BR112014010496B1 - pilar de afixação para turbomáquina, e, dispositivo para uma aeronave - Google Patents

Abstract

PILAR DE AFIXAÇÃO PARA TURBOMÁQUINA Um pilar de afixação para turbomáquina, configurado para ligar uma turbomáquina a um elemento de estrutura de uma aeronave, o pilar (30) tendo um perfil aerodinâmico definido por duas faces laterais opostas e delimitado longitudinalmente entre um bordo de ataque (31) e um bordo de fuga (33). O pilar (30) compreende, sobre cada uma de suas faces laterais (36), uma série de defletores (40) transversalmente espaçados entre si e definindo entre si canais (60) curvos e convergentes configurados para acelerar o fluxo de ar circulando no interior dos canais (60) na decolagem da aeronave ou em voo, e para desviar esse fluxo de ar na direção do jato da turbomáquina.

Description

DOMÍNIO DA INVENÇÃO

[0001] A presente exposição se refere a um pilar (ou estribo) de afixação para turbomáquina e a um dispositivo para aeronave que compreende um tal pilar.

[0002] Mais especialmente, um tal pilar pode servir para afixar um turborreator na asa de um avião.

ESTADO DA TÉCNICA ANTERIOR

[0003] A tendência global dos quarenta últimos anos para reduzir o ruído dos motores de aviões e, mais precisamente, dos turborreatores de fluxo duplo, foi aumentar a taxa de diluição ou BPR (para “By Pass Ratio”) desses turborreatores, quer dizer aumentar a relação entre o fluxo secundário e o fluxo primário que saem do turborreator. Os projetos atuais propõem motores com BPR elevada, compreendida entre 9 e 12, enquanto que nos anos 70 as BPR eram compreendidas entre 5 e 6. De fato, com impulso igual, o aumento da vazão do fluxo secundário permite reduzir as velocidades de ejeção e reduzir assim o ruído devido à mistura dos gases de ejeção. O aumento da BPR apresenta, no entanto, um inconveniente maior em termos de integração dos motores no avião, pois o aumento da vazão do fluxo secundário implica de fato um aumento do diâmetro dos motores. Ora, hoje em dia, o tamanho limite razoável para integrar um turborreator de ventoinha carenada sob uma asa de avião parece quase atingido e parece difícil continuar nessa via.

[0004] Uma outra solução conhecida para diminuir o ruído de jato de um turborreator, em especial na decolagem, consiste em realizar escoras na borda da tubeira primária do turborreator, como descrito, por exemplo, no documento de patente EP 1580419. Essa solução, se ela é bastante eficaz em termos de acústica, apresenta, no entanto, um efeito negativo sobre os desempenhos do turborreator em regime de cruzeiro. Os ganhos demonstrados permanecem, além disso, bastante modestos.

[0005] Existe, portanto, uma necessidade por uma solução que permite reduzir o ruído dos motores de aviões, que seja desprovida, pelo menos em parte, dos inconvenientes precitados.

APRESENTAÇÃO DA INVENÇÃO

[0006] A presente exposição se refere a um pilar de afixação para turbomáquina, configurado para ligar uma turbomáquina a um elemento de estrutura de uma aeronave, o pilar tendo um perfil aerodinâmico que é definido por duas faces laterais opostas e que é delimitado longitudinalmente entre um bordo de ataque e um bordo de fuga.

[0007] Esse pilar é tal que ele compreende, por outro lado, em cada uma de suas faces laterais, uma série de defletores transversalmente espaçados uns dos outros. Esses defletores definem entre si e/ou com a parede exterior da turbomáquina canais no interior dos quais circula um fluxo de ar na decolagem da aeronave ou em voo. Esses canais são convergentes e curvos de maneira a acelerar o dito fluxo de ar e a guiar esse fluxo de ar na direção do jato da turbomáquina.

[0008] Por canais “convergentes”, entende-se designar canais dos quais a seção de passagem diminui progressivamente de a montante para a jusante, de maneira a acelerar o fluxo de ar que passa dentro desses canais.

[0009] A presença de defletores permite acelerar e desviar uma parte do escoamento de ar que contorna o pilar com o objetivo de reduzir o ruído de jato da turbomáquina. Por outro lado, comparativamente à solução conhecida que utiliza escoras, os defletores têm a vantagem de não formar um obstáculo ao jato que sai da turbomáquina.

[0010] Na presente exposição, os adjetivos “longitudinal” e “transversal” (advérbios “longitudinalmente” e “transversalmente”) são utilizados em referência às direções longitudinal e transversal do pilar. A direção longitudinal do pilar é uma direção paralela ao eixo do motor da turbomáquina (i.e. o eixo de rotação do rotor da turbomáquina), quando essa última é fixada ao pilar. Essa direção longitudinal corresponde conseqüentemente à direção geral do escoamento de ar que circula em torno do pilar em condições normais de utilização. A direção transversal é uma direção perpendicular à direção longitudinal, que passa pela turbomáquina.

[0011] O pilar é delimitado transversalmente entre uma extremidade distal destinada a ser fixada à turbomáquina e uma extremidade proximal destinada a ser fixada ao elemento de estrutura da aeronave. Os adjetivos “proximal” e “distal” são utilizados em referência à conexão do pilar ao elemento de estrutura da aeronave.

[0012] Finalmente, a montante e a jusante são definidos em relação ao sentido de escoamento normal do ar na decolagem ou em voo.

[0013] A presente exposição se refere também a um dispositivo para aeronave, que compreende uma turbomáquina e um pilar do tipo precitado, com o auxílio do qual a turbomáquina pode ser ligada a um elemento de estrutura da aeronave.

[0014] A dita turbomáquina pode ser uma turbomáquina aeronáutica como um motor de avião, mais especialmente um turborreator ou um turbopropulsor. Por outro lado, o dito elemento de estrutura pode ser um elemento de velame ou de fuselagem da aeronave. A aeronave pode ser um avião. Evidentemente, a invenção não se limita a esses exemplos.

[0015] Em certos modos de realização, a turbomáquina é um motor de avião, em especial um turborreator, e o elemento de estrutura é uma asa de avião.

[0016] Quando o avião se desloca (e.g. na decolagem ou em voo), um escoamento de ar (chamado de “ar exterior”) circula entre o motor e a asa O pilar que liga esses dois elementos forma um obstáculo a esse escoamento e gera uma bolsa de energia cinética turbulenta grande que aspira o jato na direção da asa. Daí resultam dois fenômenos geradores de ruído, devidos às interações seguintes: - a interação entre a esteira do pilar e o jato do motor; e - a interação entre a asa e o jato aspirado na direção da asa.

[0017] Graças à solução proposta, é possível controlar uma parte do escoamento de ar exterior a fim de tornar a mesma útil para a redução do ruído de jato. Em especial, o fato de acelerar o ar exterior guiando para isso o mesmo na direção do jato com o auxílio de retificadores, permite diminuir o gradiente de velocidade na camada de mistura entre o jato e o ar exterior. Por outro lado, foi constatado que o fato de desviar uma parte do ar exterior na direção da parte baixa do pilar permitia atenuar a geração da bolsa de energia cinética turbulenta a jusante do pilar.

[0018] Assim, graças à solução proposta, é possível diminuir fenômenos geradores de ruído entre os quais a interação entre a esteira do pilar e o jato, e a interação entre o jato e o velame.

[0019] A interação entre a esteira do pilar e o jato pode ser diminuída, pois a bolsa de energia cinética turbulenta que é responsável por ela pode ser diminuída.

[0020] A interação entre o jato e o velame pode ser diminuída, pois a bolsa de energia cinética turbulenta pode ser diminuída pelo aumento da velocidade de escoamento em torno da turbomáquina. Além disso, controlando-se o escoamento de ar exterior, é possível influenciar o jato para reduzir sua expansão radial com a aproximação do velame.

[0021] Por outro lado, o ruído de mistura pode ser reduzido. De fato, esse último provém do cisalhamento entre o fluxo de ar, tipicamente o fluxo secundário, proveniente do motor e o fluxo de ar exterior, esses dois fluxos evoluindo com velocidades diferentes. Uma aceleração do ar exterior e, portanto, uma diferença de velocidade menor entre esses dois escoamentos contribui para a redução do cisalhamento e da componente de ruído que resulta disso. O ruído de choque pode também ser reduzido. De fato, o ruído de choque provém da interação complexa entre as células de choque presentes no fluxo secundário e a turbulência da camada de mistura. Menos cisalhamento implica menos turbulência e, portanto, uma interação menor entre os dois elementos que geram o ruído de choque.

[0022] Em certos modos de realização, as séries de defletores são situadas unicamente na parte distal do pilar, quer dizer a parte próxima da turbomáquina. Isso permite evitar a presença dos defletores na parte proximal do pilar, próxima da asa, e assim minimizar o impacto dos defletores sobre a portância da asa.

[0023] Em certos modos de realização, cada defletor se estende longitudinalmente a partir do bordo de ataque do pilar. Isso permite evitar o desenvolvimento de uma camada limite exterior a montante dos canais criados pelos defletores, pois uma tal camada limite prejudicaria a correta canalização do escoamento.

[0024] Em certos modos de realização, cada defletor se estende longitudinalmente na direção do jato, a extremidade a jusante de cada defletor estando próxima do jato, ao mesmo tempo em que está no exterior desse último. Isso permite levar o fluxo de ar o mais próximo possível do jato sem que os retificadores formem um obstáculo ao jato.

[0025] Em certos modos de realização, cada defletor apresenta, no sentido da espessura do pilar, uma altura compreendida entre 5 e 50 % do diâmetro da turbomáquina. Isso permite controlar o escoamento na proximidade da turbomáquina e não impactar o escoamento além dessa zona de interesse.

[0026] Em certos modos de realização, cada defletor é torcido de maneira a guiar o fluxo de ar ao mesmo tempo na direção do jato da turbomáquina e na esteira do pilar. Em outros termos, os defletores apresentam uma curvatura ao mesmo tempo em um plano de corte longitudinal paralelo à direção motor-asa, e em um plano de corte transversal.

[0027] Em certos modos de realização, cada série de defletores compreende 1 a 4 defletores. Quando a “série” só compreende um defletor, o dito canal convergente e curvo é definido entre esse defletor e a parede exterior da turbomáquina.

[0028] Em certos modos de realização, cada série de defletores compreende pelo menos dois defletores e, de preferência, pelo menos três defletores. Isso permite reduzir os gradientes de velocidade por patamares, e, portanto, ter várias camadas de cisalhamento entre fluxos de velocidades bastante próximos.

[0029] As características e vantagens precitada, assim como outras, aparecerão com a leitura da descrição detalhada que se segue, de exemplos de realização do pilar de afixação e do dispositivo propostos. Essa descrição detalhada faz referência aos desenhos anexos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0030] Os desenhos anexos são esquemáticos e não estão na escala, eles visam antes de tudo ilustrar os princípios da invenção.

[0031] Nesses desenhos, de uma figura (FIG) à outra, elementos (ou partes de elemento) idênticos são referenciados pelos mesmos sinais de referência. Por outro lado, elementos (ou partes de elemento) que pertencem a exemplos de realização diferentes, mas que têm uma função análoga são referenciados nas figuras por referências numéricas espaçadas de 100, 200, etc.

[0032] A FIG 1 representa, em perspectiva, um exemplo de pilar de afixação que liga um turborreator a uma asa de avião.

[0033] A FIG 2 representa, em vista de lado, o pilar da FIG 1.

[0034] A FIG 3 é uma vista dianteira de acordo com a flecha III do pilar da FIG 2.

[0035] A FIG 4 é uma vista traseira de acordo com a flecha IV do pilar da FIG 2.

[0036] A FIG 5 é uma vista dianteira, análoga àquela da FIG 3, de um outro exemplo de pilar.

[0037] A FIG 6 é uma vista traseira, análoga àquela da FIG 4, do pilar da FIG 5. DESCRIÇÃO DETALHADA DE EXEMPLOS DE REALIZAÇÃO

[0038] Exemplos de realização são descritos em detalhe abaixo, em referência aos desenhos anexos. Esses exemplos ilustram as características e as vantagens da invenção. É, no entanto, lembrado que a invenção não se limita a esses exemplos. Em especial, ainda que a invenção seja descrita abaixo no âmbito de sua aplicação a um turborreator (do tipo de fluxo duplo separado), fixado sob uma asa de avião, a invenção não se limita a essa aplicação.

[0039] As FIGS 1 a 4 representam um turborreator 10 fixado sob uma asa de avião 20 com o auxílio de um pilar de afixação 30. O eixo do motor A do turborreator 20 é representado em traços mistos nas figuras.

[0040] O pilar 30 tem um perfil aerodinâmico definido por duas faces opostas 36, 38 e delimitado longitudinalmente (i.e. paralelamente ao eixo do motor A) entre um bordo de ataque 31 e um bordo de fuga 33. O pilar 30 é delimitado transversalmente entre uma extremidade distal 35 fixada ao turborreator 10 e uma extremidade proximal 34 fixada à asa 20 do avião.

[0041] As direções longitudinal e transversal são respectivamente referenciadas X e Y nas figuras. A direção Z, referenciada na FIG 2, é a direção da espessura do pilar 30. É chamado de “plano longitudinal” um plano paralelo às direções X e Y. Um plano longitudinal é anotado XY. É chamado de “plano transversal” um plano paralelo às direções Y e Z. Um plano transversal é anotado YZ.

[0042] O pilar 30 compreende, por outro lado, em cada uma de suas faces laterais 36, 38, uma série de três defletores 40 formados por aletas e ligados por sua base 40B ao corpo do pilar 30 (ver a FIG 3). Em um plano transversal YZ, os defletores 40 se estendem substancialmente perpendicularmente em relação às faces 36, 38, a partir de sua base 40B até sua extremidade livre 40E. Os defletores 40 são, por exemplo, fixados por rebitagem ou por soldagem ao corpo do pilar. Os defletores 40 do pilar 30 são transversalmente (i.e. de acordo com a direção Y) espaçados uns dos outros e definem entre si canais 60. Um fluxo de ar F circula dentro desses canais 60 na decolagem ou em voo. Esses canais 60 são convergentes no sentido que a seção de passagem dos mesmos diminui progressivamente de a montante para a jusante. Em especial, no exemplo, a altura (medida de acordo com o eixo Z) dos retificadores 40 é substancialmente constante ao longo dos canais 60, enquanto que os retificadores 40 se aproximam progressivamente uns dos outros, de a montante para a jusante (ver a FIG 2). Daí resulta uma diminuição da seção de passagem dos canais 60 que provoca uma aceleração do fluxo de ar F que circula dentro desses canais 60.

[0043] Os retificadores 40 são curvos em um plano longitudinal XY, como representado na FIG 2, o que permite desviar o fluxo de ar F na direção do jato J que são do turborreator. O jato J é esquematizado em pontilhados na FIG 2. Será notado que os defletores 40 não formam um obstáculo ao jato J. Em especial, a extremidade a jusante de cada defletor 40 está situada na proximidade do jato J ao mesmo tempo em que permanece no exterior desse último (ver a FIG 2). Assim, nenhum defletor 40 se estende longitudinalmente até a borda a jusante 33 do pilar. Uma tal configuração permite trazer o fluxo de ar F o mais próximo possível do jato J sem no entanto formar um obstáculo a esse último.

[0044] As séries de defletores 40 estão situadas na parte distal do pilar 30, próxima do turborreator 10. A parte proximal do pilar 30, próxima da asa 20, é no que lhe diz respeito desprovida de defletores 40, o que permite minimizar o impacto dos defletores 40 sobre a portância da asa 20.

[0045] Cada defletor 40 se estende longitudinalmente a partir do bordo de ataque 31 do pilar (ver FIGS 2 e 3). Isso permite evitar o desenvolvimento de uma camada limite exterior a montante dos canais 60, pois uma tal camada limite prejudicaria a correta canalização do fluxo F dentro dos canais 60.

[0046] No sentido da espessura do pilar 30, i.e. na direção Z, cada defletor 40 apresenta uma altura compreendida entre 5 e 50 % do diâmetro do turborreator 10. No exemplo, essa altura é igual a cerca de 20 % do diâmetro. Isso permite controlar o escoamento na proximidade da turbomáquina e não impactar o escoamento além dessa zona de interesse.

[0047] Em certos modos de realização, cada defletor 40 é torcido de maneira a guiar o fluxo de ar F ao mesmo tempo na direção do jato do turborreator 10 e na esteira do pilar 30. Em outros termos, os defletores apresentam uma curvatura ao mesmo tempo em um plano de corte longitudinal XY, e em um plano de corte transversal YZ.

[0048] Um outro exemplo de pilar 130 é representado nas FIGS 5 e 6, esse pilar 130 difere daquele das FIGS 1-4 unicamente pelo fato de que os defletores 140 são curvos no plano transversal YZ, no lugar de ser retos como os defletores 40.

[0049] Os defletores 140 das FIGS 5 e 6 são torcidos no sentido que eles apresentam uma curvatura no plano longitudinal XY e uma curvatura no plano transversal YZ. Será notado que, como os defletores 140 seguem as faces 136, 138 do pilar, eles seguem a curvatura dessas faces no plano XZ.

[0050] A curvatura no plano transversal YZ permite guiar o fluxo de ar F ao mesmo tempo na direção do jato J do turborreator 10 e na esteira do pilar 130. Essa curvatura é tal que, no plano transversal YZ, os defletores 140 definem uma concavidade orientada na direção do turborreator 10.

[0051] No exemplo, a curvatura dos defletores 140 é cada vez mais marcada à medida que há uma aproximação do turborreator 10, como representado nas FIGS 5 e 6. Isso permite acelerar o escoamento externo à turbomáquina justo antes da ejeção.

[0052] Os modos ou exemplos de realização descritos na presente exposição são dados a título ilustrativo e não limitativo, um profissional podendo facilmente, com o exame dessa exposição, modificar esses modos ou exemplos de realização, ou considerar outros deles, ao mesmo tempo em que permanece dentro do alcance da invenção.

[0053] Além disso, as diferentes características desses modos ou exemplos de realização podem ser utilizadas sozinhas ou ser combinadas entre si. Quando elas são combinadas, essas características podem sê-lo como descrito acima ou diferentemente, a invenção não se limitando às combinações específicas descritas na presente exposição. Em especial, exceto precisão em contrário, uma característica descrita em relação com um modo ou exemplo de realização pode ser aplicada de maneira análoga a um outro modo ou exemplo de realização.

Claims (10)

1. Torre para fixar um motor de turbina, a torre sendo configurada para conectar o motor a um elemento estrutural de uma aeronave, a torre (30) tendo um perfil aerodinâmico definido por duas faces laterais opostas (36, 38) e definido longitudinalmente entre um bordo de ataque (31) e um bordo de fuga (33), a torre (30) sendo caracterizada pelo fato de que compreende ainda, em cada uma de suas faces laterais (36, 38), uma respectiva série de defletores (40), que estão transversalmente espaçados entre si de modo que, entre eles e/ou em conjunto com a parede externa do motor, definam canais (60) dentro dos quais fluxos de ar (F) fluam na decolagem da aeronave ou em voo, esses canais (60) sendo curvos e convergentes de modo a acelerar as referidas correntes de ar (F) e guiar as correntes de ar (F) na direção do jato (J) do motor.

2. Torre de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a torre (30) estende-se transversalmente entre uma extremidade distai (35) para a fixação do motor e uma extremidade proximal (34) para a fixação ao elemento estrutural da aeronave, e em que a porção proximal da torre (30) não tem defletores (40).

3. Torre de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que cada defletor (40) estende-se longitudinalmente a partir do bordo de ataque (31) da torre (30).

4. Torre de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que cada defletor (40) estende-se longitudinalmente na direcção do jato (J), a extremidade a jusante de cada defletor (40) estando situada na proximidade do jato (J), mantendo-se fora do jato (J).

5. Torre de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que cada defletor (40) apresenta uma altura, na direcção da espessura da torre (30), encontrando-se na gama de 5% a 50% do diâmetro do motor.

6. Torre de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que cada defletor (140) é torcido de modo a guiar os fluxos de ar (F), tanto na direção do jato (J) do motor e para a esteira da torre (130).

7. Torre de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que cada série de defletores (40) compreende 1 a 4 defletores.

8. Dispositivo para uma aeronave, caracterizado pelo fato de que compreende: um motor de turbina; e uma torre (30) conforme definida qualquer uma das reivindicações 1 a 7, em que o motor pode ser conectado a um elemento estrutural da aeronave.

9. Dispositivo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o motor é um motor de avião, e em que o elemento estrutural é uma asa de avião (20).

10. Dispositivo de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que o motor é um turbojato (10).

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