BR112014012388B1 - sistema mecânico giratório com acionamento sem contato e turbomáquina de aeronave - Google Patents
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Abstract
SISTEMA MECÂNICO GIRATÓRIO COM ACIONAMENTO SEM CONTATO. A presente invenção propõe um sistema mecânico (10) comportando: - uma árvore (12) que é montada móvel em rotação em torno de seu eixo principal em relação a um elemento de estrutura (14); - um elemento móvel (16) que é montado sobre a árvore (12), de maneira tal que é solidário à árvore (12) em rotação em torno do eixo principal (A) e de maneira tal que está apto a ser deslocado em relação à árvore (12) de maneira seletiva; - meios de acionamento (18) do elemento móvel (16) em deslocamento em relação à árvore (12) que comportam uma primeira parte fixa (20) que é montada sobre o elemento de estrutura (14) e uma segunda parte móvel (22) que é montada sobre a árvore (12) e que é ligada ao elemento móvel (16), caracterizado pelo fato de os meios de acionamento (18) consistirem em um acionador eletromagnético com entreferro entre a primeira parte (20) e a segunda parte (22).
Description
[001] A presente invenção refere-se a um sistema eletromecânico giratório, comportando um elemento montado sobre uma árvore móvel, que está apta a ser deslocada em relação à árvore móvel.
[002] O sistema eletromecânico comporta um dispositivo de acio namento sem atrito, do qual um componente é móvel em relação à ár-voremóvel, cuja duração de vida do dispositivo de acionamento é melhorada pela redução dos atritos entre peças em movimento. Estado da Técnica Anterior
[003] Em um sistema mecânico giratório como, por exemplo, uma turbo-máquina que comporta um mecanismo de escora variável do passo de pás, as pás são sustentadas por uma árvore montada móvel em rotação em torno do seu eixo principal.
[004] Cada pá é, além disso, montada móvel em relação à árvore em torno de um eixo radial em relação ao eixo principal da árvore, para modificar o passo da pá.
[005] O acionamento das pás em rotação é realizado por inter médio de um sistema de acionamento que é ligado às pás e das quais uma parte é montada sobre o elemento de estrutura da turbo- máquina.
[006] Segundo exemplos de realização conhecidos, os meios de acionamento das pás consistem em sistemas hidráulicos com junta giratória ou sistemas elétricos ou eletrônicos com contatos giratórios.
[007] Esses modos de realização comportam numerosos elemen tosmóveis que estão em contato uns com os outros. Isto tem por con-sequência um desgaste dos componentes e uma produção de calor importante. Assim, o sistema mecânico comporta também meios de resfriamento e de lubrificação para limitar o aquecimento e o desgaste desses componentes. Também, é, às vezes, necessário efetuar operações regulares de manutenção do sistema mecânico.
[008] A invenção tem por finalidade propor um sistema mecânico para o qual os meios de acionamento das pás em deslocamento em relação à árvore são fabricados de maneira a limitar os atritos entre os elementos móveis.
[009] A invenção propõe um sistema mecânico, comportando: - uma árvore que é montada móvel em rotação em torno de seu eixo principal em relação a um elemento de estrutura; - um elemento móvel que é montado sobre a árvore, de maneira que é solidário à árvore em rotação em torno do eixo principal e de maneira tal que está apto a ser deslocado em relação à árvore de maneira seletiva; - meios de acionamento do elemento móvel em desloca-mento em relação à árvore que comportam uma primeira parte fixa que é montada sobre o elemento de estrutura e uma segunda parte móvel que é montada sobre a árvore e que é ligada ao elemento móvel,
[0010] caracterizado pelo fato de os meios de acionamento consis tirem em um acionador eletromecânico com entreferro entre a primeira parte e a segunda parte.
[0011] O entreferro entre as duas partes do acionador permite eli minar qualquer contato entre os elementos ligados ao elemento de estrutura e os elementos que são móveis em relação ao elemento de estrutura, o que reduz, por conseguinte, os atritos.
[0012] De preferência, os meios de acionamento consistem em um acionador eletromecânico com entreferro com campo radial.
[0013] De preferência, os meios de acionamento consistem em um acionador eletromecânico com entreferro com campo axial.
[0014] De preferência, a segunda parte dos meios de acionamento é montada móvel em rotação, de maneira coaxial à árvore e é ligada à árvore por meios de orientação em rotação em torno do eixo principal da árvore.
[0015] De preferência, o sistema mecânico comporta meios de transformação do movimento de rotação da segunda parte em relação à árvore em um deslocamento do elemento móvel em relação à árvore que comportam um elemento de entrada de movimento ligado à segunda parte, esse elemento de entrada de movimento sendo móvel em rotação de maneira seletiva em relação à árvore, quando do deslocamento do elemento móvel.
[0016] De preferência, o sistema mecânico comporta meios de comando dos meios de acionamento para comandar a velocidade de rotação da segunda parte dos meios de acionamento em relação à primeira parte, em função da velocidade de rotação da árvore.
[0017] De preferência, os meios de comando são realizados de maneira a provocar uma rotação do elemento de entrada de movimento em torno da árvore para acionar um deslocamento do elemento em relação à árvore.
[0018] De preferência, o elemento móvel é montado móvel em ro tação em relação à árvore em torno de um eixo secundário (B) de orientação radial em relação ao eixo principal, esse eixo secundário (B) sendo solidário à árvore em rotação em torno do eixo principal.
[0019] A invenção propõe também uma turbomáquina de aerona ve, caracterizada pelo fato de fato de comportar um sistema mecânico, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, no qual o elemento móvel consiste em uma pá de orientação variável.
[0020] De preferência, a turbomáquina comporta uma pluralidade de pás repartidas em torno do eixo principal da árvore. Breve Descrição dos Desenhos - a figura 1 é uma representação esquemática de um sis-temamecânico, de acordo com a invenção; - a figura 2 representa uma vista similar àquela da figura 1, mostrando um segundo modo de realização dos meios de transformação de movimento; - a figura 3 é uma representação esquemática em detalhes de um sistema mecânico, de acordo com uma das reivindicações, para o qual os meios de acionamento consistem em uma máquina síncrona ou assíncrona com ímãs; - a figura 4 representa uma vista similar àquela da figura 3, na qual os meios de acionamento consistem em uma máquina síncrona com indutor bobinado; - a figura 5 representa uma vista similar àquela da figura 3, na qual os meios de acionamento consistem em uma máquina síncrona com entreferro axial.
[0021] Representou-se nas figuras um sistema mecânico 10, tal como um rotor de turbomáquina que comporta uma árvore 12 móvel em rotação em torno de seu eixo principal A, em relação a um elemento de estrutura 14 da turbomáquina. Esse elemento de estrutura pode ser ele próprio fixo na turbomáquina, ou pode ser móvel na turbomá- quina. Por precaução com a clareza, o elemento de estrutura 14 será considerado como sendo fixo em relação à árvore 12.
[0022] A árvore sustenta uma pluralidade de pás 16 que são repar tidas de maneira regular em torno da árvore 12 em relação ao eixo principal A e que são solidárias à árvore 12 em rotação em relação ao elemento de estrutura 14, em torno do eixo principal A.
[0023] O sistema mecânico 10 comporta meios de regulagem das pás 16 para adaptá-lo às condições de funcionamento da turbomáquina.
[0024] Assim, cada pá 16 é montada móvel em relação à árvore 12 em torno de um eixo secundário B de orientação principal radial em relação ao eixo principal A. Cada eixo secundário B é um eixo principal da parte 16 associada, é, portanto, móvel em rotação em torno do eixo principal A de maneira solidária à árvore 12.
[0025] Os meios de regulagem do passo das pás 16 comportam meios de acionamento 18 de cada pá 16 em rotação em torno do eixo secundário B associado.
[0026] Os meios de acionamento comportam principalmente uma primeira parte fixa 20 que é fixada no elemento de estrutura 14 e uma segunda parte móvel 22 que é ligada a cada pá 16.
[0027] A segunda parte é montada móvel em relação ao elemento de estrutura 14 em rotação em torno do eixo principal A.
[0028] No caso, a primeira parte 20 e a segunda parte 22 são coa xiaisà árvore 12 e consistem em dois elementos de revolução que são superpostos radialmente sobre a árvore 12.
[0029] Os meios de acionamento 18 consistem em um acionador eletromecânico com entreferro. Isto é, uma folga está presente entre a parte fixa 20 e a parte móvel 22.
[0030] Assim, não há nenhum contato mecânico entre a parte fixa 20 e a parte móvel.
[0031] O acionamento da parte móvel 22 em rotação em relação à parte fixa 20 é realizado por esforços eletromagnéticos, não necessitando de nenhum contato entre as duas partes 20, 22.
[0032] De acordo com um primeiro modo de realização, represen tado na figura 3, os meios de acionamento 18 consistem em uma má-quinasíncrona de ímã permanente.
[0033] De acordo com esse modo de realização, a parte móvel 22 sustenta um ou vários ímãs permanentes (não representados) e a parte fixa 20 comporta meios para produzir um campo eletromagnético que provoca a rotação da parte móvel que sustenta o(s) ímã(s) per- manente(s).
[0034] De acordo com um segundo modo de realização, represen tado na figura 4, os meios de acionamento 18 consistem em uma má-quinasíncrona com indutor bobinado.
[0035] De acordo com esse modo de realização, a parte móvel 22 sustenta uma ou várias bobinagens que são alimentadas com corren-teselétricas, de maneira a formar um ou vários eletroímãs.
[0036] De acordo com a invenção, para suprimir qualquer contato elétrico entre a parte fixa 20 e a parte móvel 22, a parte móvel 22 é alimentada por intermédio de um sistema com indução de corrente 24 que é também do tipo sem contatos.
[0037] De acordo com um outro modo de realização, os meios de acionamento 18 consistem em uma máquina assíncrona.
[0038] Quando do funcionamento do sistema mecânico 10, a árvo re 12 e a parte móvel 22 giram ambas em torno do eixo principal A.
[0039] O sistema mecânico 10 é fabricado, de tal maneira que a segunda parte 22 está apta a girar a uma velocidade diferente da velocidade de rotação da árvore 12 para permitir o deslocamento das pás 16.
[0040] Também, já que nenhum contato existe entre a segunda parte 22 e a primeira parte 20, e mais geralmente entre a segunda parte 22 e o elemento de estrutura 14, a orientação em rotação da segunda parte 22 em torno do eixo principal A é realizado por meios de ligação 26 da segunda parte 22 com a árvore 12 que são meios de orientação da segunda parte 22 em rotação em relação à árvore 12 em torno do eixo principal A.
[0041] Conforme se pode ver nas figuras 1 e 2, a segunda parte 22 dos meios de acionamento 18 é, além disso, ligada às pás 16 por intermédio de meios de transformação do movimento 28.
[0042] Os meios de transformação de movimento 28 são monta dos sobre a árvore 12, de maneira que são solidários à árvore 12 em rotação em torno da árvore principal A. Os meios de transformação de movimento 28 comportam um elemento de entrada de movimento 36 que é ligado à segunda parte 22 dos meios de acionamento 18. O elemento de transformação de movimento 36 está apto a girar em torno da árvore 12, de maneira seletiva em função da velocidade de rotação da segunda parte 22 dos meios de acionamento 18 em torno do eixo principal A.
[0043] Os meios de transformação de movimento 28 são realiza dos, de maneira que, quando o elemento de entrada de movimento 36 gira em relação à árvore 12, cada par 16 gire em torno do eixo secundário B associado.
[0044] De acordo com o modo de realização representado na figu ra 1, os meios de transformação de movimento 28 são do tipo que comportam um acoplamento com engrenagens cônicas 32.
[0045] De acordo com o modo de realização representado na figu ra 2, os meios de transformação do movimento 28 são do tipo que comporta um sistema com árvore de manivelas 34.
[0046] No caso, o elemento de entrada de movimento 36 é ligado à segunda parte 22 dos meios de acionamento 18, por intermédio de um sistema de engrenagens 30 para modificar a velocidade de rotação do elemento de entrada de movimento 36 em torno do eixo principal A em relação à velocidade de rotação da segunda parte 22 em torno do eixo principal A.
[0047] A relação de desmultiplicação desse sistema de engrena gens 30 é determinada, de maneira a reduzir ou aumentar a velocidade de rotação da segunda parte 22, segundo o tipo de acionador que constitui os meios de acionamento 18 e segundo as faixas de velocidades de rotação da árvore 12.
[0048] De acordo com uma variante, a segunda parte 22 dos mei os de acionamento 18 é ligada diretamente ao elemento de entrada de movimento 36.
[0049] Os meios de acionamento 18 comportam também meios de regulagem (não representados) que são concebidos de maneira a regular a velocidade de rotação da segunda parte 22 em relação ao elemento de estrutura 14, em função da velocidade de rotação da árvore 12 em relação ao elemento de estrutura 14 e em função da relação de redução de sistema de engrenagens 30.
[0050] Os meios de regulagem são fabricados de maneira a pro vocar seletivamente uma rotação do elemento de entrada de movimento em relação à árvore 12, quando a orientação das pás 16 deve ser modificada.
[0051] Com efeito, quando do funcionamento do sistema mecânico 10, e quando as pás 16 não devem se deslocar em relação à árvore 12, o elemento de entrada de movimento 36 deve permanecer imóvel em relação à árvore 12, isto é, ele gira à mesma velocidade que a árvore 12 em relação ao elemento de estrutura 14.
[0052] Assim, a velocidade de rotação da segunda parte 22 em relação ao elemento de estrutura 14 é definida para que a velocidade de rotação do elemento de entrada de movimento 36, em relação ao elemento de estrutura 14 seja igual à velocidade de rotação da árvore 12 em relação ao elemento de estrutura 14.
[0053] Ao contrário, quando a orientação das pás 16 deve ser mo dificada, os meios de regulagem modificam a velocidade de rotação da segunda parte 22 em relação ao elemento de estrutura 14 durante um certo tempo, de maneira que o elemento de entrada de movimento 36 gire em relação à árvore 12 de um ângulo pré-definido correspondente à modificação de posição angular de cada pá 16.
[0054] A modificação da velocidade de rotação da segunda parte 22 em relação ao elemento de estrutura 14 pode consistir em um aumento, em uma diminuição ou em uma inversão da velocidade de rotação da segunda parte 22.
[0055] Quando a posição angular desejada de cada par 16 obtida, os meios de regulagem modificam a velocidade de rotação da segunda parte 22 em relação ao elemento de estrutura 14, para que o elemento de entrada de movimento 36 gire à mesma velocidade que a árvore 12 em relação ao elemento de estrutura 14 e, portanto, para que o elemento de entrada de movimento 36 seja imóvel em relação à árvore 12.
[0056] A título de exemplo não limitativo, para o qual os meios de acionamento 18 consistem em um motor síncrono com ímãs permanentes, a frequência de alimentação no nível da parte fixa 20 deve compensar a velocidade de rotação da árvore 12 em relação ao eixo principal A.
[0057] Define-se assim "F12" como sendo a frequência de rotação diferencial da árvore 12 em relação à primeira parte 20 (por exemplo, para uma velocidade de rotação da árvore 12 em relação ao eixo principal A de 1200 rpm, isto correspondendo a uma frequência F12 de 20 Hz).
[0058] Define-se também "p" como sendo o número de pares de pólos da máquina síncrona com ímãs.
[0059] Para se obter uma frequência de rotação relativa "F22" da segunda parte 22 em relação à árvore 12, será preciso uma frequência de alimentação da máquina síncrona com ímã de p*(F12+F22).
[0060] Para uma máquina síncrona com ímã que possui 3 pares de pólos e uma velocidade máxima de acionamento de 10200 rpm se obtém uma frequência de alimentação máxima de 3*(20Hz+170Hz)=570Hz.
[0061] No caso da utilização de um motor assíncrono, a frequência de alimentação da máquina assíncrona é definida pela fórmula p*(F12+F22+Fr), na qual Fr é a frequência das correntes rotóricas na segunda parte 22.
[0062] Fr é mais ou menos importante, segundo o binário exercido e o ponto de funcionamento.
[0063] Para uma máquina assíncrona possuindo 3 pares de pólo e uma velocidade máxima de acionamento de 1200 rpm, se obtém, por exemplo, em regime estabelecido uma frequência de alimentação máxima de 3*(20Hz+170Hz+10Hz)=600Hz.
[0064] Será compreendido que a modificação da velocidade de rotação da segunda parte 22 pode ser efetuada de maneira contínua, para evitar qualquer pancada.
[0065] Segundo os modos de realização representados nas figuras 1 a 4, os meios de acionamento 18 são do tipo com entreferro com campo radial, isto é, a parte fixa 20 e a parte móvel 22 são coaxiais e são defasadas radialmente uma em relação à outra.
[0066] Será compreendido que a invenção não está limitada a esse modo de realização e que os meios de acionamento 18 podem ser de outro tipo, tal como, por exemplo, representado na figura 5, no qual os meios de acionamento são do tipo com entreferro do campo axial.
[0067] De acordo com esse modo de realização, a parte fixa 20 e a parte móvel 22 são defasadas axialmente uma em relação à outra.
[0068] De acordo ainda com um outro modo de realização (não representado), os meios de acionamento 18 são do tipo que combina um entreferro com campo radial e um entreferro com campo axial.
[0069] Também, a invenção foi descrita em associação com pás 16 da turbo-máquina que são móveis em rotação em relação ao eixo secundário B. Será compreendido que a invenção não está limitada a esse modo de realização e que a invenção pode ser associada a qualquer elemento que é montado móvel ao longo do eixo secundário B em translação ao longo do eixo secundário B ou segundo um movimento que combina uma translação e uma rotação em relação ao eixo secundário B.
Claims (9)
1. Sistema mecânico (10), que comporta: - uma árvore (12) que é montada móvel em rotação em torno de seu eixo principal em relação a um elemento de estrutura (14); - um elemento móvel (16) que é montado sobre a árvore (12), de maneira que é solidário à árvore (12) em rotação em torno do eixo principal (A) e de maneira tal que está apto a ser deslocado em relação à árvore (12) de maneira seletiva; - meios de acionamento (18) do elemento móvel (16) em deslocamento em relação à árvore (12) que comportam uma primeira parte fixa (20) que é montada sobre o elemento de estrutura (14) e uma segunda parte móvel (22) que é montada sobre a árvore (12) e que é ligada ao elemento móvel (16), que consiste em um acionador eletromecânico com entreferro entre a primeira parte (20) e a segunda parte (22), caracterizado pelo fato de comportar meios de comando dos meios de acionamento (18) para comandar a velocidade de rotação da segunda parte (22) dos meios de acionamento (18) em relação à primeira parte (20), em função da velocidade de rotação da árvore (12).
2. Sistema mecânico (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os meios de acionamento (18) consistirem em um acionador eletromecânico com entreferro com campo radial.
3. Sistema mecânico (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de os meios de acionamento (18) consistirem em um acionador eletromecânico com campo axial.
4. Sistema mecânico (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de a segunda parte (22) dos meios de acionamento (18) ser montada móvel em rotação de maneira coaxial à (12) e ser ligada à (12) por meios de orientação (26) em rotação em torno do eixo principal (A) da árvore (12).
5. Sistema mecânico (10), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de comportar meios (28) de transformação do movimento de rotação da segunda parte (22) em relação à árvore (12) em um deslocamento do elemento móvel (16) em relação à árvore (12) que comportam um elemento de entrada de movimento (36) ligado à segunda parte (22), esse elemento de entrada de movimento (36) sendo móvel em rotação, de maneira seletiva em relação à árvore (12), quando do deslocamento do elemento móvel (16).
6. Sistema mecânico (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de os meios de comando serem realizados, de maneira a provocarem uma rotação do elemento de entrada de movimento (36) em torno da árvore (12), para acionar um deslocamento do elemento móvel (16) em relação à árvore (12).
7. Sistema mecânico (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de o elementomóvel (16) ser montado móvel em rotação em relação à árvore (12) em torno de um eixo secundário (B) de orientação radial em relação ao eixo principal (A), esse eixo secundário (B) sendo solidário à árvore (12) em rotação em torno do eixo principal (A).
8. Turbomáquina de aeronave, caracterizada pelo fato de comportar um sistema mecânico (10), como definido em qualquer uma das reivindicações precedentes, no qual o elemento móvel (16) consiste em uma pá de orientação variável.
9. Turbomáquina, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de comportar uma pluralidade de pás (16) repartidas em torno do eixo principal (A) da árvore (12).
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