BR112017001872B1

BR112017001872B1 - Turborreator de corpo duplo e de fluxo duplo

Info

Publication number: BR112017001872B1
Application number: BR112017001872-1A
Authority: BR
Inventors: Bernard Robic; Thierry Jean-Jacques Obrecht; Baptiste Jean Marie Renault
Original assignee: Safran Aircraft Engines
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2015-08-04
Publication date: 2022-03-29
Also published as: CA2956887A1; CN106574574B; FR3024755B1; EP3177820B1; RU2708492C2; CA2956887C; EP3177820A1; RU2017103126A3; WO2016020618A1; FR3024755A1; CN106574574A; US20170226934A1; US11767794B2; RU2017103126A; BR112017001872A2

Abstract

A presente invenção tem como objeto um turborreator de corpo duplo e de fluxo duplo que compreende uma ventoinha (S) posicionada a montante de um gerador de gás e que delimita um fluxo primário e um fluxo secundário, o dito gerador de gás sendo atravessado pelo fluxo primário e compreendendo um compressor de baixa pressão (1), um compressor de alta pressão (2), uma câmara de combustão (3), uma turbina de alta pressão (4) e uma turbina de baixa pressão (5), a dita turbina de baixa pressão sendo ligada ao dito compressor de baixa pressão por uma árvore de rotação de baixa pressão (10) e a dita turbina de alta pressão sendo ligada ao dito compressor de alta pressão por uma árvore de rotação de alta pressão (20), caracterizado pelo fato de que o dito turborreator compreende um motor elétrico que forma um dispositivo de injeção de potência mecânica (8) em pelo menos uma das ditas árvores de rotação (10, 20), um dispositivo de retirada de potência (7) de pelo menos uma das ditas árvores de rotação, dimensionado para extrair uma potência excedente (w3, w5) em relação à necessidade de acionamento de sistemas do turborreator (w7), que transforma a dita potência excedente em energia elétrica, e um meio de estocagem elétrica (9) posicionado (...).

Description

DOMÍNIO DA INVENÇÃO

[0001] O domínio da presente invenção é aquele das turbomáquinas aeronáuticas, e em especial aquele dos motores de aeronaves realizados sob a forma de turborreatores de corpo duplo, de fluxo duplo e com alta taxa de diluição.

ESTADO DA TÉCNICA

[0002] A concepção dos turborreatores modernos necessita que seja levada em consideração, para o dimensionamento de seus compressores, uma margem suficiente contra o fenômeno dito de sobrecarga. Esse fenômeno que resulta de uma incidência excessiva do fluxo de ar sobre as lâminas de um dos compressores tem como resultado flutuações grandes e rápidas da pressão a jusante do compressor em questão e pode levar a uma extinção da câmara de combustão. Ele gera por outro lado grandes solavancos sobre os conjuntos de pás do compressor e pode assim levar a degradações mecânicas. É conveniente portanto muito especialmente evitar seu aparecimento. O funcionamento de um compressor em utilização é geralmente representado por um diagrama que exprime a relação de pressão obtida entre a saída e a entrada, em função da vazão de ar que o travessa; esse diagrama é por outro lado parametrizado em função da velocidade de rotação do compressor. Nesse diagrama é representada uma linha de sobrecarga que constitui o limite máximo em taxa de compressão a não ultrapassar, para não correr o risco do aparecimento de uma sobrecarga. E é definida uma linha, dita de funcionamento, que fornece as taxas de compressão obtidas em função da vazão, quando o motor está em funcionamento estabilizado. O posicionamento dessa linha de funcionamento é deixado à apreciação do projetista da turbomáquina e a distância dessa linha até a linha de sobrecarga representa a margem para a sobrecarga.

[0003] É conveniente lembrar que o rendimento do compressor (trabalho de compressão fornecido pelo ar, relacionado com o trabalho fornecido para acioná-lo em rotação) é, em primeira abordagem (e isso será explicado mais em detalhe na sequência da descrição), melhor à medida que há uma aproximação da linha de sobrecarga. Ao contrário, as acelerações demandadas pelo piloto a partir de um funcionamento estabilizado para obter um aumento do impulso, se traduzem ao nível do compressor por uma incursão do ponto de funcionamento que é efetuada na direção da linha de sobrecarga. De fato uma injeção suplementar de carburante dentro da câmara de combustão provoca uma elevação quase instantânea da taxa de compressão, enquanto que a velocidade de rotação não tem tempo de aumentar devido à inércia do rotor que leva o compressor. A variação de entalpia trazida ao fluido pela combustão do carburante gera nesse caso um aumento do trabalho fornecido por cada turbina e, consequentemente um aumento da velocidade de rotação do corpo correspondente. Isso se traduz ao nível do diagrama do compressor por um retorno do ponto de funcionamento sobre a linha de funcionamento quando o regime se estabiliza de novo, a um ponto que corresponde a uma vazão maior do que aquela do ponto precedente.

[0004] O projetista de uma turbomáquina deve portanto tentar otimizar o posicionamento da linha de funcionamento colocando para isso a mesma o mais alto possível, de modo a se beneficiar de melhores rendimentos para seus compressores, ao mesmo tempo em que conserva uma distância suficiente em relação à linha de sobrecarga para permitir acelerações seguras.

EXPOSIÇÃO DA INVENÇÃO

[0005] A presente invenção tem como objetivo corrigir esses inconvenientes propondo para isso um dispositivo de otimização da margem para a sobrecarga dos compressores de modo a reduzir as restrições que pesam sobre os projetistas de turbomáquinas. Ela tende por outro lado a melhorar o funcionamento do turborreator na fase de desaceleração em voo.

[0006] Com essa finalidade, a invenção tem como objeto um turborreator de corpo duplo e de fluxo duplo que compreende uma ventoinha posicionada a montante de um gerador de gás e que delimita um fluxo primário e um fluxo secundário, o dito gerador de gás sendo atravessado pelo fluxo primário e compreendendo um compressor de baixa pressão, um compressor de alta pressão, uma câmara de combustão, uma turbina de alta pressão e uma turbina de baixa pressão, a dita turbina de baixa pressão sendo ligada ao dito compressor de baixa pressão por uma árvore de rotação de baixa pressão e a dita turbina de alta pressão sendo ligada ao dito compressor de alta pressão por uma árvore de rotação de alta pressão, caracterizado pelo fato de que o dito turborreator compreende um motor elétrico que forma um dispositivo de injeção de potência mecânica em pelo menos uma das ditas árvores de rotação, um dispositivo de retirada de potência de pelo menos uma das ditas árvores de rotação, dimensionado para extrair uma potência excedente em relação à necessidade de acionamento de sistemas do turborreator, que transforma a dita potência excedente em energia elétrica, e um meio de estocagem elétrica posicionado entre o dito dispositivo de retirada de potência e o dito motor elétrico.

[0007] Um dispositivo de injeção de potência compreende uma árvore de injeção de potência que engrena por qualquer meio apropriado na árvore de rotação considerada e que é acionada por um elemento motor próprio para fornecer uma potência adicional nessa árvore.

[0008] Uma injeção de potência, notadamente na árvore de HP (Alta Pressão), permite melhorar, tanto a margem para a sobrecarga do compressor de BP (Baixa Pressão) quanto aquela do compressor de HP. Essa margem, acessível durante a utilização do dispositivo, permite que o turborreator funcione em regime estabilizado com margens reduzidas e portanto tirar proveito dos melhores rendimentos do compressor.

[0009] Vantajosamente o turborreator compreende um dispositivo de retirada de potência de pelo menos uma de suas árvores de rotação, dimensionado para extrair uma potência excedente em relação à necessidade de acionamento dos sistemas do turborreator.

[0010] Esse dispositivo permite alimentar o dispositivo de injeção de potência acima.

[0011] O dispositivo de injeção de potência e o dispositivo de retirada de potência podem ser separados ou então formados por um dispositivo único reversível.

[0012] De modo mais preferencial, o motor elétrico é ligado ao dito dispositivo de retirada de potência e engrena na ou nas ditas árvores de rotação para assegurar a dita injeção de potência.

[0013] Vantajosamente, o meio de estocagem elétrica é posicionado em paralelo entre o dito dispositivo de retirada de potência e o dito motor elétrico. Esse meio desempenha o papel de tampão no circuito de produção e de fornecimento de energia elétrica.

[0014] Em um modo especial de realização a injeção de potência é efetuada na árvore de alta pressão. Trata-se de uma configuração mais favorável do ponto de vista da operabilidade, quer dizer do ponto de vista das acelerações admissíveis pelo motor, pois ela proporciona ao mesmo tempo uma melhoria da margem para a sobrecarga do compressor de BP e do compressor de HP.

[0015] Vantajosamente o turborreator acima compreende por outro lado um dispositivo de retirada de potência na árvore de baixa pressão dimensionado para extrair uma potência excedente em relação à necessidade de acionamento dos sistemas do turborreator.

[0016] Em uma utilização especial a injeção de potência é efetuada a uma velocidade de rotação do copo de alta pressão superior ou igual a 80 % de sua velocidade de rotação em potência máxima. O funcionamento em alto regime do motor, e notadamente no decorrer do regime de cruzeiro, pode ser efetuado então com margens reduzidas e se beneficiar de uma otimização do posicionamento, no plano do rendimento, da linha de funcionamento no campo do compressor. A injeção de potência pode também visar pontos estabilizados em condições nas quais o compressor tem uma margem pequena para desenhar um compressor com uma margem menor fora da injeção de potência e assim se beneficiar dos melhores rendimentos em pontos operacionais sem injeção contínua de potência.

[0017] Em uma outra utilização a injeção de potência é efetuada na desaceleração em voo. Essa injeção de potência permite reduzir a quantidade de carburante injetado, ao mesmo tempo em que conserva velocidades de rotação compatíveis com uma utilização normal do motor, ao mesmo tempo em que conserva as condições de segurança parra uma reaceleração rápida do motor e sua reignição em caso de extinção.

[0018] Preferencialmente, o turborreator compreende por outro lado um dispositivo de debreagem entre a árvore de baixa pressão e a árvore de acionamento da ventoinha e compreende um dispositivo de retirada de potência da árvore de acionamento da ventoinha ligado ao dito dispositivo de injeção de potência na árvore de alta pressão.

[0019] Em uma utilização especial a injeção de potência é efetuada no decorrer do modo debreado do dispositivo de debreagem. Potência é retirada na ventoinha por meio de um dispositivo de inversão de passo das lâminas para colocar a ventoinha em modo turbina e reinjetar essa potência no corpo HP para conservar nele um modo de funcionamento normal.

[0020] Em um outro modo especial de realização a injeção de potência é efetuada na árvore de baixa pressão.

APRESENTAÇÃO DAS FIGURAS

[0021] A invenção será melhor compreendida, e outros objetivos, detalhes, características e vantagens dessa última aparecerão mais claramente no decorrer da descrição explicativa detalhada que vai se seguir, de vários modos de realização da invenção que são dados a título de exemplos puramente ilustrativos e não limitativos, em ligação com os desenhos esquemáticos anexos.

[0022] Nesses desenhos: - a figura 1 é uma vista geral de um turborreator de corpo duplo e de fluxo duplo; - a figura 2 é uma vista geral de um turborreator equipado com dispositivos de melhoria da gestão da margem para a sobrecarga, de acordo com a invenção; - a figura 3 é uma vista geral de um turborreator equipado com dispositivos de melhoria empregados no compressor de baixa pressão; - a figura 4 é uma vista geral de um turborreator equipado com dispositivos de melhoria empregados no compressor de alta pressão; - a figura 5 é uma vista geral de um turborreator equipado com dispositivos de melhoria da gestão da desaceleração em voo e em modo de autorrotação; - a figura 6 é uma vista do diagrama de funcionamento de um compressor de alta pressão de um turborreator; - a figura 7 é uma vista dos diagramas de funcionamento dos compressores de BP e de HP por ocasião de uma injeção de potência na árvore de HP. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0023] Fazendo-se referência à figura 1, é visto de modo genérico um turborreator de corpo duplo e de fluxo duplo com ventoinha. Ele compreende classicamente, de a montante para a jusante no sentido do escoamento dos gases, uma ventoinha S, um compressor de baixa pressão 1, um compressor de alta pressão 2, uma câmara de combustão 3 que recebe uma vazão de carburante Qc, uma turbina de alta pressão 4, uma turbina de baixa pressão 5 e uma tubeira primária de escape 6. O compressor de baixa pressão (ou BP) 1 e a turbina de baixa pressão 5 são ligados por uma árvore de baixa pressão 10 e formam juntos um corpo de baixa pressão. O compressor de alta pressão (ou HP) 2 e a turbina de alta pressão 4 são ligados por uma árvore de alta pressão 20 e formam juntos, com a câmara de combustão, um corpo de alta pressão.

[0024] A ventoinha S, que é acionada, ou diretamente, ou por intermédio de um redutor, pela árvore de BP 10, comprime o ar proveniente do tubo de entrada de ar. Esse ar é dividido a jusante da ventoinha entre um fluxo de ar secundário que é dirigido diretamente para um tubeira secundária (não representada) pela qual ele é ejetado para participar no impulso oferecido pelo motor, e um fluxo dito primário que penetra dentro do gerador de gás, constituído pelo corpo de abaixa e de alta pressão, e depois que é ejetado dentro da tubeira primária 6. A invenção cobre também o caso em que o s dois fluxos, primário e secundário são misturados antes de ejeção.

[0025] Na figura 2 é representado um turborreator de corpo duplo e de fluxo duplo de acordo com a invenção, no qual potência mecânica é retirada em uma, ou nas duas, árvores do turborreator através de tomadas de movimento (não representadas). Essas tomadas de movimento são geralmente, por um lado montadas na árvore da qual elas retiram potência e, por outro lado ligadas a um redutor 17 para levar de volta a velocidade de rotação das mesmas a valores compatíveis com o funcionamento dos equipamentos que eles acionam.

[0026] O esquema da figura 2 tenta ilustrar todos os casos que podem ser considerados de retirada de potência nas árvores de um turborreator de corpo duplo e de fluxo duplo, sem que isso corresponda a uma utilização especial, casos práticos sendo então detalhados em relação com as figuras seguintes.

[0027] No que diz respeito ao corpo de BP, uma potência de um valor w3 é retirada, através de uma tomada de movimento, seja ao nível da turbina, como está representado na figura 2, ou em qualquer outro local na árvore de BP 10, por uma árvore de extração de potência de BP (não representada). Essa árvore de extração de potência de BP desemboca no redutor 17 que é ele próprio ligado a um gerador elétrico 7 que transforma a energia w3 recebida em energia elétrica. Essa última pode, como está representado na figura 2, ser estocada dentro de um meio de estocagem elétrica 9 ou então, como será explicitado nos casos de utilização das figuras seguintes, enviada diretamente, por um motor elétrico 8 de injeção de potência, para uma das árvores do turborreator.

[0028] O meio de estocagem elétrica 9 pode classicamente ser do tipo bateria lítio- íon, sobrecapacidade ou pilha de combustível. A energia produzida pelo gerador elétrico 7 e que é fornecida a esse meio de estocagem elétrica 9, é designada pela quantidade w4.

[0029] Do mesmo modo, uma potência w5 pode ser retirada no corpo de HP, seja ao nível da turbina como está representado na figura ou em qualquer outro local da árvore de HP 20. Ela é, aqui ainda, extraída por uma árvore de extração de potência de HP (não representada) através de uma tomada de movimento montada nessa árvore. A árvore de extração de potência de HP desemboca em um redutor 17, representado aqui por simplificação como o mesmo que aquele da árvore de extração de potência de BP. Do mesmo modo que precedentemente o redutor 17 é ligado a um gerador elétrico 7 que transforma a energia mecânica w5 recebida em energia elétrica w4.

[0030] Por outro lado uma retirada de potência mecânica w7 é classicamente efetuada para acionar os acessórios do motor e fornecer potência mecânica à aeronave, com o auxílio de uma caixa de engrenagem conhecida sob o nome de caixa de engrenagens cônicas 19.

[0031] A potência retirada em uma o nas duas árvores, seja ela estocada ou não, tem vocação de acordo com a invenção para ser injetada em uma ou nas duas árvores com o auxílio dos dispositivos seguintes:

[0032] Um motor elétrico 8 é alimentado com corrente elétrica ou diretamente pelo gerador elétrico 7, ou pelo dispositivo de estocagem 9, e fornece potência mecânica a uma árvore de injeção de potência (não representada) que engrena em uma ou nas duas árvores do turborreator através de um redutor 18. A potência mecânica fornecida à árvore de BP 10 é designada pela quantidade w1 e aquela fornecida à árvore de HP 20 é designada pela quantidade w2.

[0033] Fazendo-se agora referência à figura 3 é visto um modo de realização da invenção no qual potência elétrica é injetada mecanicamente na árvore de BP 10.

[0034] O gerador elétrico 7 é aqui acionado pela árvore de HP 20 na qual ele retira uma potência w5. Essa última é, em funcionamento, enviada para o motor elétrico 8 que é acoplado mecanicamente à árvore de BP 10. A potência w5 é distribuída entre um valor w1 escolhido pelo projetista do turborreator para melhorar os desempenhos do motor no ponto de funcionamento considerado e um valor w4 que é enviado para o meio de estocagem 9. Esse último age assim como um tampão no circuito de fornecimento de energia à árvore considerada.

[0035] De modo similar, a figura 4 mostra um modo de realização no qual potência é injetada mecanicamente na árvore de HP 20.

[0036] O gerador elétrico 7 é aqui acionado pela árvore de BP 10 da qual ele retira uma potência w3. Essa última é, em funcionamento, enviada para o motor elétrico 8 que é acoplado mecanicamente à árvore de HP 20. A potência w3 é distribuída entre um valor w2 escolhido pelo projetista do turborreator para melhorar a margem para a sobrecarga no ponto de funcionamento considerado e um valor excedente w4 que é enviado para o meio de estocagem 9 no caso em que a potência fornecida é superior à necessidade de potência da árvore de HP. No caso contrário, quer dizer se a potência w3 que pode ser retirada na árvore de BP é insuficiente pois é inferior ao w2 procurado, há uma extração de energia de uma quantidade de energia w6 a partir do meio de estocagem 9 e a transmissão dessa energia ao motor elétrico 8.

[0037] A figura 5 mostra um caso especial de injeção de potência na árvore de HP, no qual o gerador elétrico 7 é inserido na árvore de BP 10 entre o compressor de BP 1 e a ventoinha S para permitir um funcionamento em autorrotação da ventoinha, e o gerador elétrico é acionado a partir de uma tomada de movimento que é situada no lado da árvore da ventoinha. Essa configuração é utilizada, por exemplo, em caso de funcionamento na desaceleração em voo ou de extinção do turborreator, a ventoinha assegurando nesse caso a produção de energia elétrica por sua autorrotação.

[0038] Nessa configuração, o gerador elétrico 7 é acionado pela árvore de ventoinha que é desconectada da árvore de BP 10. A potência w3 que ele retira na árvore de ventoinha é enviada para o motor elétrico 8, que é acoplado mecanicamente à árvore de HP 20. Como no caso precedente, a potência w3 é distribuída entre um valor w2 que é injetado na árvore de HP 20 para assegurar sua rotação e permitir, eventualmente, uma reignição da câmara de combustão, e um valor excedente w4 que é enviado para o meio de estocagem 9. Se for necessário, se a potência w3 é insuficiente, há uma extração de energia de uma quantidade de energia w6 a partir do meio de estocagem 9 e a transmissão dessa energia ao motor elétrico 8 para a injeção de uma potência complementar na árvore de HP.

[0039] A figura 6 mostra o diagrama do compressor HP de um turborreator de corpo duplo e de fluxo duplo equipado com um dispositivo, de acordo com a invenção, de injeção de potência na árvore de HP.

[0040] Esse diagrama dá classicamente a evolução da taxa de compressão fornecida pelo compressor em função da vazão que o atravessa e ele é parametrizado de acordo com uma velocidade de rotação, que é expressa em porcentagem da velocidade de rotação na decolagem. Em função dos parâmetros de funcionamento do motor o ponto representativo do funcionamento do compressor se desloca nesse diagrama permanecendo para isso abaixo da linha de sobrecarga A, que é, ela, uma característica do compressor.

[0041] É constatado, classicamente, nesse diagrama, que as curvas de isorrendimentos do compressor têm uma forma oval da qual o eixo maior é alinhado substancialmente paralelamente à linha de sobrecarga. A linha B que liga os pontos de melhores rendimentos constitui então um ótimo para o posicionamento da linha de funcionamento. Em contrapartida um tal posicionamento proporciona uma margem para a sobrecarga que é geralmente insuficiente e é corrente na arte anterior declarar essa linha para baixo para funcionar com margens aceitáveis, em detrimento do rendimento do compressor e portanto do consumo específico do turborreator.

[0042] A invenção propõe portanto posicionar essa linha de funcionamento de maneira ótima ao nível do rendimento do compressor, quer dizer com margens para a sobrecarga com certeza reduzidas, mas associar a ela a utilização por comando, de um dispositivo de injeção de potência, que gera durante o tempo necessário uma margem para a sobrecarga aumentada, como vai ser explicado em relação com a figura 7. Durante todo o tempo de utilização desse dispositivo a linha de funcionamento é deslocada para baixo na posição, para uma posição de linha de funcionamento com margem aumentada C.

[0043] A figura 7 mostra a influência nos campos dos compressores de BP e de HP de uma injeção de potência na árvore de HP, de alto regime (quer dizer de modo prático com uma velocidade de rotação superior ou igual a 80 % da velocidade de rotação em potência máxima) e o impacto que ela tem sobre o posicionamento da linha de funcionamento do motor em cada um desses campos.

[0044] Com os altos regimes o escoamento dos gases dentro do gerador de gás é caracterizado por dois bocais sônicos, que são posicionados, para um deles ao nível do distribuidor de turbina de HP e para o outro ao nível da seção da tubeira primária. Isso se traduz aerodinamicamente por um bloqueio do escoamento nesses dois locais e portanto por uma conservação da carga do conjunto das duas turbinas, quaisquer que sejam as modificações efetuadas no ciclo a montante desses pontos, desde que sejam conservadas a mesma taxa de compressão global (relação entre a pressão na saída do compressor de HP e a entrada do compressor de BP) e a mesma temperatura na saída da câmara de combustão.

[0045] Uma injeção de potência na árvore de HP, que tem os mesmos efeitos práticos que uma abertura da seção S6 do distribuidor de BP, provoca então ipso facto uma diminuição da carga da turbina de BP.

[0046] A carga da turbina de BP diminuindo, isso se traduz em seu campo de compressor por uma diminuição, com regime constante, da taxa de compressão de BP e portanto por um afastamento da linha de funcionamento BBP daquela de sobrecarga ABP (cf. figura da esquerda). Esse afastamento é efetuado com velocidade de rotação constante e portanto substancialmente perpendicularmente à linha de sobrecarga. A injeção de potência na árvore de HP é consequentemente benéfica no que diz respeito à melhoria da margem para a sobrecarga do compressor de BP.

[0047] No que diz respeito ao compressor de HP, sua carga aumenta mas a seção do distribuidor de HP sendo bloqueada a jusante, a linha de funcionamento se desloca para a direita, com taxa de compressão substancialmente constante. Considerando o aspecto ascendente da linha de funcionamento, esses deslocamento para a direita se traduz por um afastamento do ponto de funcionamento BHP da linha de sobrecarga AHP e portanto por um aumento da margem correspondente do compressor de HP (cf. figura da direita).

[0048] Finalmente, no que diz respeito ao funcionamento da ventoinha, que não é submetida ao fenômeno de bloqueio do escoamento, sua linha de funcionamento não se move substancialmente e se permanece no mesmo regime que na ausência de injeção de potência.

[0049] Os ganhos trazidos pela invenção nos altos regimes foram avaliados e se apresentam do seguinte modo, para uma injeção de uma potência de 500 cv em alto regime, na árvore de HP: - um ganho de 1,7 % na margem para a sobrecarga do compressor de BP no regime de decolagem, - um ganho de 1,4 % na margem para a sobrecarga do compressor de HP, e - um ganho mínimo de 0,07 % na margem para a sobrecarga da ventoinha.

[0050] No final é visto que uma injeção de potência na árvore de HP produz uma melhoria das margens tanto no compressor de HP quanto no compressor de BP. Um projetista de turborreator pode portanto, prevendo para isso um dispositivo de injeção de potência, posicionar as linhas de funcionamento de seus dois compressores mais próxima da linha da linha de sobrecarga do que na arte anterior e assim se beneficiar do ótimo de rendimento desses últimos. A redução da margem para a sobrecarga que é associada a isso é compensada por um acionamento por comando de uma injeção de potência na árvore de HP, como por exemplo por ocasião de uma demanda de aumento do impulso pelo piloto.

[0051] Uma injeção de potência na árvore de HP pode também ser considerada em outros regimes de funcionamento do turborreator e, em especial, em funcionamento em autorrotação da ventoinha por ocasião da descida ou no regime de desaceleração em voo.

[0052] O regime de autorrotação da ventoinha, debreando-se a mesma do corpo de BP através de um dispositivo de embreagem/debreagem 11, como descrito em relação com a figura 5, permite recuperar a energia associada à velocidade do avião e utilizar essa energia para carregar o meio de estocagem elétrica 9 tendo em vista uma utilização ulterior para melhorar as margens para a sobrecarga ou assistir a desaceleração em voo. Essa configuração pode permitir por outro lado recarregar qualquer outro meio de estocagem elétrica que pode se encontrar no avião.

[0053] No que diz respeito a uma assistência à desaceleração em voo é conveniente notar que essa fase do cruzeiro de um avião é consumidora de carburante devido ao fato de que, apesar da procura de um impulso que seja o menor possível, é preciso assegurar uma velocidade de rotação mínima aos corpos de HP e de BP. Na falta disso a câmara de combustão corre o risco de se extinguir. Tudo isso precisa que seja conservado um regime de desaceleração em voo relativamente elevado e portanto, na arte anterior, consumir carburante com essa finalidade. É desejável reduzir esse consumo, desde que a redução de impulso residual que é associada a isso, não acarrete a necessidade de prolongar o cruzeiro de modo excessivo. Sob reserva de uma avaliação do ganho global sobre o consumo no decorrer de um voo, o aporte de uma injeção de potência na árvore de HP pode constituir uma solução interessante para reduzir a necessidade em carburante no regime de desaceleração em voo e tentar melhorar o consumo de carburante de uma aeronave.

[0054] Na descida, na desaceleração em voo, um certo número de funções deve permanecer assegurado pelo ou pelos motores de uma aeronave, a saber: - conservar uma riqueza mínima dentro da câmara de combustão para evitar uma extinção dita “pobre”, por insuficiência de carburante comparativamente à vazão de ar que a atravessa, - conservar um regime mínimo para permitir uma reaceleração do motor se o piloto fizer essa demanda, e - fornecer uma pressurização à aeronave e portanto conservar uma velocidade de rotação das árvores de HP e de BP que permitem um nível de pressão estática mínimo na saída do compressor de HP (ou pelo menos ao nível do estágio de compressão no qual se situa a fresta de retirada de ar).

[0055] Uma injeção de potência na árvore de HP com o auxílio de um motor elétrico 8, como aquele posto no lugar para melhorar as margens para a sobrecarga nos altos regimes, permite, fornecendo para isso uma parte da potência que é necessária para assegurar as três funções acima, reduzir a potência fornecida por uma combustão de carburante e portanto a quantidade de carburante que é injetada na desaceleração em voo. No final os dois corpos de BP e de HP giram em velocidades de rotação análogas àquelas da arte anterior, mas com um consumo de carburante reduzido.

[0056] O rendimento energético da combustão na desaceleração sendo relativamente pequeno, por comparação com seu rendimento nos regimes elevados (quer dizer lá onde é efetuada geralmente a recarga do meio de estocagem elétrica 9), um aporte de potência pelo motor elétrico 8 combinado com uma redução de fornecimento de potência pelo gerador de gás, é benéfico para o balanço energético global. A invenção permite assim melhorar o consumo de uma aeronave por ocasião de um voo, sem que haja necessidade de introduzir dispositivos suplementares, esses últimos já estando implantados para melhorar as margens para a sobrecarga dos compressores.

[0057] A invenção tem portanto como objeto um dispositivo que permite a injeção de uma certa potência em uma das árvores do turborreator, essa potência podendo ser retirada de modo direto em uma ou nas duas árvores, ou então ser restituída a partir de um meio de estocagem de energia elétrica que recebe essa energia da parte de um gerador acionado por pelo menos uma das ditas árvores.

[0058] O impacto de uma retirada de potência e de uma injeção de potência nas diferentes árvores pode ser resumido como se segue:

[0059] Caso de um aporte de potência na árvore de HP: Ele melhora a margem dos compressores de HP e de BP e permite assim posicionar a linha de funcionamento do motor dentro dos campos dos compressores mais próxima da linha de sobrecarga do que precedentemente e se beneficiar de melhores rendimentos, Ele permite reduzir o impulso na desaceleração em voo e assim reduzir o consumo global de carburante em um voo.

[0060] Caso de um aporte de potência na árvore de BP: Ele degrada a margem para a sobrecarga do compressor de BP, mas ele permite uma redução do consumo de carburante com impulso constante pois essa última é em parte produzida pelo sistema de injeção de potência na árvore.

[0061] Caso de uma retirada de potência na árvore de HP (além da retirada de potência habitual w7 para os sistemas): Ela permite a estocagem de energia para utilizações ulteriores, essa estocagem sendo efetuada por ocasião de pontos de funcionamento à distância suficiente da linha de sobrecarga, em contrapartida ela degrada a margem para a sobrecarga do compressor de HP, por ocasião de sua utilização.

[0062] Caso de uma retirada de potência na árvore de BP: Ela permite a estocagem de energia para utilizações ulteriores, sem prejuízo sobre as margens para a sobrecarga dos compressores, tanto de HP quanto de BP, Ela aumenta a margem para a sobrecarga do compressor de BP, mas em detrimento de um prejuízo sobre o impulso ou sobre o consumo específico do motor, essa estocagem sendo efetuada por ocasião de pontos de funcionamento à distância suficiente da linha de sobrecarga, Ela permite a recuperação de energia na árvore de BP por ocasião da descida, graças ao efeito de autorrotação da ventoinha.

[0063] Caso de uma retirada de potência em uma árvore e aporte simultâneo dessa potência na outra: Ela permite o acoplamento elétrico das duas árvores na descida (retirada na árvore de BP e aporte na árvore de HP para evitar as extinções de câmara), Ela permite o acoplamento das duas árvores para um melhor controle da aceleração dos dois corpos e uma melhor gestão de suas velocidades de rotação.

[0064] No final é visto que as configurações mais favoráveis, sem que as outras saiam do âmbito da invenção, consistem em uma retirada de potência na árvore de BP e em uma injeção de potência na árvore de HP. Essa configuração permite por um lado melhorar as margens para a sobrecarga dos dois compressores nos regimes elevados, o que permite um posicionamento da linha de funcionamento mais próxima dos melhores rendimentos, e por outro lado reduzir a quantidade de carburante necessário na desaceleração em voo o que é benéfico para o consumo global em decorrer de um voo.

[0065] A variação de potência elétrica da rede de bordo de uma aeronave devida a uma necessidade nos sistemas para uma aeronave mais elétrica se traduz por uma irrupção de corrente que pode ser detectada e da qual o valor do sinal em relação a limites definidos pode servir para ajustar os equilíbrios entre o gerador de gás e o motor elétrico fazendo para isso variar as leis de comando do sistema FADEC. Esse sistema pode compreender uma parte da gestão da eletrônica de potência, que envia o controle dos regimes do motor elétrico, e uma parte de gestão térmica, que envia as leis de comando da parte térmica do motor (gerador de gás). Esse sistema pode compreender as leis de comando híbridas das combinações de modo dos dispositivos, que são traduzidas pelas partes de gestão precitadas do sistema em instruções respectivas. O sistema pode também ser uma única e mesma caixa que integra todas as leis, e isso em função do histórico do gerador de gás que é hibridizado ou do turbopropulsor projetado híbrido desde o início.

Claims

1. Turborreator de corpo duplo e de fluxo duplo que compreende uma ventoinha (S) posicionada a montante de um gerador de gás e que delimita um fluxo primário e um fluxo secundário, o dito gerador de gás sendo atravessado pelo fluxo primário e compreendendo um compressor de baixa pressão (1), um compressor de alta pressão (2), uma câmara de combustão (3), uma turbina de alta pressão (4) e uma turbina de baixa pressão (5), a dita turbina de baixa pressão sendo ligada ao dito compressor de baixa pressão por uma árvore de rotação de baixa pressão (10) e a dita turbina de alta pressão sendo ligada ao dito compressor de alta pressão por uma árvore de rotação de alta pressão (20), caracterizado pelo fato de que o dito turborreator compreende um motor elétrico que forma um dispositivo de injeção de potência mecânica (8) em pelo menos uma das ditas árvores de rotação (10, 20), um dispositivo de retirada de potência (7) de pelo menos uma das ditas árvores de rotação, dimensionado para extrair uma potência excedente (w3, w5) em relação à necessidade de acionamento de sistemas do turborreator (w7), que transforma a dita potência excedente em energia elétrica, e um meio de estocagem elétrica (9) posicionado entre o dito dispositivo de retirada de potência e o dito motor elétrico, a potência sendo formada a partir da árvore de rotação de baixa pressão (10) e uma potência (w1, w2) sendo aplicada à árvore de rotação de alta pressão (20).

2. Turborreator de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de injeção de potência e o dispositivo de retirada de potência formam um dispositivo único reversível.

3. Turborreator de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o motor elétrico (8) é ligado ao dito dispositivo de retirada de potência (7) e engrena na ou nas ditas árvores de rotação para assegurar a dita injeção de potência.

4. Turborreator de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o meio de estocagem elétrica (9) é posicionado em paralelo entre o dito dispositivo de retirada de potência e o dito motor elétrico.

5. Turborreator de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que ele compreende por outro lado um dispositivo de retirada de potência na árvore de baixa pressão (10) dimensionado para extrair uma potência excedente (w3) em relação à necessidade de acionamento dos sistemas do turborreator (w7).

6. Turborreator de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a injeção de potência é efetuada a uma velocidade de rotação do copo de alta pressão superior ou igual a 80 % de sua velocidade de rotação em potência máxima.

7. Turborreator de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a injeção de potência é efetuada na desaceleração em voo.

8. Turborreator de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que ele compreende por outro lado um dispositivo de debreagem (11) entre a árvore de baixa pressão (10) e a árvore de acionamento da ventoinha (S) e compreende um dispositivo de retirada de potência da árvore de acionamento da ventoinha ligado ao dito dispositivo de injeção de potência na árvore de alta pressão (20).

9. Turborreator de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a injeção de potência é efetuada no decorrer do modo debreado do dispositivo de debreagem (11).

10. Turborreator de acordo com uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a injeção de potência (w2) é efetuada na árvore de baixa pressão (10).