BR102016019145A2

BR102016019145A2 - Sistema de turbina de ar de impacto, trocador de calor para um gerador de turbina de ar de impacto e aeronave

Info

Publication number: BR102016019145A2
Application number: BR102016019145-9A
Authority: BR
Inventors: Huang Hao; Jia Xiaochuan; Lin Lanchao
Original assignee: Ge Aviation Systems Llc
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2016-08-18
Publication date: 2017-07-11
Also published as: CA2940040A1; FR3040370A1; GB2543626B; CN106481367B; US20170057655A1; US10399694B2; JP2017047889A; GB201614689D0; CN106481367A; GB2543626A

Abstract

um sistema de turbina de ar de impacto que inclui um eixo rotativo, uma carcaça que tem um corpo que define um interior, um gerador localizado no interior e que possui um estator e um rotor, e uma turbina que tem um primeiro conjunto de pás operacionalmente acoplado com o eixo rotativo e configurado de modo que a corrente de ar que passa através do primeiro conjunto de pás roda o eixo.

Description

“SISTEMA DE TURBINA DE AR DE IMPACTO, TROCADOR DE CALOR PARA UM GERADOR DE TURBINA DE AR DE IMPACTO E AERONAVE” Antecedentes da invenção [0001] Os sistemas de turbina de ar de impacto (RAT, do inglês Ram Air Turbine) são usados em aeronaves contemporâneas como sistemas de emergência ou alimentação suplementar. Eles têm tipicamente uma turbina com um cubo central giratório e uma pluralidade de pás, operacionalmente acopladas a um gerador elétrico para fornecer a fonte propulsora para o gerador. Inicialmente em voo, o sistema permanece recolhido em um compartimento na fuselagem da aeronave, coberto por uma porta do compartimento. Quando necessário como fonte de alimentação de emergência ou suplementar, o sistema RAT é destacado a partir da fuselagem na corrente de ar circundante, a qual aciona as pás para rodar o gerador e extrair energia a partir da corrente de ar. Como os requisitos de energia para sistemas de aeronaves aumentam, as capacidades de geração de energia dos sistemas RAT continuam a aumentar.

[0002] Os sistemas RAT também podem ser configurados para funcionar em condições predeterminadas, tais como quando exposto a detritos ambientais, tal como cinza vulcânica. Em tal configuração, os sistemas RAT podem ser completamente fechados ou selados para impedir que entrem no gerador detritos que podem causar degradação do desempenho da máquina ou mau funcionamento. Entretanto, tal fechamento ou vedação pode interferir com os sistemas de arrefecimento ativos ou passivos, por exemplo, sistemas de arrefecimento líquidos, pois a vedação pode prevenir, inibir ou interferir com as vias convencionais de arrefecimento ou remoção de calor. Especificamente, a dificuldade no arrefecimento do rotor pode levar a um desempenho gerador reduzido ou falha do gerador.

Descrição Resumida da Invenção [0003] Em um aspecto, um sistema de turbina de ar de impacto inclui um eixo rotativo termicamente condutor, uma carcaça possuindo um corpo que define um interior, um gerador localizado no interior e possuindo um estator e um rotor, em que o rotor está operacionalmente e termicamente acoplado ao eixo, uma turbina que tem um primeiro conjunto de pás operacionalmente acoplado com o eixo rotativo e configurado de tal modo que a corrente de ar que passa através do primeiro conjunto de pás roda o eixo, e um segundo conjunto de pás a jusante de, e no exterior da carcaça, em que o segundo conjunto de pás é termicamente acoplado ao eixo e configurado de tal modo que a corrente de ar que passa através do segundo conjunto de pás proporciona a transferência de calor para a corrente de ar.

[0004] Em outro aspecto, um trocador de calor para um gerador de turbina de ar de impacto inclui um estator que tem um primeiro conjunto de bobinas, um rotor possuindo um segundo conjunto de bobinas e configurado para rodar em torno de um eixo termicamente condutor em relação ao estator, configurado para gerar um corrente no primeiro conjunto de bobina, e um conjunto de pás termicamente e rotativamente acoplado com o rotor por meio do eixo termicamente condutor, e configurado de tal modo que as pás estão expostas à corrente de ar que passa pela turbina de ar de impacto. O trocador de calor conduz o calor a partir do rotor, através do eixo termicamente condutivo, para o conjunto de pás, e em que a exposição de rotação do conjunto de pás na corrente de ar proporciona a transferência de calor para a corrente de ar.

[0005] Ainda em outro aspecto, uma aeronave inclui um gerador de turbina de ar de impacto em que o gerador RAM da turbina de ar inclui ainda um eixo rotativo termicamente condutor, uma carcaça que tem um corpo que define um interior, um gerador localizado no interior e possuindo um estator e um rotor, em que o rotor está operacionalmente e termicamente acoplado com o eixo, uma turbina que tem um primeiro conjunto de pás acoplado operacionalmente com o eixo rotativo e configurado de tal modo que a corrente de ar que passa através do primeiro conjunto de pás roda o eixo, e um segundo conjunto de pás a jusante de, e no exterior da carcaça, em que o segundo conjunto de pás está termicamente acoplado ao eixo. O ar flui sobre o gerador de turbina de ar de impacto passando através do segundo conjunto de pás para proporcionar a transferência de calor a partir do segundo conjunto de pás para o ar.

Breve Descrição das Figuras [0006] Nas Figuras: A Figura 1 é uma vista lateral ilustrando uma parte de uma aeronave que possui uma turbina de ar de impacto de acordo com um exemplo de realização da invenção; A Figura 2 é uma vista esquemática em corte da turbina de ar de impacto da Figura 1; A Figura 3 é uma vista esquemática em corte transversal da turbina de ar de impacto com um tubo de calor integrado, de acordo com um segundo exemplo de realização da invenção; A Figura 4 é uma vista lateral parcial que ilustra a turbina de ar de impacto que possui uma configuração de escudo alternativa; e A Figura 5 é uma vista lateral parcial que ilustra a turbina de ar de impacto que possui ainda outra configuração de escudo alternativa.

Descrição Detalhada da Invenção [0007] Exemplos de realização da invenção podem ser implementados em qualquer ambiente usando um gerador. Embora esta descrição seja dirigida principalmente para um gerador que proporciona geração de energia, também é aplicável a qualquer máquina elétrica fornecendo uma força motriz ou geração de eletricidade. Além disso, embora esta descrição seja direcionada principalmente para um ambiente de aeronaves, os exemplos de realização da invenção são aplicáveis em qualquer ambiente usando uma máquina elétrica.

[0008] Conforme ilustrado na Figura 1, uma aeronave 10 pode incluir um sistema RAT 12 para gerar energia elétrica para a aeronave 10, quando o sistema RAT 12 é exposto à corrente de ar no exterior da aeronave 10 e sistema RAT 12. O sistema RAT 12 pode incluir uma turbina de ar de impacto (RAT) 14, a qual pode ser suspensa a partir da aeronave 10 por, em um exemplo não limitante, uma torre 16 e conjunto de montagem 18. O sistema RAT 12 pode incluir ainda uma carcaça 20 que tem um corpo que define um interior, em que a carcaça pode, adicionalmente, incluir um sistema de refrigeração ou trocador de calor para a RAT 14, ilustrado como um conjunto de aletas 50 de díssipação de calor ou pás de arrefecimento, localizadas sobre a carcaça 20 e configurada de tal modo que a corrente de ar que passa pelas aletas 50 proporciona a transferência de calor a partir do sistema RAT 12 para a corrente de ar. O conjunto de aletas 50 pode ser formado de qualquer modo adequado para proporcionar o arrefecimento ou a dissipação de calor para o sistema RAT 12. No exemplo ilustrado, o conjunto de aletas 50 pode se projetar para fora a partir de uma periferia da carcaça 20 e ser espaçado ao redor da periferia da carcaça 20. O tamanho e o número do conjunto de aletas 50 podem, por exemplo, ser determinados em função dos requisitos de dissipação de calor específicos do sistema RAT 12.

[0009] O sistema RAT 12 inclui adicionalmente uma turbina sob a forma de um primeiro conjunto de pás 26 que se projetam a partir de uma hélice 28, externa em relação à carcaça 20, e configurada de tal modo que quando as pás 26 são expostas à corrente de ar que passa através das pás 26, hélice 28, ou sistema de RAT 12, que quando expostas gera o movimento de rotação da hélice 28. A jusante da hélice 28 e RAT 14 (ou seja, atrás da RAT 14, na direção da corrente de ar), o sistema RAT 12 pode incluir ainda um segundo sistema de arrefecimento 70 ou trocador de calor, que pode incluir um elemento de blindagem 72 para proteger uma porção do segundo sistema de arrefecimento 70. O segundo sistema de arrefecimento 70 será explicado a seguir.

[0010] O sistema RAT 14 pode ser armazenado dentro de um compartimento adequado na fuselagem ou asa da aeronave 10 e pode ser destacado de forma rápida e fácil pelo movimento da torre 16 em relação ao conjunto de montagem 18, movendo assim o sistema RAT 12 para uma posição exposta à corrente de ar que flui pela aeronave 10. Apesar de apenas duas pás 26 terem sido mostradas no exemplo de realização ilustrado, está contemplado que qualquer número de pás 26 pode ser usado. Além disso, o exemplo de realização ilustrado das pás 26 é apenas um exemplo não limítativo de configurações de uma pá 26, hélice 28, ou sistema RAT 12, e configurações alternativas estão previstas. Por exemplo, são previstos sistemas da aeronave 10 ou sistema RAT 12 em que o sistema RAT 12 está permanentemente exposto ao fluxo de ar.

[0011] Em outro exemplo, as pás 26 podem ser configuradas em uma forma inclinação ou desenho alternativo, por exemplo, para fornecer a interação descrita acima quando expostas a uma corrente de ar pré-determinado, definido por o ambiente de operação de uma aeronave 10 voando. Exemplos não limitantes de um ambiente de operação de uma aeronave 10 voando podem incluir uma altitude de 45.000 pés, em que a densidade do ar de uma corrente de ar pode ser de 20% da densidade do ar em relação ao nível do mar.

[0012] Conforme ilustrado na Figura 2, a RAT 14 inclui um gerador elétrico 22 localizado dentro do compartimento interno 40 da carcaça 20. A carcaça 20 pode incluir ainda uma placa de montagem 21 configurada para montar o sistema RAT 12 com uma porção da aeronave 10, por exemplo, pela passagem 59 da torre 16.

[0013] A turbina ou hélice 28 pode incluir ainda um eixo de saída da turbina 30, o qual pode ser operacionalmente ligado na primeira extremidade 32 às pás 26 de tal modo que a rotação das pás 26 roda o eixo de saída da turbina 30. O eixo de saída da turbina 30 pode ser operacionalmente ligado às pás 26 de qualquer maneira adequada e pode se projetar para trás a partir das pás 26 para fornecer uma saída rotativa para a condução de uma unidade de energia auxiliar, tal como o gerador elétrico 22. A título de exemplo não limitante, um eixo de saída da turbina 30 pode incluir, ou ser rotativamente acoplado com um eixo de rotor rotativo 34, por exemplo, por meio de uma relação com ranhuras ou outro acoplamento mecanicamente adequado, de modo que a rotação das pás 26 é transferida através do eixo de saída da turbina 30 para o eixo do rotor 34. São previstos exemplos de realização da divulgação em que o eixo do rotor 34 é formado, usinado, ou fabricado a partir de materiais termicamente condutores. Exemplos não limitantes de materiais termicamente condutores podem incluir aço carbono ou liga de alumínio. Materiais termicamente condutores adicionais ou formações de eixo do rotor 34 podem ser incluídos.

[0014] O gerador 22 está localizado dentro do interior da carcaça 40 e inclui um rotor 56 rotativamente e termicamente acoplado ao eixo do rotor 34 e pode incluir ainda, por exemplo, um conjunto de magnetos permanentes 54. O conjunto de magnetos permanentes 54 pode definir um conjunto de polos magnéticos ou polos do rotor do gerador 22. O gerador 22 pode incluir ainda um estator 55 fixo em relação ao compartimento 20 ou rotor giratório 56 e inclui um conjunto de bobinas condutoras 57. O estator 55 pode ser formado a partir de qualquer estrutura adequada, tal como um núcleo que compreende uma laminação bobinada formando uma estrutura ranhurada que recebe várias bobinas condutoras 57 que são espaçadas de forma radial ou uniforme sobre o núcleo.

[0015] Quando montado, o rotor 56 está espaçado do estator 55, carcaça 20, e placa de montagem 21 para proporcionar folga mecânica durante a rotação. O eixo do rotor 34 encontra-se rotacionalmente suportado em relação à carcaça, por exemplo, sobre rolamentos espaçados 38, de tal modo que a rotação da hélice 28 está configurada para conduzir uma rotação correspondente do eixo do rotor 34 e rotor 56. A rotação do rotor 56 e um conjunto de magnetos permanentes 54 em relação ao estator 55 e um conjunto de bobinas 57 são configurados para gerar corrente no conjunto de bobinas 57, que é finalmente fornecida para a aeronave 10, por exemplo, para ligar um conjunto de cargas ou sistemas elétricos.

[0016] Durante a operação do sistema RAT 12, a RAT 14 é estendida para a corrente de ar em torno da aeronave 10, e corrente de ar que flui sobre as pás 26 causa a rotação da hélice 28 ou pás 26. A rotação das pás 26 provoca uma rotação correspondente no eixo de saída 30 da turbina e eixo do rotor 34. A rotação do eixo do rotor 34 e o rotor 56 em relação ao estator 55 gera energia para a aeronave 10. Em exemplos de realizações o gerador 22 pode ser configurado para gerar, por exemplo, a alimentação de corrente alterna (CA) ou de corrente contínua (CC).

[0017] Embora o gerador 22 esteja gerando eletricidade, o calor pode ser gerado no estator 55 ou rotor 56, ou devido, por exemplos não limitantes, a perdas por correntes de Eddy, as perdas de cobre, ou perdas magnéticas. Se o calor não é removido do estator 55 ou do rotor 56, o desempenho do gerador 22 pode ser degradada, ou pode ocorrer a falha do gerador. Devido a preocupações referentes ao aquecimento, alguns geradores 22 podem incluir características de arrefecimento passivas ou ativas.

[0018] Sistemas de arrefecimento passivos focam no controle térmico ou gerenciamento térmico sem utilizar energia adicional ou utilizando em uma quantidade muito baixa. Por exemplo, o calor gerado no estator 55 ou conjunto de bobinas 57 pode ser termicamente conduzido para fora do estator 55 ou das bobinas 57 por meio de um acoplamento termicamente condutor com aletas de dissipação de calor 50 configuradas sobre o estator 55 e carcaça 20. A exposição do conjunto de aletas 50 na corrente de ar (ilustrada pelas setas tracejadas 58) atua para dissipar passivamente uma quantidade de calor por meio de convecção térmica ou radiação térmica para o ambiente circundante.

[0019] Um arrefecimento ativo, em contraste com o arrefecimento passivo, utiliza uma quantidade adicional de energia para realizar o arrefecimento de um componente gerador de calor pelo uso de um diferencial de entalpia. Por exemplo, alguns geradores 22 podem incluir um fluido (líquido ou ar) refrigerando o circuito em proximidade térmica com (ou canalizada através de) uma parte do eixo do rotor 34 ou rotor 56, e configurado para dispensar operacionalmente um fluido (líquido ou ar) através do circuito, em que o fluido absorve uma parte do calor gerado no rotor 56 e o transporta para longe do módulo. Esta forma de arrefecimento dissipa ativamente uma quantidade de calor por meio de um aumento na entalpia do fluido em movimento.

[0020] Alguns exemplos de sistemas de RAT 12, no entanto, não são adequados para sistemas de arrefecimento ativos. Por exemplo, aeronaves intercontinentais 10 podem ser configuradas para incluir, ou são necessários que sejam incluídos, sistemas RAT 12 que estão totalmente fechados ou vedados para evitar que os detritos ou contaminantes entrem no sistema RAT 12 ou interferiram com o gerador 22. Por exemplo, detritos externos, como cinzas vulcânicas podem causar degradação de desempenho ou mau funcionamento do gerador 22. Tal fechamento ou vedação pode interferir com os sistemas de arrefecimento ativos ou passivos, tais como, sistemas de arrefecimento líquidos explanados acima, de modo que a vedação pode prevenir, inibir ou interferir com as vias de arrefecimento ou circuitos de remoção de calor convencionais. A interferência mencionada é particularmente relevante em geradores fechados ou vedados 22 que só podem fornecer dissipação de calor limitada ou remoção do calor gerada, pelo, ou sobre o rotor 56.

[0021] Exemplos de realização da divulgação podem abordar a dissipação de calor limitada de remoção do calor gerado no rotor 56, incluindo o segundo sistema de refrigeração 70, conforme ilustrado na Figura 2 Como mostrado, o eixo do rotor 34 termicamente condutor pode ser configurado para estender, ou ser termicamente acoplado com outro eixo que se estende para trás e pelo menos parcialmente do exterior do sistema RAT 12, RAT 14, ou carcaça 20, enquanto ainda é fornecida uma configuração fechada do sistema RAT 12. O eixo do rotor externo 74 pode incluir ou apoiar um segundo conjunto de pás termicamente condutoras 76, também a jusante e externa à carcaça 20. O segundo conjunto de pás 76 está termicamente acoplado ao eixo do rotor 34 condutor térmico, 74 e operacionalmente define uma condução de calor ou via de transferência de calor a partir do rotor 56, através do eixo do rotor 34, 74, para o exterior da carcaça 20, e para o segundo conjunto de pás 76. O segundo conjunto de pás 76 é configurado de tal modo que a corrente de ar (ilustrada como seta tracejada) 78 passando pelo sistema RAT 12 também passa pelo segundo conjunto de pás 76 e proporciona a transferência de calor a partir das pás 76 para a corrente de ar 78.

[0022] O segundo conjunto de pás 76 pode ser configurado para incluir uma forma, desenho ou inclinação da pá, por exemplo, em relação à corrente de ar 78, para proporcionar a transferência de calor a partir das pás 76 para a corrente de ar 78, quando exposto à corrente de ar 78, tal como descrito no presente. Em um exemplo não limitativo, o segundo conjunto de pás 76 pode ser configurado para ser relativamente inclinado para a corrente de ar 78 que passa através do segundo conjunto de pás 76 de modo a que o coeficiente de transferência de calor do segundo sistema de arrefecimento 70 ou o segundo conjunto de pás 76 é superior ou maior do que o coeficiente de transferência de calor de um conjunto de pás sem inclinação. Em outro exemplo não limitante do escopo da invenção, a forma, desenho ou inclinação da pá podem ser configurados para proporcionar a transferência de calor a partir das pás 76 para a corrente de ar 78, em que a corrente de ar 78 é definida pelo meio ambiente operacional de uma aeronave 10 voando, conforme explicado acima. Além disso, o segundo conjunto de pás 76 exposto à corrente de ar 78 pode ser configurado de tal modo que o comprimento das pás 76 ou eixo do rotor 34 se estenda para trás da RAT 12, podendo reduzir a quantidade de vibrações sentida ou causada sobre o eixo do rotor 34.

[0023] O sistema RAT 12, a RAT 14, ou carcaça 20 podem ser configurados para permitir que maiores quantidades, direção, ou configuração da corrente de ar 78 que passa pelo segundo conjunto de pás 76, do que um sistema RAT 12, RAT 14, ou carcaça 20 sem tal configuração de corrente de ar 78. Por exemplo, conforme ilustrado, as correntes de ar 78 podem ser configuradas para atravessar, ou cruzar sobre o segundo conjunto de pás 76. Em um exemplo não limitante, as aletas de dissipação de calor 50 podem ser configuradas para direcionar a corrente de ar 58, 78, conforme desejado. A blindagem 72 configurada para proteger o segundo conjunto de pás 76 de detritos pode incluir um conjunto de orifícios 80 ou fendas radialmente dispostos em torno do segundo conjunto de pás 76 e configurado para permitir que a corrente de ar 78 passe através da blindagem 72 e através do segundo conjunto de pás 76. Além disso, embora a blindagem 72 tenha sido ilustrada com uma parede traseira opcional 82, exemplos de realização da divulgação preveem uma blindagem sem uma parede traseira 82.

[0024] Exemplos de realização não limitantes do sistema RAT 12, RAT 14, e segundo conjunto de pás 76 são previstos no presente pedido, em que, por exemplo, o segundo conjunto de pás 76 está rotativamente acoplado com o eixo do rotor 34 de tal modo que o segundo conjunto de pás 76 gire com o eixo do rotor 34. Neste sentido, a exposição de rotação do segundo conjunto de pás 76 na corrente de ar 78 pode proporcionar a transferência de calor a partir das pás 76 para a corrente de ar 78. Alternativamente, o eixo do rotor 34 pode incluir uma primeira de engrenagens com uma entrada acoplada ao eixo 34 e uma saída acoplada ao segundo conjunto de pás 76, configurado para permitir a condução térmica a partir da entrada para a saída. Nesta configuração alternativa, a caixa de engrenagens pode rodar operacionalmente o segundo conjunto de pás 76 a uma velocidade de rotação mais rápida ou mais lenta do que o eixo do rotor 34. Ainda em outra configuração, o segundo conjunto de pás 76 pode ser configurado de tal modo que o segundo conjunto de pás 76 estão acoplando de maneira não rotativa com o eixo do rotor 34, e são estacionárias (ou seja, não rotativas) em relação ao eixo 34.

[0025] Adicionalmente, embora não ilustrado, a RAT 14 ou carcaça 20 pode incluir ainda uma segunda caixa de engrenagens possuindo um conjunto de engrenagens que altera a velocidade e que está configurado em linha entre a hélice 28 ou eixo de saída 30 da turbina e o eixo do rotor 34. A segunda caixa de engrenagens pode ser configurada para conduzir o eixo do rotor 34 ou rotor 56 a uma velocidade rotacional mais lenta ou mais rápida do que a hélice 28, de tal modo que o gerador 22 gera uma quantidade ou forma pré-determinada de energia para a aeronave 10. Em um exemplo não limitante, a segunda caixa de engrenagens pode incluir um conjunto de engrenagens que aumenta a velocidade para gerar pelo menos 10 quilovolts-Amps (kVA) a 20000 rpm, em resposta a uma velocidade de rotação predeterminada do eixo de saída da turbina de 6.000 rpm.

[0026] Exemplos de realização adicionais do gerador 22 podem ser de construção tipo panqueca, em que o estator 55 e rotor 56 são maiores em diâmetro e menores em comprimento axial em comparação com um sistema RAT típico. A construção tipo panqueca é conhecida por gerar quantidades iguais de alimentação como um sistema RAT típico em rotações de hélice 28 e rotor 56 mais lentas sem a necessidade de uma caixa de engrenagens para aumento da velocidade. A título de exemplo não limitante, um gerador 22 tipo panqueca pode ser configurado para gerar, pelo menos, 30 kW a 6000 rpm.

[0027] A Figura 3 ilustra um sistema RAT 112 alternativo de acordo com um segundo exemplo de realização da invenção. A segunda realização é similar à primeira realização; portanto, partes semelhantes serão identificadas com numerais semelhantes aumentados em 100, sendo que é compreendido que a descrição das partes semelhantes da primeira realização se aplica à segunda realização, exceto onde especificado em contrário. Uma diferença entre a primeira realização e a segunda realização é que o eixo do rotor 134 inclui ainda um tubo de calor 190, que se estende ao longo do comprimento do eixo 134 e acopla termicamente, pelo menos, uma parte do rotor 56 ou eixo do rotor 134 com o segundo conjunto de pás 76. Em alguns exemplos de realização o tubo de calor 190 pode ser usinado ou fabricado a partir de um mesmo material ou de um material diferente termicamente condutor como o eixo do rotor 134, ou, alternativamente, pode ser usinado ou fabricado de tal modo que o tubo de calor 190 esteja integrado ao eixo do rotor 134. O tubo de calor 190 pode ainda ser afixado de modo removível ou permanente no interior do eixo do rotor 134 por qualquer montagem mecânica, montagem de fricção, montagem adesiva, ou outros modos de montagem semelhantes.

[0028] O tubo de calor 190 pode ser configurado de uma forma alongada, tal como, mas não se limitando a, um cilindro, e inclui uma primeira extremidade fechada 192 na proximidade da hélice 28 e uma segunda extremidade fechada oposta 194 distalmente posicionada a partir da hélice 28, por exemplo, estendendo-se passado por, pelo menos, um subconjunto do segundo conjunto de pás 76. O tubo de calor 190 pode ter uma porção interior 196 que define um reservatório de fluido que contém um fluido de mudança de fase ou de material (não mostrado), que pode mudar de uma primeira fase para uma segunda fase. Por exemplo, o fluido de mudança de fase pode alterar as fases de um líquido para um gás.

[0029] O fluido de mudança de fase pode ser selecionado ou configurado para proporcionar um calor específico de vaporização, ou entalpia de vaporização, que é a energia interna combinada e variação de entalpia necessária para transformar uma determinada qualidade de um fluido da forma líquida para gasosa, em uma determinada pressão. Neste sentido, o calor de vaporização do fluido de mudança de fase define a quantidade de calor absorvida pelo fluido, por meio de transferência de calor a partir do rotor 56, por meio do eixo do rotor 134, para alterar a fase do fluido de líquido para gás, e por outro lado, a quantidade de calor é liberada a partir do fluido quando o gás se condensa de volta para o estado líquido na segunda extremidade 192, no segundo conjunto de pás 76. Além disso, exemplos de realização da invenção podem incluir uma configuração de tubo de calor 190 selado de modo a que a pressão na poção interior 196 do tubo de calor pode ser modificada para proporcionar um calor de vaporização selecionado.

[0030] O fluido de mudança de fase em particular ou a pressão dentro da porção interior 196 pode ser selecionado com base nas temperaturas esperadas para serem encontradas durante o funcionamento do sistema RAT 112 ou RAT 114 para assegurar que a mudança de fase ocorrerá. Por exemplo, um exemplo não limitante de pressão no interior do reservatório pode incluir uma pressão abaixa de uma atmosfera padrão (1 atm). Exemplos não limitantes de fluidos de mudança de fase que podem ser utilizados incluem água, amoníaco, metanol, acetona, freon, ou qualquer combinação dos mesmos. Fluidos de mudança de fase podem ser selecionados ainda com base em suas compatibilidades ou incompatibilidades com os materiais ou construção do tubo de calor 190.

[0031] Exemplos de realização da divulgação podem incluir um tubo de calor 190, ou um conjunto de tubos de calor configurados em uma área relativamente pequena de secção transversal ou diâmetro. A circulação do fluido de trabalho no interior do tubo de calor depende de uma força centrífuga que é gerada pela rotação do eixo do rotor 134 e tubo de calor 190, em que as forças centrífugas distribuem condensados como um fluxo de líquido ou uma película líquida. A profundidade do fluxo líquido ou a espessura da película líquida diminui ao longo de cada seção de parede cilíndrica na direção do fluxo de líquido. Distribuição do condensado pode ser auxiliada por meios adicionais ou alternativos, incluindo, mas não se limitando a, o uso da ação capilar das paredes laterais modeladas. Enquanto o tubo de calor 190 seja descrito como possuindo uma forma cilíndrica, exemplos de realização da invenção podem incluir qualquer quantidade de tubos de calor 190 transversais de diversas formas, tais como circular, quadrada, triangular, em elipse, e etc.

[0032] O tubo de calor 190 opera de tal modo que, em um cenário exemplar, o calor gerado pelo rotor 56 é conduzido para o tubo de calor 190 por meio do eixo do rotor 134 condutor térmico. O calor conduzido para o tubo de calor 190, em seguida, pode ser condutivamente transferido, ou absorvido, no fluido de mudança de fase, o qual, em resposta ao calor transmitido ou absorvido, muda de fase a partir de um líquido para um gás. O gás de troca de fluido de fase pode deslocar ao longo de pelo menos uma porção do tubo de calor 190 para longe do rotor 56 e se condensar (ou seja, mudar a fase de volta para um líquido) ao longo das paredes laterais com padrões internos no tubo de calor 190 na ou próximo da segunda extremidade 194, liberando a porção armazenada do calor para dentro da parede lateral do tubo de calor 190, o qual pode ser transferido por condução através do eixo do rotor 134 para o segundo conjunto de pás 76. O calor pode então, por exemplo, ser liberado para a corrente de ar 78, tal como aqui explicado. O fluido de mudança de fase, novamente em forma líquida, por sua vez, se dispersa de volta para o rotor 56, ao longo das paredes laterais no interior do tubo de calor 196, através, por exemplo, da força centrífuga exercendo sobre o fluxo de líquido que retorna (ou película líquida) cuja espessura diminui ao longo das paredes laterais cilíndricas em direção ao fluxo de líquido, pronto para absorver calor adicional.

[0033] Muitas outras configurações e realizações possíveis, além daquelas mostradas nas Figuras acima, são contempladas pela presente revelação. Por exemplo, a Figura 4 ilustra uma vista em perspectiva parcial do segundo sistema de arrefecimento 270 e blindagem 272 de acordo com o terceiro exemplo de realização do sistema RAT 212. O terceiro exemplo de realização é similar aos exemplos de realização anteriores e partes semelhantes serão identificadas com numerais semelhantes elevados a 200, sendo que é compreendido que a descrição das partes semelhantes das realizações anteriores se aplica ao terceiro exemplo de realização, a menos que seja indicado de outra forma. O terceiro exemplo de realização é diferente dos exemplos de realização anteriores, em que a blindagem 272 do terceiro exemplo de realização tem uma configuração diferente do conjunto de orifícios 280 ou fendas radialmente dispostos em torno do segundo conjunto de pás 76. Adicionalmente, a Figura 5 ilustra uma vista em perspectiva parcial do segundo sistema de arrefecimento 370 e blindagem 372 de acordo com o quarto exemplo de realização do sistema RAT 312. O quarto exemplo de realização é similar aos exemplos de realização anteriores e partes semelhantes serão identificadas com numerais semelhantes elevados a 300, sendo que é compreendido que a descrição das partes semelhantes das realizações anteriores se aplica ao quarto exemplo de realização, a menos que seja indicado de outra forma. O quarto exemplo de realização é diferente dos exemplos de realização anteriores, em que a blindagem 372 do quarto exemplo de realização tem uma configuração diferente do conjunto de orifícios 380 ou fendas radialmente dispostos em torno do segundo conjunto de pás 76. Tal como descrito no presente pedido, o conjunto de portas 280, 380 ilustrados no terceiro e quarto exemplos de realização pode ser configurado para permitir que o segundo conjunto de pás 76 seja exposto à corrente de ar 78 durante o voo da aeronave 10.

[0034] Outras configurações adicionais e realizações possíveis, além daquelas mostradas nas Figuras acima, são contempladas pela presente revelação. Por exemplo, um exemplo de realização da divulgação contempla a configuração do sistema RAT 12, RAT 14, carcaça 20, ou hélice 28 para direcionar a corrente de ar 78 sobre a RAT 12 em um padrão específico para a exposição do segundo conjunto de pás 76. Por exemplo, em um exemplo não limitante, a carcaça 20 ou aletas de dissipação de calor 50 podem ser configuradas para direcionar a corrente de ar 78 sobre a RAT 12 em um padrão ciclônico ou de vórtice, de modo que a corrente de ar 78 roda sobre o sistema RAT 12 e sobre o segundo conjunto de pás 76, o que pode aumentar ainda mais o coeficiente de transferência de calor do segundo conjunto de pás 76 em comparação com um sistema RAT não configurado para direcionar a corrente de ar. Neste exemplo de configuração, o segundo conjunto de pás 76 exposto à corrente de ar 78 com padrão em vórtice pode ser configurado de tal modo que o comprimento das pás 76 ou eixo do rotor 34 se estende para trás da RAT 12, podendo reduzir a quantidade de vibrações sentida ou causada sobre o eixo do rotor 34.

[0035] Outro exemplo de realização possível pode incluir um sistema RAT 12 com a construção de dentro para fora (do avesso), ou seja, onde o rotor 56 está em posição externa ao estator 55 e roda em torno do estator 55. Neste exemplo de realização, o rotor externo 56 pode estar localizado no interior da carcaça 20, e ser termicamente acoplado de forma rotativa com o segundo conjunto de pás 76, por meio do eixo 34 condutor térmico. O estator 55 também pode ser suportado por um segundo eixo que não é rotativo. Alternativamente, outro exemplo de realização possível pode incluir um sistema RAT 12, com a construção de dentro para fora, em que o estator 55 está termicamente acoplado ao segundo conjunto de pás 76 de modo que a exposição do segundo conjunto de pás 76 na corrente de ar 78 proporciona a transferência de calor a partir da estator 55 para a corrente de ar 78. O segundo conjunto de pás 76 pode ser livre para rodar em resposta à exposição da corrente de ar 78, ou pode ser concebido para a transferência de calor por exposição estacionária (ou seja, não rotativo) à corrente de ar 78. Outro exemplo de realização possível pode incluir um sistema RAT 12, em que tanto o rotor 56 quanto o estator 55 estão termicamente acoplados com o segundo conjunto de pás 76, de tal modo que o segundo conjunto de pás 76 proporciona a transferência de calor a partir do estator 55 e do rotor 56 para a corrente de ar 78.

[0036] Configurações adicionais ou padrões de direcionamento da corrente de ar estão previstos. Adicionalmente, o projeto e a disposição dos diversos componentes podem ser rearranjados de modo que várias configurações diferentes possam ser realizadas.

[0037] Os exemplos de realização descritos no presente pedido proporcionam um sistema RAT com um segundo sistema de refrigeração, a jusante, para o calor gerado pelo rotor. Uma vantagem que pode ser percebida nos exemplos de realização anteriores é que os exemplos de realização descritos acima têm capacidades de arrefecimento superiores para o calor gerado pelo rotor durante o funcionamento do gerador em relação aos sistemas tipo RAT convencionais. Além disso, em determinadas configurações de geradores ou RAT que preferem ou necessitam de vedação para construção à prova de detritos (por exemplo, construção à prova de cinzas), os métodos tradicionais de refrigeração do rotor são insuficientemente implementados ou não podem ser implementados (tal como para refrigeração líquida). O acúmulo de calor em sistemas convencionais provavelmente resulta em desempenho reduzido do gerador, falha do gerador, ou falha do material de vedação ou isolamento.

[0038] Com a solução de refrigeração proposta utilizando o rotor posicionado na porção traseira, o calor gerado no rotor pode ser transferido ao longo do comprimento do eixo do rotor e dissipado na corrente de ar através do segundo conjunto de pás, que pode ser configurado, conforme explicado acima, para arrefecer o rotor e o eixo do rotor. Exemplos de realização da divulgação incluem um tubo de calor que pode aumentar ainda mais a transmissão de calor ao longo do comprimento do rotor. Além disso, a configuração do sistema RAT pode conduzir a corrente de ar em um padrão pré-determinado, tal como em um padrão de entrecruzamento, ciclônico ou em vórtice, para expor o segundo conjunto de pás à corrente de ar e criar um coeficiente de transferência de calor mais elevado no segundo sistema de arrefecimento.

[0039] Ao se projetar componentes de aeronave, é importante abordar os fatores: confiabilidade, peso e tamanho. Os sistemas de RAT descritos acima podem ser configurados para incluir um gerador de menor operando a uma densidade ou eficiência de potência mais elevada, e a uma temperatura de operação mais baixa em comparação com um sistema RAT selado convencional. Isso resulta em um peso menor, um tamanho menor, um aumento de desempenho e em um aumento da confiabilidade do sistema. O menor número de peças e manutenção reduzida levará a uma redução dos custos de produtos e menores custos operacionais. O tamanho e o peso reduzidos têm relação com vantagens competitivas durante o voo.

[0040] Esta descrição escrita utiliza os exemplos para revelar a invenção, inclusive o melhor modo, e também possibilita que qualquer pessoa versada na técnica pratique a invenção, inclusive produza e use quaisquer dispositivos ou sistemas e execute 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 caso os mesmos possuam elementos estruturais que não os diferenciem da linguagem literal das reivindicações, ou caso os mesmos incluam elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.

Lista De Componentes 10 Aeronave 12 Sistema RAT 14 Turbina de ar de impacto (RAT) 16 Torre 18 Conjunto de montagem 20 Carcaça 21 Placa de montagem 22 Gerador 26 Pás 28 Hélice 30 Eixo de saída 32 Extremidade 34 Eixo do rotor 38 Rolamentos 40 Compartimento interno 50 Aletas 54 Magnetos 55 Estator 56 Rotor 57 Bobinas 58 Seta (corrente de ar) 59 Passagem 70 Sistema de arrefecimento 72 Blindagem 74 Eixo do rotor externo 76 Pás 78 Seta (corrente de ar) 80 Orifícios 82 Parede traseira 112 Sistema RAT 114 Turbina de ar de impacto (RAT) 134 Eixo do rotor 190 Tubo de calor 192 Extremidade fechada 194 Extremidade fechada oposta 196 Interior 212 Sistema RAT 270 Sistema de arrefecimento 272 Blindagem 280 Orifícios 370 Sistema de arrefecimento 372 Blindagem 380 Orifícios Reivindicações

Claims

1. SISTEMA DE TURBINA DE AR DE IMPACTO (RAM), caracterizado pelo fato de que compreende: um eixo rotativo termicamente condutor; uma carcaça possuindo um corpo que define um interior; um gerador localizado no interior possuindo um estator e um rotor, em que o rotor está operacionalmente e termicamente acoplado com o eixo; uma turbina possuindo um primeiro conjunto de pás operacionalmente acoplado com o eixo rotativo e configurado de tal modo que a corrente de ar que passa através do primeiro conjunto de pás roda o eixo; e um segundo conjunto de pás a jusante, e na porção externa da carcaça, em que o segundo conjunto de pás está termicamente acoplada com o eixo e configurado de tal modo que a corrente de ar que passa através do segundo conjunto de pás proporciona a transferência de calor para a corrente de ar.

2. SISTEMA DE TURBINA DE AR DE IMPACTO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o eixo rotativo termicamente condutor inclui ainda um tubo de calor.

3. SISTEMA DE TURBINA DE AR DE IMPACTO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a carcaça é selada para evitar que os detritos do exterior entrem na parte interna.

4. SISTEMA DE TURBINA DE AR DE IMPACTO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a carcaça é selada para evitar que cinzas vulcânicas entrem na parte interna.

5. SISTEMA DE TURBINA DE AR DE IMPACTO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o segundo conjunto de pás roda com o eixo rotativo.

6. SISTEMA DE TURBINA DE AR DE IMPACTO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o segundo conjunto de pás é suportado pelo eixo rotativo, e em que uma parte do eixo rotativo é externa à carcaça.

7. SISTEMA DE TURBINA DE AR DE IMPACTO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o segundo conjunto de pás é formado por pás inclinadas em relação à corrente de ar que passa através do segundo conjunto de pás de tal modo que o coeficiente de transferência de calor do segundo conjunto de pás é mais elevado em comparação com um conjunto de pás formado por pás sem inclinação.

8. SISTEMA DE TURBINA DE AR DE IMPACTO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o corpo da carcaça é configurado para direcionar a corrente de ar através do segundo conjunto de pás.

9. SISTEMA DE TURBINA DE AR DE IMPACTO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o corpo da carcaça é adicionalmente configurado para gerar uma corrente de ar em vórtice através do segundo conjunto de pás.

10. SISTEMA DE TURBINA DE AR DE IMPACTO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de incluir ainda uma blindagem configurada sobre o segundo conjunto de pás e com um conjunto de orifícios radialmente dispostos sobre o segundo conjunto de pás, em que o conjunto de orifícios estão dispostos e configurados para permitir que fluxo de ar passe através da blindagem para o segundo conjunto de pás.

11. TROCADOR DE CALOR PARA UM GERADOR DE TURBINA DE AR DE IMPACTO, caracterizado pelo fato de que compreende: um estator possuindo um conjunto de bobinas; um rotor possuindo magnetos permanentes e configurado para rodar em relação ao estator para gerar um corrente no conjunto de bobina; e um conjunto de pás termícamente e rotativamente acoplado a pelo menos um dentre o estator ou o rotor por meio de um eixo termicamente condutor, e configurado de tal modo que as pás são expostas a corrente de ar que passa pela turbina de ar de impacto; em que o trocador de calor conduz o calor a partir do, pelo menos, estator ou rotor, através do eixo termicamente condutor, para o conjunto de pás, e em que a exposição do conjunto de pás à corrente de ar proporciona a transferência de calor para a corrente de ar.

12. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o rotor gira externamente ao estator.

13. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o conjunto de pás está rotativamente acoplado com o rotor por meio do eixo termicamente condutor, e em que a exposição rotativa do conjunto de pás na corrente de ar proporciona a transferência de calor a partir do rotor para a corrente de ar.

14. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o conjunto de pás está termicamente acoplado com o estator por meio do eixo termicamente condutor e em que a exposição do conjunto de pás na corrente de ar proporciona a transferência de calor a partir do estator para a corrente de ar.

15. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o conjunto de pás está configurado para rodar com a corrente de ar.

16. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de incluir ainda uma carcaça que possui um corpo que define um interior, em que o estator e uma porção do rotor estão localizados dentro do interior, e em que a carcaça é selada para evitar que detritos do exterior entrem no interior.

17. AERONAVE, caracterizada pelo fato de que compreende: um sistema de turbina de ar de impacto, compreendendo: um eixo rotativo termicamente condutor; uma carcaça possuindo um corpo que define um interior; um gerador localizado no interior possuindo um estator e um rotor, em que o rotor está operacionalmente e termicamente acoplado com o eixo; uma turbina possuindo um primeiro conjunto de pás operacionalmente acoplado com o eixo rotativo e configurado de tal modo que a corrente de ar que passa através do primeiro conjunto de pás roda o eixo; e um segundo conjunto de pás a jusante, e externo à carcaça, em que o segundo conjunto de pás está termicamente acoplado com o eixo; em que a corrente de ar fluindo sobre o gerador de turbina de ar de impacto passando através do segundo conjunto de pás proporciona a transferência de calor a partir do segundo conjunto de pás para a corrente ar.

18. AERONAVE, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que o eixo rotativo termicamente condutor inclui ainda um tubo de calor.

19. AERONAVE, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que o segundo conjunto de pás é formado por pás inclinadas em relação à corrente de ar que passa através do segundo conjunto de pás de tal modo que o coeficiente de transferência de calor do conjunto de pás é mais elevado em comparação com um conjunto de pás formado por pás sem inclinação.

20. AERONAVE, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que o corpo da carcaça é configurado para direcionar a corrente de ar através do segundo conjunto de pás.