que tem uma extensão de altura através de tanto da engrenagem de entrada 162 quanto da segunda engrenagem intermediária 166. Dessa maneira, a primeira engrenagem intermediária 164 pode enredar com a segunda engrenagem intermediária 166. A segunda engrenagem intermediária 166 pode, por sua vez, enredar com a engrenagem acionada de saída 168 que pode ser estriada, ou, caso contrário, acoplada, adequada e mecanicamente, ao elemento de saída de caixa de engrenagens 124 que é ilustrado como uma haste que pode ser suportada de forma girável por meio dos rolamentos 138. Os rolamentos 138 podem ser fornecidos em um arranjo para suportar de forma girável o elemento de saída de caixa de engrenagens 124 de forma coaxial com a haste de saída de turbina 130.

[018] Outras configurações para a caixa de engrenagens 123, inclusive o trem de engrenagens 160, são possíveis. Por exemplo, embora a caixa de engrenagens 123 seja ilustrada conforme é localizada dentro do alojamento de RAT 120 com o gerador 122, a mesma pode estar em um alojamento separado acoplado ao gerador 122.

[019] Durante operação do sistema de RAT 112, a RAT 114 é estendida no fluxo de ar em torno da aeronave, o fluxo de ar que flui sobre as pás 126 faz com que as pás 26 girem que, por sua vez, faz com que a haste de saída de turbina 130 gire nas mesmas rotações por minuto que as pás 126. A haste de saída de turbina 130 aciona a engrenagem de entrada 162 da trem de engrenagens de aumento de velocidade 160 que, por sua vez, aciona a primeira e a segunda engrenagens intermediárias 164, 166 que, por sua vez, acionam a engrenagem acionada de saída 168 e o elemento de saída de caixa de engrenagens 124. O trem de engrenagens de aumento de velocidade 160 faz com que o elemento de saída de caixa de engrenagens 124 gire em uma velocidade maior do que as pás 126 e atue para converter a giro de entrada de baixa velocidade em um giro de alta velocidade adequado para gerar eletricidade.

[020] A título de exemplo não limitante, o gerador 22 pode ser configurado para gerar pelo menos 30kW em 20.000 rpm. Mais especificamente, a razão da engrenagem de entrada 162 para a engrenagem acionada de saída 168 pode ser selecionada de modo que a engrenagem acionada de saída 168 gire em uma velocidade substancialmente maior do que a engrenagem de entrada 162. A configuração de engrenagens e as razões de engrenagens no trem de engrenagens de aumento de velocidade 160 podem ser selecionado de modo que o elemento de saída de caixa de engrenagens 124 gire em 20.000 rpm em resposta a uma velocidade racional predeterminada da haste de saída de turbina de 6.000 rpm. O alojamento de rotor 155 é acionado através do elemento de saída de caixa de engrenagens 124 e faz com que o gerador 122 produza eletricidade regulada por GCU que pode ser transferida para a aeronave110 através dos cabos condutores 158.

[021] O gerador 22 pode ser, adicionalmente, de construção do tipo panqueca, em que tanto o estator 54 quanto o rotor 56 são maiores em diâmetro e menores em comprimento axial em comparação a um Sistema de RAT típico. A construção do tipo panqueca é conhecida por gerar quantidades iguais de potência como um sistema de RAT típico em velocidades rotacionais de propulsor 28 e rotor 56 menores, sem a necessidade de uma caixa de engrenagens de aumento de velocidade 123. A título de exemplo não limitante, um gerador de tipo panqueca 22 pode ser configurada para gerar pelo menos 30kW em 6,000 rpm. Portanto, aplicação de um gerador de construção do tipo panqueca pode ser preferencial para confiabilidade aumentada, inerentemente, devido a menos componentes, lentas condições de operação de giro, ou em um aeronave que exige menos espaço axial para incorporação de sistema de RAT.

[022] Muitas realizações possíveis e configurações em adição àquela que mostram nas Figuras acima são contemplados através da presente invenção. Por exemplo, uma realização da invenção comtempla uma haste de montagem 42 que é fixada à placa de montagem 21 de modo que ambos os estatores 54 é girável sobre um eixo geométrico comum com o alojamento de rotor 55, em que o giro do estator 54 pode estar na mesma direção oposta que o alojamento de rotor 55. Adicionalmente, em tal realização, a velocidade girável do estator 54 pode diferir com a velocidade do alojamento de rotor 55. Outro exemplo da invenção contempla o uso de um sistema de óleo independente para refrigerar, ou ar para refrigerar. Um exemplo adicional da invenção contempla ter ou uma abertura ou construção à prova de cinza vulcânica. Adicionalmente, o modelo e posicionamento dos vários componentes podem recolocados de modo que um número de diferentes configurações em linha possam ser notadas.

[023] As realizações reveladas no presente documento fornecem um sistema de RAT PMG com construção de dentro para fora. Uma vantagem que pode ser notada nas realizações acima é que, as realizações descritas cima têm peso superior e vantagens de tamanho sobre os sistemas de RAT de tipo convencional. Com o arranjo de tipo panqueca proposto, uma alta velocidade de PMG periférica pode ser alcançada sem engrenagens desde que a contenção confiável do ímã permanente seja inerente com o anel cilíndrico, fornecer contenção a caminho de retorno de fluxo. Ademais, uma maior velocidade periférica pode ser alcançada por conta do vão eletromagnético ser mínimo pelo fato de ser o mesmo que o separação radial mecânica. A maior velocidade periférica resulta em um peso de gerador eletromagnético mais baixo.

[024] Ao modelar componentes de aeronave, fatores importantes para tratar são o tamanho, o peso e a confiabilidade. Os sistemas de RAT descritos acima têm um número reduzido de partes visto que o sistema terá capacidade de fornecer saídas de CC reguladas com mínimo equipamento de conversão de potência, tornando o sistema completo inerentemente mais confiável. Isso resulta em um peso mais baixo, um tamanho menor, desempenho aumentado e sistema de confiabilidade aumentado. O número menor de partes e a manutenção reduzida levarão a custos de produto e custos operacionais mais baixos. O peso e o tamanho reduzidos correlacionam-se com vantagens competitivas durante o voo.

[025] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, incluindo o melhor modo, e também para possibilitar que qualquer pessoa versada na técnica pratique a invenção, incluindo fabricar e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e realizar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorram àqueles versados na técnica. Tais outros exemplos são destinados a estar dentro do escopo das reivindicações se os mesmos tiverem elementos estruturais que sejam diferentes da linguagem literal das reivindicações, ou se os mesmos incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças não substancias em relação à linguagem literal das reivindicações.

Reivindicações

Claims (15)

1. GERADOR DE TURBINA DE AR DE IMPACTO (22) PARA UMA AERONAVE (10), caracterizado por compreender: uma placa de montagem (21) configurada para montagem em uma porção da aeronave; uma haste (42) montada de forma fixa na placa de montagem; um estator (54) montado de forma fixa na haste que tem múltiplos enrolamentos; um alojamento de rotor (55) montado de forma giratória na haste e que encerra pelo menos parcialmente o estator; múltiplos ímãs permanentes (57)montados em uma superfície interior do alojamento de rotor; e um propulsor (28) acoplado de forma operável ao alojamento de rotor e que tem múltiplas pás (26); em que o ar que flui sobre as pás gira o propulsor para girar o alojamento de rotor, que gira os ímãs permanentes em torno dos múltiplos enrolamentos para gerar uma corrente elétrica nos enrolamentos.

2. GERADOR (22), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a placa de montagem é configurada para montagem em um pilone extensível a partir da aeronave.

3. TURBINA DE AR DE IMPACTO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma extremidade da haste é fixa à placa de montagem.

4. GERADOR (22) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os múltiplos enrolamentos são espaçados de maneira uniforme e radial em torno do estator.

5. GERADOR (22), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que os múltiplos ímãs permanentes compreendem pelo menos dois ímãs permanentes opostos de forma diametral.

6. GERADOR (22), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o alojamento de rotor compreende um cilindro montado de forma giratória na haste.

7. GERADOR (22), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de compreende, adicionalmente, um par de rolamentos, sendo que cada rolamento é fornecido na haste em um lado oposto do estator, e o cilindro é montado nos rolamentos.

8. GERADOR (22), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o alojamento de rotor forma um caminho de retorno de fluxo magnético.

9. GERADOR (22), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o propulsor é montado diretamente no alojamento de rotor.

10. GERADOR (22), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gerador compreende, adicionalmente, uma caixa de engrenagens que acopla de forma operável o propulsor ao alojamento de rotor.

11. GERADOR (22), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a caixa de engrenagens é apoiada pela haste.

12. GERADOR (22), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a caixa de engrenagens fornece um trem de engrenagens de aumento de velocidade de modo que o elemento de saída de caixa de engrenagens gire em uma velocidade maior do que o propulsor.

13. GERADOR (22), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a haste não gira.

14. GERADOR DE TURBINA DE AR DE IMPACTO PARA UMA AERONAVE (10), caracterizado por compreender: um estator (54) que tem múltiplos enrolamentos; um rotor (56) que encerra pelo menos parcialmente o estator e que tem múltiplos ímãs permanentes (57); e um propulsor acoplado (28) ao rotor para corrotação com o rotor e que tem múltiplas pás (26); em que o ar que flui sobre as pás gira o propulsor para girar o rotor, que gira os ímãs permanentes em torno dos múltiplos enrolamentos para gerar uma corrente elétrica nos enrolamentos.

15. GERADOR, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que os múltiplos enrolamentos são espaçados de maneira uniforme e radial em torno do estator.