BR102021002188A2

BR102021002188A2 - Pá de hélice, hélice, sistema de monitoramento da integridade da hélice para uma aeronave, e, método para monitorar a integridade de uma hélice de uma aeronave

Info

Publication number: BR102021002188A2
Application number: BR102021002188-8A
Authority: BR
Inventors: Abdellah EL HALOUI; Arnaud BOUCHET
Original assignee: Ratier-Figeac Sas
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2021-02-05
Publication date: 2022-03-03
Also published as: US11686213B2; US20210254497A1; CA3105243A1; CN113277068A; EP3868651B1; EP3868651A1

Abstract

Sistema de monitoramento da integridade da hélice para uma aeronave, compreendendo: uma aeronave com uma ou mais hélices compreendendo um cubo com um eixo de rotação e uma pluralidade de pás de hélice, cada pá compreendendo um corpo de pá tendo uma extremidade de cubo e uma extremidade de ponta e uma fonte de luz montada dentro ou sobre o corpo de pá, a fonte de luz sendo capaz de emitir um feixe de luz da extremidade da ponta da pá de hélice, em que as fontes de luz de cada pá de hélice são configuradas para emitir um feixe de luz em uma direção que irradia para fora do cubo de hélice, em que o sistema compreende ainda um ou mais receptores montados em uma fuselagem e/ou nacela da aeronave, cada receptor tendo uma superfície de sensor que é capaz de detectar uma posição para cada feixe de luz que cruza a superfície do sensor conforme a hélice gira, de modo que o receptor gere um sinal indicativo da posição como uma medida da trajetória da ponta de pá para cada pá de hélice que passa, em que o sistema compreende ainda uma unidade de processamento que analisa os sinais do receptor para determinar a integridade das pás de hélice de uma ou mais hélices com base em onde os feixes de luz das pás de hélice cruzaram a superfície do sensor.

Description

PÁ DE HÉLICE, HÉLICE, SISTEMA DE MONITORAMENTO DA INTEGRIDADE DA HÉLICE PARA UMA AERONAVE, E, MÉTODO PARA MONITORAR A INTEGRIDADE DE UMA HÉLICE DE UMA AERONAVE

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente divulgação se refere a uma pá de hélice, uma hélice que compreende uma pluralidade de pás de hélice, um sistema para monitoramento a integridade de uma hélice e um método para estes.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] As hélices compreendem um cubo giratório central com uma pluralidade de pás rotativas, cada uma montada no cubo em uma extremidade e compreendendo uma ponta de pá na outra. Cada pá compreende um corpo de pá com uma seção de aerofólio que cria empuxo para uma aeronave. Como pode ser observado, as pás de hélice são componentes cruciais de uma aeronave movida a hélice e, portanto, é necessário que tenham uma manutenção adequada. A deterioração da hélice pode reduzir significativamente a eficiência operacional de uma hélice e o empuxo resultante da aeronave.

[003] As hélices das aeronaves são, portanto, rotineiramente verificadas antes do voo e requerem manutenção regular. As hélices podem ser danificadas ao longo do tempo devido, por exemplo, a alta carga durante operações anormais da hélice, condições climáticas adversas, areia no ar, colisão de pássaros ou semelhantes. A degradação da pá pode ocorrer levando a uma perda de integridade estrutural.

[004] As verificações e manutenção pré-voo são capazes de identificar uma pá danificada, uma vez que o dano atingiu um nível detectável; no entanto, essas verificações pré-voo podem atrasar a partida da aeronave e a manutenção pode exigir que a aeronave fique em solo por um período significativo sem aviso prévio. Isso pode afetar a eficiência operacional da aeronave. Na maioria dos casos, as verificações pré-voo não revelam nenhum dano e, portanto, podem ser consideradas despesas perdidas.

[005] Portanto, é necessário fornecer um sistema que possa monitorar a integridade das pás facilmente e em tempo real para avaliar se a manutenção é necessária.

SUMÁRIO

[006] De acordo com um primeiro aspecto, é fornecida uma pá de hélice que compreende: um corpo de pá tendo uma extremidade de cubo e uma extremidade de ponta e uma fonte de luz montada dentro ou sobre o corpo de pá, a fonte de luz sendo capaz de emitir um feixe de luz a partir da extremidade de ponta da pá de hélice.

[007] A fonte de luz pode ser montada próxima a uma ponta da pá da hélice.

[008] A fonte de luz pode ser autoalimentada. A fonte de luz pode ser conectada eletricamente a um dispositivo piezoelétrico fornecido dentro da pá de hélice a fim de alimentar a fonte de luz.

[009] A fonte de luz pode ser alimentada usando a energia disponível na pá de hélice, opcionalmente, em que a fonte de luz está eletricamente conectada a um circuito de degelo da pá de hélice para alimentar a fonte de luz.

[0010] A fonte de luz pode ser um dispositivo a laser, opcionalmente em que a fonte de luz é um VCSEL.

[0011] De acordo com um segundo aspecto, é fornecida uma hélice que compreende um cubo com um eixo de rotação e uma pluralidade de pás de hélice conforme estabelecido no primeiro aspecto, em que as fontes de luz de cada pá de hélice são configuradas para emitir um feixe de luz em uma direção que irradia para fora do cubo da hélice.

[0012] As fontes de luz podem ser configuradas para emitir um feixe de luz em uma direção geralmente radial.

[0013] A hélice pode compreender dispositivos de degelo em cada um dos corpos das pás e das conexões elétricas para acoplar energia elétrica aos dispositivos de degelo de uma fonte de alimentação elétrica.

[0014] De acordo com uma terceira modalidade, é fornecido um sistema de monitoramento da integridade da hélice para uma aeronave, o sistema compreendendo: uma aeronave com uma ou mais hélices conforme estabelecido no segundo aspecto, em que o sistema compreende ainda um ou mais receptores montados em uma fuselagem e/ou em uma nacela da aeronave, cada receptor tendo uma superfície de sensor que é capaz de detectar uma posição para cada feixe de luz que cruza a superfície do sensor conforme a hélice gira, de modo que o receptor gere um sinal que é indicativo da posição como uma medida da trajetória da ponta de pá para cada pá de hélice que passa, em que o sistema compreende ainda uma unidade de processamento que analisa os sinais do receptor para determinar a integridade das pás de hélice de uma ou mais hélices com base em onde os feixes de luz das pás de hélice cruzaram a superfície do sensor.

[0015] O sistema de monitoramento da integridade da hélice pode compreender um processador que processa esse sinal para determinar um estado de integridade de uma pá de hélice associada ao sinal.

[0016] O processador pode determinar um valor para uma trajetória de uma ponta de pá da pá de hélice sendo observada

[0017] O processador pode comparar o valor a um valor limite e/ou a um valor para outra pá de hélice da mesma hélice ou de uma hélice diferente.

[0018] De acordo com um quarto aspecto, é fornecido um método de monitoramento da integridade de uma hélice de uma aeronave, a hélice compreendendo um cubo com um eixo de rotação e uma pluralidade de pás de hélice, cada pá de hélice compreendendo um corpo de pá tendo uma extremidade de cubo e uma extremidade de ponta e uma fonte de luz montada dentro ou sobre o corpo da pá, a fonte de luz sendo capaz de emitir um feixe de luz da extremidade de ponta da pá de hélice; em que o método compreende: detectar, em um receptor que compreende uma superfície de sensor em uma fuselagem e/ou nacela da aeronave, uma posição do feixe de luz cruzando a superfície do sensor conforme a hélice gira; gerar um sinal indicativo da posição como uma medida da trajetória da ponta de pá para cada pá de hélice que passa e analisar os sinais para determinar a integridade das pás de hélice com base em onde os feixes de luz da hélice cruzam a superfície do sensor.

[0019] O método pode compreender ainda a etapa de determinar um valor para uma trajetória de uma ponta de pá de uma pá de hélice sendo observada.

[0020] O método pode compreender ainda a etapa de comparar o valor a um valor limite e/ou a um valor para outra pá de hélice da mesma hélice ou de uma hélice diferente.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0021] Certas modalidades da divulgação são descritas abaixo apenas a título de exemplo e com referência às figuras anexas, nas quais:
a Figura 1 mostra um sistema de monitoramento de integridade da hélice para uma aeronave;
a Figura 2 mostra um sistema de monitoramento de integridade da hélice de uma aeronave;
a Figura 3 mostra um receptor para uso em um sistema de monitoramento de integridade da hélice quando uma hélice sem defeito é observada;
a Figura 4 mostra um receptor para uso em um sistema de monitoramento da integridade da hélice quando uma hélice com uma pá de hélice degradada é observada;
a Figura 5 mostra um receptor para uso em um sistema de monitoramento de integridade da hélice quando uma hélice com várias pás de hélice degradadas é observada;
a Figura 6 mostra um receptor para uso em um sistema de monitoramento de integridade da hélice durante uma variedade de condições de voo; e
a Figura 7 mostra um método de monitoramento de integridade de uma hélice.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS

[0022] A Figura 1 mostra um diagrama esquemático que descreve uma aeronave movida a hélice 100, onde uma hélice 102 está localizada em cada asa da aeronave. Cada hélice 102 compreende uma pluralidade de pás de hélice 103. Na modalidade mostrada na Figura 1, a hélice 102 compreende 8 pás de hélice 103, no entanto, será apreciado que diferentes números de pás de hélice são possíveis. Por exemplo, a hélice pode compreender 2, 3, 4, 5 ou 6 pás de hélice ou mais.

[0023] A hélice 102 pode ser qualquer tipo de hélice. Pode incluir, por exemplo, uma hélice com dutos, um motor propfan com rotor aberto, um par de hélices coaxiais contra-rotativas ou hélices contra-rotativas.

[0024] Cada hélice compreende um cubo 105 no qual as pás de hélice 103 são montadas. A pá de hélice 103 pode ser formada integralmente com o cubo 105, alternativamente, as pás de hélice 103 podem ser montadas no cubo 105 separadamente.

[0025] As pás de hélice 103, portanto, compreendem, cada uma, uma extremidade de cubo 103a e uma extremidade de ponta 103b. A extremidade de cubo 103a pode compreender uma raiz de pá 107 para fixação ao cubo 105 de uma hélice 102, uma seção de aerofólio ou corpo de pá 109 que se estende geralmente entre a extremidade de cubo 103a e a extremidade de ponta 103b e uma ponta de pá 111 no ponto mais radial externo da pá de hélice 103. A pá de hélice pode compreender um material compósito reforçado com fibra.

[0026] A aeronave 100 mostrada na Figura 1 é fornecida com duas hélices 102, no entanto, será apreciado que hélices adicionais podem estar presentes. Por exemplo, a aeronave 100 pode compreender quatro hélices 102, ou seja, duas em cada asa ou mais de quatro hélices. Alternativamente, a aeronave 100 pode compreender apenas uma única hélice 102, por exemplo, uma hélice voltada para a parte traseira, onde a hélice 102 é disposta entre as partes de uma fuselagem que se estendem além da hélice para suportar uma seção de cauda.

[0027] Em operação, as hélices 102 de uma aeronave 100 podem ser danificadas devido a, por exemplo, alto carregamento durante operações anormais da hélice, condições climáticas adversas, areia no ar, colisão de pássaros ou semelhantes. Isso pode ter um efeito na integridade estrutural da pá da hélice, particularmente tornando a pá de hélice menos rígida, e por isso é necessário realizar verificações de manutenção regulares nas hélices para verificar esses danos. Essas verificações de manutenção exigem que a aeronave esteja em solo, o que tem um efeito significativo sobre os custos de operação da aeronave.

[0028] É, portanto, desejável o fornecimento de um sistema e método que permita que a integridade da pá de hélice seja monitorada durante o voo, a fim de determinar se uma verificação de manutenção é necessária. Isso pode ajudar a evitar que a manutenção seja programada quando não for necessária. Isso também pode permitir que a degradação seja detectada mais cedo, permitindo o pré-pedido de peças de reposição e o pré-agendamento da manutenção.

[0029] Na Figura 1, cada uma das pás de hélice 103 da hélice 102 está equipada com uma fonte de luz 104. A fonte de luz 104 é encaixada na extremidade de ponta 103b de cada pá de hélice 103 como mostrado; particularmente, pode ser encaixada na ponta de pá 111 de cada pá de hélice 103.

[0030] A fonte de luz pode ser incorporada em uma resina transparente dentro do corpo de pá.

[0031] Por "extremidade de ponta" 103b da pá de hélice 103, é compreendido a porção da pá de hélice 103 que está posicionada adjacente a e inclui a ponta de pá 111, por exemplo, onde as superfícies de pressão e sucção estão convergindo (por exemplo, a espessura da pá é reduzida) em uma direção de envergadura/radial. Isso pode ser observado como representando o terço mais próximo da ponta da pá de hélice, por exemplo, e talvez mais precisamente os últimos 20% da pá de hélice 103 movendo-se na direção de envergadura da posição de interface da extremidade de cubo 103a da pá de hélice 103 com o cubo 105 ao longo do corpo de pá 109 até a ponta de pá 111.

[0032] Cada fonte de luz 104 é ajustada à pá de hélice 103, de modo que é configurada para emitir um feixe de luz 106 em uma direção externa e geralmente radial da hélice 102. Desta forma, o feixe de luz 106 pode projetar uma trajetória de ponta da pá de hélice 103 em outra parte da aeronave 100, tal como a fuselagem ou nacela, onde um receptor 108 é montado para detectar o feixe de luz 106 conforme a hélice gira e o feixe de luz 106 atravessa o receptor 108.

[0033] Como mostrado na Figura 2, o campo de visão 116 para o receptor 108 pode variar na direção de cima para baixo. Por exemplo, o campo de visão 116 pode estar em uma faixa de ± 30°, opcionalmente na faixa de ± 20°, ainda opcionalmente na faixa de ± 10°. Isso permite que o receptor 108 monitore o trajeto do feixe de luz 106 ao longo de uma determinada faixa de distância. Embora não mostrado na Figura 2, o campo de visão 116 do receptor 108 também pode variar na mesma faixa de valores na direção dianteira-traseira.

[0034] A direção radial da hélice 102 é a direção radial do envelope em forma de disco traçado por uma ponta de pá 111 durante uma rotação completa da hélice 102 quando nenhuma carga dianteira ou traseira estão presentes. Durante a operação, a hélice 103 também experimentará carregamento devido ao empuxo, por exemplo, durante a decolagem ou uma subida íngreme ou experimentará resistência, por exemplo, durante a aterrissagem ou um mergulho e isso fará com que a trajetória de ponta da pá de hélice se altere com as condições de voo. Conforme a pá flexiona e a trajetória da ponta de pá é movida para frente e para trás durante as condições de voo, o feixe de luz 106 e o trajeto traçado por ele sobre as superfícies vizinhas da aeronave, como a fuselagem ou uma nacela, também serão deslocados para a frente e para trás em uma quantidade proporcional à mudança na trajetória da ponta de pá. Assim, ao usar o deslocamento do feixe de luz 106, uma medida da mudança na trajetória da ponta de pá pode ser medida e isso pode ser usado para avaliar a integridade das pás de hélice 103, uma vez que as pás de hélice deterioradas ou com defeito 103 terão perdido alguma de sua rigidez original e irão exibir uma maior quantidade na trajetória da ponta da pá com diferentes condições operacionais.

[0035] O feixe de luz pode ser configurado para ser emitido em uma direção geralmente radial, de modo que a direção precisa pode variar em ± 20° em uma direção circunferencial e ± 20° em uma direção axial (dianteiratraseira).

[0036] Será apreciado que a fonte de luz 104 pode estar localizada em qualquer lugar dentro ou na extremidade de ponta 103b da pá de hélice 103, desde que o feixe de luz 106 não seja obscurecido em uma direção para fora, geralmente radial. Em outras palavras, deve haver uma linha de visão clara para o receptor 108, de modo que o receptor 108 possa registrar o feixe de luz 106. Por exemplo, embora a ponta de pá 111 possa ser a posição mais apropriada para a fonte de luz 104, de modo que o movimento completo da ponta de pá seja observado, a fonte de luz 104 também pode estar localizada no ou sobre o corpo de pá 109 em uma posição espaçada da ponta de pá real 111, mas em um local que ainda pode observar a flexão dentro da pá de hélice 103, uma vez que isso ainda fornecerá uma medida da flexibilidade de pá quando mudanças são observadas na trajetória da ponta de pá.

[0037] A fonte de luz 104 pode ser qualquer dispositivo capaz de transmitir um feixe de luz, por exemplo, ser um dispositivo a laser ou outro tipo de fonte de luz que pode gerar uma resposta de sinal estreita e bem definida em um receptor 108 conforme o feixe de luz atravessa uma superfície de sensor do receptor. Em um exemplo, a fonte de luz é um diodo emissor de luz (LED) ou um diodo laser, como um laser emissor de superfície de cavidades verticais (vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL).

[0038] Para contabilizar a mudança no ângulo causada pela mudança no passo da pá 103 de hélice 102, um emissor de luz resinado pode ser usado para manter um nível de intensidade de fluxo constante.

[0039] Na Figura 1, dois receptores ópticos 108 estão localizados na superfície externa da fuselagem 110, cada receptor 108 tendo uma superfície de sensor 108a que está voltada para fora para uma hélice 102 e tendo uma linha de visão clara das fontes de luz 104 de uma hélice adjacente conforme as extremidades de ponta 103b da hélice 102 passam. Os receptores ópticos 108 estão localizados de forma que fiquem voltados de frente para e que geralmente estejam nivelados com uma porção de cada hélice 102. Eles podem ser dispostos em uma superfície da fuselagem ou de uma nacela que é disposta geralmente perpendicular ao feixe de luz incidente 106 conforme atravessa a superfície de sensor; no entanto, não precisa ser exatamente perpendicular e ângulos de 20° ou até 30° da perpendicular ainda podem produzir leituras aceitáveis. Pode haver um número igual de receptores ópticos 108 quanto há de hélices 102.

[0040] Na aeronave de dois motores 100 da Figura 1, existem dois receptores 108 montados na fuselagem 110, um em cada lado da aeronave 100. Em aeronaves com quatro motores, as fontes de luz 104 das pás de hélice 103 nas hélices externas podem ser bloqueadas dos receptores ópticos 108 montados na fuselagem devido às hélices internas. Neste caso, os receptores ópticos 108 para as hélices externas podem ser montados em uma nacela das hélices internas em um lado da nacela voltado para a hélice externa.

[0041] Cada receptor 108 pode ser montado na fuselagem 110 ou na nacela de modo que esteja geralmente à mesma distância do nariz da aeronave 100, em uma direção longitudinal da fuselagem, que a hélice correspondente 102. O receptor 108 deve ter uma porção de uma superfície do sensor 108a disposta para detectar o feixe de luz 106 durante uma rotação da hélice 102, por exemplo, o feixe de luz 106 deve cruzar a superfície de sensor 108a do receptor 108 durante cada rotação da hélice 102 se for para ser detectado. No entanto, a posição longitudinal exata do receptor 108 dependerá da posição de montagem da fonte de luz 104 em relação ao corpo de pá 109 da pá de hélice 103 e da direção em que a fonte de luz 104 está configurada para emitir o feixe de luz 106. Por exemplo, pode haver um grau de inclinação dianteira ou traseira em que o feixe de luz 106 é emitido a partir de um alinhamento verdadeiramente radial. O posicionamento também dependerá da separação da fonte de luz 104 e do receptor 108 durante a detecção, pois isso pode amplificar o deslocamento.

[0042] O receptor 108 é usado para avaliar a mudança na trajetória da ponta de pá durante as condições de voo. O receptor 108 pode ser posicionado e ter uma superfície de sensor 108a de modo que seja capaz de detectar um feixe de luz 106 de uma pá de hélice 103 através de uma faixa de flexão completa a partir da posição que o feixe de luz 106 atinge quando a pá de hélice 103 está sem defeito, durante uma faixa completa de condições de operação possíveis, até o ponto onde o feixe de luz 106 pode atingir quando a pá de hélice 103 sofreu degradação de sua condição de fabricação e exibe um maior grau de flexão.

[0043] Também é concebido que o receptor 108 e sua superfície de sensor 108a podem ser dispostos para detectar apenas o feixe de luz 106 quando a pá de hélice 103 está sem defeitos, a ausência de um sinal do receptor indicando então que a pá de hélice 103 sofreu muita degradação. Igualmente, o receptor 108 e a superfície de sensor 108a podem ser dispostos para detectar apenas quando a pá de hélice 103 atingiu um nível limite de degradação, uma ausência de um sinal indicando então que a pá de hélice 103 está sem defeitos. O receptor 108 também pode compreender uma pluralidade de sensores proporcionando uma pluralidade de superfícies de sensor 108a. A pluralidade de superfícies de sensor 108a pode ser usada para detectar diferentes quantidades de deflexão.

[0044] Para evitar quaisquer distúrbios, a emissão de luz pode estar fora do espectro visível humano. Isso reduz o risco para os passageiros a bordo da aeronave, particularmente, reduz os danos que podem ser causados aos seus olhos.

[0045] A sensibilidade do comprimento de onda do receptor 108 pode ser responsável pela mudança no comprimento de onda do emissor devido às condições atmosféricas.

[0046] O tipo de fonte de luz pode mudar dependendo da aplicação da aeronave. Por exemplo, a luz infravermelha não pode ser usada em aplicações militares que requerem o uso de Sistemas de Visão Noturna.

[0047] Os receptores 108 e as fontes de luz 104 podem compreender capacidades de degelo. Isso evita a formação de gelo que pode bloquear ou distorcer o feixe de luz emitido, o que pode levar à corrupção dos resultados.

[0048] Em operação, conforme a hélice 102 gira, o feixe de luz 106 associado a cada ponta de pá 111 é detectado pelo receptor associado 108 e uma posição é registrada. A Figura 3 mostra a superfície do sensor 108a do receptor 108 com um traço 106a indicado de onde o feixe de luz 106 cruza sobre a superfície de sensor 108a durante uma rotação da hélice 103. O traço 106a estará presente como uma linha perpendicular a um eixo de rotação da hélice 103, que segue uma trajetória desenhada ao longo da altura do receptor 108.

[0049] O traço 106a mostrado na Figura 3 fornece uma representação da trajetória da ponta de pá de uma pá de hélice sem defeitos 103 e é preferencialmente posicionado em direção ao meio da superfície de sensor 108a durante condições de voo normais.

[0050] Em uma hélice sem defeitos 102, cada pá de hélice sem defeitos 103 terá geralmente as mesmas propriedades estruturais (sujeitas às tolerâncias de fabricação usuais e horas de voo acumuladas pela peça). As pás de hélice geralmente também experimentam as mesmas configurações de carga durante a operação e portanto, todas as pás de hélice 103 devem exibir uma quantidade geralmente igual de deflexão na trajetória de ponta da pá durante uma rotação da hélice 103 sob um determinado conjunto de condições de voo. Os traços 106a para cada feixe de luz 106, ou seja, para todas as pás de hélice 103 de uma hélice sem defeitos 102, podem ser substancialmente alinhados para fornecer um único traço 106a, como mostrado na Figura 3 (assumindo que as fontes de luz estão todas alinhadas).

[0051] Cada receptor 108 na aeronave, por exemplo, em um lado da fuselagem ou em um lado de uma nacela, observará um traço semelhante 106a para cada feixe de luz 106 (como mostrado na Figura 3 se as pás de hélice 103 das hélices 102 estiverem sem defeitos).

[0052] A Figura 2 mostra uma vista detalhada do sistema de monitoramento de integridade da hélice, compreendendo onde o receptor 108 está conectado a um controlador 118. Os receptores 108 emitirão um sinal com base em onde um feixe de luz 106 faz um traço através da superfície de sensor 108a. O processamento de imagem do sinal é então utilizado pelo controlador 118 para fornecer a saída mostrada na Figura 3, que pode fornecer uma indicação de qualquer deslocamento na trajetória da ponta de pá detectando um deslocamento na posição longitudinal do traço 106a (por exemplo, em um direção para dianteira ou traseira da aeronave). Um processador 120 de uma unidade de processamento recebe a saída do controlador 118 e pode então ser usado para comparar o sinal com um ou mais dentre um sinal previamente gravado para a pá de hélice 103, um sinal de outra pá de hélice e/ou um sinal ou valor teórico, para determinar o estado de integridade das pás de hélice 103.

[0053] Controladores 118 e processadores 120 adicionais podem ser fornecidos como redundâncias no caso de falha de um ou mais dos controladores e processadores.

[0054] A Figura 4 mostra o traço 106b através da superfície de sensor 108a do receptor 108 se uma das pás 103 em uma hélice 102 sofreu deterioração ou dano. Quando uma pá de hélice 103 se deteriora ou é danificada, suas propriedades estruturais mudam, levando a uma diminuição na rigidez da pá de hélice 103. Como resultado, sob as mesmas condições de carregamento, uma pá de hélice 103 deteriorada ou danificada, por exemplo, uma pá de hélice com defeitos, experimenta mais deflexão do que uma pá de hélice sem defeitos 103. Isso pode ser medido em termos de uma mudança na trajetória da ponta de pá para a pá de hélice 103. Uma maior deflexão na trajetória da ponta de pá indica que a pá de hélice 103 pode ter sido danificada de alguma forma ou ao longo do tempo, e que uma inspeção ou substituição pode ser apropriada.

[0055] A posição observada de uma pá danificada pode estar mais próxima da cauda da aeronave 100 durante certas condições de voo e pode estar mais perto do nariz da aeronave em outras condições de voo, dependendo se as forças na pá de hélice 103 estão empurrando a ponta da pá em uma posição dianteira ou traseira em relação à aeronave. A quantidade de deflexão observada, portanto, também dependerá das condições operacionais da aeronave 100.

[0056] Mostrado esquematicamente, a deflexão aumentada da pá danificada 103 pode causar um traço óptico detectado separado 106b em um local diferente no receptor 108, por exemplo, a uma distância Δ do sinal óptico detectado 106a para as pás em bom estado 103 da hélice 102, como indicado na Figura 4. A distância Δ é determinada por um processador para o receptor ou para uma unidade de processamento central a bordo da aeronave 100, que recebe dados do receptor óptico 108. A distância Δ corresponde à diferença na deflexão da pá danificada 103 e, portanto, pode fornecer uma medida da diferença na trajetória da ponta de pá em comparação com uma pá de hélice sem defeitos 103.

[0057] As pás de hélice 103 associadas à saída na Figura 4 referem-se à mesma hélice 102 e, portanto, estão sujeitas às mesmas condições de operação. Se todas as pás 103 estivessem sem defeitos, a saída no receptor 108 seria indicativa do traço 106a, como mostrado na Figura 3. Os traços separados 106a, 106b indicam que uma pá 103 deteriorada ou danificada pode estar presente.

[0058] Cada pá 103 de uma hélice 102 pode ser comparada aos valores históricos registrados para a pá de hélice 103, a todas as outras pás da mesma hélice 102 e/ou pode ser comparada a uma pá 103 em uma posição diagonalmente oposta no cubo 105.

[0059] Alternativamente, cada pá de hélice 103 pode ser comparada a uma pá de hélice 103 correspondente de outra hélice 102 na aeronave, por exemplo, uma hélice 102 da asa oposta, uma pá de hélice 103 localizada na mesma posição de cubo da outra hélice e/ou pode ser comparada a todas as pás de hélice 103 dessa outra hélice, por exemplo, por um valor médio. Isto pode ser benéfico na identificação de falhas onde múltiplas pás de hélice 103 de uma determinada hélice 102 foram danificadas.

[0060] Em outra modalidade, a posição do traço 106a para cada pá de hélice 103 pode ser comparada a um valor limite para as condições de voo.

[0061] O sistema de monitoramento da integridade de hélice pode usar todos ou qualquer combinação dos itens acima para determinar a integridade de uma determinada pá de hélice 103.

[0062] No caso de uma hélice danificada 102, a saída do receptor 108 pode revelar dois ou mais traços 106a, 106b, 106c, 106d causados pelos feixes de luz 106 traçados sobre a superfície de sensor 108a em diferentes posições longitudinais. Durante diferentes condições de voo, devido à maior deflexão de uma pá de hélice danificada ou com defeito 103, as pontas de pá 111 e, portanto, as fontes de luz 104, podem seguir diferentes trajetórias da ponta de pá em relação às pás de hélice sem defeitos 103, dependendo da extensão do dano.

[0063] No caso em que múltiplas pás 103 foram danificadas ou se deterioraram em taxas diferentes ao longo do tempo, a saída do receptor 108 pode representar um conjunto de traços 106a, 106b, 106c, 106d, cada um correspondendo a uma posição longitudinal diferente de onde os feixes de luz 106 das fontes de luz 104 são traçados através da superfície de sensor 108 do receptor para cada uma das pás de hélice 103. Cada pá danificada 103 pode ser defletida por uma quantidade diferente durante a operação, o que pode levar a múltiplos traços 106a, 106b, 106c, 106d sendo recebidos pelo receptor 108, por exemplo, como mostrado na Figura 5. A extensão do deslocamento do traço 106a, 106b, 106c, 106d podem indicar que o dano para algumas pás de hélice 103 pode ser mais severo do que para outras devido a diferenças na rigidez da pá de hélice.

[0064] A fim de determinar se os traços adicionais 106b, 106c, 106d são o resultado de uma pá de hélice danificada 103 ou se foram causados por excesso de vibração ou vibrações, as distâncias Δ1, Δ2, Δ3 podem ser avaliadas ao longo de um número definido de revoluções e/ou comparadas a um limite predeterminado.

[0065] As distâncias Δ1, Δ2, Δ3 representando o deslocamento dos traços 106b, 106c, 106d do traço saudável 106a podem ser usadas para prever a vida restante das pás de hélice individuais 103 e para determinar a urgência de qualquer manutenção.

[0066] Se as distâncias Δ1, Δ2, Δ3 são iguais ou maiores do que um limite predeterminado, a integridade da pá de hélice 103 correspondente pode ser prejudicada.

[0067] Na presente modalidade, as distâncias Δ1, Δ2, Δ3 são tomadas de um traço 106a de uma pá sem defeitos 103 da hélice 102, a fim de quantificar a deflexão na trajetória da ponta de pá e, portanto, monitorar a diminuição na rigidez da pá; no entanto, como afirmado acima, podem ser comparadas a uma pá de hélice 103 correspondente em outra hélice 102 da aeronave 100 e/ou a um valor previsto com base em um modelo.

[0068] A posição de rotação da hélice 103 pode ser determinada por um sensor de rotação, por exemplo, a partir de um sensor Np/Beta, de modo que o tempo do traço 106a cruzando a superfície do sensor 108a pode ser usado para determinar qual pá de hélice 103 o traço 106a representa em qualquer instância.

[0069] Isso também significa que se houver qualquer variação na localização do traço 106a em uma direção dianteira ou traseira da aeronave devido a variações no posicionamento da fonte de luz 104 em relação à pá de hélice 103 e à direção na qual o feixe de luz está emitido, então, isso pode ser explicado pela associação de uma distância de base para uma determinada pá de hélice 103. A posição de rotação também pode ser usada para filtrar os sinais de modo que o receptor 108 possa observar o deslocamento relativo de um traço 106a para uma determinada pá de hélice 103, para determinar se essa pá está em uma condição com ou sem defeitos.

[0070] Se for determinado que a integridade de uma ou mais das pás de hélice 103 em uma hélice de aeronave 102 está prejudicada, é necessário identificar a pá danificada. Usando dados do controle de motor eletrônico com autoridade total (full authority digital engine control, "FADEC"), é possível determinar, por exemplo, a posição de cada pá de hélice 103 no cubo 105 a qualquer momento e mapear essas informações para os sinais gerados pelo receptor 108. O feixe de luz 106 que é determinado para representar uma pá danificada 103 pode então ser atribuído a uma pá específica 103 na hélice 102.

[0071] Os feixes de luz 106 também podem ser codificados de alguma forma, por exemplo, com um sinal que o receptor 108 pode ler e identificar, a fim de combinar a pá de hélice 103 com o traço 106a observado no receptor 108. Alternativamente, os feixes de luz 106 podem ter um comprimento de onda ou cor diferente em cada pá 103. O FADEC pode, portanto, determinar a partir da cor/comprimento de onda qual pá pode estar danificada. Como outra alternativa, um único feixe de luz 106 pode ser emitido por vez, permitindo que o FADEC determine a deflexão de cada pá individualmente.

[0072] As distâncias de deflexão mínimas típicas Δ1, Δ2, Δ3 que indicam danos à pá podem ser predefinidas na unidade de processamento e podem estar a qualquer distância razoável, levando em consideração qualquer amplificação na distância observada resultante da flexão da pá de hélice, a separação do receptor 108 e o ângulo de incidência do feixe de luz se não for perpendicular. Por exemplo, a deflexão real mínima da trajetória da ponta de pá pode estar na faixa de 2 mm a 10 mm. Isso pode resultar em deflexões observadas em que os feixes de luz 106 são traçados sobre a superfície de sensor 108a com entre 20 mm a 100 mm, em uma aeronave razoavelmente grande.

[0073] A presença de uma pá danificada 103 pode ser indicada para a tripulação da aeronave e/ou um alerta para manutenção pode ser emitido. O sistema pode operar em tempo real enquanto a aeronave está em operação. Portanto, no caso de uma pá de hélice 103 ser danificada, em resposta à indicação à tripulação, a hélice danificada 102 pode ser desligada. Isso pode ajudar a evitar mais danos à pá 103 ou ao resto da aeronave. Anteriormente, quando as pás eram inspecionadas apenas em intervalos regulares, uma pá danificada pode ter sido usada por mais horas de voo, o que poderia levar a uma degradação adicional da pá e ao risco de falha.

[0074] O sistema da presente modalidade é ainda mais vantajoso, pois fornece um método de monitoramento em tempo real da integridade da hélice. Anteriormente, uma manutenção pode ter sido realizada em uma hélice 102 que não estava danificada, o que poderia exigir uma aterrissagem desnecessária, levando ao aumento dos custos de operação da aeronave. Ao monitorar a integridade da hélice em tempo real, um alerta pode ser acionado se o sistema determinar que a integridade da pá de hélice pode estar prejudicada. A manutenção, portanto, só pode ser exigida se um alerta for acionado, assim reduzindo significativamente o tempo e o custo de manutenção da aeronave.

[0075] A Figura 6 mostra um sistema alternativo para monitoramento da integridade da hélice, que usa o mesmo arranjo de transmissores 104 e receptores 108 conforme mostrado na Figura 1. O sistema mostrado na Figura 6 monitora pás diferentes em uma faixa de condições operacionais, em contraste com o sistema mostrado nas Figuras 4 e 5, que compara mudanças nas trajetórias da ponta de pá às pás nas mesmas condições de operação. Assim, a Figura 6 mostra um receptor 108 com uma superfície de sensor 108a para detectar feixes de luz 106 transmitidos pelas fontes de luz 104. Dependendo de se as pás de hélice 103 estão experimentando uma carga geral que está empurrando as pás de hélice para em uma direção dianteira ou traseira, uma faixa aceitável predeterminada 114a na superfície de sensor 108a do receptor 108 pode ser definida e se os feixes de luz detectados 106 são recebidos dentro desta faixa aceitável 114a, então o sistema determina que a pá de hélice 103 correspondente está sem defeitos.

[0076] Se o feixe de luz 106 traçar um trajeto fora desta faixa aceitável no receptor 108, a unidade de processamento pode determinar que a integridade da pá de hélice 103 está prejudicada.

[0077] O feixe de luz 106 para a pá de hélice prejudicada 103 pode cruzar a superfície de sensor em ambos os lados da área definida pela faixa aceitável 114a ao longo de uma faixa de condições de voo, indicando que a ponta de pá 111 da pá de hélice 103 é desviada em direção ao nariz e à cauda da aeronave 100 durante essas condições.

[0078] Esta modalidade pode ser benéfica, pois não é necessário comparar o sinal óptico recebido 106 com aquele de uma pá correspondente nas mesmas condições de operação. Isso permite que os resultados sejam fornecidos mais prontamente.

[0079] A largura da faixa aceitável 114a dependerá da separação da fonte de luz e do receptor, ou seja, do tamanho e tipo da aeronave e das propriedades da pá de hélice. A largura da deflexão observada pode, por exemplo, estar na faixa de 10 mm a 80 mm.

[0080] As fontes de luz 104 fornecidas em cada pá 103 podem ser alimentadas por um dispositivo de energia piezoelétrica fornecido na pá de hélice que usa vibrações da pá em operação para gerar energia para a fonte de luz 104.

[0081] Adicionalmente ou alternativamente, a pá pode ser alimentada por sistemas elétricos já presentes nas pás de hélice, como o sistema de degelo.

[0082] A fonte de luz 104 pode ser montada na pá por qualquer tipo de meio de fixação, por exemplo, por adesivo ou fixadores. Alternativamente, pode ser formada integralmente com o resto da pá, por exemplo, embutida em resina durante a construção da pá de hélice.

[0083] Conforme estabelecido na Figura 7, o método de monitoramento da integridade da hélice usando o sistema descrito neste documento compreende a detecção 200 da posição de um feixe de luz em uma superfície de sensor do receptor. O feixe de luz é emitido por uma das fontes de luz montadas em uma ou mais das pás de hélice.

[0084] O método compreende gerar 202 um sinal que é indicativo da posição da fonte de luz. O sinal é gerado pelo controlador 118 e é usado como uma medida da trajetória da ponta de pá conforme ela cruza a superfície de sensor do receptor 108. A posição da fonte de luz na superfície de sensor será diferente dependendo da deflexão da pá associada à fonte de luz.

[0085] O método compreende determinar 204 um valor para a trajetória da pá com base no sinal gerado pelo controlador 118. O valor pode ser usado para fornecer uma indicação da deflexão da pá de hélice. Este valor pode então ser comparado 206a a um valor limite. O valor limite é baseado em uma deflexão máxima predeterminada de uma pá de hélice sem defeitos 103. Se o valor estiver fora do limite, é estabelecido 208a que a integridade da hélice pode ser prejudicada.

[0086] Alternativamente, o método pode compreender comparar 206b o valor a um valor associado a outra pá. A outra pá pode estar na mesma hélice ou em uma hélice diferente da mesma aeronave. Se o valor for significativamente diferente do valor associado à outra pá, é estabelecido 208b que a integridade da hélice pode ser prejudicada.

[0087] A presente divulgação também pode se referir a uma pá de hélice que compreende: um corpo de pá tendo uma extremidade de cubo e uma extremidade de ponta e uma fonte de sinal montada dentro ou sobre o corpo de pá, a fonte de sinal sendo capaz de emitir um feixe de luz da extremidade da ponta da pá de hélice.

[0088] Conforme estabelecido acima, a fonte do sinal pode ser uma fonte de luz. Alternativamente, a fonte de sinal pode ser um ímã capaz de interagir com um receptor utilizando o Efeito Hall.

[0089] A presente divulgação também pode se referir a um sistema de monitoramento da integridade da hélice para uma aeronave, compreendendo: uma aeronave com uma ou mais hélices, em que o sistema compreende ainda uma ou mais fontes de sinal e um ou mais receptores montados em uma fuselagem e/ou nacela da aeronave. Cada receptor possui uma superfície de sensor que é capaz de detectar uma posição do sinal emitido pela fonte de sinal cruzando a superfície de sensor conforme a hélice gira, de modo que o receptor gere um sinal que é indicativo da posição como uma medida da trajetória ponta de pá para cada pá de hélice que passa, em que o sistema compreende ainda uma unidade de processamento que analisa os sinais do receptor para determinar a integridade das pás de hélice de uma ou mais hélices com base em onde os sinais da fonte de sinal das pás de hélice cruzaram a superfície do sensor.

[0090] Conforme estabelecido acima, a fonte do sinal pode ser uma fonte de luz. Alternativamente, a fonte de sinal pode ser um ímã e os receptores podem ser configurados para utilizar o Efeito Hall para determinar a posição do sinal na superfície de sensor do receptor.

[0091] As fontes de sinal podem ser montadas na fuselagem ou na nacela da aeronave. Se as fontes de sinal estiverem montadas na fuselagem ou na nacela, os receptores podem ser montados nas pás de hélice.

Claims

Pá de hélice caracterizada pelo fato de que compreende:
um corpo de pá com uma extremidade de cubo e uma extremidade de ponta e
uma fonte de luz montada dentro ou sobre o corpo de pá, a fonte de luz sendo capaz de emitir um feixe de luz da extremidade da ponta de pá da hélice.
Pá de hélice de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a fonte de luz é montada próxima a uma ponta da pá de hélice.
Pá de hélice de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a fonte de luz é autoalimentada opcionalmente, em que a fonte de luz é eletricamente conectada a um dispositivo piezoelétrico fornecido dentro da pá de hélice para alimentar a fonte de luz.
Pá de hélice de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que fonte de luz pode ser alimentada usando a energia disponível na pá de hélice opcionalmente, em que a fonte de luz está eletricamente conectada a um circuito de degelo da pá de hélice para alimentar a fonte de luz.
Pá de hélice de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizada pelo fato que a fonte de luz é um dispositivo a laser, opcionalmente em que a fonte de luz é um laser emissor de superfície de cavidades verticais (vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL).
Hélice de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizada pelo fato de que compreende um cubo com um eixo de rotação e uma pluralidade de pás de hélice, em que as fontes de luz de cada pá de hélice são configuradas para emitir um feixe de luz em uma direção que irradia para fora do cubo de hélice.
Hélice de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que as fontes de luz são cada uma configuradas para emitir um feixe de luz em uma direção geralmente radial.
Hélice de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizada pelo fato de que a hélice compreende dispositivos de degelo em cada um dos corpos de pás e conexões elétricas para acoplar energia elétrica aos dispositivos de degelo de uma fonte de alimentação elétrica.
Sistema de monitoramento da integridade da hélice para uma aeronave, caracterizado pelo fato de que compreende;
uma aeronave com uma ou mais hélices, como reivindicado na reivindicação 6, 7 ou 8,
em que o sistema compreende ainda um ou mais receptores montados em uma fuselagem e/ou em uma nacela da aeronave, cada receptor tendo uma superfície de sensor que é capaz de detectar uma posição para cada feixe de luz que cruza a superfície do sensor conforme a hélice gira, de modo que o receptor gere um sinal que é indicativo da posição como uma medida da trajetória da ponta de pá para cada pá de hélice que passa, em que o sistema compreende ainda uma unidade de processamento que analisa os sinais do receptor para determinar a integridade das pás de hélice de uma ou mais hélices com base em onde os feixes de luz das pás de hélice cruzaram a superfície do sensor.
Sistema de monitoramento da integridade da hélice de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o sistema de monitoramento da integridade da hélice compreende um processador que processa esse sinal para determinar um estado de integridade de uma pá de hélice associada ao sinal.
Sistema de monitoramento da integridade da hélice de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o processador determina um valor para uma trajetória da ponta de uma pá de hélice sendo observada.
Sistema de monitoramento da integridade da hélice de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o processador compara o valor a um valor limite e/ou a um valor para outra pá de hélice da mesma hélice ou de uma hélice diferente.
Método para monitorar a integridade de uma hélice de uma aeronave, caracterizado pelo fato de que a hélice compreende um cubo com um eixo de rotação e uma pluralidade de pás de hélice, cada pá de hélice compreendendo um corpo de pá com uma extremidade de cubo, uma extremidade de ponta e uma fonte de luz montada dentro ou sobre o corpo de pá, a fonte de luz sendo capaz de emitir um feixe de luz da extremidade da ponta de pá da hélice;
em que o método compreende:
detectar, em um receptor que compreende uma superfície de sensor em uma fuselagem e/ou nacela da aeronave, uma posição do feixe de luz que cruza a superfície de sensor conforme a hélice gira;
gerar um sinal indicativo da posição como uma medida da trajetória da ponta de pá para cada pá de hélice que passa
e analisar os sinais para determinar a integridade das pás da hélice com base em onde os feixes de luz da hélice cruzam a superfície de sensor.
Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o método compreende ainda a etapa de determinar um valor para uma trajetória de uma ponta de pá de uma pá de hélice sendo observada.
Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o método compreende ainda a etapa de comparar o valor a um valor limite e/ou a um valor para outra pá de hélice da mesma hélice ou de uma hélice diferente.