BR102020004059A2

BR102020004059A2 - conjunto rotativo, e, sistema de propulsão de aeronave

Info

Publication number: BR102020004059A2
Application number: BR102020004059-6A
Authority: BR
Inventors: Bruno Seminel
Original assignee: Ratier-Figeac Sas
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2021-04-20
Also published as: US20210095636A1; CN112576376A; CA3073909A1; EP3798119A1; RU2020104812A; EP3798119B1

Abstract

Um conjunto rotativo, tal como um sistema de hélice de contrarrotação ou um turboventilador compreendendo uma primeira parte rotativa (20) que é rotativa em relação a uma segunda parte (21), a primeira e a segunda partes montadas em um eixo comum (22), um motor de combustão (23) disposto para girar a primeira parte e um motor elétrico (24) conectado a acionar a segunda parte, em que em um primeiro modo de acionamento, o motor de combustão gira a primeira parte na primeira direção em relação ao eixo enquanto o motor elétrico aciona a segunda parte em uma segunda direção oposta em relação ao eixo e no segundo modo de acionamento , o motor de combustão gira a primeira parte na primeira direção e o motor elétrico não aciona a segunda parte na segunda direção oposta.

Description

CONJUNTO ROTATIVO, E, SISTEMA DE PROPULSÃO DE AERONAVE

CAMPO TÉCNICO

[001] A presente divulgação se refere a sistemas de acionamento para acionar peças contrarrotativas, como hélices contrarrotativas ou partes de um turboventilador contrarrotativo. Anteriormente, a contrarrotação inclui duas partes girando em direções opostas ou uma parte girando em relação a outra parte estacionária. O termo também incluirá as chamadas hélices contrarrotativas. Tais sistemas encontram aplicação particularmente, mas não exclusivamente, em aeronaves.

FUNDAMENTOS

[002] Alguns fabricantes de aeronaves desenvolveram hélices contrarrotativas (CRPs) tendo duas hélices que giram em direções opostas. Frequentemente, o termo hélices contrarrotativas é usado para duas hélices que giram em eixos diferentes, por exemplo, em aeronaves de hélice dupla, onde a hélice direita gira na direção oposta à hélice esquerda. As hélices contrarrotativas equilibram os efeitos do torque e do fator P, o que significa que essas aeronaves não dependem de um motor crítico no caso de falha do motor. Quando duas hélices são montadas no mesmo eixo, mas são acionadas para girar em direções opostas, o termo mais correto é hélices contrarrotativas, mas geralmente os termos contrarrotação e contrarrotação são usados de forma intercambiável. Quando uma hélice é montada atrás da outra e gira na direção oposta, o fluxo de ar rotacional de uma hélice é cancelado pela outra, empurrando assim uma quantidade máxima de ar uniformemente através do disco da hélice, resultando em alto desempenho e baixa perda de energia induzida.

[003] As peças contrarrotativas são acionadas por um único motor de turbina a gás e é fornecida uma caixa de engrenagens para acionar as duas partes em direções opostas. Essa caixa de engrenagens requer várias partes e possui uma arquitetura complexa.

[004] Outros sistemas também incluem um componente que gira em relação a outro. Por exemplo, os modernos motores turboventilador incorporam um caminho de fluxo de ar frio e quente. O caminho do fluxo frio fornece até 80% do empuxo total do motor. O sistema é composto por um ventilador rotacionado pelo motor e um conjunto de palhetas guia de saída estáticas que atuam para reduzir ou eliminar o 'turbilhão' gerado pelo ventilador, a fim de maximizar a eficiência da propulsão.

[005] Por razões ambientais, de eficiência e também de atrito de gás, existe agora uma tendência a um maior uso de motores elétricos ou acionadores na propulsão e em aeronaves e outros veículos em geral. As aeronaves e outros veículos estão agora sendo desenvolvidos usando sistemas de acionamento híbridos ou puramente elétricos. Para aeronaves, por exemplo, um desses desenvolvimentos é a 'hibridação paralela', na qual uma hélice é acionada através de uma caixa de engrenagens conectada a um motor de combustão e a um motor elétrico. Em situações em que há uma alta demanda de energia, por exemplo, durante a decolagem e subida, tanto o motor de combustão (também chamado de motor térmico) quanto o elétrico são usados para desenvolver um alto torque para girar a hélice. Em condições de baixa potência, por exemplo, em cruzeiro, apenas o motor térmico é usado para acionar a hélice. Como o motor elétrico é ligado somente quando há uma alta demanda de energia, o tamanho do motor elétrico e do sistema de alimentação elétrica (baterias, célula(s) de combustível, supercapacitor(es) etc.) pode ser minimizado. Essa é uma consideração particularmente importante em aeronaves em que o tamanho e o peso dos componentes devem ser mantidos o mais baixo possível, sem comprometer a segurança e a confiabilidade.

[006] Seria desejável fornecer um sistema de acionamento para peças em contrarrotação que não exijam uma caixa de engrenagens complexa e que possam fazer uso de motores elétricos, mantendo as vantagens de ter duas partes relativamente rotativas, como hélices de rotação oposta, além de garantir confiabilidade, segurança, eficiência e baixo tamanho e peso.

SUMÁRIO

[007] De acordo com esta divulgação, é fornecido um conjunto rotativo compreendendo uma primeira parte rotativa que é rotativa em relação a uma segunda parte, a primeira e a segunda partes montadas em um eixo comum, um motor de combustão disposto para girar a primeira parte e um motor elétrico conectado a acionar a segunda parte, em que no primeiro modo de acionamento, o motor de combustão gira a primeira parte na primeira direção em relação ao eixo enquanto o motor elétrico aciona a segunda parte em uma segunda direção oposta em relação ao eixo e no segundo modo de acionamento , o motor de combustão gira a primeira parte na primeira direção e o motor elétrico não aciona a segunda parte na segunda direção oposta.

[008] Em uma modalidade, no segundo modo de acionamento, o motor elétrico para a rotação da segunda parte. Em outra modalidade, o motor elétrico, no segundo modo de acionamento, gira a segunda parte na primeira direção.

[009] A primeira e a segunda peças podem ser, por exemplo, hélices de contrarrotação ou ventiladores de um conjunto turboventilador.

[0010] O motor elétrico também pode ser equipado com um freio de fricção para interromper a rotação da segunda parte.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0011] Modalidades preferidas serão descritas agora a título de exemplo, por meio de exemplo apenas, com referência aos desenhos.

[0012] A Figura 1 é uma vista esquemática de um conjunto de hélice contrarrotativa convencional (técnica anterior).

[0013] A Figura 2 é uma vista esquemática do conjunto de acionamento de hélice híbrida (técnica anterior).

[0014] A Figura 3 é uma vista esquemática de um arranjo de acordo com esta divulgação.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0015] Sistemas conhecidos são mostrados nas Figs. 1 e 2.

[0016] A Fig. 1 é uma vista esquemática de uma hélice contrarrotativa conhecida tendo um motor de combustão 1 disposto para acionar duas hélices 2, 3, montadas em um eixo 4, em direções opostas, por meio de um conjunto de engrenagens. No exemplo mostrado, a engrenagem sol 5 engata com e provoca a rotação em uma primeira direção de um transportador planetário 6 que gira um eixo 7 para acionar uma hélice traseira 3. A engrenagem sol 5 engata com e provoca a rotação em direção oposta de uma engrenagem de anel 8 que gira um eixo 9 para acionar uma hélice frontal 2.

[0017] A Fig. 2 é uma vista esquemática de um conjunto de acionamento de hélice híbrida onde uma hélice é acionada por um motor de combustão e um motor elétrico. Como descrito acima, em certas condições de voo, a hélice 10 é acionada por ambos um motor de combustão 11 e um motor elétrico 12 (alimentado, por exemplo, por uma bateria 13). Em outras condições de voo, a hélice é acionada apenas pelo motor de combustão.

[0018] Um sistema de acordo com esta divulgação é mostrado na Fig. 3. A Fig. 3 mostra, apenas a título de exemplo, um arranjo de hélice contrarrotativa. Os princípios descritos a seguir podem, no entanto, ser aplicados a outras partes contrarrotativas, como ventiladores contrarrotativos em um arranjo de turboventilador.

[0019] A primeira hélice rotativa 20 e a segunda hélice rotativa 21 são montadas em um eixo comum 22. A primeira hélice rotativa é disposta para ser girada por um motor térmico (ou de combustão) 23, enquanto a segunda hélice rotativa é disposta para ser girada por um motor elétrico 24. Um freio de fricção 25 pode ser fornecido na linha de acionamento da segunda hélice rotativa.

[0020] Embora possa haver um eixo de acionamento entre o motor elétrico e as hélices, em várias modalidades o motor é instalado no cubo da hélice para remover a necessidade desse conjunto adicional.

[0021] Um controlador de motor (por exemplo, processador ou circuito) (não mostrado) pode ser configurado para controlar a operação do motor elétrico. O controlador pode ser incorporado dentro do sistema ou, alternativamente, o controlador pode ser pelo menos parcialmente incorporado remotamente, por exemplo, como parte de um sistema de gerenciamento de motor da aeronave. O sistema de gerenciamento de motor pode estar localizado em qualquer lugar da aeronave, por exemplo, na cabine do piloto ou mesmo (por exemplo, no caso de um veículo aéreo não tripulado) remotamente da aeronave. Parte do controlador do motor pode estar localizada dentro do motor (por exemplo, a eletrônica de acionamento) e parte do controlador (por exemplo, um sistema de controle para controlar a eletrônica de acionamento) pode estar localizada em um local remoto, por exemplo, em outras partes da aeronave ou remotamente da aeronave.

[0022] O sistema pode ainda compreender uma ou mais fontes de energia (não mostradas), por exemplo, uma ou mais baterias, células de combustível, supercapacitor ou uma unidade de energia auxiliar ("APU"), opcionalmente com um motor térmico atuando como fonte de energia, etc.

[0023] Observou-se que certas características de um motor elétrico são bem diferentes das dos motores de combustão interna. Por exemplo, as características de torque de um motor elétrico são geralmente bastante uniforme ou constantes, em que um motor elétrico fornece um torque substancialmente constante desde o repouso (ou zero RPM) até sua RPM máxima. Além disso, o sentido de rotação pode ser invertido, o que normalmente não é o caso de um motor de combustão interna e certamente não de um motor de turbina a gás. Além disso, em certos modos de operação, um motor elétrico pode operar como um gerador e fornecer um torque controlável configurado para resistir à rotação do rotor do mesmo.

[0024] No primeiro modo de acionamento, como quando é necessária alta potência, por exemplo, durante a decolagem ou subida de uma aeronave, ambos o motor térmico 23 e o motor elétrico 24 serão operados para fornecer alto torque à respectiva hélice 20, 21 para acionar as hélices em direções opostas uma da outra, ou seja, uma no sentido horário e a outra no sentido anti-horário.

[0025] Em um segundo modo de acionamento, onde a demanda de energia é menor, por exemplo, durante o voo da aeronave, apenas o motor térmico 23 continua a acionar sua hélice 20 na alta potência.

[0026] Para o motor elétrico 24 e a segunda hélice 21, o motor elétrico não aciona mais a hélice na direção oposta em alta potência.

[0027] Em vez disso, por exemplo, o motor elétrico pode ser disposto para parar a rotação da hélice. Isso pode ser feito desligando o motor. Uma parada mais eficaz pode ser fornecida usando um freio de fricção 25 para parar a contrarrotação da segunda hélice. Idealmente, a segunda hélice será parada em uma posição na qual o passo das pás da hélice em relação à primeira hélice rotativa esteja definido para reduzir o arrasto entre as duas hélices nesse modo. Isso agirá como uma palheta guia de saída de um turboventilador como descrito anteriormente para reduzir ou eliminar o turbilhão no campo de fluxo da primeira hélice. O aumento resultante na eficiência da propulsão compensará, pelo menos parcialmente, as perdas por arrasto causadas pelas segundas pás da hélice. O passo das pás das segundas pás da hélice pode ser ajustado para oferecer o melhor compromisso entre a redução do arrasto da segunda hélice e o aumento da eficiência da primeira propulsão, reduzindo o turbilhão do campo de fluxo. O mesmo se aplica se a primeira e a segunda hélices forem trocadas. Como uma alternativa a um freio, pelo controle apropriado do passo de hélice da segunda hélice, assim como o torque respectivo do motor elétrico via corrente/voltagem de alimentação do rotor, o arrasto da segunda hélice e a turbulência da primeira hélice podem ser reduzidos em certo grau.

[0028] Alternativamente, no segundo modo de acionamento, o motor elétrico pode ser usado como gerador (ou alternador) para carregar baterias, que estão disponíveis para fornecer energia rapidamente, se necessário, por exemplo, no caso de uma emergência ou caso seja necessário um retorno rápido no pouso. Aqui, a segunda hélice é girada pelo campo de fluxo da primeira, geralmente na mesma direção.

[0029] Com a configuração desta divulgação, no pouso, o empuxo reverso necessário para desacelerar a aeronave pode ser obtido configurando o motor térmico com potência mínima e sua hélice correspondente em passo baixo. Isso reduz o empuxo para frente e limita a velocidade do moinho de vento. Ao mesmo tempo, o motor elétrico 24 pode ser alimentado na direção reversa em alta potência com o segundo passo da hélice configurado para maximizar o empuxo na direção reversa, mantendo as rotações da hélice dentro de limites aceitáveis. Em mais detalhes, o controlador pode ser configurado para receber um comando de que o motor deve ser operado em um modo de empuxo reverso e, ao receber esse comando, pode desacelerar as hélices de uma primeira direção de rotação até zero RPM e, em seguida (por exemplo, imediatamente) acelere as hélices em uma segunda direção de rotação até uma RPM suficiente para fornecer uma capacidade de reversão de impulso (por exemplo, para que a velocidade da aeronave reduza, mas também possa oferecer capacidade de fazer backup da aeronave). A primeira direção de rotação das hélices pode ser configurada para impulsionar a aeronave para a frente, enquanto a segunda direção de rotação das hélices pode ser configurada para frear, desacelerar ou desacelerar a aeronave. Em várias modalidades, a segunda direção de rotação das hélices pode ser configurada para impulsionar a aeronave em uma direção reversa.

[0030] O controlador pode ser configurado para operar o motor elétrico 24 de modo a fornecer um torque de frenagem controlado (por exemplo, constante) e pode ser configurado para controlar o motor de modo que as RPM do motor aumentem na direção reversa, de acordo com a demanda de empuxo reverso de qualquer situação particular. Esses modos de operação permitem uma transição rápida do empuxo frontal para o reverso e baseiam-se no reconhecimento de que o alto torque do motor elétrico é capaz de fornecer essa transição rápida, mesmo em alta velocidade do ar ou velocidade de aterrissagem da aeronave ou em baixas RPMs da hélice. Como mencionado anteriormente, o mesmo princípio pode ser usado em motores turboventilador (não mostrado). Em vez do conjunto da palheta guia de saída estático, este pode ser substituído por um segundo ventilador de contrarrotação acionado por um motor elétrico e, opcionalmente, por um freio de fricção para interromper a rotação. Nesse caso, o empuxo reverso pode ser gerado pela 2a fila de ventiladores, conforme descrito anteriormente, como uma alternativa aos painéis dos inversores de empuxo de turboventiladores convencionais.

[0031] Usando o sistema desta divulgação, não há necessidade de um projeto complexo de caixa de engrenagens para permitir que um motor acione duas hélices rotativas opostas. Em vez disso, cada hélice é girada por seu próprio motor via um simples engrenamento 26.

[0032] Com sistemas convencionais, como descrito anteriormente, haverá uma grande redução na potência absorvida por cada uma das duas hélices durante o voo, em comparação com a decolagem / subida. Por outro lado, com o sistema atual, o motor térmico e a hélice que ele está acionando operam com alta potência em todas as fases do voo. Isso significa que o projeto aerodinâmico das pás da hélice, tanto para as hélices quanto para os motores térmico e elétrico, pode ser mais bem otimizado, reduzindo assim as perdas por arrasto e maximizando a eficiência da propulsão.

[0033] Além disso, em sistemas convencionais, a mudança de inclinação gira as pás da hélice até que a borda traseira se torne a borda principal, para produzir empuxo reverso. Com o presente arranjo, como o motor elétrico é capaz de mudar a direção de rotação da hélice para produzir fluxo de ar reverso, a faixa de mudança de inclinação pode ser reduzida.

[0034] No caso em que o motor elétrico é usado como alternador no segundo modo de acionamento, não há necessidade de substituição da bateria entre os voos, o que reduz o tempo de resposta e o trabalho.

[0035] As modalidades descritas são apenas a título de exemplo. O escopo desta divulgação é limitado apenas pelas reivindicações.

Claims

Conjunto rotativo compreendendo uma primeira parte rotativa (20) que é rotativa em relação a uma segunda parte (21), a primeira e a segunda partes montadas em um eixo comum (22), um motor de combustão (23) disposto para girar a primeira parte e um motor elétrico (24) conectado a acionar a segunda parte, caracterizado pelo fato de que em um primeiro modo de acionamento, o motor de combustão (23) gira a primeira parte (20) na primeira direção em relação ao eixo enquanto o motor elétrico (24) aciona a segunda parte (21) em uma segunda direção oposta em relação ao eixo e no segundo modo de acionamento , o motor de combustão gira a primeira parte na primeira direção e o motor elétrico não aciona a segunda parte na segunda direção oposta.
Conjunto rotativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, no segundo modo de acionamento, o motor elétrico (24) para a rotação da segunda parte.
Conjunto rotativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o motor elétrico (24), no segundo modo de acionamento, gira a segunda parte na primeira direção.
Conjunto rotativo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a primeira e a segunda partes rotativas são hélices de contrarrotação (20, 21) de uma aeronave.
Conjunto rotativo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que, em um terceiro modo de acionamento, o motor elétrico (24) reverte o sentido de rotação da segunda direção para a primeira direção para fornecer um empuxo reverso.
Conjunto rotativo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o motor elétrico (24) é configurado para operar em um quarto modo para recuperar energia por moinho de vento.
Conjunto rotativo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a primeira e a segunda partes rotativas são ventiladores de um conjunto turboventilador.
Conjunto rotativo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o motor elétrico é fornecido com um freio de fricção (25) para interromper a rotação da segunda parte.
Sistema de propulsão de aeronave, caracterizado pelo fato de que compreende um conjunto rotativo de acordo com qualquer reivindicação anterior.