BR112019023917B1 - Arquitetura de um sistema propulsivo híbrido de aeronave e aeronave - Google Patents

Abstract

a presente invenção refere-se a arquitetura de motor de aeronave que compreende duas máquinas elétricas reversíveis (3, 4) das quais os rotores (10) são ligados ao mesmo tempo ao eixo de baixa pressão (1) e ao eixo de alta pressão (2) por transmissões (11, 12, 13, 14) alternativamente debreadas de acordo com o sentido de rotação do rotor (10), as transmissões compreendendo acoplamentos unidirecionais passivos (15, 16, 17, 18), dos quais os sentidos de embreagem são opostos. dispõe-se assim de modos independentes de funcionamento das máquinas, em arranque ou em gerador elétrico de cada um dos eixos.

Description

DESCRIÇÃO

[0001] O sujeito da invenção é uma arquitetura híbrida de aeronave que compreende um motor acoplado a uma máquina elétrica reversível em seus eixos.

[0002] As arquiteturas propulsivas híbridas de aeronaves modernas compreendem motores que são associados a máquinas elétricas ligadas por uma rede de distribuição elétrica a armazenadores elétricos ou outros aparelhos de armazenamento energético. Os motores podem fornecer, além da energia necessária para a propulsão, energia elétrica explorada ou estocada em outro lugar na aeronave; as máquinas elétricas podem também, reciprocamente, fornecer uma energia de assistência aos motores, útil para certas fases da missão no solo e em voo.

[0003] Mas como as turbomáquinas usuais compreendem um eixo de baixa pressão BP e um eixo de alta pressão HP que giram com velocidades diferentes, e que a transmissão de potência reversível pode vantajosamente concernir uma ou outra desses eixos, e se levado a associar cada uma delas a uma máquina elétrica especial, o que pode levar a uma disposição pesada e que se revelará complicado para comandar de modo fiável.

[0004] A arte anterior identificada compreende um grande número de arquiteturas de propulsão híbrida nos quais eixos e rotores de motores de aeronaves são associados a máquinas elétricas reversíveis: será primeiramente citado EP 2 192 291 A2, que poderia ser o documento mais próximo da invenção, e compreende uma máquina elétrica única ligada por embreagens unidirecionais respectivas a dois eixos do motor (aqui a eixo de baixa pressão e um eixo associado a uma turbina de extremidade do motor e destinada ao acionamento de hélices), na qual as embreagens são dispostas de modo a permitir um modo de partida, no qual a máquina elétrica funciona como motor e aciona o eixo de baixa pressão inicialmente em repouso, e um modo normal que sucede à partida no qual o eixo de acionamento das hélices atingiu uma velocidade suficiente para acoplar a outra embreagem unidirecional, fazer a máquina trabalhar como gerador de eletricidade, e desacoplar a primeira embreagem que une a máquina ao eixo de baixa pressão. Será visto que a presente invenção utiliza também, entre outras coisas, uma máquina elétrica reversível acoplada a dois eixos independentes e coaxiais de um motor de aeronave por embreagens unidirecionais; mas sua arquitetura compreende outros elementos que permitem modos de funcionamento completamente diferentes.

[0005] Outros documentos que podem merecer a atenção são WO 95/02120 A1, que descreve três máquinas elétricas reversíveis respectivamente associadas ao eixo de baixa pressão, ao eixo de alta pressão e a um eixo de ventoinha por transmissões das quais algumas compreendem embreagens, e que interagem para transferir potência de um dos eixos para um outro, o que necessita no entanto certamente de um dispositivo de comando complicado, notadamente para as embreagens; US 2013/0038057 A1 que descreve uma máquina elétrica reversível que pode ser ligada ou a um eixo porta-hélice, ou a um eixo de baixa pressão por embreagens respectivas; US 2011/154827 A1 que descreve um dispositivo no qual dois eixos concêntricas de motor de aeronave são ligados a máquinas elétricas reversíveis por transmissões de engrenagens; EP1731735 A2, um dispositivo no qual um eixo de alta pressão é ainda ligada a uma máquina elétrica reversível e também ligada, assim como ao eixo de baixa pressão, a um conjunto que compreende uma bomba hidráulica e um motor hidráulico, assim como uma embreagem, de maneira a transferir à vontade potência do eixo de baixa pressão para o eixo de alta pressão, esse dispositivo sendo no entanto irreversível para o sentido de transmissão de potência, e diferente de uma máquina elétrica para a transformação reversível de natureza da energia; EP 1785614 A2 que descreve, em um motor que compreende dois eixos de sentidos opostos de rotação, um dispositivo com motor elétrico para acionar separadamente um eixo portador de uma ventoinha para um movimento de taxiamento; e US 5867979 A, que descreve mais um dispositivo de três eixos associados cada um deles a uma máquina elétrica reversível respectiva, para permitir transferências de energia de um eixo para outro.

[0006] Tais arquiteturas propulsivas permitem, portanto, um grande número de modos de funcionamento melhorados de motores de aeronaves com dois ou três eixos por intermédio de máquinas elétricas reversíveis que permitem de preferência retirar ou fornecer potência aos eixos. O comando dos diferentes modos necessário para um funcionamento universal do motor, que compreende numerosos modos diferentes, implica, no entanto, acrescentar embreagens nas transmissões que ligam as máquinas elétricas aos eixos ou as máquinas entre si, com a consequência de tornar substancialmente pesado o dispositivo e um risco de falta de fiabilidade devido à presença do sistema de comando.

[0007] O objetivo na fonte da invenção é, portanto, buscar um grande número de modos de funcionamentos híbridos e variados de motores de aeronaves, fazendo para isso colaborar máquinas elétricas reversíveis associadas a dois eixos coaxiais do motor, mas utilizando para isso um dispositivo que seja tão simples e leve quanto possível e perfeitamente fiável no que diz respeito ao comando das embreagens. Os principais meios utilizados para isso compreendem o emprego generalizado de embreagens unidirecionais para as transmissões, a ligação dos rotores de máquinas elétricas a cada um dos dois eixos, e a exploração da possibilidade de comandar as máquinas elétricas de acordo com os quatro quadrantes, quer dizer em modo motor e m modo gerador em dois sentidos de rotação.

[0008] Sob uma forma geral, a invenção é relativa a uma arquitetura de um sistema propulsivo híbrido de aeronave, que compreende um motor que compreende pelo menos dois eixos que giram independentemente um do outro, a disposição compreendendo ainda duas máquinas elétricas reversíveis ligadas a uma rede de distribuição, caracterizada pelo fato de que um rotor de cada máquina elétrica é ligado a cada um dos eixos do motor por uma transmissão respectiva, cada uma das transmissões compreendendo um acoplamento debreável, os acoplamentos debreáveis são embreagens unidirecionais passivas, e as embreagens unidirecionais de cada máquina elétrica têm sentidos de debreagem opostos em rotação, os eixos tendo ou sentidos de rotação inversos, ou sentidos de rotação idênticos, uma das transmissões compreendendo nesse caso uma inversão de sentido de rotação, pelo fato de que ela compreende um sistema de comando das máquinas elétricas que permite um acionamento de pelo menos um dos eixos pelas duas máquinas elétricas, e que permite também uma geração de eletricidade a partir de um dos dois eixos pela primeira máquina elétrica, simultaneamente a um acionamento da segunda dos dois eixos pela segunda máquina elétrica.

[0009] Além disso, de acordo com um aspecto importante da invenção que permite manter um sistema ao mesmo tempo leve e fiável, os acoplamentos debreáveis são embreagens unidirecionais e notadamente embreagens unidirecionais passivas, como rodas livres.

[0010] Explorando assim o funcionamento possível de uma máquina elétrica de acordo com os quatro quadrantes de funcionamento, obtém-se automaticamente uma transmissão por uma só dos dois eixos de acordo com o sentido de rotação do rotor da máquina se as embreagens unidirecionais debreiam para sentidos opostos de rotação do rotor, visto que o acoplamento de uma das transmissões implica o desacoplamento da outra. Nenhum dano por acidente de funcionamento deve, portanto, ser temido. Esse resultado é imediatamente obtido com eixos do motor que não giram no mesmo sentido de rotação, como eixos contrarrotativos. No caso contrário, será preciso acrescentar um inversor de rotação, tal como uma engrenagem ou qualquer dispositivo usual, a uma das transmissões. Como as embreagens unidirecionais são dispositivos passivos, nenhum dispositivo de comando das embreagens é necessário.

[0011] Como as realizações da invenção implicam um par de máquinas elétricas por motor, elas apresentam o interesse de permitir modos de funcionamento originais, que consistem notadamente em transferências de potência de um eixo para a outro, uma retirada em uma dentre elas por uma primeira das máquinas elétricas coincidindo com um fornecimento de potência à outro eixo pela outra máquina elétrica.

[0012] Outros modos de funcionamento da disposição da invenção são possíveis, e suas vantagens e circunstancias de emprego serão detalhadas mais adiante. De acordo com alguns aperfeiçoamentos que podem ser trazidos à concepção geral da invenção, o sistema de comando permite uma geração de eletricidade a partir de um dos eixos por uma ou pelas duas máquinas elétricas; as transmissões compreendem relações de redução de velocidade de rotação desiguais entre o rotor de pelo menos uma das máquinas e os eixos do motor; as máquinas elétricas de todos os motores são ligadas a um dispositivo de alimentação.

[0013] As diferentes realizações da invenção, que compreendem duas máquinas elétricas ligadas aos dois eixos do motor, oferecem, portanto, diversas vantagens. Torna-se possível ajustar com uma grande liberdade as retiradas de potência mecânica ou ao contrário os fornecimentos de potência suplementar ao motor de maneira muito mais adaptada às diferentes situações encontradas durante toda a missão em voo e no solo, com a perspectiva de aumentar os desempenhos do motor em diferentes regimes, ou ao contrário retirar mais potência mecânica, sem inconveniente para os desempenhos globais do motor e sua operabilidade. Serão mencionadas em especial possibilidades de melhorar os desempenhos transitórios, ou assistir o motor por ocasião das fases de partida no solo e em voo. Uma outra consequência favorável aos desempenhos globais da aeronave será uma maior liberdade no dimensionamento da turbomáquina, considerando para isso que se disporá sempre, de modo seguro, de um suplemento de potência originário de um outro dispositivo de alimentação, que será possível atribuir graças ao modo motor das máquinas elétricas ao eixo que terá necessidade dele. O acoplamento independente das máquinas elétricas nos dois eixos permite por outro lado modos de funcionamento inovadores para as aeronaves modernas com a colocação em rotação elétrica ou a assistência elétrica por aceleração ou frenagem dos eixos de BP e/ou de HP, com o motor desligado ou em funcionamento. O fornecimento da potência elétrica às máquinas elétricas de um motor poderá provir de um outro motor ou de um armazenador de energia, previsto para essa função ou associado a um turbogerador por exemplo.

[0014] A arquitetura característica da invenção é por outro lado simples e fiável e leve graças à escolha de acoplamentos unidirecionais que não necessitam de meio de comando.

[0015] E a invenção pode ser executada em cada um dos motores de uma mesma aeronave, com um dispositivo de alimentação comum às diferentes máquinas elétricas, capaz também de alimentar com potência elétrica os equipamentos e os sistemas da aeronave.

[0016] Os diferentes aspectos, características e vantagens da invenção serão agora descritos em ligação com as Figuras seguintes, que representam de modo detalhado uma realização puramente ilustrativa dessa última: - as Figuras 1 a 6 representam uma realização da invenção e seus diferentes modos de funcionamento, e - a Figura 7 representa a disposição completa disposta em uma aeronave.

[0017] A descrição tem como objetivo primeiramente as Figuras 1 e 7. Um motor de aeronave compreende um eixo de baixa pressão 1 e um eixo de alta pressão 2 coaxiais e concêntricas, assim como é usual. Ele é associado a duas máquinas elétricas 3 e 4 reversíveis das quais cada uma delas compreende um estator 5 ligado por cabos elétricos de uma rede de distribuição 6 a um sistema de comando 7, e por intermédio desse último a uma bateria ou um outro armazenador de energia 8 elétrica. A Figura 7 mostra que o sistema de comando 7 é ligado a todas as máquinas elétricas que caracterizam a invenção, que é aqui aplicada vantajosamente a cada um dos dois motores 21 e 22 da aeronave. O sistema de comando 7 interage com as eletrônicas de potência necessárias para o comando das máquinas elétricas 3 e 4. A arquitetura pode também dispor de um turbogerador 9 que alimenta entre outros a rede de distribuição 6 elétrica e/ou um armazenamento de energia como sistemas de baterias.

[0018] As máquinas elétricas 3 e 4 compreendem cada uma delas um rotor 10, que é ligado a cada um dos eixos de baixa pressão 1 e de alta pressão 2 por uma transmissão, respectivamente 11 e 12 para a máquina elétrica 3 e 13 e 14 para a máquina elétrica 4. Cada uma das transmissões 11, 12, 13 e 14 compreende elementos de transmissão propriamente ditos como elementos de rotor, eixos de transmissão, engrenagens, etc., de quaisquer gêneros e também um acoplamento unidirecional, respectivamente 15, 16, 17 e 18, que podem vantajosamente ser um elemento passivo como um acoplamento de roda livre. Os acoplamentos unidirecionais 15 a 18 podem ser montados diretamente sobre os rotores 10 como foi representado aqui, ou em outro lugar sobre as transmissões 11 a 14.

[0019] É essencial notar que os sentidos de acoplamentos das rodas livres 15 e 16 são opostos, assim como aqueles das rodas livres 17 e 18, com a consequência que cada um dos rotores 10 é acoplado a um ou outro dos eixos de baixa pressão 1 e de alta pressão 2, por uma ou outra das transmissões 11 e 12, ou 13 e 14, e uma só dentre elas, de acordo com seu sentido de rotação.

[0020] Os diferentes modos de funcionamento possíveis, regidos pelo sistema de comando 7, vão agora ser detalhados. Esses modos de funcionamento são escolhidos e regulados pelo sistema de comando 7, que age sobre os comandos das máquinas elétricas 3 e 4 e o controle do motor; os acoplamentos unidirecionais 15 a 18 não precisam de nenhum mecanismo de comando se eles são passivos, o que é uma grande vantagem que melhora a fiabilidade da arquitetura.

[0021] O modo da Figura 1 é um modo no qual os rotores 10 das duas máquinas elétricas 3 e 4 giram em um sentido de rotação que será chamado de positivo (R3+ e R4+) que induz o acoplamento das rodas livres 15 e 17. O engate dos dois rotores 10 e do eixo de baixa pressão 1 é efetuado pelas transmissões 11 e 13. Além disso, o armazenador de energia 8 fornece a potência elétrica necessária às máquinas elétricas 3 e 4. Essa situação pode corresponder a um motor 21 ou 22 desligado e ao modo de taxiamento ou de acionamento no solo por uma hélice ou uma ventoinha 23 (figura 7) na ponta do eixo de baixa pressão 1, ou a um fornecimento de potência adicional em modo transitório ou em modo contínuo exclusivamente para o eixo de baixa pressão 1, que podem ser instaurados durante as diferentes fases de voo. Nesse modo de funcionamento como em todos aqueles nos quais as máquinas elétricas 3 e 4 (ou uma delas somente) trabalham em modo motor, a energia elétrica que as alimenta pode também provir de outros equipamentos que são ligados a elas pela rede de distribuição 6, como do turbogerador 9 ou do outro dos motores 22 ou 21, pelas máquinas elétricas 3 e 4 dessa última. A invenção pode, portanto, permitir modos de funcionamento nos quais um dos motores dá a partida ou acelera o outro, o que pode ser especialmente apreciado em caso de pane, o motor desligado continuando então a funcionar por seu eixo de baixa pressão 1, que aciona aqui ainda uma hélice ou a ventoinha 23.

[0022] O modo da Figura 2 é análogo a aquele da Figura 1 e repousa notadamente na rotação dos dois rotores 10 no sentido positivo R3+ e R4+, exceto que as máquinas elétricas 3 e 4 trabalham ambas como gerador de potência elétrica graças a suas eletrônicas de potência. Esse modo permite retirar potência mecânica do eixo de baixa pressão 1 para fornecer energia não propulsiva, recarregar o armazenador de energia 8 ou frenar o eixo de baixa pressão 1.

[0023] O modo de realização da Figura 3 se distingue dos precedentes por uma inversão dos sentidos de rotação dos rotores 10, quer dizer que eles giram nos sentidos ditos negativos R3- e R4-. As transmissões 11 e 13 que levam ao eixo de baixa pressão 1 se tornam nesse caso inativas, e reciprocamente as transmissões 12 e 14 que levam ao eixo de alta pressão 2 transmitem potência. Nesse modo, a potência é fornecida pelo armazenador de energia 8, o pelo turbogerador 9, ou pelo segundo motor 22 ou 21 ao eixo de alta pressão 2 pelas duas máquinas elétricas 3 e 4. Isso pode ser empregado para a partida do motor 21 ou 22 ou para uma assistência elétrica transitória ou contínua do eixo de alta pressão 2, que podem ser instauradas durante as diferentes fases de voo. Aqui também, a presença de duas máquinas elétricas 3 e 4 que podem ser comandadas independentemente oferece uma maior liberdade de concepção.

[0024] No modo de realização da Figura 4, são encontrados os mesmos sentidos negativos R3- e R4- de rotação dos rotores 10, mas o sentido de transmissão de potência é invertido, quer dizer que as máquinas elétricas 3 e 4 trabalham em modo gerador. Esse modo de funcionamento poderia ser usual para fornecer energia não propulsiva, recarregar o armazenador de energia 8 ou frenar o eixo de alta pressão 2.

[0025] No modo de funcionamento da Figura 5, a rotação no sentido positivo R3+ da primeira máquina elétrica 3 é associada ao sentido de rotação negativo R4- da segunda máquina elétrica 4. É nesse caso possível retirar potência mecânica de um dos eixos e fornecer potência mecânica à outra, com um balanço de fornecimento ou de extração da potência elétrica na rede de distribuição 6 podendo ser nulo. Aqui, a primeira máquina elétrica 3 contribui para acionar o eixo de baixa pressão 1 pela transmissão 11, e o eixo de alta pressão 2 faz a segunda máquina elétrica 4 trabalhar em modo gerador de eletricidade. Um tal modo de funcionamento pode apresentar interesse por exemplo em fases transitórias do motor 21 ou 22, acelerando para isso o eixo de baixa pressão 1 e desacelerando o eixo de alta pressão 2.

[0026] A Figura 6 mostra que o funcionamento oposto é possível, a primeira máquina elétrica 3 fornecendo energia ao eixo de alta pressão 2, com o sentido de rotação negativo R3-, e o eixo de baixa pressão 1 fazendo a segunda máquina elétrica 4 como gerador por meio da rotação de seu rotor 10 no sentido positivo R4+. Um tal modo de funcionamento pode apresentar interesse por exemplo em fases transitórias do motor 21 ou 22, acelerando para isso o eixo de alta pressão 2 e desacelerando o eixo de baixa pressão 1.

[0027] A comutação entre os diferentes modos de funcionamento pode ser facilitada, assim como o dimensionamento das máquinas elétricas 3 e 4, se as relações de redução das transmissões 11 e 12, e 13 e 14 que levam a cada um dos rotores 10 são desiguais, de modo a que os intervalos de regime do eixo de baixa pressão 1 e do eixo de alta pressão 2 correspondam a intervalos de velocidade próximos no rotor 10 de cada um dos máquinas elétricas 3 e 4, o que pode ser obtido por amplificadores ou redutores de rotação (não representados, que podem consistir em engrenagens) nas transmissões 11 a 14 de cada um dos máquinas elétricas 3 e 4.

Claims (6)

1. Arquitetura de um sistema propulsivo híbrido de aeronave, que compreende um motor (21, 22) que compreende pelo menos dois eixos (1, 2) que giram independentemente uma da outra, duas máquinas elétricas reversíveis (3, 4) ligadas a uma rede de distribuição (6), e um sistema de comando (7) das máquinas elétricas, caracterizada pelo fato de que: - um rotor (10) de cada máquina elétrica é ligado a cada um dos eixos (1, 2) do motor por uma transmissão (11, 12, 13, 14) respectiva, os eixos tendo ou sentidos de rotação inversos, ou sentidos de rotação idênticos, uma das transmissões compreendendo nesse caso uma inversão de sentido de rotação, - cada uma das transmissões compreendendo um acoplamento debreável (15, 16, 17, 18), os acoplamentos debreáveis são embreagens unidirecionais passivas, e as embreagens unidirecionais de cada máquina elétrica acoplam o rotor (10) da máquina elétrica com os eixos (1, 2) para sentidos de rotação opostos do rotor (10) da máquina elétrica, e em que: - o sistema de comando (7) das máquinas elétricas permite: - um controle das máquinas elétricas em um modo motor e um modo gerador em ambos os sentidos de rotação de seus rotores, - um acionamento de pelo menos um dos eixos pelas duas máquinas elétricas (3, 4), e também uma geração de eletricidade a partir de um dos dois eixos pela primeira máquina elétrica, simultaneamente a um acionamento da segunda dos dois eixos pela segunda máquina elétrica.

2. Arquitetura de um sistema propulsivo híbrido de aeronave de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o sistema de comando (7) permite uma geração de eletricidade a partir de um dos eixos por uma ou duas máquinas elétricas (3, 4).

3. Arquitetura de um sistema propulsivo híbrido de aeronave de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que as transmissões compreendem relações de redução de velocidade de rotação desiguais entre o rotor de pelo menos uma das máquinas e os eixos do motor.

4. Aeronave, que compreende uma pluralidade de motores (21, 22) cada um deles provido da arquitetura como definida em qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que as máquinas elétricas de todos os motores são ligadas a um dispositivo (8, 9) de alimentação.

5. Aeronave de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que ela compreende um sistema de comando (7) que permite um acionamento de um primeiro dos motores por um outro dos motores via as máquinas elétricas, as máquinas elétricas do primeiro dos motores funcionando em modo motor e as máquinas elétricas do segundo dos motores funcionando em modo gerador.

6. Aeronave de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizada pelo fato de que ela compreende um dispositivo de alimentação, ligado às máquinas elétricas, e que compreende um turbogerador (9) e/ou um armazenador de energia (8).